Nowe Techniki Badań Ultradźwiękowych

Transkrypt

1 Nowe Techniki Badań Ultradźwiękowych Julian DEPUTAT Pracownia Ultradźwiękowych Badań Materiałów IPPT PAN, ul. Świętokrzyska 21, Warszawa Omówiono przykłady nowych zastosowali bezkontaktowych technik wzbudzania i odbioru fal ultradźwiękowych. Są to: a) hybrydowa technika, w której fale są wzbudzane wiązką lasera a odbierane zdalnie przez powietrze głowicą pojemnościową, zastosowana do wykrywania pęknięć w główce i w stopce szyn kolejowych w torze i b) elektromagnetyczno-akustyczna technika rezonansu ultradźwiękowego wykorzystywana do pomiaru grubości warstwy tlenku na rurach kotłowych oraz do pomiarów prędkości i współczynnika tłumienia fal ultradźwiękowych w cienkich elementach plaskorównoległych. Bezkontaktowa technika wykrywania wad w szynach w torze Wykrywanie wad w szynach to jedno z pierwszych zastosowań ultradźwiękowych badań nieniszczących. Wielogłowicowe układy defektoskopowe stosowane na stanowiskach kontrolnych w hutach i w ruchomych urządzeniach do badań torowych są bardzo zaawansowane i wydawałoby się, że problem wykrywania wad, typy nieciągłości w szynach jest rozwiązany. Tymczasem istniejące rozwiązania mają istotne ograniczenia. Dotyczy to w szczególności badania szyn w torze. W przypadku szyny zamocowanej w torze fale ultradźwiękowe wprowadzane są z powierzchni główki przez sprzęgającą warstwę cieczy. Niemożliwy jest dostęp do powierzchni stopki i nie można wykrywać w sposób zadowalający rozwijających się w eksploatacji niebezpiecznych pęknięć w stopce. Pęknięcia poprzeczne szyn zaczynają się zwykle na zewnętrznych krawędziach stopki, szybko rozwijają się i nie wykryte prowadzą do zniszczenia. Za pomocą zestawów głowic ze sprzężeniem cieczowym nie można też uzyskać dostatecznej wykrywalności pionowych pęknięć w główce [1]. Pęknięcia pionowe główki powstają w środku główki, rozwijają się w kierunku podłużnym i pionowym. Pęknięcia te mają niekorzystną orientację, tak, że wiązka odbita od wady nie trafia z powrotem do głowicy nadawczo-odbiorczej. Na wykrywanie pionowych pęknięć pozwala hybrydowa bezstykowa technika ultradźwiękowa opisana w pracy zespołu z The Johns Hopkins University w Baltimore i Transportation Technology Center w Pueblo, USA [2]. W zaproponowanym systemie defektoskopowym fale ultradźwiękowe są wzbudzane za pomocą lasera, a odbierane bezstykowo z powierzchni szyny za pomocą głowic pojemnościowych. Podstawą tej techniki są nowe pojemnościowe przetworniki ultradźwiękowe do pracy w powietrzu. Za pomocą tych przetworników można zarejestrować impulsy objętościowych fal ultradźwiękowych o częstotliwości nawet kilka megaherców dochodzące do powierzchni badanego elementu, albo impulsy fal powierzchniowych przez powietrze z odległości nawet około 20 centymetrów [3]. Membraną przetwornika pojemnościowego jest metalizowana z zewnątrz folia dielektryka (Kapton, albo Mylar). Płytka podstawy jest cienką warstwą monokrystalicznego krzemu, w której techniką stosowaną w produkcji układów scalonych wykonano wnęki rezonansowe o apreturze około 40µm i głębokości około 18µm. Wnęki rozmieszczone są w rzędach. Odległość między sąsiednimi rzędami wynosi 80um. Na jednym mm 2 znajduje się 140 wnęk. Nominalna pojemność kondensatora, którym jest przetwornik wynosi około

