Universitatea Ovidius Constana Facultatea de Inginerie Mecanic, Industrial i Maritim Specializarea: Calitate i Certificare n Construciile Sudate

Defectoscopia cu ultrasunete

Indrumtor:

Student:

Constana -2011-

Cuprins

Cuprins ............................................................................................................................................. 1 Testarea nedistructiva ....................................................................................................................... 3 Evaluarea nedistructiva .................................................................................................................... 3 Metode de control si evaluare nedistructiva ..................................................................................... 3 Testarea optic si vizuala ............................................................................................................. 4 Testarea cu lichide penetrante ...................................................................................................... 4 Testarea cu particule magnetice ................................................................................................... 4 Testarea prin curenti turbionari .................................................................................................... 4 Radiografia ................................................................................................................................... 5 Testarea cu ultrasunete ................................................................................................................. 5 Testarea cu emisii acustice ........................................................................................................... 5 Teste de scurgere .......................................................................................................................... 5 Principiile de baz ale testarii cu ultrasunete ................................................................................... 6 Istoria ultrasunetelor ......................................................................................................................... 8 nceputurile evaluarii nedistructive (NDE) ...................................................................................... 9 Stadiul actual al ultrasunetelor ....................................................................................................... 10 Direcia viitoare ale inspeciei cu ultrasunete ................................................................................ 11 Propagarea undelor sonore ............................................................................................................. 12 Moduri de propagare a undelor sonore ...................................................................................... 14 Proprieti ale undelor acustice plane............................................................................................. 16 Lungimea de und i detectarea defectelor ............................................................................... 16 Propagarea sunetului n materiale elastice ................................................................................. 17 Viteza sunetului .......................................................................................................................... 18 Proprietati ale materialului ce afecteaz viteza sunetului .......................................................... 18 Atenuarea undelor sonore........................................................................................................... 19 Impedana acustica ..................................................................................................................... 21 1

Reflecia i coeficieni de transmisie (de presiune) .................................................................... 21 Refracia si legea lui Snell .......................................................................................................... 22 Modul de conversie .................................................................................................................... 24 Raport semnal-zgomot ............................................................................................................... 25 Interaciunea undelor sau interferena ........................................................................................ 25 Traductoare piezoelectrice ............................................................................................................. 26 Campuri radiate ale traductoarelor de ultrasunete.......................................................................... 28 Concluzie........................................................................................................................................ 30 Bibliografie..................................................................................................................................... 31

2

Testarea nedistructivaDomeniul testarii nedistructive (NDT) este unul foarte larg;este un domeniu interdisciplinar care joac un rol critic n indeplinirea functiilor componentelor structurale i a sistemelor ntr-un mod eficient si in acelasi timp economic. Tehnicienii i inginerii definesc i pun teste pentru a localiza i caracterizeaza condiiile materialului i defectele care ar putea provoca altfel prabusirea avioanelor,cedarea reactoarelor, deraierea trenurilor, spargerea conductelor, o varietate de efecte mai puin vizibile, dar la fel de periculoase. Testele sunt efectuate ntr-un mod care nu afecteaz utilitatea viitoare a obiectului sau a materialului. Cu alte cuvinte, NDT permite inspectarea componentelor i materialelor, fr a le deteriora. Deoarece permite controlul fr a interfera cu utilizarea produsului final, NDT ofer un echilibru excelent ntre controlul calitii i eficiena costurilor. n general vorbind, NDT se aplic la inspeciile industriale. Desi tehnologiile folosite n NDT similare cu cele utilizate n industria medical, se aplica de obicei obiectelor lipsite de viata.

Evaluarea nedistructivaEvaluarea nedistructiva (NDE) este un termen care este adesea folosit alternativ cu NDT. Cu toate acestea, din punct de vedere tehnic, NDE este folosit pentru a descrie msurtori care sunt de natura cantitativa. De exemplu, o metod de NDE nu doar localizeaza un defect, ci in acelasi timp msoara ceva despre acest defect, cum ar fi dimensiunea, forma, i orientare. NDE pot fi utilizate pentru a stabili proprietile materialelor, cum ar fi rezistena la rupere, deformabilitate, i alte caracteristici fizice.

Metode de control si evaluare nedistructivaNumrul de metode NDT care pot fi folosite pentru inspectarea componentelor i efectuarea de msurtori in continuua crestere. Cercetatorii continua sa gaseasca noi modalitati de aplicare a fizicii i a altor discipline tiinifice pentru a dezvolta metode mai bune control nedistructiv. Cu toate acestea, exist ase metode NDT care sunt folosite cel mai des. Aceste metode sunt inspecia vizual, testarea cu lichide penetrante, testarea cu particule magnetice, testarea prin cureni turbionari, radiografie i testarea cu ultrasunete. Aceste metode i alte cteva sunt descrise pe scurt mai jos. 3

Testarea optic si vizuala

Inspecie vizual implic un inspector pentru descoperirea defectelor. Inspectorul poate utiliza, de asemenea, instrumente speciale, cum ar fi lupe, oglinzi sau borescoape pentru a avea acces i pentru a inspecta mai indetaliu zona de interes. Examinatorii vizuali urmeaza proceduri care variaz de la simple la foarte complexe.

Testarea cu lichide penetrante

Obiectele de testat sunt acoperite cu o soluie colorant vizibile sau fluorescenta. Excesul de vopsea este apoi indepartata dupa suprafa, i se aplica un revelator. Revelatorul acioneaz ca o sugativa, absorbind lichidul prins in imperfeciuni catre suprafata. La folosirea vopselelor vizibile, contrastul ntre lichidul penetrant i revelator face defevtele uor de vazut. La folosirea vopselelor fluorescente, lumina ultraviolet este folosit pentru a face vopseaua vizibila, permind astfel imperfectiunilor s fie uor vizibile.

Testarea cu particule magneticeAceast metod se realizeaza prin inducerea unui cmp magnetic ntr-un material feromagnetic i presararea suprafetei cu particule de fier (fie uscat sau suspendate n lichid). Imperfeciunile de suprafa, sau aproape de aceasta, denatureaz cmpul magnetic i concentreaza particulele de fier lng imperfeciuni, realizand identificarea vizual a defectului.

Testarea prin curenti turbionarintr-un material conductor sunt generati curenti electrici de catre un cmp magnetic alternativ indus. Curentii electrici formati se numesc cureni turbionari, deoarece curg n cercurile la i imediat sub suprafaa materialului. ntreruperile n fluxul de cureni turbionari, cauzate de imperfeciuni, modificri de dimensiune, sau modificri n proprietile materialului conductor i in permeabilitate, pot fi detectate cu echipament adecvat.

4

RadiografiaRadiografia implic utilizarea de radiaii penetrante gama sau X pentru a examina piese i produse pentru descoperirea imperfectiunilor. Un generator de raze X sau de izotopi radioactivi este folosit ca o surs de radiaii. Radiaie este directionata printr-o parte pe film sau alte mijloace media imagistice. Imaginea rezultata prezinta caracteristicile dimensionale ale piesei. Imperfeciunile posibile sunt indicate ca modificri ale densitatii pe film n acelai mod in care o radiografie medicala prezinta oase fisurate.

Testarea cu ultrasuneteUltrasunetele utilizeaza transmiterea undelor sonore de nalt frecven ntr-un material pentru a detecta imperfectiuni sau pentru a localiza modificri ale proprietilor materialelor. Tehnica cea mai frecvent utilizata in testare cu ultrasunete este cea cu impulsuri ecou, n care sunetul este introdus ntr-un obiect de testare i reflecii (ecouri) sunt returnate la un receptor de la imperfectiuni interne sau din suprafaele geometrice ale piesei.

