آزمون انتشار امواج صوتی

آزمون نشر امواج صوتی (Acoustic Emission یا به اختصار AE) گونه ای از آزمون‌های غیرمخرب می‌باشد که به منظور بررسی شکل‌گیری و رشد نواقص (هم چون ترک‌ها و…)درون قطعه، به صورت دینامیکی، مورد استفاده قرار می‌گیرد. منظور از نشر صوت، تولید امواج الاستیکی (مکانیکی) ناشی از تغییر ناگهانی تنش درون ماده است. زمانی که ماده در معرض محرک خارجی (تغییرات فشار، نیرو یا دما) قرار بگیرد، منابع متمرکز انرژی در ماده شروع به آزاد سازی امواج الاستیکی می‌کنند و این امواج تا سطح قطعه انتشار می‌یابند و به وسیله حسگر ها(Sensors) ثبت و بررسی می‌شوند. نشر صوت مربوط به تولید امواج الاستیکی همزمان با آزاد یا رها شدن سریع انرژی کرنشی در ماده می‌باشد. با استفاده از تجهیزات مناسب می‌توان حرکاتی در بازه پیکومتر را نیز بررسی کرد. 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. تفاوت اول، ریشه شکل‌گیری موج صوت می‌باشد. در این روش به جای فرستادن امواج به درون قطعه، به صدای قطعه گوش داده می‌شود. 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.

 اساس کار آزمون انتشار امواج صوتی 
 انتشار موج در مواد 
بندانگشتی|230x230پیکسل|نمونه ای از امواج طولی
امواج صوتی به صورت‌های مختلفی می‌توانند درون مواد منتشر شوند، این حالت‌ها به شرح زیر می‌باشند:

 امواج طولی(Longitudinal waves) 
در این حالت ذرات درجهت انتشار موج شروع به نوسان می‌کنند. امواج طولی می‌توانند در جامدات، مایعات و گازها منتقل شوند، در صورتی که این نکته برای حالات دیگر موج‌های صوتی صادق نیست. امواج عرضی و صفحه ای تنها در جامدات قابل انتقال هستند.

 امواج عرضی (Shear waves) 
بندانگشتی|تصویر بالا:امواج عرضی، تصویر پایین: امواج طولی
در این حالت ذرات عمود بر جهت انتشار موج شروع به نوسان می‌کنند. معمولاً سرعت امواج عرضی در مواد، نصف سرعت امواج طولی می‌باشد.

 امواج سطحی(Rayliegh Waves) 
از این دسته از امواج در آزمون غیرمخرب فراصوت به شدت استفاده می‌گردد و تنها در سطح یا نزدیک به سطح ماده نفوذ می‌کنند. سرعت این دسته از امواج حدود ۲٪ کمتر از امواج عرضی می‌باشد.

در آزمون نشر امواج صوتی، منابع سطحی و زیر سطحی سهم بالایی در تولید انرژی به عنوان موج سطحی دارند، این موج سطحی با سرعت ثابت و استهلاک کم انتشار می‌یابد (به‌طور مثال با سرعت 3 m/ms در فولاد منتشر می‌شوند). 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. در حالی که امواج حجمی در مواد همگن با سرعتی مستقل از فرکانس تقسیم می‌شوند.
بندانگشتی|مقایسه سرعت امواج طولی، عرضی و صفحه ای
برخی از روش‌های تشخیص مکان منبع موج صوت عبارتند از:
 روش موقعیت خطی(Linear Location Technique)
 روش موقعیت منطقه ای (Zonal Location Technique)
 موقعیت نقطه ای(Point Location)

 منابع ایجاد امواج صوتی 
دلایل متفاوتی برای نشر صوت پیشنهاد شده‌اند که برخی از آنها به شرح زیر می‌باشند:

 لغزش نابجایی‌ها، شکل‌گیری ترک و رشد آن 
با توجه به خواص مکانیکی قطعه و مقدار تنشی که به قطعه وارد می‌شود، ممکن است قطعه پس از برداشته شدن نیرو به ابعاد اصلی خود بازگردد یا به صورت دائمی تغییر شکل بدهد. این دو حالت تحت عنوان‌های تغییر شکل الاستیک و پلاستیک شناخته می‌شوند. زمانی می‌توان بیشترین مقدار قابل تشخیص موج صوت را انتظار داشت که قطعه دچار تغییر شکل پلاستیک شود. 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.

میزان دامنه امواج صوتی تولید شده، متناسب با سرعت رشد ترک می‌باشد. 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. به همین دلیل، وجود تجهیزات خاص برای شناسایی و تحلیل امواج صوتی ضروری می‌باشد.

 نویز 
معمولاً میزان حساسیت آزمون نشر امواج صوتی به وسیله نویز موجود در محیط اطراف قطعه مورد بررسی، تحت تأثیر قرار می‌گیرد. منظور از نویز هرگونه سیگنال ناخواسته ای است که توسط حسگرها، دریافت می‌شود. نویزها منابع مختلفی دارند که برخی از آن‌ها به شرح زیر می‌باشند:

 نویزهای مکانیکی 
به دلیل وجود اصطکاک بین اجزای مکانیکی در ماشین آلات به وجود می‌آیند، به‌طور مثال در یاتاقان‌ها. این دسته از نویزها فرکانس پایین داشته و به راحتی قابل تفکیک می‌باشند.

