آزمون انتشار امواج صوتی

آزمون نشر امواج صوتی(Acoustic Emission یا به اختصار AE) گونه ای از آزمون های غیرمخرب می باشد که به منظور بررسی شکل گیری و رشد نواقص(هم چون ترک ها و...)درون قطعه،به صورت دینامیکی،مورد استفاده قرار می گیرد. منظور از نشر صوت،تولید امواج الاستیکی(مکانیکی) ناشی از تغییر ناگهانی تنش درون ماده است.زمانی که ماده در معرض محرک خارجی(تغییرات فشار،نیرو یا دما ) قرار بگیرد،منابع متمرکز انرژی در ماده شروع به آزاد سازی امواج الاستیکی می کنند و این امواج تا سطح قطعه انتشار می یابند و به وسیله حسگر ها(Sensors) ثبت و بررسی می شوند.نشر صوت مربوط به تولید امواج الاستیکی همزمان با آزاد یا رها شدن سریع انرژی کرنشی در ماده می باشد.با استفاده از تجهیزات مناسب می توان حرکاتی در بازه پیکومتر را نیز بررسی کرد.امواج صوتی تولید شده در روش AE در کنترل کیفیت،بررسی سلامت سازه،کنترل فرآیند و... حائز اهمیت می باشند. از این تست در پروژه های تحقیقاتی(آزمایش کشش،آزمایش مکانیک شکست و ...) و پروژه های صنعتی(بازرسی جوش،بررسی ترک ها در پل ها و...) استفاده می شود.

از نظر تاریخی،این پدیده اولین بار توسط دانشمند ایرانی جابرابن حیان در قرن سوم هجری قمری کشف شد.در یادداشت های این دانشمند به صدایی اشاره شده است که در اثر کار کردن بر روی قلع ایجاد می شود.بعد ها این صدا تحت عنوان فریاد قلع معروف گردید که ناشی از تشکیل دوقلویی در تغییر شکل پلاستیک قلع است.

مقایسه با سایر آزمون های غیر مخرب

روش نشر امواج صوتی دو تفاوت عمده با سایر آزمون های غیر مخرب دارد.تفاوت اول،ریشه شکل گیری موج صوت می باشد.در این روش به جای فرستادن امواج به درون قطعه،به صدای قطعه گوش داده می شود.به طور مثال در آزمون غیرمخرب فراصوت،امواج فراصوت توسط یک فرستنده به قطعه فرستاده می شوند و امواج بازگشتی مورد بررسی قرار می گیرند،اما در روش نشر صوت، موج صوت تولید شده توسط منبعی درون قطعه، مورد تجزیه و تحلیل توسط کامپیوتر قرار می گیرد.

تفاوت دوم این روش با روش های دیگر پویا بودن آن است، در این روش تغییراتی که درون ماده در حال شکل گیری هستند(مانند رشد ترک)،به صورت آنی قابل مطالعه هستند، از طرفی می دانیم که ترکی که هنوز رشد نکرده است با ترک نهایی بسیار متفاوت است و در این مرحله می توان اقداماتی جهت جلوگیری از رشد آن انجام داد.

البته باید توجه داشت که برخی از ترک ها، امواج صوتی قابل تشخیص ایجاد نمی کنند و ممکن است تا پایان رشد شناسایی نشوند.

تفاوت سوم این است که در این روش سنسور ها به راحتی به روی قطعه قرار می گیرند و نیازی به تمیز کردن قطعه و... نیست.

در روش آزمون نشر صوت می توان به صورت کیفی متوجه وجود عیب و شناسایی محل آن شد،اما برای به دست آوردن اطلاعات کمی درباره عیب(همانند سایز،عمق و...)نیاز است تا یک روش غیر مخرب دیگر(معمولا آزمون فراصوت) در کنار این روش پیاده سازی شود. یکی دیگر از معایب این روش ظاهر شدن سیگنال های مزاحم ناشی از سر و صدای محیط اطراف(Noise) است.

