Julian Deputat

Nowe Techniki Badań Ultradźwiękowych
Julian DEPUTAT
Pracownia Ultradźwiękowych Badań Materiałów
IPPT PAN, ul. Świętokrzyska 21, 00-049 Warszawa
[email protected]
Omówiono przykłady nowych zastosowali bezkontaktowych technik wzbudzania i odbioru fal
ultradźwiękowych. Są to: a) hybrydowa technika, w której fale są wzbudzane wiązką lasera a
odbierane zdalnie przez powietrze głowicą pojemnościową, zastosowana do wykrywania
pęknięć w główce i w stopce szyn kolejowych w torze i b) elektromagnetyczno-akustyczna
technika rezonansu ultradźwiękowego wykorzystywana do pomiaru grubości warstwy tlenku
na rurach kotłowych oraz do pomiarów prędkości i współczynnika tłumienia fal
ultradźwiękowych w cienkich elementach plaskorównoległych.
Bezkontaktowa technika wykrywania wad w szynach w torze
Wykrywanie wad w szynach to jedno z pierwszych zastosowań ultradźwiękowych
badań nieniszczących. Wielogłowicowe układy defektoskopowe stosowane na stanowiskach
kontrolnych w hutach i w ruchomych urządzeniach do badań torowych są bardzo
zaawansowane i wydawałoby się, że problem wykrywania wad, typy nieciągłości w szynach
jest rozwiązany. Tymczasem istniejące rozwiązania mają istotne ograniczenia. Dotyczy to w
szczególności badania szyn w torze. W przypadku szyny zamocowanej w torze fale
ultradźwiękowe wprowadzane są z powierzchni główki przez sprzęgającą warstwę cieczy.
Niemożliwy jest dostęp do powierzchni stopki i nie można wykrywać w sposób zadowalający
rozwijających się w eksploatacji niebezpiecznych pęknięć w stopce. Pęknięcia poprzeczne
szyn zaczynają się zwykle na zewnętrznych krawędziach stopki, szybko rozwijają się i nie
wykryte prowadzą do zniszczenia. Za pomocą zestawów głowic ze sprzężeniem cieczowym
nie można też uzyskać dostatecznej wykrywalności pionowych pęknięć w główce [1].
Pęknięcia pionowe główki powstają w środku główki, rozwijają się w kierunku podłużnym i
pionowym. Pęknięcia te mają niekorzystną orientację, tak, że wiązka odbita od wady nie
trafia z powrotem do głowicy nadawczo-odbiorczej.
Na wykrywanie pionowych pęknięć pozwala hybrydowa bezstykowa technika
ultradźwiękowa opisana w pracy zespołu z The Johns Hopkins University w Baltimore i
Transportation Technology Center w Pueblo, USA [2]. W zaproponowanym systemie
defektoskopowym fale ultradźwiękowe są wzbudzane za pomocą lasera, a odbierane
bezstykowo z powierzchni szyny za pomocą głowic pojemnościowych. Podstawą tej techniki
są nowe pojemnościowe przetworniki ultradźwiękowe do pracy w powietrzu. Za pomocą tych
przetworników można zarejestrować impulsy objętościowych fal ultradźwiękowych o
częstotliwości nawet kilka megaherców dochodzące do powierzchni badanego elementu, albo
impulsy fal powierzchniowych przez powietrze z odległości nawet około 20 centymetrów
[3]. Membraną przetwornika pojemnościowego jest metalizowana z zewnątrz folia
dielektryka (Kapton, albo Mylar). Płytka podstawy jest cienką warstwą monokrystalicznego
krzemu, w której techniką stosowaną w produkcji układów scalonych wykonano wnęki
rezonansowe o apreturze około 40µm i głębokości około 18µm. Wnęki rozmieszczone są w
rzędach. Odległość między sąsiednimi rzędami wynosi 80um. Na jednym mm2 znajduje się
140 wnęk. Nominalna pojemność kondensatora, którym jest przetwornik wynosi około
600pF. Krytyczna jest precyzja wykonania płytki podstawy i obróbka materiału elektrod.