Testarea cu emisii acusticeAtunci cnd un material solid este solicitat, imperfectiunile din material emit rafale scurte de energie acustice numit "emisii". Ca i n testarea cu ultrasunete, emisiile acustice pot fi detectate prin receptoare speciale. Sursele de emisie poate fi evaluat prin studiul intensitatii lor, rata de repetitie, i locaie.

Teste de scurgere

Mai multe tehnici sunt folosite pentru a detecta si localiza scurgeri n piese de limitare a presiunii, vase sub presiune, i a structurilor. Scurgerile pot fi detectate prin utilizarea dispozitivelor electronice de ascultare, msurtori manometrice, tehnici cu lichide i gaze penetrante, i / sau un simplu test cu bule de spun. 5

Principiile de baz ale testarii cu ultrasuneteTestarea cu ultrasunete folosete sunet de nalt frecven pentru a efectua examinrile i a face msurtori. Inspecia cu ultrasunete poate fi folosita pentru detectarea/ evaluare defectelor, msurri dimensionale, caracterizare material, i altele. Pentru a ilustra principiul general de inspecie, va fi utilizata o configuratie tipica puls /ecou aa cum este ilustrat mai jos. Un exemplu tipic de sistem de control UT este format din mai multe uniti funcionale, cum ar fi emitator /receptor, traductor, i dispozitivele de afiare. Un emitator / receptor este un dispozitiv electronic care poate produce impulsuri de nalt tensiune. Condus de emitator, traductorul genereaz energie ultrasonic de nalt frecven. Energia sunetului este introdus i se propag prin materiale n form de unde. Atunci cnd exist o discontinuitate (cum ar fi o fisura) n calea undei, o parte din energie va fi reflectat napoi de suprafaa defectului. Semnalul reflectat este transformat ntr-un semnal electric de traductor i este afiat pe un ecran. n figura de mai jos, puterea semnalului reflectat este afiata n funcie de timp de la generarea la semnalului atunc pana cnd un ecou a fost primit. Timpu de cltorie al semnalului poate fi direct legat de distana pe care semnalul a cltorit. Din semnal se pot obtine informaii despre locaia suprafetei reflectaore, dimensiunea, orientarea i alte caracteristici pot fi obtinute, uneori.

6

Inspecia cu ultrasunete este o metoda de control nedistructiv foarte util i versatila. Unele dintre avantajele controlului cu ultrasunete sunt: este sensibil att la discontinuiti de suprafa i interne. adncimea de penetrare pentru detectarea defectelor sau msurare este superioara altor metode de control nedistructiv. este nevoie doar de acces pe o singur fa atunci cnd tehnica impuls-ecou este folosita. este foarte precis n determinarea poziiei suprafetei reflectaore i estimarea dimensiunilor i a formei. doar un minim de pregtire este necesar. echipamentele electronice ofer rezultate instantanue. pot fi realizate imagini detaliate cu ajutorul sistemelor automatizate. are si alte utilizri, cum ar fi masurarea grosimii, pe langa defectoscopie. Ca toate metodele de control nedistructiv, controlul cu ultrasunete, de asemenea, are limitrile sale, care includ: suprafaa trebuie s fie accesibile pentru transmiterea ultrasunetelor. instruirea i formare profesional dureaza mai mult dect pentru alte metode. n mod normal este nevoie de un mediu de ajutator pentru a facilita transferul de energie sonora n specimenul de analizat. materialele care sunt aspre, cu forme neregulate, foarte mici, foarte subiri sau nu sunt omogene, sunt dificil de inspectat. fierul turnat i alte materiale cu graunti grosieri sunt dificil de inspectat din cauza transmisiei sunetului sczut i zgomotului de semnal mare. defectele liniare paralele orientate spre emitatorul de sunet poate trece nedetectate. standardele de referin sunt necesare att pentru calibrarea echipamentelor cat i pentru caracterizarea defectelor. Introducerea de mai sus ofer o imagine simplificat a metodei de control nedistructiv cu ajutorul ultrasunetelor. Cu toate acestea, pentru a efectua o inspecie n mod eficient cu ajutorul ultrasunetelor, trebuie s fie cunoscute mult mai multe despre aceasta metoda. Urmtoarele pagini vor prezenta informaii cu privire la tiin implicata n inspecia cu ultrasunete, echipamentele utilizate de obicei, unele din tehnicile de msurare utilizate, precum i alte informaii.

7

Istoria ultrasunetelornainte de al doilea rzboi mondial, sonarul, tehnica de a trimite unde sonore prin ap i observarea ecourilor ce se ntorceau pentru a caracteriza obiectele scufundate, a inspirat primele investigatii cu ultrasunete pentru a explora moduri de aplicare a conceptului in medicina. n 1929 i 1935, Sokolov a studiat utilizarea undelor ultrasonice n detectarea obiectelor metalice. Mulhauser, n 1931, a obinut un brevet pentru utilizarea undelor ultrasonice, cu ajutorul a dou traductoare pentru a detecta defecte n solide. Firestone (1940) i Simons (1945) au dezvoltat o metoda de testare cu ultrasunete cu ajutorul unei tehnici de tip impuls-ecou. La scurt timp dup ncheierea celui de-al doilea rzboi mondial, cercettorii din Japonia au nceput s exploreze capacitile de diagnostic medical cu ultrasunete. Primele instrumente cu ultrasunete foloseau o prezentare de tip A, cu pulsatii pe un ecran de osciloscop. Aceasta a fost urmat de o prezentare tip B, cu o imagine in dou dimensiuni, scara gri. Activitatea Japoniei in domeniul ultrasunetelor a fost relativ necunoscut n Statele Unite i Europa pn n anii 1950. Cercetatorii au prezentat apoi rezultatele lor comunitatii medicale cu privire la utilizarea de ultrasunete pentru a detecta calculi biliari, noduli la sn, i tumori. Japonia a fost, de asemenea, prima ar ce a aplicat ultrasunetele Doppler, o aplicatie a ultrasunetelor prin care se detecteaz obiecte interne n micare, cum ar fi curgerea sangelui prin inima pentru investigatii medicale. Pionierii ultrasunetelor din Statele Unite au contribuit cu multe inovaii i descoperiri importante n domeniu n urmtoarele decenii. Cercetatorii au nvat s foloseasc ultrasunete pentru a detecta cancerul potenial i pentru a vizualiza tumori n subieci vii i n esutul excizat. Obtinerea de imagini n timp real, un alt instrument important pentru diagnosticare medicala, a prezentat imagini cu ultrasunete direct pe ecranul sistemului CRT (monitor) in momentul scanarii. Introducerea efectului Doppler spectral i mai trziu Doppler color a permis reprezentarea n culori diferite pentru a indica viteza i direcia fluxului de sange. Statele Unite ale Americii, au produs primul scanner mobil pentru utilizarea clinic, a doua generatie de echipamente tip B, si prototipul pentru primul bra articulat cu scaner integrat cu imagini 2-D.

