Metoda ultradźwiękowa Wykonanie: Justyna Sikora

Plan prezentacji Podział fal sprężystych. Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych. Oddziaływanie ultradźwięków ze środowiskiem. Rodzaje fal. Przetworniki ultradźwiękowe. Efekt piezoelektryczny. Metody badań ultradźwiękowych. Defektoskopia ultradźwiękowa. Literatura.

Podział fal sprężystych Fale sprężyste Infradźwięki (podźwięki) <16 Hz Dźwięki słyszalne 16 Hz- 16 kHz (20 kHz) Ultradźwięki (naddźwięki) 16 kHz(20 kHz)- 109 Hz Hiperdźwięki do 1013 Hz

Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych Ultradźwięki to drgania mechaniczne cząstek ośrodka (fale sprężyste) o częstotliwości większej niż górna granica słyszalności ucha ludzkiego. Granicę tę określa się umownie na 16 000 bądź 20 000 Hz. Pomiędzy parametrami fali, którymi są: długość fali λ[m], prędkość jej rozprzestrzeniania się c [m/s], okres drgań T [s], względnie częstotliwość drgań f [Hz], zachodzi następujący związek: W praktyce, dla celów badań materiałów ceramicznych stosuje się fale o częstotliwościach od kilku setnych do kilku MHz. Fale ultradźwiękowe rozprzestrzeniają się dzięki drganiom sprężystym ośrodka. λ= cT= c/f

Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych Prostopadłemu padaniu fali na granicę dwóch ośrodków towarzyszy zjawisko odbicia i przenikania. Część fali padającej odbija się od granicy ośrodków, a część rozchodzi się w drugim ośrodku. Wartość stosunku energii fal odbitych i przechodzących zależy od akustycznych oporności (impedancji akustycznej) rozpatrywanych ośrodków, oporność tę można wyrazić wzorem: ρ- gęstość środka, c- prędkość fali w tym ośrodku. Z= ρc Zjawisko odbicia jest tym wyraźniejsze, im większa jest różnica oporności akustycznych obydwu ośrodków.

Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych Natężenie fali ultradźwiękowej rozchodzącej się w ośrodkach stałych ulega osłabieniu. Składają się na to dwa czynniki: 1. Pochłanianie kiedy część energii fali jest tracona z powodu ciepła wytwarzanego na skutek tarcia wewnętrznego cząstek. 2. Rozproszenie (nieukierunkowane odbicie) fali od poszczególnych granic, które występują w ośrodkach polikrystalicznych, niejednorodnych pod względem struktury czy nawet zawierających wady wewnętrzne o wymiarach makroskopowych.

Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych Wielkość strat energii określa energetyczny współczynnik tłumienia γ. Za jego pomocą określić można natężenie fali I w funkcji jej drogi l. I0 – natężenie fali wyjściowej, e- podstawa logarytmów naturalnych. Wartość współczynnika tłumienia rośnie ze wzrostem częstotliwości fal. Podobny efekt wywołuje wzrost wielkości ziarna materiału. Z tego powodu do badania materiałów o strukturze gruboziarnistej (np. betonu) należy stosować fale ultradźwiękowe o niskich częstotliwościach ( 40÷ 100 kHz). I= I0 – e-γl

Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych Rys. Zmiana natężenia fali w funkcji odległości na skutek tłumienia oraz zależność współczynnika tłumienia od częstotliwości.

Oddziaływanie ultradźwięków ze środowiskiem Ultradźwięki czynne - wytwarzanie fal o znacznym natężeniu w celu osiągnięcia określonych zmian fizycznych lub chemicznych. Ultradźwięki bierne - ze względu na swe małe natężenia są przydatne do pomiarów i diagnostyki. Ultradźwięki bierne są ważnym narzędziem w technice pomiarowej. W badaniach nieniszczących są dziś niezastąpione. Znalazły zastosowanie w badaniach, materiałów m.in.: przy wykrywaniu defektów mikrostruktury (wykrywanie wad, rozwarstwień, pęknięć) przy pomiarach grubości przy wyznaczeniu stałych sprężystości przy wyznaczaniu naprężeń mechanicznych w diagnostyce medycznej.