اساس کار آزمون انتشار امواج صوتی

انتشار موج در مواد

نمونه ای از امواج طولی

امواج صوتی به صورت های مختلفی می توانند درون مواد منتشر شوند،این حالت ها به شرح زیر می باشند:

امواج طولی(Longitudinal waves)

در این حالت ذرات درجهت انتشار موج شروع به نوسان می کنند.امواج طولی می توانند در جامدات،مایعات و گاز ها منتقل شوند،در صورتی که این نکته برای حالات دیگر موج های صوتی صادق نیست.امواج عرضی و صفحه ای تنها در جامدات قابل انتقال هستند.

امواج عرضی (Shear waves)

تصویر بالا:امواج عرضی،تصویر پایین : امواج طولی

در این حالت ذرات عمود بر جهت انتشار موج شروع به نوسان می کنند. معمولا سرعت امواج عرضی در مواد، نصف سرعت امواج طولی می باشد.

امواج سطحی(Rayliegh Waves)

از این دسته از امواج در آزمون غیرمخرب فراصوت به شدت استفاده می گردد و تنها در سطح یا نزدیک به سطح ماده نفوذ می کنند.سرعت این دسته از امواج حدود 2% کمتر از امواج عرضی می باشد.

در آزمون نشر امواج صوتی،منابع سطحی و زیر سطحی سهم بالایی در تولید انرژی به عنوان موج سطحی دارند،این موج سطحی با سرعت ثابت و استهلاک کم انتشار می یابد(به طور مثال با سرعت 3 m/ms در فولاد منتشر می شوند).شناسایی مکان منبع موج صوتی به کمک زمان طی شده توسط موج صوت درون ماده تا حسگر امکان پذیر است.برای محاسبه مسافت طی شده به سرعت صوت درون ماده نیاز داریم که سرعت صوت خود تابع نوع موج می باشد.

امواج صفحه ای (Lamb waves)

در صورتی که ماده ای تحت تاثیر موج سطحی قرار بگیرد و ضخامت ماده به اندازه 3 برابر طول موج صوت یا کم تر باشد،موج صوت از کل جسم عبور می کند.در چنین حالتی امواج صفحه ای داریم و سرعت موج تنها به نوع ماده وابسته نیست،بلکه به فرکانس موج تولیدی و ضخامت قطعه نیز وابسته است. در حالی که امواج حجمی در مواد همگن با سرعتی مستقل از فرکانس تقسیم می شوند.

مقایسه سرعت امواج طولی،عرضی و صفحه ای

برخی از روش های تشخیص مکان منبع موج صوت عبارتند از :

• روش موقعیت خطی(Linear Location Technique)
•  روش موقعیت منطقه ای (Zonal Location Technique)
• موقعیت نقطه ای(Point Location)

منابع ایجاد امواج صوتی

دلایل متفاوتی برای نشر صوت پیشنهاد شده اند که برخی از آنها به شرح زیر می باشند:

لغزش نابجایی ها،شکل گیری ترک و رشد آن

با توجه به خواص مکانیکی قطعه و مقدار تنشی که به قطعه وارد می شود، ممکن است قطعه پس از برداشته شدن نیرو به ابعاد اصلی خود بازگردد یا به صورت دائمی تغییر شکل بدهد.این دو حالت تحت عنوان های تغییر شکل الاستیک و پلاستیک شناخته می شوند .زمانی می توان بیشترین مقدار قابل تشخیص موج صوت را انتظار داشت که قطعه دچار تغییر شکل پلاستیک شود .در مقیاس میکروسکوپی زمانی که تغییر شکل پلاستیک اتفاق می افتد،لایه های اتمی در اثر حرکت نابجایی ها بر روی یکدیگر سر می خورند .زمانی که ترکی در فلز وجود داشته باشد،میزان تنش در نوک ترک بسیار بیشتر از نواحی اطراف ترک می باشد(پدیده تمرکز تنش) ،بنابراین با استفاده از روش نشر امواج صوتی می توان متوجه شد که ماده در نوک ترک در حال تغییر شکل پلاستیک می باشد و از این رو میتوان متوجه رشد ترک شد و در صورت لزوم از این مساله پیشگیری کرد.