Dochodząca do przetwornika fala ultradźwiękowa powoduje zmiany odległości między
płytkami kondensatora co powoduje zmiany jego pojemności elektrycznej i odpowiednie
zmiany prądu w obwodzie elektrycznym, w którym znajduje się przetwornik.
Wykrywanie pęknięć pionowych w główce
Urządzenie do wykrywania pęknięć pionowych w główce i pęknięć w stopce szyny jest
zamontowane na wózku. Schemat badania pokazano na rysunku 1. Impulsowy laser Nd:YAG
generuje nanosekundowe impulsy o długości fali 1064nm i energii maksymalnej 800mJ z
częstotliwością powtarzania 10Hz. Impulsy te kierowane są przez układ zwierciadeł na
zwilżaną wodą boczną powierzchnię główki. Plamka światła laserowego ma średnicę około
1 mm. Wzbudzenie fal ultradźwiękowych następuje techniką ablacyjną. W obszarze ablacji
nie stwierdzono struktury kruchej, przemian fazowych czy mikropęknięć. Jako odbiorniki
wykorzystywane są szerokopasmowe przetworniki pojemnościowe o paśmie od 50kHz do
2,25MHz. Wielokanałowy filtr 250kHz odcina niskie częstotliwości szumu mechanicznego.
Odebrane sygnały są wzmacniane i gromadzone w wielokanałowym oscyloskopie cyfrowym.
Rys. 1. Układ do wykrywania pionowych pęknięć w główce i wskazania otrzymywane gdy w
główce nie ma wady i w przypadku obecności pęknięcia pionowego. L - objętościowe fale
podłużne, S - objętościowe fale poprzeczne, R - fale powierzchniowe, D - dyfrakcyjne fale
podłużne i poprzeczne.
Schematyczne wskazania typu A otrzymywane gdy w główce nie ma pęknięcia i gdy
jest pęknięcie pionowe pokazane są na rys.1. Z punktu wzbudzenia rozchodzą się fale
powierzchniowe R i kuliste objętościowe fale podłużne L i poprzeczne S. Gdy w główce nie
ma pęknięcia pionowego do powierzchni główki pod głowicą odbiorczą jako pierwszy
dochodzi impuls fal L, potem impuls fal S, a na końcu impuls fal R. Gdy w główce występuje
pękniecie pionowe nie przecinające powierzchni tocznej fale objętościowe L i S uginają się
na krawędziach pęknięcia tworząc fale dyfrakcyjne D. Do powierzchni główki pod głowicą
odbiorczą jako pierwszy dotrze impuls fal powierzchniowych R. Fale objętościowe ugięte na
krawędzi pęknięcia dochodzą do powierzchni pod głowicą odbiorczą w postaci nakładających
się na siebie impulsów. Obecność impulsu opóźnionego w stosunku do impulsu fal R jest
wskazaniem obecności wady. Czas przejścia fal powierzchniowych R stanowi cezurę. Nie ma
wady, gdy fale objętościowe pojawiają się przed falami powierzchniowymi. Jest wada, gdy
fale objętościowe przychodzą po fali powierzchniowej. Zastosowanie opisanej techniki i
przytoczonego kryterium obecności wady w próbach wykrycia 89 pęknięć dało 100%
wykrywalność. Gdy pionowe pęknięcie przecina powierzchnię toczną na zobrazowaniu A nie
wystąpi ani impuls fal objętościowych, ani fali powierzchniowej.
Wykrywanie pęknięć w stopce
Na rysunku 2 pokazano schemat układu służącego do wykrywania pęknięć w stopce.
W przypadku wzbudzania fal w stopce (potrzebne są fale powierzchniowe) stosuje się
wzbudzanie źródłem liniowym. Ślad padającej wiązki światła lasera ma kształt wydłużony.
