cw 42 skrypt ultradzwieki nowe


ULTRADyWIKI
LABORATORIUM
ULTRAMET 2006
SPIS TREÅšCI
1. WSTP.......................................................................................... 3
2. ULTRADyWIKI - WPROWADZENIE& & & & & & & & & & & . 3
3. WYTWARZANIE I ODBIÓR FAL ULTRADyWIKOWYCH& & .. 9
4. POLE ULTRADyWIKOWE& & & & & & & & & & & & & & & ... 11
5. TAUMIENIE FAL ULTRADyWIKOWYCH& & & & & & & & & .. 14
6. SPRZT DO BADAC ULTRADyWIKOWYCH& & & & & & & .. 15
7. METODY BADAC ULTRADyWIKOWYCH& & & & & & & & & 22
8. ZASTOSOWANIE FAL ULTRADyWIKOWYCH& & & & & & ... 27
9. PRZEBIEG ĆWICZENIA& & & & & & & & & & & & & & & & & .. 32
10. ZARYS OBSAUGI PROGRAMU& & & & & & & & & & & & & & . 46
2
 Ultradzwięki  Laboratorium
1. WSTP
Niniejsze opracowanie stanowi instrukcję na zajęcia laboratoryjne prowadzone w ramach przedmiotu
" Fizyka " dla studentów szkół wyższych. Może również być wykorzystane w laboratoriach inżynierii materia-
łowej, badań nieniszczących, diagnostyki technicznej i eksploatacji, akustyki itp.
Opracowanie składa się z trzech części. Część pierwsza zawiera podstawowe informacje o ultradzwię-
kach. Omówione są podstawowe zjawiska fizyczne towarzyszące propagacji fal ultradzwiękowych w ośrod-
kach oraz przy padaniu fali ultradzwiękowej na granicę dwóch ośrodków. Przedstawiono sposoby wytwarza-
nia i detekcji ultradzwięków, sprzęt do badań ultradzwiękowych, metody badawcze oraz sposób ich wyko-
rzystania w praktyce. W części drugiej zawarte są propozycje ćwiczeń do wykonania przez studentów w
czasie zajęć laboratoryjnych, w których wykorzystano komputerowy ultradzwiękowy defektoskop cyfrowy
UMT-17. Część trzecia zawiera skrótową instrukcję obsługi defektoskopu UMT-17.
2. ULTRADyWIKI  WPROWADZENIE
Fale akustyczne polegajÄ… na wzajemnym przekazywaniu sobie ruchu drgajÄ…cego przez atomy albo czÄ…-
steczki ośrodka. W zależności od częstotliwości drgań fale akustyczne dzielimy na : infradzwięki ( 0.1..16 Hz
) , dzwięki słyszalne ( 16Hz..20 kHz ) i ultradzwięki ( powyżej 20 kHz ) . W ośrodku sprężystym cząstki drga-
jące wokół położenia równowagi przekazują część energii sąsiednim cząstkom - drgania cząstek prze-
mieszczają się w ośrodku tworząc falę ultradzwiękową.
Fale ultradzwiękowe ( zwane też falami mechanicznymi ) , w odróżnieniu od fal elektromagnetycznych
mogą rozchodzić się tylko w ośrodkach materialnych przenoszących drgania sprężyste. Dla małych wychy-
leń cząstki wokół położenia równowagi przyjmujemy, że ruch cząstek jest harmoniczny:
x x
a = AsinÉ(t - ) = Asin(Ét -Õ ) ; Õ = É
c c
gdzie : a - wychylenie chwilowe , A - amplituda wychylenia , É = 2Ä„ f - czÄ™stotliwość kÄ…towa , t - czas , x -
współrzędna położenia ( drogi ) , c - prędkość fali.
PrÄ™dkość drgania czÄ…stki materialnej wokół poÅ‚ożenia równowagi nazywamy prÄ™dkoÅ›ciÄ… akustycznÄ… Å
( nie mylić z prędkością fali c ) :
da
Å = = ÉAcos(Ét -Õ)
dt
Czas T , po którym wartoÅ›ci chwilowe powtarzajÄ… siÄ™, nazywamy okresem. Faza Õ jest to wychylenie
kątowe, przy którym drgająca cząstka osiąga chwilową wartość wychylenia.
Długość fali  to najmniejsza odległość między dwiema sąsiednimi drgającymi cząstkami znajdującymi
się w tej samej fazie. Jeżeli fala rozchodzi się w ośrodku z prędkością c to obowiązuje związek :
3
 Ultradzwięki  Laboratorium
c
 = cT = ;
f
gdzie :  - długość fali, T - okres drgań f = 1 / T .
W ośrodku nieograniczonym fale ultradzwiękowe rozchodzą się ze swego zródła w sposób przestrzen-
ny. Sąsiednie cząstki drgające w tej samej fazie tworzą powierzchnię falową. Jeżeli powierzchnia falowa
tworzy płaszczyznę prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali - to jest to fala płaska. W przypadku, gdy
powierzchnie falowe są współśrodkowymi walcami to mamy do czynienia z falami walcowymi.
yródła o małych wymiarach ( zródła punktowe ) wytwarzają fale kuliste. Ich powierzchnie falowe mają
kształt współśrodkowych powierzchni kulistych ze środkiem w punktowym zródle fal. Dla fal kulistych wychy-
lenie cząstek maleje ze wzrostem odległości r od zródła :
A r
a = sinÉ(t - );
r c
Dla bardzo dużych wartości r fala kulista przechodzi w falę płaską.
Fala ultradzwiękowa przechodząc przez ośrodek wytwarza naprężenia w ośrodku. Siła naprężeń w od-
niesieniu do powierzchni wytwarza ciśnienie akustyczne p, związane z prędkością akustyczną Š:
p = z Å"Å
gdzie : z jest akustyczną impedancją falową ośrodka w którym rozchodzi się fala.
Ciśnienie akustyczne jest wielkością mierzalną, bowiem w przetwornikach elektroakustycznych stoso-
wanych w technice ultradzwiękowej, sygnał elektryczny z przetwornika jest proporcjonalny do ciśnienia aku-
stycznego.
W ośrodkach nieograniczonych, dla fal płaskich i kulistych, impedancja akustyczna ma charakter rze-
czywisty, i wtedy jest to akustyczna oporność falowa ( impedancja charakterystyczna ) określona jako :
z = Á Å"c
gdzie : Á - gÄ™stość oÅ›rodka, c - prÄ™dkość fali.
Jeżeli fala ultradzwiÄ™kowa rozchodzi siÄ™ w oÅ›rodku o akustycznej opornoÅ›ci falowej Ác , to w oÅ›rodku
tym powstaje ciśnienie akustyczne :
x
p = ÉA Áccos(É(t - )) = P cos(Ét - Õ);
c
gdzie : P = ÉAÁc - amplituda ciÅ›nienia akustycznego
Jeśli zmiany ciśnienia mają charakter harmoniczny to możemy wprowadzić wartości skuteczne :
4
 Ultradzwięki  Laboratorium
P V
Psk = Vsk =
2 2
Dla fal płaskich lub kulistych natężenie fali :
2
1 1 2
P
I = PskVsk = PV = W /
m
2 2 Ác
W typowych zastosowaniach pomiarowych fale ultradzwiękowe osiągają natężenia poniżej 0.1 W/cm2.
Zakładając takie natężenie fali ( 0.1 W/cm2 ) , w tabeli poniżej podano zestawienie wybranych parametrów
dla fali podłużnej o częstotliwości 1 MHz rozchodzącej się w powietrzu, wodzie aluminium i stali.