تشکیل دو قلویی ها

در برخی از مواد مکانیزم تغییر شکل پلاستیک به جای لغزش نابجایی ها،تشکیل دوقلویی ها است.در صورتی که صفحه لغزش مناسب(بردار برگرز کوچک وde spacing بزرگ) وجود نداشته باشد ،مکانیزم تشکیل دوقلویی ها فعال می شود،باید توجه داشت که تشکیل دو قلویی ها ناشی از نفوذ نیست و در نتیجه به دما وابسته نمی باشد،تشکیل دو قلویی ها یک پدیده هندسی است.

استحاله فازی

این پدیده در فرآیند جوشکاری بیشتر اتفاق می افتد، چرا که با افزایش دما امکان استحاله آلوتروپی و تغییر فاز،افزایش می یابد.در چنین حالتی تغییر حجم قابل توجه ای در ماده صورت می گیرد(این مساله با تست دیلاتومتری قابل مشاهده می باشد.)

شکست و جدایش زمینه و الیاف تقویت کننده در کامپوزیت ها

نشر صوت هم چنین در پلیمر ها،بتن ،چوب و برخی از مواد دیگر نیز مشاهده شده است.

میزان دامنه امواج صوتی تولید شده، متناسب با سرعت رشد ترک می باشد.شناسایی و تحلیل امواج صوتی به دست آمده،اطلاعات ارزشمندی درباره منشا عیب و تاثیر آن بر روی قطعه را در اختیار بازرسین قرار می دهد.به همین دلیل، وجود تجهیزات خاص برای شناسایی و تحلیل امواج صوتی ضروری می باشد.

نویز

معمولا میزان حساسیت آزمون نشر امواج صوتی به وسیله نویز موجود در محیط اطراف قطعه مورد بررسی، تحت تاثیر قرار می گیرد. منظور از نویز هرگونه سیگنال ناخواسته ای است که توسط حسگر ها،دریافت می شود. نویز ها منابع مختلفی دارند که برخی از آن ها به شرح زیر می باشند:

نویز های مکانیکی

به دلیل وجود اصطکاک بین اجزای مکانیکی در ماشین آلات به وجود می آیند،به طور مثال در یاتاقان ها. این دسته از نویزها فرکانس پایین داشته و به راحتی قابل تفکیک می باشند.

نویزهای ناشی از شرایط محیطی(باد،باران و ...)

حذف نویز ها بخش بسیار مهمی در روش نشر امواج صوتی می باشد و صحت نتایج نهایی وابسته به این کار است. روش های متفاوتی متناسب با شرایط کارکرد قطعه پیشنهاد شده اند.یکی از مرسوم ترین روش های حذف نویز،تعیین آستانه تحریک توسط بازرس می باشد. در صورتی که سیگنال صوت از آستانه تحریک فراتر برود،درکامپیوتر ثبت می شود ولی نویز ها دریافت نمی شوند.هم چنین می توان منابع تولید نویز را شناسایی کرد و تا حد امکان ،نویز ایجاد شده توسط آنان را کاهش داد.

تضعیف امواج صوتی

شدت موج صوتی که توسط حسگر دریافت می شود به طور قابل ملاحظه ای کمتر از حالتی است که حسگر در نزدیکی منبع صوت وجود داشته باشد. در قطعات به شکل صفحه(plate) هربار که فاصله از منبع صوت 2 برابر می شود،شدت موج 30% کاهش پیدا می کند.در قطعات سه بعدی این مقدار به 50% افزایش می یابد.تضعیف صوت به دلیل خاصیت مستهلک کنندگی ماده می باشد.انرژی جنبشی موج در اثر برخورد با موانع مختلف به گرما تبدیل می شود. وجود ناپیوستگی ها(همانند مرزدانه ها،دوقلویی ها ،ناخالصی ها و...)سبب منحرف شدن موج صوتی می شوند.اندازه گیری تاثیر تضیعف بر روی امواج صوتی به وسیله دستگاهی تحت عنوان "Hsu-Nielsen Source" امکان پذیر است.

