POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ TRANSPORTU

BADANIE MATERIAŁÓW ZA POMOCĄ DEFEKTOSKOPU ULTRADŹWIĘKOWEGO

Grupa dziekańska T11

Sekcja laboratoryjna: 11

1. Michał Kudela

2. Konrad Łysiak

3. Jaromir Bracki

Wstęp teoretyczny.

Defektoskop ultradźwiękowy składa się z: układu elektrycznego generującego impulsy elektryczne, głowicy ultradźwiękowej funkcjonującej jako nadajnik (przetwarzający impulsy elektryczne na drgania ultradźwiękowe wprowadzane do badanej próbki) oraz odbiornik (przetwarzający falę ultradźwiękową docierającą do niej z wnętrza próbki na impuls elektryczny), wzmacniacza elektronicznego rejestrowanych impulsów, oscyloskopu, na który podawane są impulsy z nadajnika i odbiornika.

Cele ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami fal ultradźwiękowych i ich wykorzystaniem w badaniach defektoskopowych.

Przebieg ćwiczenia.

- Przy pomocy suwmiarki przeprowadzono pomiary gabarytów prostopadłościanu, krążka, kątownika oraz prostopadłościanu z otworami.

- Wyniki przedstawiono w karcie pomiarowej.

- Następnie przy pomocy defektoskopu przeprowadzono pomiary dla każdego przedmiotu (bryły). Przed każdym pomiarem pomiędzy próbkę a głowicę defektoskopu nanoszono cienką warstwę wazeliny technicznej.

- Wyniki pomiarów z defektoskopu zapisano w karcie pomiarowej.

Część pierwsza:

- Obliczono wartości średnie, a także różnice pomiędzy kolejnymi pomiarami.

- Obliczona została prędkość fali ultradźwiękowej w poszczególnych ośrodkach, a także niepewności prędkości fali.

- Obliczono współczynnik tłumienia fal ultradźwiękowych w badanym materiale, średni współczynnik tłumienia fal ultradźwiękowych oraz niepewność.

- Naniesiono dane na wykresy.

- Wyznaczono współczynnik tłumienia fal ultradźwiękowych z prostej.

Część druga:

- Obliczono wartości średnie, a także różnice pomiędzy kolejnymi pomiarami.

- Obliczona została prędkość fali ultradźwiękowej, a także niepewność jej uzyskania.

- Obliczono położenie defektu oraz niepewności ich wyznaczenia.

- Zapisano wnioski.CZĘŚĆ PIERWSZA

Wyniki pomiarów:

Pomiar długości przy pomocy suwmiarki:

Pomiar [mm]	Prostopadłościan	Krążek	Kątownik
Wysokość(grubość) [h]	54,2	9,30	20,00
	54,20 ± 0,05	9,00 ± 0,05	20,00 ± 0,05
Szerokość [a]	53,10	-	-
	53,10 ± 0,05	-	-

Prostopadłościan oraz kątownik wykonano ze stali.

Krążek został wykonany z miedzi.

Pomiar za pomocą defektoskopu:

a). prostopadłościan:

Pomiar	a	h
T0 [μs]	11,70	17,56
T1 [μs]	23,62	35,86
T2 [μs]	35,42	53,90
T3 [μs]	47,22	71,7
T4 [μs]	59,00	89,65
T5[μs]	70,50	107,56
T6[μs]	82,36	125,50
T7[μs]	94,4	143,53
Δt01 [μs]	11,92	18,3
Δt01 [s]	0,00001192	0,0000183
Δt12 [μs]	11,80	18,04
Δt12 [s]	0,0000118	0,00001804
Δt23 [μs]	11,80	17,8
Δt23 [s]	0,0000118	0,0000178
Δt34 [μs]	11,78	17,95
Δt34 [s]	0,00001178	0,00001795
Δt45 [μs]	11,5	17,91
Δt45 [s]	0,0000115	0,00001791
Δt56 [μs]	11,86	17,94
Δt56 [s]	0,00001186	0,00001794
Δt67 [μs]	12,04	18,03
Δt67 [s]	0,00001204	0,00001803
[μs]	11,8142	17,9957
[μs]	0,0299	0,0269
[μs]	11,81 ± 0,03	17,996 ± 0,027

b). krążek:

