DEFEKTOSKOPIA ULTRADWIKOWAZASTOSOWANIE Badania nieniszczce wykorzystujce ultradwiki maj szeroki zakres zastosowa w rnych gaziach przemysu - w badaniach defektoskopowych w zakresie wykrywania: - pkni, rozwarstwie, pcherzy, wtrce cia obcych;- czopw waw rolek nonych oraz ich bieni; - bieni piercieni biegowych; - czopw mynw obrotowych; - spoin obwodowych; - oceny wytrzymaoci betonu;- sprawdzanie defektw w rurach;- sprawdzanie defektw w blachach.

Wykrywa si takie uszkodzenia jak: - wady materiaowe typu pknicia, rozwarstwienia, wery, wtrcenia; - ubytki gruboci; - zmiany twardoci;III.2009

ZALETY Podstawowe zalety ultradwikowych bada defektoskopowych to: - dua uniwersalno i skuteczno metody; - szybko realizacji i bezporednia dostpno wynikw; - moliwo dokadnej lokalizacji przestrzennej wad; - moliwo oceny elementw jednostronnie dostpnych.Przedmiot bada metale; materiay ceramiczne; tworzywa sztuczne; beton, skay; drewno.

Czstotliwoci pomiaroweOdlewy i stopyf = (0,56 MHz) generuje w stali dugo fali (102)mm

Metody defektoskopii ultradwikowej Metoda odbiciowa (metoda echa),Metoda przepuszczania (metoda cienia),Metoda rezonansowa,Metoda wybrzmiewania drga wasnych,Metoda impedancji.Podzia ze wzgldu na rodzaj drga: fale podune fale poprzeczne fale powierzchniowe

SnelliusWillebrord Snellius (Willebrord Snel van Royen or Willebrand Snell) (1580 October 30, 1626) was a Dutch astronomer and mathematician, most famous for the law of refraction now known as Snell's law.He discovered the law of refraction that is named after him in 1621.

Transformacja faliPrzy skonym padaniu fali wzgldem granicy 2 orodkw nastpuje odbicie i zaamanie promienia fali z jednoczesn transformacj modw drga. Np. gdy fala biegnie z wody w kierunku orodka staego (szko) to w szkle powstaj dwie fale: poduna (5570 m/s) i poprzeczna (3515 m/s).Wartoci ktw padania, odbicia i zaamania okrela prawo Snelliusa.Z prawa tego mona wyznaczy kt graniczny padania, przy ktrym jeden z ktw zaamania jest katem prostym promie zaamany biegnie po powierzchni obu orodkw.Dla ukadu woda-szko wynosi on okoo 16 stopni.Podobne zjawisko wystpi, gdy granicz ze sob dwa rne ciaa stae: fal padajc moe by wtedy poduna lub poprzeczna. PRAWO SNELLIUSA

Drgania orodkaDrgania czstek orodka przy rozchodzeniu si fali:a)podunej,b)poprzecznej,c)antysymetrycznej postaci (gitnej) fali pytowej (Lamba),d)symetrycznej postaci (dylatacyjnej) fali pytowej (Lamba),e)powierzchniowej (Rayleigha)

Fale Lamba (pytowe)Fale Lamba (pytowe) powstaj w ukadach warstwowych w blachach, powokach, cienkich pytach w orodkach ograniczonych w jednym kierunku dwoma rwnolegymi powierzchniami, odlegymi w przyblieniu o dugo fali. Przesunicia czstek s wynikiem nakadania si na siebie dwch fal Rayleigha biegncych na obydwu powierzchniach w tym samym kierunku. Fale Lamba s falami dyspersyjnymi (ich prdko zaley od czstotliwoci f).

Metoda odbiciowaJ.H.Krautkramer, Ultrasonic testing of materials, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, NY, London, Paris, Tokyo, 1990.

Wady materiaowe

Krzywa Wohlera- przedstawia zaleno napre niszczcych materia od liczby cykli obcie, np. od liczby obrotw wau poddanego danym obcieniom mechanicznym: zginajcym lub skrcajcym. Gdy naprenia w materiale nie przekraczaj okrelonego poziomu, to mona uwaa, e materia nie ulegnie zniszczeniu.

