Defektoskopia_ultradzwiekowa_wstep-1.pdf

(988 KB) Pobierz
Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp
Defektoskopia ultradźwiękowa - wstęp
1. Definicja fal ultradźwiękowych
Ultradźwiękowe badanie materiałów pozwala na określenie szeregu ich własności. Metody
ultradźwiękowe pozwalają nie tylko na badania makrostrukturalne, wykorzystywane w defektoskopii
wyrobów przemysłowych czy diagnostyce medycznej, ale również na badanie mikrostruktury dające
możliwość wyznaczenia takich wielkości jak: moduły sprężystości, współczynnik tłumienia, zawartość
domieszek, gęstość dyslokacji,
średnią
długość pętli dyslokacyjnej,
średnią
wielkość ziarna materiałów
polikrystalicznych. Dla poznania struktury krystalicznej metali szczególnie cenne są badania
rozchodzenia się fal ultradźwiękowych w stanie przewodnictwa. Badanie wpływu minimalnych
zanieczyszczeń na własności akustyczne monokryształów pozwala, między innymi ustalić strukturę
dyslokacji oraz mechanizm ich powstawania i poruszania się. W płynach do najczęściej wyznaczanych
za pomocą badań ultradźwiękowych wielkości należą: stosunek ciepła właściwego przy stałym
ciśnieniu i przy stałej objętości, lepkość,
ściśliwość
adiabatyczna,
średnice
cząsteczek, wartości sił
międzycząsteczkowych a dla płynów niejednorodnych koncentracja zawiesin.
Częstości drgań sprężystych, jakim może być poddane jakieś ciało rozciągają się od bardzo niskich,
związanych z rozmiarami ciała stałego, do bardzo wysokich ograniczonych od góry wielkością stałej
sieciowej (odległością sąsiednich atomów). Zakres ten można umownie podzielić na częstości
infradźwiękowe (poniżej 16Hz), częstości akustyczne (16 Hz – 16 kHz), ultradźwiękowe (16 kHz –
100 MHz), hiperdźwiękowe (100 MHz – 10 Hz).
2. Prędkość fal ultradźwiękowych.
Prędkość fal akustycznych w ciałach stałych izotropowych zależy od sposobu drgań oraz rozmiarów
tych ośrodków w odniesieniu do długości fali. Wyróżnia się prędkości fal podłużnych V
L
oraz
poprzecznych V
T
dla tak zwanych ośrodków „nieograniczonych” oraz analogiczne prędkości dla
ośrodków „ograniczonych”. Ośrodek „ograniczony” to ośrodek, którego wymiary są porównywalne z
długością fali
λ.
Dla ośrodka izotropowego, to znaczy takiego, w którym prędkość nie zależy od kierunku propagacji,
prędkości fal są wyznaczane poprzez stałe materiałowe:
λ,
µ
- stałe Lamego i gęstość ośrodka
ρ
lub
przez moduły (
E
- moduł sprężystości podłużnej,
G
– moduł sprężystości poprzecznej,
K
– moduł
sprężystości objętościowej) ,
�½
– współczynnik Poissona oraz gęstość ośrodka
ρ.
Oto wyrażenia opisujące te zależności dla fal podłużnych (c
L
) i poprzecznych (c
T
)
10
prędkość fal podłużnych:
c
L
=
λ
+
2
µ
=
ρ
E
(
1
−
�½
)
ρ
(
1
+
�½
)(
1
−
2
�½
)
(1)
prędkość fal poprzecznych
c
T
=
µ
=
ρ
E
2
ρ
(
1
+
�½
)
(2)
1
Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp
UWAGA: Dla ośrodków ograniczonych przestrzennie prędkości te są MNIEJSZE
Ośrodek, którego jeden lub dwa wymiary
a, b
prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali są
ograniczone:
fale podłużne,
płyta a>
λ
, b <
λ
(3)
c
L
=
E
ρ
(
1
−
�½
2
)
pręt a <
λ
, b <
λ
c
L
=
E
ρ
(4)
Prędkości fal ultradźwiękowych są niezależne od częstotliwości w zakresie od 20 kHz do 20 MHz.
UWAGA: dla ośrodków izotropowych i nieograniczonych iloraz prędkości fali poprzecznej i podłużnej
jest zależny tylko od współczynnika Poissona
υ
c
T
=
c
L
2
(
1
−
�½
)
1
−
2
�½
(5)
W tabeli 1.1 podane są informacje o właściwościach akustycznych wielu ciał stałych. W ostatniej
kolumnie podano wartość iloczynu prędkości fal podłużnych i gęstości ośrodka. Ten iloczyn jest miarą
tzw. akustycznej oporności falowej ośrodka:
m
=
ρ
⋅
c
L
.
Warto znać prędkości fal podłużnych i poprzecznych w stali i PMM (stosowany w głowicach
ultradźwiękowych) oraz w wodzie i w powietrzu a także akustyczne oporności falowe tych
ośrodków. Wielkości te są zawarte w poniżej tabelce.