8

nceputurile evaluarii nedistructive (NDE)

Metodele de testare nedistructiva au fost practicat timp de multe decenii, cu evoluie iniial rapid n instrumentaie stimulat de progresele tehnologice care au avut loc n timpul celui de-al doilea rzboi mondial. La inceputuri, scopul principal a fost detectarea defectelor. Ca parte a design-ului "safe life" se dorea ca o structur s nu dezvolte defecte macroscopice n timpul vieii sale, aceste defecte, fiind o cauza pentru eliminarea componentei din exploatare. Ca rspuns la aceast nevoie, au aprut tehnici ce n ce mai sofisticate ce foloseau ultrasunetele, curenii turbionari, raze X, vopsele penetrante, particule magnetice, i altele. La nceputul anilor 1970, au avut loc dou evenimente care au cauzat o schimbare major n domeniul NDT. n primul rnd, mbuntirile n domeniul tehnologiei au condus la abilitatea de a detecta defecte mici, care a provocat respingerea mai multe piese, chiar dac probabilitatea de defectarea a unei componente nu se schimbase. Cu toate acestea, a aprut latura mecanica utilizarii , ceea ce a permis prezicerea dac o fisura avnd o dimensiune determinat va ceda sub o sarcin anume atunci cnd proprietile unui material de accentuare a fracturilor sunt cunoscute. Alte legi au fost elaborate pentru a prezice rata de cretere a fisurilor sub sarcin ciclic (oboseal). Odat cu apariia acestor instrumente, a devenit posibil s se accepte structuri care conin defecte n cazul n care dimensiunile acestor defecte sunt cunoscute. Acest lucru a constituit baza pentru noua filozofie de "toleran la defecte" de proiectare. Componentele avnd defecte cunoscute puteau continua n serviciu, atta timp ct putea fi stabilit c aceste defecte nu ar ajunge la dimensiuni care sa produca cedarea pisei. O nou provocare a fost astfel prezentata comunitatii de testare nedistructiva. Detectarea nu era suficient. Trebuiau obinute informaii cantitative despre dimensiunea defectelor pentru a servi ca date de intrare pentru aplicatiile de prezicere a perioadei de viata. Nevoia de informaii cantitative a fost deosebit de puternica n domniul aprarii i industriilor nucleare i a condus la apariia evaluarii nedistructive cantitative (QNDE), ca o nou inginerie / disciplina de cercetare. O serie de programe de cercetare din ntreaga lume au nceput, cum ar fi Centrul de Evaluare nedistructiv al Iowa State University (dezvoltat dintr-un efort de cercetare majore al Rockwell International Science Center); Institutul de Cercetare Electric Power din Charlotte, Carolina de Nord; Institutul Fraunhofer pentru control nedistructiv in Saarbrucken, Germania, i Centrul de testare nedistructiva n Harwell, Anglia.

9

Stadiul actual al ultrasunetelor

Testarea cu ultrasunete a fost practicata pentru multe decenii. evoluia iniial rapid n instrumentaie stimulata de avansurile tehnologice din 1950 continu i astzi. Prin anii 1980 i continund pn n prezent, computerele au oferit tehnicieni cu instrumente mai mici i mai robuste, cu capaciti mai mari. Stabilirea grosimii este o aplicatie la care instrumentele au fost rafinate pentru a face activitatea de colectare a datelor mai uoara i mai eficienta. Datele de control permit mii de msurtori care urmeaz s fie nregistrate i elimina necesitatea unei "scrib." Unele instrumente au capacitatea de a capta forme de und, precum i identificarea grosimii. Opiunea und permite unui operator vizualizarea sau revizuirea semnalului de msurare a grosimii la mult timp dup finalizarea unei inspecii. De asemenea, unele instrumente sunt capabile sa modifice msuratorile bazate pe condiiile de suprafaa ale materialului. De exemplu, semnalul de pe o suprafa interioar a unei conducte ar fi tratate n mod diferit dect o suprafata neteda. Acest lucru a dus la msurtori de teren mult mai precise si repetabile. Multe detectoare de defecte cu ultrasunete au o funcie trigonometrica ce permite determinarea rapid i localizarea exact a defectelor la efectuarea unor inspecii. Tuburile catodice, pentru cea mai mare parte, au fost nlocuite cu ecrane LED sau LCD. Aceste ecrane, n majoritatea cazurilor, sunt extrem de uor de citit ntr-o gam larg de iluminare ambiental. Luminoase sau nu, conditiile de lucru ntlnite de tehnicieni au un efect redus asupra capacitii citire pe ecran. Ecranele au posibilitatea ajustarii luminozitatii, contrastului, iar pe unele instrumente chiar culoarea ecranului i semnalul pot fi selectate. Traductoare pot fi programate cu setri prestabilite. Singurul operator va sa conecteze traductorul i instrumentul va stabili variabile, cum ar fi frecventa si adancimea sondei. mpreun cu calculatoarele, controlul micrii i robotic au contribuit la avansarea inspeciilor cu ultrasunete. La nceput, avantajul unei platforme staionare a fost recunoscut i folosit n industrie. Calculatoarele pot fi programate pentru a inspecta componente mari, forme complexe, cu unul sau mai multe traductoare de colectarea a informaiilor. Sistemele automatizate de obicei consta ntr-un rezervor de imersiune, sistem de scanare, precum i sistemul de nregistrare pentru o imprimare a scanarii. Rezervorul de imersie poate fi nlocuit cu un sisteme de stropitori, care permite sunetului sa fie transmise printr-o coloan de ap. Scanarea de tip C rezultat ofer o vedere de sus sau plana a componentei. Scanarea componentelor este considerabil mai rapida dect scanarea manuala. Informaiile scanarii sunt colectate de un calculator pentru evaluare, transmitere ctre un client, i arhivare. In prezent, au fost dezvoltate teorii cantitative pentru a descrie interaciunea dintre domeniile ce necesita investigarea 10

defectelor. Modele care ncorporeaz rezultatele au fost integrate cu descrieri ale modelului solid, cu geometrie reala pentru a simula inspectii practice. Instrumente asociate permit NDE s fie luata n considerare n timpul procesului de proiectare pe picior de egalitate cu alte discipline de inginerie legate de cedarea materialului. Descrieri cantitative ale performanei NDE, cum ar fi probabilitatea de detectare (POD), au devenit o parte integrant a evalurii riscurilor statistice. Procedurile de msurare elaborate iniial pentru metale au fost extinse la materiale din inginerie, cum ar fi compozitele, n cazul n care anizotropia si neomogenittea au devenit probleme importante. Progresele rapide n capacitile de digitalizare i de calcul au schimbat total feele multor instrumente i tipul de algoritmi care sunt utilizati n prelucrarea datelor rezultate. Au aparut sistemele de imagistic de nalt rezoluie i multiplele modaliti de msurare pentru caracterizarea unui defect. Interesul este n cretere nu numai n detectarea, caracterizarea, i dimensionarea defectelor, dar, de asemenea, n caracterizarea materialelor. Tintele variaz de la determinarea caracteristicilor fundamentale microstructurale cum ar fi dimensiunea grauntilor, porozitate, i textura (orientare preferata a grauntilor), la determinarea proprietilor materialului legate de mecanismele de cedare, cum ar fi oboseala, fluaj, i de accentuare a fisurilor. Pe msur ce tehnologia continu s avanseze, aplicatii ale ultrasunete, avnseaza de asemenea. Sistemele de imagistica de inalta rezolutie din laboratoarle de astzi vor fi instrumentele tehnicianului de mine.

