PROIECT Contribuţii privind utilizarea ultrasunetelor la determinarea defectelor în piese forjate

2013

Cuprins:

1. Introducere - necesitatea si oportunitatea problemei

2. Stadiul actual al cercetarilor

3. Importanta si actualitatea problemei cercetate

4. Cercetari privind utilizarea ultrasunetelor la determinarea defectelor în piese forjate

5. Posibilitati de utilizare

Bibliografie

1. Introducere

Controlul nedistructiv ( nondestructive testing, prescurtat NDT) reprezintă modalitatea de

control al rezistenței unei structuri, piese etc fără a fi necesară demontarea, ori distrugerea

acestora.

Este un ansamblu de metode ce permite caracterizarea stării de integritate a pieselor,

structurilor industriale, fără a le degrada, fie în decursul producției, fie pe parcursul utilizării prin

efectuarea de teste nedistructive în mod regulat pentru a detecta defecte ce prin alte metode este

fie mai dificil, fie mai costisitor.

Examinările cu ultrasunete reprezintă o metodă foarte utilă şi vastă in controlul nedistructiv.

Câteva avantaje a examinării cu ultrasunete sunt:

- este sensibilă la discontinuităţile suprafeţelor

- adâncimea la care se face studiul pentru detectarea defecţiunilor sau măsurătorilor este

superioară altor metode de control nedistructiv

- este nevoie de acces doar la o parte a materialului atunci cand se foloseşte tehnica impuls/ecou-

are o acurateţe foarte mare în determinarea poziţiei de reflectare şi estimare amarimii şi formei

defecţiunii

- necesită pregătiri minime înainte de examinare

- echipamentele electronice asigură rezultate exacte

- pot fi reprezentate imagini detaliate

- mai are şi alte utilizări cum ar fi măsurarea grosimii.

In vederea realizarii unui control nedistructiv eficient, este necesara indeplinirea urmatoarelor

conditii:

- controlul cu ultrasunete al materialului, prevazut in documentatia tehnica, sa fie intr-adevar

metoda de investigare adecvata pentru determinarea anumitor defectede material;

- echipamentele ultrasonice utilizate sa corespunda din punct de vedere tehnic si sa dispuna

de accesorii potrivite domeniului de lucru;

- operatorul sa posede cunostintele teoretice si practice necesare prelucrarii informatiilor

vizualizate.

De asemenea, despre materialul piesei examinate este important sa se cunoasca:

- daca se preteaza la examinarea cu ultrasunete;

- modul de propagare a fascicolului ultrasonic in piesa;

- natura defectelor presupuse, care urmeaza a fi puse in evidenta cu ajutorul ultrasunetelor.

La fel ca toate metodele de examinare nedistructiv şi examinarea cu ultrasunete are unele

limite:

- suprafaţa trebuie să fie accesibilă să transmită unde

- pregatirea personalului este mult mai scumpă faţă de alte examinări

- în mod normal necesită un mediu cuplă pentru a se realize transferal energiei sunetului în

material

- materialele care sunt dure, cu forme iregulate, foarte mici neomogene sunt greude examinat.

- defectele liniare orientate paralel cu raza sunetului pot trece nedetectate

- sunt necesare nişte referinţe pentru calibrarea echipamentelor şi caracterizareadefectelor

UNDE ACUSTICE

Orice corp care vibrează transmite o parte din energia sa de vibraţie particulelor mediului cu care se află în contact. se creează în acest fel o perturbaţie. Considerând mediul elastic, această perturbaţie nu rămâne localizată datorită interacţiunii dintre particulele mediului, ea transmiţându-se din aproape în aproape, formând unde elastice care iau alternativ forma unei compresiuni sau a unei expansiuni. Deoarece modalitatea de a produce o perturbaţie într-un mediu este foarte variată, şi undele elastice pot fi foarte variate.

Câmpul acustic. Tipurile de undă

Undele acustice sunt o varietate de unde elastice. Privite din punct de vedere al frecvenţei şi deci al senzaţiei pe care o produc asupra organului auditiv uman se deosebesc:

- undele infrasonore, care au frecvenţe inferioare frecvenţei sunetului celui mai grav

perceput de organul auditiv al omului (0,5 … 20 Hz);

- undele sonore, care au frecvenţe care fac să impresioneze organul auditiv al omului

producând senzaţia de auz (20 … 20000 HZ);

- undele ultrasonore, care au frecvenţa ce depăşesc frecvenţa sunetului cel mai înalt

perceput de organul auditiv al unui om otologic normal. În general se consideră ultrasunete, undele

elastice cu frecvenţe cuprinse între 16000 Hz şi 109…1010 Hz;

- undele hipersonore, care au frecvenţe foarte ridicate şi nu se mai supun legilor clasice ale

mecanicii necesitând aplicarea legilor mecanicii cuantice. Domeniul lor începe de la aproximativ

1010 Hz şi se întinde până la 1014 Hz, acestor frecvenţe corespunzându-le lungimi de undă

comparabile cu distanţele interatomice.

Regiunea mediului elastic care se găseşte în stare de vibraţie şi care este sediul unor unde acustice se numeşte câmp acustic.

În mişcarea vibratorie pe care o efectuează, particulele mediului pot avea diferite

traiectorii, cele mai simple şi cele mai frecvent întâlnite fiind traiectoriile liniare şi traiectoriile

circulare.

Undele ultrasonore, la fel ca şi undele elastice, pot fi de diverse tipuri în raport cu

traiectoria pe care o pot avea particulele mediului şi cu natura şi dimensiunile mediului prin care se

propagă.

Din acest punct de vedere se deosebesc:

Comprimare Rarefiere

Direcţia de mişcare Direcţia de a particulei propagare

λ

Fig 1.1. Undele longitudinale: λ – lungime de undă

- undele longitudinale, când traiectoria undei este liniară şi deplasarea particulelor se

produce în direcţia propagării undei (Fig. 1.1.). Aceste tipuri de unde iau naştere şi se pot propaga

prin orice mediu elastic, gazos, lichid, solid sau plasmă. Ele produc compresii şi rarefieri succesive

de-a lungul direcţiei de propagare în fluide şi gaze, iar în solide produc eforturi alternative de

întindere şi comprimare. Moleculele mediului vibrează în jurul poziţiilor de echilibru, traiectoriile lor

fiind drepte, paralele cu direcţia de propagare a frontului de undă, viteza de propagare fiind

condiţionată de forţele de interacţiune dintre particulele mediului. Dacă dimensiunile mediului prin

care se propagă undele elastice nu pot fi considerate infinite şi devin comparabile cu lungimea

undei acustice, undele se numesc în acest caz cvasilongitudinale;

- undele transversale, când traiectoria undei este liniară, dar deplasarea particulelor se

face după o direcţie perpendiculară pe direcţia propagării undelor (Fig. 1.2.). Aceste unde se mai

numesc şi unde de alunecare şi se formează numai în mediile solide, deoarece au legăturile

moleculare asigurate.

λ

Direcţia de mişcare Direcţia de

a particulei propagare

λ

Fig. 1.2. Undele transversale:

λ – lungimea de undă

Pentru propagarea acestor unde acustice este necesar ca fiecare particulă să exercite

o forţă de atracţie asupra particulelor învecinate astfel încât la mişcarea lor alternativă să poată

acţiona şi asupra celor vecine.

De exemplu, când frontul de undă a atins particulele m1 şi m2 care se mişcă

perpendicular pe direcţia de propagare a frontului de undă (Fig. 1.3.) asupra particulei m3 aflată în

repaus vor acţiona şi forţele care să exercite între m1 şi m3 şi cele care se exercită între m2 şi m3.

m1

Direcţia de propagare

m3

m2

Fig. 1.3. Undele transversale în solid omogen infinit: m1; m2; m3 – particule materiale

Aceste forţe au componente longitudinale care se anulează reciproc şi componente

transversale care se adună şi pun în mişcare particula m2 tot în direcţia de propagare. Modelul

celor trei particule poate fi extins la un număr infinit de particule ce constituie corpul solid omogen

şi nemărginit;

- undele de torsiune, când traiectoria particulei mediului este circulară într-un plan

perpendicular pe direcţia de propagare a frontului de undă, iar mediul are dimensiuni finite. Undele

de torsiune apar în medii solide de tipul barelor solicitate la torsiune.

- undele Rayleigh, când traiectoria particulei este un cerc având ca centru poziţia de

repaus şi care este conţinut într-un plan paralel cu direcţia de propagare.

Acest tip special de unde apare pe suprafaţa liberă a unui corp solid sau a unui mediu

lichid şi se mai numesc şi unde de suprafaţă. Sub acţiunea acestor unde de suprafaţă corpul va

avea o mişcare longitudinală şi una transversală, moleculele executând o traiectorie eliptică la

trecerea frontului. Dacă se cercetează o secţiune transversală într-un mediu prin care se propagă

unde Rayliegh, se constată că particulele execută mai întâi o elipsă dextrogiră în raport cu direcţia

de propagare a undei şi ale cărei axe se schimbă până ce particulele vibrează numai în direcţia

verticalei şi apoi o elipsă levogiră care se atenuează până la 1% din amplitudinea de vibraţie la o

adâncime de o lungime de undă de suprafaţă (fig. 1. 4.).

Mişcarea particulei

Direcţia de propagare

Fig. 1.4. Undele Rayleigh

Particulele separate printr-o lungime de undă se vor găsi în acelaşi moment în puncte identice pe elipsele ce le descriu, elipsele având aceeaşi formă la diverse adâncimi de suprafaţă. În ansamblu, undele Rayleigh sunt constituite dintr-un număr de cicluri, fiecare ciclu dând un front de undă de-a lugul căruia particulele se găsesc în poziţii identice pe elipse identice (Fig. 1.5.).

Acest tip de unde se propagă numai la suprafaţă, practic pe o adâncime de câteva lungimi de undă. Undele Rayleigh sunt bidimensionale şi se atenuează mult mai greu decât undele longitudinale şi transversale. Undele de suprafaţă sunt generate şi de cutremurele de pământ şi se propagă la distanţe mari.

Deoarece ele se formează numai la suprafaţă de separare a două medii diferite, ca de exemplu oţel-aer, sunt utilizate în defectoscopia nedistructivă ultrasonică pentru punere în evidenţă a defectelor de suprafaţă a fisurilor şi crăpăturilor.

λ

Fig. 1.5. Undele de suprafaţă

λ – lungime de undă

- undele Lamb, când undele elastice sunt generate în plăci subţiri, sau în bare subţiri caracteristicile de transmisie depinzând de lungimea de undă ultrascurtă, de tipul solidului şi de dimensiunile plăcii sau barei. Mişcarea particulei la astfel de tipuri de unde este deosebit de complexă, fiind asemănătoare cu cea a undelor transversale când dimensiunile corpului solid sunt comparabile cu lungimea de undă a ultrasunetului sau cu cea a undelor de suprafaţă când grosimea plăcii este egală sau chiar mai mică decât lungimea de undă a ultrasunetului. Undele Lamb pot fi simetrice (Fig. 1.6. a) sau asimetrice (Fig. 1.6. b), ele pot fi excitate şi prin incidenţa oblică a unor unde longitudinale pe suprafaţa unui corp. Amplitudinea undei va fi maximă atunci când viteza undei longitudinale vl, va fi egală cu viteza de fază a undei Lamb vs, adică atuci când este satisfăcută condiţia:

în care α este unghiul de incidenţă al undelor longitudinale; γ frecvenţa undei longitudinale.

În afară de dependenţa de γ şi λ ale undei longitudinale, lungimea de undă Lamb depinde şi de grosimea plăcii în care se produce.

În marea majoritate a cazurilor de aplicaţii tehnologice ale undelor ultrasonore, datorită mediilor fine în care are loc propagarea şi a formelor geometrice foarte variate, apar diferite categorii de unde, creându-se de cele mai multe ori mişcări deosebit de complexe.

Fig. 1.6. Undele Lamb

a – simetrice; b - asimetrice

Undele longitudinale plane

Dacă perturbaţia unui mediu este produsă de un punct material aflat în stare de vibraţie, fronturile de unde sunt suprafeţe sferice având centrul într-un punct care coincide cu sursa şi care se propagă cu aceeaşi viteză în toate direcţiile dând naştere undelor sferice. Dacă se consideră suprafeţele sferice la distanţe foarte mari în raport cu sursa care le-a produs, fronturile de undă pot fi asimilate cu unde plane, perpendiculare pe direcţia de propagare.

Undele plane sunt deci cel mai simplu tip de unde, caracteristica lor principală fiind

aceea că presiunile acustice şi deplasările particulelor într-un plan perpendicular pe direcţia de

propagare au aceeaşi fază şi aceeaşi amplitudine.

Ecuaţia undei elastice

Fenomenul propagării undei acustice printr-un mediu poate fi foarte bine caracterizat prin ecuaţia undei. Pentru deducerea ecuaţiei undei se presupune că unda acustică se propagă într-un mediu perfect elastic, omogen şi izotrop. În general, propagarea undei acustice se face după o direcţie oarecare în raport cu un sistem de axe rectangulare. Deducerea ecuaţiei generale a undei se poate face luând în considerare legea mişcării, legea continuităţii şi proprietăţile termodinamice ale gazelor.

Perturbaţia provocată de punctul material în vibraţie se propagă în mediul elastic sub

formă de compresiuni şi rarefieri. Deoarece compresiunea se datoreşte unei măriri a presiunii, iar

rarefierea unei micşorări a presiunii, propagarea unei unde acustice înseamnă o variaţie a presiunii

în timp şi spaţiu. Prin urmare, prin relaţia care trebuie stabilită este cea dintre presiunea acustică şi

variaţia densităţii mediului prin care se propagă unda. Se presupune că schimbările de presiune şi

de densitate sunt atât de rapide încât temperatura gazului rămâne constantă şi deci este vorba de

un proces adiabatic.

în care: pentru este presiunea totală; V – volumul; k = cp/cv (cp – căldura specifică la presiune

constantă; cv – căldura specifică la volum constant).

Prin derivare logaritmică relaţia (1.2) devine:

Ţinând cont că presiunea totală în orice moment este:

(p – presiunea acustică, p0 – presiunea statică) şi că raportul dintre densitatea la un

moment dat ρ' şi densitatea iniţială ρ0, numit condensare, este dat de relaţia:

se găseşte legătura dintre presiunea acustică şi variaţia densităţii mediului o expresie

de forma:

unde: este o constantă numită viteza sunetului sau ultrasunetului; ρ' –

densitatea rezultată în urma perturbaţiei.