I f Á c z  P A
natężenie często- gęstość prędkość impedancja długość amplituda amplituda
Ośrodek
fali tliwość ośrodka fali ośrodka fali ciśnienia wychylenia
[W/cm2] [Hz] [g/cm3] [m/s] [kg/m2s] ‡106 [mm] [Mpa] [µm]
powietrze 0.1 1‡106 0.001293 333 0.000430569 0.333 0.00092 0.3402
woda 0.1 1‡106 1 1480 1.48 1.48 0.05440 0.0058
aluminium 0.1 1‡106 2.7 6320 17.06 6.32 0.18471 0.001724
stal 0.1 1‡106 7.85 5940 46.629 5.94 0.30538 0.001042
Zauważmy, jak znikome są amplitudy wychyleń cząstek ośrodka spowodowane przemieszczaniem się
fali ultradzwiękowej o takim natężeniu ( od dziesiątych części mikrometra dla powietrza do tysięcznych czę-
ści mikrometra dla stali ) . Fala po przejściu przez ośrodek nie zmienia go ( nie niszczy ) - stąd zastosowanie
ultradzwięków do badań materiałów technicznych czy organizmów żywych jest dla nich bezpieczne.
2.1 RODZAJE FAL ULTRADyWIKOWYCH
Fale ultradzwiękowe dzielimy na kilka rodzajów w zależności od toru drgającej cząstki względem kie-
runku rozchodzenia się fali, jak pokazano na rysunku poniżej :
5
 Ultradzwięki  Laboratorium
Wychylenia Kierunek Rodzaj
czÄ…stek fali fali
Podłużna
Poprzeczna
Lamba
Powierzchniowa
Rodzaje fal ultradzwiękowych
Fale podłużne - cząstki ośrodka drgają prostoliniowo zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali, po-
wstają naprzemian zagęszczenia i rozrzedzenia cząstek ośrodka, przy czym dochodzi również do oscylacyj-
nych zmian jego objętości. Fale te rozchodzą się w każdym ośrodku materialnym. Aby w ośrodku rozchodzi-
ła się czysta fala podłużna to wymiary ośrodka muszą być wystarczająco duże w stosunku do długości fali 
. Fale te oznaczamy symbolem L a ich prędkość symbolem cL .
Fale poprzeczne - tzw. fale ścinania, powodują naprężenia styczne. Rozchodzeniu się tych fal nie to-
warzyszą zmiany gęstości ośrodka. Cząstki ośrodka drgają w płaszczyznie prostopadłej do kierunku roz-
chodzenia się fali. Fale te rozchodzą się tylko w ośrodkach stałych. Fale poprzeczne oznaczamy symbolem
T a ich prędkość symbolem cT . Prędkość cT jest zawsze mniejsza od cL dla danego ośrodka.
Fale powierzchniowe ( Rayleigha ) - rozchodzą się na powierzchni swobodnej ciała stałego, wnikając
na głębokość około jednej długości fali. Mamy tu do czynienia ze szczególnym przypadkiem fal poprzecz-
nych, gdyż drgania cząstek składają się z dwóch wektorów. Wektor prostopadły do powierzchni swobodnej (
a więc do kierunku rozchodzenia się fali ) ma o wiele większą wartość niż wektor równoległy. Stąd ruch czą-
stek odbywa się po smukłej elipsie. Fale powierzchniowe oznaczamy symbolem R a ich prędkość symbolem
cR . Dla danego ośrodka obowiązuje relacja : cR < cT Fale płytowe ( Lamba ) - rozchodzą się w ośrodku ograniczonym dwoma równoległymi płaszczyznami,
których odległość jest porównywalna z długością fali i nie przekracza kilku długości fali. Przesunięcia czą-
stek są wynikiem nakładania się na siebie dwóch fal powierzchniowych, biegnących po obydwu powierzch-
niach w tym samym kierunku.
2.2 PRDKOŚĆ ROZCHODZENIA SI FAL ULTRADyWIKOWYCH
W ciałach stałych w ośrodku nieograniczonym prędkość fal podłużnych c oraz prędkość fal po-
L
przecznych cT przedstawiajÄ… wzory :
6
 Ultradzwięki  Laboratorium
G
E(1-½ )
E
cT = =
cL =
2Á(1+½ )
Á(1+½ )(1- 2½ )
Á
gdzie : E - moduÅ‚ sprężystoÅ›ci wzdÅ‚użnej, G - moduÅ‚ sprężystoÅ›ci poprzecznej, Á - gÄ™stość materiaÅ‚u, ½ - licz
ba Poissona .
Stosunek prędkości cT/cL zależy tylko od liczby Poissona :
cT 1- 2½
=
cL 2(1-½ )
Prędkość rozchodzenia się fal powierzchniowych jest zawsze mniejsza od cT :
0.87 +1.112½
cR H" Å"cT
1+½
W cieczach i gazach rozchodzą się tylko fale podłużne. Prędkość tych fal wynosi :
K
cL =
Á
gdzie : K - adiabatyczny moduł sprężystości objętościowej.
2.3 ZJAWISKA NA GRANICY OŚRODKÓW
Mówimy, że dwa ośrodki są różne jeśli prędkości fal w obu ośrodkach są różne ( c1 `" c2 ) lub akustycz-
ne impedancje falowe są różne ( z1 `" z2 ). Granica ośrodków to powierzchnia rozdzielająca dwa różne
ośrodki.
2.3.1 Prostopadłe padanie na granicę ośrodków
Jeżeli fala ultradzwiękowa o ciśnieniu akustycznym P pada prostopadle na granicę dwóch ośrodków 1 i
2 , to część fali odbija się z ciśnieniem akustycznym P1 do ośrodka 1 , a część z ciśnieniem P2 przenika do
ośrodka 2 . Przy prostopadłym padaniu fala odbita i przenika-
jÄ…ca sÄ… tego samego rodzaju, co fala padajÄ…ca.
Relacje między ciśnieniami fal określają ciśnieniowe współ-
P P
1
Á 1 c 1 czynniki odbicia R i przenikania D , natomiast relacje miedzy
z 1 =
natężeniami fal energetyczne współczynniki RI i DI :
1
2
z 2 = Á c 2 R = P1 z2 - z1 P2 2z2
= ; D = = ; D = 1 + R
2
P
2
z 2 + z1 P z2 + z1
P
2
4z1z2
I1 z2-z1 I 2
RI = = (z ) ; DI = = ; RI + DI =1
2+z1 2
I I
Prostopadłe padanie fali na granicę
(z1 + z2)
dwóch ośrodków
7
 Ultradzwięki  Laboratorium
Rozważmy przypadek prostopadłego padania fali podłużnej w stali na granicę (1) stal  (2) powietrze. Obli-
czone współczynniki wynoszą :
R = - 0.999982017 D = 0.000017983 RI = 0.999964034
DI = 0.000035965; P1 = - 0.999982017P; P2 = 0.000017983P
I1 = 0.999964034I I2 = 0.000035965I
Widzimy, że ciśnienie fali przenikającej jest znikome natomiast ciśnienie fali odbitej jest praktycznie równe
ciśnieniu fali padającej, lecz z przeciwnym znakiem - co znaczy że fala odbita ma fazę przeciwną do padają-
cej. Przypadek ten, często spotykany w praktyce, dowodzi, że fale biegnące wewnątrz elementów stalowych
niemal całkowicie odbijają się od ich powierzchni.
2.3.2 Ukośne padanie fali ultradzwiękowej na granicę ośrodków
Fala ultradzwiękowa padając ukośnie na granicę dwóch różnych ośrodków ulega odbiciu, załamaniu
oraz ewentualnie również transformacji - gdy jeden z ośrodków jest zdolny przenosić naprężenia styczne.
Jeżeli fala podłużna pada na granicę dwóch ciął stałych 1 i 2 , to
T1
Ä…
ogólnie w każdym z nich mogą powstać dwie składowe , z któ-
T1
L
L
1
rych jedna jest podłużna a druga poprzeczna.
