4. Ultradźwięki Instrukcja

Transkrypt

1 4. Ultradźwięki Instrukcja 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości fal ultradźwiękowych i ich wykorzystania w badaniach defektoskopowych. 2. Układ pomiarowy Układ pomiarowy składa się z następujących elementów: 1 komputera klasy PC z kartą cyfrowego defektoskopu ultradźwiękowego, 2 zestawu trzech głowic ultradźwiękowych o nominalnych częstotliwościach 2 MHz, 5 MHz i 10 MHz, 3 wzorca W-1, 4 szeregu próbek (prostopadłościany, wałki). 3. Przedstawienie zadań do wykonania Ćwiczenie składa się z następujących etapów: A. poznanie działania i regulacji defektoskopu cyfrowego B. pomiar prędkości fal ultradźwiękowych w różnych materiałów i zbadanie wpływu częstotliwości drgań sondy na prędkość fal ultradźwiękowych C. badanie tłumienia fal ultradźwiękowych i pomiar współczynnika tłumienia dla fal o różnej częstotliwości D. badanie efektu transformacji fal ultradźwiękowych na granicy ośrodka i pomiar grubości płyt E. badanie za pomocą fali ultradźwiękowej obiektu z wadami wewnętrznymi F. pomiar częstotliwości drgań sygnału akustycznego generowanego przez głowice ultradźwiękowe. 4. Zalecenia odnośnie zawartości sprawozdania Sprawozdanie powinno zawierać: - wyniki pomiarów, - analizę tych wyników w formie umożliwiającej kontrolę przeprowadzonych obliczeń, - ocenę niedokładności pomiaru dla wyznaczanych wielkości fizycznych - podsumowanie i wnioski. Oprogramowanie karty pozwala na rejestrację wartości kolejnych pomiarów ze skokiem czasowym zależnym od przyjętej częstości próbkowania. Jest to jedna kolumna liczb. Można (i należy) tworzyć kopie ekranu w celu dokumentacji i ilustracji wyników badań. 1

2 5. Informacje szczegółowe 5.1. Układ pomiarowy Krótka informacja o sposobie obsługi karty ultradźwiękowej jest złącznikiem do tej instrukcji - plik Obsluga karty_opcardpl.pdf Defektoskop jest gotowy do pracy po uruchomieniu programu (ikona na pulpicie). Zalecane jest rozpoczęcie badań po ustawieniu podanych niżej parametrów pracy karty defektoskopu: 1. w obszarze panelu głównego jednostka osi Y [V] sygnał - [HV ] (sygnał przemienny) jednostka osi X [µs] 2. w opcjach OPCARD Settings : Mode Filter Sampling Trigger Gain Window Delay PE MHz Internal 20 db 100 1,5 3. ZOOM poniżej dolnego okna. Uwaga: takie nastawy umożliwiają obserwację sygnału ultradźwiękowego w dziedzinie czasu. Sygnał jest pokazywany w postaci przemiennych względem zera oscylacji (opcja HV) Poznanie działania defektoskopu można przeprowadzić dla sondy 5 MHz ustawionej na wzorcu tak, aby wykorzystać odcinek o długości L = 100 mm. Na rysunku 1. pokazano przykładowo sygnał napięciowy uzyskany dla takiego ustawienia sondy. Kolejne echa główne pojawiają się po czasie około 35µs, 69µs i 103 µs. Echa występujące pomiędzy tymi są to echa transformacyjne. Rys. 1. Obraz dla sondy 5 MHz ustawionej wzorcu W-1 przy długości odcinka L = 100 mm 2

3 5.2 Wzorzec W-1 Rys. 2. Schemat wzorca W-1 Wzorzec W-1 jest wykonany ze stali ze szczególna dbałością o wymiary. Wzorzec W-1 ten do kontroli parametrów aparatury ultradźwiękowej (skalowanie podstawy czasu dla fal podłużnych i fal poprzecznych) oraz do sprawdzania, czy raz ustawione parametry nie uległy zmianie w czasie badania. Za pomocą wzorca W-1 można kontrolować kąt załamania głowic skośnych, energię układu aparatu głowicą uniwersalną, rozdzielczość głowic uniwersalnych, nastawienie czułości głowic uniwersalnych oraz skośnych, a także przybliżoną korektę strefy martwej. Wzorzec użyty na prawni nie ma wykładziny PMM w otworze. UWAGA: należy zachować ostrożność w używaniu wzorca (chronić przed porysowaniem i uszkodzeniem), dbać o jego czystość i przechowywać w ochronnym pojemniku Próbki do badania Wybór próbek wziętych do badań należy skonsultować z prowadzącym zajęcia. Wymiary próbek należy ustalić z uwzględnieniem niepewności pomiarowych. Zalecane jest wyznaczenie odchyleń standardowych σ x dla poszczególnych wielkości. 3