تجهیزات و دستگاه ها

نمونه ای برای نمایش نحوه عملکرد مبدل ها(Transducers) به همراه برازش سیگنال(Signal processing) به صورت دایاگرام جعبه ای

در روش نشر امواج صوتی هم از تجهیزات قابل جابجایی و هم از تجهیزات ثابت استفاده می شود. معمولا این تجهیزات شامل حسگر،پیش تقویت کننده،فیلتر(به منظور حذف نویز ها)،تقویت کننده اصلی،تجهیزات ذخیره سازی اطلاعات،صفحه نمایشگر،ولت متر و... می باشد.همانطور که اشاره شد، آزمون نشر امواج صوتی به تغییرات دینامیکی قطعه،پاسخ می دهد. این اتفاق به لطف مبدل ها(Transducers) که انرژی مکانیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند،صورت می گیرد.تقریبا تمامی مبدل ها از مواد پیزوالکتریک ساخته شده اند.یک ترکیب فراگیر برای پیزوالکتریک ها سرب زیرکونات تیتانات(PZT)می باشد.مبدل ها بر اساس فرکانس کاری،حساسیت و شرایط محیطی تعیین می شوند و معمولا در دو دسته، تقسیم بندی می شوند(Resonant و Broadband). معمولا فرکانس مورد استفاده بین 30 کیلوهرتز تا 1 مگا هرتز می باشد. در موادی که تضعیف صوت شدید می باشد(همانند کامپوزیت های پلاستیکی) از فرکانس های پایین تر استفاده می شود.

در شرایط ایده آل،انتظار داریم تا امواج صوت را بدون نویز برروی صفحه نمایش ببینیم اما چنین چیزی در واقعیت اتفاق نمی افتد. هر چند حسگر ها و فیلتر ها به گونه ای طراحی می شوند تا جای ممکن سیگنال های ناخواسته حذف شوند.سیگنال حس شده توسط مبدل(Transducer) در مرحله اول،بسیار ضعیف بوده و پیش تقویت کننده ها(Pre amplifiers) ولتاژ را چند برابر می کنند.سپس نویز ها توسط فیلترها(فیلتر های بالاگذار،پایین گذار یا میان گذر)از سیگنال تقویت شده حذف می شوند.سیگنال بدون نویز وارد تقویت کننده اصلی شده و پس از گذار از این مرحله به واحد اندازه گیری و تحلیل ارسال می شود.نهایتا نتایج به دست آمده بر روی صفحه نمایشگر به نمایش در می آیند.

ازمون نشر امواج صوتی می تواند به صورت تک کاناله( استفاده از یک مبدل) و یا چندکاناله(استفاده از چند مبدل) صورت بگیرد.

ویژگی های مهم سیگنال های آزمون انتشار امواج صوتی

بررسی 5 ویژگی مهم سیگنال های آزمون انتشار صوت،نمودار تغییرات ولتاژ برحسب زمان

پس از آماده سازی تجهیزات،فرآیند آزمون غیر مخرب انتشار امواج صوتی آغاز می گردد.در این آزمون، حسگر به وسیله چسب یا با استفاده از روش های دیگر به خوبی به سطح قطعه مورد بررسی متصل می شود. بازرس سیگنال های به دست آمده توسط حسگر ها را مورد بررسی قرار می دهد. مهم ترین ویژگی های سیگنال ها که مورد مطالعه قرار می گیرند عبارتند از :

دامنه(Amplitude)

بیشترین ولتاژ اندازه گیری شده در یک موج، به اسم دامنه شناخته می شود.واحد اندازه گیری دامنه دسی بل می باشد. این پارامتر در آزمون انتشار امواج صوتی بسیار حائز اهمیت می باشد،چرا که میزان قابلیت تشخیص سیگنال را مشخص می نماید. سیگنال هایی با دامنه کوچکتر از آستانه تحریک ، در تحلیل نهایی مورد استفاده قرار نخواهند گرفت.همانطور که اشاره شد آستانه تحریک توسط بازرس به منظور حذف سیگنال های ناخواسته همانند نویز ها،تعریف می شود.

زمان جهش(Rise time)

به مدت زمان بین اولین باری که سیگنال بیشتر از آستانه تحریک می شود و زمانی که به حداکثر مقدار خود می رسد،زمان جهش گفته می شود. این فاکتور معیاری برای فیلتر کردن نویز ها و ارزیابی سیگنال ها می باشد.

