Ultraljud

Ultraljud har flera olika användningsområden, bland annat tjockleksmätning och felsökning med hjälp av konventionellt ultraljud eller Phased Array.

  • Tjockleksmätning används för att mäta tjocklek på olika material såsom metaller, kompositmaterial, gummi och plast.
  • Konventionellt ultraljud används för felsökning, det vill säga för att leta fel i material, fel såsom sprickor, hålrum och skador.
    Främst används tekniken för kontroll av svetsar.
  • Phased Array är en annan metod för felsökning som är snabbare och ger bättre penetration.




Tjockleksmätning




Konventionellt Ultraljud




Phased Array

Vad är ultraljud?

Ljudvågor, som finns överallt omkring oss, är helt enkelt organiserade mekaniska vibrationer som reser genom ett medium, vilket kan vara fast, flytande eller gas. Detta gäller både det vardagliga ljud som vi hör och ultraljud som används för feldetektering. Ljudvågor rör sig genom ett givet medium i en viss hastighet, i en förutsägbar riktning, och när de stöter på en gräns med ett annat medium kommer det att reflekteras enligt enkla regler. Detta är principen om fysiken som ligger bakom feldetektering med ultraljud. Kort sagt kommer ultraljudsvågor reflekteras från sprickor eller andra avbrott i ett material, så genom att övervaka mönstret av ekon kan en utbildad operatör identifiera och lokalisera dolda interna brister.

Alla ljudvågor svänger med en viss frekvens, vibrationer per sekund. Mänsklig hörsel sträcker sig till en maximal frekvens på omkring 20 000 cykler per sekund (20KHz), medan majoriteten av ultraljudstillämpningar vid feldetektering använder frekvenser mellan 500 000 och 10 000 000 cykler per sekund (500KHz till 10MHz). Vid frekvenser i megahertz kan inte ljudenergi resa effektivt genom luft eller andra gaser, men det rör sig fritt genom de flesta vätskor och andra vanliga konstruktionsmaterial som de flesta metaller, plaster, keramik och kompositmaterial. Ljudvågor i ultraljudsområdet är mycket mer riktade än hörbart ljud, och på grund av deras korta våglängder är de också mycket mer känsliga för små reflektorer som ligger i deras väg.

Hastigheten på en ljudvåg varierar beroende på det medium genom vilken den färdas samt påverkas av mediets densitet och elastiska egenskaper. Olika typer av ljudvågor rör sig med olika hastighet.

Sökare

De ultraljudsvågor som används för feldetektering alstras och tas emot av små prober kallade ultraljudssökare, som omvandlar elektriska pulser till ljudvågor och ljudvågor till elektrisk energi. Givare för feldetektering finns i en mängd olika storlekar, frekvenser och höljen, men de flesta har en gemensam inre struktur.

Typiskt är det aktiva elementet, en tunn kvadrat eller rektangel av piezoelektrisk keramik eller piezokomposit som utför omvandlingen av elektrisk energi till mekanisk energi (ultraljudsvibrationer), och vice versa. När den exciteras av en elektrisk puls  genererar den ljudvågor, och när den vibreras av återvändande ekon genererar den en spänning. Det aktiva elementetet, som ofta kallas kristallen, skyddas från skada genom en slitplatta eller akustisk lins, och backas upp av dämpmaterial som tystar givaren efter att en ljudpuls har genererats.

Alla vanliga sökare utnyttjar denna grundläggande design förutom dubbelkristallssökare, som vanligen användes i korrosionsapplikationer. Dessa skiljer sig åt från övriga sökare genom att ha separata sändnings- och mottagningselement vilka är åtskilda av en ljudbarriär och en integrerad fördröjningsledning.

Vågutbredning

Ljudenergin som används vid feldetektering färdas i olika vågtyper beroende på riktningen av vågen och den motsvarande rörelsen av molekylerna i provstycket. De vanligaste vågtyperna är longitudinella vågor, skjuvvågor och ytvågor.