2 600pF. Krytyczna jest precyzja wykonania płytki podstawy i obróbka materiału elektrod. Dochodząca do przetwornika fala ultradźwiękowa powoduje zmiany odległości między płytkami kondensatora co powoduje zmiany jego pojemności elektrycznej i odpowiednie zmiany prądu w obwodzie elektrycznym, w którym znajduje się przetwornik. Wykrywanie pęknięć pionowych w główce Urządzenie do wykrywania pęknięć pionowych w główce i pęknięć w stopce szyny jest zamontowane na wózku. Schemat badania pokazano na rysunku 1. Impulsowy laser Nd:YAG generuje nanosekundowe impulsy o długości fali 1064nm i energii maksymalnej 800mJ z częstotliwością powtarzania 10Hz. Impulsy te kierowane są przez układ zwierciadeł na zwilżaną wodą boczną powierzchnię główki. Plamka światła laserowego ma średnicę około 1 mm. Wzbudzenie fal ultradźwiękowych następuje techniką ablacyjną. W obszarze ablacji nie stwierdzono struktury kruchej, przemian fazowych czy mikropęknięć. Jako odbiorniki wykorzystywane są szerokopasmowe przetworniki pojemnościowe o paśmie od 50kHz do 2,25MHz. Wielokanałowy filtr 250kHz odcina niskie częstotliwości szumu mechanicznego. Odebrane sygnały są wzmacniane i gromadzone w wielokanałowym oscyloskopie cyfrowym. Rys. 1. Układ do wykrywania pionowych pęknięć w główce i wskazania otrzymywane gdy w główce nie ma wady i w przypadku obecności pęknięcia pionowego. L - objętościowe fale podłużne, S - objętościowe fale poprzeczne, R - fale powierzchniowe, D - dyfrakcyjne fale podłużne i poprzeczne. Schematyczne wskazania typu A otrzymywane gdy w główce nie ma pęknięcia i gdy jest pęknięcie pionowe pokazane są na rys.1. Z punktu wzbudzenia rozchodzą się fale powierzchniowe R i kuliste objętościowe fale podłużne L i poprzeczne S. Gdy w główce nie ma pęknięcia pionowego do powierzchni główki pod głowicą odbiorczą jako pierwszy dochodzi impuls fal L, potem impuls fal S, a na końcu impuls fal R. Gdy w główce występuje pękniecie pionowe nie przecinające powierzchni tocznej fale objętościowe L i S uginają się na krawędziach pęknięcia tworząc fale dyfrakcyjne D. Do powierzchni główki pod głowicą odbiorczą jako pierwszy dotrze impuls fal powierzchniowych R. Fale objętościowe ugięte na krawędzi pęknięcia dochodzą do powierzchni pod głowicą odbiorczą w postaci nakładających się na siebie impulsów. Obecność impulsu opóźnionego w stosunku do impulsu fal R jest

3 wskazaniem obecności wady. Czas przejścia fal powierzchniowych R stanowi cezurę. Nie ma wady, gdy fale objętościowe pojawiają się przed falami powierzchniowymi. Jest wada, gdy fale objętościowe przychodzą po fali powierzchniowej. Zastosowanie opisanej techniki i przytoczonego kryterium obecności wady w próbach wykrycia 89 pęknięć dało 100% wykrywalność. Gdy pionowe pęknięcie przecina powierzchnię toczną na zobrazowaniu A nie wystąpi ani impuls fal objętościowych, ani fali powierzchniowej. Wykrywanie pęknięć w stopce Na rysunku 2 pokazano schemat układu służącego do wykrywania pęknięć w stopce. W przypadku wzbudzania fal w stopce (potrzebne są fale powierzchniowe) stosuje się wzbudzanie źródłem liniowym. Ślad padającej wiązki światła lasera ma kształt wydłużony. Rys.2 Układ do wykrywania pęknięć w stopce szyny w torze. O 1,O 2 i O 3 - głowice odbiorcze Obecność uchwytów mocujących szynę do podkładów