פליטה אקוסטית

פליטה אקוסטית (באנגלית: Acoustic Emission) היא תופעה פיזיקלית של פליטת קול עקב דפורמציה או התפתחות שבר בחומר. מקורות פליטה אקוסטית בחומרים מבניים (מתכות, חומרים מרוכבים, עץ) הם פגמים מקרוסקופיים או מיקרוסקופיים שונים, כגון סדקים, אי-רציפויות, חללים ותכלילים של חומרים זרים אשר מתפתחים בגוף השרוי בתנאי מאמץ על ידי כוח חיצוני משתנה או קבוע, לחץ פנימי או שינוי טמפרטורה. מקורות נוספים של פליטה אקוסטית יכולים להיווצר בזמן שינויים מבניים בחומר. תהליך התפתחות הפגמים מלווה בשחרור אנרגיה בצורה של גלי מתח (stress waves) אשר מתפזרים בתוך החומר. טווח התדרים של הפליטה אקוסטית נע בין 20 KHz -1 MHz. שיטת בדיקה לא הרסנית המתבססת על תופעת הפליטה האקוסטית נקראת שיטת פליטה אקוסטית. השיטה מאפשרת זיהוי ומיקום (איור 1) של מקורות הגורמים לפליטה אקוסטית בחומר על ידי חיישנים פיזואלקטריים. טכנולוגיות מתקדמות מאפשרות זיהוי סוג הפגם והערכת רמת סיכונו. ההיסטוריה של הפליטה האקוסטית מתחילה למעשה מתקופת האדם הקדמון. כבר בתקופה זאת, הקדמונים הבחינו והשתמשו בקולות שנשמעו במהלך שבירתם של אבנים, עץ או חרסינה. כך למשל במהלך הכנת כלי החרס, פליטת הקול ממנו סייעה בשליטת קצב קירורה, כל זאת על מנת לקבל כלי חרס איכותיים ללא סדקים. התצפית והרישום הראשונים של התופעה, נעשו על בדיל, בידי ג'אבר בן חיאן, אלכימאי ערבי מהמאה השמינית לספירה. עם זאת, מחקרים מדעיים של התופעה בחומרים הנדסיים שונים בוצעו רק בתחילת המאה העשרים וקיבלו תאוצה בשנות ה-50 וה- 60 של מאה זו עם פיתוח יישומים הנדסיים של פליטה אקוסטית כשיטת בדיקה בלתי הורסת (בל"ה). בעקבות המחקרים, התגלה שניתן לזהות ולנתח את אותות הפליטה האקוסטית, אשר מספקות מידע אודות הפגם ומקורו בחומר ולכן ניתן להשתמש בתופעת הפליטה האקוסטית על מנת לבצע בל"ה. בשנות ה-60 המאוחרות, הוקמה חברה ראשונה שהציעה בל"ה על בסיס פליטה אקוסטית. היום קיים מגוון רחב של יישומיים תעשייתיים של בדיקות בעזרת פליטה אקוסטית כגון: בדיקות מכלי לחץ עשויים ממתכת או חומרים מרוכבים, צנרת, בקרת איכות ריתוכים, בדיקות מבני בטון ובטון מזוין כמו גשרים ומנהרות. יתר על כן, באמצעות פליטה אקוסטית ניתן ללמוד על תכונות שונות של חומרים. השיטה מיושמת גם בתעשיות התעופה, החלל והים. קיימים גם תחומים נוספים כמו רפואה, בהם השימוש בשיטה עדיין בשלבי פיתוח. דוגמה ליישום מעולם הרפואה הוא בדיקת התאמתם של שתלים אורתופדיים לתנאי העבודה בסביבות עוינות. בשנים האחרונות ישנם עבודות החוקרות קצבי תגובות כימיות באמצעות פליטה אקוסטית. נוסף לזיהוי פגמים אופייניים כמו שבר התעייפות, קורוזיית מאמצים וסדקים שונים ניתן לזהות באמצעות פליטה אקוסטית תקלות בשסתומים, במערכות מכניות ווכן נזילות בצנרות ובמכלים. תחום המחקר והפיתוח של שיטת הפליטה האקוסטית מתמקד כיום בחקר תכונות החומרים ולימוד התנהגותם בתנאים סביבתיים קשים ותחת מאמצים שונים. הפליטה האקוסטית ייחודית מבין שיטות בל"ה בשני היבטים עיקריים: הבדיקה מגלה תהליכים דינמיים בחומר עקב התפתחות שבר או דפורמציה או שינוי מבני בחומר ובכך למשל ניתן להבדיל בין פגמים מתפתחים או סטטיים. בדיקה בעזרת פליטה אקוסטית נעשית בדרך כלל בתנאי עבודה רגילים של המבנה עם מספר מצומצם של חיישנים אשר בודקים את כלל המבנה בו זמנית. הציוד הבסיסי למדידת פליטה אקוסטית מורכב ממספר פריטים: חיישן פיאזואלקטרי הממיר זעזוע מכני על פני המבנה לאות חשמלי. החיישן מורכב מגוף מתכתי עם אלמנט קרמי פיאזואלקטרי (איור 2א'). מגבר שתפקידו להגביר את האות החשמלי שמתקבל מהחיישן הפייזואלקטרי. המגבר יכול להיות כיחידה נפרדת (איור 3) או מותקן בגוף החיישן (איור 2ב'). כרטיס מחשב לקליטה, מספור ועיבוד אותות. כבלים לחיבור כל חלקי המערכת. במהלך ביצוע המדידה התכונות המאפיינות את הגל\ים הנפלט\ים כגון: אמפליטודה, אנרגיה, משך האירוע, ספירות, תדר ממוצע וכו' (איור 4), מחושבות באמצעות כרטיס ותוכנה ייעודיים ונשמרות בתוך קובץ במחשב. באמצעות שיטת הפליטה האקוסטית ניתן למקם את האזורים בהם ישנה פעילות אקוסטית עקב התפתחות הפגמים. לצורך כך פותחו מספר שיטות מיקום כאשר שימוש בשיטה