Defektoskopia za pomocą fal ultradźwiękowych

1. Propagacja fal dźwiękowych 2. Przetworniki i sondy 3. Defektoskop ultradźwiękowy 4. Ocena wielkości wad - nomogramy OWR 5. Metodyka szukania wad

Propagacja falOśrodek nieograniczony

Fale podłużne

Fale poprzeczne

Propagacja falOśrodek ograniczony

W miejscach zgęszczenia następuje spęcznienie przekroju a w miejscach rozrzedzenia – zwężenie

Fale podłużne w cienkich prętach

Fala powierzchniowa (fala Rayleigha) Cząstki ośrodka poruszają się po torach eliptycznych. Podłużna składowa przemieszczenia maleje do zera na głębokości 0,2 λ,

Składowa poprzeczna (w płaszczyźnie pionowej) maleje do zera na głębokości 2λ.

Tor cząstek jest:

-         eliptyczny ze zmianą kierunku obiegania

dla h <0,2 λ

liniowy (tylko poprzeczna polaryzacja) dla h = λ.

Fale Lamba (fale płytowe)

ośrodek ograniczony dwiema równoległymi płaszczyznami.

Fale Rayleigha rozchodzą się po obu powierzchniach i oddziaływają na siebie dla grubości h λ .

Dwie postacie przemieszczania: fale symetryczne, antysymetryczne

Generacja fal Lamba

Fala podłużna pada pod kątem α na powierzchnię płyty a fala Lamba powstaje przy odpowiednio dobranej wartości kąta padania, grubości płyty i częstotliwości fal

Fale Love’a

Fale poprzeczne, rozchodzące się w warstwie znajdującej się na podłożu o innych właściwościach akustycznych.

 Są spolaryzowane w płaszczyźnie warstwy, w której się rozchodzą.

 Prędkość fal poprzecznych w warstwie musi być mniejsza od prędkości fal w podłożu.

Prędkość fal ultradźwiękowych w ośrodkach

izotropowych Współczynniki sprężystości

Cij

λ, μ - stałe Lamego

 E - moduł sprężystości podłużnej,

 G – moduł sprężystości poprzecznej,

 K – moduł sprężystości objętościowej,

ν – współczynnik Poissona.

0,2 < ν < 0,5

Prędkość fal ultradźwiękowych w ośrodkach

izotropowych

ρ – gęstość ośrodka

c

EL

2 1

1 1 2

cE

T

2 1

prędkość fal podłużnych:

prędkość fal poprzecznych

Prędkości fal w ośrodkach ograniczonych przestrzennie O ś r o d e k , k t ó r e g o j e d e n l u b d w a w y m i a r y a , b p r o s t o p a d ł e d o k i e r u n k u r o z c h o d z e n i a s i ę f a l i s ą o g r a n i c z o n e : f a l e p o d ł u ż n e , p ł y t a a > , b < p r ę t a < , b < f a l e p o w i e r z c h n i o w e j e s t z a w s z e m n i e j s z a o d p r ę d k o ś c i f a l p o p r z e c z n y c h

cE

L 1 2

cE

L

c cR T

0 8 7 1 1 2

1

, ,

Prędkości fal w ośrodkach ograniczonych przestrzennie fale płytowe prędkość zależy od częstości i od grubości płyty oraz od modu drgań; zbliżają się asymptotycznie do prędkości fal powierzchniowych Prędkości fal ultradźwiękowych są niezależne od częstotliwości w zakresie od 20 kHz do 20 MHz UWAGA: dla ośrodków izotropowych i nieograniczonych

jest zależny tylko od współczynnika Poissona υ

c

cT

L

1 2

2 1

Tłumienie fal ultradźwiękowych

P r z y c z y n y o s ł a b i e n i a n a t ę ż e n i a f a l i u t r a d ź w i ę k o w e j : 1 - p o c h ł a n i a n i e e n e r g i i z a m i a n a e n e r g i i d r g a ń n a c i e p ł o ( t a r c i e w e w n ę t r z n e c z ą s t e k ) 2 - o d b i c i e , z a ł a m a n i e , d y f r a k c j a - r o z p r a s z a n i e w y s t ę p u j e w o ś r o d k a c h n i e j e d n o r o d n y c h i p o l i k r y s t a l i c z n y c h f a l a o d b i j a s i ę o d p o s z c z e g ó l n y c h g r a n i c z i a r n a . N a t ę ż e n i e d ź w i ę k u j e s t p r o p o r c j o n a l n e d o k w a d r a t u a m p l i t u d y c i ś n i e n i a a k u s t y c z n e g o :

z m i a n a n a t ę ż e n i a z d ł u g o ś c i ą d r o g i x

= 1 +

2

I I ex ox 2

Tłumienie fal ultradźwiękowych

1 - współczynnik pochłaniania (proporcjonalny do częstotliwości)

