انواع موج‌های تنشی و ويژگی‌های آن
امواج ماوراء صوت ، امواج صوتي با فركانس بالاي ۲۰KHz هستند كه عموماً به عنوان فركانسهاي بالاتر از حد شنوايي انسان معرفي ميشوند. امواج صوتي در طبيعت به صورت مكانيكي هستند. هر موج مكانيكي (يا امواج تنشي كه نوع عموميتر آن است) در اثر نوسان بخش جداگانه‌اي از ماده بوجود مي‌آيد. وقتي لايه بالايي ماده شروع به نوسان ميكند اتصالات ارتجاعي نوسان را به اجزاء لاية دوم منتقل ميكنند و آنها هم به لاية سوم و به اين ترتيب موج تنشي به كل ماده منتقل ميشود. سرعت انتشار موج تنشي در مواد گوناگون متفاوت است و به چگالي فلز و خواص ارتجاعي آن در جهت حركت اجزاء وابسته است. بسياري از مواد ويژگي‌هاي ارتجاعي نامنظمي دارند در نتيجه سرعت انتشار امواج تنشي عبوري از آنها به جهت انتشار مربوط ميشود. در اين حالت حركت اجزاء در جهت انتشار است. شكل زیر نمونه‌اي از اين موجها را نشان ميدهد. همانطور كه مشاهده ميشود اجزاء در جهتهاي خاصي فشرده شدهاند يا از هم فاصله گرفته‌اند. به همين علت آنها را امواج فشرده يا طولي مي‌ناميم.
موج فشرده
موج فشرده تنها گونه‌اي از امواج تنشي است كه از گازها و مايعات عبور ميكند در حاليكه خواص ارتجاعي را فقط در حالت فشرده نشان ميدهد. هر چند جامدات خواص ارتجاعي را در حالت برشي از خود نشان ميدهند و به طور پيوسته موجها را در جهت انتشار انتقال ميدهند. اين امواج به امواج برشي يا مورب معروف هستند. سرعت موجهاي برشي تقريباً نصف سرعت امواج فشرده است.
موج برشي
نوع ديگر انتشار موج كه در جامدات وجود دارد موج سطحي است. (موج Reyleighنيز ناميده ميشود) همانطور كه از اسمش مشخص است اين موج بر سطح مواد حركت ميكند. عمق نفوذ اين موج داخل سطح تقريباً يك طول موج است. سرعت موج سطحي تقريباً ۹۰ درصد سرعت موج برشي است.
اگر ضخامت ماده كمتر از طول موج امواج سطحي باشد اين امواج نميتوانند حضور داشته باشند و انتشار به صورت ديگري خواهد بود كه آن را امواج صفحه‌اي يا Lamb Wave مي‌نامند. اين امواج به دو شكل متقارن و غير متقارن هستند. اين امواج پيچيده هستند و كاربرد چنداني ندارند. امواجي كه عموماً در NDI3 استفاده ميشوند امواج فشرده و برشي هستند.
اصول اوليه روش ماوراء صوت
روش ماوراء صوت بر پايه اين خاصيت كه مواد جامد هادي‌هاي خوب امواج صوتي هستند بنا شده است. در نتيجه امواج نه تنها در برخورد با سطح مشترك بلكه در برخورد با نقصهاي داخلي هم منعكس ميشوند. عكسالعمل امواج صوتي در برابر فلز با كاهش طول موج افزايش مييابد ، اين به معناي افزايش فركانس موج است :
λ=C/f
پس بايد از امواج ماوراء صوت در فركانس‌هايي بين ۰/۵ MHz تا ۲۵ MHz استفاده كنيم تا طول موجي در حد ميليمتر داشته باشيم. با در اختيار داشتن فركانسهاي كمتر عكسالعمل متقابل امواج در برابر نقص داخلي ضعيفتر ميشود و در نتيجه دقت بسيار كاهش مييابد.
در اين روش يك المان پيزوالكتريك به وسيله دشارژ الكتريكي تحريك ميشود و موج مافوق صوتي را انتقال ميدهد. المان مشابهي وقتي سيگنال ماوراء صوت ارسالي را دريافت ميكند سيگنال الكتريكي دريافت ميكند در نتيجه باعث نوسان آن ميشود. پروب به وسيله يك مايع يا نوعي ماده واسط با سطح مرتبط ميشود تا امواج صوتي بتوانند از پروب به سطح مورد آزمايش منتقل شوند.
هر پروب يك ناحيه مشخص را تحت پوشش قرار ميدهد. به ناحيه مؤثر براي تست ماوراء صوت ناحيه ((اشعه صوتي)) ميگويند. ناحيه اشعه صوتي همانطور كه در شكل زیر نشان داده شده است به دو قسمت ميدان نزديك و ميدان دور تقسيم شده است. طول N ميدان نزديك و واگرايي زاويهاي آن به قطر، فركانس و سرعت صوت در ماده مورد آزمايش بستگي دارد.