Oddziaływanie ultradźwięków ze środowiskiem Bierne Czynne Spektroskopia Defektoskopia ultradźwiękowa Tensometria Emisja akustyczna Diagnostyka medyczna (wizualizacja, tomografia) Mikroskopia Hydrolokacja Sterowanie procesami technologicznymi Koagulacja (łączenie cząstek) Dyspergowanie (rozdrabnianie) Terapia medyczna Kawitacja Sonochemia Rozkruszanie Formowanie ośrodków twardych Spajanie i lutowanie Mycie ultradźwiękami Ekstrakcja Suszenie substancji

Rodzaje fal Fale ultradźwiękowe różnią się miedzy sobą kierunkiem drgań cząsteczek ośrodka w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali. Rozróżniamy: Fale podłużne Fale poprzeczne Fale powierzchniowe (Rayleigha) Fale podpowierzchniowe Fale płytowe (Lamba) Fale Love’a

Rodzaje fal Fale podłużne- cząstki ośrodka drgają prostoliniowo zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali. Powstają naprzemian zagęszczenia i rozrzedzenia ośrodka. Fale te rozchodzą się w każdym ośrodku materialnym (L, cL ); Fale poprzeczne- tzw. fale ścinania, powodują naprężenia styczne. Cząstki ośrodka drgają w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali. Rozchodzeniu się tych fal nie towarzyszą zmiany gęstości ośrodka. Fale te rozchodzą się tylko w ośrodkach stałych (T, cT );

Rodzaje fal Fale powierzchniowe (Rayleigha)- rozchodzą się na powierzchni swobodnej ciała stałego, wnikając na głębokość około jednej długości fali. Ruch cząstek odbywa się po smukłej elipsie (R, cR ); Fale podpowierzchniowe- to szczególny przypadek fal podłużnych, powstających jako fala załamania. Fale te wykazują brak czułości na nierówności powierzchni (wykrywanie wad blisko powierzchni o małej gładkości).

Rodzaje fal Fale płytowe (Lamba)- rozchodzą się w ośrodku ograniczonym dwoma równoległymi powierzchniami, których odległość jest porównywalna z długością fali i nie przekracza kilku długości fali. Fale Love’a- to fale poprzeczne rozchodzące się w cienkiej warstwie znajdującej się na podłożu o innych właściwościach akustycznych. Przesunięcia cząstek odbywają się równolegle do powierzchni warstwy i prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.

Przetworniki ultradźwiękowe Przetworniki to takie elementy, za pomocą których przetwarza się jeden rodzaj energii na drugi. W przypadku metod ultradźwiękowych chodzi o zamianę energii drgań elektrycznych na energię drgań mechanicznych i odwrotnie. W technice ultradźwiękowej jako źródeł najczęściej używa się przetworników elektroakustycznych, bazujących na odwracalnym zjawisku piezoelektrycznym. W zakresie drgań ultradźwiękowych wykorzystywanych do badania materiałów obecnie znajdują zastosowanie głównie dwa typy przetworników: przetwornik kwarcowy albo przetwornik z tytanianu baru.

Efekt piezoelektryczny Efekt piezoelektryczny w materiałach ceramicznych wynika z ich specyficznej budowy, a mianowicie z występowania w nich nieregularnie zorientowanych obszarów, zwanych domenami, będących dipolami elektrycznymi. Pod wpływem silnego pola elektrycznego oraz ogrzania, a potem schłodzenia do temperatury pokojowej, dipole te zostają zorientowane w określonym kierunku, przy czym polaryzacja pozostaje po odjęciu pola. W przetworniku fal podłużnych dipole usytuowane są pod kątem 450 do powierzchni. Po przyłożeniu napięcia do powierzchni przetwornika dipole ulegają obrotom zależnym od znaku potencjału na danej powierzchni zgodnie z zasadą przyciągania się ładunków różnoimiennych. Obroty te powodują zwiększenie lub zmniejszenie grubości przetwornika.