Longitudinella vågor:
I en longitudinell våg är riktningen för vågen parallell med partikelrörelsen i materialet. Longitudinella vågor färdas snabbast av de vågtyper som vanligen används, cirka 5900 m/s i stål.

Skjuvvågor:
I en skjuvvåg är partikelrörelsen vinkelrät mot vågriktningen. Skjuvvågor har en långsammare hastighet och kortare våglängd än longitudinella vågor med samma frekvens och används oftast vid vinkelsökning. En typisk skjuvvågshastighet i stål är ca 3250 m/s. Skjuvvågor kan endast existera i fasta ämnen, inte i vätskor eller gaser.

Ytvågor:
Ytvågor, även kända som Rayleigh-vågor, utgör en oscillerande rörelse som färdas längs ytan på ett provstycke till ett djup av en våglängd. Hastighet och våglängd liknar skjuvvågor. Havsvågor är ett exempel på ytvågor. Ytvågor kan användas för att detektera ytbrytande sprickor i ett provstycke.

Strålkaraktäristik

Konventionella singelkristallssökare med longitudinella vågor fungerar ungefär som en kolv av högfrekventa mekaniska vibrationer, eller ljudvågor. När spänning appliceras deformeras det piezoelektriska elementet (kallas ofta kristall) genom att komprimeras i riktning vinkelrätt mot dess yta. När spänningen avlägsnas, vanligtvis mindre än en mikrosekund senare, fjädrar elementet tillbaka och skapar då den puls av mekanisk energi som innefattar en ultraljudsvåg.

Givare av den typ som oftast används för ultraljud (NDT) kommer att ha dessa grundläggande funktionella egenskaper:

Typ:
Omvandlaren identifieras efter funktionen den har, såsom en kontakt-, fördröjningslednings-, vinkelstråle-, eller immersionstyp. Materialegenskaper såsom ytjämnhet, temperatur, tillgänglighet, defektens position i materialet men även inspektionshastigheten kommer också påverka valet av sökare.
 
Diameter:
Diametern hos det aktiva sökarelementet, som normalt är inrymt i ett något större hölje.

Frekvens:
Antalet cykler per sekund, normalt uttryckt i megahertz (MHz). Den mesta industriella ultraljudsprovningen utförs i frekvensområdet 500 kHz till 20 MHz. Vanligtvis gäller att penetrationen ökar med lägre frekvens, medan upplösningen och skärpan ökar med högre frekvens.

Bandbredd:
Den del av frekvensresponsen som faller inom den specificerade amplitudgränsen. I detta sammanhang bör det noteras att typiska OFP-sökare inte genererar ljudvågor på en enda ren frekvens, utan snarare över ett frekvensområde centrerat vid märkfrekvensen. Branschstandard är att ange denna bandbredd vid -6dB (eller halv amplitud).

Varaktighet:
Antalet vågcykler som genereras av sökaren varje gång den pulsar. En sökare med smal bandbredd har fler cykler än en sökare med större  bandbredd. Elementets diameter, dämpningsmaterialet, den elektriska inställningen och exciteringsmetoden påverkar vågens varaktighet.

Känslighet:
Förhållandet mellan amplituden hos exciteringspulsen och den hos ekot som mottas från ett utsett mål. Som en fungerande approximation är strålen från en typisk ofokuserad disksökare ofta som en kolumn av energi som härrör från det aktiva elementets område som expanderar i diameter och så småningom försvinner.

I själva verket är den verkliga strålprofilen komplex, med tryckgradienter i både tvärgående och axiella riktningar. 

Ljudfältet hos en sökare är uppdelad i två zoner, närfältet och fjärrfältet. Närfältet är den region närmast sökaren där ljudtrycket går genom en serie av maximmum och minimum, och det slutar vid den sista maximum vid avstånd N från själva sökaren.

Fjärrfältet är regionen utanför närfältet där ljudtrycket gradvis sjunker till noll till följd av att stråldiametern expanderar och dess energi skingras. Närfältsavståndet är en funktion av givarens frekvens, diameter och ljudhastigheten i testmediet.

