Systemy ultradźwiękowe

 Ultradźwiękowa grupa badań nieniszczących wykorzystuje energię fal akustycznych o wysokiej częstotliwości (50 kHz-25 MHz). Dzięki tym badaniom możliwe jest wykrywanie istniejących wad materiałowych, obserwacja ich powstawania i rozwoju oraz pomiar właściwości fizycznych badanych obiektów – od wymiarów po wartości charakterystyk mechanicznych.

 
PODSTAWOWE POJĘCIA
Emisja akustyczna
Impedancję akustyczną definiuje się jako iloczyn gęstości materiału oraz prędkości dźwięku rozchodzącego się w tym materiale. Ma ona bezpośredni wpływ na charakterystyki wiązek odbitych i przepuszczonych przez dany styk mediów, co opisuje poniższe równanie, według którego oblicza się współczynnik odbicia fali akustycznej na granicy dwóch ośrodków:
gdzie:
         R – współczynnik odbicia dźwięku na styku dwóch materiałów o różnych impedancjach akustycznych
         Zw – impedancja akustyczna materiału 1
         Zm – impedancja akustyczna materiału 2
 
Pozostała część energii niesionej przez falę akustyczną (1-R·100%) jest pochłaniana przez ośrodek i przekazywana dalej. Z powyższych zależności wynika, że im mniejszy stosunek między impedancjami generatora drgań ultradźwiękowych (lub medium pośredniczącego) a badanym materiałem, tym większa część energii akustycznej drgań zostanie przekazana do obiektu.
 
Zjawisko piezoelektryczne
Elementy piezoelektryczne są zbudowane z materiału, który pod wpływem przyłożonej siły (ściskającej lub rozciągającej) generuje ładunek elektrostatyczny lub na odwrót – pod wpływem potencjału elektrostatycznego rozszerza się lub kurczy. Ze względu na takie dwukierunkowe działanie, bardzo wysoką czułość oraz stabilność parametrów są one stosowane jako źródło oraz elementy pomiarowe drgań w zakresie powyżej 20 kHz.
W celu wzbudzenia ultradźwięków na elektrody piezoaktuatora podawany jest impuls lub sterowany sygnał napięcia elektrycznego powodujący drganie piezokryształu (efekt piezoelektryczny odwrotny). Drgania te przekazywane są pośrednio lub bezpośrednio do badanego materiału. Fala mechaniczna, odbijając się, tłumiąc lub przesuwając w fazie w wyniku napotkania przeszkody (niejednorodności materiału, czyli defektu), jest rejestrowana i przetwarzana przez czujnik piezoelektryczny na napięcie (efekt piezoelektryczny prosty, jak na rysunku poniżej), którego sygnał zawiera informacje na temat stanu struktury.
 
 
schemat efektu piezoelektrycznego
 
 
Odbicie, załamanie i dyfrakcja fali ultradźwiękowej
Fala mechaniczna podlega tym samym prawom co fala optyczna – na granicy dwóch ośrodków o różnych impedancjach akustycznych wiązka zostaje rozbita na dwie części – falę odbitą i falę pochłoniętą. Podział energii zależy od stosunku impedancji tych dwóch ośrodków (analogicznie do współczynników załamania światła) – im większy, tym większa część energii zostanie odbita. W przypadku, gdy wiązka ultradźwiękowa pada na powierzchnię materiału pod kątem innym od 90°, kąt odbicia fali jest równy kątowi padania. W takiej sytuacji pochłonięta (nieodbita) część drgań ulega załamaniu, czemu towarzyszy, oprócz zmiany kierunku, zmiana prędkości i w niektórych przypadkach modu fali (kierunek drgań cząsteczek wywołujących falę).
 
METODY BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH
Badania ultradźwiękowe można podzielić według kilku kryteriów:
  • ze względu na rodzaj użytej fali (modu),
  • ze względu na liczbę użytych piezoelementów,
  • ze względu na sposób rozłożenia piezoelementów,
  • ze względu na sposób analizy danych.
Pierwsze podejście dostosowuje rodzaj fali do problemu. W tym przypadku fale podłużne, prostopadłe do powierzchni materiału mogą być użyte do wykrywania równoległych do powierzchni, warstwowych i powierzchniowych uszkodzeń.
 
 
badanie pojedynczym elementem impulsową metodą echa
 
 
 
Przyłożenie piezoelementu nachylonego do powierzchni obiektu za pomocą klina kontaktowego pozwala na wygenerowanie fal podłużnych i poprzecznych, dzięki którym możliwe jest badanie struktur płaskich o dużych powierzchniach oraz rur. Jeśli użyty klin ma konkretne nachylenie, generowane wzbudzenie zostanie załamane w taki sposób, że fala rozejdzie się powierzchniowo, co umożliwi wykrywanie uszkodzeń powierzchniowych(rysunek powyżej). Wysokoczęstotliwościowe fale Lamba są używane do wykrywania uszkodzeń w strukturach warstwowych (laminatach) oraz płaskich.
 
