อัลตราซาวนด์เป็นคลื่นเสียงที่มีความถี่มากกว่า 20,000 เฮิรตซ์ และเป็นคลื่นกล ความถี่ของคลื่นอัลตราโซนิคที่ใช้ในการตรวจจับข้อบกพร่องของโลหะคือ 0.5 ถึง 10 MHz ซึ่ง 2 ถึง 5 MHz เป็นความถี่ที่ใช้กันมากที่สุด
การสร้างและการรับคลื่นอัลตราโซนิกทำได้โดยการใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกของชิ้นส่วนคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกในโพรบอัลตราโซนิก การสั่นทางไฟฟ้าที่เกิดจากเครื่องตรวจจับข้อบกพร่องแบบอัลตราโซนิกจะถูกโหลดบนทั้งสองด้านของแผ่นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกในโพรบในรูปแบบของแรงดันไฟฟ้าความถี่สูง ผลจากผลของเพียโซอิเล็กทริกแบบผกผัน แผ่นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกจะทำให้เกิดการขยายตัวและการหดตัวอย่างต่อเนื่องในทิศทางความหนา การสั่นสะเทือนทางกลเกิดขึ้น
หากมีการมีเพศสัมพันธ์ที่ดีระหว่างชิ้นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกกับพื้นผิวของชิ้นงาน การสั่นสะเทือนทางกลจะแพร่กระจายไปยังชิ้นงานภายใต้การตรวจสอบในรูปแบบของคลื่นอัลตราโซนิกซึ่งเป็นการสร้างคลื่นอัลตราโซนิก ในทางตรงกันข้าม เมื่อแผ่นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกผ่านการขยายตัวและการหดตัวของการเสียรูปภายใต้การกระทำของคลื่นอัลตราโซนิก ผลกระทบเชิงบวกของเพียโซอิเล็กทริกจะทำให้เกิดประจุที่มีขั้วต่างกันบนพื้นผิวทั้งสองของแผ่นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริก ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าความถี่สูงของ ความถี่อัลตราโซนิกเพื่อสะท้อนคลื่นไฟฟ้า รูปแบบของสัญญาณจะแสดงโดยเครื่องตรวจจับข้อบกพร่อง ซึ่งเป็นการรับคลื่นอัลตราโซนิก
คุณสมบัติของคลื่นอัลตราโซนิก
⑵ คลื่นตามขวาง (S) เมื่อคลื่นเสียงแพร่กระจายในตัวกลาง ทิศทางการสั่นสะเทือนของอนุภาคตัวกลางและทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นจะตั้งฉากกันซึ่งเรียกว่าคลื่นตามขวาง คลื่นตามขวางสามารถแพร่กระจายได้เฉพาะในของแข็งเท่านั้น
การตรวจจับข้อบกพร่องของคลื่นตามขวางมีข้อดีเฉพาะตัว เช่น ความไวที่สูงขึ้นและความละเอียดที่ดีขึ้น มักใช้ในการตรวจจับข้อบกพร่องสำหรับรอยเชื่อมและโอกาสที่คลื่นตามยาวตรวจพบได้ยาก และมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย
⑶คลื่นพื้นผิว (R) คลื่นเสียงที่แพร่กระจายบนพื้นผิวแข็งเท่านั้น และอนุภาคบนพื้นผิวตัวกลางทำให้เกิดการเคลื่อนที่เป็นวงรี เรียกว่า คลื่นพื้นผิว ในการตรวจจับข้อบกพร่องจริง คลื่นพื้นผิวมักใช้เพื่อตรวจสอบรอยแตกบนพื้นผิวของชิ้นงานและคุณภาพพื้นผิวของชั้นคาร์บูไรซ์หรือชั้นเคลือบ
