صفحه اصلی / دستگاه تست التراسونیک

دستگاه تست التراسونیک

1.1 معرفی کلی تست التراسونیک

ابزار تست التراسونیک بیش از شصت سال در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است. از دهه 1940، قوانین فیزیک درباره انتشار امواج صوت با فرکانس بالا درون مواد جامد، برای تشخیص ترکهای مخفی، حفره ها، تخلخل و سایر اختلالات داخلی در فلزات، کامپوزیت ها، پلاستیک ها و سرامیک، و نیز اندازه گیری ضخامت و تجزیه و تحلیل خواص مواد مورد استفاده قرار گرفتند. تست التراسونیک کاملا غیرمخرب و بی خطر است و در بسیاری از صنایع اساسی تولید، فرآیند و خدمات، به ویژه در جوش و ساختارهای فلزات ، روش آزمایش خوبی محسوب می شود.

پیشرفت روش تست اولتراسونیک به طور عمده  موازی با پیشرفت های الکترونیک و کامپیوتری می باشد. کارهای اولیه در اروپا و امریکا در دهه 1930 نشان داد که امواج صوت با فرکانس بالا از عیوب پنهان یا مرزهای مواد به طرق قابل پیش بینی منعکس می شوند و موجب ایجاد الگوهایی متمایز می شود که می تواند بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ نشان داده شود. توسعه سونار در طول جنگ جهانی دوم انگیزه بیشتری برای تحقیق در اولتراسونیک فراهم آورد. در سال 1945، پژوهشگر آمریکایی، یک دستگاه را به نام Reflectoscope Supersonic نامگذاری کرد، که به عنوان نخستین عیب یاب التراسونیک در نظر گرفته می شود که از تکنیک pulse / echo استفاده می کند. این امر منجر به تولید دستگاه های عیب یاب التراسونیک متعددی شد. در میان شرکت هایی که از پیشگامان توسعه عیب یاب التراسونیک، دستگاه های اندازه گیری و پراب و ترانسدیوسر در دهه های 1960 و 1970 بودند می توان به، پانامتریکس Panametrics، Staveley و هاریسونیک Harisonic اشاره کرد که همگی در حال حاضر بخشی از Olympus NDT می باشند.

در اواخر دهه 1940،  محققان در ژاپن پیشگام استفاده از تست التراسونیک در تشخیص پزشکی با استفاده از تجهیزات B  اسکن اولیه بودند که تصویری دو بعدی از لایه های بافت را نشان می دادند. در دهه 1960، ورژن های اولیه اسکنرهای پزشکی برای تشخیص و تشریح تومورها، سنگ های صفراوی و شرایط مشابه مورد استفاده قرار گرفتند.  در دهه 1970، ظهور ضخامت سنج های دقیق، تست های اولتراسونیک را به طیف گسترده ای از عملیات ساخت، وارد کرد که نیازمند اندازه گیری ضخامت قطعاتی که دسترسی به تنها یک طرف قطعات وجود داشت] می باشند و دستگاه  خوردگی سنج (سنجش خوردگی) برای اندازه گیری ضخامت دیواره لوله های فلزی و مخازن، به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفتند.

آخرین پیشرفت های دستگاه های التراسونیک بر اساس تکنیک های پردازش سیگنال دیجیتال و ریز پردازنده های ارزان قیمت است که از دهه 1980 به بعد در دسترس بوده است. این امر به آخرین نسل از دستگاه های قابل حمل کوچک و سیستم های بازرسی آنلاین برای تشخیص نقص، ضخامت و تصویربرداری صوتی منجر شده است.

  1. تاریخچه عیب یابی التراسونیک

انعکاس و انتقال امواج التراسونیک با فرکانس بالا به ابزار مهمی برای ارزیابی یکپارچگی جوش ها و همچنین برای آزمایش سازه های فلزی ساختمانی، لوله ها و مخازن، لوله های دیگ بخار (بویلر) ، ریل ها و محورهای راه آهن، کامپوزیت های هوا فضا و بسیاری از کاربردهای صنعتی دیگر، تبدیل شده است. هنگامی که تکنولوژی التراسونیک به صورت مناسب توسط یک کاربر واجد شرایط مورد استفاده قرار گیرد، تست التراسونیک NDT به صورت سریع و قابل اطمینان انجام می شود، و معمولا نیازی به اماده سازی نمونه مورد آزمایشی به غیر از اغشته سازی با ژل کوپلینگ اولتراسونیک ، ندارد ، خطرات ایمنی خاص یا الزامات مجوز قانونی مرتبط با استفاده از آن ندارد. مدت طولانی است که  عیب یابی التراسونیک به ابزار ارزشمندی برای تضمین کیفیت تبدیل شده است.

همانطور که در بخش قبلی اشاره شد، ریشه های تست اولتراسونیک به کارهای اولیه آزمایشگاهی در دهه 1930 باز می گردد، و اولین عیب یاب التراسونیک، Supersonic Reflectoscope نام داشت که در سال 1945 توسط Sperry Products  تولید شد. در طی بیست سال پس از اولین عیب یاب التراسونیک، تکنیک عیب یابی التراسونیک مورد مقبولیت عمومی قرار گرفت و عیب یاب های اولتراسونیک دیگری توسط تولید کنندگان به بازار عرضه شد. عیب یاب های التراسونیک اولیه، از لوله های خلاء استفاده می کردند که بزرگ و سنگین بودند و نیاز به منبع تغذیه AC داشتند. مدارهای حالت جامد در دهه 1960، تولید عیب یاب های التراسونیک کوچکتر و باتری خور را مقدور ساخت، در نتیجه تست اولتراسونیک برای کاربردهای میدانی، قابل استفاده تر شد.

تمامی این عیب یاب های التراسونیک اولیه، از پردازش سیگنال آنالوگ استفاده می کردند، و مانند تمام دستگاه های آنالوگ، کالیبراسیون ان ها بسیار زمان بر بود. در سال 1984، شرکت Panametrics پانامتریک، دستگاه EPOCH 2002، اولین عیب یاب التراسونیک دیجیتال را به دنیا ارائه کرد. از آن پس، عیب یاب های التراسونیک دیجیتال، معمول گشت که دارای ثبات در کالیبراسیون، دقت بالا در اندازه گیری، ورود اطلاعات و توانایی انتقال تصاویر روی صفحه، نتایج تست و تنظیمات به کامپیوتر، می باشند.

با این که تکنولوژی التراسونیک، در حال حاضر یک تکنولوژی شناخته شده است، پیشرفت های مداوم در سخت افزار و نرم افزار سبب شده است که دستگاه های عیب یاب التراسونیک کوچکتر و کارآمدتری تولید شوند. در عیب یابی اولتراسونیک،استفاده از دستگاه های عیب یاب التراسونیک کوچک و پرتابل با پراب های (پروب های) تک کریستاله به عنوان یک روش کنترل کیفیت در بسیاری از صنایع تولیدی و خدماتی به خوبی شناخته شده است. در سال های اخیر، علاقه روز افزونی به سیستم های عیب یاب التراسونیک فیزره (Phased array) که از تکنولوژی پیشرفته مبتنی بر پروب چند کریستاله، برای ایجاد پرتو های موازی و ایجاد تصاویر سه بعدی مانند آنچه در تصویربرداری سونوگرافی پزشکی ultrasound انجام می شود استفاده میکند، افزایش یافته است. این دستگاه نیز معمولا برای بازرسی جوش استفاده می شود.

1.3بررسی کاربردهای کلی عیب یابی التراسونیک

عیب یابی التراسونیک به طور بالقوه می تواند برای هر ماده مهندسی استاندارد مورد استفاده قرار گیرد تا ترک های مخفی، حفره ها، تخلخل، انعقاد و عیوب مشابه یافته شود. با این که اکثر آزمایشات بر روی فولاد و سایر سازه های فلزی انجام می شود، از عیب یاب التراسونیک می توان برای پلاستیک، کامپوزیت، فایبرگلاس و سرامیک استفاده کرد.

برخی از کاربردهای رایج عبارتند از:

  • بازرسی جوش: که مهمترین بازار برای دستگاه عیب اولتراسونیک می باشد
  • فلزات اولیه: میله ها، ، فرورفتگی، قطعات بیضوی
  • زیرساخت ها :پایه های پل، پین های پل، ریل راه آهن، سازه های فلزی
  • پتروشیمی: خطوط لوله، مخازن، سازه های پشتیبان
  • تست قطعات در حال سرویس: چرخ ها و محورهای راه آهن، چرخ دنده های فرود هواپیما و موتور، رینگ های جرثقیل، شفت درایو، مخازن و مخازن تحت فشار، تست پیچ ها و مهره ها
  • تولید: جوش نقطه ای، اتصالات لحیم کاری، ریخته گری، تست باند
  • کامپوزیت ها – قطعات هوا فضا، توربین های بادی، کامپوزیت های خودرو، فایبرگلاس های دریایی

1.4انواع عیب یاب های التراسونیک موجود

امروزه عیب یاب های التراسونیک، کوچک، قابل حمل مناسب برای کاربردهای میدانی هستند. دستگاه های عیب یاب التراسونیک ، شکلی از موج اولتراسونیک را تولید می کنند که UT man ( بازرس UT ) را قادر می سازد تا عیوب را در قطعات شناسایی کند و نوع عیوب را مشخص کند. دستگاه های عیب یاب التراسونیک معمولا شامل pulser / receiver اولتراسونیک، سخت افزار و نرم افزار برای گرفتن و تجزیه و تحلیل سیگنال، نمایش شکل موج و یک ماژول ثبت اطلاعات است. اکثر دستگاه های UT از پردازش سیگنال دیجیتال برای ثبات و دقت مطلوب استفاده می کنند.

عیب یاب های التراسونیک مدرن معمولا شکل موج را می گیرند و سپس اندازه گیری ها و انالیز مختلفی را بر روی آن انجام می دهند. از یک ساعت داخلی برای همگام سازی پالس های پراب استفاده می شود و کالیبراسیون فاصله را ممکن می سازد. پردازش سیگنال می تواند به سادگی نمایش موج  یعنی نمایش دامنه سیگنال در برابر زمان در یک مقیاس کالیبره شده ، یا به پیچیدگی الگوریتم های پردازش دیجیتال که شامل اصلاح فاصله/ دامنه و محاسبات مثلثاتی برای زوایا و مسیر التراسوند، باشد. گیت های هشدار اغلب برای نظارت بر سطح سیگنال در نقاط انتخابی در قطار موج به منظور مشخص کردن برگشت موج از عیوب، استفاده می شود.

صفحه نمایش دستگاه UT می تواند از جنس کریستال مایع یا CRT باشد. از صفحه نمایش های رنگی می توان برای تسهیل تفسیر عیوب جوش استفاده کرد. ثبت کننده های اطلاعات، کار ثبت شکل موج و تنظیم اطلاعات مربوط به هر تست را انجام می دهند، و در صورت نیاز به گزارش گیری، اطلاعات انتخابی همچون دامنه، عمق یا فاصله، یا وجود و عدم وجود شرایط هشدار را ارائه دهد.

یک نوع پیشرفته از دستگاه های عیب یاب اولتراسونیک پرتابل، عیب یاب التراسونیک فیزره (Phased array ultrasonic flaw detector) یا دستگاه UT سه بعدی است که از سخت افزار پیچیده تر با نرم افزاری مشابه به آنچه که در تصویربرداری تشخیص پزشکی استفاده می شود، برای ارائه سطح بالاتری از هر دو قابلیت تست و تفسیر، استفاده می کند. عیب یاب التراسونیک فیزره (سه بعدی)، به جای پراب تک کریستاله، از پراب با تعداد کریستال زیاد استفاده می کند، که همه کریستال های پراب به طور جداگانه پالس و تاخیر می گردند.پرتوهای التراسونیک توسط تداخل سازنده و مخرب از منابع چندگانه تشکیل شده می شود. بر خلاف عیب یاب های التراسونیک معمولی، دستگاه UT فیزره میتواند به صورت الکترونیکی تمرکز، هدایت و جابجایی پرتو را انجام دهد و تصاویر دقیق سه بعدی از نمونه را ارائه دهد.

2.0 اساس تئوری التراسونیک

2.1 التراسونیک چیست؟

 

 

امواج صوتی که در اطراف ما هستند، ارتعاشات مکانیکی هستند که در محیط که ممکن است جامد، مایع یا گاز باشد، حرکت می کنند. این امر در مورد صدایی که روزمره می شنویم و عیب یابی التراسونیک مصداق دارد. امواج صوت که در یک محیط خاص با یک سرعت مشخص در یک جهت قابل پیش بینی حرکت می کنند و هنگامی که با یک محیط مرزی روبرو می شوند، بر اساس قوانین ساده، منعکس یا منتقل می شوند. این اصل فیزیک، اساس کار عیب یاب اولتراسونیک است. به طور خلاصه، امواج التراسونیک از ترک ها یا سایر عیوب در قطعه مورد ازمایش بازتاب می شوند، بنابراین از طریق بررسی الگوی انعکاس، بازرس UT می تواند عیوب داخلی را شناسایی و مکان یابی کند.

امواج التراسونیک در یک فرکانس خاص یا تعداد ارتعاشات یا سیکل در ثانیه نوسان می کنند که ما در محدوده صدای شنیداری ان را به صورت گام تجربه می کنیم. شنوایی انسانی به حداکثر فرکانس حدود 20،000 سیکل در ثانیه (20 کیلوهرتز) می رسد، در حالی که اکثر دستگاه های عیب یاب اولتراسونیک از فرکانس های بین 500،000 تا 10،000،000 سیکل در ثانیه ( کیلوهرتز500 تا 10 مگاهرتز) استفاده می کنند. در فرکانس های محدوده مگا هرتز، انرژی صدا به طور موثر از طریق هوا یا گازهای دیگر عبور نمی کند، اما از طریق اکثر مایعات و مواد مهندسی معمول مانند بیشتر فلزات، پلاستیک، سرامیک و کامپوزیت ها آزادانه حرکت می کند. امواج صوتی در محدوده التراسونیک بسیار بیشتر از صدای شنیداری، جهت گیر هستند و به علت طول موج کوتاه ، ان ها به بازتابنده های کوچکی که در مسیرشان قرار دارد، بسیار حساس می باشند.

سرعت موج التراسونیک بسته به محیطی که در آن حرکت می کند، متفاوت است و تحت تاثیر دانسیته و خواص الاستیک محیط قرار می گیرد. انواع مختلف امواج صوت با سرعت های مختلف حرکت می کنند(بخش 2.3 را برای حالت های انتشار ببینید).

 

2.2 تولید امواج التراسونیک (پراب التراسونیک)

امواج التراسونیک مورد استفاده برای عیب یاب التراسونیک، توسط پراب های کوچکی تولید و دریافت می شوند که ترانسدیوسر التراسونیک یا پراب التراسونیک نامیده می شوند، که پالس های الکتریکی را به امواج التراسونیک و امواج التراسونیک را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. پراب های التراسونیک برای عیب یابی جوش در انواع مختلفی از اندازه ها، فرکانس ها مورد استفاده قرار می گیرند، اما اکثر پراب های التراسونیک دارای ساختار داخلی مشترکی می باشند.

معمولا، مولفه فعال پراب التراسونیک یک دیسک نازک، مربع یا مستطیل شکل از سرامیک پیزوالکتریک یا پیزوکتومی است که تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی (ارتعاشات التراسونیک) و بالعکس را انجام می دهد. هنگامی که پراب التراسونیک توسط یک پالس الکتریکی برانگیخته می شود، امواج التراسونیک ایجاد می شود و هنگامی که ان توسط بازتاب برگشتی مرتعش می گردد، ولتاژ تولید می کند. مولفه فعال که اغلب کریستال نامیده می شود، توسط یک صفحه ضد سایش از اسیب ها محافظت می شود و توسط یک قطعه از مواد محرک حمایت می شود که پراب را پس از تولید پالس صدا خنثی می کند. اتصالات برق مناسب نصب شده است. تمام تماس های مشترک، پرتو زاویه، خط تاخیر و مبدل های غوطه وری از این طراحی پایه استفاده می کنند. مبدل های عنصر دوگانه که معمولا در برنامه های بررسی خوردگی مورد استفاده قرار می گیرند، متفاوتند، در حالی که عناصر انتقال و دریافت جداگانه توسط یک مانع صوتی، پشت سر گذاشته شده و یک خط تاخیر انتگرال برای هدایت و زوج انرژی صدا، به جای یک لنز یا لنز استفاده می شود. همه پراب های معمول اعم از پراب نرمال، پراب زاویه ای، پراب خط تاخیری، و پراب ایمرژن (غوطه وری) دارای همین طراحی می باشند. پراب های دو المانه، معمولا در کاربردهای بازرسی خوردگی مورد استفاده قرار می گیرند.

پراب های التراسونیک

تمام پراب هایی که معمولا در عیب یابی التراسونیک استفاده می شوند شامل یک کریستال ارتعاشی در یک قاب هستند، اما مدل های پراب ها به پنج دسته کلی تقسیم می شوند.

پراب نرمال:

همانطور که از نامش بر می آید، پراب های نرمال در تماس مستقیم با قطعه مورد آزمایش استفاده می شوند. یک ورقه پوشاننده نازک و سخت از کریستال در برابر اسیب های عادی محافظت می کند.. پراب های نرمال معمولا در عیب یابی التراسونیک و ازمایشات پرتو مستقیم استفاده می شوند.

پراب زاویه ای:

پراب زاویه ای از نظر ساختاری به پراب نرمال شبیه است، اما پراب زاویه ای طراحی شده است تا با استفاده از کفشک زاویه ای، امواج التراسونیک را تحت یک زاویه به سطح اتصال ایجاد کند. پراب های زاویه ای معمولا برای بازرسی جوش مورد استفاده قرار می گیرند.

پراب های تاخیر خطی:

پراب های تاخیر خطی شامل یک استوانه از جنس پلاستیک، اپوکسی یا سیلیکا است که یک خط تاخیر بین کریستال فعال و قطعه مورد ازمایش ایجاد می کند.یک دلیل عمده برای استفاده از پراب تاخیر خطی، بازرسی آزمایش مواد نازک است، زیرا در این قطعات مهم است که بازیابی پالس برانگیخته از اکو برگشتی تفکیک شود. پراب تاخیر خطی نیز می تواند به عنوان یک عایق حرارتی مورد استفاده قرار گیرد، که از کریستال حساس به گرما از تماس مستقیم با قطعات داغ محافظت می کند، و خطوط تاخیر نیز می توانند برای بهبود اتصال صدا در فضاهای دارای انحنای تند یا محدود، شکل گیرند.

پراب های غوطه وری (ایمرژن):

این پراب ها از یک ستون یا حمام آب برای اتصال انرژی تا انرژی صوتی را به قطعه آزمایشی متصل کنند. آنها می توانند برای آزمایش های آنلاین، برای اسکن یا برای بهینه سازی ارسال امواج التراسونیک به انحناها ، شیارها یا کانال های تیز، استفاده شوند.

پراب های دو کریستاله:

پراب های دو کریستاله، در درجه اول برای بازرسی هایی که شامل سطوح زبر و دارای خوردگی هستند استفاده می شود. پراب های دو کریستاله دارای دو المان مجزا برای ارسال و دریافت با زاویه کوچکی بر روی خط تاخیری هستند تا بتوانند انرژی التراسونیک را بر فاصله تعیین شده در زیر سطح قطعه مورد آزمایش، متمرکز کنند.اگرچه اندازه گیری ضخامت با پراب دو کریستاله گاهی به اندازه دیگر پراب های التراسونیک دقیق نیست، اما معمولا عملکرد بسیار بهتری در بررسی خوردگی دارد.

ژل التراسونیک (کوپلینگ)

ژل های التراسونیک تقریبا تمام تست های تماسی جوش برای تسهیل انتقال انرژی التراسونیک بین پراب و قطعه مورد آزمایش استفاده می شوند. معمولا ژل های التراسونیک، مایعی چگال و غیر سمی می باشند. از ان جا که برای تست بازرسی غیرمخرب ndt معمولا از انرژی صوتی در فرکانس های اولتراسونیک استفاده می شود، استفاده  از ژل التراسونیک ضروری است زیرا امواج التراسونیک از طریق هوا منتقل نمی شوند. حتی یک شکاف بسیار نازک از هوا بین پراب و قطعه مورد آزمایش، مانع از انتقال کامل امواج التراسونیک می گردد و تست های معمول را غیر ممکن می سازد.

از موادی مانند آب، روغن، گریس، مایع ظرف شویی و … می توان به عنوان ژل کوپلینگ اولتراسونیک استفاده کرد. برای بازرسی جوش های در درجه حرارت بالا باید از ژل التراسونیک نسوز (دما بالا) استفاده کرد.

2.3 انتشار موج

انرژی التراسونیک مورد استفاده در عیب یابی التراسونیک در حالت های مختلف بر اساس جهت موج و حرکت متناظر مولکول ها در قطعه مورد آزمایش، حرکت می کند. رایج ترین حالت ها عبارتند از امواج طولی، امواج برشی و امواج سطحی.

امواج طولی: در یک موج طولی، حرکت ذرات در ماده، موازی با جهت جبهه موج است. امواج صوتی شنیداری امواج طولی هستند. امواج طولی دارای سریع ترین سرعت حرکت در تست غیرمخرب اولتراسونیک می باشند، حدود m/s 5900 (sµ0.23 in/) در فولاد. امواج طولی ممکن است در اثر انعکاس به امواج برشی تبدیل شوند، که در بخش 2.5 به تشریح این امر پرداخته شده است.

امواج برشی: در یک موج برشی، حرکت ذرات عمود بر جهت موج است. امواج برشی دارای سرعت آهسته تر و طول موج کوتاهتر نسبت به امواج طولی همان فرکانس هستند و برای آزمایش بیشتر تیرهای زاویه در تشخیص عیب اولتراسونیک استفاده می شود. سرعت موج برشی در فولاد حدود m/s3250 (sµ0.128 in/ ) است. امواج برشی فقط در مواد جامد وجود دارد، نه در مایعات و گازها. آنها می توانند از طریق انعکاس یا انکسار در یک مرز به امواج طولی تبدیل شوند.

امواج سطحی: امواج سطحی، که با نام امواج  Rayleigh  شناخته می شوند، دارای حرکت نوسانی هستند که در امتداد سطح قطعه آزمایشی به عمق یک طول موج حرکت می کنند. سرعت و طول موج  امواج سطحی مشابه با امواج برشی می باشد. امواج اقیانوسی نمونه ای از امواج سطحی هستند.از  امواج سطحی می توان برای تشخیص ترک های سطح شکسته در یک قطعه مورد آزمایش استفاده کرد.

چند حالت دیگر برای حرکت موج وجود دارد، اما ان ها به ندرت در عیب یابی اولتراسونیک استفاده می شوند.

2.4مشخصات پرتو

پراب های التراسونیک تک کریستاله موج طولی به صورت یک منبع پیستونی از ارتعاش مکانیکی فرکانس بالا یا امواج صوتی کار می کنند. هنگامی که ولتاژ اعمال می شود، کریستال پیزوالکتریک پراب با فشرده سازی در جهت عمود بر سطح، تغییر شکل می یابد. هنگامی که ولتاژ قطع می شود، معمولا در زمانی کمتر از یک میکرو ثانیه، کریستال به عقب باز می گردد و موجب تولید انرژی مکانیکی می شود که شامل یک موج التراسونیک است. شکل زیر نشان می دهد که چگونه کریستال پیزوالکتریک به یک پالس الکتریکی کوتاه پاسخ می دهد.

این پراب ها که معمولا برای بازرسی التراسونیک استفاده می شود، دارای  ویژگی های کلی زیر می باشند:

نوع پراب: پراب های التراسونیک با توجه به عملکرد به انواع پراب نرمال، تاخیر خطی ، زاویه ای یا غوطه وری تقسیم می شوند. مشخصات مواد بازرسی شده، مانند زبری سطح، دما و دسترسی، و همچنین موقعیت عیوب در مواد و سرعت بازرسی، بر انتخاب نوع پراب التراسونیک تاثیرگذار است.

قطر: قطر پراب التراسونیک به قطر کریستال فعال پراب گفته می شود که معمولا درون قابی با قطر نسبتا بزرگتر قرار دارد.

فرکانس: تعداد سیکلهای موج که در یک ثانیه تکمیل شده است، معمولا بر حسب (KHz) یا (MHz) بیان می شود. بیشتر بازرسی های التراسونیک صنعتی در محدوده فرکانس 500 کیلوهرتز تا 20 مگاهرتز انجام می شود، بنابراین اکثر پراب ها در این محدوده قرار می گیرند، البته محدوده پراب های التراسونیک از 50 کیلوهرتز تا 200 مگاهرتز متغیر می باشد. هرچه فرکانس کاهش یابد، نفوذ افزایش می یابد، در حالی که وضوح و شدت کانونی با افزایش فرکانس، افزایش می یابد.

پهنای باند: به بخشی از پاسخ فرکانسی گفته می شود که در محدوده دامنه مشخص قرار دارد. در این زمینه باید اشاره کرد که پراب های معمولی NDT ، نمی توانند امواج التراسونیک را با یک فرکانس خالص تولید کنند، بلکه اغلب محدوده ای از فرکانس متمرکز بر فرکانس اسمی را تولید می کنند. استاندارد NDT این است که این پهنای باند در نقطه -6dB یا (نیم دامنه) مشخص شود.

مدت زمان تشکیل موج: به تعداد چرخه های موج تولید شده توسط پراب در هر زمانی که پالس می کند، اطلاق می شود. یک پراب التراسونیک با پهنای باند کم دارای چرخه های بیشتری نسبت به پراب التراسونیک پهنای باند گسترده تر می باشد. قطر کریستال، مواد پشتیبان، تنظیم الکتریکی و برانگیختگی پراب بر زمان تشکیل موج تاثیرگذار است.

حساسیت: رابطه بین دامنه پالس برانگیختگی و اکو دریافت شده از هدف، حساسیت می باشد.

به عنوان تقریب، پرتو ساطع شده از یک پراب دیسک شکل معمولی غیرمتمرکز اغلب به عنوان ستون انرژی حاصل از مساحت کزیستال فعال است که در قطر گسترش می یابد و در نهایت منتشر می شود.

در واقع، پروفایل واقعی پرتو پیچیده است، و دارای گرادیان های فشار در هر دو جهت محوری و عرضی می باشد. در تصویر پروفایل پرتو زیر، قرمز نشان دهنده مناطق با بیشترین انرژی است، در حالی که سبز و آبی انرژی کمتری را نشان می دهد.

میدان صوت یک پراب التراسونیک به دو منطقه تقسیم می شود، میدان نزدیک و میدان دور. میدان نزدیک منطقه ای است که در نزدیکی پراب التراسونیک( جایی که فشار صدا از طریق یک سری از حداکثر ها و حداقل ها عبور می کند و در آخر به مقدار ماکزیمم در فاصله N به پایان می رسد. میدان نزدیک N نشان دهنده تمرکز طبیعی پراب التراسونیک است.

 

میدان دور ناحیه بعد از N است که زمانی که قطر پرتو گسترش می یابد و انرژی آن از بین می رود، در آن فشار صدا به تدریج به صفر می رسد. فاصله میدان نزدیک، تابعی از عملکرد فرکانس و قطر پراب و سرعت التراسونیک در محيط آزمايش است و برای کریستال های دایره ای که اغلب در عیب یابی اولتراسونيک استفاده می شود، به صورت زیر محاسبه می گردد:

N = D2f/4c      یا    N = D2/4λ

که در آن:

N  = طول میدان نزدیک

f  = فرکانس

c  = سرعت صوت در ماده

λ  = طول موج  (c/f)

 

ارزیابی دقیق عیوب با استفاده از تکنیک های مبتنی بر دامنه به خاطر تغییرات فشار صدا در میدان نزدیک، دشوار است (اگر چه ضخامت سنجی در میدان نزدیک، دشوار نیست). علاوه بر این، N نشان دهنده بزرگترین فاصله است که در آن یک پرتو مبدل را می توان با استفاده از یک لنز آکوستیک یا تکنیک های فیزیکی متمرکز کرد. مبدل های غوطه وری را می توان با لنزهای صوتی متمرکز کرد تا پرتو شن و ماسه ای را که به یک ناحیه کانونی کوچک متصل است و سپس گسترش می دهد، ایجاد کند. انواع خاصی از مبدلهای خطی تاخیر نیز می توانند متمرکز شوند. تمرکز پرتو برای آزمایش لوله های با قطر کوچک یا دیگر قطعه های آزمایش با شعاع های تیز بسیار مفید است، زیرا انرژی صوتی را در یک منطقه کوچک متمرکز می کند و پاسخ اکو را بهبود می بخشد.

N  بزرگترین فاصله ایست که در ان، پرتو پراب را می توان با استفاده از یک لنز آکوستیک یا تکنیک های فازی متمرکز کرد. پراب های غوطه وری  (ایمرژن) را می توان با لنزهای صوتی متمرکز کرد تا پرتوی شبیه به ساعت شنی را ایجاد کرد که به یک ناحیه کانونی کوچک می رسد و سپس گسترش می یابد. انواع خاصی از پراب های تاخیر خطی را نیز می توان متمرکز کرد. تمرکز پرتو در هنگام تست لوله های با قطر کوچک یا دیگر قطعه های آزمایش با شعاع های تیز بسیار مفید است، زیرا آن انرژی صوتی را در یک منطقه کوچک متمرکز می کند و پاسخ اکو را بهبود می بخشد.

2.5 دینامیک جبهه موج

تشکیل جبهه موج

یک پراب تک کریستال به صورت یک منبع پیستونی، دیسک یا صفحه ای،  در نظر گرفته می شود، که به طور مداوم بر قطعه مورد ازمایش قرار می گیرد، موجی که تولید می کند ممکن است به صورت ریاضیاتی به عنوان مجموع امواج از تعداد زیادی از منابع نقطه ای مدل سازی شود. این نتیجه از اصل هویگنس استخراج شده است که در ابتدا توسط فیزیکدان هلندی قرن هفدهم کریستیان هویگنس پیشنهاد شد، این اصل بیان می کند که هر نقطه ای در یک جبهه موج پیشرو ممکن است به عنوان یک منبع نقطه ای که موج کروی جدید را ایجاد می کند در نظر گرفته شود، و جبهه موج های منحصر به فرد برابر مجموع تمام امواج کروی است.

انتشار پرتو

در اصل، موج التراسونیک تولید شده توسط یک پراب در یک خط مستقیم حرکت می کند تا زمانی که به مرز ماده برسد. اما اگر طول مسیر صوت طولانی تر از فاصله نزدیک میدان باشد، قطر پرتو نیز افزایش می یابد، و همانند پرتو یک نور نقطه ای واگرا می گردد. زاویه انتشار پرتو یک پراب غیر متمرکز به صورت زیر محاسبه  می شود:

 

از این معادله می توان فهمید که انتشار پرتو در فرکانس های پایین تر و قطر های کوچکتر، افزایش می یابد. از آنجایی که زاویه بزرگ انتشار پرتو می تواند انرژی صوتی در هر واحد را نسبت به فاصله کاهش دهد ، پاسخ اکو در جایی که مسیر صوت طولانی است را می توان با استفاده از پراب های فرکانس بالاتر و / یا بزرگتر بهبود بخشید.

 

تضعیف
در هنگام عبور درون ماده، جبهه موج ایجاد شده توسط پراب التراسونیک به دلیل انتقال ناقص انرژی از طریق ریز ساختار هر ماده، شروع به متلاشی شدن می کند. ارتعاشات مکانیکی منظم (امواج صوت) به ارتعاشات مکانیکی تصادفی (گرما) تبدیل می شود تا جبهه موج دیگر قابل تشخیص نباشد. این فرایند به عنوان تضعیف صدا شناخته می شود.

تئوری ریاضی تضعیف و پراکندگی پیچیده است. از دست دادن دامنه به علت تضعیف در یک مسیر صوت مشخص، برابر مجموع اثرات جذب است که به صورت خطی با فرکانس و اثرات پراکندگی افزایش می یابد که در سه منطقه بسته به نسبت اندازه مرزهای دانه یا پراکنده کننده های دیگر طول موج، متفاوت است. در تمام موارد، اثرات پراکندگی با فرکانس افزایش می یابد. برای یک ماده مشخص در یک دمای معین، که در یک فرکانس مشخص مورد ازمایش قرار گرفته است، ضریب تضعیف مشخصی وجود دارد، که معمولا بر حسب (Np / cm)   بیان می شود. زمانی که این ضریب تضعیف مشخص باشد، افت در یک مسیر صوتی مشخص را می توان بر اساس معادله زیر محاسبه کرد:

که

p = فشار صوت در انتهای مسیر

p0 = فشار صوت در ابتدای مسیر

e = پایه لگاریتم

a= ضریب تضعیف

d = طول مسیر صوت

به عنوان یک مسئله کاربردی، در عیب یابی التراسونیک، ضرایب تضعیف معمولا اندازه گیری می شوند، به جای این که محاسبه گردند. فرکانس های بالاتر سریع تر از فرکانس های پایین تر تضعیف می گردند، بنابراین برای مواد پلاستیکی با دانسیته کم و ضریب تضعیف بالا، معمولا از فرکانس های پایین تر استفاده می شود.
بازتاب و انتقال در مرز صفحه عمود:

هنگامی که یک موج التراسونیک که در یک ماده حرکت می کند، با مرز محیط متفاوتی مواجه شود که عمود بر مسیر موج است، بخشی از انرژی موجی مستقیم به سمت عقب بازتاب می شود و بخشی به سمت جلو حرکت می کند. درصد بازتاب در مقابل انتقال وابسته به مقاومت ظاهری نسبی آکوستیک دو ماده است. ضریب انعکاس در یک مرز صفحه ای، درصد انرژی صوتی که به منبع بازتاب می شود، به صورت زیر محاسبه می گردد:

که

R = درصد ضریب بازتاب

Z1 = مقاومت ظاهری صوتی محیط اول

Z2 = مقاومت ظاهری صوتی محیط دوم

از این معادله می توان دید که در صورتی که مقاومت ظاهری صوتی دو ماده مشابه باشد، ضریب انعکاس کاهش می یابد، با کاهش مشابهت مقاومت ظاهری صوتی، ضریب انعکاس افزایش می یابد. از لحاظ تئوری، بازتاب از مرز بین دو ماده با مقاومت آکوستیک کاملا مشابه، صفر است، در حالی که در مورد مواد با مقاومت صوتی غیرمشابه، مثلا در مرز بین فولاد و هوا، ضریب انعکاس نزدیک به 100% است.

انحراف و تبدیل در مرزهای غیر عمود

هنگامی که یک موج صوتی درون یک ماده حرکت می کند و با مرز ماده دیگری با زاویه غیر از صفر مواجه شود، بخشی از انرژی موج به طرف زاویه ی برابر زاویه ی برخورد منعکس می شود. در همین حال ، بخشی از انرژی موج که به ماده دوم منتقل می شود، بر اساس قانون Snell (که به طور مستقل توسط دو ریاضیدان قرن هفدهم ارائه شده است) منعکس می گردد. قانون Snell ، سینوس برخورد و زاویه برگشت به سرعت موج در هر ماده را، مطابق با نمودار زیر مرتبط می سازد.

 

 

اگر سرعت صوت در محيط دوم بالاتر از سرعت صوت در محیط اول باشد، سپس زاويه هاي خاصي بالای این خم، با مد تبدیل همراه می شوند، که معمولا از حالت موج طولي به حالت موج برشي متغیر است. این اصلیست که در اکثر پراب های زاویه ای بازرسی مورد استفاده قرار می گیرد. چون زاویه برخورد در اولین محیط (کندتر) مانند یک کفشک یا آب افزایش می یابد، زاویه شکست موج طولی در ماده دوم (سریعتر) مثل فلز افزایش می یابد. هنگامی که زاویه شکست موج طولی به 90 درجه نزدیک می شود، بخش عظیمی از انرژی موج به طور مداوم به یک موج برشی پایین تر تبدیل می شود که در زاویه پیش بینی شده توسط قانون اسنل شکست خواهد خورد. در زوایای برخورد بزرگتر از زاویه ای که بتوان یک موج طولی شکسته شده در 90 درجه را ایجاد کرد، موج شکسته شده کاملا در حالت برشی وجود دارد. زاویه برخورد بزرگتر به وضعیتی منجر می شود که موج برشی از لحاظ تئوری در 90 درجه دچار شکست می شود و در آن نقطه یک موج سطحی در ماده دوم ایجاد می شود. نمودار زیر این اثر را برای یک پراب زاویه ای قرار گرفته بر روی فولاد نشان می دهد.

3.1توضیحات کلی عیب یابی التراسونیک

دستگاه های عیب یاب التراسونیک مدرن، کوچک و قابل حمل هستند، و برای کار ازمایشگاهی و بازرسی در پروژه مناسب می باشند. دستگاه UT، یک شکل موج التراسونیک را تولید می کند و نمایش می دهد که توسط بازرس UT با کمک نرم افزار تجزیه و تحلیل عیوب جوش تفسیر می شود، تا محل عیب و نوع عیب در قطعه مورد ازمایش شناسایی شود. دستگاه UT عموما شامل یک پالسر/ گیرنده اولتراسونیک، سخت افزار و نرم افزار برای گرفتن و تحلیل سیگنال، نمایشگر شکل موج و ماژول ثبت اطلاعات می باشند. با این که هنوز عیب یاب های التراسونیک آنالوگ همچنان تولید می شوند، اکثر دستگاه های عیب یاب التراسونیک مدرن از پردازش سیگنال دیجیتال برای بهبود ثبات و دقت استفاده می کنند.

بخش پالسر/گیرنده، در انتهای جلویی دستگاه عیب یاب اولتراسونیک قرار دارد. آن یک پالس برانگیخته را برای به حرکت در اوردن پراب التراسونیک، ایجاد می کند، و اکو برگشتی را تقویت و فیلتر می کند. دامنه، شکل و میرایی (دمپینگ) پالس را می توان کنترل کرد تا عملکرد پراب را بهینه سازی کرد، گین گیرنده و پهنای باند را می توان برای بهینه سازی نسبت سیگنال به نویز، تنظیم کرد.

دستگاه های عیب یاب التراسونیک، شکل موج را به صورت دیجیتالی ضبط می کنند و سپس اندازه گیری های مختلفی را بر روی ان انجام می دهند و آن را انالیز می کنند. از یک ساعت یا تایمر برای همگام سازی پالس های پراب التراسونیک و ارائه کالیبراسیون فاصله استفاده می شود. پردازش سیگنال به سادگی تولید نمایش شکل موج است که دامنه سیگنال را در برابر زمان در یک مقیاس کالیبره شده نشان می دهد، یا به پیچیدگی پردازش دیجیتال الگوریتم های پیچیده که شامل اصلاح فاصله / دامنه و محاسبات مثلثاتی برای مسیرهای زاویه ای صوت است، باشد. اغلب گیت های هشدار برای نظارت بر سطح سیگنال در نقاط انتخاب شده در موج برای شناسایی اکو برگشتی از عیوب جوش استفاده می شود.

3.2 بلوک دیاگرام

بلوک دیاگرام یک دستگاه عیب یاب التراسونیک به صورت زیر دیده می شود. در قسمت آنالوگ، پالسر، یک پالس ولتاژ بالا در پراب در فرکانس تکرار پالس انتخابی ایجاد می کند، موج التراسونیک را در خروجی فراهم می کند. اکو های بازگشتی از قطعه مورد ازمایش توسط پراب دریافت می شوند و به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند که به نوبه خود به گیرنده تغذیه می شود.

پس از دیجیتال سازی، اکو انتخابی از هر داده، در حافظه ذخیره می گردد. سپس توسط فیلترهای نوار عبوری پردازش می گردند تا  نسبت سیگنال به نویز بهینه سازی گردد. از TVG گین زمان متغیر نیز ممکن است استفاده شود. سپس اکو های پردازش شده توسط نرم افزار های اندازه گیری گیت، زمان/ دامنه انالیز می گردند و بر روی صفحه نمایش داده می شوند.

1.1 معرفی کلی تست التراسونیک

ابزار تست التراسونیک بیش از شصت سال در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است. از دهه 1940، قوانین فیزیک درباره انتشار امواج صوت با فرکانس بالا درون مواد جامد، برای تشخیص ترکهای مخفی، حفره ها، تخلخل و سایر اختلالات داخلی در فلزات، کامپوزیت ها، پلاستیک ها و سرامیک، و نیز اندازه گیری ضخامت و تجزیه و تحلیل خواص مواد مورد استفاده قرار گرفتند. تست التراسونیک کاملا غیرمخرب و بی خطر است و در بسیاری از صنایع اساسی تولید، فرآیند و خدمات، به ویژه در جوش و ساختارهای فلزات ، روش آزمایش خوبی محسوب می شود.

پیشرفت روش تست اولتراسونیک به طور عمده  موازی با پیشرفت های الکترونیک و کامپیوتری می باشد. کارهای اولیه در اروپا و امریکا در دهه 1930 نشان داد که امواج صوت با فرکانس بالا از عیوب پنهان یا مرزهای مواد به طرق قابل پیش بینی منعکس می شوند و موجب ایجاد الگوهایی متمایز می شود که می تواند بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ نشان داده شود. توسعه سونار در طول جنگ جهانی دوم انگیزه بیشتری برای تحقیق در اولتراسونیک فراهم آورد. در سال 1945، پژوهشگر آمریکایی، یک دستگاه را به نام Reflectoscope Supersonic نامگذاری کرد، که به عنوان نخستین عیب یاب التراسونیک در نظر گرفته می شود که از تکنیک pulse / echo استفاده می کند. این امر منجر به تولید دستگاه های عیب یاب التراسونیک متعددی شد. در میان شرکت هایی که از پیشگامان توسعه عیب یاب التراسونیک، دستگاه های اندازه گیری و پراب و ترانسدیوسر در دهه های 1960 و 1970 بودند می توان به، پانامتریکس Panametrics، Staveley و هاریسونیک Harisonic اشاره کرد که همگی در حال حاضر بخشی از Olympus NDT می باشند.

در اواخر دهه 1940،  محققان در ژاپن پیشگام استفاده از تست التراسونیک در تشخیص پزشکی با استفاده از تجهیزات B  اسکن اولیه بودند که تصویری دو بعدی از لایه های بافت را نشان می دادند. در دهه 1960، ورژن های اولیه اسکنرهای پزشکی برای تشخیص و تشریح تومورها، سنگ های صفراوی و شرایط مشابه مورد استفاده قرار گرفتند.  در دهه 1970، ظهور ضخامت سنج های دقیق، تست های اولتراسونیک را به طیف گسترده ای از عملیات ساخت، وارد کرد که نیازمند اندازه گیری ضخامت قطعاتی که دسترسی به تنها یک طرف قطعات وجود داشت] می باشند و دستگاه  خوردگی سنج (سنجش خوردگی) برای اندازه گیری ضخامت دیواره لوله های فلزی و مخازن، به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفتند.

آخرین پیشرفت های دستگاه های التراسونیک بر اساس تکنیک های پردازش سیگنال دیجیتال و ریز پردازنده های ارزان قیمت است که از دهه 1980 به بعد در دسترس بوده است. این امر به آخرین نسل از دستگاه های قابل حمل کوچک و سیستم های بازرسی آنلاین برای تشخیص نقص، ضخامت و تصویربرداری صوتی منجر شده است.

  1. تاریخچه عیب یابی التراسونیک

انعکاس و انتقال امواج التراسونیک با فرکانس بالا به ابزار مهمی برای ارزیابی یکپارچگی جوش ها و همچنین برای آزمایش سازه های فلزی ساختمانی، لوله ها و مخازن، لوله های دیگ بخار (بویلر) ، ریل ها و محورهای راه آهن، کامپوزیت های هوا فضا و بسیاری از کاربردهای صنعتی دیگر، تبدیل شده است. هنگامی که تکنولوژی التراسونیک به صورت مناسب توسط یک کاربر واجد شرایط مورد استفاده قرار گیرد، تست التراسونیک NDT به صورت سریع و قابل اطمینان انجام می شود، و معمولا نیازی به اماده سازی نمونه مورد آزمایشی به غیر از اغشته سازی با ژل کوپلینگ اولتراسونیک ، ندارد ، خطرات ایمنی خاص یا الزامات مجوز قانونی مرتبط با استفاده از آن ندارد. مدت طولانی است که  عیب یابی التراسونیک به ابزار ارزشمندی برای تضمین کیفیت تبدیل شده است.

همانطور که در بخش قبلی اشاره شد، ریشه های تست اولتراسونیک به کارهای اولیه آزمایشگاهی در دهه 1930 باز می گردد، و اولین عیب یاب التراسونیک، Supersonic Reflectoscope نام داشت که در سال 1945 توسط Sperry Products  تولید شد. در طی بیست سال پس از اولین عیب یاب التراسونیک، تکنیک عیب یابی التراسونیک مورد مقبولیت عمومی قرار گرفت و عیب یاب های اولتراسونیک دیگری توسط تولید کنندگان به بازار عرضه شد. عیب یاب های التراسونیک اولیه، از لوله های خلاء استفاده می کردند که بزرگ و سنگین بودند و نیاز به منبع تغذیه AC داشتند. مدارهای حالت جامد در دهه 1960، تولید عیب یاب های التراسونیک کوچکتر و باتری خور را مقدور ساخت، در نتیجه تست اولتراسونیک برای کاربردهای میدانی، قابل استفاده تر شد.

تمامی این عیب یاب های التراسونیک اولیه، از پردازش سیگنال آنالوگ استفاده می کردند، و مانند تمام دستگاه های آنالوگ، کالیبراسیون ان ها بسیار زمان بر بود. در سال 1984، شرکت Panametrics پانامتریک، دستگاه EPOCH 2002، اولین عیب یاب التراسونیک دیجیتال را به دنیا ارائه کرد. از آن پس، عیب یاب های التراسونیک دیجیتال، معمول گشت که دارای ثبات در کالیبراسیون، دقت بالا در اندازه گیری، ورود اطلاعات و توانایی انتقال تصاویر روی صفحه، نتایج تست و تنظیمات به کامپیوتر، می باشند.

با این که تکنولوژی التراسونیک، در حال حاضر یک تکنولوژی شناخته شده است، پیشرفت های مداوم در سخت افزار و نرم افزار سبب شده است که دستگاه های عیب یاب التراسونیک کوچکتر و کارآمدتری تولید شوند. در عیب یابی اولتراسونیک،استفاده از دستگاه های عیب یاب التراسونیک کوچک و پرتابل با پراب های (پروب های) تک کریستاله به عنوان یک روش کنترل کیفیت در بسیاری از صنایع تولیدی و خدماتی به خوبی شناخته شده است. در سال های اخیر، علاقه روز افزونی به سیستم های عیب یاب التراسونیک فیزره (Phased array) که از تکنولوژی پیشرفته مبتنی بر پروب چند کریستاله، برای ایجاد پرتو های موازی و ایجاد تصاویر سه بعدی مانند آنچه در تصویربرداری سونوگرافی پزشکی ultrasound انجام می شود استفاده میکند، افزایش یافته است. این دستگاه نیز معمولا برای بازرسی جوش استفاده می شود.

1.3بررسی کاربردهای کلی عیب یابی التراسونیک

عیب یابی التراسونیک به طور بالقوه می تواند برای هر ماده مهندسی استاندارد مورد استفاده قرار گیرد تا ترک های مخفی، حفره ها، تخلخل، انعقاد و عیوب مشابه یافته شود. با این که اکثر آزمایشات بر روی فولاد و سایر سازه های فلزی انجام می شود، از عیب یاب التراسونیک می توان برای پلاستیک، کامپوزیت، فایبرگلاس و سرامیک استفاده کرد.

برخی از کاربردهای رایج عبارتند از:

  • بازرسی جوش: که مهمترین بازار برای دستگاه عیب اولتراسونیک می باشد
  • فلزات اولیه: میله ها، ، فرورفتگی، قطعات بیضوی
  • زیرساخت ها :پایه های پل، پین های پل، ریل راه آهن، سازه های فلزی
  • پتروشیمی: خطوط لوله، مخازن، سازه های پشتیبان
  • تست قطعات در حال سرویس: چرخ ها و محورهای راه آهن، چرخ دنده های فرود هواپیما و موتور، رینگ های جرثقیل، شفت درایو، مخازن و مخازن تحت فشار، تست پیچ ها و مهره ها
  • تولید: جوش نقطه ای، اتصالات لحیم کاری، ریخته گری، تست باند
  • کامپوزیت ها – قطعات هوا فضا، توربین های بادی، کامپوزیت های خودرو، فایبرگلاس های دریایی

1.4انواع عیب یاب های التراسونیک موجود

امروزه عیب یاب های التراسونیک، کوچک، قابل حمل مناسب برای کاربردهای میدانی هستند. دستگاه های عیب یاب التراسونیک ، شکلی از موج اولتراسونیک را تولید می کنند که UT man ( بازرس UT ) را قادر می سازد تا عیوب را در قطعات شناسایی کند و نوع عیوب را مشخص کند. دستگاه های عیب یاب التراسونیک معمولا شامل pulser / receiver اولتراسونیک، سخت افزار و نرم افزار برای گرفتن و تجزیه و تحلیل سیگنال، نمایش شکل موج و یک ماژول ثبت اطلاعات است. اکثر دستگاه های UT از پردازش سیگنال دیجیتال برای ثبات و دقت مطلوب استفاده می کنند.

عیب یاب های التراسونیک مدرن معمولا شکل موج را می گیرند و سپس اندازه گیری ها و انالیز مختلفی را بر روی آن انجام می دهند. از یک ساعت داخلی برای همگام سازی پالس های پراب استفاده می شود و کالیبراسیون فاصله را ممکن می سازد. پردازش سیگنال می تواند به سادگی نمایش موج  یعنی نمایش دامنه سیگنال در برابر زمان در یک مقیاس کالیبره شده ، یا به پیچیدگی الگوریتم های پردازش دیجیتال که شامل اصلاح فاصله/ دامنه و محاسبات مثلثاتی برای زوایا و مسیر التراسوند، باشد. گیت های هشدار اغلب برای نظارت بر سطح سیگنال در نقاط انتخابی در قطار موج به منظور مشخص کردن برگشت موج از عیوب، استفاده می شود.

صفحه نمایش دستگاه UT می تواند از جنس کریستال مایع یا CRT باشد. از صفحه نمایش های رنگی می توان برای تسهیل تفسیر عیوب جوش استفاده کرد. ثبت کننده های اطلاعات، کار ثبت شکل موج و تنظیم اطلاعات مربوط به هر تست را انجام می دهند، و در صورت نیاز به گزارش گیری، اطلاعات انتخابی همچون دامنه، عمق یا فاصله، یا وجود و عدم وجود شرایط هشدار را ارائه دهد.

یک نوع پیشرفته از دستگاه های عیب یاب اولتراسونیک پرتابل، عیب یاب التراسونیک فیزره (Phased array ultrasonic flaw detector) یا دستگاه UT سه بعدی است که از سخت افزار پیچیده تر با نرم افزاری مشابه به آنچه که در تصویربرداری تشخیص پزشکی استفاده می شود، برای ارائه سطح بالاتری از هر دو قابلیت تست و تفسیر، استفاده می کند. عیب یاب التراسونیک فیزره (سه بعدی)، به جای پراب تک کریستاله، از پراب با تعداد کریستال زیاد استفاده می کند، که همه کریستال های پراب به طور جداگانه پالس و تاخیر می گردند.پرتوهای التراسونیک توسط تداخل سازنده و مخرب از منابع چندگانه تشکیل شده می شود. بر خلاف عیب یاب های التراسونیک معمولی، دستگاه UT فیزره میتواند به صورت الکترونیکی تمرکز، هدایت و جابجایی پرتو را انجام دهد و تصاویر دقیق سه بعدی از نمونه را ارائه دهد.

2.0 اساس تئوری التراسونیک

2.1 التراسونیک چیست؟

 

 

امواج صوتی که در اطراف ما هستند، ارتعاشات مکانیکی هستند که در محیط که ممکن است جامد، مایع یا گاز باشد، حرکت می کنند. این امر در مورد صدایی که روزمره می شنویم و عیب یابی التراسونیک مصداق دارد. امواج صوت که در یک محیط خاص با یک سرعت مشخص در یک جهت قابل پیش بینی حرکت می کنند و هنگامی که با یک محیط مرزی روبرو می شوند، بر اساس قوانین ساده، منعکس یا منتقل می شوند. این اصل فیزیک، اساس کار عیب یاب اولتراسونیک است. به طور خلاصه، امواج التراسونیک از ترک ها یا سایر عیوب در قطعه مورد ازمایش بازتاب می شوند، بنابراین از طریق بررسی الگوی انعکاس، بازرس UT می تواند عیوب داخلی را شناسایی و مکان یابی کند.

امواج التراسونیک در یک فرکانس خاص یا تعداد ارتعاشات یا سیکل در ثانیه نوسان می کنند که ما در محدوده صدای شنیداری ان را به صورت گام تجربه می کنیم. شنوایی انسانی به حداکثر فرکانس حدود 20،000 سیکل در ثانیه (20 کیلوهرتز) می رسد، در حالی که اکثر دستگاه های عیب یاب اولتراسونیک از فرکانس های بین 500،000 تا 10،000،000 سیکل در ثانیه ( کیلوهرتز500 تا 10 مگاهرتز) استفاده می کنند. در فرکانس های محدوده مگا هرتز، انرژی صدا به طور موثر از طریق هوا یا گازهای دیگر عبور نمی کند، اما از طریق اکثر مایعات و مواد مهندسی معمول مانند بیشتر فلزات، پلاستیک، سرامیک و کامپوزیت ها آزادانه حرکت می کند. امواج صوتی در محدوده التراسونیک بسیار بیشتر از صدای شنیداری، جهت گیر هستند و به علت طول موج کوتاه ، ان ها به بازتابنده های کوچکی که در مسیرشان قرار دارد، بسیار حساس می باشند.

سرعت موج التراسونیک بسته به محیطی که در آن حرکت می کند، متفاوت است و تحت تاثیر دانسیته و خواص الاستیک محیط قرار می گیرد. انواع مختلف امواج صوت با سرعت های مختلف حرکت می کنند(بخش 2.3 را برای حالت های انتشار ببینید).

 

2.2 تولید امواج التراسونیک (پراب التراسونیک)

امواج التراسونیک مورد استفاده برای عیب یاب التراسونیک، توسط پراب های کوچکی تولید و دریافت می شوند که ترانسدیوسر التراسونیک یا پراب التراسونیک نامیده می شوند، که پالس های الکتریکی را به امواج التراسونیک و امواج التراسونیک را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. پراب های التراسونیک برای عیب یابی جوش در انواع مختلفی از اندازه ها، فرکانس ها مورد استفاده قرار می گیرند، اما اکثر پراب های التراسونیک دارای ساختار داخلی مشترکی می باشند.

معمولا، مولفه فعال پراب التراسونیک یک دیسک نازک، مربع یا مستطیل شکل از سرامیک پیزوالکتریک یا پیزوکتومی است که تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی (ارتعاشات التراسونیک) و بالعکس را انجام می دهد. هنگامی که پراب التراسونیک توسط یک پالس الکتریکی برانگیخته می شود، امواج التراسونیک ایجاد می شود و هنگامی که ان توسط بازتاب برگشتی مرتعش می گردد، ولتاژ تولید می کند. مولفه فعال که اغلب کریستال نامیده می شود، توسط یک صفحه ضد سایش از اسیب ها محافظت می شود و توسط یک قطعه از مواد محرک حمایت می شود که پراب را پس از تولید پالس صدا خنثی می کند. اتصالات برق مناسب نصب شده است. تمام تماس های مشترک، پرتو زاویه، خط تاخیر و مبدل های غوطه وری از این طراحی پایه استفاده می کنند. مبدل های عنصر دوگانه که معمولا در برنامه های بررسی خوردگی مورد استفاده قرار می گیرند، متفاوتند، در حالی که عناصر انتقال و دریافت جداگانه توسط یک مانع صوتی، پشت سر گذاشته شده و یک خط تاخیر انتگرال برای هدایت و زوج انرژی صدا، به جای یک لنز یا لنز استفاده می شود. همه پراب های معمول اعم از پراب نرمال، پراب زاویه ای، پراب خط تاخیری، و پراب ایمرژن (غوطه وری) دارای همین طراحی می باشند. پراب های دو المانه، معمولا در کاربردهای بازرسی خوردگی مورد استفاده قرار می گیرند.

پراب های التراسونیک

تمام پراب هایی که معمولا در عیب یابی التراسونیک استفاده می شوند شامل یک کریستال ارتعاشی در یک قاب هستند، اما مدل های پراب ها به پنج دسته کلی تقسیم می شوند.

پراب نرمال:

همانطور که از نامش بر می آید، پراب های نرمال در تماس مستقیم با قطعه مورد آزمایش استفاده می شوند. یک ورقه پوشاننده نازک و سخت از کریستال در برابر اسیب های عادی محافظت می کند.. پراب های نرمال معمولا در عیب یابی التراسونیک و ازمایشات پرتو مستقیم استفاده می شوند.

پراب زاویه ای:

پراب زاویه ای از نظر ساختاری به پراب نرمال شبیه است، اما پراب زاویه ای طراحی شده است تا با استفاده از کفشک زاویه ای، امواج التراسونیک را تحت یک زاویه به سطح اتصال ایجاد کند. پراب های زاویه ای معمولا برای بازرسی جوش مورد استفاده قرار می گیرند.

پراب های تاخیر خطی:

پراب های تاخیر خطی شامل یک استوانه از جنس پلاستیک، اپوکسی یا سیلیکا است که یک خط تاخیر بین کریستال فعال و قطعه مورد ازمایش ایجاد می کند.یک دلیل عمده برای استفاده از پراب تاخیر خطی، بازرسی آزمایش مواد نازک است، زیرا در این قطعات مهم است که بازیابی پالس برانگیخته از اکو برگشتی تفکیک شود. پراب تاخیر خطی نیز می تواند به عنوان یک عایق حرارتی مورد استفاده قرار گیرد، که از کریستال حساس به گرما از تماس مستقیم با قطعات داغ محافظت می کند، و خطوط تاخیر نیز می توانند برای بهبود اتصال صدا در فضاهای دارای انحنای تند یا محدود، شکل گیرند.

پراب های غوطه وری (ایمرژن):

این پراب ها از یک ستون یا حمام آب برای اتصال انرژی تا انرژی صوتی را به قطعه آزمایشی متصل کنند. آنها می توانند برای آزمایش های آنلاین، برای اسکن یا برای بهینه سازی ارسال امواج التراسونیک به انحناها ، شیارها یا کانال های تیز، استفاده شوند.

پراب های دو کریستاله:

پراب های دو کریستاله، در درجه اول برای بازرسی هایی که شامل سطوح زبر و دارای خوردگی هستند استفاده می شود. پراب های دو کریستاله دارای دو المان مجزا برای ارسال و دریافت با زاویه کوچکی بر روی خط تاخیری هستند تا بتوانند انرژی التراسونیک را بر فاصله تعیین شده در زیر سطح قطعه مورد آزمایش، متمرکز کنند.اگرچه اندازه گیری ضخامت با پراب دو کریستاله گاهی به اندازه دیگر پراب های التراسونیک دقیق نیست، اما معمولا عملکرد بسیار بهتری در بررسی خوردگی دارد.

ژل التراسونیک (کوپلینگ)

ژل های التراسونیک تقریبا تمام تست های تماسی جوش برای تسهیل انتقال انرژی التراسونیک بین پراب و قطعه مورد آزمایش استفاده می شوند. معمولا ژل های التراسونیک، مایعی چگال و غیر سمی می باشند. از ان جا که برای تست بازرسی غیرمخرب ndt معمولا از انرژی صوتی در فرکانس های اولتراسونیک استفاده می شود، استفاده  از ژل التراسونیک ضروری است زیرا امواج التراسونیک از طریق هوا منتقل نمی شوند. حتی یک شکاف بسیار نازک از هوا بین پراب و قطعه مورد آزمایش، مانع از انتقال کامل امواج التراسونیک می گردد و تست های معمول را غیر ممکن می سازد.

از موادی مانند آب، روغن، گریس، مایع ظرف شویی و … می توان به عنوان ژل کوپلینگ اولتراسونیک استفاده کرد. برای بازرسی جوش های در درجه حرارت بالا باید از ژل التراسونیک نسوز (دما بالا) استفاده کرد.

2.3 انتشار موج

انرژی التراسونیک مورد استفاده در عیب یابی التراسونیک در حالت های مختلف بر اساس جهت موج و حرکت متناظر مولکول ها در قطعه مورد آزمایش، حرکت می کند. رایج ترین حالت ها عبارتند از امواج طولی، امواج برشی و امواج سطحی.

امواج طولی: در یک موج طولی، حرکت ذرات در ماده، موازی با جهت جبهه موج است. امواج صوتی شنیداری امواج طولی هستند. امواج طولی دارای سریع ترین سرعت حرکت در تست غیرمخرب اولتراسونیک می باشند، حدود m/s 5900 (sµ0.23 in/) در فولاد. امواج طولی ممکن است در اثر انعکاس به امواج برشی تبدیل شوند، که در بخش 2.5 به تشریح این امر پرداخته شده است.

امواج برشی: در یک موج برشی، حرکت ذرات عمود بر جهت موج است. امواج برشی دارای سرعت آهسته تر و طول موج کوتاهتر نسبت به امواج طولی همان فرکانس هستند و برای آزمایش بیشتر تیرهای زاویه در تشخیص عیب اولتراسونیک استفاده می شود. سرعت موج برشی در فولاد حدود m/s3250 (sµ0.128 in/ ) است. امواج برشی فقط در مواد جامد وجود دارد، نه در مایعات و گازها. آنها می توانند از طریق انعکاس یا انکسار در یک مرز به امواج طولی تبدیل شوند.

امواج سطحی: امواج سطحی، که با نام امواج  Rayleigh  شناخته می شوند، دارای حرکت نوسانی هستند که در امتداد سطح قطعه آزمایشی به عمق یک طول موج حرکت می کنند. سرعت و طول موج  امواج سطحی مشابه با امواج برشی می باشد. امواج اقیانوسی نمونه ای از امواج سطحی هستند.از  امواج سطحی می توان برای تشخیص ترک های سطح شکسته در یک قطعه مورد آزمایش استفاده کرد.

چند حالت دیگر برای حرکت موج وجود دارد، اما ان ها به ندرت در عیب یابی اولتراسونیک استفاده می شوند.

2.4مشخصات پرتو

پراب های التراسونیک تک کریستاله موج طولی به صورت یک منبع پیستونی از ارتعاش مکانیکی فرکانس بالا یا امواج صوتی کار می کنند. هنگامی که ولتاژ اعمال می شود، کریستال پیزوالکتریک پراب با فشرده سازی در جهت عمود بر سطح، تغییر شکل می یابد. هنگامی که ولتاژ قطع می شود، معمولا در زمانی کمتر از یک میکرو ثانیه، کریستال به عقب باز می گردد و موجب تولید انرژی مکانیکی می شود که شامل یک موج التراسونیک است. شکل زیر نشان می دهد که چگونه کریستال پیزوالکتریک به یک پالس الکتریکی کوتاه پاسخ می دهد.

این پراب ها که معمولا برای بازرسی التراسونیک استفاده می شود، دارای  ویژگی های کلی زیر می باشند:

نوع پراب: پراب های التراسونیک با توجه به عملکرد به انواع پراب نرمال، تاخیر خطی ، زاویه ای یا غوطه وری تقسیم می شوند. مشخصات مواد بازرسی شده، مانند زبری سطح، دما و دسترسی، و همچنین موقعیت عیوب در مواد و سرعت بازرسی، بر انتخاب نوع پراب التراسونیک تاثیرگذار است.

قطر: قطر پراب التراسونیک به قطر کریستال فعال پراب گفته می شود که معمولا درون قابی با قطر نسبتا بزرگتر قرار دارد.

فرکانس: تعداد سیکلهای موج که در یک ثانیه تکمیل شده است، معمولا بر حسب (KHz) یا (MHz) بیان می شود. بیشتر بازرسی های التراسونیک صنعتی در محدوده فرکانس 500 کیلوهرتز تا 20 مگاهرتز انجام می شود، بنابراین اکثر پراب ها در این محدوده قرار می گیرند، البته محدوده پراب های التراسونیک از 50 کیلوهرتز تا 200 مگاهرتز متغیر می باشد. هرچه فرکانس کاهش یابد، نفوذ افزایش می یابد، در حالی که وضوح و شدت کانونی با افزایش فرکانس، افزایش می یابد.

پهنای باند: به بخشی از پاسخ فرکانسی گفته می شود که در محدوده دامنه مشخص قرار دارد. در این زمینه باید اشاره کرد که پراب های معمولی NDT ، نمی توانند امواج التراسونیک را با یک فرکانس خالص تولید کنند، بلکه اغلب محدوده ای از فرکانس متمرکز بر فرکانس اسمی را تولید می کنند. استاندارد NDT این است که این پهنای باند در نقطه -6dB یا (نیم دامنه) مشخص شود.

مدت زمان تشکیل موج: به تعداد چرخه های موج تولید شده توسط پراب در هر زمانی که پالس می کند، اطلاق می شود. یک پراب التراسونیک با پهنای باند کم دارای چرخه های بیشتری نسبت به پراب التراسونیک پهنای باند گسترده تر می باشد. قطر کریستال، مواد پشتیبان، تنظیم الکتریکی و برانگیختگی پراب بر زمان تشکیل موج تاثیرگذار است.

حساسیت: رابطه بین دامنه پالس برانگیختگی و اکو دریافت شده از هدف، حساسیت می باشد.

به عنوان تقریب، پرتو ساطع شده از یک پراب دیسک شکل معمولی غیرمتمرکز اغلب به عنوان ستون انرژی حاصل از مساحت کزیستال فعال است که در قطر گسترش می یابد و در نهایت منتشر می شود.

در واقع، پروفایل واقعی پرتو پیچیده است، و دارای گرادیان های فشار در هر دو جهت محوری و عرضی می باشد. در تصویر پروفایل پرتو زیر، قرمز نشان دهنده مناطق با بیشترین انرژی است، در حالی که سبز و آبی انرژی کمتری را نشان می دهد.

میدان صوت یک پراب التراسونیک به دو منطقه تقسیم می شود، میدان نزدیک و میدان دور. میدان نزدیک منطقه ای است که در نزدیکی پراب التراسونیک( جایی که فشار صدا از طریق یک سری از حداکثر ها و حداقل ها عبور می کند و در آخر به مقدار ماکزیمم در فاصله N به پایان می رسد. میدان نزدیک N نشان دهنده تمرکز طبیعی پراب التراسونیک است.

 

میدان دور ناحیه بعد از N است که زمانی که قطر پرتو گسترش می یابد و انرژی آن از بین می رود، در آن فشار صدا به تدریج به صفر می رسد. فاصله میدان نزدیک، تابعی از عملکرد فرکانس و قطر پراب و سرعت التراسونیک در محيط آزمايش است و برای کریستال های دایره ای که اغلب در عیب یابی اولتراسونيک استفاده می شود، به صورت زیر محاسبه می گردد:

N = D2f/4c      یا    N = D2/4λ

که در آن:

N  = طول میدان نزدیک

f  = فرکانس

c  = سرعت صوت در ماده

λ  = طول موج  (c/f)

 

ارزیابی دقیق عیوب با استفاده از تکنیک های مبتنی بر دامنه به خاطر تغییرات فشار صدا در میدان نزدیک، دشوار است (اگر چه ضخامت سنجی در میدان نزدیک، دشوار نیست). علاوه بر این، N نشان دهنده بزرگترین فاصله است که در آن یک پرتو مبدل را می توان با استفاده از یک لنز آکوستیک یا تکنیک های فیزیکی متمرکز کرد. مبدل های غوطه وری را می توان با لنزهای صوتی متمرکز کرد تا پرتو شن و ماسه ای را که به یک ناحیه کانونی کوچک متصل است و سپس گسترش می دهد، ایجاد کند. انواع خاصی از مبدلهای خطی تاخیر نیز می توانند متمرکز شوند. تمرکز پرتو برای آزمایش لوله های با قطر کوچک یا دیگر قطعه های آزمایش با شعاع های تیز بسیار مفید است، زیرا انرژی صوتی را در یک منطقه کوچک متمرکز می کند و پاسخ اکو را بهبود می بخشد.

N  بزرگترین فاصله ایست که در ان، پرتو پراب را می توان با استفاده از یک لنز آکوستیک یا تکنیک های فازی متمرکز کرد. پراب های غوطه وری  (ایمرژن) را می توان با لنزهای صوتی متمرکز کرد تا پرتوی شبیه به ساعت شنی را ایجاد کرد که به یک ناحیه کانونی کوچک می رسد و سپس گسترش می یابد. انواع خاصی از پراب های تاخیر خطی را نیز می توان متمرکز کرد. تمرکز پرتو در هنگام تست لوله های با قطر کوچک یا دیگر قطعه های آزمایش با شعاع های تیز بسیار مفید است، زیرا آن انرژی صوتی را در یک منطقه کوچک متمرکز می کند و پاسخ اکو را بهبود می بخشد.

2.5 دینامیک جبهه موج

تشکیل جبهه موج

یک پراب تک کریستال به صورت یک منبع پیستونی، دیسک یا صفحه ای،  در نظر گرفته می شود، که به طور مداوم بر قطعه مورد ازمایش قرار می گیرد، موجی که تولید می کند ممکن است به صورت ریاضیاتی به عنوان مجموع امواج از تعداد زیادی از منابع نقطه ای مدل سازی شود. این نتیجه از اصل هویگنس استخراج شده است که در ابتدا توسط فیزیکدان هلندی قرن هفدهم کریستیان هویگنس پیشنهاد شد، این اصل بیان می کند که هر نقطه ای در یک جبهه موج پیشرو ممکن است به عنوان یک منبع نقطه ای که موج کروی جدید را ایجاد می کند در نظر گرفته شود، و جبهه موج های منحصر به فرد برابر مجموع تمام امواج کروی است.

انتشار پرتو

در اصل، موج التراسونیک تولید شده توسط یک پراب در یک خط مستقیم حرکت می کند تا زمانی که به مرز ماده برسد. اما اگر طول مسیر صوت طولانی تر از فاصله نزدیک میدان باشد، قطر پرتو نیز افزایش می یابد، و همانند پرتو یک نور نقطه ای واگرا می گردد. زاویه انتشار پرتو یک پراب غیر متمرکز به صورت زیر محاسبه  می شود:

 

از این معادله می توان فهمید که انتشار پرتو در فرکانس های پایین تر و قطر های کوچکتر، افزایش می یابد. از آنجایی که زاویه بزرگ انتشار پرتو می تواند انرژی صوتی در هر واحد را نسبت به فاصله کاهش دهد ، پاسخ اکو در جایی که مسیر صوت طولانی است را می توان با استفاده از پراب های فرکانس بالاتر و / یا بزرگتر بهبود بخشید.

 

تضعیف
در هنگام عبور درون ماده، جبهه موج ایجاد شده توسط پراب التراسونیک به دلیل انتقال ناقص انرژی از طریق ریز ساختار هر ماده، شروع به متلاشی شدن می کند. ارتعاشات مکانیکی منظم (امواج صوت) به ارتعاشات مکانیکی تصادفی (گرما) تبدیل می شود تا جبهه موج دیگر قابل تشخیص نباشد. این فرایند به عنوان تضعیف صدا شناخته می شود.

تئوری ریاضی تضعیف و پراکندگی پیچیده است. از دست دادن دامنه به علت تضعیف در یک مسیر صوت مشخص، برابر مجموع اثرات جذب است که به صورت خطی با فرکانس و اثرات پراکندگی افزایش می یابد که در سه منطقه بسته به نسبت اندازه مرزهای دانه یا پراکنده کننده های دیگر طول موج، متفاوت است. در تمام موارد، اثرات پراکندگی با فرکانس افزایش می یابد. برای یک ماده مشخص در یک دمای معین، که در یک فرکانس مشخص مورد ازمایش قرار گرفته است، ضریب تضعیف مشخصی وجود دارد، که معمولا بر حسب (Np / cm)   بیان می شود. زمانی که این ضریب تضعیف مشخص باشد، افت در یک مسیر صوتی مشخص را می توان بر اساس معادله زیر محاسبه کرد:

که

p = فشار صوت در انتهای مسیر

p0 = فشار صوت در ابتدای مسیر

e = پایه لگاریتم

a= ضریب تضعیف

d = طول مسیر صوت

به عنوان یک مسئله کاربردی، در عیب یابی التراسونیک، ضرایب تضعیف معمولا اندازه گیری می شوند، به جای این که محاسبه گردند. فرکانس های بالاتر سریع تر از فرکانس های پایین تر تضعیف می گردند، بنابراین برای مواد پلاستیکی با دانسیته کم و ضریب تضعیف بالا، معمولا از فرکانس های پایین تر استفاده می شود.
بازتاب و انتقال در مرز صفحه عمود:

هنگامی که یک موج التراسونیک که در یک ماده حرکت می کند، با مرز محیط متفاوتی مواجه شود که عمود بر مسیر موج است، بخشی از انرژی موجی مستقیم به سمت عقب بازتاب می شود و بخشی به سمت جلو حرکت می کند. درصد بازتاب در مقابل انتقال وابسته به مقاومت ظاهری نسبی آکوستیک دو ماده است. ضریب انعکاس در یک مرز صفحه ای، درصد انرژی صوتی که به منبع بازتاب می شود، به صورت زیر محاسبه می گردد:

که

R = درصد ضریب بازتاب

Z1 = مقاومت ظاهری صوتی محیط اول

Z2 = مقاومت ظاهری صوتی محیط دوم

از این معادله می توان دید که در صورتی که مقاومت ظاهری صوتی دو ماده مشابه باشد، ضریب انعکاس کاهش می یابد، با کاهش مشابهت مقاومت ظاهری صوتی، ضریب انعکاس افزایش می یابد. از لحاظ تئوری، بازتاب از مرز بین دو ماده با مقاومت آکوستیک کاملا مشابه، صفر است، در حالی که در مورد مواد با مقاومت صوتی غیرمشابه، مثلا در مرز بین فولاد و هوا، ضریب انعکاس نزدیک به 100% است.

انحراف و تبدیل در مرزهای غیر عمود

هنگامی که یک موج صوتی درون یک ماده حرکت می کند و با مرز ماده دیگری با زاویه غیر از صفر مواجه شود، بخشی از انرژی موج به طرف زاویه ی برابر زاویه ی برخورد منعکس می شود. در همین حال ، بخشی از انرژی موج که به ماده دوم منتقل می شود، بر اساس قانون Snell (که به طور مستقل توسط دو ریاضیدان قرن هفدهم ارائه شده است) منعکس می گردد. قانون Snell ، سینوس برخورد و زاویه برگشت به سرعت موج در هر ماده را، مطابق با نمودار زیر مرتبط می سازد.

 

 

اگر سرعت صوت در محيط دوم بالاتر از سرعت صوت در محیط اول باشد، سپس زاويه هاي خاصي بالای این خم، با مد تبدیل همراه می شوند، که معمولا از حالت موج طولي به حالت موج برشي متغیر است. این اصلیست که در اکثر پراب های زاویه ای بازرسی مورد استفاده قرار می گیرد. چون زاویه برخورد در اولین محیط (کندتر) مانند یک کفشک یا آب افزایش می یابد، زاویه شکست موج طولی در ماده دوم (سریعتر) مثل فلز افزایش می یابد. هنگامی که زاویه شکست موج طولی به 90 درجه نزدیک می شود، بخش عظیمی از انرژی موج به طور مداوم به یک موج برشی پایین تر تبدیل می شود که در زاویه پیش بینی شده توسط قانون اسنل شکست خواهد خورد. در زوایای برخورد بزرگتر از زاویه ای که بتوان یک موج طولی شکسته شده در 90 درجه را ایجاد کرد، موج شکسته شده کاملا در حالت برشی وجود دارد. زاویه برخورد بزرگتر به وضعیتی منجر می شود که موج برشی از لحاظ تئوری در 90 درجه دچار شکست می شود و در آن نقطه یک موج سطحی در ماده دوم ایجاد می شود. نمودار زیر این اثر را برای یک پراب زاویه ای قرار گرفته بر روی فولاد نشان می دهد.

3.1توضیحات کلی عیب یابی التراسونیک

دستگاه های عیب یاب التراسونیک مدرن، کوچک و قابل حمل هستند، و برای کار ازمایشگاهی و بازرسی در پروژه مناسب می باشند. دستگاه UT، یک شکل موج التراسونیک را تولید می کند و نمایش می دهد که توسط بازرس UT با کمک نرم افزار تجزیه و تحلیل عیوب جوش تفسیر می شود، تا محل عیب و نوع عیب در قطعه مورد ازمایش شناسایی شود. دستگاه UT عموما شامل یک پالسر/ گیرنده اولتراسونیک، سخت افزار و نرم افزار برای گرفتن و تحلیل سیگنال، نمایشگر شکل موج و ماژول ثبت اطلاعات می باشند. با این که هنوز عیب یاب های التراسونیک آنالوگ همچنان تولید می شوند، اکثر دستگاه های عیب یاب التراسونیک مدرن از پردازش سیگنال دیجیتال برای بهبود ثبات و دقت استفاده می کنند.

بخش پالسر/گیرنده، در انتهای جلویی دستگاه عیب یاب اولتراسونیک قرار دارد. آن یک پالس برانگیخته را برای به حرکت در اوردن پراب التراسونیک، ایجاد می کند، و اکو برگشتی را تقویت و فیلتر می کند. دامنه، شکل و میرایی (دمپینگ) پالس را می توان کنترل کرد تا عملکرد پراب را بهینه سازی کرد، گین گیرنده و پهنای باند را می توان برای بهینه سازی نسبت سیگنال به نویز، تنظیم کرد.

دستگاه های عیب یاب التراسونیک، شکل موج را به صورت دیجیتالی ضبط می کنند و سپس اندازه گیری های مختلفی را بر روی ان انجام می دهند و آن را انالیز می کنند. از یک ساعت یا تایمر برای همگام سازی پالس های پراب التراسونیک و ارائه کالیبراسیون فاصله استفاده می شود. پردازش سیگنال به سادگی تولید نمایش شکل موج است که دامنه سیگنال را در برابر زمان در یک مقیاس کالیبره شده نشان می دهد، یا به پیچیدگی پردازش دیجیتال الگوریتم های پیچیده که شامل اصلاح فاصله / دامنه و محاسبات مثلثاتی برای مسیرهای زاویه ای صوت است، باشد. اغلب گیت های هشدار برای نظارت بر سطح سیگنال در نقاط انتخاب شده در موج برای شناسایی اکو برگشتی از عیوب جوش استفاده می شود.

3.2 بلوک دیاگرام

بلوک دیاگرام یک دستگاه عیب یاب التراسونیک به صورت زیر دیده می شود. در قسمت آنالوگ، پالسر، یک پالس ولتاژ بالا در پراب در فرکانس تکرار پالس انتخابی ایجاد می کند، موج التراسونیک را در خروجی فراهم می کند. اکو های بازگشتی از قطعه مورد ازمایش توسط پراب دریافت می شوند و به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شوند که به نوبه خود به گیرنده تغذیه می شود.

پس از دیجیتال سازی، اکو انتخابی از هر داده، در حافظه ذخیره می گردد. سپس توسط فیلترهای نوار عبوری پردازش می گردند تا  نسبت سیگنال به نویز بهینه سازی گردد. از TVG گین زمان متغیر نیز ممکن است استفاده شود. سپس اکو های پردازش شده توسط نرم افزار های اندازه گیری گیت، زمان/ دامنه انالیز می گردند و بر روی صفحه نمایش داده می شوند.

تست التراسونیک بتن، دستگاه التراسونیک بتن، UT بتن
error: حق کپی رایت محفوظ می باشد