זו או אחרת תלוי בגאומטריית הגוף הנבדק וברמת הדיוק הנדרשת. שיטות המיקום המתבססות על שלושה עקרונות עיקריים: חישוב הפרשי זמנים בין הגעת האותות לחיישנים. קרוס קורלציה בין האותות המתקבלים. מיקום אזורי – החיישן בעל האמפליטודה או האנרגיה הגבוהה ביותר הוא הקרוב ביותר למקור האירוע. המיקום הליניארי הוא דוגמה לשימוש הנפוץ ביותר במיקום בשיטת הבדלי זמן. השיטה מבוססת על הבדלי זמן בין הגעת האותות המתקבלים בשני חיישנים סמוכים למקור ומיושמת בדרך כלל למציאת מיקום פגמים בצינורות (איור 4). חישוב המרחק מתבצע באמצעות הנוסחה הבאה: d = 1 2 ( D − Δ T ⋅ V ) {\displaystyle d={\frac {1}{2}}{(D-\Delta T\cdot V)}} כאשר: d- מרחק בין המקור לגלאי הקרוב יותר. D- מרחק בין גלאים. V- מהירות קול בחומר. לשיטה יש מספר רב של יתרונות ייחודיים, ובכללם: זיהוי מוקדם של פגמים וסדקים בשלבי התפתחות. רגישות גבוהה (יכולת זיהוי של פגמים מיקרוסקופיים). ניתן להבדיל בין פגם מתפתח לפגם יציב. יכולת ביצוע בדיקה בתנאי עבודה אמתיים ובזמן אמת. אין צורך בסריקה של כל פני שטח החלק הנבדק. התקנה פשוטה ללא צורך בהסרת אזורים גדולים של בידודים או הכנות פני שטח מיוחדות. יכולת מיקום מדויק של אזורים פגומים. על ידי פענוח תוצאות ניתן לדעת את סוג הפגם ורמת חומרתו. הבדיקה נעשית בתנאי מאמץ רגילים של המבנה. פענוח נתונים מורכב ודורש מומחיות ומיומנות גבוהה. הגדרת סוג הפגם ורמת הסיכון נעשות על ידי שיטות פענוח מתקדמות. הערכת מיקום פחות מדויקת בהשוואה לשיטות מקומיות אקטיביות. הטעות האופיינית יכולה להיות כ-5-10% מהמרחק בין החיישנים. מספר ארגונים בינלאומיים העוסקים בתחום פליטה אקוסטית הולך וגדל עם הזמן. בין התפקידים החשובים של ארגונים אלה הם חקר והפצה של השיטה. בין הגופים הגדולים נמנים: Acoustic Emission Working Group (AEWG) USA Japanese Committee on Acoustic Emission (JCAE) European Working Group on Acoustic Emission (EWGAE) במהלך השנים עם צבירת ניסיון ושימוש רב בשיטה נוצר צורך בקביעת תקנים המגדירים את תהליך הבדיקה, שיטת הפענוח, ודרישות לצוות המבצע. מספר תקנים הקשורים בבדיקות בל"ה המבוססות על פליטה אקוסטית הוא כמספר התקנים של השיטות האחרות כמו בדיקת אולטרה סאונד או בדיקת חלקיקים מגנטיים. ישנם גופים רבים במדינות שונות המפתחים סטנדרטים לביצוע בדיקות של מבנים שונים. התקנים מתייחסים לנושאים כמו: מעקב אחרי תקינות ציוד הבדיקה. שיטות לכיול הציוד. קביעת נהלים לביצוע בדיקות למבנים שונים . הגופים הגדולים האחראיים על הוצאת התקנים הם: ASME - American Society of Mechanical Engineers, www.asme.org ASTM - American Society for Testing and Materials, www.astm.org ANST - American Society for Nondestructive Testing, www.asnt.org International Organization for Standardization, www.iso.org להלן רשימה חלקית של תקנים בתחום פליטה אקוסטית: ASME - American Society of Mechanical Engineers Acoustic Emission Examination of Fiber-Reinforced Plastic Vessels, Article 11, Subsection A, Section V, Boiler and Pressure Vessel Code Acoustic Emission Examination of Metallic Vessels During Pressure Testing, Article 12, Subsection A, Section V, Boiler and Pressure Vessel Code Continuous Acoustic Emission Monitoring, Article 13 Section V ASTM - American Society for Testing and Materials E569-97 Standard Practice for Acoustic Emission Monitoring of Structures During Controlled Stimulation E650-97 Standard Guide for Mounting Piezoelectric Acoustic Emission Sensors E749-96 Standard Practice for Acoustic Emission Monitoring During Continuous Welding E750-98 Standard Practice for Characterizing Acoustic Emission Instrumentation E976-00 Standard Guide for Determining the Reproducibility of Acoustic Emission Sensor Response E1067-96 Standard Practice for Acoustic Emission Examination of Fiberglass Reinforced Plastic Resin (FRP) Tanks/Vessels E1106-86(1997) Standard Method for Primary Calibration of Acoustic