สำหรับเหล็กธรรมดา ความเร็วคลื่นตามยาวที่คลื่นอัลตราโซนิกแพร่กระจายจะเร็วที่สุด ตามด้วยความเร็วคลื่นตามขวาง และความเร็วคลื่นพื้นผิวจะช้าที่สุด ดังนั้น สำหรับคลื่นอัลตราโซนิกที่มีความถี่เท่ากัน คลื่นตามยาวจะมีความยาวคลื่นที่ยาวที่สุด รองลงมาคือคลื่นตามขวาง และคลื่นพื้นผิวจะมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด เนื่องจากความละเอียดในการตรวจจับข้อบกพร่องนั้นสัมพันธ์กับความยาวคลื่น ความละเอียดของความยาวคลื่นสั้นจึงสูง ดังนั้นความละเอียดในการตรวจจับของคลื่นพื้นผิวจึงดีกว่าคลื่นตามขวาง และคลื่นตามขวางจะดีกว่าคลื่นตามยาว
โดยสรุป เนื่องจากคลื่นอัลตราโซนิกสามารถผ่านคลื่นประเภทต่างๆ ด้วยความเร็วการแพร่กระจายที่แตกต่างกันในสื่อโลหะ จึงต้องเลือกประเภทคลื่นอัลตราโซนิกที่ต้องการเมื่อทำการตรวจจับข้อบกพร่องบนรอยเชื่อมโลหะ การวิเคราะห์ข้างต้นค่อนข้างดี ดังนั้นการตรวจจับข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นจริงมักจะเลือกคลื่นเฉือน มิฉะนั้นสัญญาณสะท้อนจะสับสนและไม่ได้รับผลการตรวจจับข้อบกพร่องที่ถูกต้อง
4． คลื่นอัลตราโซนิกมีคุณสมบัติในการทะลุผ่านวัสดุและลดทอนลงในวัสดุ
คุณสมบัติของคลื่นอัลตราโซนิกนี้คล้ายกับรังสี แต่พลังงานของคลื่นอัลตราโซนิกมีขนาดใหญ่มาก จึงมีความสามารถในการเจาะทะลุได้ดีกว่า เมื่อคลื่นอัลตราโซนิกแพร่กระจายในสื่อส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวัสดุโลหะ เช่น เหล็ก การสูญเสียการส่งผ่านจะมีน้อย และระยะการแพร่กระจายสูงสุดสามารถเข้าถึงได้หลายเมตร ดังนั้น การตรวจจับข้อบกพร่องด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงจึงสามารถมีความลึกในการตรวจจับที่มากกว่า ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่วิธีการตรวจจับข้อบกพร่องอื่นๆ ไม่มี
เมื่อคลื่นอัลตราโซนิกแพร่กระจายในตัวกลาง ปรากฏการณ์ที่พลังงานของพวกมันค่อยๆ ลดลงเมื่อระยะการแพร่กระจายเพิ่มขึ้นเรียกว่าการลดทอนของคลื่นอัลตราโซนิก ในการตรวจจับข้อบกพร่องล้ำเสียงของวัสดุโลหะ สาเหตุหลักของการลดทอนด้วยคลื่นอัลตราโซนิกคือการกระเจิง และความดันเสียงของมันจะเบาลงตามกฎเลขชี้กำลังเชิงลบ กฎหมายมีดังนี้:
PX=P0e-αx
ในสูตร Px – ความดันเสียงที่จุด X ห่างจากพื้นผิวของแผ่นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริก (Pa)
P0——ความดันเสียงดั้งเดิมของคลื่นอัลตราโซนิก (Pa);
e——ฐานของลอการิทึมธรรมชาติ;
α——ค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนของวัสดุโลหะ (dB/m);
X——ระยะห่างของการแพร่กระจายคลื่นอัลตราโซนิคในวัสดุโลหะ (m)
X——The distance of ultrasonic wave propagation in metal materials (m).
