ULTRASUNETELE SI UTILIZAREA LOR IN PROCESE TEHNOLOGICE

Ultrasunetele (US) sunt o forma de energie mecanica ce se propaga sub forma unor unde de frecventa superioara limitei de perceptie a urechii umane. Omul percepe sunete cu frecventa cuprinsa intre 16 si 20 000 Hz. Sunetele cu frecventa peste limita de audibilitate umana (20 MHz) se numesc ultrasunete, iar cele cu frecventa sub aceasta, infrasunete.

Proprietatile ultrasunetelor

Perioada (T) este timpul necesar unei particule pentru descrierea unei oscilatii complete si se exprima in secunde.

Frecventa (f) este numarul de oscilatii efectuate in unitatea de timp (secunda). Unitatea de frecventa este Hertz (Hz). O frecventa de 1 Hz corespunde unei oscilatii pe secundă (f=1/T).

Amplitudinea oscilatiei este valoarea absolută a distantei maxime parcurse de particula in jurul pozitiei de echilibru.

Lungimea de unda este distanta dintre doua maxime sau dintre doua puncte succesive aflate in aceeasi faza.

Viteza ultrasunetelor exprima distanta parcursa de US in unitatea de timp. Se masoara in m/s. Viteza de propagare a US este de 331 m/s în aer, de 1430 m/s în apă si mult mai mare in corpurile solide, fiind dependenta de densitatea si elasticitatea mediului. Undele sonore nu se propaga in vid, iar in gaze se propaga destul de greu, datorită distantei mari dintre molecule.

Energia acustica. Unda ultrasonica transporta si cedeaza o parte din energie mediului strabatut determinand oscilatii ale particulelor din mediu. Se masoara in Jouli (J).

Intensitatea ultrasunetelor este cantitatea de energie care strabate unitatea de suprafata in unitatea de timp. Se exprima in W/cm2. Intensitatea US scade proportional cu distanta parcursa, atenuarea acustica fiind cu atat mai mare cu cat frecventa este mai ridicata. Deci pe masura ce creste frecventa scade adancimea de penetrare. La o frecventa data, adancimea de penetrare a US este limitata descaderea intensitatii.

Impedanta acustica exprima rezistenta la trecerea undelor, fiind produsul dintre densitatea mediului si viteza US. Impedanta acustica este deci o constanta dematerial: Z = ρ ⋅ c. Se masoara in rayl; 1 rayl = 1 Kg ⋅ m-2 ⋅ s-1.

Limita de separare dintre două medii cu densitate diferita, deci cu impedanta acustica diferita, se numeşte interfata. La nivelul interfetelor, impulsul ultrasonic este: reflectat, refractat, dispersat, absorbit sau atenuat.

Reflexia consta in intoarcerea in mediul initial a unei parti a fasciculului de US la traversarea unei interfete, in functie de impedanta acustica a celor doua medii. Direcţia fasciculului reflectat depinde de unghiul pe care il face fasciculul incident cu

interfata.

Refracţia reprezinta schimbarea directiei fasciculului incident dupa ce a strabatut o interfata. Valoarea unghiului de refractie este proportionala cu diferenta de viteza a US in cele două medii si invers proportionala cu unghiul de incidenta.

Dispersia consta in reiradiere, adica in emisia de noi unde sferice in zone cu impedante acustice diferite si cu dimensiuni mai mici decat lungimea de unda. Dispersia conduce la marirea ariei de actiune a US.

Atenuarea se produce prin: absorbtie, dispersie, reflexie. Atenuarea este direct proportionala cu patratul distantei parcurse si cu frecvenţa fasciculului de US. Undele cu frecventa mare sunt atenuate dupa un parcurs scurt, iar cele cu frecventa mica patrund in profunzime.

Difracţia. Atunci când fasciculul de US trece la o distanta mai mica de una sau doua lungimi de unda de un obstacol, directia de propagare a undelor este deviata in spatele acestuia. In spatele obstacolului apar zone de umbra acustica, iar in fata lui se produce interferenta undelor, ca rezultat al actiunii mai multor unde asupra acelorasi particule. Daca undele sunt in aceeasi faza, efectul se cumuleaza si avem de a face cu o interferenta constructiva, iar dacă sunt in antifaza efectul se anuleaza, interferenta fiind distructivă.

Puterea acustica este cantitatea de energie care strabate o suprafata in unitatea de timp. Se masoara in watt.