Rys.2 Układ do wykrywania pęknięć w stopce szyny w torze. O1,O2 i O3- głowice odbiorcze
Obecność uchwytów mocujących szynę do podkładów wymusza specjalna
konfigurację miejsc wzbudzania i odbioru fal. Impuls światła laserowego
wzbudzający fale ultradźwiękowe nie może trafić w uchwyt. Także głowica odbiorcza
nie może być nakierowana na uchwyt w momencie, gdy powinna odebrać impuls
ultradźwiękowy. Chociaż uchwyty nie stanowią przeszkody dla fal powierzchniowych
rozchodzących się w stopce, to odbiór sygnałów ultradźwiękowych musi być dokonywany z
obszaru nie zasłoniętego przez uchwyt. Sygnałem do wyzwalania lasera jest impuls z
czujnika położenia uchwytu. Wzbudzenie fal następuje w punkcie B na górnej powierzchni
stopki. Głowica odbiorcza O1 jest nakierowana na punkt A po prawej stronie punktu
wzbudzenia fal. Odległość BA= 250mm. Głowice O2 i O3 są nakierowane odpowiednio na
punkty C i D po lewej stronie wiązki światła lasera. Odległość BC = 250mm, a CD =
90mm. Głowice odbiorcze są nachylone pod kątem 6,5° do normalnej do powierzchni
stopki, co odpowiada kątowi załamania wiązki fal podłużnych w powietrzu wzbudzonej
przez fale powierzchniowe rozchodzące się w stali. Odbiornik O 3 ma za zadanie
zarejestrować impuls fal powierzchniowych w przypadku, gdy odbiornik O2 byłby
nakierowany na uchwyt szyny. Drogi fal ultradźwiękowych w powietrzu od powierzchni
stopki do głowic odbiorczych wynoszą po około 175mm.
Jeśli w stopce między punktami A i B wystąpi pęknięcie, to głowica O 1 odbierze
przechodzącą falę silnie wytłumioną przez pęknięcie, a głowice O2 i O3 zarejestrują impuls
bezpośrednio przychodzący od punktu wzbudzenia i impuls odbity od pęknięcia. Tak więc
przy jednym impulsie wzbudzającym fale każda z głowic zarejestruje wskazanie obecności
pęknięcia. W tablicy 1 zestawiono typy wskazań poszczególnych głowic odbiorczych w
różnych położeniach pęknięcia względem punktu wzbudzenia fal.
Za pomocą opisanego układu w czasie badań torowych uzyskano 90% wykrywalność
poprzecznych pęknięć w stopce szyny. Cyfrowy zapis wyników pozwala na zaawansowaną
analizę odebranych impulsów. Zastosowanie cyfrowej analizy on-line umożliwia zwiększenie
pewności oceny i wzrost szybkości badania.
Tablica 1. Typy impulsów zarejestrowanych przez poszczególne głowice układu
przy różnych położeniach pęknięcia w stosunku do źródła fal powierzchniowych
Położenie pęknięcia
Między A i B
Między B i C
Między C i D
Odbiornik O1
Odbiornik O2
Odbiornik O3
przechodzący
Bezpośredni i
odbity
bezpośredni i
odbity
przechodzący
przechodzący
bezpośredni
przechodzący
bezpośredni i
odbity
bezpośredni i
odbity
Rezonans ultradźwiękowy
Pomiar prędkości i współczynnika tłumienia impulsową metodą echa prowadzi do
dokładnych wyników tylko wtedy, gdy wymiar próbki w kierunku rozchodzenia się fali jest
dostatecznie duży. Wyznaczenie prędkości i współczynnika tłumienia w materiale blachy o
grubości mniejszej od kilku milimetrów jest kłopotliwe, a wyniki pomiaru są obarczone
dużym błędem. Ogranicza to wykorzystanie metody impulsowej echa w badaniach elementów
cienkościennych. Możliwość pomiaru prędkości i współczynnika tłumienia w cienkich
elementach z dokładnością dostateczną by wyniki pomiarów można było wykorzystywać do
wiarygodnej oceny własności materiału oferuje znana z zastosowań do pomiarów grubości
cienkich blach metoda rezonansu ultradźwiękowego.
