mini|desno|300px|Pronalaženje greške kod ultrazvučne kontrole. mini|desno|300px|Ultrazvučna kontrola na vratilu pokazuje pukotinu u području žlijebljenog spoja. mini|desno|400px|Ultrazvučna kontrola lopatica mlaznog motora V2500 IAE: Korak 1: Ultrazvučna glava ispituje korijen lopatica, koji se vidi boroskopom (vizualna kontrola). Korak 2: Prikaz ultrazvučnog signal na zaslonu. Korak 3: Vrh krivulje koji prolazi crvenu liniju pokazuje završetak materijala, dok vrh krivulje na lijevoj strani pokazuje pukotinu u lopatici. mini|desno|300px|Šišmiši koriste ultrazvuk za kretanje po mraku. mini|desno|300px|Piezoelektrični efekt je pojava stvaranja električnog naboja (a time i električnog napona) na površini posebno odrezanog kristala (čvrsti dielektrik - izolator), koji je elastično deformiran vanjskom silom. mini|desno|300px|Ultrazvučna kontrola zavara. Gore: ultrazvučna glava stvara snop zraka pod nekim kutom. Dolje: greška u zavaru se pokazuje na zaslonu ultrazvučnog instrumenta. mini|desno|300px|Za ispitivanje tankih limova i grešaka blizu površine, te neravnina zadnje stijenke, koriste se ultrazvučne glave s dva vibratora: jedan šalje ultrazvučne valove, a drugi ih istovremeno prima. To su SE vibratori. mini|desno|300px|Ručno postavljanje SE vibratora.
Ultrazvučna kontrola kvalitete (kratica: UK) materijala zasniva se na svojstvu ultrazvuka da se širi kroz homogene materijale i da se odbija na granici materijala različitih akustičkih osobina (otpornosti), odnosno od nehomogenosti (grešaka) u materijalu. Od izvora ultrazvuka šire se ultrazvučni valovi kroz materijal koji se kontrolira. Ako u materijalu postoji greška, iza nje će, ovisno o vrsti greške, ultrazvučni valovi oslabiti ili se neće pojaviti (odbiju se od greške). "Metode nerazornih ispitivanja" www.fsb.unizg.hr, 2012.
Ultrazvuk je vrsta mehaničkih valova frekvencije 20 kHz do 10 GHz, a kod ispitivanja materijala najčešće se koriste frekvencije od 0,5 MHz do 10 MHz. Iako postoje različite tehnike ultrazvučnog ispitivanja, obično se u praksi koristi metoda impuls – odjek i metoda prozvučavanja, pri čemu se koriste ravne i/ili kutne ultrazvučne glave. Iako je ultrazvučna metoda posebno prikladna za otkrivanje grešaka tipa pukotina (ravninske ili planarne greške), ovom je metodom moguće detektirati i druge greške (uključke troske, plinske mjehuriće, mjehuriće u nizu).
Prednosti ove metode su: područje debljina ispitivanog predmeta je neograničeno, dovoljan je pristup predmetu kontrole samo s jedne strane, provođenje kontrole je bezopasno i ne zahtijeva zaštitna sredstva, osjetljivost metode je visoka, a pronalaženje pogrešaka jednostavno, metoda je relativno neosjetljiva na uvjete okoline (temperatura, vlaga).
Osnove ispitivanja ultrazvukom Ultrazvuk je zvuk s višim frekvencijama nego čujni zvuk. Kod čujnog zvuka broj titraja je ispod 16 000 titraja u sekundi, odnosno 16 kHz. To je granica između zvuka i ultrazvuka. Pod ultrazvukom se podrazumijeva mehaničko titranje s frekvencijom višom nego što je može čuti ljudsko uho. Zvučni valovi se šire pravocrtno i natraške (reflektiraju). U čujnom području se razlikuju titraji sinusnog tipa, a to su tonovi, i oni koji nisu sinusnog tipa, a to su šumovi. "Metode ispitivanja materijala bez razaranja" www.riteh.uniri.hr, 2012.
Materija je sastavljena od mnogo malih čestica koje su međusobno povezane silama (zamišljamo ih kao opruge), tako da se mogu gibati u svim pravcima oko prvobitnog položaja. Pomakne li se iz ravnoteže jedan od tih djelića materije, on se počinje gibati i predaje energiju susjednim djelićima. Energija se u materiji prenosi preko pojedinih čestica te materije. Broj titraja čestica materije u određenom vremenu govori da li se radi o čujnom ili o nečujnom zvuku. U prirodi postoje dva osnovna oblika valova: elektromagnetski val i zvučni (elastični) val. Osnovna razlika među njima je ta što za širenje elektromagnetskih valova nisu potrebne molekule (mediji), dok je za širenje zvučnih valova medij potreban. Čovjek čuje zvučne valove niskih frekvencija od 16 do 16 000 titraja u sekundi (Hz). To je područje čujnog zvuka. Ispod i ispod (infrazvuk) ovog područja postoje titraji koji podliježu istim fizikalnim zakonima kao i čujni zvuk.