Pentru a determina ecuaţia corespunzătoare celei de a doua legi a lui Newton trebuie pornit de la forţele exterioare ce acţionează asupra elementului de volum (fig. 1.7)

Z

B B'

C C'

F'x F''x

A A'

O O' X

Y

Fig. 1.7 Forţele exterioare ce acţionează asupra unui element de volum în cazul

undelor longitudinale plane:

F'x – forţa care acţionează pe faţa OABC

F''x – reacţiunea ce acţionează pe faţa O'A'B'C'.Dacă perturbarea are loc la direcţia axei Ox, forţa care acţionează pe faţa OABC este:

iar pe faţa opusă O'A'B'C', acţionează reacţiunea F''x, de forma:

şi caută să accelereze elementul de volum în sensul pozitiv al axei O. Notând cu vx, vy, vz

componentele vitezei volumului elementar se poate determina acceleraţia ax, cu relaţia:

Deoarece termenii de forma sunt mărimi de ordinul al doilea, pot fi neglijaţi,

astfel că forţa de accelerare dirijată după axa Ox este:

Aplicând legea a doua a lui Newton rezultă:

legea mişcării

În cazul amplitudinilor mici, când se poate considera că , şi analoagele ei pe

axele Ox şi Oz devin:

Ecuaţiile date mai sus reprezintă legea mişcării.

Pentru determinarea ecuaţiei undei trebuie ţinut cont şi de principiul continuităţii.

Conform principiului continuităţii, diferenţa dintre cantitatea de fluid intrată în elementul

de volum şi cantitatea de fluid ce se scurge din acest volum printr-o pereche de feţe delimitatoare

este egală cu valoarea creşterii masei fluidului din acest volum. Cantitatea de fluid dQI, care

pătrunde printr-o faţă delimitatoare (OABC) în elementul de volum considerat, într-un interval de

timp dt, este:

2. Stadiul actual al cercetarilorO deficienta la oricare din acesti factori sau la mai multi din ei,duce la aparitia unor piese

care nu indeplinesc una sau mai multe din conditiile de livrare.

Desi conventionala, prin notiunea de defect a piesei, se intelege orice abatere de la forma,

dimensiuni, masa, aspect exterior, compactitate, structura, compozitie chimica sau proprietati

mecanice si fizice prescrise in standardele respective, normative tehnice sau conditii tehnice

contractuale.In functie de standardele respective, normative tehnice sau conditiile tehnice

contractuale aceasi discontinuitate a piesei turnate poate fi in unele cazuri admisibila sau

remaniabila, iar in alte cazuri poate fi considerata un defect inadmisibil.

Pe baza acestor elemente, discontinuitatile pieselor se pot imparti corespunzator cu fiecarui

tip de prelucrare, in functie de importanta lor, in trei grupe:

- discontinuitati admisibile, fara remanieri;

- discontinuitati admisibile, cu remanieri;

- discontinuitati inadmisibile (defecte)

Grupa intai cuprinde discontinuitatile care nu afecteaza in nici un fel calitatea si

functionalitatea piesei. Pentru imbunatatirea aspectului comercial al acestei grupe de discontinuitati

ele se inlatura aparent prin acoperirea cu chituri sau vopsele.

Grupa a doua cuprinde acele discontinuitati care influenteaza defavorabil functionalitatea

piesei. Aceste discontinuitati se pot inlatura prin remanierea pieselor utilizand diferite procedee

(mecanice, metalurgice, chimice sau speciale) in asa fel incat piesele turnate sa corespunda

integral conditiilor tehnice prevazute in standarde, documentatii tehnice, norme interne sau caiete

de sarcini.

Grupa a treia cuprinde defectele inadmisibile, care conduc, fara exceptie, la rebutarea

pieselor.

Clasificarea si terminologia discontinuitatilor pieselor sunt standardizate in standarde

specifice modului de prelucrare al produsului. Standardul stabileste clasificarea si terminologia

discontinuitatilor pieselor pentru toate tipurile de aliaje feroase si neferoase, indiferent de modul de

fabricare al acestora.

In general in practica industriala si prin standarde, clasificarile nu se fac numai cu scopul unei

sistematizari intr-un ansamblu de notiuni, ci in special pentru a pune la indemana practicienilor un

instrument util care sa coordoneze activitatea acestora.

Din acest punct de vedere, clasificarea discontinuitatilor pieselor trebuie sa indeplineasca

anumite conditii:

- sa cuprinda toate defectele caracteristice pieselor in functie de modul de prelucrare al

acestora;

- sa permita incadrarea discontinuitatii cu precizie intr-o anumita categorie;

- sa permita identificarea cauzelor care au produs discontinuitatea;

- sa permita evidenta usoara, clara si operativa a defectelor.

In standarde sistemul folosit pentru clasificarea discontinuitatilor se bazeaza pe descrierea

fizica a fiecarei discontinuitati. Acest sistem permite identificarea discontinuitatilor fie prin

observarea directa a piesei, fie dupa o descriere precisa a discontinuitatii folosind doar criteriile

formei, aspectului, localizarii si dimensiunilor acestora. Astfel identificarea se poate face fara a se

recurge la numele discontinuitatii sau la cauzele care pot interveni (si care de fapt sunt

necunoscute in prealabil).

Scopul examinarii, respectiv al defectoscopiei nedistructive este de a decela cu

operativitate discontinuitatile,a le determina natura si parametrii acestora: pozitia, orientarea si

marimea, si de a emite decizii de acceptare, remediere sau refuz, in concordanta cu criteriile de

admisibilitate sau limitele de admisibilitate prescrise in documentatii de executie, norme si

standarde. Stabilirea naturii discontinuitatii este deosebit de utila in identificarea cauzelor si fixarea

masurilor de corectare a executiei sau a tehnologiei. Aflarea celorlalti parametrii ai defectului se

impune in vederea indicarii cu exactitate a locului si extinderii remedierii.

Dezvoltarea impetuoasa a examinarii nedistructive pe terenul tot mai extins a pretentiilor

pentru calitate si rentabilitate, are ca principal argument eficienta economica. Ea rezulta, in primul

rand pe cale directa prin:

- reducerea cheltuielilor materiale, a fortei de munca si a timpului pentru examinarii;

- reducerea cheltuielilor de folosire a tehnologiilor active de executie;

- marirea productivitatii si ritmicitatii muncii;

- preintampinarea pierderilor in productie si in exploatare, prin eliminarea in faze timpurii de

executie a semifabricatelor si pieselor necorespunzatoare si micsorarea rebuturilor;

- reducerea cheltuielilor de exploatare si intretinere;

- imbunatatirea calitatii produselor, prin marirea gradului de detectabilitate a defectelor si a

preciziei examinarii.

Metodele nedistructive folosite pentru examinarea materialelor, pieselor si imbinarilor in general,

pot fi grupaqte in :

a) Examinarea vizuala: cu ochiul liber, folosind aparate de marit obisnuite, sau tehnici speciale;

b) Examinarea cu lichide penetrante: cu contrast de culoare fluorescente;

c) Examinarea cu pulberi magnetice: cu pulberi colorate, cu pulberi fluorescente;

d) Examinarea cu radiatii penetrante: cu radiatii X, cu radiatii gamma;

e) Examinarea cu ultrasunete: cu impuls reflectat, cu r 616k1024g ezonanta;

f) Examinarea cu ajutorul curentilor turbionari;

g) Examinarea prin termografie;

h) Examinarea prin holografie;

i) Examinarea prin metoda emisie acustice.

In alegerea metodei de examinare nedistructiva pentru evaluarea discontinuitatilor trebuie

avute in vedere urmatoarele:

a) Tipul discontinuitatilor ce urmeaza a fi detectate;

b) Procedeul de fabricare al produselor;

c) Accesibilitatea articolului;

d) Nivelul de sensibilitate dorit;

e) Echipamentul de examinare disponibil;

f) Costul.

Discontinuitatile inerente sunt acele discontinuitati care sunt legate de solidificarea metalului topit.

Ele sunt de doua tipuri:

a) Forjate. Discontinuitatile inerente ale materialelor forjate acopera categoria acelor

discontinuitati care sunt legate de incalzirea si racirea metalelor sau de matrita de forjare.

b) Turnate. Discontinuitatile datorate turnarii sunt cele legate de topire, turnare si solificare a

metalului turnat. Include acele discontinuitati care sunt proprii procesului de fabricare ca:

incarcarea inadecvata, procedeul de turnare,temperatura de turnare excesiv de ridicata, bule de

aer,manipulare si cuva de turnare.

Descrierea discontinuitatilor trebuie sa fie insotita de incadrarea ei intr-o categorie speciala,

precum si de fotografii care sa ilustreze tipul discontinuitatilor.

Discutia asupra discontinuitatilor trebuie sa acopere urmatoarele puncte:

a) Originea si localizarea discontinuitatilor (de suprasfata, in apropierea suprafetei sau interne);

b) Orientarea (paralele sau perpendiculare directiei de prelucrare);

c) Forma (ovale, neregulate sau spiralate);

d) Fotografia (o indicatie tipica a discontinuitatii);

e) Analiza cauzelor ce au produs-o.

TIPURI DE DISCONTINUITATI SI METODELE DE EXAMINARE NEDISTRUCTIVA APLICATE

PENTRU DETECTAREA ACESTORA

In cele ce urmeaza se va face o caracterizare a discontinuitatii si o explicare a cauzelor ce le-

au produs, dupa care se va prezenta aplicatibilitatea metodelor de examinare cu ajutorul lichidelor

penetrante, a ultrasunetelor si a curentilor turbionari in ordinea utilitatii aplicarii acestora.

CRAPATURI

Sunt datorate procesului de fabricatie.

Aceste tipuri de discontinuitati sunt specifice produselor forjate feroase si neferoase.

Crapaturile sunt discontinuitati de suprafata dar si interne. Ele se prezinta sub forma unor

cavitati drepte sau neregulate, de marime variabila, avand interstitii largi sau foarte fine. De obicei

sunt paralele cu directia de prelucrare. Se intalnesc in materiale rupoase care au suferit procesul

de forjare, laminare sau extrudare.

Cauzele producerii lor:

Crapaturile aparute in urma procesului de forjare sunt crapaturi de suprafata sau interne datorate

prelucrarii materialului la temperaturi scazute, miscarii materialului in timpul procesului de forjare,

laminare sau extrudare.

Crapaturile nu au forma spongioasa si astfel prezenta lor poate fi remarcata si intr-un tub,

chiar daca apar in centrul acestuia.

Crapaturile tind sa se mareasca si, cel mai des, duc la rupturi in timpul procesului de utilizare

a produsului.

Metode de examinare nedistructive folosite:

Ultrasunete. De obicei aceasta metoda este folosita pentru determinarea crapaturilor

interne. Crapaturile sunt definite ca deschizaturi in material, producand o indicatie foarte clara pe

ecran. Metoda ultrasonica este capabila sa detecteze crapaturi de marime de marime variabila

care nu pot fi detectate prin alte metode de examinare nedistructiva. Crescaturile, aschiile, ariile

suprainaltate, incluziunile straine, bulele de gaz, prezente in produsul examinat pot produce

indicatii contradictorii.

FISURI DE TRATAMENT TERMIC

Sunt datorate procesului de productie.

Apar atat in materiale feroase cat si neferoase, forjate sau turnate.

Sunt discontinuitati de suprafata,de regula adanci si bifurcate. Pot urma o schema definita

sau pot fi in orice directie a piesei. Ele iau nastere in zonele care prezinta o schimbare rapida a

grosimii materialului, urme de prelucrare, filetari, caneluri si discontinuitati care au fost aduse la

suprafata materialului.

Cauzele producerii lor:

In timpul procesului de racire si incalzire poate aparea un fenomen de stres local datorat unei

incalziri sau raciri inegale. Aparitia acestor forte de tensiune interna determina aparitia de fisuri.

Supunerea materialului la anumite solicitari poate cauza o ruptura.

Metode de examinare nedistructive folosite:

Ultrasunete. Daca se foloseste aceasta metoda, indicatiile obtinute trebuie sa fie foarte

clare. Se recomanda utilizarea undelor de suprafata.

FISURILE TEVILOR

Sunt fisuri inerente.

Apar in materiale neferoase.

Fisurile tevilor apar pe suprafata superioara in directia structurii granulare a materialului.

Cauzele producerii lor:

Fisurile tevilor pot fi atribuite uneia dintre cauzele cauzele enumerate mai jos sau unei

combinatii a acestora.

- Racirea necorespunzatoare a acestora in timpul fabricatiei

- Prezenta unor incluziuni straine in suprafata interioara a tevilor cauzeaza fragilitatea

acestora si fisurarea lor in momentul in care materialul prelucrat este incalzit in procesul de

decalire.

Metode de examinare nedistructiva folosite:

Ultrasunete. De obicei aceasta metoda este folosita la examinarea tevilor prelucrate prin

aschiere. O varietate mare de traductoare pot fi folosite pentru observarea discontinuitatilor interne

de acest tip. Anumiti cuplanti folositi la traductoarele cu ultrasunete pot avea un continut ridicat de

sulf ce are un efect negativ asupra aliajelor de nichel.

INCLUZIUNI

Sunt datorate procesului de fabricatie.

Apar in materiale feroase si neferoase prelucrate prin forjare.

Sunt discontinuitati situate la suprafata sau in imediata apropiere a suprafetei. Sunt de doua

tipuri: nemetalice - sub aspectul unor linii lungi, paralele cu directia de prelucrare sau scurte

aparand in grup - si neplastice - aparand sub forma unor arii mai intinse si nu sunt paralele cu

directia de prelucrare. Se intalnesc in materialele forjate, extrudate sau laminate.

Cauzele producerii lor:

Incluziunile nemetalice sunt cauzate de existenta unor zgure sau oxizi in matrita de

prelucrare. Incluziunile neplastice sunt cauzate de particulele ramase in stare solida in timpul

incalzirii lingoului.

Ultrasunete. De obicei aceasta metoda este utilizata pentru determinarea incluziunilor

prezentein materialele forjate. Incluziunile vor apare ca interfate in interiorul materialului. Grupari

mici de incluziuni sau prezxenta lor in plane diferite cauzeaza o pierdere a ecoului de fund. Mai

multe incluziuni mici, adunate, pot apare sub forma unui " semnal de zgonmot" excesiv. Indicatiile

incluziunilor paralele cu directia fascicolului ultrasonic sunt dificil de interpretat. Directia fascicolului

ultrasonic trebuie sa fie perpendiculara pe directia de prelucrare a materialului oro de cate ori acest

lucru este posibil.

STRATIFICARI

Sunt dicontinuitati inerente.