Tabela 1. Wartości prędkości fal podłużnych i poprzecznych oraz akustycznej oporności falowej dla
czterech ośrodków
Lp
1
2
3
4
stal
PMM
woda
powietrze
Ośrodek
C
L
[m/s ]
6000
2700
1480
330
C
T
[m/s ]
3200
1100
-
-
ρ
⋅
C
L
[10
6
]
[Pa⋅m/s]
46
3,2
1,48
0,003
2
Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp
3
Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp
3. Tłumienie fal ultradźwiękowych
Każda substancja posiada charakterystyczne widmo drgań własnych odpowiadające stanowi
równowagi termodynamicznej. Pobudzenie ciała do drgań z jakąś szczególną częstością, różniącą się
od częstości drgań własnych, stanowi więc odchylenie od stanu równowagi. Na skutek tłumienia
nierównowagowe widmo energii przechodzi po pewnym czasie w widmo równowagowe. Tłumienie
określa się jako przemianę części energii rozchodzących się fal o danej częstotliwości na energię drgań
o innych częstotliwościach, z reguły na energię drgań cieplnych.. Przemianę taką powodują różne
mechanizmy fizyczne. Jednym z nich jest tłumienie termosprężyste. W materiale przez który
przechodzi fala ultradźwiękowa, w miejscach w których następuje zagęszczenie materiału zachodzi
podwyższenie temperatury. Na skutek przewodności cieplnej ciepło rozchodzi się z obszarów
zagęszczenia (ogrzanych) do obszarów chwilowo rozrzedzonych (oziębionych).
Powyższy proces przepływu ciepła odbywa się kosztem energii fali ultradźwiękowej. Wielkość strat
termosprężystych zależy od częstotliwości fali ultradźwiękowej. Straty te są większe dla niezbyt
wysokich częstotliwości, czyli gdy przywrócenie równowagi cieplnej nadąża za drganiami
ultradźwiękowymi, niż dla bardzo dużych częstotliwości rzędu 10 Hz, gdy przepływ ciepła jest zbyt
wolny co powoduje,
że
ten rodzaj tłumienia zanika. Tłumienie termosprężyste charakterystyczne jest
dla rodzajów fal którym towarzyszą lokalne zmiany gęstości a więc przede wszystkim dla fal
podłużnych. Dla fal poprzecznych, którym nie towarzyszą zmiany gęstości ten rodzaj tłumienia nie
występuje. Inny mechanizm tłumienia, nazywamy tłumieniem od zjawisk relaksacji strukturalnej,
spowodowany jest tym,
że
energia fali ultradźwiękowej może być zużyta na przejście do wyższych
stanów energetycznych, jak np. na zmianę położenia atomu międzywęzłowego względem sieci
krystalicznej czy tez na przejście z jednej konfiguracji makrocząsteczki do drugiej. Maksimum
tłumienia w funkcji częstotliwości występuje wówczas, gdy częstotliwość drgań ultradźwiękowych
staje się równa częstotliwości własnej zmiany stanu energetycznego przez dany układ, czyli tzw.
częstotliwości relaksacji. Tłumienie fali ultradźwiękowej może być również spowodowane takimi
defektami struktury jak dyslokacje, domieszki i granice ziaren. Dla częstotliwości wysokich, dla
których długość rozchodzących się w ośrodku fal jest porównywalna z wielkością ziarna materiału,
zaczyna występować zjawisko rozproszenia fali ultradźwiękowej. Rozproszenie jest tym większe im
bardziej zbliżone są wymiary ziarna do długości fali. Na granicy każdego ziarna następuje wówczas
częściowe odbicie fali, przy czym ze względu na nieregularne kształty ziaren fale odbijają się we
wszystkich kierunkach. Wskutek tego natężenie fali biegnącej w rozpatrywanym kierunku stale się
zmniejsza, straty spowodowane rozproszeniem szybko rosną wraz ze wzrostem częstotliwości fali
ultradźwiękowej.
Współczynnik tłumienia określa szybkość ubytku energii drgań mechanicznych fali wraz z odległością
przebytą przez falę w tym ośrodku. Naturalnym założeniem jest,
że
natężenie fali zmniejszy się o
wartość proporcjonalną do natężenia początkowego i długości przebytej drogi.
9
−
dI
=
α
⋅
I
⋅
dx
I
=
I
o
⋅
e
−
α
x
Podobnie amplituda fali maleje wykładniczo
(6)
Po scałkowaniu otrzymujemy wykładniczą zależność natężenia fali od odległości.
(7)
4
Defektoskopia ultradźwiękowa -wstęp
A
=
A
o
⋅
e
−
α
2
x
(8)
ze współczynnikiem tłumienia dwukrotnie mniejszym.
Współczynnik tłumienia podaje się w
dB/cm.
Zgodnie z w/w zależnościami liczy się go następująco:
I
1
A
1
10 log
20 log
I
n
A
n
α
dB
=
=
x
x
cm
(9)
gdzie
A
1
i
A
n
są amplitudami fali, a
x
odległością (w cm) między punktami ośrodka, w których
mierzono te amplitudy .
Współczynnik tłumienia zależy od częstotliwości fali , struktury materiału oraz amplitudy impulsu.
Dla niskich częstotliwości w ośrodkach stałych współczynnik tłumienia wzrasta liniowo wraz z
częstotliwością. W tym zakresie częstotliwości dominują straty energii na skutek przewodnictwa
cieplnego. Dla wysokich częstotliwości zależność ta przechodzi w parabolę. W tym obszarze
częstotliwości główną rolę odgrywa rozproszenie na granicach ziaren. Jak już wspomniano
elementami struktury, które odgrywają istotną rolę w tłumieniu fal ultradźwiękowych są: wielkość
ziarna krystalicznego, domieszki i dyslokacje.
Rys.1. Typowa zależność współczynnika
tłumienia od częstotliwości dla ośrodków
stałych.
Tabela 2 . Współczynniki tłumienia fal ultradźwiękowych dla kilku ośrodków
5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin