L.5. MÃSURÃTORI ULTRAACUSTICE

Material redactat de: lector Nicolitov Rodica

Generalităţi

Ultrasunetele sunt vibraţii mecanice care au frecvenţa mai mare de 20 KHz.

Producerea ultrasunetelor se realizează prin metode electromecanice care se

bazează pe fenomenul de piezoelectricitate sau pe fenomenul de magnetostricţiune.

Fenomenul de magnetostricţiune constă în deformarea unei bare electromagnetice

atunci când este introdusǎ în câmp magnetic.

Fenomenul piezoelectric constă în proprietatea unor cristale ionice (cuarţul,

turmalina, sarea seignette etc) de a se încǎrca electric sub acţiunea unei deformări

mecanice (efect direct) sau de a se deforma sub acţiunea unui câmp electric exterior

(efect invers).

1

Dacă se aplică o tensiune alternativă pe feţele metalizate ale plăcii de cuarţ

piezoelectric (tăiat după o anumită direcţie) aceasta începe să vibreze. În interiorul plăcii

iau naştere unde staţionare cu nod la mijloc şi ventre la suprafaţă. (fig.1)

Fig.1

Acesta este cazul frecvenţei fundamentale pentru care se poate scrie:

=

Unde l este grosimea plăcii şi - lungimea undei staţionare. Dar placa poate vibra

şi cu frecvenţe mai mari, corespunzătoare armonicelor frecvenţei fundamentale.

Pentru armonica de ordinul n avem : = n

Frecvenţa pe care oscilează placa este:

,

unde v este viteza undelor elastice în placă.

Pentru a obţine o intensitate mare de radiaţie cum este necesar în defectoscopia

ultrasonoră, frecvenţa tensiunii trebuie să coincidǎ cu frecvenţa fundamentală a plăcii de

cuarţ.

A. ÎNCERCÃRI NEDISTRUCTIVE ASUPRA OBIECTELOR METALICE PRIN DEFECTOSCOPIA ULTRASONORÃ

Aparatura necesară:

- Defectoscop ultrasonor

- Probe pentru etalon

- Probe pentru încercări.

2

Metoda impulsului ultrasonic permite a se descoperi cu precizie defecte şi fisuri,

sufluri de contracţie, incluziuni de zgură etc. la materiale masive la care încercările cu

raze röentgen sau cu izotopi radioactivi devin neavantajoase. Principiul de funcţionare al

defectoscopului ultrasonor apare clar în schema bloc a aparatului (fig.2)

Fig.2

Generatorul de impulsuri (1) modulează un generator de înaltă frecvenţă (3) care

la rândul său dă o suitǎ de oscilaţii de înaltă frecvenţă asupra cristalului piezoelectric (4).

Dacă cristalul piezoelectric este în contact direct cu proba de cercetat (6), va transmite în

aceasta, impulsurile ultrasonore (5), care se vor reflecta la orice discontinuitate a

mediului în care se propagă.

În funcţie de domeniul cercetat în fiecare secundă se produc 50…l00 impulsuri

(grupuri de oscilaţii longitudinale), fiecare din ele fiind compus din care 3 oscilaţii.

Durata intervalului dintre impulsuri este de 1000 până la 10.000 ori mai mare decât

durata grupului de oscilaţii, eliminându-se astfel suprapunerea unui impuls direct cu altul

reflectat.

Impulsurile reflectate de suprafaţa opusă probei (6) sau de defectele ce apar în

calea lor, sunt recepţionate de acelaşi cristal piezoelectric.

Modul de lucru cu defectoscopul ultrasonic tip US 2001

DESCRIEREA APARATULUI.

US 2001 este un instrument complet digital ce conţine cea mai nouă tehnologie

electronică şi facilităţi de procesare digitală a semnalului. Posibilităţile oferite de aparat

sunt structurate pe niveluri, se utilizează defectoscopia clasică.

PANOUL FRONTAL-TASTELE

Cursorul şi tastele de comutare sunt situate pe latura stângă a aparatului şi dispuse

vertical. Tastele funcţiilor F1, F2, F3, F4 şi F5 sunt situate pe orizontală sub display-ul

aparatului.

3

Fig.3

ECRANUL

Este împărţit în 3 zone.

(1) Zona de afişare a semnalului, cu o scală verticală împărţită de 4 linii punctate,

indicând 20, 40, 60, 80% din înălţimea totală a scalei.

(2) Zona de jos cu scala reglabilă de timp şi unităţile de măsură.

(3) Zona de afişare a meniului din dreapta, având afişate funcţiile.

MODUL DE LUCRU.

Se pune palpatorul pe proba I.

Se determină lungimea şi poziţia defecţiunilor pentru probele I, III, IV, V

confecţionate din oţel. Viteza este stabilită la valoarea de 5900 m/s, meniul este PARAM,

se utilizează poarta 1 (Gate 1). Poarta 1 se aduce la vârful ecoului cu cursorul şi tastele de

comutare şi pe ecran este afişată lungimea probei sau poziţia defectului.

4

Datele se vor trece în următorul tabel:

Nr

crtProba

Lungimea probei

(m)Poziţia defectului (m) Observaţii

B. DETERMINAREA VITEZEI DE PROPAGARE A ULTRASUNETELOR ÎN SOLIDE ŞI A MODULULUI DE

ELASTICITATE

În metoda impulsurilor viteza de propagare a ultrasunetelor se determină din

raportul între lungimea medie a drumului parcurs prin proba şi timpul corespunzător

acestui parcurs:

v =

Lungimea probei se mǎsoară cu o riglǎ gradată în mm, iar timpul se va determina cu

ajutorul defectoscopului folosit în prima parte a lucrării.