Ä…
L1
Wzajemny związek między kątami wszystkich składowych,
Ä…L1
mierzonymi od normalnej do kierunku rozchodzenia siÄ™ fali, a ich
1
prędkościami jest określony prawem Snelliusa :
2
²L2
L
2
sinÄ… sinÄ… sin ² sin ²
L1 T1 T 2 L2
===
T
2
cL1 cT1 cT 2 cL2
²
T2
Ukośne padanie na granicę dwóch ośrodków
Podobnie jak w przypadku prostopadłego padania fali na
granicę ośrodków można zdefiniować ciśnieniowe i energetycz-
ne współczynniki odbicia i przenikania. Współczynniki te opisują ilościowo podział energii fali padającej na
fale odbite, załamane i transformowane. Jednak zależności te są na tyle złożone, że ich szersza dyskusja
przekracza zakres tego opracowania. Przedstawimy tylko jeden poglądowy przykład , dla granicy ośrodków
 PMM- stal , jak wpływa kąt padania fali podłużnej na względne ciśnienie akustyczne oraz na rodzaje fal w
stali. (  PMM to skrót od nazwy polimetakrylan metylu  czyli szkło organiczne albo pleksi).
L
R
T
T
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
0 5 10
15 20 25
KÄ…t padania
8
 Ultradzwięki  Laboratorium
3. WYTWARZANIE I ODBIÓR FAL ULTRADyWIKOWYCH
Jednym ze sposobów wytworzenia fali ultradzwiękowej jest wykorzystanie drgającego zródła, które
przekazuje energię do ośrodka z nim sprzężonego. Najczęściej jako zródeł używa się przetworników elek-
troakustycznych, bazujących na odwracalnym zjawisku piezoelektrycznym. Popularne materiały piezoelek-
tryczne używane w technice ultradzwiękowej to : kryształy naturalne ( kwarc (SiO2 ), turmalin, sól Seignett'a
) ; kryształy sztuczne ( siarczan litu ( LiSO4 ), metaniobian ołowiu ) oraz polikrystaliczne materiały ceramicz-
ne ( piezoceramiki ) takie jak tytanian baru( BaTiO3 ) , tytanian ołowiu, cyrkonian ołowiu ( PbZrO3 ).
U(t)
Jeżeli do cienkiej płytki piezoelektryka, posre-
g + "
g
0 -
brzonej na obu płaszczyznach, dołączymy
t
m
U
zmienne w czasie napięcie to grubość płytki
będzie się zmieniać w takt zmian napięcia. Je-
U(t)
g(t)
"g
max
śli drgająca powierzchnia płytki piezoelek-
g trycznej " sprzęgnięta  jest z innym ośrodkiem
0
t
( np. zanurzona w cieczy albo przyklejona do
<"
<"
ciała stałego ) to drgania płytki przeniosą się
do ośrodka tworząc podłużną falę ultradzwię-
L
L
L
L
kową w tym ośrodku. Sprzężenie z ciałem sta-
łym można zapewnić również przez dociśnię-
Wykorzystanie zjawiska piezoelektrycznego
cie płytki przez cienką warstwę cieczy ( np.
do wytwarzania fal podłużnych
wody czy oleju ) . Najlepszą skuteczność prze-
twarzania energii elektrycznej na mechaniczną uzyskuje się dla częstotliwości rezonansowej, gdy grubość
g0 jest wielokrotnością połowy długości fali w przetworniku :
c 
g0 = = nÅ"
2 fr 2
P
gdzie : fr - częstotliwość rezonansowa przetwornika, c - prędkość fali w
U(t)
przetworniku ,   długość fali w przetworniku, n  liczba natu-
ralna ( typowo stosuje siÄ™ n = 1 ) .
P(t)
Związek między przyrostem grubości "g a napięciem Um określa
współczynnik piezoelektryczny dik :
t
"g
dik = [mV ]
g(t) " g
Um
Jak już wspomniano zjawisko piezoelektryczne jest odwracalne.
g0
Jeśli na płytkę działa zmienne w czasie ciśnienie akustyczne p , to na
t
skutek sprężystości płytki zmienia się jej grubość ( ściskanie, rozciąga-
U(t)
nie ), a dzięki zjawisku piezoelektrycznemu indukujące się ładunki elek-
t
tryczne w płytce powodują różnicę potencjałów na jej okładkach.
Największe zmiany grubości g , a w konsekwencji napięcia U, uzyskuje się, gdy częstotliwość zmian ci-
śnienia jest równa częstotliwości rezonansowej płytki. Powstające napięcie U powiązane jest z ciśnieniem P
9
 Ultradzwięki  Laboratorium
przez ciśnieniową stałą piezoelektryczną gik
U
gik = [mV ]
gÅ"P Å"Pa
Dobrym przykładem tego efektu jest popularna zapalniczka
piezoelektryczna, gdzie silne uderzenie  młoteczka w po-
uderzenie
wierzchnię płytki piezoelektryka powoduje wytworzenie chwi-
lowej wysokiej różnicy potencjałów między okładkami i prze-
skok iskry. Oczywiście w przypadku ultradzwięków o małym
piezoelektryk
iskra
natężeniu siła oddziaływania fali na piezoelektryk jest kilka
rzędów wielkości mniejsza i powstające napięcie jest również
bardzo małe.
Z płytek piezoelektrycznych odpowiednio obudowanych wykonuje się głowice ultradzwiękowe. Zazwy-
czaj ta sama głowica jest jednocześnie zródłem i odbiornikiem fal. Jeżeli głowicę pobudzimy krótkim impul-
sem elektrycznym o dużej amplitudzie, to płytka piezoelektryka wykona kilka & kilkanaście drgań o często-
tliwości rezonansowej. Drgania płytki przez oddziaływania sprężyste przeniosą się do badanego ośrodka,
tworząc przemieszczającą się " impulsową " falę ultradzwiękową. Jeśli na drodze fali znajdzie się przeszko-
da ( np. wada materiałowa typu pęknięcie, czyli inaczej mówiąc fala trafi na granicę ośrodków o znacznie
różnych impedancjach akustycznych ) , to pewna część energii fali wróci do głowicy w postaci fali odbitej.
Fala odbita pobudzi do drgań płytkę piezoelektryczną głowicy - powstanie zatem impuls elektryczny, tzw.
impuls echa wady. Przez prosty pomiar czasu "t, między impulsem nadawczym a impulsem echa wady,
można wyznaczyć odległość wady od głowicy, gdyż :
2L = "t Å"c
gdzie : L - odległość wady, c - prędkość fali .
200V
impuls nadawczy zobrazowanie typu A
tzw. "A-Scan"
stal
wada materiału
T = 0.2 us
R
E=300V
piezoelektryk
L= 500mm
5 mV
impuls
echa wady
15 mV
impuls
echa dna
Ilustracja zasady wykrywania wad metodą echa przy użyciu jednej głowicy nadawczo- odbiorczej
10
 Ultradzwięki  Laboratorium
Amplituda impulsu echa wady niesie informację o rozmiarze wady, choć nie jest to zależność prosta i
zależy od wielu czynników - będzie to omawiane pózniej. Należy podkreślić, że amplituda impulsu echa wa-
dy może być kilkaset & kilkadziesiąt tysięcy razy mniejsza od amplitudy impulsu nadawczego. Jeśli na
ekranie lampy oscyloskopowej zobrazujemy sygnał elektryczny przetwornika to mamy pewną umowną gra-
ficzną interpretację zjawisk w ośrodku  tzw. A  Scan . Przyrząd elektroniczny służący do pobudzania prze-
twornika oraz obrazowania impulsów na ekranie nazywamy impulsowym defektoskopem ultradzwiękowym.
Omówiony sposób wykrywania wad ilustruje rysunek powyżej.
4. POLE ULTRADyWIKOWE
Fale ultradzwiękowe, jak każde fale, są zjawiskiem czasoprzestrzennym. Obszar w którym rozchodzą
się fale ultradzwiękowe nazywamy polem ultradzwiękowym . Kształt i wymiary pola ultradzwiękowego za-
leżą od wymiarów zródła ( przetwornika ) i częstotliwości fali.