Direcia viitoare ale inspeciei cu ultrasunetePrivind spre viitor, cei din domeniul de NDE observa un set interesant de noi oportuniti. Apararea i industriile nucleare au jucat un rol major n apariia de NDE. Creterea concurenei la nivel mondial a dus la schimbari dramatice in dezvoltarea de produse i ciclurile de afaceri. n acelai timp, infrastructura invechita, de la drumuri la cladiri si aeronave, prezint un nou set de provocri de msurare i de monitorizare pentru ingineri, precum i tehnicieni. Printre noile aplicaii ale NDE generate de aceste modificri este creterea accentului pus pe utilizarea de NDE pentru a mbunti productivitatea proceselor de fabricaie. Evaluarea nedistructiva cantitativa (QNDE) crete cantitatea de informaii despre modurilor de defectare i in acelasi timp creste viteza cu care informaiile pot fi obinute i faciliteaz dezvoltarea de msurtori in linie pentru controlul procesului. Fraza, "nu poi inspecta n calitate, trebuie s construiesti in calitate", exemplifica concentrarea industriei pe evitarea formarii de defecte. Cu toate acestea, defectele de fabricaie nu vor fi niciodat complet eliminate i pagubele materiale vor continua s 11

apar n exploatare, astfel dezvoltarea continu a metodelor de detectare a defectelor i tehnici de caracterizare este necesara. Instrumentele avansate de simulare, care sunt concepute pentru inspectabilitate i integrarea lor n strategiile de management cantitativ pentru via va contribui la creterea numrului i tipurilor de aplicaii in inginerie a NDE. Cu o cretere n aplicaiile ingineresti pentru NDE, va exista nevoia de a extinde baza de cunotine a tehnicienilor ce efectueaza evalurile. Instrumente avansate de simulare utilizate n proiectarea pentru inspectabilitate pot fi folosite pentru a oferi studenilor din domeniul tehnic o mai bun nelegere a comportamentului sunetului n materiale. UTSIM, dezvoltat de Iowa State University, ofer o perspectiv n ceea ce pot fi utilizate n clasele tehnice ca un instrument interactiv de laborator. In timp ce globalizarea continu, companiile vor ncerca s dezvolte, cu o frecven tot mai mare, practici uniforme internaionale. n zona de NDE, aceast tendin va pune accentul pe standarde, oferte mbuntite de nvmnt, i simulri care pot fi comunicate pe cale electronic. n urmtorii ani NDE va continua s apar ca o disciplina de inginerie cu drepturi depline.

Propagarea undelor sonoreTestare cu ultrasunete se bazeaz pe deformatii variabile n timp sau vibraii n materiale, stiinta cunoscuta, n general, ca acustica. Toate substanele materiale sunt formate din atomi, care pot fi fortati n micare de vibraie in raport cu poziiile lor de echilibru. Multe modele diferite de micare de vibraie exist la nivel atomic, cu toate acestea, cele mai multe sunt irelevante pentru acustica si testarea cu ultrasunete. Acustica este axata pe particule care contin multi atomi care se mic la unison pentru a produce un val mecanic. Atunci cnd un material care nu este solicitat cu o tensiune sau o compresie dincolo de limita elastic, particulele sale individuale efectueaza oscilaii elastice. Atunci cnd particulele unui mediu sunt strmutate din poziiile lor de echilibru, apar fortele interne (electrostatice) de revenire. Aceste fore elastice de revenire dintre particule, combinate cu ineria particulelor, duc la micri oscilatorii ale mediului. n solide, undele sonore se pot propaga n principiu in patru feluri care se bazeaz pe modul n care particulele oscileaza. Sunetul se poate propaga ca unde longitudinale, unde de forfecare, unde de suprafata, i n materialele subtiri ca unde plane. Undele longitudinale i cele de forfecare sunt modurile de propagare cele mai utilizate pe scar larg n testarea cu ultrasunete. Micarea particulelor responsabila de propagare undelor longitudinale i de forfecare este ilustrat mai jos.

12

La undele longitudinale, oscilaiile au loc pe direcie longitudinal sau pe direcia de propagare a undei. Deoarece forele compresionale i dilationale sunt active n aceste unde, ele sunt, de asemenea numite presiune sau compresie a undei. Acestea sunt, de asemenea, uneori numite densitatea undei deoarece densitatea acestora particulelor fluctueaz dup cum se mic. Undele de compresie pot fi generate n lichide, precum i in solide, deoarece energia se propaga prin structura atomica printr-o serie de miscari de comprimare i expansiune (rarefiere).

La undele transversale sau de forfecare, particulele oscileaza la un unghi drept sau transversal fa de direcia de propagare. Undele de forfecare necesit un material acustic solid pentru propagare eficient, i, prin urmare, nu sunt efectiv propagate n materiale, cum se 13

intampla la lichide sau gaze. Undele de forfecare sunt relativ slabe n comparaie cu cele longitudinale. De fapt, undele de forfecare sunt de obicei generate n materiale folosind o parte din energia undelor longitudinale.

Moduri de propagare a undelor sonoren aer, sunetul calatoreste prin comprimare i rarefiere a moleculelor de aer, n direcia de deplasare. Cu toate acestea, n solide, molecule pot suporta vibraii n alte direcii, prin urmare, o serie de tipuri diferite de unde sonore sunt posibile. Undele poate fi caracterizate n spaiu prin modele oscilatorii care sunt capabile s-si menin forma i sa se propage ntr-un mod stabil. Aa cum am menionat anterior, undele longitudinale i transversale (de forfecare) sunt cel mai des folosite n inspecile cu ultrasunete. Cu toate acestea, la suprafee i interfee, diferite tipuri de vibraii eliptice sau vibratii complexe ale particulelor fac posibile alte tipuri de unde. Unele dintre aceste tipur de unde, cum ar fi undele Rayleigh i Lamb sunt, de asemenea, utile pentru inspeciile cu ultrasunete. Tabelul de mai jos rezum multe, dar nu toate, dintre modurile de unde posibile n solide. Tipuri de unde in solide Longitudinale Transversale (de forfecare) De suprafata- Rayleigh Vibratii ale particulelor Paralel cu directia de propagare Perpendicular pe directia de propagare Orbita eliptica mod simetric 14

Unde plane - Lamb Unde plane - Love Stoneley permeabile) Sezawa (Unde

Componenta perpendiculara pe suprafata (unda extensie) Paralele cu planul de baza, perpendiculare pe directia de propagare Rayleigh Unde ghidate de-a lungul suprafetei de contact Mod antisimetric

Undele longitudinale si transversale au fost discutate pe pagina anterioar, asa ca mai departe vom discuta despre undele de suprafa i cele plane. Undele de suprafa (sau Rayleigh) cltoresc pe suprafaa unui material solid relativ groas ptrunzand la o adncime de o lungime de und. Undele de suprafa o micare longitudinal i transversal pentru a crea micarea pe orbit eliptic aa cum se arat n imaginea de mai jos i. Axa principala a elipsei este perpendiculara pe suprafaa solidului. Pe masura ce adncimea unui atom individual din suprafaa crete, limea micarii sale eliptice scade. Undele de suprafata sunt generate cnd o unda longitudinala intersecteaz o suprafa la un unghi paropiat de unghiul critic i se deplaseaz la o vitez ntre 0.87 i 0.95 dintr-o unda de forfecare. Undele Rayleigh sunt utile, deoarece acestea sunt foarte sensibile la defecte de suprafa (i alte caracteristici de suprafa) i urmresc suprafetele curbe. Din aceasta cauza, undele Rayleigh pot fi folosit pentru a inspecta zonele pentru a caror inspectie alt tip de unde ar fi mai dificil de folosit.

