موضوع مقاله: آزمون انتشار امواج صوتی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # آزمون انتشار امواج صوتی | مقدمه: منظور از نشر صوت، تولید امواج الاستیکی (مکانیکی) ناشی از تغییر ناگهانی تنش درون ماده است. | ## بخش 1: آزمون انتشار امواج صوتی | نشر صوت مربوط به تولید امواج الاستیکی همزمان با آزاد یا رها شدن سریع انرژی کرنشی در ماده می‌باشد. امواج صوتی تولید شده در روش AE در کنترل کیفیت، بررسی سلامت سازه،کنترل فرایند و… حائز اهمیت می‌باشند. از این تست در پروژه‌های تحقیقاتی(آزمایش کشش، آزمایش مکانیک شکست و …) و پروژه‌های صنعتی (بازرسی جوش، بررسی ترک‌ها در پل‌ها و…) استفاده می‌شود. از نظر تاریخی، این پدیده اولین بار توسط دانشمند ایرانی جابرابن حیان در قرن سوم هجری قمری کشف شد. در یادداشت‌های این دانشمند به صدایی اشاره شده است که در اثر کار کردن بر روی قلع ایجاد می‌شود. بعدها این صدا تحت عنوان فریاد قلع معروف گردید که ناشی از تشکیل دوقلویی در تغییر شکل پلاستیک قلع است. مقایسه با سایر آزمون‌های غیر مخرب روش نشر امواج صوتی دو تفاوت عمده با سایر آزمون‌های غیر مخرب دارد. به‌طور مثال در آزمون غیرمخرب فراصوت، امواج فراصوت توسط یک فرستنده به قطعه فرستاده می‌شوند و امواج بازگشتی مورد بررسی قرار می‌گیرند، اما در روش نشر صوت، موج صوت تولید شده توسط منبعی درون قطعه، مورد تجزیه و تحلیل توسط کامپیوتر قرار می‌گیرد. تفاوت دوم این روش با روش‌های دیگر پویا بودن آن است، در این روش تغییراتی که درون ماده در حال شکل‌گیری هستند (مانند رشد ترک)، به صورت آنی قابل مطالعه هستند، از طرفی می‌دانیم که ترکی که هنوز رشد نکرده است با ترک نهایی بسیار متفاوت است و در این مرحله می‌توان اقداماتی جهت جلوگیری از رشد آن انجام داد. البته باید توجه داشت که برخی از ترک‌ها، امواج صوتی قابل تشخیص ایجاد نمی‌کنند و ممکن است تا پایان رشد شناسایی نشوند. تفاوت سوم این است که در این روش سنسورها به راحتی به روی قطعه قرار می‌گیرند و نیازی به تمیز کردن قطعه و… نیست. در روش آزمون نشر صوت می‌توان به صورت کیفی متوجه وجود عیب و شناسایی محل آن شد، اما برای به دست آوردن اطلاعات کمی دربارهٔ عیب (همانند سایز، عمق و…)نیاز است تا یک روش غیر مخرب دیگر (معمولا آزمون فراصوت) در کنار این روش پیاده‌سازی شود. یکی دیگر از معایب این روش ظاهر شدن سیگنال‌های مزاحم ناشی از سر و صدای محیط اطراف(Noise) است. امواج طولی می‌توانند در جامدات، مایعات و گازها منتقل شوند، در صورتی که این نکته برای حالات دیگر موج‌های صوتی صادق نیست. شناسایی مکان منبع موج صوتی به کمک زمان طی شده توسط موج صوت درون ماده تا حسگر امکان‌پذیر است. برای محاسبه مسافت طی شده به سرعت صوت درون ماده نیاز داریم که سرعت صوت خود تابع نوع موج می‌باشد. امواج صفحه ای (Lamb waves) در صورتی که ماده ای تحت تأثیر موج سطحی قرار بگیرد و ضخامت ماده به اندازه ۳ برابر طول موج صوت یا کم‌تر باشد، موج صوت از کل جسم عبور می‌کند. 