wymusza specjalna konfigurację miejsc wzbudzania i odbioru fal. Impuls światła laserowego wzbudzający fale ultradźwiękowe nie może trafić w uchwyt. Także głowica odbiorcza nie może być nakierowana na uchwyt w momencie, gdy powinna odebrać impuls ultradźwiękowy. Chociaż uchwyty nie stanowią przeszkody dla fal powierzchniowych rozchodzących się w stopce, to odbiór sygnałów ultradźwiękowych musi być dokonywany z obszaru nie zasłoniętego przez uchwyt. Sygnałem do wyzwalania lasera jest impuls z czujnika położenia uchwytu. Wzbudzenie fal następuje w punkcie B na górnej powierzchni stopki. Głowica odbiorcza O 1 jest nakierowana na punkt A po prawej stronie punktu wzbudzenia fal. Odległość BA= 250mm. Głowice O 2 i O 3 są nakierowane odpowiednio na punkty C i D po lewej stronie wiązki światła lasera. Odległość BC = 250mm, a CD = 90mm. Głowice odbiorcze są nachylone pod kątem 6,5 do normalnej do powierzchni stopki, co odpowiada kątowi załamania wiązki fal podłużnych w powietrzu wzbudzonej przez fale powierzchniowe rozchodzące się w stali. Odbiornik O 3 ma za zadanie zarejestrować impuls fal powierzchniowych w przypadku, gdy odbiornik O 2 byłby nakierowany na uchwyt szyny. Drogi fal ultradźwiękowych w powietrzu od powierzchni stopki do głowic odbiorczych wynoszą po około 175mm. Jeśli w stopce między punktami A i B wystąpi pęknięcie, to głowica O 1 odbierze przechodzącą falę silnie wytłumioną przez pęknięcie, a głowice O 2 i O 3 zarejestrują impuls bezpośrednio przychodzący od punktu wzbudzenia i impuls odbity od pęknięcia. Tak więc przy jednym impulsie wzbudzającym fale każda z głowic zarejestruje wskazanie obecności pęknięcia. W tablicy 1 zestawiono typy wskazań poszczególnych głowic odbiorczych w

4 różnych położeniach pęknięcia względem punktu wzbudzenia fal. Za pomocą opisanego układu w czasie badań torowych uzyskano 90% wykrywalność poprzecznych pęknięć w stopce szyny. Cyfrowy zapis wyników pozwala na zaawansowaną analizę odebranych impulsów. Zastosowanie cyfrowej analizy on-line umożliwia zwiększenie pewności oceny i wzrost szybkości badania. Tablica 1. Typy impulsów zarejestrowanych przez poszczególne głowice układu przy różnych położeniach pęknięcia w stosunku do źródła fal powierzchniowych Położenie pęknięcia Odbiornik O 1 Odbiornik O 2 Odbiornik O 3 Między A i B Między B i C Między C i D przechodzący bezpośredni i odbity bezpośredni i odbity Bezpośredni i odbity przechodzący bezpośredni bezpośredni i odbity przechodzący przechodzący Rezonans ultradźwiękowy Pomiar prędkości i współczynnika tłumienia impulsową metodą echa prowadzi do dokładnych wyników tylko wtedy, gdy wymiar próbki w kierunku rozchodzenia się fali jest dostatecznie duży. Wyznaczenie prędkości i współczynnika tłumienia w materiale blachy o grubości mniejszej od kilku milimetrów jest kłopotliwe, a wyniki pomiaru są obarczone dużym błędem. Ogranicza to wykorzystanie metody impulsowej echa w badaniach elementów cienkościennych. Możliwość pomiaru prędkości i współczynnika tłumienia w cienkich elementach z dokładnością dostateczną by wyniki pomiarów można było wykorzystywać do wiarygodnej oceny własności materiału oferuje znana z zastosowań do pomiarów grubości cienkich blach metoda rezonansu ultradźwiękowego. Przetwornik piezoelektryczny głowicy aparatu do badań