Pomiar	h
T0 [μs]	16,1
T1 [μs]	20,09
T2 [μs]	24,21
T3 [μs]	28,21
T4 [μs]	32,24
T5[μs]	36,14
T6[μs]	40,24
T7[μs]	44,12
Δt01 [μs]	3,99
Δt01 [s]	0,00000399
Δt12 [μs]	4,12
Δt12 [s]	0,00000412
Δt23 [μs]	4
Δt23 [s]	0,000004
Δt34 [μs]	4,03
Δt34 [s]	0,00000403
Δt45 [μs]	3,9
Δt45 [s]	0,0000039
Δt56 [μs]	4,1
Δt56 [s]	0,0000041
Δt67[μs]	3,88
Δt67 [s]	0,00000388
[μs]	4,028
[μs]	0,0107
[μs]	4,028 ± 0,011

c). kątownik:

Pomiar	h
T0	13,54
T1 [μs]	22,26
T2 [μs]	27
T3 [μs]	33,86
T4 [μs]	40,5
T5 [μs]	47,25
T6[μs]	53,99
T7[μs]	60,72
Δt01 [μs]	8,72
Δt01 [s]	0,00000872
Δt12 [μs]	4,74
Δt12 [s]	0,00000474
Δt23 [μs]	6,86
Δt23 [s]	0,00000686
Δt34 [μs]	6,64
Δt34 [s]	0,00000664
Δt45 [μs]	6,75
Δt45 [s]	0,00000675
Δt65 [μs]	6,74
Δt65 [s]	0,00000674
Δt67[μs]	6,73
Δt67 [s]	0,00000673
[μs]	6,74
[μs]	1,3266
[μs]	6,74 ± 1,33

Obliczenia:

Obliczenie prędkości fali ultradźwiękowej:

Aby obliczyć prędkość przechodzenia fali ultradźwiękowej korzystamy z następującego wzoru:

,

gdzie:

V - prędkość fali w danym ośrodku;

x - odległość zmierzona suwmiarką;

- czas liczony od nadania impulsu do jego detekcji po odbiciu.

Aby obliczyć niepewność prędkości przechodzenia fali ultradźwiękowej korzystamy ze wzoru:

Pomiar	prostopadłościan			krążek	kątownik
		a	h		h	h
		17,996	11,81	4,028		6,74
		53,10	54,20	9,30		20,00
		5,90131	9,17089	4,61767		5,93471
Δt		0,03	0,027	0,011		1,33
Δx		0,05	0,05	0,05		0,05
Δv		0,01539	0,02940	0,03743		1,17712
zapis końcowy		5,906 ± 0,015	5,921 ± 0,029	4,469 ± 0,037		5,91 ± 1,17

Wyznaczanie β z prostej.

Do obliczeń korzystamy ze wzoru:

gdzie:

β - współczynnik tłumienia fal ultradźwiękowych w badanym materiale,

L - grubość próbki,

A₀ - pierwsza amplituda,

A_n - kolejna amplituda.

y=ax+b

a=-β

β została wyliczona poprzez aproksymację (metodą najmniejszych kwadratów).

prostopadłościan	h
n	1	2	3		4	5	6	7
x	54,2
An	0,62	0,37	0,21		0,15	0,11	0,08	0,05
Ao	0,97
	-0,1943	-0,4185	-0,6645	-0,8106		-0,9453	-1,0836	-1,2878
Δ	-0,032	0,030	0,036	-0,034		0,031	-0,033	0,035
2nL	108,4	216,8	325,2	433,6		542	650,4	758,8
β	0,00178
β min	0,00169
β max	0,00179
Δβ	0,00017
β ± Δβ	0,00178 ± 0,00017

prostopadłościan	a
n	1	2	3		4	5	6	7
x	53,1
An	0,55	0,34	0,29		0,23	0,22	0,21	0,2
Ao	0,99
	-0,2552	-0,4641	-0,5332	-0,6339		-0,6532	-0,6734	-0,6946
Δ	-0,01	0,02	0,01	-0,01		0,02	-0,01	0,01
2nL	106,2	212,4	318,6	427,8		531	637,2	743,4
β	0,00131
β min	0,00093
β max	0,00241
Δβ	0,00022
β ± Δβ	0,00131 ± 0,00022

Krążek	h
n	1	2	3		4	5	6	7
x	9,3
An	0,9	0,8	0,69		0,56	0,47	0,41	0,35
Ao	0,99
	-0,0413	-0,0925	-0,1567	-0,2474		-0,3235	-0,3828	-0,4515
Δ	-0,007	0,01	0,008	-0,01		0,014	-0,009	0,01
2nL	18,6	37,2	55,8	74,4		93	111,6	130,2
β	0,00326
β min	0,00222
β max	0,00346
Δβ	0,00051
β ± Δβ	0,00326 ± 0,00051