Apar in materiale feroase si neferoase forjate.

Sunt discontinuitati de suprafata cat sai interne, plane, extrem de fine, in general orientate

paralel cu suprafata de prelucrare a materialului. Pot contine o pelicula subtire de oxidant intre

suprafete. Se intalnesc in produsele forjate extrudate si laminate.

Cauzele producerii lor:

Stratificarile sunt santuri in general orientate paralel cu directia de prelucrare a suprafetei

materialului. Pot fi rezultatul unor incluziuni de aer, suduri, segregatii inerente sau facute in directia

de prelucrare. Stratificarile sunt discontinuitati intinse extrem de fine.

Metode de examinare nedistructiva folosite:

Ultrasunete. Pentru materialele prelucrate prin aschiere geometria si orientarea

stratificarilor (perpendiculare pe fascicolul ultrasonic) fac ca detectia lor sa fie limitata la

ultrasunete. Pot fi utilizate diferite tipuri de unde pentru detectarea acestor discontinuitati alegerea

metodei facandu-se in functie de natura materialului. Pot fi adaptate mai multe metode: automata,

manuala sau de imersie. Stratificarile vor apare ca o interfata definita avand ca urmare pierderea

ecoului de fund.

3. Importanta si actualitatea problemei cercetate Posibilitatea utilizarii undelor ultrasonice pentru testari nedistructive s-a recunooscut de

abia in anii '30, in Germania de catre Mulhauser, Trost, Pohlman, iar in Rusia de catre Sokoloff,

acestia folosind tehnici variate cu unde continue. Echipamentul de detectie s-a dezvoltat bazandu-

se pe principiul interceptarii energiei ultrasonice de catre o discontinuitate aflata in calea

fascicolului ultrasonic. Aceasta tehnica a fost cunoscuta mai tarziu sub denumirea de metoda prin

transmisie. Un sistem ingenios de transmisie a fost dezvoltat de catre Pohlman. Acesta se baza pe

producerea de imagini ca niste umbre ale defectelor interne. Mai tarziu s-au perfectionat cateva

tipuri de astfel de detectori. In timpul perioadei de inceput examinarea cu ultrasunete era destul de

limitata deoarece metoda prin transmisie necesita accesul la ambele fete ale materialului testat. Nu

a fost gasita o practica mai buna pana cand Firestone a inventat aparatul ce utilizeaza trenul de

pulsuri ultrasonice, obtinand reflexii de la discontinuitatile din materialul testat. Acest aparat, pe

care el l-a numit "reflectoscopul ultrasonic" s-a dezvoltat rapid datorita perfectionarii instrumentatiei

ultrasonice. In anii '40 acest aparat era un lider al aparatelor ultrasonice de detectie a defectelor,

atat in Statele Unite ale Americii cat si in afara acestora. In aceasi perioada, echipamentul de

testare ultrasonica a fost dezvoltat independent de catre Sproule, in Anglia.

Aplicatii ale acestei metode au aparut in scurt timp, in productie inspectia ultrasonica fiind

aplicata in cadrul examinarii calitative in metalurgie. Cercetarile au continuat, Firestone fiind din

nou cel care a adus majoritatea contributiilor importante impreuna cu asociatii sai de la

Universitatea Michigan, ei preocupandu-se de investigarea mecanismului de functionare al

traducatorilor, posibilitatea utilizarii undelor de forfecare, aplicatiile Rayleigh, ale undelor Lamb,

metoda rezonantei pentru masuratori de grosime etc.

Deoarece metoda ultrasonica este bazata pe fenomene mecanice, in particular ea este

adaptata determinarii structurii materialelor tehnice. Principalele aplicatii ale acestei metode sunt:

determinarea discontinuitatilor, masurarea grosimilor, determinarea modului de elasticitate, studiul

structurii metalurgice. Avantajele acestei metode sunt urmatoarele: sensibilitatea mare de detectie,

putere de penetrare mare (permitand examinarea unor grosimi foarte mari), acuratete in

determinarea pozitiei discontinuitatii si estimarea marimii acesteia, raspuns rapid, metoda

pretandu-se la automatizare, accesul numai dintr-o singura parte a materailului testat.

Metoda ultrasonica are totusi limitari cum ar fi: geometria nefavorabila a produsului

testat(marime, contur, complexitate si orientare a discontinuitatilor), structura interna nefavorabila

(granulatie mare, porozitati structurale, incluziuni etc).

In zilele noastre examinarea cu ultrasunete acopera un domeniu foarte larg de investigare,

cum ar fi: industria metalurgica, energetica, aeronautica, constructoare de masini, constructii

transporturi etc.

OSCILATII SI UNDE

Oscilatiile elastice sau vibratiile elastice reprezinta variatii periodice de stare a mediului.

Pentru propagarea oscilatiilor este necesara prezenta unui mediu material, adica prezenta

legaturilor elastice intre particulele substantei. La trecerea undei prin mediu particulele se abat intr-

un mod anumit de la pozitia de echilibru. Daca una din particule este abatuta din pozitia de

echilibru, atunci actiunea fortelor elastice din partea celorlalte particule tinde s-o readuca in starea

initiala: prezenta fortelor elastice conduce la faptul ca potiunile vecine se manifesta ca fiind scoase

din pozitia de echilibru, iar prezenta fortelor de inertie este cauza faptului ca particulele continua

sa oscileze in jurul unei pozitii medii chiar si dupa trecerea undei.

Urechea omului receptioneaza in mod normal, oscilatii elastice de frecventa joasa si anume

de la 16 la 16000 oscilatii pe secunda. Cand frecventa oscilatiilor particulelor mediului se afla intre

aceste limite atunci undele elastice sunt receptionate de om sub forma sunetului. Cand frecventa

oscilatiilor particulelor mediului depaseste pragul superior, atunci aceste oscilatii se numesc

ultrasonice sau ultrasonore. Limita superioara de frecventa a oscilatiilor ultrasonice este de

aproximativ 1010 oscilatii pe secunda, frecventa ce corespunde oscilatiilor termice ale moleculelor

in corpurile solide.

OSCILATIA SISTEMELOR ELASTICE. OSCILATII LIBERE

Oscilatiile elastice in toate gamele de frecventa, din punct de vedere fizic sunt echivalente

intre ele. Propagarea lor se supune acelorlasi legi acustice.

Intervalul de timp intre 2 stari similare de miscare a corpului in oscilatie se numeste perioada

de oscilatie T, iar numarul de oscilatii care se executa in unitatea de timp se numeste frecventa f.

Frecventa si perioada sunt legate prin relatia:

f = 1/T = w/2p

Marimea w se numeste pulsatie sau frecventa circulara si reprezinta numarul de oscilatii

complete care se efectueaza in 2p unitati de timp. Daca timpul se masoara in secunde, atunci

unitatea de frecventa este frecventa acelei oscilatii a carei perioada este egala cu o secunda.

Aceasta unitate de frecventa se numeste Hertz.

In orice moment corpul oscilant poseda o valoare bine determinata pentru deplasare, vitezaq

si acceleratie. Fie momentul de timp t = 0, acel moment la care corpul a fost scos din pozitia de

echilibru si a inceput sa oscileze. Atunci la momentul de timp t valoarea instantanee a deplasarii

(elongatiei) va fi egala cu:

x = A sin wt = A sin 2p ft,

unde A este amplitudinea oscilatiei.

Expresia de mai sus reprezinta ecuatia miscarii armonice oscilatorii. Viteza punctului material

oscilator sau viteza de deplasare instantanee este egala cu derivata deplasarii in functie de timp

adica:

n = dx/dt = A cos wt

Valoarea maxima a vitezei de oscilatie are loc pentru cos wt = 1

nm = wA = 2pA

Derivand fata de t relatia ce defineste viteza se obtine expresia pentru acceleratia punctului

material oscilant:

a= dn/dt = - A w2 sin wt.

Valoarea maxima a acceleratiei este:

a m = A w2 = -wnm.

Din formulele ce contin definitia vitezei si acceleratiei punctului care executa o miscare

oscilatorie armonica se observa ca acestea sunt functii periodice de timp avand aceiasi perioada T;

viteza creste proportional cu frecventa iar acceleratia creste cu patratul frecventei.

Dupa cum se stie, orice miscare oscilatorie este o miscare care se desfasoara cu acceleratie.

De aceea asupra corpurilor oscilante trebuie sa actioneze forte care sa le imprime aceste

acceleratii. In particular, daca un corp de masa m, de exemplu o bila suspendata de un resort, este

scos din pozitia de echilibru, atunci fortele de elasticitate ce actioneaza in resort vor readuce

aceast corp in pozitia de echilibru si bila va incepe sa efectueze o oscilatie armonica. Conform

celei de a doua legi a mecanicii asupra masei m va actiona o forta egala cu:

F = m am = -m w2 x = - kx (3.7)

Unde k = m w2 este coeficientul de rigiditate al resortului (sistemului oscilant). In aceste fel

asa cum rezulta din expresia anterioara, pentru ca corpul sa efectueze o miscare oscilatorie

armonica asupra lui trebuie sa actioneze cu o forta indreptata intotdeauna spre pozitia de echilibru,

iar ca marime trebuie sa fie direct proportionala cu deplasarea din aceasta pozitie.

Ne propunem sa definim legea miscarii oscilatorii. Sa presupunem o masa oarecare m

concentrata intr-un volum foarte mic care efectueaza o oscilatie armonica. Energia totala a unui

astfel de sistem mecanic se compune din energia cinetica si potentiala in procesul de oscilatie,

marimea lor variind periodic.

Energia cinetica a sistemului are expresia:

Ec=mn2/2 = m w2 A2sin2 wt/2.

Energia potentiala a sistemului asupra caruia actioneaza forta de tip F=kx este:

Ep=kx2/2= m w2A2 sin2 wt/2.s

Energia totala va fi:

Et = Ec + Ep = m w2A2/2

Din expresia de mai sus rezulta ca energia totala a miscarii armonice oscilatorii este direct

proportionala cu patratul amplitudinii si cu patratul frecventei circulare a oscilatiilor.

Sa examinam prin ce ecuatii diferentiale se poate descrie miscare oscilatorie armonica. Fie

masa m, exemplu o bila suspendata de un resort, care efectueaza oscilatii armonice proprii. In

absenta fortelor de frecare, oscilatiile armonice vor continua infinit de mult deoarece energia totala

a unui sistem inchis este o constanta. Asupra bilei scoase din pozitia de echilibru actioneaza forta

de sens invers - kx, cu ajutorul careia bila se va putea deplasa spre pozitia de echilibru. Insa in

pozitia de echilibru bila nu se va opri intrucat asupra ei actioneaza forta de inertie egala cu md2x/dt2

care provoaca abaterea bilei in sensul invers pozitiei de echilibru. Ecuatia de miscare a bilei de

masa m va avea aspectul:

m(d2x/dt2) = -kx sau m(d2x/dt2) + kx = 0

Tinand seama de notatia lui k, expresia anterioara se va scrie:

m(d2x/dt2) + w2x = 0

Daca sistemul oscilatoriu se afla intr-un mediu oarecare atunci energia sa se consuma prin

invingerea fortelor de frecare, prin aceasta amplitudinea si viteza miscarii oscilatorii scad treptat.

Astfel de oscilatii se numesc amortizate. Legea variatei amplitudinii oscilatiilor amortizate depinde

de mmarimea si caracterul fortelor de rezistenta care la randul lor depind de proprietatilde

mediului. In acest caz, cea de a doua lege a dinamicii pentru sisteme oscilatorii se scrie:

m(d2x/dt2) = kx - r(d2x/dt2),

unde r este un factor de proportionalitate pentru rezistenta mecanica a mediului.

Expresia de mai sus este valabila pentru cazul oscilatiilor mici, pentru care viteza corpului

este mica si forte de rezistenta este proportionala cu viteza.

Sa impartim expresia la masa corpului si sa notam:

r/m = 2d si w = (k/m)1/2

atunci obtinem o ecuatie diferentiala pentru oscilatiile amortizate:

d2x/dt2 + 2d(dx/dt) + w2x = 0

Solutia acestei ecuatii, in conditia cand w2 >d2 este reprezentata de expresia:

x = Aoe-dt sin w't,

unde w' = (w2 - d2 )1/2

Amplitudinea oscilatiilor se schimba in decursul timpului dupa o lege exponentiala:

A = Aoe-dt

Marimea d defineste viteza descresterii amplitudinii oscilatiilor in timp si este denumita

coeficient de amortizare.

Sa calculam raportul amplitudinilor invecinate una de alta cu o perioada:

An/An+1 = Aoe-dt/ Aoe-d(t+T) = edt

Logaritmul natural al relatiei de mai sus este denumit decrement logaritmic al amortizarii:

D = ln An/An+1 = ln e-dt = dT

sau:

D = (r/2m)T

Decrementul logaritmic al amortizarii este direct proportional cu marimea coeficientului de

amortizare si invers proportional cu masa intregului sistem.

TIPURI DE UNDE

Undele acustice pot fi de diverse tipuri in raport cu traiectoria pe care o pot avea particulele

mediului si cu natura si dimensiunea corpului prin care se propaga undele.

In cazul cand traiectoria este liniara si deplasarea particulelor se produce in directia

propagarii undelor, undele se numesc longitudinale. Propagarea unei unde longitudinale printr-un

mediu va produce compresii si decompresii. In general, propagarea undelor longitudinale este

legata de variatii periodice locale de presiune, de densitate si de volum specific. Undele

longitudinale se propaga in medii solide, lichide si gazoase.

Daca dimensiunile corpului solid nu pot considerate infinite si devin comparabile cu lungimea

undei acustice, se produce o schimbare a volumului corpului prin care se propaga undele, undele

numindu-se in acest caz cvasilongitudinale.

Cand traiectoria particulelor este tot liniara, insa deplasarea particulelor se face intr-o directie

perpendiculara pe directia propagarii undelor, acestea se numesc transversale.

Daca corpul solid are dimensiuni finite - o bara sau o placa a caror raza, respectiv grosime,

sunt comparabile cu lungimea undei - in loc de unde transversalele apar unde de incovoiere.

In cazul cand traiectoria este un cerc cu centrul in pozitia de repaus a particulei sau o elipsa

continuta intr-un plan paralel cu directia de propagare a undelor, acestea se numesc unde de

suprafata sau unde Rayleigh. Acest tip de unde se intalnesc in semispatii lichide sau solide la

suprafata de separare a unor asemenea medii in contact cu vidul sau cu un mediu suficient de

rarefiat, de exemplu, aerul. Aceste unde se propaga pe o adancime de cateva lungimi de unda si

numai la suprafata corpului. Undele Rayleigh se propaga si dupa muchiile corpului investigat ceea

ce le face utile in depistarea ultrasonica a fisurilor si defectelor de suprafata.

