تكنولوجيا الاختبارات غير الاتلافية وتطبيقاتها (4)

حيود الموجات فوق الصوتية وخصائص التشتت:

عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية عبر الوسط، فإنها تواجه واجهة غير متجانسة (مثل العيب). ووفقا لمبدأ هيجنز، تحدث ظاهرة حيود عند حافتها، وتتولد موجة حيود مثارة حديثا. من وجهة النظر الواضحة، يمكن للموجة فوق الصوتية الأصلية أن تستمر في التقدم حول العيب، ولكن يتشكل ظل صوتي (مساحة بدون موجات فوق صوتية) خلف العيب. يمكن استخدام الموجة المنحرفة الجديدة لتقييم عمق الشق السطحي أو ارتفاع الشق الداخلي. في الصين، تسمى هذه الطريقة طريقة موجة تجديد الحافة، وتسمى الدولة الأجنبية طريقة موجة حيود الحافة. يتم استخدام ظاهرة تكوين الظل الصوتي للكشف عن اختراق الموجات فوق الصوتية، أي عندما تواجه الموجات فوق الصوتية عيوبًا في مساراتها الصوتية، بسبب الانعكاس والحيود والتشتت وما إلى ذلك، وبسبب البنية المجهرية غير الطبيعية لمادة قطعة الشغل المراد فحصها، فإنها ستتسبب في توهين طاقة الانتشار بالموجات فوق الصوتية، بحيث تكون الطاقة الصوتية المستلمة في الطرف الآخر من المسار الصوتي أقل من الطاقة الصوتية المستلمة في الظروف العادية، والفرق يمكن أن تنعكس باستخدام شاشة كشف الخلل بالموجات فوق الصوتية أو مباشرة باستخدام مؤشر العداد الكهربائي. تستخدم كأساس للفحص والتقييم، يمكن استخدام مقياس قياس السمك بالموجات فوق الصوتية للكشف عن عيوب الصفائح أو الهياكل المركبة أو المرتبطة، مثل التصفيح والتفكيك وما إلى ذلك، ويمكن استخدامه أيضًا لتكسير أطراف المفاتيح الكهربائية الصغيرة. يحدد حيود الموجات فوق الصوتية (الموجة المتجددة) عمق الشق.

فحص جودة الاتصال المطلي بالفضة والمزيد. الميزة هي أنه من السهل تنفيذ الكشف التلقائي، ولكن العيب هو أنه لا يمكن معرفة حجم الخلل وموقع الخلل، والمواقع النسبية للمسبارين مطلوبة بشكل صارم. عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية في الوسط، فإن انتشار واجهة الموجة الخاصة بها سيؤدي إلى انخفاض طاقة الصوت التي تمر عبر منطقة الوحدة بشكل متعامد مع اتجاه شعاع الصوت مع زيادة مسافة الانتشار، وهو ما يسمى توهين الانتشار، وهو الموجات فوق الصوتية نفسها. ترتبط الخاصية بزاوية انتشار الشعاع 2θ (θ هي زاوية شبه الانتشار لحزمة الموجات فوق الصوتية). بالإضافة إلى ذلك، تكون الموجة فوق الصوتية في الحدود الحبيبية للمادة، أو نقطة الطور، أو المعاوقة الصوتية للجزيئات العالقة، والشوائب، والفقاعات، وما إلى ذلك في الوسط (القيمة تساوي حاصل ضرب سرعة الصوت وكثافته) (حتى لو كان فرقًا طفيفًا). ترتبط حالة التشتت بالطول الموجي للموجة فوق الصوتية وحجم جسيم التشتت (متوسط ​​قطر الحبوب البلورية). في المادة المعدنية، يمكن تقسيم نسبة الطول الموجي α إلى متوسط قطر الحبيبات البلورية إلى ثلاث حالات تشتت: تشتت رايلي: 'عندما α، تتناسب درجة التشتت مع القوة الرابعة للتردد، وهي غالبية المعدن. مصبوبات الحبوب الخشنة؛ التشتت المنتشر: ≥ ε، درجة التشتت تتناسب عكسيًا مع، والتي يتم التعبير عنها غالبًا في الحالة التي يكون فيها سطح السطح المكتشف لقطعة العمل خشنًا، ويتسبب في فقدان التشتت المنتشر للطاقة الصوتية الحادثة في الواجهة، ويمكن أن يكون استعارة مماثلة لهذا الموقف كما لو كانت أضواء السيارة متناثرة في طقس ضبابي ولا يمكن أن تتألق من خلال الضباب ظاهرة التشتت، يتم تقليل الطاقة الصوتية من خلال منطقة الوحدة بشكل عمودي على مسار الصوت، أي أنه يحدث توهين التشتت. على الرغم من أن وجود ظاهرة التشتت في طريقة اكتشاف انعكاس النبض بالموجات فوق الصوتية لا يقلل فقط من قدرة اختراق الموجات فوق الصوتية، بل يتداخل أيضًا مع تمييز الصدى، فإنه يمكن أيضًا إرجاعها إلى الموجات فوق الصوتية عن طريق الارتداد المتراكب للموجات فوق الصوتية المتناثرة في المادة المعدنية بعد ذلك يتم استلام المسبار، ويتم عرضه على شاشة كاشف الخلل بالموجات فوق الصوتية في شكل صدى للأعشاب من خلال تقييم مستوى الفوضى، يمكن الحكم على البنية المجهرية للمادة المعدنية وتقييمها، خاصة في صناعة الطيران، أصبح تقييم مستويات الفوضى مؤشرًا مهمًا في معايير القبول للاختبار بالموجات فوق الصوتية للمطروقات من سبائك التيتانيوم.