Undele plate sunt similare undelor de suprafa, cu excepia ca acestea pot fi generate n materiale cu o grosime de cteva lungimi de unda. Undele Lamb sunt undele cele mai frecvente unde plane utilizate in testarea nedistructiva. Undele Lamb sunt unde vibrationale complexe, care se propag paralel cu suprafaa de ncercare prin toat grosimea materialului. Propagarea undelor Lamb depinde de densitatea i proprietile elastice ale materialului componentei analizate. Ele sunt influenate, de asemenea, de frecven folosita i de grosimea materialului. 15

Undele Lamb sunt generate la un unghi incident n care componenta paralela a vitezei de unda n surs este egal cu viteza undei n materialul de testat. Undele Lamb vor cltori civa metri n oel i astfel sunt utile pentru a scana placi, fire i tuburi. Cu undele Lamb, sunt posibile mai multe moduri de vibraie a particulelor, dar cele mai comune dou sunt simetrice i asimetrice. Micare complexa a particulelor este similara cu orbitele eliptice ale undelor de suprafata. Undele Lamb simetrice se misca ntr-un mod simetric fa de planul median al plcii. Acest lucru este numit uneori modul extensional pentru c unda ntinde i comprima placa n direcia de micare a undei. Micarea ondulatorie n modul simetric este cel mai eficient produsa atunci cnd fora solicitanta este paralela cu placa.Modul asimetric al undelor Lamb este adesea numit "modul de incovoiere", deoarece o mare parte din miscari ntr-o direcie normal, i cu o mica micare n direcie paralel cu placa. n acest mod, corpul plcii se curbeaza datorita deplasarii a dou suprafee n aceeai direcie.

Proprieti ale undelor acustice planeLungimea de und i detectarea defectelor

La testarea cu ultrasunete, inspectorul trebuie s ia o decizie cu privire la frecvenele traductorului care vor fi utilizate. Schimbarea frecventei cand viteza sunetului este fixa va duce la o schimbare n lungimea de und a sunetului. Lungimea de und a ultrasunetelor folosite are un efect semnificativ asupra probabilitatatii de a detecta o discontinuitate. O regula generala este ca o discontinuitate trebuie s fie mai mare dect o jumtate din lungimea de und pentru a exista o ans rezonabil de a fi detectata. Sensibilitatea i rezoluia sunt doi termeni care sunt adesea folositi n inspecie cu ultrasunete pentru a descrie capacitatea tehnica de a localiza defecte. Sensibilitatea este abilitatea de a localiza discontinuiti mici. Sensibilitate, n general, crete cu frecven (lungimi de und mai scurte). Rezoluia este capacitatea sistemului de a localiza discontinuiti care sunt apropiate n material sau situate n apropierea suprafeei. Rezoluie, de asemenea, n general, crete pe msur ce crete frecvena. Frecvena undei poate afecta inspecia n moduri adverse. Prin urmare, selectarea frecvenei optime pentru inspecie implic meninerea unui echilibru ntre rezultatele favorabile i nefavorabile. nainte de a selecta o frecven pentru inspecie ar trebui s fie luate n considerare structura grauntilor materialului i grosimea, tipul posibilelor defecte, dimensiunea i locaia probabila. Pe msur ce crete frecvena, sunetul tinde s se imprastie datorita grauntilor mari si datorita unor mici imperfeciuni n cadrul materialului. Materialele turnate au adesea structura grosiera i alte defecte ce risipesc sunetul, motiv pentru care necesit frecvene mai mici pentru a 16

evalua acest tip de produse. Produsele forjate cu structura de graunte rafinata i direcionala pot fi de obicei inspectate cu traductoare de frecven mare. Din moment ce ntr-un material mai multe lucruri pot sa imprastie o parte din energia sunetului la frecvene mari, puterea de penetrare (sau adncimea maxim la care defecte pot fi localizate), este, de asemenea, redusa. Frecvena are, de asemenea, un efect asupra formei fasciculului de ultrasunete. Imprastierea fascicului, sau divergena fasciculului de la axa centrala a traductorului, i modul n care este afectat de frecven vor fi discutate mai trziu. Trebuie de menionat, astfel nct s nu exizte confuzie, c un numr de alte variabile pot afecta capacitatea ultrasunetelor de a localiza defecte. Acestea includ lungimea pulsului, tipul i tensiunea aplicat cristalului, proprietile cristalului, materialul suport, diametrul traductorului, precum i circuitele instrumentelor.

Propagarea sunetului n materiale elasticen paginile anterioare, s-a subliniat faptul c undele sonore se propaga datorita vibratiilor sau micrilor oscilatorii ale particulelor ntr-un material. O unda de ultrasunete poate fi vizualizata ca un numr infinit de mase oscilante sau particule conectate prin intermediul unor arcuri elastice. Fiecare particula este influenat de micarea vecinului su cel mai apropiat i att forele de inerie cat i fortele de revenire elastica actioneaza asupra fiecarei particule. O mas pe un arc are o singur frecven de rezonan determinata de constanta elastica, k, i de masa sa m. Constanta elastic este fora de revenire a unui arc pe unitate de lungime. n limita elastic a oricarui material, exist o relaie liniar ntre deplasarea unei particule i fora ce ncearca sa restabileasca poziia de echilibru a particulelor. Aceast dependen liniar este descris de Legea lui Hooke. n ceea ce privete modelul de arc, Legea lui Hooke spune c fora de revenire datorate unui arc este proporional cu lungimea pe care arcul este ntins, i acioneaz n direcia opus. Matematic, Legea lui Hooke este scris ca F =- kx, unde F este fora, k este constanta elastic, i x este cantitatea de particule deplasare. Legea lui Hooke este reprezentata grafic in dreapta. V rugm s reinei c arcul aplica o fora care este egal i opus cu fora ce trage n jos particulele.

17

Viteza sunetului

Legea lui Hooke, atunci cnd este utilizat impreuna cu a doua lege a lui Newton, poate explica unele lucruri despre viteza sunetului. Viteza sunetului n cadrul unui material este funcie de proprietile materialului i este independent fata de amplitudinea undei sonore. A doua lege a lui Newton spune ca fora aplicat unei particule va fi echilibrata de masa i accelerarea particulelor. Matematic, a doua lege a lui Newton este scris ca F = ma. Legea lui Hooke spune ca aceast for va fi echilibrat de o for opus care este dependent de marimea deplasarii i constanta arcului (F =-kx). Prin urmare, din moment ce fora aplicat i fora de revenire sunt egale, ma =-kx. Semnul negativ indic faptul ca fora este n direcia opus. Deoarece masa, m, i constanta elastic, k, sunt constante pentru orice material dat, se poate observa ca doar acceleraia a i deplasarea, x, sunt variabile. Se popate observa c ele sunt si direct proporionale. De exemplu, n cazul n care deplasarea particulelor creste, va creste si acceleratia. Rezulta ca timpul necesar unei particule s se miste i s revin la poziia sa de echilibru este independent in raport cu fora aplicat. Deci, ntr-un anumit material, sunetul cltorete intotddeauna cu aceeasi viteza, indiferent ct de mare este for aplicata, atunci cnd alte variabile, cum ar fi temperatura, sunt pastrate constante.