- การสร้างและการรับคลื่นอัลตราโซนิก
การสร้างและการรับคลื่นอัลตราโซนิกทำได้โดยการใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกของชิ้นส่วนคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกในโพรบอัลตราโซนิก การสั่นทางไฟฟ้าที่เกิดจากเครื่องตรวจจับข้อบกพร่องแบบอัลตราโซนิกจะถูกโหลดบนทั้งสองด้านของแผ่นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกในโพรบในรูปแบบของแรงดันไฟฟ้าความถี่สูง ผลจากผลของเพียโซอิเล็กทริกแบบผกผัน แผ่นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกจะทำให้เกิดการขยายตัวและการหดตัวอย่างต่อเนื่องในทิศทางความหนา การสั่นสะเทือนทางกลเกิดขึ้น
หากมีการมีเพศสัมพันธ์ที่ดีระหว่างชิ้นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกกับพื้นผิวของชิ้นงาน การสั่นสะเทือนทางกลจะแพร่กระจายไปยังชิ้นงานภายใต้การตรวจสอบในรูปแบบของคลื่นอัลตราโซนิกซึ่งเป็นการสร้างคลื่นอัลตราโซนิก ในทางตรงกันข้าม เมื่อแผ่นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกผ่านการขยายตัวและการหดตัวของการเสียรูปภายใต้การกระทำของคลื่นอัลตราโซนิก ผลกระทบเชิงบวกของเพียโซอิเล็กทริกจะทำให้เกิดประจุที่มีขั้วต่างกันบนพื้นผิวทั้งสองของแผ่นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริก ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าความถี่สูงของ ความถี่อัลตราโซนิกเพื่อสะท้อนคลื่นไฟฟ้า รูปแบบของสัญญาณจะแสดงโดยเครื่องตรวจจับข้อบกพร่อง ซึ่งเป็นการรับคลื่นอัลตราโซนิก
คุณสมบัติของคลื่นอัลตราโซนิก
- อัลตราซาวนด์มีทิศทางที่ดี
- เนื่องจากความยาวคลื่นของคลื่นอัลตร้าโซนิคนั้นสั้นมาก จึงสามารถแพร่กระจายเป็นเส้นตรงได้เหมือนกับคลื่นแสงในตัวกลางยืดหยุ่น นอกจากนี้ ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิกในตัวกลางคงที่จะเป็นค่าคงที่ ดังนั้นระยะการแพร่กระจายของคลื่นจึงสามารถคำนวณตามเวลาการแพร่กระจาย ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการค้นหาข้อบกพร่องระหว่างการตรวจจับข้อบกพร่อง
คลื่นอัลตราโซนิกสามารถแพร่กระจายในตัวกลางยืดหยุ่นได้ แต่ไม่สามารถแพร่กระจายในสุญญากาศ - ในการตรวจจับข้อบกพร่องทั่วไป ตัวกลางอากาศมักจะถือเป็นสุญญากาศ ดังนั้นจึงเชื่อว่าคลื่นอัลตราโซนิกไม่สามารถแพร่กระจายผ่านอากาศได้
คลื่นอัลตราโซนิก เช่นเดียวกับคลื่นเสียง เมื่อผ่านตัวกลางจะมีประเภทคลื่นที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างทิศทางการสั่นของอนุภาคตัวกลางและทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น - ⑴คลื่นตามยาว (L) เมื่อคลื่นเสียงแพร่กระจายในตัวกลาง คลื่นที่ทิศทางการสั่นสะเทือนของอนุภาคตัวกลางจะเหมือนกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นเรียกว่าคลื่นตามยาว มันสามารถแพร่กระจายในของแข็ง ของเหลว และก๊าซ
⑵ คลื่นตามขวาง (S) เมื่อคลื่นเสียงแพร่กระจายในตัวกลาง ทิศทางการสั่นสะเทือนของอนุภาคตัวกลางและทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นจะตั้งฉากกันซึ่งเรียกว่าคลื่นตามขวาง คลื่นตามขวางสามารถแพร่กระจายได้เฉพาะในของแข็งเท่านั้น