Kątownik	h
n	1	2	3		4	5	6	7
x	20
An	0,69	0,54	0,38		0,29	0,23	0,17	0,2
Ao	0,99
	-0,1567	-0,2632	-0,4158	-0,5332		-0,6339	-0,7651	-0,6946
Δ	-0,015	0,016	0,012	-0,009		0,011	-0,008	0,013
2nL	40	80	120	160		200	240	280
β	0,00309
β min	0,00248
β max	0,00391
Δβ	0,00051
β ± Δβ	0,00326 ± 0,00051

CZĘŚĆ DRUGA

Wyniki pomiarów:

Pomiar długości za pomocą suwmiarki:

Pomiar [mm]	Prostopadłościan z otworami
wysokość [h]	40,60
	40,60 ± 0,05

Prostopadłościan z otworami wykonano ze stali, podobnie jak prostopadłościan z części pierwszej, a więc ich prędkości przechodzenia fali są jednakowe.

Pomiar za pomocą defektoskopu:

Pomiar I przeprowadzono nad otworem

Pomiar I	h
T0 [μs]	13,05
T1 [μs]	19,51
T2 [μs]	32,08
Δt01[μs]	6,46
Δt01 [s]	0,00000646
Δt12[μs]	12,57
Δt12 [s]	0,00001257
[μs]	9,515
[μs]	0,043
[μs]	9,515 ± 0,043

Pomiar II wykonano nad otworem.

Pomiar II	h
T0 [μs]	64,32
T1 [μs]	77,63
T2 [μs]	91,2
Δt01[μs]	13,31
Δt01 [s]	0,00001331
Δt12[μs]	13,57
Δt12 [s]	0,00001357
[μs]	13,44
[μs]	0,036
[μs]	13,44 ± 0,04

Pomiar III wykonano nad otworem.

Pomiar III	h
T0 [μs]	19,49
T1 [μs]	33,25
T2 [μs]	46,7
Δt01[μs]	13,76
Δt01 [s]	0,00001376
Δt12[μs]	13,45
Δt12 [s]	0,00001345
[μs]	13,605
[μs]	0,051
[μs]	13,605 ± 0,051

Obliczenia:

Obliczenie drogi fali ultradźwiękowej:

Aby obliczyć drogę fali ultradźwiękowej korzystamy z następującego wzoru:

,

gdzie:

V - prędkość fali w danym ośrodku;

x - odległość;

- czas liczony od nadania impulsu do jego detekcji po odbiciu.

Aby obliczyć niepewność prędkości przechodzenia fali ultradźwiękowej korzystamy ze wzoru:

Pomiar	Prostopadłościan
		I	II	III
	8,533	6,028	5,968
Δ	0,049	0,029	0,023
	9,515	13,47	13,605
Δ	0,043	0,036	0,0505
	40,5957	40,5985	40,5973
Δ	0,4165	0,3038	0,3071
± Δ	40,596 ± 0,417	40,6 ± 0,3	40,598 ± 0,307

Obliczenie położenia defektu

Pomiaru dokonano nad otworem. Detekcja defektu (w naszym przypadku otwór) powoduje powstanie dodatkowych pików po czasach t₂' (pomiędzy t₀' i t₂') powstałych w wyniku odbicia sygnałów od defektu.

Czasy t₀', t₂' są czasami powstania pików pochodzących od odbicia sygnału od przeciwległej ściany prostopadłościanu.

y₁, y₂- odległość pomiędzy płaszczyzną a defektem

Pomiar pierwszy:

Pomiar drugi:

Pomiar trzeci:

Pomiar nad defektem

h

T0'

T1'

T2'

Pomiar nad defektu	40,6	13,05	19,51	32,08
Pomiar nad defektem	40,6	64,32	77,63	91,2
Pomiar nad defektem	40,6	19,49	33,25	46,70

Obliczenie niepewności położenia defektu:

Δt₀', Δt₁', Δt₂'=0,01μs

y₁ = (13,7822 ± 0,1523) mm

y₂ = (20,1036 ± 0,1788) mm

y₃ = (20,5312± 0,2308) mm

Wnioski:

Wyniki otrzymane z pomiaru defektoskopem znacznie różnią się od wyników otrzymanych przy użyciu suwmiarki. Odchylenia standardowe wyników otrzymanych suwmiarką są niewielkie. Defektoskop ultradźwiękowy pomimo swojej niedokładności jest niezastąpionym urządzeniem do wykrywania wad wewnętrznych metali, takich jak zanieczyszczenia powstałe w fazie odlewania. Pozwala on nam również wykryć wtrącenia innych substancji, jak również pęcherzyki powietrza.

9

---