Proprietati ale materialului ce afecteaz viteza sunetuluiDesigur, sunetul cltorete la viteze diferite in diferite materiale. Acest lucru se datoreaz faptului c masa particulelor atomice i constantele arcurilor sunt diferite pentru diferite materiale. Masa particulelor este legat de densitatea materialului, i constanta arcului este legat de constantele elastice ale unui material. Relaia general dintre viteza sunetului ntr-un solid i densitatea i constantele elastice este data de ecuaia urmtoare:

Unde V este viteza sunetului, C este constanta elastic, iar p este densitatea materialului. Aceast ecuaie poate lua o serie de forme diferite, n funcie de tipul de unda (longitudinale sau de forfecare) i care dintre constantele elastice sunt folosite. Constantele elastice tipice ale unui material includ:

18

modulul lui Young, E: o constanta de proporionalitate ntre solicitarile radiale i solicitarile axiale. raportul lui Poisson, n: raportul intre solicitari radiale si solicitari axiale modul Bulk, K: o msur a incompresibilitatii unui corp supus presiunii hidrostatice. modulul de forfecare(rigiditate), G: o msur a rezistenei a unei substane la forfecare. constanta lui Lame, l i m: constante de material ce deriva din modulul lui Young i coeficientul lui Poisson. Atunci cnd se calculeaz viteza unei unde longitudinale, modulul lui Young i coeficientul lui Poisson se utilizeaza frecvent. Atunci cnd se calculeaz viteza unei de forfecare, modulul de forfecare este utilizat. Este adesea mai convenabil pentru calcule folosirea constantei lui Lame, care deriva din modulul lui Young i raportul lui Poisson. Trebuie menionat ca indicele ij ataat n ecuaia de mai sus este folosit pentru a indica directia constantelor elastice cu privire la tipul de unda i direcia de deplasare a undei. n materiale izotrope, constantele elastice sunt aceleai pentru toate direciile n interiorul materialului. Cu toate acestea, majoritatea materialelor sunt anizotrope i constantele elastice difer cu fiecare direcie. De exemplu, ntr-o rola de aluminiu laminat, grauntii sunt alungiti ntr-o direcie i comprimati n celelalte, iar constantele elastice pentru direcia longitudinal sunt diferite de cele pentru direciile transversale. Viteze aproximative ale sunetului n materialele: aluminiu - 0.632 cm / microsecund oel - 0.589 cm / microsecund fonta - 0.480 cm / microsecund. Exemple ale viteze aproximative sunet de forfecare n materialele sunt: aluminiu - 0.313 cm / microsecund oel - 0.324 cm / microsecund fonta - 0.240 cm / microsecund. Atunci cnd se compar viteza compresionala i cea de forfecare, se poate observa ca viteza de forfecare este aproximativ o jumtate din cea a vitezei compresionale.

Atenuarea undelor sonore

Cnd sunetul calatoreste printr-un mediu, intensitatea acestuia scade cu distana. n material ideal, presiunea acustic (amplitudinea semnalului) este redus prin imprastierea undei. Materialele naturale produc un efect care reduce i mai mult sunetul. Acesta rezulta din imprastiere si absorbtie. mprtierea este reflectarea sunetului n alte direcii dect direcia iniial de propagare. 19

Absorbia este de conversia energiei sunetului in alte forme de energie. Efectul combinat ale difuzrii i absorbiei se numete atenuare. Atenuarea ultrasunetelor este rat de descretere a undei, dartorita propagrii prin materialului. Atenuare sunetului ntr-un materialului nu este adesea de interes. Cu toate acestea, proprietile fizice i condiiile de ncrcare pot fi legate de atenuare. Atenuarea deseori servete ca un instrument de msurare ce duce la formarea de teorii pentru a explica fenomene fizice sau chimice ce scad intensitatea ultrasunetelor. Schimbarea amplitudinii unei unde plane ce se descompune poate fi exprimat ca:

n aceast expresie A0 este amplitudinea de propagare neamortizata a undei catre o locaie. Amplitudinea A este amplitudinea redusa dup ce unda a parcurs o distan z de la locaia initiala. Cantitatea este coeficientul de atenuare ale undei ce cltoreste n direcia z. Unitatea de masura este nepers / lungime; un neper este o cantitate adimensional.Termenul este constanta lui Napier, care este egal cu aproximativ 2.71828. Valoarea atenurii n Nepers pe metru (Np / m) poate fi convertita la decibeli / lungime prin mprirea la 0.1151. Decibelul este o unitate de masura mult mai comuna atunci cnd se face referire la amplitudinile a dou semnale. Atenuarea este, n general, proporional cu ptratul frecvenei sunetului. Valorile cotate ale atenuarii sunt adesea stabilite pentru o singur frecven, sau o valoare medie a atenurii mai multor frecvene. De asemenea, valoarea real a coeficientului de atenuare pentru un anumit material este foarte dependent de modul n care materialului a fost fabricat. Astfel, valorile citate ale atenuarii ofera numai o indicaie orientativa i nu ar trebui s fie considerate de baza. n general, o valoare fiabil a atenurii poate fi obinuta numai prin determinarea atenurii experimental pentru anumit material utilizat. Atenuarea poate fi determinat prin evaluarea reflexiei multiple observata ntr-o scanare tip A. Numrul de decibeli ntre dou semnale adiacente este msurat i aceast valoare este mprita la intervalul de timp ntre ele. Acest calcul produce un coeficient de atenuare n decibeli pe unitatea de timp. Aceast valoare poate fi convertita la nepers / lungimea de urmtoarea ecuaie:

Unde v este viteza sunetului n metri pe secund i Ut este n decibeli pe secund.

20

Impedana acusticaSunetul calatoreste prin material sub influena presiunii acustice. Deoarece moleculele sau atomii unui solid sunt legati elastic unul de altul, rezulta un exces de presiune in unda ce se propaga prin solid. Impedana acustic (Z) a unui material este definit ca produsul dintre densitatea (p) i viteza acustica (V).

Z = pVImpedan acustic este importanta n: 1. determinarea transmiterii acustice i reflecie la limita a dou materiale care au impedanele acustice diferite. 2. proiectarea de traductoare ultrasonice. 3. evaluarea absorbiei sunetului ntr-un mediu.

Reflecia i coeficieni de transmisie (de presiune)

Undele ultrasonice sunt reflectate la granie n cazul n care exist o diferen n impedanele acustice (Z) ale materialelor de pe fiecare parte a frontierei. Aceast diferen n Z este denumita n mod obinuit ca nepotrivire impedan. Cu cat mai mare este nepotrivirea impedanei, cu atat este mai mare procentul de energie ce va fi reflectat la interfaa sau granita dintre do medii diferite. Fraciunea intensitatii undei incidente ce se reflect pot fi derivate, deoarece viteza particulelor i presiunile locale in particule trebuie s fie continu la traversarea graniei. n cazul n care impedanele acustice ale materialelor de pe ambele pri ale frontierei sunt cunoscute, fraciunea intensitatii undei incidente ce este reflectata poate fi calculata cu ecuaia de mai jos. Valoarea produs este cunoscut sub numele de coeficient de reflexie.

Deoarece cantitatea de energie reflectat plus energia transmisa trebuie s fie egal cu energia incidenta totala, coeficientul de transmisie este calculat prin scderea din coeficientul de reflexie.

21

n cazul n care reflecia i transmiterea la interfee este urmarita prin componenta, doar un mic procent al energiei originale revine la traductor, chiar i atunci cnd pierderea prin atenuare este ignorata. De exemplu, considerm o inspecie prin imersiune unui blocului de oel. Energia sunetului paraseste traductorul, cltorete prin ap, se confrunt cu suprafaa frontal a oelului, ntlnete suprafaa din spate a oelului i este reflectata napoi prin suprafaa frontal pe drumul spre traductor. La interfaa oel /ap (suprafaa frontal), 12% din energie este transmis. La suprafaa din spate, 88% din 12% ce a trecut prin suprafaa frontal este reflectat. Asta inseamna 10,6% din intensitatea undei incident iniiale. Ca unda iese din piesa prin suprafa frontal, doar 12% din 10.6% sau 1,3% din energia originala este transmis napoi la traductor.