2 - współczynnik rozpraszania (zależy głównie od średnicy ziarna D i od częstotliwości f

2π D > >> D - rozpraszanie Rayleigha

= 1 f + 2f 4 , 2 ~D 3

dla ~D - rozpraszanie stochastyczne, straty rosną proporcjonalnie do D = 1 f + 2f

2 dla >> D pochłanianie w każdym ziarnie oraz odbicie - stosuje się średni współczynnik odbicia R = 1 f + 2f

2 + R/D,

Odbicie i załamanie fal ultradźwiękowych

p - ciśnienie akustyczne I = p2/ (ρ u ) P1 - padająca fala, P2 - fala przechodząca, P3 - fala odbita

p = ρ c u , ρ - gęstość, c - prędkość

fali, u - prędkość średnia molekuł

r = ρ c - oporność falowa , m = r1 / r2

1 2

P1 P2 P3 ρ1, c1 ρ2, c2

Odbicie i załamanie fal ultradźwiękowych

Współczynnik odbicia dla ciśnienia Współczynnik przenikania dla ciśnienia

Rm

m

1

1

Dm

2

1

Odbicie i załamanie fal ultradźwiękowych faza ciśnienia akustycznego fali jest przeciwna fazie ciśnienia fali padającej Odbicie i przenikanie fali przy prostopadłym padaniu fali na granicy ośrodków stal-woda i woda - stal a) - energia fali, b) - ciśnienie fali

Odbicie fal dźwiękowych przy ukośnym padaniu

- kat padania względem normalnej do powierzchni, β - kąt fali przechodzącej w drugim ośrodku

Odbicie fal dźwiękowych przy ukośnym padaniu powstają dwie fale odbite (poprzeczna i podłużna) i dwie fale przechodzące (poprzeczna i podłużna) Wzór Snelliusa: UWAGA: występuje kąt 'krytyczny' padania przy którym powstaje tylko

fala powierzchniowa fala podłużna

dla układu woda-stal = 27o PMM-stal = 64o

fala poprzeczna PMM-stal = 570

sin

sin

c

c

Odbicie fal dźwiękowych przy ukośnym padaniu

Odbicie fal dźwiękowych przy ukośnym padaniu

Przetworniki fal ultradźwiękowych Metody wytwarzania fal ultradźwiękowych

Zjawisko piezo-elektryczne: odkształcenie s pod wpływem pola eletrycznego o natężeniu E (oraz zjawisko odwrotne)

Kryształ kwarcu – 3 osie: X - osie drgań podłużnych

dla E !! do X Y – osie drgań poprzecznych dla E !! do Y. Dla drgań podłużnych

Fig. 1

ε = k E [V/m]

[k] = C N-1

Przetworniki fal ultradźwiękowych Metody wytwarzania fal ultradźwiękowych kwarc k = 2,15 · 10-12

ferroelektryki tytanian baru BaTiO3 k = 190 10-12 cyrkonian baru (PZT) k = 239 10-12 niobian litu LiNbO3 k = 6 10-12 Przykład: płytka PZT o grubości d = 10 mm ε = δ/d, E = U/d - odkształcenie bezwzględne zależy tylko od napięcia

U U = 1000 V -> δ = 23910-9 0,2 μm i ε = 2010-6. Moduł Younga E = 80 GPa – naprężenie równoważne: σ = E ε 1,6 MPa Drgania rezonansowe: podłużne o częstotliwości fn dla c = 5 000 m/s fn = (2n-1)/2π c/2d

50 kHz

Przetworniki fal ultradźwiękowych Przetwornik elektro-magnetyczny (EMAT)

wytwarzanie fal podłużnych, ,wektor indukcji jest równoległy do powierzchni

Przetworniki fal ultradźwiękowych wytwarzanie fal poprzecznych, wektor indukcji jest skierowany prostopadle do powierzchni a siła Lorentza równolegle do powierzchni

Przetworniki fal ultradźwiękowych Przetworniki magnetostrykcyjne Efekt:

W ydłużenie ferromagnetyka podczas namagnesowania. względne w ydłużenie λ zależy od namagnesowania B ( B = f(H ) ) λ B 2 i nasyca się (?λs) λs 10 10 -6 dla typowej stali

(dla niklu λ jest zawsze ujemne, materiał kurczy się)

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

0

2

4

6

8

10

H [ A /m ]

Przetworniki fal ultradźwiękowych Przetworniki magnetostrykcyjne

Uwaga – efekt "parzysty " w funkcji pola H. Przetwornik: rdzeń z blach (prądy wirowe !) magnesowany za pomocą

solenoidu Nałożone pole stałe Ho (podmagnesowanie) i pole zmienne Hi aby uniknąć zniekształceń wynikłych z parzystości. pręt stalowy o długości l = 10 cm, dla λ 5 10-6: δ 0,5 μm, naprężenie σ = ε E (ε = λ) ? σ 1 MPa Zalety – brak ograniczeń na moc przetwornika (duże przekroje) Wady – ograniczona częstotliwość wzbudzanych drgań do około 100 kHz.