metodą rezonansu ultradźwiękowego jest pobudzany nie krótkim impulsem elektrycznym jak w przypadku aparatów impulsowych, lecz sinusoidalnie zmiennym (harmonicznym) napięciem z przestrajanego generatora fali ciągłej. Przetwornik wykonuje wymuszone drgania grubościowe w rytm zmian przyłożonego napięcia. Wraz ze zmianą częstotliwości napięcia pobudzającego przetwornik zmienia się długość fal wzbudzanych w materiale, z którym jest sprzężona głowica. Badania prowadzi się wiązką fal rozchodząca się w kierunku grubości. Gdy na grubości próbki utworzy się całkowita liczba połówek fali wystąpi rezonans. Faza drgań w fali wprowadzanej do materiału będzie zgodna z fazą fali, która po odbiciu od dna dochodzi do powierzchni. Rośnie amplituda wzbudzanych fal, rośnie pobór energii z generatora pobudzającego przetwornik. W zależności od typu aparatu wskazanie rezonansu następuje bądź w postaci impulsu na wskaźniku lampy oscyloskopowej w układzie: oś X-częstotliwość, oś Y - amplituda, przez wychylenie miernika, albo przez cyfrowe wskazanie częstotliwości rezonansowej. Pomiar grubości blach cienkich Jeśli grubość blachy jest d, a prędkość rozchodzenia się fal w materiale V, to pół długości fali utworzy się na grubości blachy przy częstotliwości f = V/2d. Jest to najniższa częstotliwość, przy której występuje rezonans nazywana częstotliwością podstawową. Kolejne rezonanse wystąpią, gdy częstotliwość fali spełni warunek: f n = nv/2d gdzie /; jest liczbą całkowitą. Zależność (1) jest wykorzystywana przy pomiarach grubości cienkich blach techniką

5 rezonansową. Kolejne wartości częstotliwości, przy których występuje rezonans nazywają się częstotliwościami harmonicznymi. Rysunek 3 ilustruje fale na grubości próbki w przypadku częstotliwości podstawowej i trzech kolejnych harmonicznych. Jeśli materiał próbki jest jednorodny w kierunku grubości, to różnica częstotliwości pomiędzy kolejnymi harmonicznymi jest równa częstotliwości podstawowej. Dla wyznaczenia grubości blachy wystarczy znać prędkość rozchodzenia się fal w badanym materiale, zmierzyć różnicę częstotliwości odpowiadających kolejnym rezonansom i wyliczyć grubość z zależności (1). Rys. 3. Fale w próbce przy częstotliwości podstawowej i trzech pierwszych harmonicznych. Pomiar grubości warstwy tlenków na rurach kotłowych Rury w kotłach konwencjonalnych elektrowni utleniają się co prowadzi do zmniejszenia grubości ścianki. Do monitorowania zmian grubości stosuje się zwykle technikę opartą na pomiarze czasu przejścia impulsów fal ultradźwiękowych wysyłanych przez podwójne lub pojedyncze głowice normalne. Stosuje się zwykle wysokoczęstotliwościowe i silnie tłumione głowice fal podłużnych. Do pomiaru grubości cienkich blach i folii próbowano wykorzystywać pomiary prędkości fal Lamba (płytowych). Prędkość tych fal zależy nie tylko od własności sprężystych materiału, ale także od typu (modu) fali Lamba i od grubości płyty. Jeśli w grubościomierzu wykorzystywany jest pomiar czasu między kolejnymi echami dna, to przy dostatecznie grubej warstwie tlenków i dostatecznie grubej ściance rury istnieje możliwość zmierzenia oddzielnie grubości i stali i tlenków. Przy grubościach warstwy tlenków rzędu kilku dziesiątych milimetra i grubościach ścianki stalowej wynoszącej kilka milimetrów, a także przy