Emission Sensors E1118-95 Standard Practice for Acoustic Emission Examination of Reinforced Thermosetting Resin Pipe (RTRP) E1139-97 Standard Practice for Continuous Monitoring of Acoustic Emission from Metal Pressure Boundaries E1211-97 Standard Practice for Leak Detection and Location Using Surface-Mounted Acoustic Emission Sensors E1316-00 Standard Terminology for Nondestructive Examinations E1419-00 Standard Test Method for Examination of Seamless, Gas-Filled, Pressure Vessels Using Acoustic Emission E1781-98 Standard Practice for Secondary Calibration of Acoustic Emission Sensors E1932-97 Standard Guide for Acoustic Emission Examination of Small Parts E1930-97 Standard Test Method for Examination of Liquid Filled Atmospheric and Low Pressure Metal Storage Tanks Using Acoustic Emission E2075-00 Standard Practice for Verifying the Consistency of AE-Sensor Response Using an Acrylic Rod E2076-00 Standard Test Method for Examination of Fiberglass Reinforced Plastic Fan Blades Using Acoustic Emission ASNT - American Society for Nondestructive Testing ANSI/ASNT CP-189, ASNT Standard for Qualification and Certification of Nondestructive Testing Personnel. CARP Recommended Practice for Acoustic Emission Testing of Pressurized Highway Tankers Made of Fiberglass reinforced with Balsa Cores. Recommended Practice No. SNT-TC-1A. Association of American Railroads Procedure for Acoustic Emission Evaluation of Tank Cars and IM-101 tanks, Issue 1, and Annex Z thereto, “ Test Methods to Meet FRA Request for Draft Sill Inspection program, docket T79.20-90 (BRW) ,” Preliminary 2 Compressed Gas Association C-1, Methods for Acoustic Emission Requalification of Seamless Steel Compressed Gas Tubes. European Committee for Standardization DIN EN 14584, Non-Destructive Testing – Acoustic Emission – Examination of Metallic Pressure Equipment during Proof Testing; Planar Location of AE Sources. EN 1330-9, Non-Destructive Testing – Terminology – Part 9, Terms Used in Acoustic Emission Testing. EN 13477-1, Non-Destructive Testing – Acoustic Emission – Equipment Characterization – Part 1, Equipment Description. EN 13477-2, Non-Destructive Testing – Acoustic Emission – Equipment Characterization – Part 2, Verification of Operating Characteristics. EN 13554, Non-Destructive Testing – Acoustic Emission – General Principles. Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE C57.127, Trial-Use guide for the Detection of Acoustic Emission from Partial Discharges in Oil-Immersed Power Transformers. International Organization for Standardization ISO 12713, Non-Destructive Testing - Acoustic Emission Inspection – Primary Calibration of Transducers. ISO 12714, Non-Destructive Testing - Acoustic Emission Inspection – Secondary Calibration of Acoustic Emission Sensors. ISO 12716, Non-Destructive Testing - Acoustic Emission Inspection – Vocabulary ISO/DIS 16148, gas Cylinders – Refillable Seamless Steel gas Cylinders – Acoustic Emission Examination (AEE) for Periodic Inspection. Japanese Institute for Standardization JIS Z 2342, Methods for Acoustic Testing of Pressure Vessels during Pressure Tests and Classification of Test Results. Japanese Society for Nondestructive Inspection NDIS 2106-79, Evaluation of performance Characteristics of Acoustic Emission Testing Equipment. NDIS 2109-91, Methods for Absolute calibration of Acoustic Emission Transducers by Reciprocity Technique. NDIS 2412-80, Acoustic Emission Testing of Spherical Pressure Vessels of High Tensile Strength Steel and Classification of Test Results.