Pole bliskie
(fala płaska)
Pole dalekie
(fala kulista)
2
Õ
szerokość
wiÄ…zki
N
Szkic pola ultradzwiękowego dla przetwornika kołowego
Rozważmy kołowy przetwornik o drganiach grubościowych. Każdy punkt drgającej powierzchni prze-
twornika możemy traktować jako zródło nowej fali kulistej ( zasada Huygens'a ) . Czoło powstałej fali stanowi
obwiednię wszystkich fal kulistych - będzie zatem równoległe do powierzchni przetwornika ( fala płaska ).
Ciśnienia poszczególnych fal kulistych mogą się w różnych punktach pola dodawać lub odejmować. W kon-
sekwencji powstają lokalne minima i maksima ciśnienia. Pole ultradzwiękowe można opisać rozkładem ci-
śnienia akustycznego fali ultradzwiękowej w przestrzeni. Przyjmuje się, że dla odległości l < N w tzw. polu
bliskim przetwornika ( gdzie N jest długością pola bliskiego ) występuje fala płaska, zaś dla odległości l >
3N , w tzw. polu dalekim - fala kulista. W polu bliskim wiązka ma lekką zbieżność, natomiast w polu dalekim
tworzy stożek z wierzchołkiem w środku zródła. W rzeczywistości podział na pole bliskie i dalekie nie jest
ostry i występuje pewna strefa przejściowa, w której nie można przyjąć czystego modelu fali płaskiej lub kuli-
stej. Zależność na długość pola bliskiego jest następująca:
*#*# 
D2 - 2 D2
l0 = N = = Å»#DÅ»# =
Å»#
4 Å"  4 Å" 
W polu dalekim, ciśnienie akustyczne we współrzędnych biegunowych można wyrazić następująco :
2J1(x)
l0 Ä„
P = P0Ä„ e-Ä…r x = D sin Õ
r x 
11
 Ultradzwięki  Laboratorium
gdzie : r - odlegÅ‚ość od przetwornika, Õ - kÄ…t odchylenia od osi wiÄ…zki, Ä… - współczynnik tÅ‚umienia fal, J1(x) -
funkcja Bessela pierwszego rzędu.
°
6
4°
2°
Åš = D 2 Õ
0°
2 °
4°
l 6°
0
Obliczona charakterystyka kierunkowa przetwornika kołowego w polu dalekim
Często na różnych ilustracjach rysujemy falę ultradzwiękową
symbolicznie jako wektor ( fala padająca, fala odbita ... ) . Należy
mieć jednak świadomość, że fala nie rozchodzi się jako pojedynczy
symboliczne zobrazowanie
promień tylko jako tzw. wiązka fal.
wiązki fal ultradzwiękowych
4.1 OGNISKOWANIE WIZKI FAL ULTRADyWIKOWYCH
Wykorzystując zjawisko załamania fali, przy padaniu pod kątem na granicę ośrodków, można zogni-
skować wiązkę fal ultradzwiękowych osiągając znaczne natężenia w okolicy ogniska. Używa się do tego
specjalnie wyprofilowanych  soczewek ultradzwiękowych  . Ognisko jest w stałej odległości od soczewki i
leży w osi wiązki fali padającej - przypadek A na rysunku.
woda woda
A
ognisko
czoło fali
czoło fali
czoło fali
C
D
B
t = 0 płaskiej t = 0
t = 0
płaskiej
kulistej
ognisko
czas
czas czas
Nowoczesne metody profilowania i ogniskowania wiązki fali ultradzwiękowej polegają na wykorzystaniu
kilkudziesięciu ... kilkuset miniaturowych przetworników ultradzwiękowych ułożonych w strukturę liniową (
tzw. głowice mozaikowe liniowe ) albo strukturę płaską ( głowice mozaikowe 2D ). Głowica mozaikowa wy-
maga bardzo złożonej aparatury elektronicznej do jej obsługi. Jeśli wszystkie elementy mozaiki pobudzone
są impulsami nadawczymi jednocześnie ( przypadek B na rysunku wyżej ) , to wypadkowe czoło fali ultra-
dzwiękowej jest płaskie i emitowana wiązka fali jest prostopadła do płaszczyzny mozaiki. Gdy elementy mo-
zaiki pobudzimy tak jak w przypadku C , najpierw górne zewnętrzne i stopniowo opózniane w kierunku dol-
nym, to wypadkowe czoło pozostanie płaskie ale zmieni się kierunek fali. Kształt czoła fali można modelo-
12
 Ultradzwięki  Laboratorium
wać manipulując opóznieniami pobudzenia poszczególnych elementów mozaiki. Można zatem, jak np. w
przypadku D, spowodować zogniskowanie wiązki w pewnym punkcie przestrzeni. Rysunek poniżej ilustruje
sposoby manipulacji wiązką fali z głowicy mozaikowej. Dla mozaiki liniowej odchylanie wiązki możliwe jest
tylko w jednej płaszczyznie a dla mozaiki 2D w dowolnym kierunku. Daje to wspaniałą możliwość przemiata-
nia wiązką fal ultradzwiękowych w przestrzeni ( tzw. Skanowania ) przy nieruchomej głowicy mozaikowej.
Jest to szeroko wykorzystywane zwłaszcza w diagnostyce medycznej ( ultrasonografia ) przy badaniu na-
rządów wewnętrznych człowieka.
pobudzenie
opóznienie
opóznienie
zmiana
ogniska
przesuwanie
odchylanie
wiÄ…zki
równoległe
kÄ…towe
wiÄ…zki
wiÄ…zki
Każdy element mozaiki zarówno wytwarza jak i odbiera fale ultradzwiękowe. Jeśli sygnały odebrane
przez poszczególne elementy mozaiki odpowiednio opóznimy, o czas taki sam jak opóznienie przy pobu-
dzeniu, a następnie zsumujemy to otrzymamy wypadkowy sygnał elektryczny będzie największy od fal odbi-
tych w okolicy ogniska i znaczÄ…co mniejszy od fal odbitych poza ogniskiem.
Mozaika 2D
Mozaika liniowa
13
 Ultradzwięki  Laboratorium
5. TAUMIENIE FAL ULTRADyWIKOWYCH
Ciśnienie fali ultradzwiękowej rozchodzącej się w ośrodku maleje ze wzrostem przebytej drogi. Przy-
czyny tego spadku są następujące:
- rozbieżność wiązki fal ;
- procesy pochłaniania energii ( tarcie wewnętrzne- energia drgań zamienia się na ciepło ) ;
- procesy rozpraszania tzn. odbicia, załamania i dyfrakcja fal na granicach ziaren krystalicznych, wtrące-
niach i porach ośrodka.
Tłumienie fali to spadek ciśnienia fali na skutek procesów pochłaniania i rozpraszania.
Osłabienie fali to spadek ciśnienia fali uwzględniający tłumienie i rozbieżność wiązki.
Rozpatrzmy problem tłumienia. W cienkiej warstwie ośrodka o grubości dl w odległości l od początku,
przy stałym tłumieniu ą na jednostkę długości występuje względny spadek ciśnienia akustycznego :
dP
= -Ä… dl
P
po scałkowaniu otrzymujemy
Px = P0 Å"e-Ä… l
gdzie : P0 - ciśnienie początkowe, l - odległość od początku, ą - współczynnik tłumienia.
Tłumienie fal ultradzwiękowych rośnie z częstotliwością fali i wielkością ziaren ośrodka. W tabeli poda-
no współczynniki tłumienia ą dla kilku ośrodków ( dla fal podłużnych, przy f =1MHz ) .