nierównościach i dużej krzywiźnie powierzchni kontaktowej występuje nakładanie się impulsów odbitych od granicy ciecz sprzęgająca / warstwa tlenków, tlenki /stal i od dna ścianki. Uniemożliwia to uzyskanie wiarygodnych wyników. Opisana przez Yoshidę i Asano bezkontaktowa rezonansowa technika wykorzystująca fale poprzeczne wzbudzane za pomocą przetwornika elektromagnetyczno-akustycznego (technika EMAR) pozwala szybko wyznaczyć grubość warstwy tlenków na rurze stalowej [6]. W technice EMAR (elektromagnetyczno-akustycznego rezonansu) cewka głowicy elektromagnetyczno-akustycznej (EMAT) na fale poprzeczne wytwarza długie impulsy fal elektromagnetycznych o częstotliwości równej częstotliwości generatora zasilającego cewkę. Pole to wzbudza w warstwie przypowierzchniowej metalu prądy wirowe. W obecności pola magnetycznego w materiale powstają poprzeczne fale ultradźwiękowe rozchodzące się w kierunku grubości i spolaryzowane równolegle do powierzchni próbki. Fale te po odbiciu od dna wracają do powierzchni i powodują powstanie w cewce głowicy impulsów odzwierciedlających wielokrotnie nakładające się drgania. Przy częstotliwości rezonansowej fale wprowadzane do próbki i odbite od dna są w tej samej

6 fazie więc ich amplitudy dodają się. Zjawisko zachodzi tak samo jak w opisanym wyżej przypadku wzbudzania fal kontaktową głowicą z przetwornikiem piezoelektrycznym. W próbce powstają fale o bardzo dużej amplitudzie. Poniżej i powyżej częstotliwości rezonansowej fale nakładają się przy różnicy faz, wygaszają się wzajemnie amplituda fal jest niewielka. Ostre piki rezonansowe pozwalają zmierzyć z dużą dokładnością częstotliwości rezonansowe i wyliczyć grubość ścianki ze wzoru (1). W elementach warstwowych sytuacja jest jednak bardziej skomplikowana. Gdy próbka składa się z dwóch warstw materiału o różnych prędkościach fal nie można wyznaczyć grubości próbki, ani grubości poszczególnych warstw na podstawie różnicy częstotliwości dowolnie wybranych dwóch sąsiednich częstotliwości harmonicznych. W takim przypadku wzór (1) nie jest spełniony. Różnica częstotliwości między kolejnymi harmonicznymi nie jest taka sama. Powodem jest przesunięcie fazy drgań w falach ultradźwiękowych na granicy połączenia warstw. Wartość przesunięcia fazowego na granicy tlenki/stal po raz pierwszy została wyliczona właśnie w pracy [6]. Przesunięcie fazowe zależy zarówno od grubości warstwy tlenków jak też od częstotliwości (a więc od długości fali). Na rysunku 4 pokazano schematycznie fale w płycie stalowej z warstwą tlenków na górnej powierzchni. W tlenkach powstałych w temperaturze 600 C prędkość fal poprzecznych wynosi 3400m/s. Masa właściwa tlenków ma wartość około 4,1 g/cm 3. Odpowiednie dane dla stali 2,25Cr-1Mo, której dotyczą opisywane wyniki, są 3260 m/s i 7,8 g/cm 3. Ciśnieniowy współczynnik odbicia na granicy tlenki/stal ma wartość 0,09. Na rysunku 5 pokazano piki rezonansowe w płycie ze stali 2,25Cr - 1Mo o grubości 4,9 mm pokrytej z obydwóch stron warstwą tlenków o grubości 0,18mm. Prawy rysunek przedstawia dalszy ciąg wskazań przy częstotliwościach większych od 5 MHz. Amplituda wskazań na tym rysunku jest powiększona dziesięciokrotnie. Rys. 5. Piki rezonansowe w płycie ze stali 2,25Cr-lMo o grubości 4,9mm z warstwą tlenków o grubości 0,18mm z dwóch stron.