زمان استمرار(Duration)

به مدت زمان بین اولین و آخرین باری که سیگنال بیشتر از آستانه تحریک شود،زمان استمرار گفته می شود. واحد این پارامتر میکروثانیه بوده و به بزرگی منبع تولید موج صوت و خواص ماده وابسته می باشد.این فاکتور نیز معیاری برای فیلتر کردن نویز ها و شناسایی نوع منبع ایجاد موج صوت می باشد.

شمارش پالس ها(N)

به تعداد پالس هایی که از آستانه تحریک فراتر می روند،تعداد پالس گفته می شود.این فاکتور یکی از راحت ترین فاکتور های قابل اندازه گیری و تحلیل می باشد.با ترکیب کردن این معیار با معیارهای دیگر همچون زمان استمرار یا دامنه، می توان اطلاعات کیفی راجع به شکل سیگنال به دست آورد.

نواحی اندازه گیری شده تحت پوشش سیگنال اصلاح شده(Mars)

برای به دست آوردن این معیار،ابتدا مقدار حداکثر پالس ها به صورت خطی به هم وصل می شوند و سپس مساحت زیر نمودار جدید محاسبه می گردد. این معیار گاهی تحت عنوان "شمارش های انرژی" شناخته می شود.MARS به زمان استمرار و دامنه سیگنال مرتبط است اما مستقل از آستانه تحریک می باشد.

مزایا و محدودیت های روش انتشار امواج صوتی

مزایا

• قابلیت تشخیص عیوب قبل از اینکه به مشکل جدی تبدیل بشوند
•  قابلیت انجام حین فرآیند تولید یا توسعه محصول
• بازرسی قطعه به صورت کامل(بازرسی حجمی)
• بررسی قطعات تحت شرایط کاری واقعی
• روش غیر مخرب
• قابل استفاده در محیط های خطرناک(شرایط کاری دما بالا،فشار بالا،محیط های خورنده)
• قابل انجام دادن از راه دور
• شناسایی عیوبی که با روش های معمولی به سختی قابل دسترسی هستند.

محدودیت ها

•  در مقایسه با سایر آزمون های غیرمخرب کندتر می باشد.
• ممکن است  برخی از عیوب که درون قطعه وجود دارند،شناسایی نشوند.(عیوبی که حرکت یا رشد نمی کنند)

کابردها

کاربرد های روش نشر امواج صوتی :

• سازه های بتنی (پل ها و ساختمان ها و...)
• سازه های فلزی(مخازن تحت فشار،لوله ها،سیم های فولادی،ساختار هواپیماو....)
• سازه های کامپوزیتی(شاسی برخی از ماشین های مسابقه ای و....)
• اجسام دوار،به منظور تشخیص زودهنگام سایش در جعبه دنده و یاتاقان ها
• شناسایی نشت در لوله ها و سیتسم های فشار
• نظارت بر فرآیند جوشکاری : در فرآیند جوشکاری تغییرات دما سبب ایجاد تنش بین ماده جوش و فلز زمینه می شود. به همین دلیل به منظور تنش زدایی،عملیات حرارتی بر روی جوش صورت می گیرد. در برخی از موارد عملیات حرارتی امکان پذیر نمی باشد و ترک های ریزی بر روی قطعه ظاهر می شوند.ممکن است این ترک ها رشد کنند و پس از مدتی کاملا ظاهر شوند و گسترش یابند. با نصب حسگر مناسب،ترک ایجاد شده به سرعت شناسایی می شود و می توان جلوی مشکلات احتمالی را گرفت.

پیوند به بیرون

تست انتشار امواج صوتی برای نظارت بر زیرساخت ها(انیمیشن)

استاندارد ASTM E1106 جهت کالیبراسیون اولیه آزمون نشر امواج صوتی

استاندارد ASTM E1781 جهت کالیبراسیون ثانویه آزمون نشر امواج صوتی

نمونه واقعی آزمون نشر امواج صوتی بر روی قطعه سنگی

تست نشر صوتی :شنیدن صدای اخطار از مواد(انجمن تست و مواد آمریکا)

نحوه عملکرد آزمون نشر صوت