Strålspridning

I princip kommer den ljudvåg som alstras av en sökare att färdas i en rak linje tills den stöter på en materialgräns. Om ljudets banlängd är längre än närområdet avstånd, kommer strålen också att öka i diameter, divergerande som strålen från en spotlight. 

Eftersom en stor spridningsvinkel kan orsaka att ljudenergin per ytenhet snabbt minskar med avståndet kan en högre frekvens och/eller sökare med större diameter vara att föredra för att få bättre resultat.

Sökarval

I många fall kommer den typ av givare som används i en viss provning bestämmas av etablerade kontrollkoder eller processkrav som inspektören måste följa. Om det inte finns någon kod eller något förfarande måste inspektören välja en lämplig sökare utifrån de specifika testkraven samt med hjälp av hans eller hennes kunskap om gemensamma testpraxis och allmän ultraljudsteori. I vissa fall kommer detta att innebära experiment med flera olika typer av givare på referensstandarder som företräder den del som skall testas för att fastställa vilket som ger bäst respons.
Sökarna som används för feldetektering faller i allmänhet in i fem kategorier:

  1. Kontaktsökare
  2. Vinkelsökare
  3. Sökare med förloppssträcka (kil)
  4. Dubbelkristallsökare
  5. Immersionssökare
Läs mer om sökare och tillbehör här

När en sökartyp har valts, påverkar andra viktiga faktorer prestandan. Dessa är frekvens, diameter, och bandbredd.

Frekvens:
Sökare med högre frekvens kan upptäcka mindre defekter på grund av sin kortare våglängd, medan sökare med lägre frekvens tränger längre in ett visst material eftersom dämpningen minskar med frekvensen.

Diameter:
Sökare med större diameter kan scanna ett visst område snabbare, medan sökare med mindre diameter ger ett bättre svar på små reflektorer och kopplar mer effektivt i krökta ytor.

Bandbredd:
Sökare med smal bandbredd har ett större genomslag men sämre upplösning nära ytan, medan sökare med bred bandbredd har bättre upplösning nära ytan men sämre penetration.

Inspektioner

Raksökning:
Raksökning används i allmänhet för att hitta sprickor eller delamineringar parallellt med ytan av ett provstycke samt hålrum och porositet. Vid sökningen kan man använda kontakt-, fördröjningslednings-, dubbelkristall- eller immerssionssökare. Alla dessa använder longitudinella vågor i en rät linje in i materialet. Vanliga applikationer är testplattor, stänger, smide och gjutgods samt bultar och upphängningsstift och liknande delar som kan gå av parallellt med en tillgänglig yta.

Liksom alla andra feldetekteringsmetoder utnyttjar raksökning den grundläggande principen att ljudenergi som färdas genom ett medium kommer att fortsätta att propagera tills det antingen dispergerar eller reflekteras av en gräns med annat material, såsom gapet skapat av en spricka eller liknande diskontinuitet. I denna typ av sökning kopplar operatören sökaren till materialet och identifierar ekot från den bortre väggen (botteneko) liksom eventuella fasta reflektioner som härrör från geometriska strukturer, såsom spår eller flänsar. Efter att ha fått fram det karaktäristiska mönstret av ekon som härrör från en frisk del av materialet kan operatören finna ytterligare ekon som visas framför bottenekot i ett material. Ett akustiskt signifikant eko som föregår bottenekot antyder på laminär spricka eller hålrum. Genom ytterligare analys kan djupet, storlek och formen på hålrummet bestämmas.

Vinkelsökning: 
Medan raksökningstekniker kan vara mycket effektiva på att finna laminära brister är de inte effektiva vid provning på vanliga svetsar, där diskontinuiteter sällan är orienterade parallellt med ytan. Kombinationen av svetsgeometrin, orienteringen av defekter, och närvaron av svetskronan eller strängen krävs en inspektion från sidan av svetsen med användning av en stråle som genereras vid en vinkel. Vinkelsökning är den i särklass mest använda tekniken vid felsökning.