Fasciculul de ultrasunete

Materialul piezoelectric nu emite o singura unda ultrasonica, ci un fascicul care porneste de pe toata suprafata materialului. Intr-o prima portiune, de cativa cm, acest fascicul este ingust si are forma cilindrica, undele din componenta avand practic o dispunere paralela. Aceasta zona apropiata poarta denumirea de zona Fresnel. Urmeaza o alta portiune, numita zona indepartata sau zona Fraunhofer, in care undele devin divergente, iar fasciculul are forma de trunchi de con. Lungimea zonei Fresnel si divergenta zonei Fraunhofer depind de dimensiunile discului piezoelectric, dar si de frecventa ultrasunetelor produse de acesta. Cresterea frecventei ultrasunetelor sau a diametrului discului piezoelectric determina marirea zonei Fresnel si micsorarea unghiului de divergenta.

Defectoscopia nedistructiva cu ultrasunete

                Dintre numeroasele aplicatii ale ultrasunetelor vom mentiona defectoscopia ultrasonora.

            Controlul ultrasonor permite stabilirea existentei unor defecte (fisuri, goluri) in interiorul unor piese metalice masive. Principalele tipuri de defectoscoape ultrasonore utilizeaza transmisia sau reflexia.

            In defectoscopul prin transmisie emitatorul si receptorul de ultrasunete sunt situate de o parte si de alta a piesei de cercetat (fig.A2-1).

            Daca intre emitator si receptor nu exista nici un defect (de exemplu intre sursa S1 si receptorul R1) semnalul ultrasonor transmis va trece neatenuat producand o anumita deviatie a acului aparatului de inregistrare (A1)

Fig. A2-1 Schema de principiu pentru un defectoscop cu ultrasunete.

            In cazul in care intalneste un gol (D) o parte a semnalului ultrasonor este reflectat pe suprafata de separare dintre metal si aerul din golul respectiv si semnalul este mult atenuat ceea ce se va observe la aparatul indicator (A2).

            Dispozitivul folosit practic are o singura pereche emitator-receptor care este plimbata in lungul piesei de cercetat.

            Aceasta metoda are, totusi, doua incoveniente : in primul rand ultrasunetele propagandu-se prin piesa se reflecta pe fetele opuse ale acesteia ingreunand observarea defectelor; in al doilea rand acest procedeu nu permite stabilirea adancimii la care se gasesc defectele.

Fig.A2-2. a.Scema de principiu a defectorscopului cu refelexie.

Fig.A2-2.b.Figura care se observa pe ecranul defectoscopului

Aceste incoveniente sunt in buna masura eliminate de defectoscoapele prin reflexie (sau in impulsuri). La acestea emitatorul si receptorul sunt situate de aceeasi parte a piesei unul langa altul (fig.A2-2a). Ultrasunetele se propaga prin piesa, ajung la fata opusa unde sunt reflectate si apoi revin la receptor. Daca in piesa exista un defect, semnalul ultrasonor se va reflecta de acesta si va ajunge mai devreme la receptor decat cel reflectat de fata opusa.

            Emitatorul genereaza impulsuri scurte la intervale lungi constante care impreuna cu semnalul reflectat sunt marcate pe ecranul unui oscilograf. In fig.A2-2b,  prin 1 si 3 am indicat locurile unde spotul luminos are devieri bruste care marcheaza momentele in care a fost emis semnalul ultrasonor si respectiv in care a fost receptat semnalul reflectat de fata opusa. Prin 2 am indicat locul unde este indicata primirea unui semnal reflectat de un defect. Pozitia relativa a acestuia in raport cu 1 si 3 ne permite sa determinam adancimea la care se gaseste defectul.

Betonoscopul

Betonoscopul: aparat pentru determinarea calității betonului.

Principiul de funcţionare : măsurarea timpului de propagare a impulsurilor ultrasonice în beton, între emiţător şi receptor=> viteza de propagare longitudinală a ultrasunetelor =>rezistenţa betonului.