Przetwornik piezoelektryczny głowicy aparatu do badań metodą rezonansu
ultradźwiękowego jest pobudzany nie krótkim impulsem elektrycznym jak w przypadku
aparatów impulsowych, lecz sinusoidalnie zmiennym (harmonicznym) napięciem z
przestrajanego generatora fali ciągłej. Przetwornik wykonuje wymuszone drgania
grubościowe w rytm zmian przyłożonego napięcia. Wraz ze zmianą częstotliwości napięcia
pobudzającego przetwornik zmienia się długość fal wzbudzanych w materiale, z którym jest
sprzężona głowica. Badania prowadzi się wiązką fal rozchodząca się w kierunku grubości. Gdy
na grubości próbki utworzy się całkowita liczba połówek fali wystąpi rezonans. Faza drgań w
fali wprowadzanej do materiału będzie zgodna z fazą fali, która po odbiciu od dna dochodzi
do powierzchni. Rośnie amplituda wzbudzanych fal, rośnie pobór energii z generatora
pobudzającego przetwornik. W zależności od typu aparatu wskazanie rezonansu następuje bądź
w postaci impulsu na wskaźniku lampy oscyloskopowej w układzie: oś X-częstotliwość, oś Y amplituda, przez wychylenie miernika, albo przez cyfrowe wskazanie częstotliwości
rezonansowej.
Pomiar grubości blach cienkich
Jeśli grubość blachy jest d, a prędkość rozchodzenia się fal w materiale V, to pół
długości fali utworzy się na grubości blachy przy częstotliwości f = V/2d. Jest to najniższa
częstotliwość, przy której występuje rezonans nazywana częstotliwością podstawową. Kolejne
rezonanse wystąpią, gdy częstotliwość fali spełni warunek:
fn = nV/2d
gdzie /; jest liczbą całkowitą.
Zależność (1) jest wykorzystywana przy pomiarach grubości cienkich blach techniką
rezonansową. Kolejne wartości częstotliwości, przy których występuje rezonans nazywają się
częstotliwościami harmonicznymi. Rysunek 3 ilustruje fale na grubości próbki w przypadku
częstotliwości podstawowej i trzech kolejnych harmonicznych.
Jeśli materiał próbki jest jednorodny w kierunku grubości, to różnica częstotliwości pomiędzy
kolejnymi harmonicznymi jest równa częstotliwości podstawowej. Dla wyznaczenia grubości
blachy wystarczy znać prędkość rozchodzenia się fal w badanym materiale, zmierzyć różnicę
częstotliwości odpowiadających kolejnym rezonansom i wyliczyć grubość z zależności (1).
Rys. 3. Fale w próbce przy częstotliwości podstawowej i trzech pierwszych harmonicznych.
Pomiar grubości warstwy tlenków na rurach kotłowych
Rury w kotłach konwencjonalnych elektrowni utleniają się co prowadzi do
zmniejszenia grubości ścianki. Do monitorowania zmian grubości stosuje się zwykle technikę
opartą na pomiarze czasu przejścia impulsów fal ultradźwiękowych wysyłanych przez
podwójne
lub
pojedyncze
głowice
normalne.
Stosuje
się
zwykle
wysokoczęstotliwościowe i silnie tłumione głowice fal podłużnych. Do pomiaru grubości
cienkich blach i folii próbowano wykorzystywać pomiary prędkości fal Lamba (płytowych).
Prędkość tych fal zależy nie tylko od własności sprężystych materiału, ale także od typu (modu)
fali Lamba i od grubości płyty. Jeśli w grubościomierzu wykorzystywany jest pomiar czasu
między kolejnymi echami dna, to przy dostatecznie grubej warstwie tlenków i dostatecznie
grubej ściance rury istnieje możliwość zmierzenia oddzielnie grubości i stali i tlenków.