7 Odległości między pikami rezonansowymi są bliskie 0,3 MHz, ale nie są takie same. Odległości te są zależne od częstotliwości, bo od częstotliwości i grubości warstwy zależy wartość przesunięcia fazowego na granicy połączenia. Gdy według wzoru (1) dla płyty jednorodnej wyliczyć grubość próbki na podstawie częstotliwości kolejnych harmonicznych otrzymamy istotnie różne wartości. Na rysunku 6 pokazano przykład zależności wyniku obliczeń grubości od częstotliwości branej do wyliczeń harmonicznej dla przypadku czystej płyty stalowej o grubości 5,19mm, takiej samej płyty pokrytej z jednej strony 0,18mm warstwą tlenków i pokrytej 0,18mm warstwą tlenków z dwóch stron. Rys. 6. Wartości grubości próbki stalowej d wyliczone według wzoru (1) przy różnych częstotliwościach harmonicznych f n gdy próbka o grubości 5,19mm była bez warstwy tlenków, z warstwą tlenków 0.18mm z jednej i z dwóch stron. Gdy płyta nie ma warstwy tlenków wartość grubości wyliczona ze wzoru (1) jest niezależna od częstotliwości. Gdy na płycie jest warstwa tlenków to wyliczona wartość grubości zależy od częstotliwości. Przy częstotliwości około 6,4MHz wyliczona wartość grubości osiąga maksimum. W zjawisku tym zawarta jest informacja o grubości warstwy tlenków. Problem polega na tym jak ją wydobyć. Yoshida i Asano otrzymali odpowiedź po rozwiązaniu równania falowego dla tego przypadku. Wskazali też procedurę wyznaczania grubości warstwy tlenku. Według tej procedury należy wyznaczyć wartość częstotliwości f max tej harmonicznej, przy której według wzoru (1) otrzymuje się największa wartość grubości i wyliczyć grubość warstwy tlenku h korzystając ze wzoru: (2) h = 0,33 C T tlenku /f max We wzorze tym C T jest prędkością fal poprzecznych w tlenkach tworzących warstwę na powierzchni ścianki stalowej. W zastosowaniach praktycznych wyliczanie wartości grubości przy kolejnych częstotliwościach harmonicznych, wyszukiwanie częstotliwości odpowiadającej największej wartości grubości i obliczanie grubości warstwy tlenku może wykonywać komputer. Zastosowanie zjawiska rezonansu do badania własności materiałów W przypadku wielu elementów konstrukcyjnych za pomocą ultradźwiękowej impulsowej techniki trudno jest zmierzyć prędkość i współczynnik tłumienia fal z dokładnością dostateczną do wiarygodnej oceny własności i stanu materiału. Przyczyną

8 ograniczeń może być stan powierzchni albo zbyt małe wymiary elementu. Najczęściej jest to za mała grubość. Opisana przez M. Hirao i H. Ogi [7] zaawansowana technika spektroskopowa wykorzystująca zjawisko rezonansu fal ultradźwiękowych wzbudzanych przez bezkontaktowe elektromagnetyczno-akustyczne przetworniki EMAR nie ma tak ostrych ograniczeń. Idea wzbudzania i rejestracji ultradźwiękowych drgań rezonansowych za pomocą przetworników elektromagnetyczno-akustycznych została opisana w roku 1970 przez Filimonova, Budenkova i Glukhova [Sov. Journal Nondestructive Testing (Defektoskopija), 1,1970, 102]. Rozwinięcie metody i pierwsze zastosowania przypadają na koniec lat dziewięćdziesiątych. Zastosowanie tej techniki nie wymaga specjalnego przygotowania powierzchni. Głowica jest odseparowana od powierzchni badanego elementu i nie wpływa na zjawisko rezonansu zachodzącego w materiale próbki, jak to ma miejsce w przypadku rezonansu