خصائص التوهين بالموجات فوق الصوتية بالإضافة إلى توهين التشتت الموصوف في القسم السابق، هناك سبب مهم آخر لتوهين الطاقة عندما تنتقل الموجات فوق الصوتية عبر المادة وهو التوهين الناتج عن الامتصاص الداخلي، والذي يرتبط بلزوجة المادة، والتوصيل الحراري، والاحتكاك الحدودي، وترتبط ظاهرة الاسترخاء بفقد طاقة الموجات فوق الصوتية في شكل حرارة وهجرة ذرة مذابة، بالإضافة إلى حركة التفكك (مثل كثافة الخلع، تغير الطول، وجود الثقوب والشوائب) وحركة جدار المجال المغناطيسي، الإجهاد المتبقي يسبب اضطرابات في المجال الصوتي...الخ. يمكن أن تسبب توهين طاقة الموجات فوق الصوتية، وهو ما يتوافق مع توهين التشتت في القسم العلوي. نشير إلى توهين الطاقة بالموجات فوق الصوتية الناجم عن هذه الأسباب باسم امتصاص الامتصاص. يمكن ملاحظة أن آلية توهين الموجات فوق الصوتية في المادة معقدة للغاية. نحن نعتبر التوهين الشامل. لنفترض أن سعة ضغط الصوت عند مصدر المسافة X=0 هي P0، وسعة ضغط الصوت بعد المسافة X هي PX، إذن: PX =P0·e-αx، حيث يسمى α معامل التوهين، والذي يمكن تقسيمه إلى قسمين هما: α=αs+αa، حيث αs هو معامل التوهين بالتشتت و αa هو معامل التوهين الامتصاص. ولذلك، فإن معامل التوهين المعبر عنه بـ α هو معلمة شاملة للمادة، والتي تزداد عمومًا مع زيادة تردد الموجات فوق الصوتية. في اختبار الموجات فوق الصوتية، من الممكن تحديد درجة انخفاض الطاقة الصوتية بعد مرور الموجة فوق الصوتية عبر المادة (على سبيل المثال، تقييم درجة تقليل سعة الصدى للسطح السفلي لقطعة العمل في طريقة انعكاس النبض بالموجات فوق الصوتية) يسمى تقييم فقدان الموجة السفلية أو فقدان الانعكاس السفلي، أو الموجات فوق الصوتية. يمكن استخدام طريقة الاختراق لتقييم طبيعة وتشكل وتوزيع البنية المجهرية للمادة، مثل الكشف عن البلورات الخشنة للمواد المعدنية، والسخونة الزائدة والحرق الزائد، (الهيكل المحموم في المطروقات المعدنية)، والكربيدات. التوحيد، ومعدل كروية كربيد الحديد المرن، وقوة الشد في درجة حرارة الغرفة للصلب الكربوني، وقياس الإجهاد، وما شابه ذلك. 