Daca traiectoria particulei este tot circulara, insa planul circular este perpendicular pe directia

de propagare a undelor, acestea se numesc unde de torsiune. Acest tip de unde se intalnesc in

cadrul barelor circulare sau a tuburilor supuse actiunii unor cupluri.

Existenta undelor de suprata implica o anumita grosime a corpului solid, acestea trebuind sa

fie mai mari decat lungimea de unda. Sunt cazuri insa, cand grosimea unei placi este egala sau

mai mica decat lungimea de unda. In aceasta situatie nu se mai produc unde de suprafata pure, ci

o varianta a acestora, cunoscute sub denumirea de unde de placa. Directia de propagare a undei

de placa este paralela cu suprafata placii si intreaga sectiune a placii ia parte la miscarea de

oscilatie, deci la transportarea energiei.

Daca perturbatia este produsa de un punct material aflat in oscilatie (sursa punctuala),

fronturile undei sunt suprafete sferice, avand centrul intr-un punct care coincide cu sursa. Acestea

sunt undele sferice.

Undele Lamb sunt unde care apar atunci cand oscilatiile elastice sunt generate in placi subtiri

sau in tevi cu pereti subtiri, particulele mediului efectuand in acest caz miscari eliptice intr-un plan

perpendicular pe directia de propagare a frontului de unde. Undele Lamb pot fi de 2 tipuri:

simetrice sau de dilatare si nesimetrice sau de incovoiere.

Undele Lamb pot fi excitate prin incidenta oblica a unei unde longitudinale pe suprafata

corpului investigat. Amplitudinea va fi maxima atunci cand viteza de faza a undei longitudinale va fi

egala cu viteza de faza a undei Lamb, atunci cand este satisfacuta conditia:

sin a = VL/VP

sau:

VP = vl /sin a

Unde: a - unghiul de incidenta al undelor longitudinale;

v - frecventa undelor longitudinale;

l - lungimea de unda a undelor longitudinale;

Vp - viteza de faza a undei Lamb;

VL - viteza de faza a undelor longitudinale.

Pe langa dependenta de v si l a undei longitudinale, lungimea de unda Lamb depinde si de

grosimea placii in care se produce aceasta.

ECUATIA UNDELOR

Analizam cum are loc propagarea oscilatiilor in mediu si in ce fel se poate caracteriza analitic

un proces ondulatoriu.

Fie un punct material care efectueaza o oscilatie intr-un mediu, in care toate particulele sunt

legate intre ele. Oscilatia punctului material creeaza in mediul inconjurator tensiuni elastice, care la

randul lor provoaca oscilatia particulelor invecinate, transmitand in continuare oscilatia mai departe

(particulelor inconjuratoare) etc. Fenomenul de propagare a oscilatiilor in mediu il numim unda.

La propagarea undei nu are loc o transmisie de substanta intrucat pozitia de echilibru in jurul

careia se efectueaza oscilatia particulelor mediului nu se deplaseaza.

Sa admitem ca undele se propaga in lungul axei OY, adica in sensul cresterii valorii

coordonatei y.

Sa notam prin x deplasarea punctului din pozitia de echilibru. Procesul ondulatoriu va fi

cunoscut daca se cunoaste deplasarea lui x in fiecare moment al timpului pentru fiecare punct al

dreptei in lungul careia se propaga unda, adica, daca se stie deplasarea punctului x ca functie de

timp si de coordonata a pozitiei de echilibru a punctelor.

Drept origine a coordonatei O, alegem acel punct de pe dreapta care este centrul deplasarilor

si care oscileaza dupa legea:

x = A sin wt

Pe dreapta OY luam punctul arbitrar O' dispus la distanta y de O.Oscilatia ajunge pana la

punctul O' in intervalul de timp:

t = y/c

Punctul O' incepe sa se deplaseze in timpul t' fata de punctul O (pozitia de echilibru), iar

deplasarea x a punctului O' se va exprima prin:

x = A sin wt 1,

unde t 1 este timpul calculat din momentul cand punctul A a inceput sa oscileze. Deoarece t1 = t - t'

,ecuatia anterioara capata aspectul:

x = A sin w(t - t')

sau:

x = A sin w(t - y/c)

Ultima ecuatie defineste deplasarea x ca o functie de timpul t si de distenta y a punctului O' fata de

centrul de oscilatie O. Ea reprezinta ecuatia undei care s-a propagat in lungul dreptei OO'.

Sa admitem ca unda se propaga in sens invers adica de la punctul O' spre O, in sensul

descresterii coordonatei y. Atunci in ecuatia anterioara y trebuie sa fie inlocuit cu -y, iar ecuatia

unei astfel de unde se va scrie sub forma:

x = A sin w(t + y/c)

La deducerea formulei s-a presupus ca amplitudinea de oscilatie, A, pe masura propagarii

undei, nu variaza, iar viteza de propagare a fazei oscilatorii este aceeasi.

Intr-un mediu elastic sunt posibile unde de un alt tip decat cele plane, de exemplu sferice sau

cilindrice.

Intr-o unda sferica amplitudinea oscilatiei se micsoreaza invers proportional cu distanta R

fata de sursa de oscilatie. Ecuatia undei sferice are aspectul:

x = A/R sin w(t - R/c)

Suprafetele de unda (suprafetele fazelor egale) a unei astfel de unde sunt sferele.

Pentru unde cilindrice amplitudinea oscilatiilor se micsoreaza invers proportional cu (R)1/2 ,

x = A/(R)1/2 sin w(t - R/c)

Suprafetele de unda ale undei cilindrice sunt niste cilindri concentrici .

Eliminand in ecuatia (3.24) timpul, obtinem:

x = A sin (w y/c)

care defineste un proces periodic fata de directia de propagare y. Doua puncte separate unul de

altul de o distanta egala cu l au aceasi faza de oscilatie si sunt legate prin relatia:

w(y + l)/c - w (y/c) = 2p

De aici, luand in considerare ca w= 2pf , gasim:

¦l = c sau l = c/¦ = cT

Marimea l este lungimea de unde. In acest fel, folosind formula de mai sus, expresia (3.24)

devine:

x = A sin[2p(ft - (y/l))] = A sin [2p/l(ct - y)]

Propagarea procesului ondulatoriu se poate descrie printr-o ecuatie de propagare care este

o ecuatie diferentiala cu derivate partiale. Pentru deducerea ecuatiei ondulatorii folosim ecuatia

undei plane .

Sa derivam partial marimea oscilatorie x in raport cu timpul, y fiind constant:

n = (¶x/¶t) = Aw cos(t - y/c)

a= ¶2x/¶t2 = - Aw2 sin w(t - y/c)

Daca x inseamna deplasarea particulelor mediului in decursul osculatiilor atunci n si a vor fi

viteza si acceleratia acestor particule in cazul miscarii lor oscilatorii in punctul de coordonate y.

Derivatele partiale ale lui x fata de y, pastrand t constant, vor fi egale cu:

¶x/¶t = A(w/c)cos w(t - (y/c))

¶2x/¶y2 = (w2/c2)sin w(t - (y/c))

Comparand ultima expresie cu cea a acceleratiei obtinem:

¶2x/¶t2 = c2(¶2x/¶y2)

Aceasta ecuatie reprezinta ecuatia diferentiala a unei unde plane care se propaga pe axa OY

cu viteza c intr-un mediu liniar, izotrop, omogen, conservativ ( in alte cazuri ecuatia de propagare

este cea mai complicata); aceasta ecuatie se numeste ecuatie se numeste ecuatia de propagare a

undelor. Ecuatia poate fi folosita pentru determinarea vitezei sunetului in diferite medii.

PRESIUNEA UNDELOR

Cunoscand viteza de oscilatie si acceleratia particulelor mediului la propagarea undei, se

poate determina valoarea presiuniivariabile care apare in mediu la propagarea undei acustice.

Presiunea instantanee in unda plana se obtine din ecuatia de miscare a lui Newton avand

aspectul:

-dp/dy = - rwA sin(t - y/c)

Integrand aceasta expresie fata de y aflam dependenta presiunii de coordonate si timp:

pt = p0 + rwA cosw(t - y/c) = p0 - p

In care pt este presiunea totala iar po presiunea statica

Expresia:

p = rwcA cosw(t - y/c)

Reprezinta o presiune provocata de unda, iar:

pm = rwcA = nmrc

Este amplitudinea presiunii acustice (presiunea acustica mixta).

Perturbatia provocata de punctul material in oscilatie se propaga prin mediul elastic sub

forma de compresiuni si rarefieri. Intrucat compresiunea se datoreaza unei mariri a presiunii iar

rarefierea unei micsorari a presiunii, propagarea undelor acustice se asimileaza cu o variatie a

presiunii, propagarea undelor acustice se asimileaza cu o variatie a presiunii in timp si spatiu.

Considerand un punct anumit in campul acustic, presiunea acustica instantanee reprezinta

presiunea totala la un moment dat din care se scade presiunea statica in acel punct. Cand mediul

elastic de propagare a undelor este atmosfera, presiunea statica este echivalenta cu cea

atmosferica.

Spre deosebire de presiunea acustica instantanee, care este o marime variabila in timp,forta

exercitata asupra unei suprafete prin incidenta unui fascicul de unde cu o suprafata este

constanta; aceasta se numeste presiune de radiatie acustica. Aceasta forta depinde de

intensitatea undelor, de proprietatile elastice ale mediului, de orientarea suprafetei mediului fata de

directia de propagare a fasciculului, precum si de aria acestei suprafete.

Valoarea presiunii de radiatie acustica se poate determina prin formula:

pr = rn2m/2

Sau pentru cazul particular al undelor plane:

pr = I/c

Unde I este intensitatea undelor acustice.

MARIMI ACUSTICE

a)Impedanta acustica

Marimea definita de raportul:

Z = p/v

Se numeste impedanta acustica specifica.

Aceasta este o marime complexa deoarece presiunea acustica, in general, nu este in faza cu

viteza particulei, Doar in cazul particular al undelor progresive, care se propaga intr-un mediu

nelimitat, fara pierderi de energie, presiunea acustica si viteza particulei gasindu-se in faza,

impedanta acustica specifica este o marime reala. In acest caz ea devine egala cu produsul dintre

densitatea mediului si viteza de propagare a undei acustice prin acel mediu, adica:

z = rc

Cum aceasta marime depinde de caracteristicile fizice ale mediului, produsul rc se mai

numeste impedanta caracteristica a mediului

b)Energia acustica.

Energia portiunii din mediul in care se propaga unda se compune din energie cinetica Ec si

energie potentiala Ep.

Notand volumul portiunii mediului cu V, masa lui cu m, viteza de deplasare a particulelor

mediului cu v, energia cinetica a volumului mediului considerat este:

Ec = mv2/2

Avand in vedere m = rV si tinand cont de expresia acceleratiei obtinem:

Ec= 1/2rVA2w2sin2 w(t - (y/c))

Energia potentiala a portiunii mediului cu volumul V , supus deformarii relative dx/dy, este:

Ep = 1/2k(dx/dy)2V

Unde dx este diferenta deplasarii particulelor mediului care sunt situate una fata de alta la distanta

dy iar k este compresivitatea mediului.

Substituind expresia deformarii relative din formula:

¶2x/¶y2=Aw2/c2sinw(t-(y/c))

In expresia energiei potentiale, obtinem:

Ep = 1/2k Aw2/c2 Vsin2(t-(y/c))

Din comparatie expresiilor energiilor cinetice si potentiale exprimate anterior rezulta ca

energia cinetica ci cea potentiala variaza in aceasi faza, adica in acelasi timp ajung la valorile

maxime si minime. In aceasta consta principala deosebire a energiei de oscilatie a unui punct

material izolat valoarea energiei totale ramane constanta, in timp ce la progarea undelor in mediu,

energia totala a portiunii mediului in care se propaga unda variaza odata cu transferul energiei

dintr-o portiune a mediului in alta.

Adunand expresiile celor doua energii se aflaenergia totala a elementului de volum al

mediului

Et= ½((1/kc2)+r)A2w2Vsin2(t-(y/c))

Deoarece viteza de propagare a undelor longitudinale in bare solide se defineste:

c = (E/r)1/2= (1/kr)1/2

Si expresia energiei totale devine:

Et= rA2w2Vsin2w(t-(y/c))

Intrucat valoarea medie a patratului sinusului intr-o perioada este egala cu ½, valoarea medie

totala a energiei volumului mediului este:

`t = `E/V = 1/2rA2w2

Rezulta ca densitatea de energie este proportionala cu densitatea mediului, cu patratul

amplitudinii si cu patratul frecventei.

c) Intensitatea undelor acustice.

Avand in vedere ca energia nu ramane in portiunea respectiva ci se transfera in mediu, se

introduce notiunea de intensitate a undelor acustice. Intensitatea acustica reprezinta fluxul de

energie acustica care strabate unitatea de suprafat perpendiculara pe directia de propagare a

undelor.

Intrucat energia se propaga cu viteza sunetului, intensitatea este egala cu energia cuprinsa in

paralelipipedul drept a carui suprafata a bazei este egala cu viteza sunetului c,adica:

I = `tc = 1/2rcA2w2

Din expresia anterioara rezulta ca valorile maxime ale amplitudinii oscilatiei deci si a vitezei de

oscilatie si acceleratiei particulelor mediului in care se propaga unda, depind de intensitatea

sunetului si se determina din formulele:

A= 1/2pf(2I/rc)1/2,

nm = (2I/rc)1/2,

a = 2pf(2I/rc)1/2

Intensitatea este legata direct de puterea sursei de oscilatii N' , prin care intelegem marimea

energiei totale radiata de sursa in unitate de timp. Integrand intensitatea I pe suprafata inchisa

care contine sursa de oscilatii se obtine puterea acustica:

N = ò IdSi

Pentru fasciculul ultrasonic plan,cu o sectiune transversala S, in conditia cand intensitatea

este distribuita uniform pe toata suprafata, puterea este:

N = ISi

Intensitatea acustica mai poate fi determinata daca se cunoaste marimea amplitudinii

presiunii acustice cu formula:

I = p2m/2rc

Marimea I are o anumita directie care corespunde cu directia de deplasare a undei. Pentru

unde sferice care se propaga de la o sursa punctiforma, intensitatea acustica este invers

proportionala cu patratul distantei de la sursa:

I = N'/4pR2

Acest raport este real in cazul lipsei de atenuare in mediu, adica atunci cand energia

ondulatorie nu trece in alt tip de energie. In realitate, in orice mediu, din cauza frecarilor interne si

a schimbului de caldura, o parte din energia miscarii ondulatorii se consuma, de aceea cantitatea

totala de energie purtata de unda depinde de distanta pana la sursa; cu cat suprafata ondulatorie

considerata este mai departe de sursa cu atat energia este mai mica. Intrucat energia este

proportionala cu patratul amplitudinii , amplitudinea oscilatiei se micsoreaza pe masura propagarii

undei.