În cazul propagării undelor longitundinale printr-o bară subţire (cu diametrul

comparabil cu mărimea lungimii de undă) se poate exprima viteza de propagare în funcţie

de modulul de elasticitate şi densitatea probei astfel:

E= v2

Determinând experimental viteza de propagare a ultrasunetelor printr-un material

de densitate cunoscută, putem calcula după formula de mai sus, modulul de elasticitate

corespunzător probei respective. Pentru medii solide de dimensiuni mari faţă de se va

folosi următoarea expresie pentru viteza de propagare a undelor longitudinale:

5

v =

unde este coeficientul lui Poisson definit ca raportul dintre alungirea (contracţia)

specifică transversală şi contracţia (alungirea) specifică corespunzătoare pe direcţia

longitudinală , adică .

MOD DE LUCRU:Se aplică palpatorul pe una din feţele probei II. Se aduce poarta 1 pe vârful

ecoului şi se citeşte timpul pe ecran. Lungimea este cunoscută şi se determină viteza

(V=2l/t). Viteza se poate citi direct: se fixeaza poarta 1 pe primul ecou si se modifica

viteza pana cand lungimea afisata este cea determinata cu rigla.Se calculează modulul de elasticitate E din formula:

v =

Datele se vor trece în următorul tabel:

Nr

crtProba ) Material

(m)

t

(s)

vL

(m/s)

E

(N/m2)

1 I 7800 otel 0,28 0,1 5900

2 II 2700 aluminiu 0,38 0,2

3 VI 8800 bronz 0,38 0,1

C. MÃSURAREA CONSTANTEI DE ATENUARE A UNDELOR LONGITUDINALE

Metoda cu impulsuri permite măsurarea constantei de atenuarea atât în medii

lichide cât şi în medii solide, utilizând în acest scop un impuls ultrasonic care traversează

mediul ce se examinează. Unda ultrasonică suferă o atenuare, urmările producerii

acustice ale impulsului după parcurgerea diferitelor distanţe fiind proporţionale cu

amplitudinile imaginilor semnalelor apărute pe display (fig.4).

6

Fig.4

Amplitudinea semnalului ce a parcurs mediul de cercetat pe lungimea scade în

funcţie de aceasta după legea exponenţială:

unde: A0 - amplitudinea semnalului la intrarea în mediu

A - amplitudinea semnalului după ce a parcurs distanţa în mediul de cercetat

-constanta de atenuare.

Dacă avem posibilitatea să măsurăm oricare 2 amplitudini (A0 şi A) sau raportul

lor A0/A şi grosimea a stratului parcurs vom determina constanta de atenuare după

relaţia:

ln

În cazul metodei reflexie se utlizează un singur traductor aplicat la unul din

capetele probei de cercetate.

Acest traductor îndeplineşte atât rolul unui emiţător care trimite în proba de

cercetat un impuls ultrasonic cât şi a unui receptor care receptionează ecourile succesive,

rezultate în urma reflexiei impulsurilor pe suprafaţa proprie, opusă celei pe care se

găseşte palpatorul.

Imaginile care apar pe ecran, corespunzătoare ecourilor repetate au amplitudinile

din ce în ce mai mici, în caz ideal înfăşurarea lor fiind o funcţie exponenţială. Măsurând

amplitudinile An şi An-1 a două semnale succesive se poate determina constanta de

atenuare din relaţia:

7

ln

În cazul în care se măsoară amplitudinea primului semnal (A1) şi a celui de al n-

lea semnal (An) constanta de atenuare rezultă din relaţia:

În practică, determinarea constantei de atenuare este afectată de o serie de erori,

deoarece curba de descreştere a amplitudinilor ecourilor repetate nu este o exponenţială

perfectă, apǎrând pe ecranului tubului catodic şi unele vârfuri perturbatoare. Aceste erori

pot fi provocate de neparalelismul între suprafeţele reflectǎtoare ale eprubetei, de

divergenţa fascicolului ultrasonic în câmp depărtat, de vibraţia traductorului diferită de

cea a unui piston rigid, precum şi de cuplarea traductorului cu proba ce se cercetează.

Pentru reducerea cât mai mult a acestor efecte este indicat să se folosească unde

ultrasonice de frecvenţǎ coborâtǎ şi să se lucreze în câmp apropiat (proba de lungime

mică).

MOD DE LUCRU

Se va lucra ca şi mai sus cu un singur palpator cu rol dublu de emiţător şi

receptor.

Se va aplica palpatorul pe proba de oţel (îngropată în beton) cu lungimea cea mai

mică (sub l0 cm) cunoscută.

-Se alege funcţia PARAM

-Se verifică valoarea vitezei de 5900 m/s

-Gate 1 se aduce pe vârful primului ecou cu cursorii de poziţie. Se comută pe

meniul GATES şi se citeşte Gate 1 procentual. La fel se procedează şi pentru ecoul 2 şi

ecoul 3.

Se va determina coeficientul de atenuare cu una din formulele de mai sus.

Datele se vor trece în următorul tabel:

8

Nr.

crtProba

Lungimea

probei (m)An-1/An A1/An (m ) (m ) Obs.

9