Vinkelsökare består av en sökare och en kil, som kan vara separata delar eller inbyggda i ett enda hölje. De använder principen för refraktion och vågomvandling vid en gräns för att producera skjuv- eller longitudinella vågor i ett material.

Vanligast används vinkelsökare med standardiserade vinklar av 45, 60 eller 70 grader i testmaterialet. Infallsvinkeln som krävs för att åstadkomma den önskade brutna vinkeln baseras på materialljudhastigheter och beräknas från Snells lag.

I de typiska fallen när plast eller epoxykilar kopplas till stål, kommer låga infallsvinklar generera både skjuv- och longitudinella vågor. Det finns specialiserade vinkelsökare för longitudinella vågor men normalt sett används primärt skjuvvågor.

I typiska inspektioner kommer ljudet förflytta sig längs den genererade vinkeln ner till botten av materialet och sedan reflektera uppåt längs samma vinkel. Förflyttning av sökaren fram och tillbaka gör att ljudstrålen sveper över hela höjden av en svets. Denna sveprörelse möjliggör inspektion av hela svetsvolymen och detektering av diskontinuiteter både på fusionslinjer och inom svetskroppen.

Precis som i fallet med raksökning letar operatören efter reflektioner motsvarande diskontinuiteter. Under den första kalibreringen måste operatören notera eventuella ekon som kommer från svetssträngen eller andra geometriska strukturer. Ytterligare ekon som förekommer inom zonen som representerar svetsen skulle i så fall motsvara en brist på fusion, sprickor, porositet eller andra diskontinuiteter vars typ, djup och storlek kan fastställas genom ytterligare analys.

Storleksbestämning

Att storleksbestämma defekter är lite det som utmärker just felsökning. Det går att göra på lite olika sätt och dessa presenteras nedan.

DAC och TVG
En avstånds-amplitudkorrigering (Distance amplitude correction - DAC) används för att plotta variationen i amplitud mellan reflektorer av samma storlek, på olika avstånd från sökaren. Sådana reflektorer producerar ekon vars amplitud i fjärrfältet vanligtvis avtar med avståndet. En DAC-kurva kompenserar grafiskt för materialets dämpning, närområdets effekter, och ljudets spridning.  Vid en DAC-kalibrering kommer ekoamplituden från reflektorer av samma storlek oavsett djup eller avstånd att matcha DAC-kurvans höjd. På liknande sätt kommer reflektorer större eller mindre än de som används för kalibrering producera ekon respektive över eller under kurvan.

Tidsvarierat Gain (TVG) är en besläktad form av kompensering för samma akustiska faktorer som DAC. Istället för att dra en kurva över skärmen som följer referensreflektortopparna nedåt allt eftersom ljudet dämpas ökar istället TVG förstärkningen som en funktion av tiden. Detta för att få alla referensekon på samma höjd, normalt runt 80% av bildskärmshöjden. Det är viktigt att notera att när TVG används varierar instrumentförstärkningen över skärmen även om ett enda förstärkningsvärde är presenterat.

DGS/AVG
DGS är en annan typ av storleksbestämningsteknik som hänför sig till amplituden av ekot från en reflektor i form av ett flatbottenhål vid samma djup eller avstånd. Detta kallas "motsvarande reflektorstorlek" (Equivalent Reflector Size) eller ERS. DGS är en akronym för Distance/Gain/Size (Avstånd/Förstärkning/Storlek) och är också känd som AVG från sitt tyska namn, Abstand/Verstarkung/Grosse. Traditionellt innebar denna teknik att man manuellt jämför ekoamplituder med tryckta kurvor. Idag kan instrumenten rita kurvorna efter en kalibreringsrutin och automatiskt beräkna ERS av ett eko.

I dagens digitala instrument ritas vanligtvis kurvorna baserat på en referenskalibrering av ett känt mål såsom ett botteneko eller ett flatbottenhål vid ett givet djup. Från en kalibreringspunkt kan en hel kurvuppsättning dras baserat på sökare och materialegenskaper. I stället för att rita hela kurvan kommer instrumentet typiskt visa en kurva baserad på en vald reflektorstorlek som kan justeras av användaren.