fiz (11)

13. BADANIE MATERIAŁÓW ZA POMOCĄ DEFEKTOSKOPU ULTRADŹWIĘKOWEGO

Ultradźwięki

Ultradźwiękami nazywamy fale sprężyste o częstotliwościach

wyższych od górnej granicy słyszalności ucha ludzkiego, która

g

wynosi 20 kHz, aż do częstotliwości 10 Hz. Fale sprężysto

g

o częstotliwościach powyżej 10 Hz nazywamy hiperdżwiękami. Własności ultradźwięków są w zasadzie podobne do własności fal akustycznych. Prędkość propagacji fali zależy od typu fali (poprzeczna, podłużna), gęstości i własności sprężystych ośrodka. W przypadku ośrodków izotropowych prędkość propagacji fal podłużnych może być wyrażona wzorem:

v = / Z    (13 i)

/ p(l+K) (l-2p)    '    '    ¹

gdzie E oznacza moduł Younga, p - gęstość ośrodka, w który# fala propaguje, p - moduł Poissona (patrz wzory (4.1) i (4.2)).

Ze względu na swoją dużą częstotliwość ultradźwięki mają bardzo małe długości fali. Z tego powodu nadają się one do wykrywania defektów i niejednorodności o małych rozmiarach, niewykrywalnych przy użyciu fal o większej długości. Ultradźwięki rozchodzą się w przybliżeniu prostoliniowo i dlatego można stosunkowo łatwo wytwarzać je w postaci ukie* runkowanych wiązek, a także można je ogniskować. Jeśli jednak długości fal ultradźwiękowych stają się porównywalne z wiel' kością niejednorodności, np. ziaren ośrodka lub rozmiarami określającymi jego strukturę molekularną, to charakter ich propagacji staje się silnie zależny od struktury i własności danego materiału.

Przetworniki ultradźwiękowe

Do wytwarzania i odbioru ultradźwięków stosuje się tzw. przetworniki ultradźwiękowe przykładane do materiału, w którym chcemy wzbudzać lub rejestrować falę akustyczną. Przetworniki ultradźwiękowe przetwarzają energię określonego układu drgającego z częstotliwością ultradźwiękową w energię fali sprężystej wzbudzanej w badanym materiale lub odwrotnie. W zależności od rodzaju energii, która jest przetwarzana lub na którą jest przetwarzana energia fali ultradźwiękowej, rozróżnia się przetworniki ultradźwiękowe: mechaniczne, elektryczne, magnetyczne, cieplne lub optyczne. Najczęściej jednak są stosowane przetworniki piezoelektryczne i magnetostrykcyjne.

Przetworniki piezoelektryczne funkcjonujące jako nadajniki działają na zasadzie wywoływania periodycznych lub impulsowych deformacji sprężystych przez przyłożone do płytek piezoelek-tryków zewnętrzne zmienne pola elektryczne (zjawisko piezoelektryczne odwrotne, patrz rozdział 31) . Zazwyczaj tak dobiera się grubości płytek piezoelektrycznych, aby wzbudzone w nich drgania mechaniczne odpowiadały ich drganiom rezonansowym ( w=m A/2 , gdzie w - grubość płytki, X - długość wzbudzanej w płytce fali ultradźwiękowej, m=l, 2, ...).

Przetworniki piezoelektryczne działające jako odbiorniki fal ultradźwiękowych funkcjonują na zasadzie zjawiska piezoelektrycznego prostego (patrz rozdział 31 ) . Ultradźwiękowa fala sprężysta po dojściu do powierzchni piezoelektryka wywołuje w nim deformację sprężystą, która staje się przyczyną powstania pomiędzy zewnętrznymi powierzchniami piezoelektryka różnicy potencjałów elektrycznych. Rejestrując pojawienie się i zmiany tej różnicy potencjałów rejestrujemy fale ultradźwiękowe docierające do przetwornika.