Ultrazvuk Ultrazvuk počinje na gornjoj granici čujnog zvuka, iznad 16 kHz do 1010 Hz. Iznad 1010 Hz su titraji koji odgovaraju toplinskom titraju molekula u čvrstom tijelu. Elastični valovi su u svim područjima jednaki i razlika je u tome da li su čujni ili ne.
Ako se u elastičnoj sredini nalazi izvor titranja, ta se titranja prenose na susjedne čestice na određeni način i u određenom pravcu. Ti mehanički valovi mogu biti longitudinalni i transverzalni. Longitudinalni valovi nastaju ako se pokrenu čestice s površine, a pravac kretanja je okomit na površinu. Brzina longitudinalnih valova je konstantna za neki materijal i iznosi: 5 900 m/s za čelik, 1 480 m/s za vodu, 330 m/s za zrak i 6 300 m/s za aluminij.
Transverzalni val nastaje ako se čestice s površine iz ravnotežnog položaja pokrenu u smjeru površine. Brzina transverzalnog vala je 3 230 m/s za čelik, 0 m/s za vodu, 0 m/s za zrak i 3 130 m/s za aluminij. Valovi se kroz transverzalni medij gibaju u konstantnim razmacima, odnosno konstantnom duljinom transverzalnog vala. Kod longitudinalnih valova čestice titraju u pravcu širenja vala, a kod transverzalnih valova čestice titraju okomito na smjer širenja vala.
Nastajanje zvučnog vala Kod ultrazvučne kontrole metalnih materijala obično se koristi piezoelektrični efekt, dok se za dobivanje niskih frekvencija koristi magnetostricijski efekt. Piezoelektrični efekt nastaje kada se pločica kvarca sabije ili izduži nekom silom u određenom smjeru na njenu kristalografsku os, i tada se ona polarizira, to jest na površini kvarcne pločice stvorit će se električni naboj. Predznak električnog naboja ovisi o pravcu deformacije, a veličina od upotrebljene sile. Obrnuta pojava se javlja kada pod djelovanjem istosmjernog električnog polja kvarcna pločica promijeni svoju veličinu (duljinu i širinu). Ako se umjesto istosmjerne struje primijeni izmjenična struja, kvarcna pločica će titrati (vibrirati) u ritmu frekvencije izmjeničnog polja. Ova je pojava otkrivena 1899.
Odbijanje i prelamanje ultrazvuka na granici dva medija Na granici dva medija dolazi do odbijanja i prelamanja ultrazvučnog impulsa. Treba razlikovati dva slučaja jer ultrazvučni valovi u ispitivani materijal mogu dolaziti okomito ili pod određenim kutom (koso). Pri okomitom ulazu ultrazvučnog snopa u ispitivani materijal, na granici dva medija dolazi do djelomičnog odbijanja ultrazvučnih valova. Ako ultrazvučni val naiđe na neku grešku u materijalu (defekt), on ne prolazi kroz tu prepreku nego se odbija od nje. U slučaju da su te greške u materijalu manje, dio ultrazvučnog vala će proći, a dio će se odbiti natrag.
Ako ultrazvučni snop u ispitivani materijal ulazi pod nekim kutom (koso), na granici dva medija dolazi do pretvorbe (transformacije) vala. Pri tome nastaje više mogućnosti: oba vala mogu se odbiti, jedan se odbija a drugi prelama, te oba se prelamaju. U točki ulaza zvučnog snopa u ispitivani materijal nastaku i longitudinalni i transverzalni val, koji se iz te točke šire neovisno jedan od drugoga. Kako će se valovi odbiti, ovisi o upadnom kutu primarnog snopa, kao i o svojstvima medija na granici gdje se spajaju. Mijenjanjem ulaznog kuta može se postići da se longitudinalna komponenta u potpunosti ukloni i u materijalu se širi samo transverzalni val. To je praktično iskorišteno za izradu kutnog vibratora. Između ultrazvučnog vibratora i ispitivanog materijala postavlja se klin od elastičnog materijala pod određenim kutom. Tako se longitudinalni val odbija natrag u vibrator, a transverzalni val prodire u materijal pod određenim kutom. Ispitivanjima je utvrđeno da pod kutom: od 45º do 80º nastaju transverzalni valovi; od 0º do 35º nastaju longitudinalni valovi; od 35º do 45º nastaju i longitudinalni i transverzalni valovi.