Ośrodek Ośrodek
Ä… [dB/mm] Ä… [dB/mm]
Stal Szkło okienne
5Å"10-3...5Å"10-2 3.2Å"10-3
Aluminium PMM ( pleksiglas )
5Å"10-4...2Å"10-2 2.5Å"10-1
Magnez Polistyren
3Å"10-4...3Å"10-3 1.7Å"10-1
Miedz Woda
1Å"10-2...5Å"10-2 2.5Å"10-4
Kwarc topiony Gliceryna
0.6Å"10-3 6Å"10-2
Szkło kryszt. Powietrze
1Å"10-3 1.6Å"10-1
14
 Ultradzwięki  Laboratorium
6. SPRZT DO BADAC ULTRADyWIKOWYCH
6.1 GAOWICE ULTRADyWIKOWE
Głowicę ultradzwiękową stanowi odpowiednio zabudowany i dostrojony elektrycznie przetwornik piezo-
elektryczny. Głowica normalna składa się z następujących elementów : obudowy spełniającej rolę uchwytu i
konstrukcji nośnej, przetwornika piezoelektrycznego, osłony chroniącej przetwornik przed uszkodzeniem
mechanicznym, masy tłumiącej która tłumi drgania własne przetwornika, układu dopasowania elektrycznego
(cewki), gniazda do podłączenia kabla . W głowicach skośnych przetwornik przyklejony jest do klina z plek-
siglasu. Na granicy ośrodków ( klin - obszar badany, np. : stal ) następuje zjawisko transformacji fali podłuż-
nej na poprzeczną. Głównymi parametrami głowic są : częstotliwość drgań, rodzaj wzbudzanych fal, kąt za-
łamania wiązki fal, wymiary przetwornika. Nazwa  normalna  informuje że fale wprowadzane są w kierunku
prostej normalnej (czyli prostopadłej) do płaszczyzny przyłożenia głowicy.
Głowica normalna Głowica skośna
masa tłumiąca klin z pleksi
V
1
obudowa
gniazdo
Ä…
masa
V1
sin Ä…
____
___
tłumiąca
dopasowanie
=
elektryczne sin ² V2
²
płytka
piezo-
osłona
elektryka
V
przetwornika
2
Przykład oznaczenia głowicy normalnej ( polski producent INCO
) gÅ‚owica 4L0°10C : 4  czÄ™st. w [ MHz] , L - fale podÅ‚użne , 0° - kÄ…t
wprowadzania fali, 10 - średnica przetwornika w [ mm ] , C - rodzaj
przetwornika ( ceramiczny ) .
Przykład oznaczenia głowicy skośnej ( prod. INCO ) głowica 2T
70°10x10 : 2  czÄ™stotliwość w [ MHz ], T - fala poprzeczna, 70° - kÄ…t
załamania fali w stali, 10x10 - wymiary przetwornika w [ mm ].
Na zdjęciu pokazano przykłady głowic normalnych i skośnych,
do badań kontaktowych, firmy Krautkramer.
6.2 DEFEKTOSKOPY ULTRADyWIKOWE
Defektoskopy współpracują z głowicami ultradzwiękowymi. Charakterystyczną cechą defektoskopu im-
pulsowego jest krótkie pobudzanie głowicy , która emituje do badanego ośrodka " impulsową " falę ultradz-
więkową - oraz odbiór i zobrazowanie impulsów z głowicy, powstałych w wyniku fal odbitych powracających
do głowicy. Każdy defektoskop impulsowy posiada zatem: nadajnik impulsów, odbiornik impulsów i układ
zobrazowania.
W zależności od konstrukcji układu zobrazowania defektoskopy impulsowe dzielimy na :
15
 Ultradzwięki  Laboratorium
- defektoskopy analogowe - sygnał z odbiornika zobrazowany jest w postaci wykresu " napięcie-czas " na
ekranie lampy oscyloskopowej ;
- defektoskopy analogowo-cyfrowe ( lub z przetwarzaniem cyfrowym ) - sygnał z odbiornika jest przetwa-
rzany na ciąg liczb ( ' próbek " ) wpisywanych do pamięci komputera, a następnie przy wykorzystaniu
odpowiedniego oprogramowania, wyświetlany w formie wykresu " napięcie-czas " na ekranie monitora.
6.2.1 Defektoskop analogowy
Aby obraz na ekranie lampy oscyloskopowej był wyrazny ( nie migający ) i dostatecznie jaskrawy to
plamka musi odwzorowywać sygnał cyklicznie, kilkadziesiąt razy - kilka tysięcy razy na sekundę. Praca de-
fektoskopu polega na powtarzaniu pewnego cyklu. Okres tego cyklu wyznacza generator impulsów syn-
chronizujących. Każdy impuls tego generatora uruchamia generator podstawy czasu i wyzwala nadajnik.
Nadajnik pobudza silnym i krótkim impulsem elektrycznym głowicę nadawczą do drgań. Jeżeli używamy
jednej głowicy nadawczo - odbiorczej to wejście odbiornika jest połączone z wyjściem nadajnika, natomiast
przy pracy z dwoma głowicami - odbiornik wzmacnia sygnały tylko z głowicy odbiorczej.
Ruch plamki na ekranie lampy jest efektem złożenia dwóch ruchów składowych :
- jednostajnego ruchu w kierunku X - wynikającego z liniowo narastającego w czasie napięcia Ux ;
- ruchu w kierunku Y - przesunięcie jest plamki proporcjonalne do chwilowej wartości wzmocnionego w
odbiorniku sygnału UY z głowicy .
GÅ‚owica
Generator
0-200 V
nadawcza
Nadajnik podstawy
czasu
U
x
Y
Gen.
GN
synchr
T
x
"ZASIG"
X X
"N/O"
"WZMOCNIENIE"
Y
P1
U
GO
Y
Odbiornik
"N+O"
Wzm. Y
wyjście
wejście
(wzmacniacz
0-200 V
+
(x 100)
GÅ‚owica odbiorcza
detektor)
0-2 V
0-200
źV..2V
Schemat blokowy defektoskopu analogowego
W ten sposób powstaje na ekranie lampy wykres we współrzędnych : " napięcie - czas ". W lampach
oscyloskopowych do pełnego odchylenia plamki w kierunku X lub kierunku Y potrzebne są napięcia rzędu
100 V ... 200 V. Impulsy elektryczne powstające w głowicy od odebranych fal ultradzwiękowych zawierają
się w przedziale kilkudziesięciu źV & kilku V ( w zależności od rozmiaru wady, odległości od głowicy, usytu-
owania względem wiązki itd ) . Tak duża rozpiętość amplitud sygnału powoduje konieczność regulacji
wzmocnienia odbiornika w szerokim zakresie ( 1 ... kilkanaście tysięcy razy ) .
Wzmacniacz odbiornika jest zawsze wyposażony w skokowy przełącznik " WZMOCNIENIE " wyskalo-
wany w dB, który umożliwia ustalenie odpowiedniej wysokości echa na ekranie lampy - zarówno dla bardzo
słabych jak i silnych sygnałów z głowicy. Na zdjęciu pokazano przykładowy wygląd defektoskopu analogo-
wego z lampÄ… oscyloskopowÄ….
16
 Ultradzwięki  Laboratorium
W tym miejscu warto przypomnieć skalę decybelową.
Otóż dla wielkości liczbowych zmieniających się w
szerokim zakresie wygodnie jest przyjąć miarę loga-
rytmicznÄ….
Np.: wzmocnienie odbiornika :
W = Uwyj / Uwej
natomiast wzmocnienie wyrażone w dB :
W[dB] = 20 log ( Uwyj / Uwej )
Zakładając Uwej = 200źV a Uwyj = 2V otrzymujemy :
W = 10 000 , oraz W[dB] = 20"4 = 80 dB .