COMPORTAREA ULTRASUNETELOR IN MEDII DIFERITE SI LA SUPRAFATA DE SEPARARE

A ACESTORA

ABSORBTIA ENERGIEI UNDELOR ULTRASONICE

La propagarea energiei undelor ultrasonice intr-un mediu omogen, se petrece o amortizare

treptata a lor, adica micsorarea energiei undelor. Micsorarea amplitudinii oscilatiilor, deci si a

intensitatii lor, odata cu indepartarea de sursa de oscilatie, este provocata de prezenta frecarii

interne in mediu si de conductivitatea sa termica.

Absorbtia undelor ultrasonice plane se defineste prin urmatoarea formula:

I = I0 e-2ay

Avand in vedere ca intensitatea acustica este legata de amplitudinea oscilatiei prin relatia:

I = ½ rcA2w2

Impartind ambii termeni ai acestei relatii cu 1/2rcw2 extragand radicalul si folosind relatia

absorbtiei undelor ultrasonice obtinem:

A = A0e-ay

Aceasta expresie se mai poate obtine daca se face ipoteza ca la traversarea unui strat de

grosime dy micsorarea relativa a amplitudinii -dA/A este proportionala cu dy, adica: -dA/A = ady

unde a este o marime constanta care depinde de natura mediului fiind denumita coeficient de

absorbtie acustica. Astfel, expresia precedenta se mai poate scrie:

d(ln A) = - d(ay)

Daca diferentialele a doua marimi sunt eale, atunci insasi marimile difera una de alta printr-o

constanta arbitrara de marime C, de unde:

ln A = -ax + C

Constanta C se determina din conditia pentru care la y = 0 marimea lui A sa fie egala cu C,

deci:

ln A = ln A0 - ay

Dupa care:

A = A0e-ay

Conform acestei expresii amplitudinea A scade pe masura ce unda se propaga in directia

axei y. Din ecuatiile ce exprima intensitatea undei ultrasonice se afla usor valorile coeficientului de

absorbtie:

a' = 2hw2/(3rc3) = 8p2¦2h/(3rc3)

Absorbtia energiei ultrasonice depinde de asemenea de conductivitatea termica a mediului in

care se propaga unda. Astfel datorita conductivitatii termice are loc un schimb de caldura intre

portiunile de compresiune si destindere din unda, care conduce la micsorarea energiei undei.

Kirchoff a aratat ca in acest caz coeficientul de absorbtie este:

a'' = (2p2¦2/rc3)((x - 1)/Cp)kt

Unde c = Cp/Cv este raportul caldurilor specifice la presiunea constanta Cp si la volum constant Cv;

kt este coeficientul de conductivitate termica.

Teoria absorbtiei energiei undelor acustice a lui Stokes si Kirchoff a fost numita teria clasica;

conform acestei teorii coeficientul total de absorbtie este:

a = a' + a'' = ((2p2¦2)/(rc3))(4/3h + ((c - 1)/Cp)kt)

La studierea absorbtiei undelor acustice in lichide, de obicei se neglijeaza influenta

conductivitatii termice, deoarece pentru majoritatea lichidelor, absorbtia pe seama conductivitatii

termice este foarte mica. In gaze absorbtia datorata conductivitatii termice, are aceasi influenta ca

absorbtia datorita vascozitatii. In corpurile solide, absorbtia energiei undelor este de asemenea

legata de frecarile interne si de conductivitatea termica, in plus un rol foarte important il au

histerezisul, curgerea plastica si procesele elastice de relaxare.

Bergman a efectuat experiente privind determinarea absorbtiei undelor acustice in solide,

lichide si gaze, rezultatele obtinute nefiind intotdeauna corespunzatoare cu calculele teoretice.

In prezent exista multe cercetari si aplicatii care confirma teoria clasica a lui Stokes - Kirchoff

pentru majoritatea lichidelor, insa pentru unele lichide cum ar fi hidrocarburi aromatice, acetati etc.,

teorie nu este conforma cu rezultatele practice. Aceasta permite considerarea teoriei Stokes -

Kirchoff ca un caz particular al unei teorii mai generale, teoria cinetico moleculara de absorbtie a

undelor acustice in lichide. Aceasta teorie a primit denumirea de teorie de relaxare, la baza ei

stand presupunerea aparitiei in lichide si gaze a unor procese de relaxare a caror prezenta duce la

o absorbtie suplimentara de energie acustica.

. REFLEXIA SI REFRACTIA UNDELOR PLANE SUB INCIDENTA NORMALA

Ajungand la suprafata de separare a doua medii o unda acustica sufera o reflexie si anume o

parte din energia acustica incidenta este redata primului mediu si o refractie, cealalta parte din

energia acustica fiind transmisa in cel de-al doilea mediu. Astfel se produce o unda reflectata si o

unda transmisa (fig.3.1.)

Admitand ca nu exista pierderi de energie si ca forma undelor este sinusoidala presiunea

acustica este:

pi = Pi sin(wt - k1x)

pr = Pr sin(wt - k1x)

ptr = Ptr sin(wt - k2x)

Unde k1 si k2 sunt numerele de unda pentru cele doua medii (kn = 2p/l).

Din legea continuitatii presiunii si vitezei de oscilatie a particulelor in cele 2 medii rezulta:

pi - p r = ptr

vi - vr = vtr

In conditiile cand impedantele celor 2 medii sunt r1c1, r2c2 avem:

pi = nir1c1

pr = nrr1c1

ptr = ntrr2c2

Punand conditia x = 0 respectiv considerand ca sunt indeplinite conditiile de continuitate in

punctul x = 0, relatiile presiunilor acustice devin:

Pi - Pr = Ptr

Respectiv:

r2c2(Pi - Pr) = r1c1Ptr

de unde:

Pr = Pi ((r2c2 - r1c1)/ (r2c2 + r1c1))

Si:

Ptr = Pi ((2r2c2 )/ (r2c2 + r1c1))

Raportul ce exprima presiunea reflectata poate fi pozitiv sau negativ functie de calorile

impedantele celor celor doua medii. Definim prin raportul Pr/Pi = Ra, factorul de reflexie acustica

Ra = (r2c2 - r1c1)/ (r2c2 + r1c1)

Iar prin raportul Ptr/Pi = Ta, factorul de transmisie acustica:

Ta = (2r2c2)/ (r2c2 + r1c1)

Daca in locul presiunilor consideram intensitatile acustice cele doua relatii de mai sus devin:

Kr = Ir/Ii = ((r2c2 - r1c1)/ (r2c2 + r1c1))2

In care K este coeficientul de reflexie acustica si:

Ktr = Itr/Ii = (4r1c1r2c2)/ (r2c2 + r1c1)2

Ktr fiind coeficientul de transmisie acustica.

Asa cum se vede din expresiile celor doi coeficienti, intre ei exista relatie:

Ktr = 1 - Kr

In tabelul urmator de dau valorile Kr si Ktr pentru diferite medii.

De remarcat, ca in cazul unor impedante egale ale celor doua medii, factorul de reflexie cat si

coeficientul de reflexie acustica devin egali cu zero, deci intreaga energie acustica trece din primul

mediu in cel de-al doilea.

Tabelul 1. Valorile coeficientilor de reflexie si transmisie acustica pentru unele medii in contac

REFLEXIA SI REFRACTIA UNDELOR SUB INCIDENTA OBLICA

In cazul cand fasciculul de unde longitudinale plane intalneste planul de separare a doua

medii sub un unghi do incidenta qi , o parte din energia acustica este reflectata in directia OR sub

unghiul q, iar cealalta parte este transmisa in cel de al doilea mediu in directia OT sub unghiul qtr.

Deoarrece presiunea acustica corespunzatoare undei incidente are directie oblica fata de

suprafata de separatie a celor doua medii, aceasta se descompune intr-o componenta normala pe

suprafata si o alta tangentiala care actioneaza de-a lungul planului de separatie, formandu-se in

final atat unde longitudinale, cat si unde transversale. Undele transversale se vor reflecta in directia

OR' si se vor transmite in cel de-al doilea mediu in directia OT'.

Directiile de propagare a undelor se pot determina aplicand legea lui Snell:

qr = qI

si:

c1/sinqtr = c1'/sinq'tr = c2/sinqtr = c'2/sinq'tr

In care c1, c2 respectiv c1' si c2' sunt vitezele undelor longitudinale si transversale.

Din relatia de mai sus rezulta, cand qtr = 90° ,

qi = arcsin c1/c2

Deci unda longitudinala este reflectata total, ea fiind dirijata de-a lungul planului de separare.

Pentru unghiuri de incidenta mai mari decat cele rezultate din valoarea data de relatia

anterioara, in cel de-al doilea mediu nu mai sunt transmise unde longitudinale,existand doar cele

transversale.

Cand unghiul de incidenta qi are o astfel de valoare incat unghiul de refractie corespunzator

undei transversale devine egal cu 90°, respectiv q'tr = 90°, atunci:

qr = arcsin c1/c'2

Deci unde transversala este reflectata total, ea fiind continuta in planul de separatie a celor doua

medii; pentru aceasta valoare a lui qi in cel de-al doilea mediu neexistand decat unde de suprafata.

Cele de mai sus valabile pentru c1< c2'.

Cunoasterea valorilor limite a unghiului de incidenta este necesara la constructia

transformatoarelor de unda, in vederea transmiterii unui anumit tip de unda in corpuri solide, in

special in aplicatiile tehnologice.

DIFRACTIA SIN DIFUZIA UNDELOR ULTRASONICE

Undele in general prezinta proprietatea de difractie(ocolire a obstacolelor) care in cazul

folosirii undelor ultrasonice, pot fi: incluziuni, pori, fisuri, deci, in general, discontinuitati.

Difractia este observabila in bune conditii daca discontinuitatea are dimensiuni suficient de

mici pentru a putea fi comparata cu lungimea de unda.

Fenomenul conta in micsorarea domeniului de umbra din spatele discontinuitatii,

perpendicular pe directia de propagare. Unghiul de difractie, pentru fante circulare se exprima prin

relatia:

sinq = 1,22 l/D

Unghiul q este direct proportional cu l si invers proportional cu dimensiunea reflectorului.

Fenomenul de difractiea undelor se explica pe baza principiului lui Huygens, potrivit caruia

undele se propaga in afara unei suprafete inchise continand sursa de oscilatie, sunt identice cu

acelea care s-ar obtine suprimand aceasta sursa si inlocuind-o prin surse elementare separate,

convenabil repartizate pe toata suprafata si a caror infasuratoare constituie un nou front de unda.

Obstacolele pot produce pe langa difractie si fenomenul de difuzie a undelor, fenomen prin

care o parte din energia ultrasonica este deviata de pe directia de propagare.

Pentru a se realiza o evaluare a discontinuitatilor existente in materialul in care se propaga

unda ultrasonica trebuie sa comparam amplitudinea sau presiunea undelor reflectate de suprafata

unor defecte artificiale de dimensiuni cunoscute.

Presiunile produse de unda incidenta si cea reflectata sunt prezentate grafic in figura, unde

de este distanta defect - palpator emitator, iar dr este distanta palpator receptor - defect.

PROPAGAREA ULTRASUNETELOR IN GAZE

Formula vitezei sunetului este usor de obtinut daca ne imaginam cum se propaga o unde de

presiune intr-o conducta infinit de lunga. Fie un piston aflat in conducta a carui suprafata a sectiunii

transversale este egala cu unitatea. Cand are loc variatia unitatii de volum de aer atunci pistonul se

deplaseaza in conducta in conformitate cu relatia:

dV/V = dx/dy

Considerand ecuatia transformarii adiabatice pentru gaze:

pVg = const.

Si diferentiand obtinem:

dp/p = - c (dV/V) = - c (dx/dy)

La deplasarea pistonului in conducta presiunea variaza dupa legea:

p = p0 - cp0(dx/dy)

Caderea de presiune, adica forta care actioneaza pe unitatea de volum a gazului va fi egala

cu:

- (dp/dy) = p0c((d2x)/(dy2))

Dupa legea a doua a dinamicii aceasta forta reprezinta produsul dintre masa gazului din

unitatea de volum si acceleratia sa:

p0c((d2x)/(dy2)) = r(d2x)/(dt2)

Ecuatia precedenta se mai poate scrie:

(¶2x)/(¶t2) = (cp0/r)(¶2x/¶y2)

Aceasta ecuatie coincide cu ecuatia:

(¶2x)/(¶t2) = c2 (¶2x/¶y2)

De unde rezulta ca viteza undelor longitudinale in gaze egala cu:

c = (cp0/r)1/2

PROPAGAREA ULTRASUNETELOR IN LICHIDE

Expresia anterioara o putem folosi pentru determinarea vitezei sunetelui in lichide.

Daca luam in considerare ca oscilatiile se produc adiabatic, adica viteza de variatie a presiunii este

atat de mare incat se poate neglija schimbul de caldura dintre straturile vecine, in acest caz viteza

este definita de compresivitatea adiabatica si de densitatea mediului lichid.

Astfel:

c = (1/rK)1/2

Unde K este compresivitatea si se poate determina din expresia:

K = 1/cp

Compresivitatea lichidelor este cu cateva ordine de marime mai mica decat a gazelor, de

aceea independent de densitatea lor mare, comparativa cu cea a gazelor, viteza sunetului in

lichide este considerabil mai mare decat in mediile gazoase.

PROPAGAREA ULTRASUNETELOR IN MEDII SOLIDE

Viteza de propagare a undelor longitudinale intr-o bara se defineste dupa formula:

c = (E/r)1/2

Expresia anterioara este valabila pentru unde elastice longitudinale care se propaga in bare

ale caror dimensiuni sunt cu mult mai mici decat lungimea de unda. Daca undele longitudinale

elastice se propaga intr-un corp solid nelimitat, viteza lor se va determina dupa formula:

c = (E(1-m)/r(1+m)(1-2m)

Unde m este coeficientul lui Poisson.

Din ecuatia anterioara se vede ca viteza undelor elastice longitudinale este determinata de

densitate si constantele elastice ale mediului. In Tabelul 3.2. se indica pentru unele materiale

solide valorile vitezei de propagare a undelor acustice, densitati si rezistente acustice specifice.