Indicaţii :• la controlul calităţii betonului îndeosebi când acesta este turnat în elemente

masive sau prezintădefecte aparente ori ascunse

• la urmărirea întăririi betonului îndeosebi în fazele iniţiale ale acestui proces, când au loc modificăriimportante ale vitezei de propagare

• la determinarea degradărilor structurale ale betonului în timpul solicitărilor sau acţiunilor fizice sauchimice agresive

• la determinarea gradului de compactare a betonului în lucrare• la elemente la care este posibilă existenţa unei diferenţe sistematice între

calitatea betonului în stratulde suprafaţă şi calitatea betonului în profunzime

Contraindicaţii :• în zonele cu mari aglomerări de armătură mai ales când aceasta este orientată

paralel cu direcţia depropagare a ultrasunetelor

• la determinarea rezistenţei betonului în zone în care acesta prezintă degradări structurale

• la betoane de compoziţie complet necunoscută• la betoane confecţionate cu dozaje ridicate de ciment (D ≥ 400 kg/m3)

Tehnica de încercare :prin beton simplu

1. Prin transmisie directă – când emiţătorul şi receptorul sunt situaţibcoaxial pe două feţe opuse ale elementului din beton

2. Prin transmisie la suprafaţă (indirectă) – când emiţătorul şi receptorul sunt situaţi pe aceeaşi faţă a elementului din beton

3. Prin transmisie diagonală – când emiţătorul şi receptorul sunt situaţi pe feţe diferite ale elementului din beton, dar necoaxial

Mod de efectuare:• stabilirea numărului secţiunilor examinate:

- pentru controlul omogenităţii se apreciază ca suficientă o reţea de puncte cu distanţa între secţiuni de 50 cm- pentru examenul defectoscopic se apreciază ca necesară o reţea principală, cu distanţa între secţiuni de 30 cm, posibilităţi de îndesire suplimentară, prin reţele secundare- pentru controlul prin sondaj a calităţii betonului în elemente se apreciază ca necesare min. 3 secţiuni, situate în zonele de solicitare maxime ale elementului şi pe cât posibil distribuite în lungul acestuia

• stabilirea numărului punctelor de încercare dintr-o secţiune – depinde de latura secţiunii şi de numărul de feţe accesibile pentru încercare – variază între 3...6

• se va evita alegerea punctelor de încercare pe faţa de turnare şi chiar pe cea opusă acesteia; se vor prefera încercările pe feţele laterale, cofrate ale elementului

• la examinarea stâlpilor monoliţi este util ca încercările să se facă pe ambele direcţii ale stâlpului din secţiunea transversală

• se va evita alegerea direcţiei de încercare paralelă cu direcţia armăturilor principale de rezistenţă, ca şi amplasarea punctelor de încercare în zonele cu mari concentrări, indiferent de orientarea acestora

• evitarea încercărilor în dreptul etrierilor

Tehnica de încercare :prin beton armat

Mod de efectuare:• distanţa minimă a punctelor de încercare faţă de muchiile elementului este de

10-12 cm (pentru epruvete punctele de încercare vor fi localizate în ax – egal depărtate faţă de muchii)

• distanţa minimă între emiţător şi receptor, la determinarea rezistenţei betonului, trebuie să fie L ≥ 16 cm

• dimensiunea minimă a elementului normal pe direcţia de încercare este a ≥ 16 cm; dacă una din laturiîndeplineşte această condiţie iar cealaltă latură îndeplineşte condiţia b ≥ 8 cm se poate admite, cu o eroare mai mică de 1,5-2 %, că viteza măsurată este cea corespunzătoare undelor longitudinale; dacă ambele laturi îndeplinesc condiţia b ≥ 8 cm tot se mai poate admite, cu o eroare mai mică de 3 %, că viteza măsurată este cea corespunzătoare undelor longitudinale

• trasarea şi marcarea locurilor de încercare se face cu instrumente adecvate pentru a se obţine o precizie a trasării de ±1 cm

• suprafaţa de beton trebuie să fie perfect plană, lipsită de rugozităţi şi de incluziuni de corpuri străine, inclusiv de praf – se recomandă prelucrarea suprafeţei în prealabil (astfel încât aceasta să fie mai mare ca suprafaţa palpatorului) prin frecare cu o piatră de şlefuit şi suflarea suprafeţei la final pentru înlăturarea prafului

• aplicarea unui strat de mediu cuplant pe suprafaţa transductorilor şi a betonului; stratul cuplant trebuie aplicat în grosimea minimă necesară expulzării complete a aerului prin presare.

UTILIZAREA ULTRASUNETELOR IN DOMENIUL CONSTRUCTIILOR

Studenti: Purcaru Ioan-Alexandru

Serban Ion-Aurel

Drug Petru-Razvan

Cotoi Tiberiu-Cristian

Andriescu Andrei-Adrian