Czas trwania liniowo narastającego i napięcia Ux wynika z tzw. zakresu obserwacji. W defektoskopach
analogowych zakres ten wybiera się skokowym przełącznikiem " ZASIG " wyskalowanym w jednostkach
odległości [mm] .Przełączając " ZASIG " układ generatora podstawy czasu odpowiednio zmienia czas Tx
6.2.2 Defektoskop z przetwarzaniem cyfrowym
Jak już wspomniano defektoskop z przetwarzaniem cyfrowym różni się od defektoskopu analogowego
układem zobrazowania. Na zdjęciach pokazano przykłady defektoskopów cyfrowych : poniżej defektoskop
USN 58 firmy Krautkramer jako aparat przenośny z własnym ekranem, a dalej defektoskop UMT-17 w formie
zewnętrznej  przystawki  do komputera PC.
17
 Ultradzwięki  Laboratorium
W defektoskopie cyfrowym cykl pracy zaczyna siÄ™ od wyzwolenia nadajnika i pobudzenia silnym impul-
sem elektrycznym głowicy. Jednocześnie startuje przetwornik analogowo cyfrowy ( A/C ) , taktowany gene-
ratorem zegarowym. Na wejście przetwornika A/C podawany jest sygnał analogowy z odbiornika. Przetwor-
nik A/C, dla każdego dodatniego zbocza sygnału zegarowego, zamienia chwilową wartość napięcia wej-
ściowego na liczbę - ( tzw. " próbkę " ), którą wprowadza się do bufora próbek. Jeżeli impulsy zegarowe
przychodzą w krótkich odstępach czasu ( wysoka częstotliwość próbkowania ) to sygnał analogowy jest do-
statecznie wiernie określony przez ciąg próbek. Po zapełnieniu bufora próbek jego zawartość jest przesyła-
na do pamięci operacyjnej mikrokomputera, a następnie przy pomocy oprogramowania wyświetlona na
ekranie graficznym w postaci wykresu " napięcie- czas ".
Ekran
Gen.
Przetw. Bufor
Nadajnik.
zeg.
próbek
A/C
N
Próbki
"N/O"
Odbiornik
Klawiatura
"N+O"
Obraz
Stero- Peryferia
MIKROKOMPUTER
wanie
O
Sygnał
Numer
Wartość
zegarowy
probki
próbki
(napięcie)
(czas)
--- ---
--- ---
Napięcie
--- ---
(wartość 7 0
8 0
próbki)
9 0
221
10 4
11 12
12 62
13 85
149
14 149
15 221
16 208
85
17 185
62
18 150
19 152
--- ---
.........12..15........................
2
1 3 Fragment
bufora próbek
Czas ( numer kolejny próbki)
Schemat blokowy defektoskopu z przetwarzaniem cyfrowym
Istotną zaletą defektoskopu z przetwarzaniem cyfrowym jest to, że wiele czynności można zrealizować
dzięki pracy w środowisku komputerowym, np.: zamrożenie/odmrożenie wykresu, automatyczne pomiary
amplitudy i odległości ech, zapis/odczyt obrazu na dysku, drukowanie itd. Zgromadzone w pamięci kompute-
ra dane pozwalają na zawansowane metody przetwarzania i prezentacji wyników, np : analizę widmową sy-
gnału, filtrację cyfrową, uśrednianie, korelacyjne metody pomiaru czasu przejścia itp.
18
 Ultradzwięki  Laboratorium
Ekran programu dla defektoskopu z przetwarzaniem cyfrowym typ UMT-17
6.3. POMIARY AMPLITUDY I CZASU W DEFEKTOSKOPACH CYFROWYCH
W pomiarach defektoskopami impulsowymi podstawowe informacje zawarte sÄ… w: amplitudzie impulsu,
czasie przejścia fali, kształcie obwiedni ( rzadziej : faza sygnału, widmo ) - wydobywane z typowego A - Sca-
nu. Stąd sposoby ( algorytmy ) określania amplitudy impulsu oraz jego położenia na osi czasu są tak istotne.
Zazwyczaj interesuje nas pewien wyróżniony obszar czasu ( odległości ) określony tzw. bramką czasową i
odwzorowany graficznie na ekranie ( czasem spotyka się określenia bramki terminem  monitor  ) .
6.3.1. Pomiary amplitudy
Amplitudę impulsu ( wysokość echa ) przyjęto w defektoskopach wyrażać w formatach :
- procentowo, jako % wysokości ekranu ( %H ) albo różnicę % względem progu monitora ;
- względnie w dB jako różnicę między : wysokością ekranu, progiem monitora, albo innego echa ;
- bezwzględnie w V jako amplitudę na wyjściu wzmacniacza defektoskopu.
Wyznaczenie amplitudy impulsu w obszarze bramki można sprowadzić do programowego bądz sprzę-
towego przeszukania bufora próbek i znalezienia największej próbki - a następnie wyrażenia wartości tej
próbki w jednym z w/w formatów.
W tym miejscu warto poruszyć zagadnienie błędu jaki można popełnić przy określaniu amplitudy mak-
symalnej.
19
 Ultradzwięki  Laboratorium
[%]
´
29%
Amax -A
Amax
´ [%] =
100%
19%
Amax
´
A
7.6%
4.8%
Tp=1/fp
1.2%
0.5%
fp
fr
3 4 5 8 10 20 30
Pamiętamy, że ciąg próbek nie reprezentuje absolutnie wszystkich możliwych wartości chwilowych sy-
gnału rzeczywistego - zatem błąd oszacowania będzie malał gdy rośnie częstotliwość próbkowania. Na ry-
sunku pokazano zależność wielkoÅ›ci bÅ‚Ä™du ´ [%] od fp/fr ( gdzie : fp czÄ™stotliwoÅ›ci próbkowania, fr czÄ™stotli-
wość sygnału z głowicy )  zakładając sinusoidalny kształt szczytu impulsu. Przykładowo, jeśli używamy gło-
wicy o częstotliwości fr = 2 MHz , to przy fp = 40 MHz błąd określenia amplitudy impulsu będzie rzędu 1% .
6.3.2. Pomiary odległości ( czasu przejścia )
Płożenie impulsu w defektoskopach wyraża się jako :
- odległość  reflektora  od głowicy w mm - czyli bezpośrednią drogę fali ( termin  reflektor  oznacza
obiekt odbijający fale, np. wada materiałowa, ściana obiektu itp. ) ;
- rzuty drogi fali mm*cos² , mm*sin ² dla gÅ‚owic skoÅ›nych ;
- czas przejścia fali w źs ;
- różnicowo ( zarówno czas jak i odległość ) względem ustalonej wstępnie wielkości.
Odczyt wzrokowy położenia impulsu z ekranu aparatu jest orientacyjny - zatem stosuje się procedury
pomiarowe wykonywane przez mikrokomputer. Odległości są przeliczane z informacji pierwotnej, jaką jest
czas, z uwzględnieniem prędkości fali. W defektoskopach cyfrowych wykorzystuje spróbkowany sygnał ul-
tradzwiękowy do pomiaru czasu. Impulsy mają skończony czas trwania i zmienną w czasie obwiednię. Aby
określić odległość (położenie) impulsu względem wybranej chwili odniesienia to należy wybrać jedno  cha-
rakterystyczne miejsce  w impulsie reprezentujące umownie to położenie.
W defektoskopach, dla potrzeb określania położenia wykrytych wad, najbardziej rozpowszechniony jest
tzw. progowy pomiar czasu. Algorytm jest trywialny - mikrokomputer szuka w obszarze monitora pierwszej
próbki Nx przekraczającej próg monitora .
próbka Nx
´
próbka Nx'
bramka
Progowy pomiar czasu
20
 Ultradzwięki  Laboratorium
Rozdzielczość pomiaru jest równa okresowi próbkowania ( czas między kolejnymi próbkami ). Przy sta-
łej wysokości progu, wynik pomiaru nieznacznie zależy od zmiennej wysokości impulsu ze zmianą wzmoc-
nienia. Ponadto, jeśli próg jest w okolicy lokalnego maksimum to fluktuacje szumowe sygnału wprowadzają
dodatkowe błędy niejednoznaczności ( przyjęcie Nx albo Nx do obliczeń ) . Ten błąd jest rzędu połowy albo
jednego okresu drgań rezonansowych głowicy, zatem w typowych warunkach może osiągać kilkaset ns  co
dyskwalifikuje tę metodę w dokładnych pomiarach.