Przy grubościach warstwy tlenków rzędu kilku dziesiątych milimetra i grubościach ścianki
stalowej wynoszącej kilka milimetrów, a także przy nierównościach i dużej krzywiźnie
powierzchni kontaktowej występuje nakładanie się impulsów odbitych od granicy ciecz
sprzęgająca / warstwa tlenków, tlenki /stal i od dna ścianki. Uniemożliwia to uzyskanie
wiarygodnych wyników.
Opisana przez Yoshidę i Asano bezkontaktowa rezonansowa technika wykorzystująca
fale poprzeczne wzbudzane za pomocą przetwornika elektromagnetyczno-akustycznego
(technika EMAR) pozwala szybko wyznaczyć grubość warstwy tlenków na rurze stalowej [6].
W technice EMAR (elektromagnetyczno-akustycznego rezonansu) cewka głowicy
elektromagnetyczno-akustycznej (EMAT) na fale poprzeczne wytwarza długie impulsy fal
elektromagnetycznych o częstotliwości równej częstotliwości generatora zasilającego cewkę.
Pole to wzbudza w warstwie przypowierzchniowej metalu prądy wirowe. W obecności pola
magnetycznego w materiale powstają poprzeczne fale ultradźwiękowe rozchodzące się w
kierunku grubości i spolaryzowane równolegle do powierzchni próbki. Fale te po odbiciu od
dna wracają do powierzchni i powodują powstanie w cewce głowicy impulsów
odzwierciedlających wielokrotnie nakładające się drgania.
Przy częstotliwości rezonansowej fale wprowadzane do próbki i odbite od dna są w tej samej
fazie więc ich amplitudy dodają się. Zjawisko zachodzi tak samo jak w opisanym wyżej
przypadku wzbudzania fal kontaktową głowicą z przetwornikiem piezoelektrycznym. W
próbce powstają fale o bardzo dużej amplitudzie. Poniżej i powyżej częstotliwości
rezonansowej fale nakładają się przy różnicy faz, wygaszają się wzajemnie amplituda fal jest
niewielka. Ostre piki rezonansowe pozwalają zmierzyć z dużą dokładnością częstotliwości
rezonansowe i wyliczyć grubość ścianki ze wzoru (1).
W elementach warstwowych sytuacja jest jednak bardziej skomplikowana. Gdy próbka
składa się z dwóch warstw materiału o różnych prędkościach fal nie można wyznaczyć
grubości próbki, ani grubości poszczególnych warstw na podstawie różnicy częstotliwości
dowolnie wybranych dwóch sąsiednich częstotliwości harmonicznych. W takim przypadku wzór
(1) nie jest spełniony. Różnica częstotliwości między kolejnymi harmonicznymi nie jest taka
sama. Powodem jest przesunięcie fazy drgań w falach ultradźwiękowych na granicy
połączenia warstw. Wartość przesunięcia fazowego na granicy tlenki/stal po raz pierwszy
została wyliczona właśnie w pracy [6]. Przesunięcie fazowe zależy zarówno od grubości
warstwy tlenków jak też od częstotliwości (a więc od długości fali).
Na rysunku 4 pokazano schematycznie fale w płycie stalowej z warstwą tlenków na
górnej powierzchni. W tlenkach powstałych w temperaturze 600° C prędkość fal
poprzecznych wynosi 3400m/s. Masa właściwa tlenków ma wartość około 4,1 g/cm3.
Odpowiednie dane dla stali 2,25Cr-1Mo, której dotyczą opisywane wyniki, są 3260 m/s i 7,8
g/cm3. Ciśnieniowy współczynnik odbicia na granicy tlenki/stal ma wartość 0,09.
Na rysunku 5 pokazano piki rezonansowe w płycie ze stali 2,25Cr - 1Mo o grubości 4,9
mm pokrytej z obydwóch stron warstwą tlenków o grubości 0,18mm. Prawy rysunek
przedstawia dalszy ciąg wskazań przy częstotliwościach większych od 5 MHz. Amplituda
wskazań na tym rysunku jest powiększona dziesięciokrotnie.
Rys. 5. Piki rezonansowe w płycie ze stali 2,25Cr-lMo o grubości 4,9mm z warstwą tlenków o
grubości 0,18mm z dwóch stron.