تقدم البيانات المتاحة استخدام عرض الفوضى الناتج عن التشتت وتقييم التوهين لسعة الصدى للحكم على التباعد بين طبقة الأسمنت في هيكل البرليت لعجلة القاطرة (الفولاذ البرليت الذي يحتوي على محتوى كربون يبلغ 0.53 ~ 0.61٪). تحديد حد العائد ومقاومة التآكل للعجلة. هناك أيضًا تقارير عن استخدام خصائص التوهين بالموجات فوق الصوتية في اختبار إجهاد المواد (في اختبار التعب، يمكن أن يتسبب الاحتكاك الداخلي وتشويه الشبكة داخل العينة في تشتت الموجات فوق الصوتية، ويمكن أن يتسبب تشوه البلاستيك المحلي للسطح المكسور في امتصاص طاقة الموجات فوق الصوتية). يستخدم لتقييم صلابة الكسر للصلب. يمكن استخدام الجمع بين خصائص التوهين بالموجات فوق الصوتية وخصائص سرعة الصوت لتحديد، على سبيل المثال، محتوى الهيدروجين في سبائك التيتانيوم (تقليل خطر الهيدروجين في سبائك التيتانيوم) ولتقييم جودة تقادم سبائك الألومنيوم، خصائص سرعة الموجات فوق الصوتية من نفس نوع الموجة لها سرعات انتشار مختلفة في المواد المختلفة، وفي نفس المادة، الموجات فوق الصوتية من أنواع الموجات المختلفة لها أيضًا سرعات انتشار مختلفة. عندما يتغير أو يتغير التركيب أو البنية المجهرية أو الكثافة أو نسبة التضمين أو التركيز أو معدل تحويل البوليمر أو القوة أو درجة الحرارة أو الرطوبة أو الضغط (الضغط) أو معدل تدفق المادة، فإن سرعة الصوت ستختلف أيضًا. باستخدام جهاز اختبار سرعة الصوت الخاص أو كاشف الخلل التقليدي من نوع انعكاس النبض بالموجات فوق الصوتية أو مقياس السُمك لمقارنة المادة ذات سرعة الصوت غير المعروفة مع عينة قياسية من سرعة الصوت المعروفة، بحيث يمكن قياس سرعة الصوت أو سرعة صوت المادة ويمكن قياسها التطبيقية: (1) تحديد الثوابت الفيزيائية للمواد، مثل: حسب العلاقة في الفيزياء، بشكل عام: سرعة الصوت C = (E / ρ) 1/2، حيث ρ هي كثافة المادة، E هو معامل المرونة للمادة. نظرًا لأن سرعة الصوت تتأثر بتباين الخواص وشكل المادة وواجهتها، ويتم استخدام المعامل المرنة المعنية اعتمادًا على شكل اهتزاز الموجة فوق الصوتية، فإن سرعة الموجة الطولية في الغاز والسائل (فقط في الغاز والسائل) تحتوي الموجة الطولية على: CL = (K / ρ0) 1/2، حيث K هو المعامل المرن السعوي (معامل المرونة الحجمي) للمادة، و ρ0 هو الكثافة الساكنة الأصلية للوسط في وجود الموجة الصوتية. في المواد الصلبة: سرعة الموجة الطولية بالموجات فوق الصوتية التي تنتشر محوريًا في قضيب رفيع يبلغ قطره أصغر من الطول الموجي بالموجات فوق الصوتية هي: Cl = (E / ρ) 1/2، حيث E هو معامل يونج للمادة، و ρ هو قطر كثافة المادة. انتشار الموجات الطولية بالموجات فوق الصوتية في الاتجاه المحوري لقضيب سميك أكبر من طول موجة الموجات فوق الصوتية. CL={[K+(4/3)G]/ρ}1/2={[E(1-σ)]/ρ(1+σ) (1-2σ)} K في الصيغة 1/2 هو معامل المرونة السعوي (معامل المرونة الحجمي) للمادة، G هو معامل مرونة القص للمادة، و σ هي نسبة بواسون للمادة (المادة في القوة، عندما ويحدث الانفعال الطولي في الاتجاه، كما يتولد الانفعال الجانبي أيضًا في الاتجاه الرأسي، وتسمى النسبة بينهما نسبة بواسون، وهي إحدى الخواص الفيزيائية للمادة). سرعة صوت موجة القص هي: Cs=(G/ρ)1/2={E/[ρ·2(1+σ)]}1/2 سرعة صوت موجة رايلي هي: CR=[(0.87+1.12σ)/(1 +σ)]·(G/ρ)1/2. عندما يتم قياس سرعة الصوت ومعرفة معلمة أخرى، يمكن حساب معلمات أخرى.