Dobrą metodą jest metoda tzw.  przejścia przez zero  ( ang.  zero-crossing  ) - w wydaniu cyfro-
wym można ją rozszerzyć o interpolację i uśrednianie, osiągając powtarzalność wyników rzędu ułamka na-
nosekundy. Idea metody sprowadza się do przyjęcia wspomnianego  charakterystycznego miejsca  w im-
pulsie jako momentu przejścia przez zero sygnału z głowicy i określenie tego momentu poprzez interpolację
sąsiednich próbek. Metoda ta eliminuje zależność od amplitudy impulsu i jest nieczuła na kształt obwiedni.
Wadą metody jest konieczność wstępnego wskazania obszaru, które przejście przez zero ma być brane pod
uwagę - gdyż w impulsie jest kilka przejść przez zero.
próbka Nx
położenie interpolowane
próbka Nx +1
rozrzut szumowy
Idea metody  przejścia przez zero 
Kolejną metodą pomiaru czasu jest metoda korelacyjna, bazująca na silnej zmienności obwiedni im-
pulsu z głowicy ultradzwiękowej. Metodę tę można stosować tylko do pomiarów różnicowych czasu między
dwoma impulsami, daje również bardzo dobrą powtarzalność wyników rzędu 1ns . Bardzo cenną zaletą tej
metody jest fakt, że wystarczy tylko zgrubnie wskazać obszary występowania impulsów między którymi mie-
rzymy czas. Na rysunku poniżej pokazano ideę tej metody dla dwóch impulsów " trójkątnych " odległych w
czasie o Ä0 . Tworzymy dwie funkcje f1(t) oraz f2(t) i obliczamy funkcjÄ™ korelacji R12. Maksimum funkcji ko-
relacji wypada dla czasu Ä0.
Ä
0
t
"
f1 (t)
R12 = f1(t)Å" f2 (t -Ä )dt
t
R12
+"
0
Ä
f2 (t)
t
Ä
0
Wyjaśnienie metody korelacyjnego pomiaru czasu
Jeśli impulsy mają charakter bipolarny, tak jak dla sygnałów bez detekcji w defektoskopie, to funkcja ko-
relacji ma również przebieg bipolarny z jednym wyraznym ekstremum. Rysunek poniżej ilustruje praktyczny
21
 Ultradzwięki  Laboratorium
przykład pomiaru metodą korelacji, z wykorzystaniem defektoskopu UMT-17 i standardowego oprogramo-
wania .
Pomiar prędkości fal podłużnych w płasko-równoległej próbce miedzianej o grubości g = 30mm, z
użyciem głowicy 4 MHz.
W ramkach 1 i 2 są dwa kolejne echa dna próbki, w górnym oknie funkcja korelacji sygnałów w
ramkach. Maksimum funkcji korelacji wypada dla czasu dt = 12.75 źs i jest to podane w polu
wyniku. Program automatycznie oblicza prędkość fali przy zadeklarowanej drodze fali, w tym
przypadku V = 2g/dt = 60mm / 12.75 źs = 4705,75 m/s.
7. METODY BADAC ULTRADyWIKOWYCH
7.1 KONFIGURACJA GAOWIC PRZY WYKRYWANIU WAD MATERIAAOWYCH KONTAKTOW ME-
TOD ECHA
Podczas wykrywania wad materiałowych w obiekcie przestrzen-
nym należy spenetrować wiązką fal ultradzwiękowych możliwie całą
objętość i pod różnymi kątami. Głowicę prowadzimy ręcznie po do-
stępnej powierzchni obiektu ruchem meandrowym, jednocześnie ob-
serwując ekran defektoskopu. Zawsze używamy środka sprzęgające-
go ( oleju, smaru, wody ) , którym zwilżamy powierzchnie kontaktu
głowicy. Przy kontakcie  suchym  tylko znikoma ilość energii fali ul-
tradzwiękowej wniknie do badanego obiektu. Wadę materiałową roz-
poznajemy jako nieciągłość ośrodka po występowaniu  echa wady 
lub po zaniku  echa dna  na ekranie defektoskopu. Zadaniem operatora defektoskopu jest określenie poło-
22
 Ultradzwięki  Laboratorium
żenia wady w przestrzeni ( głębokość, rzut na powierzchnię ) , oszacowanie rozmiaru wady, rozróżnieniu
kształtu wady ( objętościowa czy płaska ) .
Na rysunku pokazano przykłady
tzw.  penetracji falą bezpośrednią 
różnych wad głowicami normalnymi i
skośnymi. Wady objętościowe są w
miarę łatwo wykrywane z każdego
kierunku. Dla wad płaskich wiązka fal
powinna mieć kierunek prostopadły
do powierzchni wady aby odbita fala
powrotna miała szanse dotrzeć do
głowicy. Wady płaskie niekorzystnie
zorientowane mogą być w ogóle nie
wykryte jedną głowicą
Często dostępna jest tylko jedna powierzchnia dla przyłożenia głowicy. Jeśli badany element ma rów-
noległą drugą ścianę ( blacha, rura itp. ) to można wykorzystać odbicie pośrednie dla penetracji obszaru wa-
dy. Dla wad płaskich prostopadłych do powierzchni stosuje się kombinację dwóch głowic skośnych w tzw.
układzie  tandem  .
Pęknięcia prostopadłe do powierzchni i jednocześnie wychodzące na powierzchnię tworzą tzw.  naroże 
. Fala padająca na naroże, na skutek podwójnego odbicia, wraca zawsze w kierunku równoległym do fali
padającej. Tę cenną właściwość bardzo często wykorzystuje się do wykrywania takich wad. Na rysunku po-
kazano współczynniki  efektywności  odbicia fali od naroża : ąLL - dla fal podłużnych oraz ąTT - dla fal po-
przecznych.
100%
Ä…
TT 80%
60%
40%
Ä…
LL
20%
0° 10° 40° 50° 60° 70° 80° 90°
20° 30°
² - kÄ…t zaÅ‚ amania fali
Współczynnik taki wyraża stosunek ciśnienia fali odbitej od naroża ( powracającej w kierunku głowicy )
do ciśnienia fali padającej na naroże. Jak widać fala poprzeczna zdecydowanie lepiej odbija się od naroża
niż fala podÅ‚użna  a dla kÄ…tów z przedziaÅ‚u 34° .. 56° efektywność odbicia fali poprzecznej jest 100% .
23
 Ultradzwięki  Laboratorium
7.2 OSZACOWANIE ROZMIARU WADY
7.2.1 Wady większe od przekroju wiązki fali
Jeśli wada płaska jest na tyle duża, że odbija całą skierowaną na nią wiązkę fali to rozległość takiej wa-
dy można określić przez wytyczenie jej konturu. Przyjęte rozumowanie jest następujące :
naprowadzając głowicę nad kra-
niec wady tylko część fali odbije
się od niej. Gdy wada przesłania
połowę przekroju wiązki fali to
echo wady spada do 50 % wy-
L
sokości  a środek głowicy wy-
²
znacza jeden z punktów brze-
s
gowych konturu. AÄ…czÄ…c wiele
punktów brzegowych otrzymu-
jemy figurÄ™, jako rzut wady na
płaszczyznę. Takie rozumowanie
jest poprawne gdy kierunek fali jest prostopadły do płaszczyzny wady. W sytuacjach szczególnych, gdy
obiekt ma równoległą ścianę do płaszczyzny przyłożenia głowicy, kontur dużej wady można określić na pod-
stawie 50 % spadku echa dna  w tym przypadku kształt wady może być dowolny a kontur jest swoistym 
cieniem  wady na płaszczyznie .