wzbudzanego głowicą kontaktową, kiedy głowica jest elementem układu drgającego. Nie trzeba wprowadzać poprawek uwzględniających przesuniecie fazowe i straty energii w warstwie sprzęgającej. Efekty te są istotne gdy potrzebna jest wysoka dokładność pomiaru. Technika spektroskopowa EMAR pozwala mierzyć prędkość fal ultradźwiękowych o częstotliwościach megahercowych z rozdzielczością 10-6, co umożliwia na przykład pomiar kierunkowych różnic prędkości spowodowanych teksturą materiałów konstrukcyjnych, a także zmian prędkości spowodowanych naprężeniem, W rezonansowej technice EMAR przetwornik jest pobudzany długimi koherentnymi impulsami wysokiej mocy o częstotliwości radiowej. Napięcie wyjściowe nadajnika sięga l,5kv na oporze 50Ω. Czas trwania impulsu nadajnika jest 10 do 50 razy dłuższy od dwukrotnego czasu przejścia fal przez grubość badanego elementu. W materiale wzbudzone są drgania złożone z wielu nakładających się ech. Amplituda impulsu powstającego w wyniku nałożenia się impulsów znajdujących się w zgodnej fazie jest sumą amplitud impulsów składowych. Przy różnicy faz impulsów nakładających się amplituda powstałego impulsu jest niewielka. Pomiar zaczyna się po przerwaniu pobudzenia głowicy. Po przerwaniu pobudzania przetwornika w materiale trwają przez pewien czas (często więcej niż 100/µs) zanikające drgania ultradźwiękowe. Zjawisko to nazywa się rewerberacją, pogłosem czy dzwonieniem. Przetwornik EMAT rejestruje cały sygnał powodowany przez zanikające drgania ultradźwiękowe, a w układzie odbiornika cyfrowo zapisywane są informacje o amplitudzie i fazie w szerokim przedziale czasu zaczynając od momentu przerwania pobudzania przetwornika. W wyniku analizy widmowej otrzymuje się widmo rezonansowe odebranego sygnału. Widmo to składa się z szeregu pików odpowiadających kolejnym falom harmonicznym spełniającym warunek (1). Na rysunku 8a pokazano przykładowo widmo zawierające ponad dwadzieścia pików odpowiadających kolejnym częstotliwościom harmonicznym fal rozchodzących się w kierunku grubości cienkiej płyty. Aparatura opisana w pracy [7] pozwala na skanownie częstotliwości z dokładnością do 0,1 Hz w zakresie od 0,5-20MHz. Przy badaniu próbek z metali konstrukcyjnych o grubościach od 0,5mm do 50mm częstotliwość pików rezonansowych może być wyznaczana z dokładnością do 10Hz. Oznacza to możliwość wykrycia względnych zmian rzędu Odpowiednio dokładnie można wyznaczyć prędkość fal ultradźwiękowych w materiale próbki. Na rysunku 7 pokazano zmiany rezonansowego piku występującego przy częstotliwości 10,3MHz w próbce aluminiowej o grubości I,22mm, spowodowane zmianą prędkości fal w materiale próbki stalowej w wyniku jednoosiowego obciążenia próbki. W próbce wzbudzane były fale poprzeczne spolaryzowane równolegle do powierzchni. Kierunek polaryzacji tworzył niewielki kąt z kierunkiem naprężenia. Linią ciągłą zaznaczono przebieg przy naprężeniu 43MPa, a linią przerywaną po zwiększeniu naprężenia do 193MPa. Pik rezonansowy przy naprężeniu 43MPa jest rozdwojony. Dwa wierzchołki tego piku powstały w wyniku nałożenia się piku rezonansowego składowej fali spolaryzowanej równolegle do kierunku naprężenia i piku rezonansowego