Efekt piezoelektryczny Rys. Schemat odkształceń przetwornika ceramicznego pod wpływem efektu piezoelektrycznego: a) przetwornik w stanie spoczynku, b, c) odkształcenie przetwornika pod wpływem zmian przyłożonego napięcia.

Efekt piezoelektryczny W praktycznych zastosowaniach przetworniki odpowiednio obudowuje się, dzięki czemu otrzymuje się głowice ultradźwiękowe. W celu tzw. sprzężenia akustycznego głowicy z badanym materiałem, konieczne jest pokrycie miejsca styku olejem, wodą, smarem stałym. Dzięki temu usuwa się warstewkę powietrza, która uniemożliwia wprowadzenie fal do badanego ośrodka.

Budowa głowicy ultradźwiękowej 1- obudowa; 2- przetwornik ultradźwiękowy w kształcie cienkiej kołowej płytki; 3- gniazdo do połączenia końcówki kabla); 4- warstewka osłonowa z tworzywa sztucznego; 5- specjalna warstewka materiału zapobiegająca promieniowaniu od tyłu; 6- przewody.

Metody badań ultradźwiękowych Metoda echa wykorzystuje zjawisko odbicia fali przechodzącej przez badany materiał od granicy z drugim ośrodkiem. Na podstawie obserwacji tego odbicia można wnioskować o występowaniu nieciągłości w materiale lub powierzchni wynikającej z kształtów badanego przedmiotu. Mierząc czas t, jaki upływa od chwili wysłania fali ultradźwiękowej w głąb badanego materiału do chwili jej powrotu po odbiciu, można, w oparciu o znajomość prędkości c jej rozchodzenie się, określić przebytą przez nią drogę. Dzięki temu możliwe staje się zlokalizowanie powierzchni odbijającej, czyli określenie położenia wady l lub odpowiedniego wymiaru (np. grubości g) przedmiotu, zgodnie z poniższym wzorem: lub l= ct/2 g= ct/2

Metody badań ultradźwiękowych Znajomość czasu przechodzenia ultradźwięków przez próbkę materiału o znanej grubości pozwala na wyznaczenie prędkości rozchodzenia się fal w tym materiale. Pomiar czasu wymaga stosowania impulsów fal, które wysyłane są w głąb materiałów z odpowiednimi przerwami przeznaczonymi na oczekiwanie na powrót sygnału odbitego od przeszkody. Punktem odniesienia do pomiaru czasu staje się wówczas czoło impulsu. Metoda echa wymaga jedynie jednostronnego dostępu do badanego przedmiotu.

Metody badań ultradźwiękowych Rys. Zasady metody echa: a) wyznaczenie położenia wady, b) określenie grubości przedmiotu.

Metody badań ultradźwiękowych Metoda przepuszczenia polega na wprowadzeniu fal ultradźwiękowych z jednej strony i odbieraniu ich po przejściu przez przedmiot po stronie przeciwnej. Obserwuje się przy tym zmianę natężenia przechodzących ultradźwięków, gdyż każda nieciągłość na ich drodze powoduje osłabienie fali. Metoda przepuszczania nie pozwala na lokalizację wykrytych wad. Metoda przepuszczania wykorzystywana jest także do pomiarów czasu przejścia fali szczególnie przez materiały silnie tłumiące. W tym przypadku, ultradźwięki przebiegają przez próbkę tylko jednokrotnie i nie ulegają tak znacznemu lub nawet całkowitemu osłabieniu, które może mieć miejsce przy badaniu metodą echa, kiedy to fale przechodzą przez przedmiot dwukrotnie.

Metody badań ultradźwiękowych Rys. Zasada badań metodą przepuszczenia: a) materiał bez wad, b) materiał z wadą.