Refracia si legea lui SnellAtunci cnd o unda de ultrasunete trece printr-o interfa ntre dou materiale la un unghi oblic, i materiale au indici diferiti de refracie, att unde reflectate cat si unde refractate sunt produse. Acest lucru se intampla si cu lumina, motiv pentru care obiectele vzuteprintr-o interfa par a fi mutat relativ cu pozitia n care acestea sunt ntr-adevr. De exemplu, dac te uii drept n jos, la un obiect aflat in partea de jos a unui pahar cu ap,pare mai aproape dect este n realitate. O modalitate buna de a vizualiza modul n care se refract lumina si sunetul este sa directionam lumina unei lanterne ntr-un castron cu ap uor tulbure observnd unghiul de refracie cu privire la unghiul de incidenta. Refracia are loc la o interfa din cauza vitezelor diferite ale undelor acustice n cadrul celor dou materiale. Viteza sunetului n fiecare materialu este determinata de proprietile materialului (modulul de elasticitate i densitatea) pentru acel material. In imaginea de mai jos, o serie de unde plane trec printr-un singur material i intr ntr-un al doilea material care are o viteza acustica mai mare. Prin urmare, atunci cnd valul ntlnete interfaa dintre aceste dou materiale, poriunea ale undeiaflate n al doilea material se misca mai repede dect poriunea undei din primul material. Se poate observa ca acest lucru face ca unda s se curbeaza.

22

Legea lui Snell descrie relaia dintre unghiurile i vitezele undelor. Legea lui Snell echivaleaza raportul dintre vitezele materialului V1 i V2 cu raportul intre sinusul unghiului de incidenta ( ) i cel al unghiului de refractie ( ), aa cum se arat n urmtoarea ecuaie.

Unde: VL1 este viteza undei longitudinale n materialului 1. VL2 este viteza undei longitudinale n materialului 2.

Reinei c n diagrama, se prezinta o und reflectat longitudinal (VL1 "). Aceast und este reflect la acelai unghi cu cel al undei incidente, deoarece cele dou unde cltoresc n acelai material, au, prin urmare, aceeasi viteza. Aceast und reflectat nu este important n explicaia noastr a legii lui Snell, dar trebuie amintit c o parte din energia undei este reflectat la interfaa. Atunci cnd unda se deplaseaz longitudinal de la un material mai lent la un material mai rapid, exist un unghi incident ce face unghiul de refracie al undei sa fie 90 grade. Acest lucru este cunoscut ca primul unghi critic. Primul unghi critic poate fi gsit din legea lui Snell prin folosirea unui unghi de 90 pentru unghiul razei refractate. La unghiul de inciden critic, mare parte din energia acustica este sub forma unei unde de compresie neomogene, care se deplaseaz de-a lungul interfeei i se dezintegreaz exponenial cu adncimea fata de suprafata. Aceast 23

unda este uneori menionat ca o "unda fluaj." Din cauza naturii lor neomogene i faptului c acestea descompun rapid, undele fluaj nu sunt utilizate la fel de mult ca undele de suprafata Rayleigh n NDT. Cu toate acestea, undele fluaj sunt uneori mai folositoare dect unde Rayleigh, deoarece acestea se modifica mai puin din cauza neregulilor suprafeei i microstructurii grosiere a materialului datorita lungimii lor de unda mai mari.

Modul de conversieCnd sunetul cltorete ntr-un materialului solid, o form de energie a undelor poate fi transformat ntr-o alt form. De exemplu, atunci cnd o unda longitudinala loveste o suprafata la un unghi, o parte din energia poate provoca micarea particulelor n direcie transversal pentru a ncepe o unda de forfecare (transversala). Modul de conversie apare atunci cnd o unda ntlnete o interfa ntre materiale cu impedane acustice diferite i unghiul de incident nu este normal la suprafata. n seciunea precedent, a fost subliniat faptul c, atunci cnd undele sonore trec printr-o suprafata ntre materiale care au viteze acustice diferite, refracia are loc la interfaa. Cu cat mai mare diferena ntre vitezele acustice ale celor dou materiale, o mai mare parte din sunet este refractata. Unda de forfecare nu este refractata fel de mult ca unda longitudinal. Acest lucru se ntmpl deoarece unda de forfecare cltoreste mai lent dect unda longitudinala. Prin urmare, diferena dintre viteza undei incidente longitudinala i unda de forfecare nu este la fel de mare cum este ntre undele incidente i undele longitudinale refractate. De asemenea, reinei c atunci cnd o unda longitudinal este reflectat n interiorul materialului, unda de forfecare reflectat este reflectata intr-un unghi mai mic decat unda longitudinala reflectat. Acest lucru se datoreaz faptului c viteza de forfecare este mai mic dect viteza longitudinal ntr-un anumit material. Legea lui Snell este valabil atat pentru undele de forfecare, cat si pentru undele longitudinale i poate fi scris dup cum urmeaz:

Unde: VL1 este viteza undei longitudinale n materialului 1. VL2 este viteza undei longitudinale n materialului 2. VS1 este viteza undei de forfecare n materialului 1. VS2 este viteza undei de forfecare n materialului 2 24

Raport semnal-zgomotntr-o pagin anterioar, s-a discutat efectul frecvenei i lungimii de und asupra detectabilitatii defectelor. Cu toate acestea, detectarea unui defect implic muli ali factori dect relaia dintre lungimea de und i dimensiunea defectului. De exemplu, cantitatea de sunet ce se reflect de la un defect depinde si de nepotrivirea ntre impedana acustic a defectului i materialului din jur. Un gol este, n general, un reflector mai bun dect o incluziune metalica, deoarece nepotrivirea de impedanta este mai mare ntre aer i metal dect ntre dou metale. Adesea, materialele nconjurtoare au reflecii concurente. Microstructura grauntilor n metale i agregate de beton sunt doar doua exemple. O msur bun pentru a detecta un defect este valoarearaportului semnal-zgomot (S / N). Raportul semnal-zgomot este o msur a modului n care semnalul de la defect se compar cu alte reflecii de fundal (clasificate ca "zgomot"). Un raport semnal-zgomot de 3-1 este adesea necesar ca un nivel minim. Nivelul de zgomot absolut i puterea absolut a unui ecou de la un "mic" defect depinde de o serie de factori, care includ: dimensiunea sondei i proprietile focale. frecventa sondei, lime de band i eficiena. calea de inspecie i distana (ap i / sau solid). interfaa (curbur de suprafa i rugozitatea). locaia defectului cu privire la fasciculul incident. zgomotul inerent al microstructurii metalului. reflexia inerenta a defectului, care depinde de impedanta sa acustica, dimensiune, forma i orientare. fisurile i defectele volumetrice pot reflecta undele ultrasonice destul de diferit. Multe fisuri sunt "invizibile", dintr-o direcie i reflectoare puternice din alta directie. defectele mmultifatetate vor avea tendina de a risipi sunet departe de traductor.