Odległości między pikami rezonansowymi są bliskie 0,3 MHz, ale nie są takie
same. Odległości te są zależne od częstotliwości, bo od częstotliwości i grubości warstwy
zależy wartość przesunięcia fazowego na granicy połączenia. Gdy według wzoru (1) dla płyty
jednorodnej wyliczyć grubość próbki na podstawie częstotliwości kolejnych harmonicznych
otrzymamy istotnie różne wartości.
Na rysunku 6 pokazano przykład zależności wyniku obliczeń grubości od częstotliwości
branej do wyliczeń harmonicznej dla przypadku czystej płyty stalowej o grubości 5,19mm,
takiej samej płyty pokrytej z jednej strony 0,18mm warstwą tlenków i pokrytej 0,18mm
warstwą tlenków z dwóch stron.
Rys. 6. Wartości grubości próbki stalowej d wyliczone według wzoru (1) przy różnych
częstotliwościach harmonicznych f n gdy próbka o grubości 5,19mm była bez warstwy
tlenków, z warstwą tlenków 0.18mm z jednej i z dwóch stron.
Gdy płyta nie ma warstwy tlenków wartość grubości wyliczona ze wzoru (1) jest
niezależna od częstotliwości. Gdy na płycie jest warstwa tlenków to wyliczona wartość
grubości zależy od częstotliwości. Przy częstotliwości około 6,4MHz wyliczona wartość
grubości osiąga maksimum.
W zjawisku tym zawarta jest informacja o grubości warstwy tlenków. Problem
polega na tym jak ją wydobyć. Yoshida i Asano otrzymali odpowiedź po rozwiązaniu
równania falowego dla tego przypadku. Wskazali też procedurę wyznaczania grubości warstwy
tlenku. Według tej procedury należy wyznaczyć wartość częstotliwości fmax tej harmonicznej,
przy której według wzoru (1) otrzymuje się największa wartość grubości i wyliczyć grubość
warstwy tlenku h korzystając ze wzoru:
(2)
h = 0,33 CT tlenku /fmax
We wzorze tym CT jest prędkością fal poprzecznych w tlenkach tworzących warstwę
na powierzchni ścianki stalowej. W zastosowaniach praktycznych wyliczanie wartości grubości
przy kolejnych częstotliwościach harmonicznych, wyszukiwanie częstotliwości
odpowiadającej największej wartości grubości i obliczanie grubości warstwy tlenku może
wykonywać komputer.
Zastosowanie zjawiska rezonansu do badania własności materiałów
W przypadku wielu elementów konstrukcyjnych za pomocą ultradźwiękowej
impulsowej techniki trudno jest zmierzyć prędkość i współczynnik tłumienia fal z
dokładnością dostateczną do wiarygodnej oceny własności i stanu materiału. Przyczyną
ograniczeń może być stan powierzchni albo zbyt małe wymiary elementu. Najczęściej jest to za
mała grubość. Opisana przez M. Hirao i H. Ogi [7] zaawansowana technika
spektroskopowa wykorzystująca zjawisko rezonansu fal ultradźwiękowych wzbudzanych
przez bezkontaktowe elektromagnetyczno-akustyczne przetworniki EMAR nie ma tak ostrych
ograniczeń. Idea wzbudzania i rejestracji ultradźwiękowych drgań rezonansowych za pomocą
przetworników elektromagnetyczno-akustycznych została opisana w roku 1970 przez
Filimonova, Budenkova i Glukhova [Sov. Journal Nondestructive Testing (Defektoskopija),
1,1970, 102]. Rozwinięcie metody i pierwsze zastosowania przypadają na koniec lat
dziewięćdziesiątych.
Zastosowanie tej techniki nie wymaga specjalnego przygotowania powierzchni.