(2) قياس درجة الحرارة: ترتبط سرعة الصوت في الوسط بدرجة حرارة الوسط. يمكن استخدام هذه الخاصية لقياس درجة حرارة وسط عدم الاتصال. ويمكن استخدامه أيضًا للإشارة إلى نقطة الانصهار ونقطة الغليان وتغير الطور للوسط، ولقياس الحرارة النوعية للوسط. حرارة الاندماج هي حرارة التفاعل ويتم قياس حرارة الاحتراق، ويتم قياس نقاوة الوسط ووزنه الجزيئي.

(3) قياس معدل التدفق: عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية في وسط متدفق (مثل أنابيب نقل الغاز أو السائل أو السوائل التي تحتوي على نسبة معينة من الجزيئات الصلبة، أو قنوات المياه.)، تختلف سرعة الانتشار عن تلك الموجودة في ظل الظروف الثابتة فيما يتعلق بنظام الإحداثيات الثابت. ويرتبط بمعدل تدفق الوسط، بحيث يمكن تحديد معدل التدفق بناءً على التغير في سرعة الصوت ويمكن تحديد معدل التدفق (مساحة مقطع السائل × معدل التدفق) بشكل أكبر. (4) قياس لزوجة السائل η: حسب المعاوقة الصوتية القصية Z و (η·ρ) 1/2 (η هي لزوجة السائل، ρ هي كثافة السائل)، والممانعة الصوتية Z=ρ·C، لذلك من خلال قياس سرعة الصوت وتحديد كثافة السائل، يمكن تحديد كثافة السائل. (5) قياس الإجهاد: إن سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في المادة لها تغير خطي تقريبًا مع الإجهاد المطبق (يسمى تأثير الإجهاد بالموجات فوق الصوتية)، لذلك يمكن استخدامه لقياس قوة الخرسانة سابقة الإجهاد، والقوة والإجهاد المتبقي للمعدن، والتثبيت. إجهاد الشد على القطعة (مثل مسمار التثبيت). (6) قياس الصلابة: يمكن تحديد صلابة الطبقة المتصلبة لسطح المعدن باستخدام خاصية تغير السرعة للموجة في الطبقة المتصلبة لسطح المعدن.

(7) تحديد عمق الشق على سطح المعدن: الفرق بين الزمن الذي تنتقل فيه الموجة مباشرة على طول سطح المعدن والزمن الذي يوجد فيه الشق السطحي وتجاوز الموجة للشرخ. ووفقا لسرعة انتشار موجة رايلي، يمكن حسابها من خلال عمق الشق. تسمى هذه الطريقة طريقة التأخير الزمني أو طريقة وقت العبور، طريقة Δt.

(8) سمك القياس: وفقًا للعلاقة بين مسافة انتشار الموجات فوق الصوتية X وسرعة الصوت C ووقت الإرسال t: X=C·t، على سبيل المثال، عندما يتم قياس السمك بطريقة انعكاس النبض بالموجات فوق الصوتية، سمك قطعة العمل d=C·t/2. سبب استخدام القاسم 2 هنا هو أن مسبار الموجات فوق الصوتية يصدر نبضة فوق صوتية إلى السطح السفلي لقطعة الشغل ويتم استقبال مسبار الإرجاع العاكس، بحيث يكون مسار الصوت الذي يمر به ضعف سمك قطعة الشغل.

باستخدام خصائص سرعة الموجات فوق الصوتية، يمكن تطبيقه أيضًا على قياس قوة حديد الزهر الجرافيت الكروي ودرجة كروية الجرافيت، وتحديد رطوبة الطوب اللبن الخزفي لتحديد توقيت إطلاق النار في الفرن، وتحليل خصائص الوسط الغازي (على سبيل المثال، نقاء الأكسجين الصناعي والنيتروجين). معدل التمثيل الغذائي للتنفس الحيواني له تغير في محتوى أحد مكونات الغاز، وما إلى ذلك، وكذلك كثافة الجزء البترولي، لاتكس النيوبرين.