Wada mikropknicia

Wada w spawie

Ultrasonics 36

Warunki bada Cylindryczne fale Lamba propaguj si w ciankach rur o dugoci do 50m, rednicy wewntrznej 76mm i gruboci cianki 5,5 mm. Czstotliwo f = 70 kHz. Drgania osiowo symetryczne podune (L - longitudinal), gitne (F flexural), skrtne (T torsional). Fale ultradwikowe s nadawane i odbierane przez przetworniki umieszczone na obwodzie okrgu. Poza osiowo symetrycznym modem drga (zerowego rzdu) pojawiaj si mody zawierajce harmoniczne odksztacenia i naprenia wok obwodu rury. Rzd 1 ma jedn fal drga wok obwodu rury; Rzd 2 ma dwie dugoci fali drga wok obwodu; Obecno i lokalizacja defektw w ciance rury okrelana przez odbicia i ich czas powrotu.

Impulsy ultradwikowel = 2,6 m; d = 76 mm; g = 5,5 mm

Dyspersja fazowej prdkoci f. ultradwikowych

Dyspersja grupowej prdkoci f. ultradwikowych

Wady rurJ.H.Krautkramer, Ultrasonic testing of materials, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, NY, London, Paris, Tokyo, 1990.

Badanie rur metod przepuszczaniaWewntrz rury umieszcza si gowic (n.p. nadawcz), a na zewntrz po przeciwnej stronie cianki drug (n.p. odbiorcz) . Rura umieszczona we wodzie wykonuje ruch obrotowy i rwnoczenie przemieszcza si wzdu swej osi.Pozwala to na wykrycie rozwarstwie, wtrce pcherzy, wzgl. jam. Minimalna wielko wykrytej wady zaley od wymiaru przetwornika i gruboci cianki. Udaje si wykry wady o powierzchni 50 100 mm2. Metoda zalecana do bada rur z eliwa, bazaltu, materiaw prasowanych.

Badanie rur gowic podwjn Wprowadza si dwie fale poprzeczne w przeciwnych kierunkach. Pknicia wykrywane s przy przeciwnym kierunku rozchodzenia si fali. Obie gowice pracuj rwnoczenie jako nadawcze i odbiorcze. Kada odbiera fal odbit wysyan przez ni sam oraz fal wysyan przez drug gowic. Na ekranie oscyloskopu pojawia si stay impuls odpowiadajcy przejciu fali od jednej gowicy do drugiej oraz echa wad wykrywane przez jedn z gowic. Zalety: ciga kontrola sprzenia i dziaania obu gowic

Badanie blachMetoda: przepuszczania (z fal cig lub impulsow)Przetwornik nadawczy i odbiorczy znajduj si po przeciwnej stronie blachy, ktra zanurzona jest w zbiorniku z wod dla lepszego sprzenia akustycznego. Metod t wykrywa si rozwarstwienia, pcherze.Czuo nie jest zbyt dua wykrywa si due wady.Korzystniejsza jest praca z fal impulsow, gdy unika si powstawania fal stojcych. W przypadku badania fal impulsow nadajnik wysya impuls pojedynczy, a odbiornik otrzymuje szereg impulsw wielokrotne odbicia powodujce wskutek interferencji, wzmocnienie lub osabianie kolejnych impulsw. Czstotliwo powtarzania impulsw naley tak dobra, aby sygnay odbite zaniky zanim nadajnik wyle nastpny impuls. Metoda z jedn gowic nadawczo-odbiorcz fal wprowadza si po oczyszczeniu powierzchni blachy. Przy zdrowej blasze otrzymuje si szereg kolejnych impulsw (e na rysunku obok)

Gruba blacha

US 38

Skad betonu

Ukad pomiarowyImpuls zoony z 5 dugoci fal; f = 100 kHz; u = 32 V, repetycja 3,2 ms,Prbki w ksztacie cylindrycznej dugo = 20 cm,rednica = 10 cm.Zmiana zawartoci wody od 0 % do 8%.

Wyniki testw

Pknicie betonuSposb pomiaru gbokoci pkni powierzchniowych1 gowica nadawcza, 2 gowica odbiorcza

Jako betonu Pogorszenie struktury betonu (np. wskutek pkni lub pcherzy) prowadzi take do zwikszenia pochaniania fal ultradwikowych , przy jednoczesnym zmniejszeniu prdkoci c.