การตรวจจับข้อบกพร่องของคลื่นตามขวางมีข้อดีเฉพาะตัว เช่น ความไวที่สูงขึ้นและความละเอียดที่ดีขึ้น มักใช้ในการตรวจจับข้อบกพร่องสำหรับรอยเชื่อมและโอกาสที่คลื่นตามยาวตรวจพบได้ยาก และมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย
⑶คลื่นพื้นผิว (R) คลื่นเสียงที่แพร่กระจายบนพื้นผิวแข็งเท่านั้น และอนุภาคบนพื้นผิวตัวกลางทำให้เกิดการเคลื่อนที่เป็นวงรี เรียกว่า คลื่นพื้นผิว ในการตรวจจับข้อบกพร่องจริง คลื่นพื้นผิวมักใช้เพื่อตรวจสอบรอยแตกบนพื้นผิวของชิ้นงานและคุณภาพพื้นผิวของชั้นคาร์บูไรซ์หรือชั้นเคลือบ
สำหรับเหล็กธรรมดา ความเร็วคลื่นตามยาวที่คลื่นอัลตราโซนิกแพร่กระจายจะเร็วที่สุด ตามด้วยความเร็วคลื่นตามขวาง และความเร็วคลื่นพื้นผิวจะช้าที่สุด ดังนั้น สำหรับคลื่นอัลตราโซนิกที่มีความถี่เท่ากัน คลื่นตามยาวจะมีความยาวคลื่นที่ยาวที่สุด รองลงมาคือคลื่นตามขวาง และคลื่นพื้นผิวจะมีความยาวคลื่นสั้นที่สุด เนื่องจากความละเอียดในการตรวจจับข้อบกพร่องนั้นสัมพันธ์กับความยาวคลื่น ความละเอียดของความยาวคลื่นสั้นจึงสูง ดังนั้นความละเอียดในการตรวจจับของคลื่นพื้นผิวจึงดีกว่าคลื่นตามขวาง และคลื่นตามขวางจะดีกว่าคลื่นตามยาว
โดยสรุป เนื่องจากคลื่นอัลตราโซนิกสามารถผ่านคลื่นประเภทต่างๆ ด้วยความเร็วการแพร่กระจายที่แตกต่างกันในสื่อโลหะ จึงต้องเลือกประเภทคลื่นอัลตราโซนิกที่ต้องการเมื่อทำการตรวจจับข้อบกพร่องบนรอยเชื่อมโลหะ การวิเคราะห์ข้างต้นค่อนข้างดี ดังนั้นการตรวจจับข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นจริงมักจะเลือกคลื่นเฉือน มิฉะนั้นสัญญาณสะท้อนจะสับสนและไม่ได้รับผลการตรวจจับข้อบกพร่องที่ถูกต้อง
4． คลื่นอัลตราโซนิกมีคุณสมบัติในการทะลุผ่านวัสดุและลดทอนลงในวัสดุ
คุณสมบัติของคลื่นอัลตราโซนิกนี้คล้ายกับรังสี แต่พลังงานของคลื่นอัลตราโซนิกมีขนาดใหญ่มาก จึงมีความสามารถในการเจาะทะลุได้ดีกว่า เมื่อคลื่นอัลตราโซนิกแพร่กระจายในสื่อส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวัสดุโลหะ เช่น เหล็ก การสูญเสียการส่งผ่านจะมีน้อย และระยะการแพร่กระจายสูงสุดสามารถเข้าถึงได้หลายเมตร ดังนั้น การตรวจจับข้อบกพร่องด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงจึงสามารถมีความลึกในการตรวจจับที่มากกว่า ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่วิธีการตรวจจับข้อบกพร่องอื่นๆ ไม่มี
เมื่อคลื่นอัลตราโซนิกแพร่กระจายในตัวกลาง ปรากฏการณ์ที่พลังงานของพวกมันค่อยๆ ลดลงเมื่อระยะการแพร่กระจายเพิ่มขึ้นเรียกว่าการลดทอนของคลื่นอัลตราโซนิก ในการตรวจจับข้อบกพร่องล้ำเสียงของวัสดุโลหะ สาเหตุหลักของการลดทอนด้วยคลื่นอัลตราโซนิกคือการกระเจิง และความดันเสียงของมันจะเบาลงตามกฎเลขชี้กำลังเชิงลบ กฎหมายมีดังนี้:
PX=P0e-αx
ในสูตร Px – ความดันเสียงที่จุด X ห่างจากพื้นผิวของแผ่นคริสตัลเพียโซอิเล็กทริก (Pa)
P0——ความดันเสียงดั้งเดิมของคลื่นอัลตราโซนิก (Pa);
e——ฐานของลอการิทึมธรรมชาติ;
α——ค่าสัมประสิทธิ์การลดทอนของวัสดุโลหะ (dB/m);
X——ระยะห่างของการแพร่กระจายคลื่นอัลตราโซนิคในวัสดุโลหะ (m)
X——The distance of ultrasonic wave propagation in metal materials (m).