Metody badań ultradźwiękowych Rys. Schemat defektoskopu ultradźwiękowego pracującego metodą echa.

Metody badań ultradźwiękowych Rys. Schemat defektoskopu ultradźwiękowego pracującego metodą przepuszczenia.

Defektoskopia ultradźwiękowa Tłumienie fal sprężystych Tłumienie fal ultradźwiękowych można mierzyć metodą przepuszczenia lub metodą echa. Najczęściej stosuje się metodę echa. Metodę przepuszczenia stosujemy gdy nie można dokonać pomiaru badanego ośrodka metodą echa. Pomiar tłumienia stosowany jest w celu wykrywania niejednorodności budowy strukturalnej tworzywa. Złożony układ krystaliczny posiadający wyższą energię swobodną wykazuje wyższe tłumienie. Zgodnie z powyższą zasadą, poprzez pomiar tłumienia, można wykrywać lokalne naprężenia w tworzywach ceramicznych, powstające na granicach obszarów o różnej budowie strukturalnej oraz w pobliżu wtrąceń.

Defektoskopia ultradźwiękowa Badanie niemetali Charakterystyczne dla badania niemetali jest stosowanie w szerszym zakresie niż dla metali pomiarów tłumienia i prędkości fal ultradźwiękowych. Wielkości te charakteryzują często nie tylko strukturę mikroskopową, ale również ważne właściwości eksploatacyjne takie jak: wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, porowatość. Co pozwala na kontrolę nie tylko gotowych wyrobów, ale i procesów produkcyjnych pod kątem widzenia wyboru optymalnych warunków przeprowadzenia tych procesów (np. wypalanie porcelany).

Defektoskopia ultradźwiękowa Zdefektowanie tworzywa w procesie technologicznym Każdy z etapów procesu technologicznego ceramiki wprowadza różne rodzaje defektów wpływających na własności użytkowe tworzywa. Operacje technologiczne Podstawowe defekty wprowadzone przez operacje technologiczne Podstawowe własności użytkowe ulegające degradacji 1. Przygotowanie surowców Odstępstwa od stechiometrii, szkodliwe domieszki. Niejednorodność składu stechiometrycznego. Przewodnictwo elektryczne. Stała dielektryczna. Odporność korozyjna. 2. Formowanie Niejednorodność gęstości, rozwarstwienia. Niski stopień zagęszczania. Wytrzymałość dielektryczna. Wytrzymałość mechaniczna. 3. Wypalanie Rekrystalizacja Niski stopień zagęszczenia, wtórna porowatość. Niejednorodność rozłożenia faz. Nadmierny rozrost ziaren, naprężenie wewnętrzne- makro i mikropęknięcia. Szczeliny powierzchniowe. Własności dielektryczne. Własności mechaniczne. Odporność korozyjna. Przewodnictwo cieplne. 4. Obróbka końcowa Rysy powierzchniowe. Spękanie szkliwa Odporność termomechaniczna.

Przykłady zastosowania ultradźwięków do badań jakości i własności wytrzymałościowych materiałów ceramicznych. Pomiar prędkości fal podłużnych służyć może do oceny wytrzymałości różnych materiałów ceramicznych w gotowych wyrobach i konstrukcjach. Jednym z takich materiałów jest beton, dla którego opracowana została norma podająca zasady wyznaczenia jego wytrzymałości na ściskanie. Pomiar prędkości fal w betonie wykonuje się metodą przepuszczenia. Jakość betonu Prędkość fali podłużnej cl [m/sek] Orientacyjna wytrzymałość na ściskanie Rc [MPa] Bardzo zła poniżej 2000 Zła 2000 - 3000 do 4 Niezbyt dobra 3000-3500 do 10 Dobra 3500- 4000 do 25 Bardzo dobra 4000- 4500 do 40 Doskonała ponad 4500 ponad 40