يتم استخدام طريقة تأخير الوقت بالموجات فوق الصوتية لتحديد كثافة سائل عمق التشقق السطحي وما شابه. وباختصار، فإن تطبيق خصائص سرعة الموجات فوق الصوتية، وخاصة في تكنولوجيا القياس الصناعي عديدة. الموجات فوق الصوتية هي نوع من موجة الاهتزاز الميكانيكية. يمكننا استخدام مرنان الموجات فوق الصوتية لحقن الموجات فوق الصوتية بتردد قابل للتعديل (باستخدام الموجات الطولية بشكل أساسي) في قطعة العمل المراد فحصها. عندما يتردد صدى الموجات فوق الصوتية مع التردد الطبيعي لقطعة العمل، تنتشر الموجة الساقطة في الاتجاه المعاكس. تتراكب الموجات المنعكسة على بعضها البعض لتشكل موجة واقفة، وهي سماكة رنين الموجة الطولية الساقطة بشكل متعامد. وبخاصية الرنين هذه يمكن تطبيقها على الجوانب التالية:

(1) قياس السماكة:
سمك محول القرص الخزفي الكهروإجهادي هو d، والطول الموجي للموجة فوق الصوتية التي تنتشر فيه هو π، والذي يتم الحصول عليه عند حدوث الرنين: d=α1/2=2×2/2=3×3/2=...=n·×n/2، حيث n هو أي عدد صحيح موجب، أي أن سمك قطعة العمل المراد فحصها في هذا الوقت يساوي مضاعفًا متكاملاً لنصف الطول الموجي للموجة فوق الصوتية الرنانة. عندما تكون سرعة الموجات فوق الصوتية C لمادة قطعة الاختبار معروفة، وفقًا للعلاقة بين سرعة الصوت والطول الموجي والتردد: C = lect · f، يمكن الحصول على تردد الموجات فوق الصوتية في وقت رنين السمك: fn = C / lectn = n · C / 2d عندما n=1، f1=C/2d، وهو التردد الأساسي لرنين السمك. بما أن الفرق بين ترددات أي توافقيتين متجاورتين يساوي التردد الأساسي، فهناك: fn-fn-1=nf1-( N-1) f1=f1، لذلك يمكن تحديد تردد التوافقيتين المتجاورتين في رنين السمك بواسطة الرنان، ويكون سمك قطعة العمل: d=C/[2(fn-fn-1)]، عندما تكون ترددات التوافقيات غير المتجاورة fm و fn، على التوالي، منذ: fm-fn=(mn)f1.

(2) الكشف عن العيوب:
عندما يكون هناك عيب في قطعة الشغل المراد فحصها، سيتغير التردد الوطني مقارنة بنفس قطعة الشغل بدون عيوب، وستتغير حالة الرنين أيضًا (يتغير تردد الرنين)، بحيث يمكن اكتشاف وجود الخلل وفقًا لذلك. على سبيل المثال، يتم استخدامه لقياس صلابة المعادن، لفحص جودة اللحام النقطي للصفائح، خاصة بالنسبة لعيوب الترابط للمواد المركبة والهياكل المرتبطة (مثل غير المربوطة، المفككة، الهلام الرديء، وما إلى ذلك) والكشف عن قوة الترابط. تم تصميم طريقة الكشف عن الاهتزاز الصوتي للتحقق من جودة وصلات الغراء.

التطبيق النموذجي لخصائص الرنين بالموجات فوق الصوتية هو اختبار الصلابة بالموجات فوق الصوتية، والذي يقيس الصلابة عن طريق تغيير تردد الرنين لشريط الاستشعار بالموجات فوق الصوتية. يتم استخدامه بشكل أساسي لتحديد صلابة المعدن، ويمكن استخدامه أيضًا لقياسات أخرى عن طريق طريقة المقارنة. يتميز قياس الصلابة بالموجات فوق الصوتية بمزايا الحد الأدنى من الضرر الذي يلحق بسطح قطعة الاختبار وسرعة القياس السريعة وإجراءات التشغيل البسيطة. إنها مناسبة بشكل خاص لفحص قطع العمل النهائية بنسبة 100%، ويمكنها اكتشاف قطعة العمل مباشرة عن طريق الإمساك بالمسبار، وهي مناسبة بشكل خاص للمقاييس الكبيرة التي يصعب تحريكها. أجزاء قطع العمل التي لا يمكن تفكيكها بسهولة، والتي يتم قياسها. ما يلي هو مثال على اختبار الصلابة بالموجات فوق الصوتية، الذي تم إنتاجه. تحت ضغط التلامس الموحد، يكون طرف المستشعر على اتصال بسطح قطعة الاختبار، وسيتبع تردد الرنين للمستشعر قطعة الاختبار. يتم تحديد صلابة قطعة الاختبار عن طريق قياس التغير في تردد الرنين للمستشعر.