Ultrazvuková defektoskopia

Definícia a vlastnosti ultrazvuku
Ultrazvuk je pružné mechanické vlnenie hmotného prostredia s vyššou frekvenciou ako je frekvencia zvuku počuteľného ľudským uchom. Hraničná frekvencia ľudskej počuteľnosti je 16 kHz. Ultrazvukové vlny možno vytvoriť mechanicky, tepelne, piezoelektricky alebo magnetostrikčne.

V defektoskopii sa používa piezoelektrický spôsob, ktorý sa zakladá na princípe rozkmitania kremennej platničky vysokofrekvenčným prúdom. Platnička je vyrobená z kryštálu kremeňa, turmalínu alebo zo Seignetovej soli takým spôsobom, aby jej dve plochy boli kolmé na elektrickú os kryštálu. Mriežka kremeňa sa skladá z molekúl SiO2. Každý atóm kremíka má 4 pozitívne a atóm kyslíka 2 negatívne elektrické náboje. Ak je kryštál stlačený v smere polárnych osí (X1, X2, X3), rovnováha nábojov sa navonok poruší a na oboch povrchoch kryštálu vznikne voľný náboj opačného znamienka. Ťah vyvolá náboje opačnej polarity než tlak. Tento piezoelektrický jav je vratný, tzn., že keď sa privedie na povrch kryštálu elektrický náboj, nastane jeho deformácia podľa veľkosti a polarity privedeného náboja. Aby sa elektrické náboje rozdelili rovnomerne po celom povrchu kryštálov, pokrýva sa povrch vrstvou katódovo rozprášeného striebra. Privedením striedavého napätia vysokej frekvencie sa platnička mechanicky rozkmitá s totožnou frekvenciou. Keď sa zhoduje frekvencia striedavého prúdu s vlastnou frekvenciou platničky, nastáva rezonancia, pričom pružné kmity dosahujú najväčšiu amplitúdu. Rezonančný kmitočet platničky kremeňa hrúbky d je daný vzťahom :

E – modul pružnosti platničky
ρ – hustota platničky

V defektoskopii sa využívajú tieto základné vlastnosti ultrazvuku :

• schopnosť priamočiareho prenikaniami tuhými látkami
• schopnosť odrážať sa na rozhraní dvoch prostredí

Prechodom a odrazom ultrazvukových vĺn na rozhraní dvoch hmotných prostredí je napr. skúšaný materiál a trhlina. Charakteristickou vlastnosťou prostredia pre prechod ultrazvuku je akustický vlnový odpor :

ρ – hustota prostredia
c – rýchlosť ultrazvuku v tomto prostredí

Ultrazvuková energia IA dopadá na rozhranie dvoch prostredí pod uhlom α. Časť tejto energie veľkosti Ir sa odrazí pod rovnakým uhlom a časť IB ďalej preniká v druhom prostredí pod uhlom β. Akustický vlnový odpor prvého prostredia je :

druhého :

Na posúdenie odrazu sa používa pomer oboch akustických odporov :

Odraz je tým väčší, čím sú hodnoty ρ a c pre obe prostredia rozdielnejšie. Napr. pre rozhranie kov – vzduch má i hodnotu rádove 108, preto sa tu odráža značná časť vysielanej ultrazvukovej energie.

Metódy ultrazvukovej defektoskopie

Pri prechode tuhým prostredím sa ultrazvukové vlny odrážajú na prekážkach (detektoch) alebo sa ohýbajú, rozptyľujú a tým čiastočne tlmia. Z hľadiska defektoskopie treba voliť také podmienky skúšky, aby sa dali zistiť defekty nadkritickej veľkosti. Ak je veľkosť defektu v rovine kolmej na smer šírenia ultrazvukových vĺn , nastáva odraz vĺn od defektu. Ak , vlny sa na defekte ohýbajú a rozptyľujú. Hodnota λ je vlnová dĺžka vlnenia určená vzťahom , pričom c je rýchlosť ultrazvuku a f jeho frekvencia.
Vysielanie a prijímanie ultrazvukovej energie sa robí sondami, ktoré pomocou elektroakustického meniča premieňajú elektrickú energiu na ultrazvukové vlnenie a opačne.
Podľa tvaru elektroakustického meniča môžu byť sondy :

• kruhové
• polkruhové
• pravouhlé

Podľa konštrukcie sa sondy rozdeľujú na :

• priame, ktoré vysielajú vlny kolmo na skúšaný povrch
• uhlové, vysielajúce vlny šikmo k povrchu
• dvojité, obsahujúce 2 elektroakustické meniče - vysielací a prijímací

Ultrazvuková elektroskopia sa uskutočňuje viacerými skúšobnými metódami. Najviac sa používajú odrazové a prechodové metódy.

Prechodová metóda sa zakladá na princípe vysielania ultrazvukových vĺn do jednej strany skúšaného predmetu a zachytávania úbytku ultrazvukovej energie na druhej strane.