ميدان صوتي
همانطور كه در شكلهاي ذیل نشان داده شده است، سه روش اصلي براي آزمايش ماوراء صوت فلزات وجود دارد : ۱)روش پالس- پژواك ۲)روش انتقال مستقيم ۳)روش pitch-catch
۱٫روش پالس- پژواك
در روش پالس- پژواك, يك مبدل پيزوالكتريك همراه محور طولياش عمودي روي يا نزديك سطح فلز مورد آزمايش نصب شده است تا انرژي ماوراء صوت را فرستاده و دريافت كند. امواج ماوراء صوت توسط سطح روبرويي فلز يا به علت ناپيوستگي در فلز (نقص) منعكس ميشوند و به وسيله همان مبدل در حالي كه انرژي منعكس شده به سيگنال الكتريكي تبديل شده است دريافت ميشوند. سيگنال‌هاي الكتريكي توسط كامپيوتر پردازش ميشوند تا روي صفحه تصويري يا صفحه تلويزيون نمايش داده شوند. صفحة نمايش ضخامت نسبي فلز، عمقي از فلز كه عيب در آن قرار دارد و (با بررسي‌هاي سخت‌افزاري و نرم‌افزاري مناسب) مكان عيب در صفحة X-Y را مشخص ميكند. امواج ماوراء صوتي در روش پالس- پژواك عموماً در فركانسهاي بين ۱ و ۱۰ مگاهرتز به كار ميروند. عموماً اين روش براي تشخيص ابتدايي به كار ميرود. (هر پالس فرستاده/ گرفته شده شكل زیر متعلق به يك پالس انرژي است)
۲٫روش انتقال مستقيم
در اين روش يك فرستنده ماوراء صوت در يك سمت فلز استفاده ميشود و يك گيرنده (تشخيص‌دهنده) در سمت مقابل قرار ميگيرد. با استفاده از اين روش در بازرسي فلزات مكان عيوب و ناخالصيها در صفحه X-Yمشخص ميشود. (هر موج فرستاده/ گرفته شده در شكل ۲۱متعلق به يك پالس انرژي است.)
۳٫روش Pitch-Catch
در اين روش انرژي ماوراء صوت با هر زاويهاي به سطح فلز فرستاده ميشود و به صورت انرژي منعكس شده كه با زاويه انعكاس برميگردد دريافت ميشود. اين روش قادر به تشخيص عمق نقص فلز و همچنين مكانش در صفحة X-Y است. (هر موج فرستاده/ گرفته شده در شكل زیر به يك پالس انرژي تعلق دارد.)
هر سة اين روشها براي سطوحي با وجه‌هاي موازي هم مفيد هستند. اين سه روش ماوراء صوت در طول آزمايش از پالس‌هاي انرژي استفاده ميكنند.
احتياط‌هايي كه در آزمايش ماوراء صوت بايد انجام داد :
• با استفاده از محيط واسط صحيح، تطبيق امپدانس صوتي حسگرها با فلز مورد آزمايش
• استفاده از واسط هوايي براي فلزاتي كه به رطوبت حساس هستند.
• دقت تشخيص بايد به حدي باشد كه عيوب مجاور را از هم تميز دهد.
• استفاده از روش‌هاي الكترونيكي هر جا كه امكان دارد تا بتوان به دقتي در فاصله‌ها دست يافت در حالي كه اشعه ماوراء صوت گسترده ميشود.
• ويژگي‌هاي مبدل
• هنگام استفاده از بازرسي خودكار, دقت به سرعت بازرسي، تكرار فركانس، سرعت كامپيوتر و … وابسته است.
آب به علت در دسترس بودن و غلظت پايين بهترين ماده براي محيط واسط است. زماني كه به علت جذب رطوبت ، ناخالصي فلز يا اندازة اجزاء و شكل آن تمايل به غوطه‌وري در آب نداريم ، به وسيلة انواع مختلف ”Squirter“يا ”bubbler“ لايه‌اي از آب بين حسگر و فلز قرار ميگيرد تا ارتباط صوتي برقرار شود. روش پالس- پژواك عموماً نقصهايي تا حدود ۰/۱۱۹۳۸ سانتيمتر قطري را تشخيص ميدهد. روش انتقال سيستم نقصهايي تا حدود ۰/۱۲۷ سانتيمتر قطري را تشخيص ميدهد.
توانايي ماوراء صوت براي تشخيص عيوب به طول موج آن بستگي دارد. (كه از فركانس و سرعت موج نشأت ميگيرد). يك قاعدة سر انگشتي حد تشخيص بيان ميدارد كه : (( اندازة كوچكترين نقص قابل تشخيص نصف طول موج است.))
استفاده از فركانسهاي بالا باعث افزايش حساسيت براي نقصهاي كوچك ميشود، اگرچه باعث بالا رفتن دامنه موج و نويز پخش شده ميشود.