Głowice ultradźwiękowe

Głowice ultradźwiękowe

Głowice ultradźwiękowe

Głowice ultradźwiękowe

Defektoskop ultradźwiękowy

Pomiar prędkości fal

Pomiar prędkości fal

Zasady detekcji wady

Zasady detekcji wady

Metody wykrywania wad1.    Spawy podłużne

Metody wykrywania wad1.    Spawy podłużne

Metody wykrywania wad1.    Rury

Metody wykrywania wad1.    Rury

Metody wykrywania wad1.    Blachy

Metody wykrywania wad1.    Blachy

Wzorce wad Wzorzec W1

Wzorce wad Wzorzec W1

Określanie wielkości wady za pomocą wysokości echametoda OWR

O – odległość, W – wzmocnienie, R - rozmiar

Wysokość echa wady w funkcji odległości od przetwornika.1.    Wada o nieskończonych wymiarach (reflektor dna)w polu bliskim – echo nie zmienia sięw polu dalekim – echo maleje proporcjonalnie do odległości 1/l2.    Wada o wymiarach mniejszych od średnicy wiązkiw polu bliskim – echo wzrasta (niejednoznaczność)w polu dalekim – echo maleje proporcjonalnie do kwadratu odległości 1/l2

k-krotny wzrost powierzchni wady reflektora powoduje k-krotny wzrost wysokości echa wady.

Wykres OWR

Założenia: - materiał próbki nie tłumi

fal - materiał jest bez wad - powierzchnie są gładkie i

płaska - echo wady o wysokości

ho=0,4H jest poziomem odniesienia.

Procedura Badanie ech od dna (wada nieskończona) i ech od otworów płaskodennych o różnych średnicach 'd' w różnej odległości 'l' od

Wykres OWR

W trakcie badania elementu o grubości 180 mm znaleziono płaską wadę na głębokości l = 80 mm. Jaki jest rozmiar wady? Ustalono wzmocnienie dla echa dna, tak, aby wynosiło 0,4H →WD = 19 dB; dla

echa wady ustalono wzmocnienie dla 0,4H → WW = 41 dB. Wzrost

wzmocnienia W = -22 dB. Z wykresu OWR (dla danej sondy):

Wykres OWR - znajduje się dla wady nieskończonej przecięcie dla l = 180 mm i linię

poniżej pomniejszoną o 22 dB. - na tej linii odczytuje się wielkość wady w odległości l = 80 mm?

d = 1,5 mm. Wykres unormowany OWR

Odległość i rozmiary reflektorów wyróżniane są liczbami niemianowanymi (unormowanymi). Unormowana odległość (A) l – odległość rzeczywista reflektora [mm] N – długość pola bliskiego głowicy [mm]

Unormowana średnica równoważna (R) d – średnica równoważna reflektora [mm] Dsk – średnica skuteczna przetwornika głowicy [mm]

N

lA

skD

dR

Wykres OWR

Zadanie: ustalić wzmocnienie przy którym będzie widziana wada o średnicy równoważnej d = 1,5 mm w odległości L = 150 mm.Dane: głowica fal podłużnych typ 2LN25. Materiał badany: stal (cL = 5,94

mm/s).Rozwiązanie: średnica skuteczna przetwornika Dsk = 0.970 25 = 24,25 mm,

długość pola bliskiego: N = Dsk 2 /4c = 49,5 mm.

unormowana odległość dna dla wzorca W1: LD = 100 mm

 A = ID / N = 2,02.

 wzmocnienie dla punktu odniesienia z OWR : -WD = 4 dB.

unormowany rozmiar i odległość wady:  RW = d / Dsk = 1,5/ 24,25 = 0,06

 AW = IW / N = 150/ 49,5 = 3,03.

 z OWR wzmocnienie dla punku odpowiadającej wadzie –WW = 49 dB.

 Wzmocnienie konieczne do ustawienia echa dna wzorca W1 na wysokość 0,4 H należy zatem zwiększyć o różnice wzmocnień odczytanych z wykresu OWR dla punktu odniesienia i wady: W = WW – WD = 49-4 = 45 dB