Viteza de propagare a undelor longitudinale intr-un corp solid nelimitat este mai mare decat

in bare. Aceasta diferenta se explica prin aceea ca in medii nelimitate, la propagarea undelor,

fiecare element de volum sufera o compresiune sau intindere laterala, suplimentara, din partea

elementelor de volum vecine.

Undele transversale elastice pot fi excitate atat intr-un volum limitat al unui corp cat si intregul

corp. Luand de exemplu o bara suspendata de o sfoara si aplicand o lovitura la capatul ei,

perpendicular pe suprafata laterala, in locul unde s-a aplicat lovitura, un strat de particule din

corpul solid se va deplasa din pozitia de echilibru, adica va executa o miscare de alunecare.

Prezenta fortelor de elasticitate, dintre particulele barei, provoaca deplasarea stratului invecinat iar

in bara apare o unda de alunecare care se raspandeste in lungul barei.

Viteza de propagare a undelor transversale este definita de relatia:

ct = (G/r)1/2

Si este de doua ori mai mica decat a undelor longitudinale(G este modulul de elasticitate

transversal.)

Expresia anterioara se mai poate scrie sub forma:

ct = ((E/r)(1/(1+m))1/2

Unde:

E = 2G(1+m)

Unde analoage acelor unde care se propaga pe suprafata apei pot fi produse pe o suprafata

libera a unui corp solid elastic prin forte de elasticitate si inertie.

Astfel de unde se amortizeaza repede, aproape ca nu patrund in volumul corpului iar

traiectoria particulelor corpului solid reprezinta aproximativ cercuri a caror suprafata coincide cu

directia de propagare a undei. Traiectoriile de deplasare ale particulelor undelor de suprafata au

componente paralele si perpendiculare pe suprafata corpului elastic.

Viteza acestor unde (unde Rayleigh) care se propaga pe suprafata unui solid se definesc

dupa formula:

cs = (0,87+1,22m)/(1+m)(G/r)1/2»0,9(G/r)1/2

Si nu depinde de lungimea lor de unda. Aproximativ se poate considera ca viteza undelor de

suprafata este egala cu 0,9 din viteza undelor transversale

CARACTERISTICILE FASCICULULUI ULTRASONIC

CAMPUL ACUSTIC AL UNUI EMITATOR CIRCULAR

Din notiuni de simetrie, repartitia energeica se face circular sau inelar. De la emitator pe axa

z, campul se imparte in:

- camp apropiat, care se intinde pana la N = D2/4l ;

- camp indepartat, care se intinde dupa N = D2/4l.

In campul acustic indepartat presiunea se exprima prin relatia:

P = (P0/Z)(2J1klsinl0/kDsing0)

Unde Po este presiunea ultraacustica pe axa x, Z - distanta, k =2 p/2 - numarul de unda, J1 - functia

Bessel, l - lungimea de unda, D - diametrul emitatorului, go - unghiul pe care il face directia de

propagare cu o dreapta ce uneste traducatorul cu un punct din spatiu in care se calculeaza P.

In campul acustic apropiat, expresia care da presiunea campului ultrasonic este foarte

complicata. Limita campului apropiat se obtine cu relatia D2/4l.

DIFRACTIA FRASNEL IN CAMP APROPIAT

Se considera ca emitatorul are un numar infinit de puncte ce devin microsurse de la care

pleaca undele Huygens. Acestea interfera si dau un front de unde plane care se propaga pe o

directie perpendiculara fata de suprafata cristalului. In interiorul cristalului are loc o anulare

reciproca a undelor produse de microsursele invecinate.

La suprafata cristalului undele emise nu se anuleaza complet, pentru ca nu exista

compensatie vecina exterioara pentru undele Huygens. Astfel, se genereaza un camp ultrasonic cu

o variatie de intensitate.

La distanta D2/4l de cristalul piezoelectric,ultimul maxim al intensitatii ultrasonice imparte

campul ultraacustic in doua zone (fig 3.3):

- zona Fresnel, situata intre emitator si ultimul maixim, numita camp apropiat;

- zona Fraunhofer, situata dupa ultimul maxim, numit camp indepartat.

In cazul zonei Fresnel(campul apropiat), pozitia maximelor si minimelor se calculeaza cu

relatiile:

AMax = D2 - (2ml)2/8ml ; m = 1,2,3,.

AMin = D2 - (2(n/2)l)2/8(n/2)l , n = 1,2,3,.

In zona Fraunhoffer, la o distanta mai mare de pozitia ultimului maxim al intensitatii

ultrasonice, suprafetele de unda sunt sferice, avand centrul comun cu cel al sursei circulare. In

aceasta zona intensitatea acustica scade continuu, invers proportional cu patratul distantei:

I = P/4pd2

LEGEA MARIMII DEFECTULUI

In campul indepartat al unui palpator, inaltimea ecoului ultrasonic provenit de la o

discontinuitate depinde de puterea impulsului, amplificarea la care este reglat aparatul, de

diametrul D al palpatorului , de lungimea de unda l a ultrasunetelor, de diametrul defectului D,

si de distanta d intre palpator si defect(fig.3.4)

Se disting patru zone:

- zona I, unde D/l<<1/2, adica defectul presupus in forma de disc perpendicular pe

fasciculul ultrasonic are un diametru mai mic decat l, nu apare ecou si el nu va putea fi

detectat. In acest se recomanda utilizarea unor frecvente ridicate.

- zona II, unde inaltimea de ecou ultrasonic creste cu aproximativ (D/l)2, adica proportional

cu suprafata defectului.

- zona III, inaltimea de ecou ultrasonic creste proportional cu D/l, adica proportional cu

diametrul defectului.

Limita intre regiunile III si IV depinde de distanta d de la palpator la defect si de diametrul D al

palpatorului. Pana la acest punct se presupune ca defectul se afla in intregime in interiorul

fasciculului ultrasonic. In zona IV inaltimea ecoului creste mai incet si se aproximeaza inaltimea

maxima a ecoului atunci cand suprafata defectului este mult mai mare decat sectiunea fasciculului

ultrasonic.

PRODUCEREA ULTRASUNETELOR

Orice sistem mecanic capabil sa vibreze cu o frecventa cuprinsa in domeniul ultrasunetelor

constituie o sursa de ultrasunete.

In general trebuie facuta o distinctie in cadrul generatoarelor de ultrasunete intre sistemele

care genereaza energie si cele care primesc aceasta energie si o transfera altui sistem (mediu de

propagare) sub forma frecventa inalte de vibratie mecanica. Aceste sisteme apartin categoriei

traductoarelor.

Energia generata de traductoare poate fi electrica sau mecanica. Traductoarele ultrasonice

pot fi impartite in doua grupuri in functie de energie folosita: electrica sau mecanica. Primului grup

apartin urmatoarele traductoare, enumerate in ordinea in care ele sunt folosite: traductoare

piezoelectrice, traductoare magnetostrictive, traductoare electrodinamice, traductoare

electrostatice, traductoare prin scanteie. Al doilea grup include acele traductoare in care presiunea

sau viteza fluidului primind energie este modulat la frecventa inalta cu ajutorul unui element

mecanic fixat sau cu ajutorul unui element mecanic mobil.

Materialele utilizate ca traductori trebuie sa indeplineasca mai multe conditii ca:

a) sa prezinte caracteristici piezoelectrice satisfacatoare pentru modurile de vibratie

necesare;

b) sa poata fi prelucrate in forma si marimea dorita;

c) proprietatile lor sa aiba variatii mici cu temperatura;

d) sa aiba frecari interne cat mai mici;

e) sa fie stabile fizic si chimic;

f) sa-si pastreze proprietatile piezoelectrice in intregul domeniu de temperaturi in care vor

fi utilizate.

In plus, pentru eficienta maxima, traductorul trebuie sa se potriveasca atat cu circuitul

electric cat si cu mediul de propagare si sa nu dea nastere la vibratii parazite care pot apare atat

din cuplarea diferitelor moduri de vibrare cat si din armonici apropiate de modul de vibratie

fundamentala.

TRADUCTOARE PIEZOELECTRICE

Aceasta traductoare sunt bazate pe efectul piezoelectric.

Unele materiale cristaline se polarizeaza atunci cand sunt supuse unor tensiuni mecanice.

Prin inversarea directiei fortei de tensiune mecanica aplicata asupra materialului polarizarea isi

schimba sensul. Pe de alta parte, daca materialul este supus actiunii unui camp electric prin

aplicarea unei diferente de potential intre 2 fete opuse ale lui, materialul se deformeaza si forta de

deformare isi schimba sensul cand sensul campului electric este inversat.

O placuta dintr-un material piezoelectric poate fi astfel determinat sa genereze unde elastice.

Intr-adevar, daca diferenta de potential aplicata este alternativa, elementul vibreaza si vibratiile

sale mecanice sunt transferate mediului inconjurator.

Cele mai importante materiale piezoelectrice aplicate in acustica sunt: cuartul (SiO2),

turmalina (cristalizata in sistem trigonal), sulfatul de litiu (Li2SO4+H2O), fosfatul de amoniu

dehidrogenat (NH4H2PO4) (tetragonal), sarea Rochelle (NaKC4H4O6+4H2O) (rombic) si titanatul de

bariu polarizat (BaTiO3) (tetragonal).

Cuartul si titanatul de bariu sunt cele main utilizate datorita stabilitatii proprietatilor lor

mecanice, chiar si atunci cand vibratia are o amplitudine considerabila. Traductorul de cuart

consta dintr-o placuta taiata dintr-un cristal natural. Traductorul din titanat de bariu este o ceramica

in care proprietatile piezoelectrice sunt artificial induse.

a) Traductorul din cuart.

Cuartul cristalizeaza in sistem trigonal formand o prisma hexagonala cu 2 capete

romboedrice ca in fig.3.5. Cele trei axe care unesc varful sectiunii transversale ale prismei se

numesc axe piezoelectrice(x1,x2,x3). Axele prismei ce trece prin centrul sectiunii se numesc axe

mecanice(y1,y2,y3). Axa prismei ce trece prin centrul sectiunii este axa de simetrie optica, numita si

axa optica a cristalului. In lungul acestei axe lumina nu sufera fenomenul dublei refractii, dar se

observa fenomenul de polarizare rotatorie a luminii.

Pentru generarea undelor longitudinale placuta traductorului este taiata din cristal pe o

directie perpendiculara pe una din axele piezoelectrice. Placuta astfel obtinuta este de forma

dreptunghiulara sau circularasi se numeste cu taietuta x.

O schema simpla a unei retele cristaline nedeformate este aratata in fig.3.6.a. Se observa ca

sarcinile ionice pozitive de siliciu si cele negative de oxigen se neutralizeaza astfel incat pe fetele

placutei nu apare o concentrare de sarcini de un anumit tip.

Cand se aplica o forta de tensiune pe aceste suprafete in directia lui x (fig.3.6.b.) atunci ionii

de siliciu sunt impinsi spre fata superioara iar ionii negativi de oxigen spre fata inferioara,

corespunzator deformarii [(d-do)/ do] cauzate. Echilibrul sarcinilor electrice de pe suprafetele

placutei este perturbat si aceasta conduce la o diferenta de potential V intre cele doua fete. Daca

directia fortei de tensiune mecanica aplicata se inverseaza (fig.3.6.c), sensul de deformare este de

asemenea inversat si, din motive similare celor expuse mai sus, distributia de sarcina de pe fetele

placutelor isi va schimba semnul si diferenta de potential devine -V. Aceasta se numeste efectul

piezoelectric longitudinal.

Din aplicarea unei tensiuni mecanice perpendiculare pe axa x (in directia lui y), cum este

aratat in fig.3.6.c. este obtinuta o distributie de sarcina ce are ca rezultat efectul piezoelectric

transversal . Invers,daca elementul este supus unui camp electric in directia lui x prin aplicarea

unei diferente de potential intre fetele placutei, sarcinile ionice sunt determinate sa se miste in

directia campului aplicat, dand nastere unei forte de comprimare proportionala cu grosimea

placutei (efectul piezoelectric invers).

Aceste comprimari produc efecte mecanice si electrice in diferite directii ale elementului. O

descriere generala a fenomenului este data de ecuatiile care stabilesc relatii corespunzatoare intre

constantele piezoelectrice, elastice si dielectrice ale cuartului.

Urmand notatiile lui Voigt putem reprezenta in fiecare caz prin cateva ecuatii tensoriale

comportarea unui cristal de forma paralelipipedica,taiat in directia axelor cristalului asa cum este

indicat in figura 3.7.

Daca Sk este tensorul tensiunii electrice, avand componentele longitudinale: xx, yy, zz iar cele

transversale xy, yz, zx obtinem:

Sk = ådikEi

Unde dik reprezinta constanta de tensiune piezoelectrica (cu I=1,2,3 si h,k=1,6); Ei

reprezinta cele trei componente ale vectorului camp electric. Asta inseamna ca fiecare

compoonenta a campului electric contribuie la producerea tensiunii longitudinale si tangentiale de-

a lungul axelor x,y,z.

In cazul unei taieturi in lungul axei x a placutei de cuart, asa cum este aratat in figura, multi

coeficienti sunt zero iar altii sunt simplificati datorita simetriei. Astfel sistemul de 6 ecuatii

reprezentat de relatia (3.106) este redus la urmatoarele relatii simple:

xx = d11Ex,

y y = - d11Ex ,

yz = d14Ex ,

zx = - d14Ey,

xy = - 2d11Ey,

Unde constantele d11 si d14 au urmatoarele valori numerice:

d11 = 2,3 ´ 10-12 Coul/Nt

d14 = 5,66 ´ 10-12 Coul/Nt

Tensiunile piezoelectrice sunt conform relatiei (1), legate de deformarile elastice prin ecuatiile

tensoriale date de forma generala a legii lui Hooke:

Tk = åckkSk,

k

Unde Tk este tensorul deformarii elastice si are trei componente normale: Xx, Yy, Zz si trei componente tangentiale: Xy, Yz, Zx, iar ckk reprezinta constantele elastice de rigiditate, care sunt in numar de 36.