9 Rys. 7 Piki rezonansowe w próbce aluminiowej o grubości 1,22 mm przy naprężeniu 43MPa (linia ciągła )i przy naprężeniu 193 MPa (linia przerywana). Pik w zakresie (10,4 106)MHz odpowiada falom podłużnym [7] odpowiadającego składowej fali spolaryzowanej prostopadle do kierunku naprężenia. Przy małym naprężeniu i niewielkiej anizotropii materiału w stanie bez naprężenia, różnica prędkości prostopadłych względem siebie składowych jest mała. Zmiana naprężenia do 193MPa powoduje wzrost różnicy prędkości składowych fali poprzecznej, odpowiednie zmiany częstotliwości rezonansowych i wyraźne rozdzielenie pików. Z analizy fragmentów zapisanego przebiegu zaniku drgań odpowiadających krótszym przedziałom czasu można otrzymać amplitudy poszczególnych harmonicznych w różnych odstępach czasu od momentu przerwania pobudzania przetwornika. Amplitudy harmonicznych maleją z upływem czasu. Czas liczony od momentu przerwania wzbudzania przetwornika jest miarą drogi jaką przebywają fale w swym biegu na dół i do góry wzdłuż grubości płyty. Zmiany amplitud w funkcji czasu są podstawą do wyliczenia wartości współczynników tłumienia fal dla poszczególnych częstotliwości. Wartość współczynnika tłumienia dla wybranej częstotliwości wyznacza się przez dopasowanie krzywej wykładniczej e αt do doświadczalnej krzywej A(t) i wyznaczenie wartości a, przy której dane doświadczalne najlepiej pasują do krzywej wykładniczej. Przykładowe krzywe A(t) i odpowiadające im wartości współczynników tłumienia pokazano to na rys 8b. Wyznaczone wartości współczynnika tłumienia powinny być skorygowane przez uwzględnienie poprawki dyfrakcyjnej. Wyliczone wartości współczynnika tłumienia dla szeregu częstotliwości harmonicznych pozwalają zbudować wykres zmian współczynnika tłumienia w funkcji częstotliwości. Rys 8 a)piki rezonansowe otrzymane przy badaniu próbki stalowej. b) Zmiany amplitudy siódmej, piętnastej i dwudziestej pierwszej harmonicznej w funkcji czasu po przerwaniu wzbudzenia i wyznaczone współczynniki tłumienia fal dla tych trzech częstotliwości.

10 Podsumowanie Postęp dokonany w zakresie odbioru przez powietrze fal rozchodzących się w metalach stwarza nowe możliwości automatycznych badań defektoskopowych. Bezkontaktowa technika rezonansu umożliwia wyznaczanie prędkości i współczynnika tłumienia w cienkich elementach konstrukcji z dokładnością dostateczną do oceny struktury i stanu naprężenia. Literatura [I] Clark R., Singh S., Haist C, Ultrasonic Characterization of Defects in Rails. INSIGHT, 44, 2002, [2] Kanderian S., Carniglia D, Djordjevic B.B., Garcia G., Sun J., Snell M., Rail Track Field Testing Using Laser/Air Hybrid Ultrasonic Technique. Materials Evaluation, 10,2003, [3] Schindel D.W., Hutchins DA., Air Coupled Ultrasonic Transducer. US Patent 5,287,331,1994 [4] Schindler D.W., Hutchis DA., The Design and Characterization of Micro machined Air- Coupled Capacitance Transducers. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 42,1995, [5] Cartwright D.L., Ultrasonic thickness measurement of weathering steel, Mater. Eval. 53(4), (1995). [6] Yoshida M, Asano T., A New Method to Measure the Oxide Layer Thickness on Steel Using Electromagnetic-Acoustic Resonance. Journal of Nondestructive Evaluation, 22,1, 2003,11-21 [7] Hirao M., Ogi H., Electromagnetic acoustic resonance and materials characterization, Ultrasonics, 35, , 1997.