Ultrazvuková defektoskopie

Vypracoval Jan Janský

Základní principy

použití vysokých akustických frekvencí pro zjištění vlastností máteriálu a vad

typické zařízení:

generátor/přijímač pulsů

snímač

zobrazovací zařízení

odraz ultrazvuku na strukturách

stěny vzorku

dutiny, praskliny

zrnech a krystalech

Výhody

analýza vad povrchových i vnitřních

možnost měření hlubších vrstev materiálu, než v ostatních metodách

postačí přístup ke vzorku pouze z jedné strany

přesné pro lokalizaci a odhad velikosti struktur/vad

jednoduchá příprava

okamžité výsledky

obrazové zpracování získaných dat

dlaší použití – například měření tloušťky, rychlostí, atd.

Omezení

nutnost přístupu k povrchu vzorku pro přenos ultrazvuku

většinou je potřeba přenosové médium pro transmisi akustických vln do testovaného vzorku

problematické pro hrubé, nepravidelné, malé, příliš tenké či nehomogenní vzorky

vysoký podíl šumu a špatný přenos signálu pro materiály s hrubozrnnou strukturou

lineární defekty paralelní ze zvukovým paprskem nemusí být detekovány

nutné standardy pro kalibraci a charakterizaci chyb

Historie

1929,1935 – Sokolov užívá Ultrazvuk pro detekci kovových předmětů

1931 – Mulhauser – patent pro detekci chyb v pevných látkách ultrazvukovou metodou

II. světová válka - SONAR

50. léta – Japonsko prezentuje použití UZ v lékařství

60. léta – USA - “Safe-Life” design – rozvoj detekčních technik pro zjišťování jakosti výrobků a charakterizaci typu a závažnosti vad

Šíření vln

podélné vlnění

rychlejší

oscilace ve směru šíření

i v kapalinách a plynech

větší přenos energie

příčné vlnění

pomalejší

oscilace kolmé na směr šíření

pouze v pevných látkách

často jako důsledek vlnění podélného

eliptické vlnění

na površích

Vlnová délka a detekce

lze detekovat nespojitosti větší, než je polovina vlnové délky použitého signálu

citlivost – schopnost detekovat malé nespojitosti

rozlišení – schopnost rozlišit dvě blízké nespojitosti

citlivost i rozlišení rostou s použitou frekvenci

s rostoucí frekvencí také roste rozptyl signálu na hranicích zrn a jemných nedokonalostech struktury materiálu a vzrůstá podíl šumu

s roustoucí frekvencí klesá maximální hloubka detekce

detekci dále ovlivňuje:

délka pulsu

použité napětí a typ krystalu

velikost snímače

Vlastnosti šíření vln

Hookeův zákon

doba navrácení prvku (atomu) do nulové polohy ve struktuře je nezávislá na vychýlení (amplitudě)

rychlost šíření

v – rychlost šíření

r – hustota materiálu

Cij – elastické konstanty – závisost na směru pro anizotropní materiály

exponenciální pokles intenzity s průnikem do vzorku

Akustická impedance

definována jako součin hustoty a rychlosi šíření zvuku:

akustická impedance má význam pro:

zjištění odrazu a průchodu signálu na hranici dvou prostředí s rozdílným akustickou impedancí

návrh akustických snímačů

absorbci zvuku v prostředí

podíl odražené energie na hranici dvou prostředí:

Lom vlnění a Snellův zákon

na rozhranní dvou prostředí dochází k lomu vlnění

platí Snellův zákon lomu

kritický úhel – vlnění se dále šíří jen po povrchu vzorku

při lomu se část energie podélného vlnění přemění na vlnění příčné

může existovat i druhý kritický úhel – pro příčné vlnění

Poměr signál/šum

poměr intenzity odraženého signálu od pozadí

jako minimum je požadován poměr 3:1

poměr signál šum:

roste s velikostí defektu

roste s lokalizovaností paprsku

roste s klesající dobou pulsu

klesá s rostoucí hustotou a rychlostí šíření zvuku

většinou roste s rostoucí frekvencí

dále je ovlivněn:

velikostí sondy, jejím frekvenčním rozsahem a “zaostřením”

vzdáleností vady od povrchu a její orientaci

vlastním akustickým pozadím v materiálu

Interference vlnění

problematická v blízkosti snímače

Piezoelektrické snímače

nejpoužívanější

elektrostrikce a piezoelektrický jev

konverze elektrického napětí na mechanické a zpět

aktivní část - ½ vlnové délky

pro vyšší frekvence – tenčí aktivní element

kvůli křehkosti se kontaktní snímače nedělají vysokofrekvenční

Charakteristika PE snímače

piezoelektrický element - ½ požadované vlnové délky

krycí destička - ¼ vlnové délky pro zachování fáze vlnění

akustická impedance krycí destičky je v hodnotách mezi aktivním elementem a ocelí (pro kontaktní snímače) a mezi a.e. a vodou pro ponorné snímače

s širším frekvenčním rozsahem se zvyšuje citlivost

s užším frekvenčním rozsahem roste penetrace

Typy PE snímačů

kontaktní

ruční mnipulace

s dvěma elementy, úhlové

ve styčném místě se pro přenos signálu používá voda, olej, vazelína

bezkontaktní

v kapalném prostředí

osové či bodové zaostření

Styčné médium

většinou kapalina

zajišťuje přenos signálu ze snímače do vzorku

na vzduchu se většina energie odráží

kontaktní měření

voda

olej

glycerin

bezkontaktní měření

voda

Vyhodnocení dat

A-scan

množství zpětně zachycené energie jako funkce čau

B-scan

časové hodnoty navrácení signálu jako funkce polohy

C-scan

kombinace A a B, počítačové zpracování

Reference

www.ndt-ed.org

http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/cc_ut_index.htm

2004-04-08T08:27:13