 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. روش‌های متفاوتی متناسب با شرایط کارکرد قطعه پیشنهاد شده‌اند. یکی از مرسوم‌ترین روش‌های حذف نویز، تعیین آستانه تحریک توسط بازرس می‌باشد. در صورتی که سیگنال صوت از آستانه تحریک فراتر برود، در کامپیوتر ثبت می‌شود ولی نویزها دریافت نمی‌شوند. هم چنین می‌توان منابع تولید نویز را شناسایی کرد و تا حد امکان، نویز ایجاد شده توسط آنان را کاهش داد.

 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. در قطعات سه بعدی این مقدار به ۵۰٪ افزایش می‌یابد. تضعیف صوت به دلیل خاصیت مستهلک کنندگی ماده می‌باشد. انرژی جنبشی موج در اثر برخورد با موانع مختلف به گرما تبدیل می‌شود. 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.

 تجهیزات و دستگاه‌ها 
بندانگشتی|419x419پیکسل|نمونه ای برای نمایش نحوه عملکرد مبدل ها(Transducers) به همراه برازش سیگنال(Signal processing) به صورت دایاگرام جعبه ای|جایگزین=
در روش نشر امواج صوتی هم از تجهیزات قابل جابجایی و هم از تجهیزات ثابت استفاده می‌شود. 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. این اتفاق به لطف مبدل ها(Transducers) که انرژی مکانیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند، صورت می‌گیرد. تقریباً تمامی مبدل‌ها از مواد پیزوالکتریک ساخته شده‌اند. یک ترکیب فراگیر برای پیزوالکتریک‌ها سرب زیرکونات تیتانات(PZT)می‌باشد. مبدل‌ها بر اساس فرکانس کاری، حساسیت و شرایط محیطی تعیین می‌شوند و معمولاً در دو دسته، تقسیم‌بندی می‌شوند(Resonant و Broadband). معمولاً فرکانس مورد استفاده بین ۳۰ کیلوهرتز تا ۱ مگا هرتز می‌باشد. 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. سیگنال حس شده توسط مبدل(Transducer) در مرحله اول، بسیار ضعیف بوده و پیش تقویت کننده ها(Pre amplifiers) ولتاژ را چند برابر می‌کنند. سپس نویزها توسط فیلترها (فیلترهای بالا گذار، پایین گذار یا میان گذر) از سیگنال تقویت شده حذف می‌شوند. سیگنال بدون نویز وارد تقویت کننده اصلی شده و پس از گذار از این مرحله به واحد اندازه‌گیری و تحلیل ارسال می‌شود. نهایتاً نتایج به دست آمده بر روی صفحه نمایشگر به نمایش در می‌آیند.

آزمون نشر امواج صوتی می‌تواند به صورت تک کاناله (استفاده از یک مبدل) یا چندکاناله (استفاده از چند مبدل) صورت بگیرد.

 ویژگی‌های مهم سیگنال‌های آزمون انتشار امواج صوتی 
بندانگشتی|بررسی ۵ ویژگی مهم سیگنال‌های آزمون انتشار صوت، نمودار تغییرات ولتاژ برحسب زمان
پس از آماده‌سازی تجهیزات، فرایند آزمون غیر مخرب انتشار امواج صوتی آغاز می‌گردد. در این آزمون، حسگر به وسیله چسب یا با استفاده از روش‌های دیگر به خوبی به سطح قطعه مورد بررسی متصل می‌شود. بازرس سیگنال‌های به دست آمده توسط حسگرها را مورد بررسی قرار می‌دهد. مهم‌ترین ویژگی‌های سیگنال‌ها که مورد مطالعه قرار می‌گیرند عبارتند از:

 دامنه(Amplitude) 
بیشترین ولتاژ اندازه‌گیری شده در یک موج، به اسم دامنه شناخته می‌شود. واحد اندازه‌گیری دامنه دسی بل می‌باشد. 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. این فاکتور معیاری برای فیلتر کردن نویزها و ارزیابی سیگنال‌ها می‌باشد.

 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. این فاکتور یکی از راحت‌ترین فاکتورهای قابل اندازه‌گیری و تحلیل می‌باشد. 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.

 محدودیت‌ها 
 در مقایسه با سایر آزمون‌های غیرمخرب کندتر می‌باشد.
 ممکن است برخی از عیوب که درون قطعه وجود دارند، شناسایی نشوند. (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. به همین دلیل به منظور تنش زدایی، عملیات حرارتی بر روی جوش صورت می‌گیرد. در برخی از موارد عملیات حرارتی امکان‌پذیر نمی‌باشد و ترک‌های ریزی بر روی قطعه ظاهر می‌شوند. ممکن است این ترک‌ها رشد کنند و پس از مدتی کاملاً ظاهر شوند و گسترش یابند. با نصب حسگر مناسب، ترک ایجاد شده به سرعت شناسایی می‌شود و می‌توان جلوی مشکلات احتمالی را گرفت.

 پیوند به بیرون 
تست انتشار امواج صوتی برای نظارت بر زیرساخت ها(انیمیشن)

استاندارد ASTM E1106 جهت کالیبراسیون اولیه آزمون نشر امواج صوتی

استاندارد ASTM E1781 جهت کالیبراسیون ثانویه آزمون نشر امواج صوتی

نمونه واقعی آزمون نشر امواج صوتی بر روی قطعه سنگی

تست نشر صوتی :شنیدن صدای اخطار از مواد(انجمن تست و مواد آمریکا) 

نحوه عملکرد آزمون نشر صوت

 منابع 

رده:آزمون‌های غیرمخرب
رده:اندازه‌گیری
رده:روش‌های ارزیابی
رده:صوت‌شناسی
رده:علم مواد
رده:کیفیت