Głowica jest odseparowana od powierzchni badanego elementu i nie wpływa na zjawisko
rezonansu zachodzącego w materiale próbki, jak to ma miejsce w przypadku rezonansu
wzbudzanego głowicą kontaktową, kiedy głowica jest elementem układu drgającego. Nie
trzeba wprowadzać poprawek uwzględniających przesuniecie fazowe i straty energii w
warstwie sprzęgającej. Efekty te są istotne gdy potrzebna jest wysoka dokładność pomiaru.
Technika spektroskopowa EMAR pozwala mierzyć prędkość fal ultradźwiękowych o
częstotliwościach megahercowych z rozdzielczością 10-6, co umożliwia na przykład pomiar
kierunkowych różnic prędkości spowodowanych teksturą materiałów konstrukcyjnych, a
także zmian prędkości spowodowanych naprężeniem,
W rezonansowej technice EMAR przetwornik jest pobudzany długimi
koherentnymi impulsami wysokiej mocy o częstotliwości radiowej. Napięcie wyjściowe
nadajnika sięga l,5kV na oporze 50Ω. Czas trwania impulsu nadajnika jest 10 do 50 razy
dłuższy od dwukrotnego czasu przejścia fal przez grubość badanego elementu. W materiale
wzbudzone są drgania złożone z wielu nakładających się ech. Amplituda impulsu
powstającego w wyniku nałożenia się impulsów znajdujących się w zgodnej fazie jest
sumą amplitud impulsów składowych. Przy różnicy faz impulsów nakładających się amplituda
powstałego impulsu jest niewielka. Pomiar zaczyna się po przerwaniu pobudzenia
głowicy. Po przerwaniu pobudzania przetwornika w materiale trwają przez pewien czas
(często więcej niż 100/µs) zanikające drgania ultradźwiękowe. Zjawisko to nazywa się
rewerberacją, pogłosem czy dzwonieniem. Przetwornik EMAT rejestruje cały sygnał
powodowany przez zanikające drgania ultradźwiękowe, a w układzie odbiornika cyfrowo
zapisywane są informacje o amplitudzie i fazie w szerokim przedziale czasu zaczynając od
momentu przerwania pobudzania przetwornika. W wyniku analizy widmowej otrzymuje się
widmo rezonansowe odebranego sygnału. Widmo to składa się z szeregu pików
odpowiadających kolejnym falom harmonicznym spełniającym warunek (1).
Na rysunku 8a pokazano przykładowo widmo zawierające ponad dwadzieścia pików
odpowiadających kolejnym częstotliwościom harmonicznym fal rozchodzących się w
kierunku grubości cienkiej płyty. Aparatura opisana w pracy [7] pozwala na skanownie
częstotliwości z dokładnością do 0,1 Hz w zakresie od 0,5 -20MHz. Przy badaniu próbek z
metali konstrukcyjnych o grubościach od 0,5mm do 50mm częstotliwość pików
rezonansowych może być wyznaczana z dokładnością do 10Hz. Oznacza to możliwość
wykrycia względnych zmian rzędu 10-6. Odpowiednio dokładnie można wyznaczyć
prędkość fal ultradźwiękowych w materiale próbki.
Na rysunku 7 pokazano zmiany rezonansowego piku występującego przy
częstotliwości 10,3MHz w próbce aluminiowej o grubości I,22mm, spowodowane zmianą
prędkości fal w materiale próbki stalowej w wyniku jednoosiowego obciążenia próbki. W
próbce wzbudzane były fale poprzeczne spolaryzowane równolegle do powierzchni.
Kierunek polaryzacji tworzył niewielki kąt z kierunkiem naprężenia. Linią ciągłą
zaznaczono przebieg przy naprężeniu 43MPa , a linią przerywaną po zwiększeniu naprężenia
do 193MPa. Pik rezonansowy przy naprężeniu 43MPa jest rozdwojony. Dwa wierzchołki
tego piku powstały w wyniku nałożenia się piku rezonansowego składowej fali
spolaryzowanej równolegle do kierunku naprężenia i piku rezonansowego
Rys. 7
Piki rezonansowe w próbce aluminiowej o
grubości 1,22 mm przy naprężeniu 43MPa
(linia ciągła )i przy naprężeniu 193 MPa
(linia przerywana).