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. زمانی می‌توان بیشترین مقدار قابل تشخیص موج صوت را انتظار داشت که قطعه دچار تغییر شکل پلاستیک شود. | ## بخش 2: آزمون انتشار امواج صوتی | در مقیاس میکروسکوپی زمانی که تغییر شکل پلاستیک اتفاق می‌افتد، لایه‌های اتمی در اثر حرکت نابجایی‌ها بر روی یکدیگر سر می‌خورند. زمانی که ترکی در فلز وجود داشته باشد، میزان تنش در نوک ترک بسیار بیشتر از نواحی اطراف ترک می‌باشد(پدیده تمرکز تنش)، بنابراین با استفاده از روش نشر امواج صوتی می‌توان متوجه شد که ماده در نوک ترک در حال تغییر شکل پلاستیک می‌باشد و از این رو می‌توان متوجه رشد ترک شد و در صورت لزوم از این مسئله پیشگیری کرد. تشکیل دوقلویی‌ها در برخی از مواد مکانیزم تغییر شکل پلاستیک به جای لغزش نابجایی‌ها، تشکیل دوقلویی‌ها است. در صورتی که صفحه لغزش مناسب(بردار برگرز کوچک وde spacing بزرگ) وجود نداشته باشد، مکانیزم تشکیل دوقلویی‌ها فعال می‌شود، باید توجه داشت که تشکیل دوقلویی‌ها ناشی از نفوذ نیست و در نتیجه به دما وابسته نمی‌باشد، تشکیل دوقلویی‌ها یک پدیده هندسی است. ترک‌های ناشی از خستگی ذوب استحاله فازی این پدیده در فرایند جوشکاری بیشتر اتفاق می‌افتد، چرا که با افزایش دما امکان استحاله آلوتروپی و تغییر فاز، افزایش می‌یابد. در چنین حالتی تغییر حجم قابل توجه ای در ماده صورت می‌گیرد (این مسئله با تست دیلاتومتری قابل مشاهده می‌باشد) شکست و جدایش زمینه و الیاف تقویت کننده در کامپوزیت‌ها نشر صوت هم چنین در پلیمرها، بتن، چوب و برخی از مواد دیگر نیز مشاهده شده است. شناسایی و تحلیل امواج صوتی به دست آمده، اطلاعات ارزشمندی دربارهٔ منشأ عیب و تأثیر آن بر روی قطعه را در اختیار بازرسان قرار می‌دهد. نویز معمولاً میزان حساسیت آزمون نشر امواج صوتی به وسیله نویز موجود در محیط اطراف قطعه مورد بررسی، تحت تأثیر قرار می‌گیرد. نویزهای الکترومغناطیسی نویزهای هیدرولیکی نویزهای ناشی از شرایط محیطی (باد، باران و …) حذف نویزها بخش بسیار مهمی در روش نشر امواج صوتی می‌باشد و صحت نتایج نهایی وابسته به این کار است. در صورتی که سیگنال صوت از آستانه تحریک فراتر برود، در کامپیوتر ثبت می‌شود ولی نویزها دریافت نمی‌شوند. تضعیف امواج صوتی شدت موج صوتی که توسط حسگر دریافت می‌شود به‌طور 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 ۲ برابر می‌شود، شدت موج ۳۰٪ کاهش پیدا می‌کند. وجود ناپیوستگی ها (همانند مرزدانه‌ها، دوقلویی‌ها، ناخالصی‌ها و…)سبب منحرف شدن موج صوتی می‌شوند.اندازه‌گیری تأثیر تضعیف بر روی امواج صوتی به وسیله دستگاهی تحت عنوان "Hsu-Nielsen Source" امکان‌پذیر است. معمولاً این تجهیزات شامل حسگر، پیش تقویت کننده، فیلتر (به منظور حذف نویزها)، تقویت کننده اصلی، تجهیزات ذخیره‌سازی اطلاعات، صفحه نمایشگر، ولت‌متر و… می‌باشد. همان‌طور که اشاره شد، آزمون نشر امواج صوتی به تغییرات دینامیکی قطعه، پاسخ می‌دهد. در موادی که تضعیف صوت شدید می‌باشد (همانند کامپوزیت‌های پلاستیکی) از فرکانس‌های پایین‌تر استفاده می‌شود. در شرایط ایده‌آل،انتظار داریم تا امواج صوت را بدون نویز برروی صفحه نمایش ببینیم اما چنین چیزی در واقعیت اتفاق نمی‌افتد. هر چند حسگرها و فیلترها به گونه ای طراحی می‌شوند تا جای ممکن سیگنال‌های ناخواسته حذف شوند. سپس نویزها توسط فیلترها (فیلترهای بالا گذار، پایین گذار یا میان گذر) از سیگنال تقویت شده حذف می‌شوند. | ## بخش 3: آزمون انتشار امواج صوتی | سیگنال بدون نویز وارد تقویت کننده اصلی شده و پس از گذار از این مرحله به واحد اندازه‌گیری و تحلیل ارسال می‌شود. آزمون نشر امواج صوتی می‌تواند به صورت تک کاناله (استفاده از یک مبدل) یا چندکاناله (استفاده از چند مبدل) صورت بگیرد. در این آزمون، حسگر به وسیله چسب یا با استفاده از روش‌های دیگر به خوبی به سطح قطعه مورد بررسی متصل می‌شود. مهم‌ترین ویژگی‌های سیگنال‌ها که مورد مطالعه قرار می‌گیرند عبارتند از: دامنه(Amplitude) بیشترین ولتاژ اندازه‌گیری شده در یک موج، به اسم دامنه شناخته می‌شود. این پارامتر در آزمون انتشار امواج صوتی بسیار حائز اهمیت می‌باشد، چرا که میزان قابلیت تشخیص سیگنال را مشخص می‌نماید. سیگنال‌هایی 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 سیگنال‌های ناخواسته همانند نویزها، تعریف می‌شود. زمان جهش(Rise time) به مدت زمان بین اولین باری که سیگنال بیشتر از آستانه تحریک می‌شود و زمانی که به حداکثر مقدار خود می‌رسد، زمان جهش گفته می‌شود. زمان استمرار(Duration) به مدت زمان بین اولین و آخرین باری که سیگنال بیشتر از آستانه تحریک شود، زمان استمرار گفته می‌شود. واحد این پارامتر میکروثانیه بوده و به بزرگی منبع تولید موج صوت و خواص ماده وابسته می‌باشد. این فاکتور نیز معیاری برای فیلتر کردن نویزها و شناسایی نوع منبع ایجاد موج صوت می‌باشد. شمارش پالس ها(N) به تعداد پالس‌هایی که از آستانه تحریک فراتر می‌روند، تعداد پالس گفته می‌شود. با ترکیب کردن این معیار با معیارهای دیگر همچون زمان استمرار یا دامنه، می‌توان اطلاعات کیفی راجع به شکل سیگنال به دست آورد. نواحی اندازه‌گیری شده تحت پوشش سیگنال اصلاح شده(Mars) برای به دست آوردن این معیار، ابتدا مقدار حداکثر پالس‌ها به صورت خطی به هم وصل می‌شوند و سپس مساحت زیر نمودار جدید محاسبه می‌گردد. این معیار گاهی تحت عنوان «شمارش‌های انرژی» شناخته می‌شود.MARS به زمان استمرار و دامنه سیگنال مرتبط است اما مستقل از آستانه تحریک می‌باشد. مزایا و محدودیت‌های روش انتشار امواج صوتی مزایا قابلیت تشخیص عیوب قبل از اینکه به مشکل جدی تبدیل بشوند قابلیت انجام حین فرایند تولید یا توسعه محصول بازرسی قطعه به صورت کامل (بازرسی حجمی) بررسی قطعات تحت شرایط کاری واقعی روش غیر مخرب قابل استفاده در محیط‌های خطرناک (شرایط کاری دما بالا، فشار بالا، محیط‌های خورنده) قابل انجام دادن از راه دور شناسایی عیوبی که با روش‌های معمولی به سختی قابل دسترسی هستند. (عیوبی که حرکت یا رشد نمی‌کنند) کابردها کاربردهای روش نشر امواج صوتی: سازه‌های بتنی (پل‌ها و ساختمان‌ها و…) سازه‌های فلزی (مخازن تحت فشار، لوله‌ها، سیم‌های فولادی، ساختار هواپیما و…) سازه‌های کامپوزیتی (شاسی برخی از ماشین‌های مسابقه ای و…) اجسام دوار، به منظور تشخیص زودهنگام سایش در جعبه دنده و یاتاقان‌ها شناسایی نشت در لوله‌ها و سیستم‌های فشار نظارت بر فرایند جوشکاری: در فرایند جوشکاری تغییرات دما سبب ایجاد تنش بین ماده جوش و فلز زمینه می‌شود. در برخی از موارد عملیات حرارتی امکان‌پذیر نمی‌باشد و ترک‌های ریزی بر روی قطعه ظاهر می‌شوند. | ## جمع‌بندی | با نصب حسگر مناسب، ترک ایجاد شده به سرعت شناسایی می‌شود و می‌توان جلوی مشکلات احتمالی را گرفت.