4 5.4. Wskazówki odnośnie zasad wykonywania pomiarów A. Analiza sygnałów napięciowych na ekranie Oprogramowanie umożliwia zatrzymanie pomiaru i późniejszą analizę sygnału napięciowego z okna głównego, wykorzystując także okno dolne. W oknie górnym użyteczne są dwa kursory poziome (biały i niebieski). Położenia ich końców w dziedzinie X pokazywane są w okienkach start i stop wskaźników Measuring Gates. Położenie tych linii w dziedzinie Y pokazywane jest w okienkach High. Dwa niższe okienka pokazują wartości maksymalne i położenie tego maksimum dla sygnału napięciowego występującego obszarze zaznaczonym przez dany kursor. Wysokości kolejnych coraz wyższych maksimów w oknie górnym można wyznaczać zwiększając długość kursora w stronę mniejszych wartości X. Wycinek z okna głównego dla dalszej analizy w oknie dolnym wybiera się za pomocą czerwonego poziomego kursora. Do pomiaru odległości w dziedzinie X między dwoma punktami obrazu w dolnym oknie służą dwa pionowe kursory. Ich położenia są wskazywane w dwóch dolnych okienkach ( start, stop ). B. Pomiar prędkości fali Zalecane jest wyznaczenie różnicy położeń w dziedzinie czasu ( t) kilku ech głównych po przebyciu ZNANEJ drogi L. Należy uwzględnić wielokrotność odbić fali. Prędkość wypadkową wylicza się z podstawowej relacji dla ruchu jednostajnego. Niepewność pomiarową prędkości δv wyznaczyć po określeniu niepewności δ( t) i δ( L). C. Pomiar tłumienia fal ultradźwiękowych Zalecane jest zarejestrowanie ciągu ech (około 10) fali ultradźwiękowej przechodzącej wielokrotnie przez wzorzec W-1 w kierunku prostopadłym do głównych powierzchni. Można też pomiar powtórzyć dla odcinka o długości L = 100 mm. Wysokość kolejnych ech Ai wyznaczyć należy dla opcji sygnał ABS i V. Należy wyznaczyć nachylenie wykresu log (Ai[V]) od x i. Można też zarejestrować wartości amplitud w dziedzinie Y w jednostkach [db] i sporządzić wykres Ai[dB] od x i oraz wyznaczyć nachylenie tego wykresu. Należy porównać wartości współczynników tłumienia wyznaczone obiema metodami. Badania tłumienia jedną metodą powtórzyć dla głowic 2 MHz i 10 MHz. D. Badanie efektu transformacji fal ultradźwiękowych Efekt powstawania ech transformacyjnych zilustrowano na rysunku 3 oraz na rysunku 4. Fala ultradźwiękowa podłużna L wprowadzona jest do pręta o długości (jednostki umowne) X = 8 i szerokości d = 2, Fala ta tworzy stożek i ulega transformacji do fali poprzecznej T podczas odbić od powierzchni bocznych pręta. Fale T odbijają się pod kątem około 30 o od powierzchni bocznych pokonując dodatkową drogę (w poprzek pręta) w porównaniu z falą podłużną. Kolejne echa docierają do przetwornika z opóźnieniem, które odpowiada przejściu przez falę podłużną odcinka o długości X = 0,736 d. Należy tę relację wykorzystać dla wyznaczenia grubości badanych próbek. Wynik porównać z RZECZYWISTĄ grubością tych próbek. 4

5 Rys. 3. Schemat procesu transformacji fal przy badaniu prętów Rys. 4. Schemat ech głównych ( 1, 2 ) i transformacyjnych (1, 1,...) dla próbki o szerokości umownej d = 2 i długości L = 8. 5

6 E. Badanie za pomocą fali ultradźwiękowej obiektu z wadami wewnętrznymi Przeprowadzić badania sygnału odbitego od nieciągłości znajdującej się na drodze fali ultradźwiękowej dla próbki wskazanej przez prowadzącego zajęcia. Wyznaczyć z wyników badania defektoskopem odległość X tej nieciągłości od sondy i porównać w wartością rzeczywistą. Wyznaczyć niepewność pomiaru X za pomocą ultradźwięków. Sprawdzić, czy i jak ta niepewność zależy od kształtu impulsu ultradźwiękowego generowanego przez głowice o różnych częstościach drgań. F. Pomiar częstotliwości drgań sygnału akustycznego generowanego przez głowice ultradźwiękowe Zarejestrować z największą rozdzielczością czasową impulsy głównych ech i zmierzyć odległość między kilkoma ekstremami. Wyznaczyć częstość drgań f i niepewność δf i porównać z wartościami nominalnymi, podanymi przez producenta. 6