Badanie betonuStruktura betonu zalena od rozmiaru ziaren wiru wymaga stosowania maych czstotliwoci fal ultradwikowych (wtedy dugo fali ultradwikowej jest wiksza ni rednica ziaren wiru), aby zminimalizowa straty wywoane przez rozproszenie.Dla prbek < 0,5 m f = 100 kHz 1 MHz, dla prbek > 0,5 m, f < 100 kHz. Sprzenie akustyczne jest trudniejsze z uwagi na chropowato. Nie stosuje si wody, ale oleje lub nawet pasty silikonowe, wazeliny. W niektrych przypadkach naley powierzchni betonu pokry gipsem szpachlowym. Objto 1000 dcm3 betonu skada si z VW - objtoci wody, VC - cementu, Vair - powietrza i Vagr - ziaren wiru:

Sprzganie przetwornikaGdy powierzchnia badanego elementu jest nieregularna wwczas klin pomidzy przetwornikiem, a tym elementem jest sabo sprzony. W celu zapewnienia lepszego sprzenia, uywa si wody lub oleju midzy powierzchniami.

Czujniki magnetostrykcyjneMateriay ferromagnetyczne po umieszczeniu ich w magnetycznym polu ulegaj odksztaceniu. Odwrotne zjawisko polega na zmianie indukcji B w materiale, ktry zosta mechanicznie zdeformowany. Magnetostrykcyjny czujnik (MsS) jest rodzajem przetwornika, ktry moe generowa i wykrywa zmienne w czasie naprenia i odksztacenia w materiaach ferromagnetycznych. Od tego czasu, metoda magnetostrykcyjna znalaza zainteresowanie w wielu dziedzinach nauki i inynierii. M.in. badania dyspersji fal w zoonych strukturach, sprawdzanie stalowych rur i przewodw, monitoring komr spalania w silnikach. Schemat czujnika magnetostrykcyjnego (MsS) uywanego do generacji i detekcji sprystych fal w ferro-magnetycznych materiaach pokazano na powyszym rysunku. MsS skada si gwnie z cewki i ukadu polaryzacji. Cewka nadawcza wytwarza zmienne w czasie pole magnetyczne B(t), ktre generuje fal spryst w badanym materiale poprzez efekt magnetostrykcyjny. Odbiorcza cewka wykrywa zmian indukcji B(t) w materiale spowodowan odwrotnym efektem magnetostrykcyjnym. Magnes polaryzujcy wprowadza do materiau stae pole magnetyczne BDC. Dziki niemu ronie skuteczno MsS a czstotliwoci sygnau elektrycznego i fal sprystych s takie same. Badanie z zewntrz rury

Konfiguracje czujnikw MsSW przypadku badania rur od wewntrz, wykorzystuje si ukad pomiarowy pokazany na Fig.2. Uzwojenie cewki jest tutaj nawinite na korpusie, ktry moe by wykonany ze stali, ferrytu lub staego magnesu.Konfiguracja przedstawiona na Fig.3. jest uywana do pasywnej detekcji zmiennych w czasie impulsw napre powstajcych pod wpywem wibracji, mechanicznych udarw, czy zjawisk emisji akustycznej. W tym rozwizaniu cewk nawinito na dwch kolumnach staego magnesu w ksztacie U, ktry zosta obudowany i osonity ywic. Obie cewki s nawinite w przeciwnych kierunkach, tak, e sygnay napre s wzmacniane, podczas gdy elektryczne sygnay szumu s redukowane. Metoda magnetostrykcyjna stosuje szeroki zakres czstotliwoci od kilku Hz do kilkuset kHz. Nie wymaga sprzenia z badanym orodkiem separacja midzy czujnikiem (MsS) moe wynosi nawet 5 cm.

Sygnay w MsS

Badania w silnikach spalinowych

tomografia ultradwikowaWood quality assessment of standing trees can be observed with ultrasonic diffraction tomography. Ultrasonic tomography refers to the cross-sectional imaging of an object from data collected by illuminating the tree from different directions. Different types of ultrasonic waves can be used, but the most convenient are bulk longitudinal waves. Ultrasonic images can be reconstructed from all characteristic parameters of the wave: time of flight, amplitude, frequency spectra of the waveform, the phase, etc. The energy distribution and energy flow are important parameters for enhancing the image contrast.Fig. 1 shows the 3 D ultrasonic reconstructed image of the internal structure of a standing tree, of 55 cm average diameter, having an important decay zone. A good agreement between the ultrasonic reconstruc-ted images and the real images after the harvesting of the tree was obtained.Ultrasonic techniques for nondestructive testing of standing trees, Ultrasonics 43 (2005) 237239, V. Bucur *