Pik w zakresie (10,4 – 106)MHz
odpowiada falom podłużnym [7]
odpowiadającego składowej fali spolaryzowanej prostopadle do kierunku naprężenia.
Przy małym naprężeniu i niewielkiej anizotropii materiału w stanie bez naprężenia,
różnica prędkości prostopadłych względem siebie składowych jest mała. Zmiana naprężenia
do 193MPa powoduje wzrost różnicy prędkości składowych fali poprzecznej, odpowiednie
zmiany częstotliwości rezonansowych i wyraźne rozdzielenie pików.
Z analizy fragmentów zapisanego przebiegu zaniku drgań odpowiadających
krótszym przedziałom czasu można otrzymać amplitudy poszczególnych harmonicznych w
różnych odstępach czasu od momentu przerwania pobudzania przetwornika.
Amplitudy harmonicznych maleją z upływem czasu. Czas liczony od momentu przerwania
wzbudzania przetwornika jest miarą drogi jaką przebywają fale w swym biegu na dół i do
góry wzdłuż grubości płyty. Zmiany amplitud w funkcji czasu są podstawą do wyliczenia
wartości współczynników tłumienia fal dla poszczególnych częstotliwości.
Wartość współczynnika tłumienia dla wybranej częstotliwości wyznacza się przez
dopasowanie krzywej wykładniczej e α t do doświadczalnej krzywej A(t) i wyznaczenie
wartości a , przy której dane doświadczalne najlepiej pasują do krzywej wykładniczej.
Przykładowe krzywe A(t) i odpowiadające im wartości współczynników tłumienia pokazano to
na rys 8b. Wyznaczone wartości współczynnika tłumienia powinny być skorygowane przez
uwzględnienie poprawki dyfrakcyjnej. Wyliczone wartości współczynnika tłumienia dla
szeregu częstotliwości harmonicznych pozwalają zbudować wykres zmian współczynnika
tłumienia w funkcji częstotliwości.
Rys 8 a)Piki rezonansowe otrzymane przy badaniu próbki stalowej. b) Zmiany amplitudy
siódmej, piętnastej i dwudziestej pierwszej harmonicznej w funkcji czasu po przerwaniu
wzbudzenia i wyznaczone współczynniki tłumienia fal dla tych trzech częstotliwości.
Podsumowanie
Postęp dokonany w zakresie odbioru przez powietrze fal rozchodzących się w
metalach stwarza nowe możliwości automatycznych badań defektoskopowych.
Bezkontaktowa technika rezonansu umożliwia wyznaczanie prędkości i współczynnika
tłumienia w cienkich elementach konstrukcji z dokładnością dostateczną do oceny struktury i
stanu naprężenia.
Literatura
[I] Clark R., Singh S., Haist C, Ultrasonic Characterization of Defects in Rails.
INSIGHT, 44, 2002, 341-347
[2] Kanderian S., Carniglia D, Djordjevic B.B., Garcia G., Sun J., Snell M., Rail Track
Field Testing Using Laser/Air Hybrid Ultrasonic Technique. Materials Evaluation,
10,2003, 1129- 1133.
[3] Schindel D.W., Hutchins DA., Air Coupled Ultrasonic Transducer. US
Patent 5,287,331,1994
[4] Schindler D.W., Hutchis DA., The Design and Characterization of Micro machined AirCoupled Capacitance Transducers. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and
Frequency Control. 42,1995, 42-50.
[5] Cartwright D.L., Ultrasonic thickness measurement of weathering steel, Mater. Eval.
53(4),452-456(1995).
[6] Yoshida M, Asano T., A New Method to Measure the Oxide Layer Thickness on Steel
Using Electromagnetic-Acoustic Resonance. Journal of Nondestructive Evaluation, 22,1,
2003,11-21
[7] Hirao M., Ogi H., Electromagnetic acoustic resonance and materials characterization,
Ultrasonics, 35, 413-420, 1997.