 
 
badanie kątowe falami poprzecznymi lub powierzchniowymi
 
 
 
 
Istnieją rozwiązania, które angażują w badania więcej niż jeden piezoelement. Takie podejście umożliwia „podział ról” między elementami – jedne z nich generują wzbudzenie, a pozostałe rejestrują odpowiedź badanego obiektu. Tę metodę stosuje się w aplikacjach, gdzie podczas pojedynczego eksperymentu musi być zbadana duża powierzchnia lub gdy sprawdzany detal ma nieregularne kształty.

 

badanie dwuprzetwornikowe
 
Alternatywą dla badania impulsową metodą echa jest badanie skrośne (jak na rysunku powyżej). Polega ono na umiejscowieniu dwóch piezoelementów – generatora i czujnika – na przeciwległych krańcach badanego przedmiotu. Wzbudnik generuje sygnał, który po przejściu przez całą strukturę i „przetworzeniu” przez materiał jest rejestrowany przez czujnik. Rozwiązanie to wymaga swobodnego i bezpiecznego dostępu do badanego przedmiotu w celu przytwierdzenia piezoelementów.
Ostatni podział ultradźwiękowych badań nieniszczących dotyczy algorytmów przetwarzania zebranych danych. Najpopularniejszą metodą jest metoda TOF (ang. time of flight), która polega na pomiarze czasu pomiędzy sygnałem wysłanym (wzbudzeniu) a odebranym, przy znanych gabarytach detalu i ewentualnym rozkładzie piezoelementów. Wszelkie opóźnienia względem referencyjnego pomiaru mogą być traktowane jako potencjalne uszkodzenia. Innym podejściem do analizowania pomiarów jest badanie przesunięć fazowych między sygnałem pomiarowym a sygnałem referencyjnym. Wykryte różnice świadczą o zmianie prędkości fali w ośrodku, co z kolei oznacza istnienie defektu materiału na linii generator-czujnik.
 
PREZENTACJA WYNIKÓW
Po przeprowadzeniu eksperymentu, wyniki badań są przedstawiane na wyświetlaczu. Stosuje się kilka sposobów prezentowania rezultatów badań, z których każdy dopasowany jest do sposobu przeprowadzania testów. Do najczęściej stosowanych prezentacji należą:
  • skan A (ang. A-scan) – skan amplitudowy, przedstawiający amplitudę mierzonego sygnału w czasie – od wygenerowania impulsu ultradźwiękowego, przez pomiar odbić od potencjalnych uszkodzeń do pomiaru echa odbitego od przeciwległej krawędzi badanego obiektu,
  • skan B (ang. B-scan) – skan prezentujący przekrój powierzchniowy przez badany materiał z zaznaczonymi uszkodzeniami – dwuwymiarowy wykres prezentujący miejsca, od których zostały odbite impulsy (oś rzędnych) przy przesuwającym się wzbudniku (położenie generatora na osi odciętych),
  • skan C (ang. C-scan) – prezentacja dwuwymiarowa, w której badania realizowane są przez przesuwanie głowicy nad powierzchnią materiału, a wyniki przedstawiane z tej właśnie perspektywy; stosuje się oznaczenia zero-jedynkowe (w zależności od tego czy moment zmierzenia sygnału powrotnego świadczy o odbiciu od przeciwległej powierzchni detalu czy od bliższego uszkodzenia) lub w skali kolorowej, gdzie barwa oznacza odległość najbliższej bariery dla fali ultradźwiękowej,
  • skan S (ang. S-scan) – skan sekcyjny, analogiczny do skanu B, realizowany nie za pomocą ruchu przetwornika, ale z wykorzystaniem dwóch lub więcej piezogeneratorów wyzwalanych z różnymi względnymi opóźnieniami, co pozwala na ukierunkowanie rozchodzenia się czoła fali (wykorzystanie technologii uszeregowania fazowego, ang. phased array).
 

EC Electronics - elektronika, automatyka, badania nieniszczące i SHM
e-mail: ndt@ecel.pl
www.ec-ndt.pl