Introducand o relatie noua intre constantele de tensiune piezoelectrica eik si constantele de

deformare dik obtinem:

eik = åckkdik,

k

Si astfel poate fi stabilita o relatie intre componentele tensiunii mecanice Tk si cele ale campului electric Ei. Din constructia placutei de cuart numarul constantelor independente eik este considerabil redus si sistemul de ecuatii ce rezulta din relatiile (3.109) si (3.110),prin eliminarea coeficientilor ckk devine:

Xx = e11Ex,

Yy = - e11Ex,

Yz = e14Ex,

Zx = - e14Ey,

Xy = - e11Ey,

Traductorul este evident excitat pe unul din modurile sale mecanice. Din cauza faptului ca placuta vibreaza in directia grosimii ei, frecventa naturala a oscilatiilor elastice este aceea care determina maximul elongatiei celor 2 fete in doua directii opuse, situatie descrisa de undele elastice stationare cu deplasarea antinozilor pe ambele fete.

In cazul primului mod normal de vibratie este un singur plan nodal si grosimea lui d este

egala cu ½ din lungimea de unda. In acest caz frecventa de oscilatie devine:

¦ = c/l = 1/2d(c11/r)1/2

Unde c11 este modulul elastic in directia lui x si r este densitatea cuartului.

In practica valoarea masurata a lui f difera putin fata de cea calculata corespunzator marimii placutei de cuart.

In conditii standard alte oscilatii decat cele in directia lui x, interactioneaza cu oscilatiile in directia grosimii placii, modificandu-I frecventa naturala.

b) Titanatul de bariu.

Asa numitul efect piezoelectric al titanatului de bariu poate fi tratat prin fenomenul general de electrostrictiune - o proprietate corespunzatoare materialelor dielectrice - si consta in proportionalitatea deformarii cu patratul campului electric aplicat.

Acest efect este nesemnificativ in materiale dielectrice obisnuite dar atinge valori apreciabile in ceramicile de titanat de bariu. Aceste ceramici sunt obtinute prin amestecarea titanatului de bariu in forma cristalina cu alte saruri ce poseda proprietati electrostrictive si se incalzeste amestecul la o temperatura in jur de 1300 - 1400°C. Acestea conduc la obtinerea unui material caruia daca i se aplica un camp electric de 106V/m produce o tensiune de 3x10-4V.

Elementele de orice configuratie: placi, sfere, cilindrii etc. pot fi polarizate cu succes. Pentru folosirea ceramicilor ca traductoare, acestea trebuie sa fie polarizate corespunzator. Daca este adaugata o componenta alternativa campului de polarizare, se obtine o deformare mecanica periodica care variaza liniar, in limitele stabilite,cu tensiunea electrica aplicata. Componentele continue si alternative ale campului sunt orientate in directia grosimii materialului. Pe de alta parte, daca este aplicata o forta elementului polarizat in directia orientarii campului atunci se va observa o variatie a campului electric direct proportionala cu tensiunea mecanica observata in material.

Aceste proprietati dau nastere unor efecte similare cu cele observate in materialul piezoelectric. Pentru aceste motive traductoarele de titanat de bariu sunt privite ca niste traductoare piezoelectrice.

Una din caracteristicile fundamentale ale acestor ceramici este faptul ca apare o polarizare permanenta daca aplicam un camp de curent continuu in jurul a 2000 V/cm,in lungul grosimii elementului, la o temperatura apropiata de punctul de tranzitie (120°C) si este mentinut in timpul unei raciri treptate. In acest mod nu mai este nevoie sa adaugam un camp electric direct tensiunii alternative.

Atat timp cat polarizarea reziduala depinde de tendinta domeniilor de dipoli de a ramane aliniati in directia campului indus, este necesar sa ne asiguram ca efectul termic si campul alternativ nu vor modifica apreciabil aceasta tendinta. Adaugarea de titanat serveste in acest scop prin ridicarea punctului de tranzitie.

Acest fapt impune limitarea valorilor tensiunii alternative si temperaturii. Pe de alta parte, proprietatile piezoelectrice ale titanatului de bariu sunt superioare acelora ale cuartului.

Suprafetele traductorului intre care este aplicata o tensiune electrica sunt in general acoperite cu un strat subtire de argint. Modurile de vibratie ale traductorului depind de forma, directia si prepolarizarea campului si de configuratia fetelor pe care se aplica tensiunea.

In figura sunt prezentate unele tipuri de traductoare de titanat de bariu. Frecventele obtinute cu traductoarele de titanat de bariu sunt mai joase decat ale celor de cuart, in primul rand din cauza pierderilor datorate hesterezisului dielectric si dificultatii de a obtine

traductoare foarte mici. Traductoarele sub forma de placute sunt in general folosite pentru obtinerea frecventei de la cateva sute de kHz la cativa MHz.

Traductoarele de titanat de bariu au o impedanta mai mica decat cele de cuart, astfel incat pentru obtinerea unei aceleiasi puteri de radiatie acustica este necesara aplicarea unei tensiuni electrice mai ridicate.

TRADUCTOARE MAGNETOSTRICTIVE

Daca un material feromagnetic este supus actiunii unui camp magnetic, in material apare o forta de tensiune mecanica. Invers, daca acelasi material este deformat ca rezultat al aplicarii unor forte exterioare, este observata o variatie a proprietatilor sale magnetice. In concordanta cu metodele experimentale s-au investigat variatiile diferitelor aspecte ale acestor fenomene ca: variatia in lungime observate intr-o bara cand este aplicat un camp magnetic coaxial asupra ei(efectul Joule). Efectul invers arata influenta unor forte mecanice ce actioneaza asupra materialului (efectul Villari).

Principalele materiale ce preinta efectul magnetostrictiv sunt: nichelul, cobaltul si aliajele lor in diferite combinatii. Astfel de aliaje contin de multe ori cantitati din alte metale: cupru, crom, vanadiu etc.

Intr-o bara alungirea datorata magnetostrictiunii depinde de tipul metalului si nu depinde liniar de variatia intensitatii campului magnetic.

Dupa cum este aratat in figura, in cazul nichelului,apare o scurtare a barei la orice valoare a intensitatii campului. Pe de alta parte o bara de fier se alungeste in prezenta unui camp slab si se scurteaza in prezenta unui camp mai puternic.

Efectul magnetostrictiv depinde de temperatura si devine zero in punctul Curie, unde proprietatile magnetice ale materialului dispar.

Figura arata tensiunea interna ca apare intr-o bara de nichel atunci cand este crescuta temperatura. Curbele au fost desenate pentru cateva intensitati relative ale campului magnetic.

O relatie simpla leaga alungirea relativa a materialului si inductia B din material.

Aceasta relatie se pastreaza bine pentru valori mici incepand de la o inductie Bo data:

DL/L = KB0DB

Coeficientul K nu este constant, el depinde de Bo . De exemplu, in cazul nichelului K=-2x103

daca Bo= 0,5Wb/,m2.

In constructia traductoarelor magnetostrictive valoarea lui Bo va fi aleasa in asa fel incat, pentru valori egale ale lui DB valoarea tensiunii mecanice devine maxima. In forma simpla, un traductor consta intr-o tija din material magnetostrictiv introdus intr-un solenoid traversat de un curent electric ce are o componenta continua necesara producerii inductiei magnetice Bo si o componenta alternativa capabila sa produca vibratii in tija astfel incat oscilatiile sa atinga o amplitudine considerabila.

Polarizarea tijei datorita componentei continue este importanta pentru a impiedica tija sa oscileze la o frecventa de doua ori mai mare decat aceea de excitare.

Intr-o substanta data efectul magnetostrictiv apare intotdeauna in aceeasi directie, chiar daca polarizarea campului magnetic isi schimba semnul. In timpul fiecarei perioade de oscilatie de excitatie de bara se contracta si dilata de doua ori in aceeasi maniera.

Nichelul pur, asa cum am vazut, are cele mai bune proprietati magnetostrictive, motiv pentru care este frecvent folosit. Punctul sau Curie este la 360°C iar rezistenta scazuta la oboseala il face sa fie mai putin recomandat pentru producerea unor puteri acustice mari.

Fierul pur prezinta un efect magnetostrictiv mai slab decat nichelul iar la o anumita valoare a campului magnetic magnetostrictiunea isi schimba semnul. De exemplu adaugarea unei cantitati mici de nichel este suficienta pentru a produce magnetostrictiunea pozitiva pentru toate valorile campului magnetic care poate fi aplicat. Aliajele de fier si cobalt comporta un efect magnetostrictiv pronuntat. Unul dintre aceste aliaje (permendur) este folosit frecvent si consta din parti egale de cobalt si fier plus 2% vanadiu care are rolul de a creste proprietatile magnetostrictive.

Partile esentiale ale generatorului magnetostrictiv sunt ilustrate in figura. Elementul magnetostrictiv (de exemplu nichelul) sub forma unei tije sau tevi este fixat in centrul unei linii nodale cu un suport rigid capabil sa-I permita oscilatia libera in modul sau fundamental de vibratie extensionala. Elementul magnetistrictiv este plasat in interiorul solenoidului L al circuitului rezonant al tijei.

Polarizarea elementului magnetostrictiv poate fi obtinuta in mai multe feluri:

a) folosind o componenta continua a curentului anodic a tubului de vid;

b) folosind o putere separata suplimentara, trimisa prin intermediul unei frecvente inalte, pentru obtinerea curentului necesar solenoidului L;

c) cu ajutorul unui solenoid separat, coaxial cu L (vezi fig.3.9.);

d) prin plasarea unui magnet permanent sau a unui magnet permanent sau a unui electromagnet in apropierea barei astfel incat fluxul magnetic rezultat de la expasiunea polara sa penetreze tija in lungul ei.

In unele generatoare ce au o constructie simpla tubul de iesire care transmite oscilatiile traductorului este autoexcitat prin intermediul unui feedback corespunzator si actioneaza ca un oscilator simplu a carui frecventa este examinata de vibratia elementului magnetostrictiv.

In reglarea generatorului trebuie acordata atentie faptului ca inductia magnetica modifica(uneori foarte putin) valoarea modulului lui Young E al elementului magnetostrictiv. Acest lucru conduce la o variatie a vitezei sunetului in metal si, ca urmare, a freventei sale de vibratie mecanica.

Frecventa maxima ce poate fi obtinuta este limitata de pierderile electrice datorate histerezisului si curentilor turbionari. Aceste pierderi sunt legate de permeabilitatea magnetica si de rezistivitate. Un sistem des folosit pentru limitarea curentilor turbionari consta in efectuarea unor taieturi in lungul barei prin care circuitul lor electric este intrerupt. Mult mai eficienta este laminarea miezului tijei in aceeasi maniera ca la transformatoare.

CONSTRUCTIA SI FUNCTIONAREA PALPATOARELOR

Prin palpator se intelege ansamblul format din traductorul piezoelectric cu montura sa,

completat de partea electrica de conectare la aparat. Acesta trebuie realizat astfel incat

zgomotul intern sa nu perturbe interpretarea indicatiilor obtinute pe ecran, la sensibilitatea de

lucru aleasa. Traductorul este confectionat dintr-un material piezoelectric si reprezinta

dispozitivul care transforma energia electrica in energie mecanica si invers. Dintre toate

materialele piezoelectrice, in defectoscopie cel mai des utilizate sunt cuartul si materialele

ceramice sintetizate. Cuartul prezinta o serie de avantaje cum ar fi: buna stabilitate chimica,

electrica si termica; insolubilitate in cele mai multe lichide; tarie si rezistenta la uzura si

imbatranire. De asemenea, cuartul prezinta si un mare dezavantaj prin faptul ca, dintre toate

materialele piezoelectrice, acesta genereaza o energie acustica slaba, fiind nevoie de o

tensiune inalta, mai mare decat cea necesara materialelor ceramice sintetizate. Aceste

materiale sunt bune materiale generatoare de energie, dar fragile la temperaturi joase si

solubile in apa.

Traductorul, indiferent de materialul din care este confectionat este montat intr-un

ansamblu care permite aplicarea tensiunilor electrice, protectia cristalului, precum si

posibilitatea de a-l prea pe suprafata piesei examinate. Ansamblul respectiv este format din

traductor, pe suprafata caruia se aplica electrozi, corpuri de amortizare si sistem electric de

adaptare, toate acestea montandu-se intr-o carcasa metalica pentru a se obtine o soliditate

mecanica.

Daca traductorul este paralel cu suprafata piesei, undele emise sau receptionate sunt

transversale iar palpatorul se numeste normal sau drept.

Dand traductorului o inclinare fata de suprafata piesei de examinat undele emise sau

receptionate sunt transversale iar palpatorul se numeste unghiular sau inclinat.

In cazul uni palpator de unde longitudinale, fascicolul ultrasonic va avea doua zone

distincte: zona campului apropiat si zona campului indepartat. In zona campului apropiat

intensitatea fasciculului variaza neregulat in timp,deci inaltimea ecourilor variaza de o maniera

complexa si nu se pot interpreta. In zona campului indepartat intensitatea descreste continuu

cu distanta, ecourilor de defect fiind proportionale cu aceasta. Ca urmare atunci cand se face

alegerea palpatoarelor pentru lucru, trebuie cunoscuta mai intai lungimea campului apropiat,

dependent de frecventa si diametrul traductorului, pentru a putea fi evitata aceasta zona. De

asemenea, trebuie determinate caracteristici cum ar fi rezolutia si sensibilitatea. Sensibilitatea

se defineste ca fiind capacitatea unui palpator de a depista discontinuitati mici, deci de a

transmite spre partea de receptie a aparatului un impuls mare de la un defect mic. Rezolutia se

defineste ca fiind capacitatea unui palpator de a separa undele reflectate de doua

discontinuitati aflate la o diferenta de adancime cat mai mica. Aceste caracteristici ale

palpatorului depind de frecventa de lucru a cristalului si de marimea acestuia. Palpatoarele

normale au frecventa de lucru cuprinsa intre 0,5 si 15 MHz, iar cele inclinate intre 1 si 5 MHz,

de obicei 2 MHz si 4MHz. Corect spus, traductoarele lucreaza intr-o banda de frecvente. De

exemplu, un palpator despre care se spune ca are frecventa de lucru de 4MHz va lucra in

banda de frecvente (3¸5)Mhz.

Frecventa unui palpator este dependenta si de marimea acestuia, de fapt marimea

acestuia este limitata de frecventa joasa. Se stie faptul ca un cristal mare si subtire este mai

fragil decat unul de dimensiuni mai mici. Daca avem de a face cu suprafete rugoase este

necesara o mare putere de penetrare, se transmite de la piesa cu pierderi mari din cauza

faptului ca traductorul, avand dimensiuni mari, este fragil si pericolul de spargere este mare. Ca

urmare a acestui fapt, pentru a se obtine palpatoare cu dimensiuni mai mari se foloseste un

mozaic de cristale, avand insa dezavantajul ca intensitatea fascicolului este foarte mica.