Geometrija zvučnog polja Snop ultrazvučnih valova koji se dovode na ispitivani uzorak može biti uzak ili širok. Kod ulaska uskog snopa ultrazvučnih valova u ispitivani uzorak energija se koncentrira u uskom području u dužini koja se naziva bliže područje. Dalje energija divergira (raspršuje) pod nekim kutom i to se područje naziva udaljeno područje.
Metode ultrazvučne kontrole Ultrazvučna kontrola se zasniva na tri osnovne metode: metoda prozvučavanja, metoda odjeka i metoda rezonancije. “Ispitivanje materijala”, doc. dr. sc. Stoja Rešković, Metalurški fakultet Sveučilišta u Zagrebu, www.scribd.com/doc, 2010.
Metoda prozvučavanja Metoda prozvučavanja zasnovana je na pojavi upijanja (apsorpcije) ultrazvuka u unutrašnjim greškama (nehomogenostima) u materijalu. Ona je slična radiografskoj kontroli. Pomoću jedne ultrazvučne glave, ultrazvučni valovi se usmjeravaju u ispitivani uzorak, a na drugoj strani uzorka, drugom ultrazvučnom glavom se mjeri energija valova. Ako je uzorak homogen (bez greške), signal na prijemniku bit će jednak ulaznom signalu.
Ako se uzorak sastoji od dva različita materijala, onda će dio zvučne energije biti odbijen na granici ovih materijala. U tom slučaju prijemni instrument registrira signal manji od 100% ulaznog signala. Koliko manji ovisi o vrsti materijala, odnosno njegovom zvučnom otporu W. Ova metoda može otkriti samo krupne greške. Naročito je pogodna za otkrivanje slojevitih grešaka u tankim uzorcima, do debljine 50 mm.
Metoda odjeka Metoda odjeka se zasniva na pojavi odbijanja ultrazvuka od različitih nehomogenosti (grešaka u materijalu). Danas kod ove metode kao generator i prijamnik služi jedna ultrazvučna glava. Umjesto propuštenog dijela ultrazvučnog vala, mjeri se odbijeni (reflektirani) dio ultrazvučnog vala. Prijamnik prima reflektirane ultrazvučne valove i pokazuje ih kao proporcionalni signal na ekranu ultrazvučnog uredaja. Ovom metodom mogu se otkriti sljedeće greške: položaj i veličina raznih nehomogenosti u materijalu, područje u materijalu koje nije dobro toplinski obrađeno, kontrola zavarenih spojeva. U usporedbi s metodom prozvučavanja, ova je metoda puno osjetljivija. Smatra se da samo 5% zvučne energije odbije zbog nehomogenosti u materijalu. Nedostatak ove metode je tzv. “mrtva zona”. Na mjestu ulaska ultrazvuka u materijal, emitirani impulsi ne mogu biti tako male duljine da odmah otkriju greške u blizini ultrazvučnog vibratora (ultrazvučne glave). Korištenjem prigušivača ova zona se može znatno smanjiti da iznosi samo oko 5 mm. Prednost je da ova metoda može otkriti točan položaj greške u materijalu, na način da se mjeri vrijeme putovanja ultrazvučnog signala do i od mjesta refleksije ultrazvučnih valova. Da bi se ova metoda mogla upotrijebiti, potrebno je imati mjerni instrument, koji istovremeno pokazuje vrijeme i napon.
Metoda rezonancije Metoda rezonancije se zasniva na pojavi stojnih valova. Ultrazvučni valovi se odbijaju od zadnje stijenke i vraćaju u prijemni vibrator, pri čemu ti valovi interferiraju s dolazećim valovima. Ako je debljina materijala jednaka zbroju polovina valne duljine, nastaje stojni val, to jest postignuta je rezonancija. Ova metoda je pogodna za mjerenje debljine ispitivanog uzorka.
Uređaji za ultrazvučna ispitivanja Uređaji za ultrazvučna ispitivanja nazivaju se i defektoskopi. Dijelovi uređaja su: generator: koji daje kratke impulse za uzbuđivanje predajnog vibratora ultrazvučne glave, prijemnik i pojačalo: za prijem i pojačanje signala od vibratora, vremenska baza: koja na temelju vremena prodiranja impulsa u ispitivani materijal određuje dubinu greške u materijalu, sinkronizator: koji regulira vrijeme slanja impulsa, katodni osciloskop: koji registrira odjek.
Ultrazvučna glava