|
Tom Nelligan
Ultrazvukové nedestruktivní testování je všestranná technika, kterou lze použít při široké škále různých materiálových analýz. Ultrazvukové NDT je pravděpodobně známější v rozšířenějším oboru měření tloušťky materiálu, zjišťování trhlin a zvukového zobrazování, vysokofrekvenční zvukové vlny lze použít rovněž pro rozpoznávání a kvantifikaci základních mechanických a strukturálních vlastností a složení pevných materiálů a kapalin. Ultrazvuková analýza materiálů využívá jednoduchý
fyzikální princip: pohyb každé vlny je ovlivněn médiem, jímž prochází. Tak lze často změny jednoho či více ze čtyř snadno měřitelných parametrů spojených s průchodem vysokofrekvenční zvukové vlny materiálem - čas průchodu, útlum, rozptyl a frekvenční obsah - vztáhnout ke změnám fyzikálních vlastností, jako jsou tvrdost, modul pružnosti, hustota, homogenita a zrnová struktura zrn.
Principy: Ultrazvukové NDT využívá frekvenční rozsah od přibližně 20 kHz do více než 100 MHz, přičemž nejvyužívanější je spektrum 500 kHz až 20 MHz. Běžně se používají podélné i příčné módy vibrace, ve zvláštních případech pak i povrchové (Rayleigh) vlny a plošné (Lamb) vlny. Kratší vlnové délky lépe reagují na změny v médiu, jímž procházejí, mnoho materiálových analýz využívá ty nejvyšší frekvence, které materiál dovoluje. Zvukové impulsy běžně generují a
přijímají piezoelektrické snímače akusticky spojené s testovacím materiálem. Ve většině případů zastává funkci vysílače a přijímače jediný snímač přiložený k jedné straně testovaného kusu (mód impulsu/ozvěny), přestože v některých situacích, kdy se pracuje s vysoce tlumivými či rozptylujícími materiály se používají oddělené vysílače a přijímače na protějších stranách testovaných součástí (prostřednictvím přenosového módu). Zvukovou vlnu vysílá snímač aktivovaný buď napěťovou
špičkou nebo trvalým vlnovým impulsem. Zvuková vlna prochází testovaným materiálem a buď se odráží od zadní stěny a vrací se do původního bodu, (impuls/ozvěna), nebo je přijímána jiným snímačem ve stejném bodě (prostřednictvím přenosu). Přijatý signál je poté zesílen a analyzován. K tomu to účelu se využívá řada komerčních nástrojů s analogovým i digitálním zpracováním signálu.
Podstatnou výhodou ultrazvukového testování proti jiným metodám materiálové analýzy je, že je často lze provádět za provozu či při výrobě. Vysokofrekvenční zvukové vlny lze úspěšně přenášet do pohyblivých materiálů a opět je přijímat bez přímého kontaktu prostřednictvím vodní lázně či vodního sloupce jako propojovacího média. Měření lze provádět rovněž prostřednictvím uzavřených nádob propojením zvukové energie přes jejich stěnu. Zvukové vlny pronikají skrz testovaný vzorek,
měří se vlastnosti materiálu v celém tomto kuse a nejen na povrchu. Někdy je při použití selektivního klíčování možno rovněž analyzovat pouze jednu vrstvu vícevrstvého výrobku z několika materiálů.
Ve většině případů se měří některé z těchto parametrů:
1. Rychlost zvuku/doba průchodu impulsu: Rychlost zvuku je většinou nejsnadněji měřitelným ultrazvukovým parametrem. Rychlost zvuku v homogenním médiu se přímo vztahuje k modulu pružnosti a hustotě; tím pádem bude mít změna pružnosti či hustoty vliv na čas průchodu impulsu vzorkem dané tloušťky. Na rychlost zvuku může mít dále vliv i různá úroveň nehomogennosti.
2. Útlum: Různé materiály pohlcují či tlumí zvukovou energii v různé míře, dle různých kombinací hustoty, tvrdosti, viskozity a molekulární struktury. Míra útlumu v daném materiálu běžně roste s frekvencí.
3. Rozptyl: Zvukové vlny se odrážejí od rozhraní mezi různými materiály. Na amplitudu, směr a frekvenční obsah rozptýleného signálu mohou mít vliv změny ve struktuře zrn, orientaci vláken, poréznosti, koncentraci částic a další mikrostrukturální odchylky. Efekt rozptylu je možno sledovat rovněž nepřímo ve změnách amplitudy ozvěny od zadní stěny nebo signálu při přenosu.
4. Frekvenční (spektrální) obsah: Všechny materiály do jisté míry fungují jako filtry dolní hranice, tlumící či rozptylující spíše součásti širokopásmové zvukové vlny s vyšší frekvencí, nikoli s nižší. Tím pádem může analýza změn zbývajícího frekvenčního obsahu zvoleného širokopásmového impulsu, který prošel testovaným materiálem, sledovat výše uvedený kombinovaný efekt útlumu a rozptylu.