c.d.On trees, the equipment for ultrasonic imaging, can operate in contact by through transmission mode, using frequencies ranging from 50 kHz to 1 MHz. The increasing of frequency determines the increasing of the image resolution, but, unfortunately, in the same time the increasing of signal attenuation. For this reason a good compromise is required between frequency and image resolution. The measurements were performed at three height levels: at 0.36 m, at 0.84 m and at 1.38 m over the ground, with a portable apparatus (SATTEC, AU 80, France).At each height, on each tree circumferences 16 points were used for ultrasonic velocity measurements.Finally the image was reconstructed from 120 measurements in situ and through the bark. To improve the reading on the received signals, a frequency analysis of the signal was performed. Iso-velocity zones were defined for 300 m/s, and represented with a characteristic color. The range of measured velocities values was between 400 and 2350 m/s.

Badanie niecigoci

Wanym narzdziem dla operatora aparatury ultradwikowej s sondy wskazane na rysunkach 1a i 1b. Element piezoelektryczny pobudzony jest bardzo krtkim wyadowaniem elektrycznym, ktry generuje impuls ultradwikowy. Ten sam element wytwarza te elektryczny sygna, gdy powracajcy impuls ultradwikowy pobudza go do mechanicznych oscylacji. Sonda doczepiona jest do powierzchni sprawdzanego materiau poprzez ciecz lub past sprzgajc, wic fala ultradwikowa zdolna jest transmitowa si w gb badanego obiektu.

Skanowanie obiektu

Operator skanuje testowany obiekt, t.j. przesuwa sond wzdu i wszerz powierzchni. Jednoczenie obserwuje wskazania przyrzdu, wyszukujc sygnaw pochodzcych od odbi na niecigociach.

Niecigoci objtoci

Ksztat wizki ultradwikowej odgrywa wan rol przy doborze sondy. Niecigoci objtociowe (wolne przestrzenie, obce ciao) odbijaj fale dwikowe w rnych kierunkach (fig.4a, fig.4b)

Odbicia

Cz fali ultradwikowej, ktra powraca do sondy po odbiciu od niecigoci zaley gwnie od kierunku fali; nie ma znaczenia, czy skanowano sond ukon, czy prostopadle emitujc wizk, czy te pochodzi ona od rnych powierzchni badanego obiektu (fig.5). Jeeli cz odebranego od odbicia impulsu jest dostateczna, wtedy wykrycie istniejcych niecigoci objtoci nie jest krytyczne, a to oznacza, e operator jest w stanie okreli je przez skanowanie z rnych kierunkw. Paska niecigo (w dwu kierunkach) odbija fal gwnie w jednym kierunku (fig.6).

Tensometria ultradwikowaZmiany czasu przejcia t fal podunych L, poprzecznych T i powierzchniowych R rozchodzcych si w kierunku naprenia w zalenoci od jego wartoci: prbka ze stali St3. U gry na rysunku schemat ukadu gowic ultradwikowych: N gowica nadawcza, O1 i O2 gowice odbiorcze. Zmiany czasu mierzono na drodze midzy gowicami odbiorczymi Wykrywa i wyznacza naprenia wasne za pomoc fal ultradwikowych w oparciu o zaleno prdkoci rozchodzenia si poprzecznych fal w ciaach staych od naprenia.

LiteraturaAntoni liwiski, Ultradwiki i ich zastosowania, WNT, Warszawa, 1993.M.J.S.Lowe, D.N.Alleyne, P.Cawley, Defect detection in pipes guided waves, Ultrasonic 36 (1998), 147-154Zdzisaw Pawowski, Badania nieniszczce, cz I, Warszawa, 1968. Jaroslav Obraz, Ultradwiki w technice pomiarowej, WNT, W-wa, 1983. Etsuzo Ohdaira, Nobuyoshi Masuzawa, Water content and its effect on ultrasound propagation in concrete the possibility of NDT, Ultrasonic 38 (2000), 546-5526. J.H.Krautkramer, Ultrasonic testing of materials, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, NY, London, Paris, Tokyo, 1990.