Przykłady zastosowania ultradźwięków do badań jakości i własności wytrzymałościowych materiałów ceramicznych. Innym zastosowaniem pomiarów prędkości fal podłużnych jest ocena wytrzymałości na zginanie grafitowych elektrod hutniczych. Prędkość fal mierzona jest w kierunku prostopadłym do osi elektrody (średnica elektrod hutniczych wynosi od 200 do 500 mm). Na podstawie takich badań odrzucić można elektrody o niedostatecznej wytrzymałości (w rozważanym przypadku poniżej 40 MPa, co odpowiada prędkości fal cL <1450 m/s). Rys. Związek pomiędzy wytrzymałością na zginanie elektrod węglowych a prędkością fal podłużnych.

Defektoskopia ultradźwiękowa Diagnostyka medyczna Metody diagnostyki ultradźwiękowej są identyczne z metodami badania materiałów, a mianowicie stosuje się metodę cienia lub metodę echa. Górna granica stosowanych częstotliwości sięga 2 do 3 MHz, przy których występują nie tylko zjawiska ugięcia na niejednorodnościach, lecz ponadto wiązka ultradźwiękowa ulega rozproszeniu na strukturze ciała, a szczególnie ulega silnemu odbiciu na kawernach gazowych. Diagnostykę ultradźwiękową stosuje się w: neurologii (wylew krwi, zmiany onkologiczne) oftalmologii (wykrywanie guzów, odwarstwień siatkówki) położnictwie i ginekologii (lokalizacja cyst, guzów, położenie i stan płodu) choroby wewnętrzne (guzy złośliwe i niezłośliwe piersi, wady płuć, śledziony i trzustki, choroby układu krążenia, osteoporoza, zaburzenia metabolizmu kości, postęp zrostu kostnego kości długich, marskość wątroby, diagnostyka kamicy żółciowej i nerkowej)

Podsumowanie 1. Przy pomocy badań ultradźwiękowych możemy określić: a) w sposób bezpośredni: anizotropię próbek, niejednorodność wyznaczyć wszystkie stałe sprężystości lub stałe materiałowe próbek izotropowych i anizotropowych defekty mikrostruktury (wykrywanie wad, rozwarstwień, pęknięć) b) w sposób pośredni (o wcześniej wyznaczone korelacje): wytrzymałość na zginanie, ściskanie, rozciąganie współczynnik rozszerzalności cieplnej twardość, porowatość gęstość. 1. Przy pomocy badań ultradźwiękowych możemy określić: a) w sposób bezpośredni: anizotropię próbek, niejednorodność wyznaczyć wszystkie stałe sprężystości lub stałe materiałowe próbek izotropowych i anizotropowych defekty mikrostruktury (wykrywanie wad, rozwarstwień, pęknięć) b) w sposób pośredni (o wcześniej wyznaczone korelacje): wytrzymałość na zginanie, ściskanie, rozciąganie współczynnik rozszerzalności cieplnej twardość, porowatość

Podsumowanie 2. Metody ultradźwiękowe stosuje się: do badania jakości, stabilności i powtarzalności warunków technologicznych do badań międzyoperacyjnych (kontroli poszczególnych etapów procesu technologicznego: jednorodności zasypu, wymieszania, prasowania, suszenia, spiekania) do opracowania nowej technologii- optymalizacja warunków technologicznych (upakowania materiału, dobór optymalnego lepiszcza, techniki prasowania, spiekania). Możliwości wykorzystania metod ultradźwiękowych zwłaszcza w badaniach materiałów porowatych, gruboziarnistych, anizotropowych uzależnione są od możliwości aparatury.

Literatura Filipczyński L., Pawłowski Z., Wehr J. Ultradźwiękowe metody badań materiałów, Wyd. Naukowo- Techniczne, Warszawa 1963. Śliwiński A. Ultradźwięki i ich zastosowanie, Wyd. Naukowo- Techniczne, Warszawa 2001. Piekarczyk J. Metody badań. Badania ultradźwiękowe.