Interaciunea undelor sau interferenaObiectul interaciunii undelor trebuie s fie discutat, deoarece este important pentru nelegerea performanelor unui traductor ultrasonic. Pe paginile anterioare, propagarea undei a fost discutata pentru cazul n care o singura unda sinusoidal era propagata prin material. Cu toate acestea, sunetul ce provine de la un traductor ultrasonic nu vine dintr-un singur punct, ci provine din mai multe puncte de-a lungul suprafeei elementului piezoelectric. Rezultatul este un cmp de sunet cu multe unde care interacioneaz sau interfereaz intre ele.

25

Cnd undele interacioneaz, se suprapun una pe cealalta, i amplitudinea presiunii sunetului sau deplasarea particulelor n orice moment al interaciunii este suma amplitudinilor celor dou unde individuale. n primul rnd, s considerm dou unde identice, dar care provin din acelai punct. Atunci cnd acestea sunt n faz (astfel nct varful si baza uneia sunt exact aliniate cu ale celeilalte), ele se combin pentru a dubla deplasarea a undei, fie acionnd singure. Atunci cnd sunt complet defazate (n aa fel nct vrful unei undei este aliniat exact cu baza celeilalte unde), ele se combin pentru a se anula reciproc. Cnd cele dou unde nu sunt complet n faza sau complet defazate, unda rezultat este suma amplitudinilor undei pentru toate punctele de-a lungul undei.

Traductoare piezoelectriceConversia impulsurilor electrice in vibratii mecanice i conversia vibraiilor mecanice n energie electric constituie baza pentru testarea cu ultrasunete. Elementul activ este inima traductorului, deoarece transform energia electric n energie acustic, i viceversa. Elementul activ este de fapt o bucata de material polarizat (de exemplu, unele pri ale moleculei sunt ncrcate pozitiv, n timp ce alte pri ale moleculei sunt incarcate negativ), cu electrozi ataati pe dou fete opuse. Atunci cnd un cmp electric este aplicat pe material, moleculele polarizate se vor alinia cu cmpul electric, rezultnd dipoli indusi n structura molecular sau cristalina a materialului. Aceast aliniere a moleculelor va provoca schimbarea dimensiunilor materialului. Acest fenomen este cunoscut sub numele de electro-strictiune. n plus, un materiale permanent, polarizat, cum ar fi cuartul (SiO2) sau titanat de bariu (BaTiO3) va produce un cmp electric atunci cnd se schimb dimensiunile

26

materiale ca rezultat al unei fore mecanice impuse. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efect piezoelectric. Elementul activ din cele mai multe traductoare acustice folosit astzi este un piezoelectric ceramic , care pot fi tiat n diverse moduri pentru a produce diferite moduri de unda. Un element de ceramic piezoelectric mare poate fi vzut n imaginea unui traductor secionat. Precedent apariiei ceramicii piezoelectrice la nceputul anilor 1950, cristalele piezoelectrice realizate din cristale de cuart si materiale magnetostrictive au fost utilizate n principal. Elementul activ este uneori menionat ca fiind un cristal de vrstnicii n domeniul NDT. Cnd ceramica piezoelectrica a fost introdusa, a devenit materialul dominant pentru traductoare datorit bunelor proprieti piezoelectrice i uurina cu care puteau fi produse ntr-o mare varietate de forme si dimensiuni. De asemenea, funcioneaz la joas tensiune i sunt utilizabile pn la aproximativ 300 grade C. Primul piezoceramic pentru uz general a fost titanatul de bariu, i a fost urmat, n cursul anului 1960, de compoziiile titanat-zirconat de plumb, care sunt n prezent cele mai frecvent folosite pentru a face ceramic pentru traductoare. Materialele noi, cum ar fi piezo-polimerii i compozitele sunt, de asemenea, utilizate n anumite aplicaii. Grosimea elementul activ este determinat de frecvena dorit in traductor. Un element foarte ngust vibreaz cu o lungime de und ce este de dou ori grosimea ei. Prin urmare, cristalele piezoelectrice sunt taiate la o grosime care este de 1 / 2 din lungimea de und dorit. Cu cat mai mare frecvena din traductor, cu atat mai subire elementul activ. Motivul principal pentru care traductoarele de nalt frecvena nu sunt produse se datoreaz faptului c elementul este foarte subire i prea fragil.

27

Campuri radiate ale traductoarelor de ultrasunete

Sunetul ce provine de la un traductor piezoelectric nu provin dintr-un punct, ci provine de la cea mai mare parte din suprafaa elementului piezoelectric. Traductoarele rotunde sunt adesea menionat ca traductoare surs piston, deoarece cmpul de sunet seamn cu o mas cilindrica n partea din fa a traductorului. Cmpul de sunet de la un traductor piezoelectric tipic este prezentat mai jos. Intensitatea sunetului este indicat de culoare, culorile mai deschise indicnd o intensitate mai mare.

Deoarece ultrasunetele provin de la un numr de puncte de-a lungul feei traductorului, intensitatea ultrasunetelor de-a lungul razei este afectat de interferenea undei constructive i distructive cum sa discutat anterior. Acestea sunt, uneori, menionate n continuare ca efectele difraciei. Aceast interferenta de unda conduce la fluctuaii ample n intensitatea sunetului n apropierea sursei i este cunoscut sub numele de domeniu apropiat. Din cauza variaiilor acustice ntr-un domeniu apropiat, poate fi extrem de dificil de evaluat cu exactitate cantitate defectelor n material, n cazul n care sunt poziionate n aceast zon. Undele de presiune se combin pentru a forma un front relativ uniform la sfritul cmpului apropiat. Zona de dincolo de campul apropiat unde fasciculul de ultrasunete este mai uniform se numete cmp la distan. n campul indepartat , fasciculul se rspndete ntr-un mod ce porneste din centrul traductorului. Tranziia ntre cmpul apropiat i cmpul indepartat are loc la o distana, N, i este uneori menionat ca "accentul natural" al unui traductor plat (sau necalibrat). Campul apropat /departat, N, este semnificativ deoarece variaiile de amplitudine ce caracterizeaz schimbarea amplitudinii cmpului apropiat ce sufera un uor declin n acest moment. Zona de dincolo de campul apropiat al undei sonore este zona unde unda se comporta cel mai bine si are putere maxim. Prin urmare, rezultatele optime de detectare vor fi obinute atunci cnd defectele apar n acest domeniu. 28

29

ConcluzieIn urma prezentarii principiului de functionare cat si a o parte din modurile de utilizare ale ultrasunetelor rezulta ca aceste sunt inca o parte importanta in domeniul defectoscopiei. Defectoscopia cu ultrasunete are avantajul ca ofera o imagine de ansamblu destul de clar asupra localizarii defectelor si, in acelasi timp, este o metoda destul de simpla, care nu necesita o pregatire extensiva.

30

Bibliografie1. Ilinoiu G. Evaluarea conformittii betonului, Ed. Cartea Universitar, Bucuresti, 2006. Examinri nedistructive. Examinarea cu ultrasunete. Partea 1. Principii generale. Examinri nedistructive. Examinarea cu ultrasunete. Partea 2. Reglajul sensibilittii si al bazei de timp. Examinri nedistructive. Examinarea cu ultrasunete. Partea 3. Tehnica prin transmisie. Examinri nedistructive. Examinarea cu ultrasunete. Caracterizarea si dimensionarea discontinuittilor. Partea 5.

2.SR EN 583-1/01

3.SR EN 583-2/01

4.SR EN 583-3/01

5.SR EN 583-5/01

6.STAS 9552/74

Defectoscopie ultrasonic. Examinarea imbinrilor sudate prin topire

7. www.wikipedia.com 8. www.howstuffworks.com 9. http://web.mit.edu

31