V některých případech lze přímo využívat ultrazvuková data k výpočtu vlastností, jako je například modul elasticity. V jiných případech představuje ultrazvukové testování srovnávací metodu, v jejímž rámci je nutno experimentálně posoudit referenční standardy představující škálu hodnocených vlastností materiálů, na jejichž základě bude možno sestavit zkušební protokol. Z těchto standardů bude možno zaznamenat, jak se parametry přenosu zvuku mění se změnou konkrétních vlastností
materiálu. Z těchto základních informací pak bude možno určit či předpokládat obdobné změny v testovacích vzorcích.
Vybavení: Pro materiálovou analýzu je možno využít širokou škálu ultrazvukových přístrojů. Rychlost zvuku lze měřit jednoduchými ručními přístroji na měření tloušťky materiálu, zatímco rychlost, útlum a rozptyl lze pozorovat moderními digitálními detektory trhlin. Vysílače/přijímače s příslušným pomocným vybavením a ultrazvuková zobrazovací zařízení s příslušným softwarem lze využít ke kvantifikaci těchto vlastností a rovněž k provedení spektrální analýzy
(frekvenční obsah). Kontaktujte nás, rádi vám poskytneme doporučení týkající se vhodných přístrojů a snímačů pro konkrétní testy.
Použití: Níže je uveden seznam konkrétních materiálových analýz, kde se používají a zaznamenávají ultrazvukové techniky. Širokou diskusi a pojednání na dané téma lze nalézt v textech od ASNT1 a Lynnworth2. Obě knihy doporučujeme jako zdroj dalších podrobných informací jak ke zkušebním postupům, tak konkrétním požadavkům na testovací přístroje.
Moduly pružnosti: Youngův modul a příčný modul v homogenních, nedisperzních materiálech lze vypočítat z rychlosti podélné vlny a příčné vlny (společně s hustotou materiálu). Použití vlnovodů umožňuje měření za vysokých teplot.
Uzlovitost v litině: Měřením rychlosti lze určit množství grafitu v litině a jeho tvar a formu.
Míra vytvrzení pryskyřic a betonu: Rychlost zvuku v těchto materiálech se mění s jejich tvrdnutím; tím pádem lze naměřené hodnoty rychlosti zvuku vztáhnout ke stupni vytvrzení. Měření betonu většinou vyžaduje přístup k oběma stranám pro přenos s oboustranným přiložením.
Koncentrace kapalin: Směs dvou tekutin s různou rychlostí zvuku lze vztáhnout k rychlosti zvuku roztoku při dané teplotě.
Hustota kaší: Míchací poměr mezi tekutinou a pevnou látkou - jako například u vrtací směsi a papírové kaše za dané teploty lze odvodit z rychlosti zvuku a/nebo útlumu.
Hustota keramických látek: Stejnoměrnost hustoty surové i vypálené keramiky lze ověřit pomocí měření rychlosti zvuku.
Potraviny: Byla provedena celá řada zkoušek, například stáří vajec a brambor, zralost ovoce, obsah tuku v hovězím mase a procento pevných látek v mléce. Tyto zkoušky jsou obecně nedestruktivní a nekontaminační.
Polymerizace plastů: V plastech a jiných polymerech odchylky molekulární struktury, například délka či orientace polymerových řetězců často vyústí v odpovídající změny rychlosti a/nebo útlumu zvuku.
Particle or porosity size and distribution: Changes in the size or distribution of particles or porosity in a solid or liquid medium will affect the amplitude and frequency of scattered ultrasound.
Velikost a rozdělení částic či pórů: Změny ve velikosti či rozložení částic nebo pórů v pevném či kapalném médiu ovlivní amplitudu a frekvenci rozptýleného ultrazvuku.
Anisotropie v pevných látkách: Odchylky rychlosti, rozptylu a/nebo útlumu v různých osách pevných materiálů lze využít k určení a kvantifikaci anisotropie.
Povrchové tvrzení oceli: Technologie zpětného rozptylu vysokofrekvenční příčné vlny se používá k měření hloubky povrchového tvrzení oceli.
Měření teploty: Ultrazvukové technologie se používají k měření velmi vysokých teplot (přes 3 000 stupňů Celsia) prostřednictvím sledování změn rychlosti zvuku v referenčním médiu.
Další literatura:
1) American Society for Nondestructive Testing, Nondestructive Testing Handbook, Volume 7, Ultrasonic Testing (ASNT, 1991)
2) Lynnworth, Lawrence C., Ultrasonic Measurements for Process Control (Academic Press, 1989)
|