Palpatoarele normale ca marime au diametre de 24mm sau de 34mm pentru frecvente

sub 1 MHz. De asemenea, exista palpatoare cu diametrul de 10 mm, numite miniaturale si cu

diametre de 5 mm sau chiar mai mici, numite subminiaturale.

Palpatoarele pot fi prevazute cu folie de protectie, aceasta nefiind insa o cerinta

obligatorie. De asemenea, exista palpatoare speciale, utilizate in cadrul metodei de examinare

in imersie, si traductoare cu talpa adaptata curburii in cazul examinarii unor suprafete curbe.

In cazul palpatoarelor curbe inclinate, unghiurile de refractie in otel sunt de 35°, 45°, 70°,

80° si 90° , caz in care avem de a face cu unde de suprafata. De asemenea se construiesc si

palpatoare cu unghi variabil, in acest caz palpatorul fiind umplut cu cuplant.

De o deosebita utilitate tehnica se bucura palpatoarele emisie-receptie cu dublu cristal.

Cele doua unitati, de emisie si de receptie sunt similare din punct de vedere constructiv, fiecare

continand cate un traductor realizat din titanat de bariu care se cupleaza cu materialul

investigat prin intermediul unor blocuri de plexiglas si a cuplantului folosit. Cele doua unitati ale

palpatorului sunt izolate intre ele din punct de vedere acustic prin intermediul unui strat subtire

de pluta. Un asemenea tip de palpator are cea mai buna rezolutie, deoarece zona moarta este

redusa intre transmisie si receptie si nu are loc fenomenul de interferenta acustica. Palpatorul

emisie-receptie cu dublu cistal este folosit intr-o serie de aplicatii, cum ar fi: investigarea

materialelor cu granulatie mare, ce produc o imprastiere considerabila a fasciculului

ultrasonic,aici folosindu-se palpatori dublu cristal inclinati sub unghiuri convenabile; masuratori

de grosimi; investigarea materialelor continand un numar mare de incluziuni.

CONSTRUCTIA SI FUNCTIONAREA DEFECTOSCOAPELOR

La baza unui echipament de examinare ultrasonic stau o serie de elemente comune:

aparatul generator-indicator, palpatoarele, cablurile de legatura, adaptoarele, blocurile de

calibrare, reglare si accesoriile specifice aparatului.

Aparatul generator-indicator produce trenuri de unda foarte scurte de cate 2, 3 oscilatii

puternic amortizate. Oscilatiile sunt generate si receptionate de un singur palpator (tehnica

reflexiei), sau generate de unul si receptionate de altul(tehnica transmisiei).

Metoda reflexiei presupune generarea de impulsuri scurte, introducerea lor in piesa de

examinat prin intermediul palpatorului si urmarirea timpului de propagare al undelor si

amplitudinii impulsurilor reflectate de orice suprafata separatoare de mediu. Impulsurile

ultrasonice generate si reflectate sunt prezentate pe ecranul tubului catodic la o distanta pe axa

orizontala proportionala cu distanta parcursa de unda pana la discontinuitatea de care se

reflecta.

Schema bloc a unui defectoscop ultrasonic cuprinde:

(1) - tubul catodic;

(2) - blocul de inalta tensiune;

(3) - blocul de baleiaj;

(4) - blocul emitator;

(5) - amplificator;

(6) - monitor;

(7) - palpator

Impulsul de inalta frecventa este ransformat de palpator intr-un tren de oscilatii mecanice. La

receptie, sub actiunea undelor mecanice, cristalul piezoelectric produce un tren de oscilatii

mecanice care se aplica blocului amplificator. Acesta ridica semnalul atenuator calibrat care

serveste la aprecierea marimii defectului. Amplificatorul este de banda larga si zgomot mic.

Emitatorul genereaza impulsuri de inalta frecventa pentru excitarea traductorului simultan cu

amorsarea cursei de baleiaj pe orizontala. Timpul de emisie are o durata scurta comparativ cu

durata dintre doua impulsuri pentru a se putea desfasura semnale din piesa. De asemenea, acest

bloc comanda momentul generarii impulsului de emisie, viteza sa fiind reglata de sincronizator.

Monitorul serveste la avertizarea automata (acustica sau optica) asupra aparitiei unor semnale de

discontinuitate care depasesc un anumit nivel din inaltimea ecranului si la inregistrarea semnalelor

de defect.

Pentru realizarea sincronizarii emisiei impulsurilor si receptiei semnalelor reflectate, aparatul

dispune de un generator sincronizator care comanda baleiajul intre placile orizontale ale tubului

catodic, formand baza de timp necesara masuratorilor. Afisarea pe ecran se realizeaza propotional

cu distanta parcursa de fasciscul in urmatoarea succesiune: impulsul de emisie, impulsul reflectat

de la defect, impulsul reflectat de suprafata opusa.

Baza de timp apare pe ecranul aparatului la scurt timp de la comutarea butonului de pornire,

ca o linie luminoasa orizontala, si marcheaza timpul in care ultrasunetul parcurge piesa, de la

suprafata de intrare la suprafata opusa acesteia si inapoi. La unele aparate exista posibilitatea

reglarii focalizarii, latimii acestei linii, in acest caz fiind necesar ca acesta sa fie cat mai

stralucitoare. Pe ecranul aparatului, partea din stanga se considera ca punct de intrare a

ultrasunetului in piesa, ca urmare examinarea acestuia se face de la stanga la dreapta.

MEDIUL DE CUPLARE SI ROLUL SAU IN DEFECTOSCOPIE

Datorita rugozitatii suprafetelor materialelor care se examineaza, intre palpator si piesa apare

un strat de aer care joaca rolul unui ecran ultraacustic. Acest lucru este urmarea faptului ca

palpatorul nu realizeaza un contact 100% cu suprafata investigata pe de o parte, iar in aer undele

longitudinale se atenueaza foarte repede si undele transversale nu se propaga. Pe de alta parte,

stiindu-se ca ultrasunetele se propaga foarte bine in solide si lichide, acest neajuns poate fi

eliminat prin introducerea unui strat de cuplant intre palpator si suprafata examinata. Mediul de

cuplare se poate prezenta sub forma lichida, semilichida, sub forma de pasta sau chiar solida, in

cazul cleiurilor de oase sau de piele.

Cel mai bun cuplant este mercurul, dar are marele dezavantaj al unei toxicitati ridicate, si, in

plus, este foarte scump.

Un cuplant bun trebuie sa aiba urmatoarele caracteristici:

a) sa adere bine la suprafata de examinare pentru a elimina aerul;

b) sa fie omogen, fara particule solide sau bule de aer;

c) sa nu intre in reactie chimica cu materialul examinat;

d) continutul de halogeni si sulf sa nu depaseasca cerintele proiectantului.

Atunci cand se alege mediul de cuplare trebuie sa fie luate in considerare urmatoarele:

pozitia suprafetei de examinat, rugozitatea suprafetei, compozitia materialului investigat,

temperatura materialului.

Inainte de aplicarea mediului de cuplare este recomandata utilizarea aceluiasi cuplant,

atat pentru operatiile de calibrare pe blocurile de referinta, cat si pentru cele de examinare.

BLOCURI DE CALIBRARE SI CALIBRAREA PALPATOARELOR

BLOCUL DE CALIBRARE A1

Blocul A1 este confectionat din otel carbon armat, elaborat in cuptoare Siemens-Martin

sau electrice, si trebuie sa aiba o granulatie uniforma, cu marimea grauntelui 8. Forma si

dimensiunile sale sunt prezentate in figura. Din punct de vedere acustic blocul de calibrare

nu trebuie sa prezinte variatii locale mai mari de ±1 dB, iar viteza de propagare a

ultrasunetului sa fie de 5920 ± 20m/s. Brunarea ori durificarea suprafetelor este interzisa.

Calibrarile si verificarile pe blocul A1 raman valabile numai pentru examinarea unei piese din

otel nealiat, unde viteza ultrasonica este egala cu cea din bloc. La oteluri inalt aliate, viteza

ultrasunetului este mai mica decat cea a blocului A1, ceea ce impune calibrari pe un bloc

corespunzator. Astfel, la un otel ci 13% Cr, a rezultat, la un palpator de 70°, abateri ale

unghiului de refractie de 10°, fapt ce conduce la erori mari in determinarea pozitiei defectelor.

Blocul de calibrare A1 are inglobata o piesa cilindrica din plexiglas, cu diametrul de

50mm si grosimea de 23mm, care corespunde cu timpul de propagare total (dus-intors) a

undelor longitudinale prin 50mm otel. Una din suprafetele cilindrului din plexiglas este

acoperita cu un strat conducator de argint, ce serveste la calibrarea cu palpatoare prin

contact direct al cristalului de emisie-receptie cu suprafata de examinare. Pe langa orificiul

cu diametrul de 50mm, blocul mai este prevazut cu un orificiu cu diametrul 1,5mm si cu doua

fante, de unde se obtin ecouri la plasarea palpatoarelor pe suprafetele plane ale blocului.

Prin electrogravura ori prin atac chimic, mai sunt marcate pozitiile relative, corespunzatoare

unghiurilor de refractie ale palpatoarelor inclinate si o scara gradata de unitati de lungime.

Pe latura de 200 mm a blocului de calibrare sunt marcate pozitiile relative corespunzatoare

unghiurilor de refractie ale palpatoarelor inclinate si o scara gradata in unitati de lungime. Pe

latura de 200 mm a blocului de calibrare, sunt marcate pozitiile relative corespunzatoare

palpatoarelor cu unghiuri de refractie de 35°, 45°, 50°, 55°, 60°, 80°. Pe fata opusa acestei

laturi, este marcata o scara gradata cu diviziuni din 5 in 5 mm. Latura blocului cu lungimea

de 300mm este prevazuta cu marcaje pentru pozitiile relative corespunzatoare unghiurilor de

refractie de 60°, 70° si 76°. Pe fata opusa acestei laturi, este gradata zona din jurul pozitiei

centrului sectorului circular cu raza de 100mm, prin diviziuni milimetrice in domeniul

±10mm.

Cu acest tip de bloc se executa urmatoarele operatiuni:

a) calibrarea scarii distantelor;

b) corectia de zero;

c) verificarea liniaritatii scarii de masurare a distantelor (baza de timp) si a

amplificarii;

d) calibrarea scarii distantelor, in distante proiectate si distante proiectate reduse;

e) verificarea si reproducerea sensibilitatii aparaturii si sensibilitatii de vdetectare;

f) verificarea zonei moarte;

g) verificarea puterii separatoare in adancime;

h) verificarea si determinarea punctului de incidenta al palpatoarelor inclinate;

i) trasarea caracteristicilor de directivitate in plan orizontal si vertical pentru

palpatoare inclinate;

j) verificarea unor diferente structurale intre materialul din care este confectionat

blocul A1 si alte sortimente din otel.

CALIBRAREA PALPATOARELOR CU AJUTORUL BLOCULUI DE CALIBRARE A1

In general calibrarea cu ajutorul blocului A1 se foloseste la palpatoare cu unde longitudinale.

Alegerea si reglarea cat mai precisa a scarii distantelor (numita si scara de profunzime) se

face pentru domeniul de lucru corespunzator parcursului ultrasunetelui in piesa. In acest scop pe

blocul de calibrare A1 se alege un domeniu cu o grosime de material care este foarte aproape de

cea care trebuie sa fie verificata, sau un multiplu al acesteia.

De remarcat este faptul ca la o reglare corecta, ecoul initial de emisie (situat pe partea

stanga a ecranului) nu se gaseste pe zero la scala aparatului, deoarece intre cristalul piezoelectric

si piesa, exista cuplantul si eventual o folie din plastic pentru protectie.

Pentru grosimi de peste 50mm este recomandat a se alege cel putin doua ecouri de fund, de

exemplu pentru grosimea de 80mm se fixeaza palpatorul pe blocul de calibrare A1 unde grosimea

este de 100mm si se alege domeniul de lucru 0-250mm.

Din punct de vedere practic se recomanda ca la etalonarea scarii de masurare a distantelor

sa se aleaga pe blocul de calibrare o anumita grosime pentru care va rezulta cel putin doua sau

mai multe ecouri.

Pentru examinarea proportionalitatii distantelor se aseaza palpatorul pe blocul de calibrare

A1, in zona cu grosimea de 25 mm, aparatul fiind pe domeniul de 250mm si se obtin ecouri. In

cazul in care ecourile 2 si 8 ale scalei, ecourile intermediare nu trebuie sa depaseasca ±1

diviziune din gradatiile scalei.

Pentru reglarea sensibilitatii se deosebesc doua cazuri. Primul caz este acela in care

grosimea piesei este inferioara grosimii blocului de etalonare. Pentru acesta se fixeaza palpatorul

pe blocul de calibrare si se obtine al doilea ecou cu o inaltime de h=50%. Se pune palpatorul pe

piesa si se obtine al cincilea ecou cu h=50%.

Cand grosimea piesei este superioara rosimii blocului de etalonare al patrulea ecou obtinut

prin fixarea palpatorului pe blocul A1 are inaltimea de 50% si corespunde cu aceasi inaltime a

ecoului 2 pe piesa ce se examineaza. Trebuie mentionat ca la doua piese cu aceasi grosime

ecourile nu au aceasi inaltime, datorita gradului de absorbtie a ultrasunetului, respectiv a atenuarii

ultrasunetului in materialul examinat.

Puterea separatoare se poate determina si cu ajutorul blocului de calibrare A1, caz in care

scala de masurare a distantelor va fi pe domeniul 0-100mm. Se fixeaza palpatorul pe suprafata

etalonului cu lungimea de 300mm in zona in care se obtin ecouri de la distantele de 85,91 si 100

mm - deci ecouri ce difera ca distanta cu 6 si 9 mm. In cazul in care cele trei ecouri apar distincte

pe ecran, se apreciaza ca puterea separatoare a palpatorului pentru zona 85-100mm este

satisfacatoare.

Bibliografie1. Brânzan, C., Radu, R. – Controlul nedistructiv al materialelor prin metoda radioactivă.

Editura Tehnică, București, 1975.

2. M. Scheffel , P. Stiuca “Dispozitive cu ultrasunete” Editura Ceres 1990

3. Ioan p., Polonski I. “Aplicatii practice ale ultrasunetelor”

4. Facaoaru Ioan, Masurari si control cu ultrasunete, Bucuresti, Editura Tehnica, 1965.

5 Dumitras C., Popescu I., Bendic V., Ingineria controlului dimensional si geometric in

fabricarea masinilor, Bucuresti, Editura Tehnica, 1997.

6 J, Krautkrämer H, Ultrasonic Testing of Materials, Springer Verlag, Berlin, 1