7.2.2 Wady mniejsze od przekroju wiÄ…zki fali
Na rysunkach przedstawiono poglądowo wyniki dwóch eksperymentów. W pierwszym obserwowano
zależność wysokości echa od rozmiaru małych płaskich wad, położonych w polu dalekim głowicy i stałej od-
ległości od powierzchni. W drugim eksperymencie obserwowano wysokość echa wady, o ustalonym rozmia-
rze, w zależności od odległości wady.
Wnioski są następujące :
W polu dalekim wysokość echa wady jest proporcjonalna do pola powierzchni wady i odwrotnie propor-
cjonalna do kwadratu odległości wady :
H ~ s
24
 Ultradzwięki  Laboratorium
H ~ 1/L2
gdzie : s - pole wady; L - odległość wady.
W polu bliskim zależność na wysokość echa wady jest empiryczna .
Biorąc pod uwagę te zależności ustalenie rozmiaru wady na podstawie wysokości echa jest kłopotliwe.
W praktyce korzysta się z kilku sposobów :
- wykorzystanie wykresów DAC ( ang. Distance Amplitude Curve ) sporządzonych na wadach wzorco-
wych, np. jak na rysunku :
wysokość echa [%]
B4S-E
100
stal
80
60
40
2mm ERS
20
0
odległość [mm]
- wykorzystanie wykresów DGS ( ang. Distance Gain Size ) ;
- zastosowanie sprzętowej dynamicznej ( zmiennej w czasie ) korekcji wzmocnienia defektoskopu TCG
( ang. Time Corrected Gain ) ;
Odpowiednikami angielskich terminów w języku polskim są :
DAC OKA ( krzywa Odległościowej Korekcji Amplitudy ) ;
DGS OWR ( wykres Odległość Wzmocnienie Rozmiar ) ;
TCG ZRW ( Zasięgowa Regulacja Wzmocnienia ) .
7.3 OKREŚLENIE POAOŻENIA WADY
Położenie wad określamy względem miejsca przyłożenia głowicy, w którym wykryto te wadę. Droga
bezpośrednia fali s jest łatwa do wyzna-
czenia na podstawie położenia impulsu
s " sin²
echa wady na ekranie. Dla głowic nor-
malnych droga bezpośrednia jest głę-
s " cos ²
bokością zalegania wady. Dla głowic
skośnych elementarne przeliczenia try-
gonometryczne dają głębokość i rzut na
płaszczyznę odległości wady od  środ-
L
ka głowicy  . W defektoskopach cyfro-
wych przeliczenia wykonywane sÄ…
s = ½ cL " t
s = ½ cT " t
przez wbudowany mikrokomputer.
7.4 BADANIA ZANURZENIOWE
25
 Ultradzwięki  Laboratorium
Bardzo popularna jest metoda badań zanurzeniowych,
zwłaszcza w urządzeniach zautomatyzowanych, gdzie
g
l
fale z głowicy docierają do badanej próbki przez war-
woda
stwę wody. Po jednym pobudzeniu głowicy ( 1N ) ma-
my kilka ciągów impulsów wynikających z wielokrot-
nych odbić fal w wodzie i próbce co daje złożony obraz
głowica
próbka
ech na ekranie. Do wykrywania wad należy obserwo-
wać fragment między 1w - 1d1w.
2N
T- czas wytłumienia fal w wodzie
- drugi imp.
1N-pierwszy nad.
1d1w- pierwsze echo dna
2w - drugie echo wnikania
imp. nad.
2d1w- drugie echo dna
1w- pierwsze
3w - trzecie echo wnikania
echo wnikania
1d2w
3d1w
1d3w
2d2w
2d3w
3d2w
2t =2 g/c 3d3w
2t=2l/cw 2t=2l/cw 2t=2l/cw
W badaniach metodą zanurzeniową należy spełnić warunek na odległość minimalną głowicy od po-
wierzchni stalowej próbki :
lmin > g " ( cw / cs ) H" 0.25 g
gdzie : cw =1480 m/s, cs =5900 m/s  prędkości fal wody i stali.
Obok pokazano przypadek gdy ta zależność nie jest spełniona  kolejne ciągi ech dna są przemieszane
z innymi ciągami ech od wielokrotnych wniknięć fali  całość daje zupełnie nieczytelną sytuację. W bada-
niach ultradzwiękowych podstawową umiejętnością musi być właściwa interpretacja ech.
26
 Ultradzwięki  Laboratorium
7.5 BADANIA ULTRADyWIKOWE ZE SPRZŻENIEM PRZEZ POWIETRZE
Ostatnio zaczęto rozwijać techniki wprowadzania fali ultradzwiękowej do elementów stalowych, kompo-
zytów czy tworzyw sztucznych wprost przez powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym. Są to więc badania
 zanurzeniowe w powietrzu  . Wykorzystuje się fale ultradzwiękowe o częstotliwościach 50 kHz ... 1 MHz .
Sygnały elektryczne otrzymywane z głowic są niezwykle małe, nawet poniżej poziomu szumów własnych
aparatury  stąd konieczność specjalnych zaawansowanych metod przetwarzania sygnałów. Dla zwiększe-
nia energii fali w wybranym obszarze stosuje się silne ogniskowanie wiązki. Zaleta takiego typu sprzężenia
jest oczywista - brak kontaktu mechanicznego głowicy z badanym obiektem.
8. ZASTOSOWANIE FAL ULTRADyWIKOWYCH
Fale ultradzwiękowe znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki. W tym rozdziale zasygnali-
zowane zostaną typowe przykłady zastosowań :
Obrazowa diagnostyka medyczna ( badania USG )
Za pomocą aparatów zwanych ultrasonogra-
fami i głowic mozaikowych można przeprowadzić
szereg bezpiecznych dla organizmu badań na-
rządów wewnętrznych człowieka. Typowymi przy-
kładami są :
- badania narządów jamy brzusznej ( żołądek,
wątroba, nerki, pęcherz ... ) ;
- badania płodu, jam serca,
- przepływów krwi w dużych żyłach i tętnicach
( efekt Dopplera ) ;
- badania struktury gałki ocznej, zatok noso-
wych,
- badanie stopnia zaawansowania osteoporo-
zy - przez pomiar prędkości fali w wybranych
kościach
Badania ultradzwiękowe są szybką, względnie tanią, bezpieczną i rutynową już metodą postępowania
w diagnostyce medycznej. Często są pierwszą alternatywą albo uzupełnieniem badań szkodliwych lub bar-
dzo kosztownych typu : prześwietlenia rentgenowskie, TK - tomografia komputerowa , czy NMR ( magne-
tyczny rezonans jÄ…drowy ) .
Na rysunku pokazano na pierwszym planie szkic przekroju anatomicznego serca - w głębi odpowia-
dajÄ…cy temu przekrojowi echokardiogram.
27
 Ultradzwięki  Laboratorium
Terapia medyczna
- ultradzwięki stosuje się w zabiegach litotrypsji  rozkruszania tzw. " kamieni " nerkowych silnie zogni-
skowaną wiązką fal ultradzwiękowych o dużym natężeniu, a także przy dezintegracji tkanki tłuszczowej
i innych.
Automatyka przemysłowa
- czujniki ruchu, bardzo popularne w różnych urządzeniach alarmowych, wykorzystanie ciągłej fali ultra-
dzwiękowej w powietrzu, fali odbitej od poruszającej się przeszkody i efektu Dopplera ;
- czujniki ( mierniki ) poziomu cieczy w zbiornikach ( np. z benzynÄ… ) - bazujÄ…ce na prostym pomiarze
czasu przejścia fali między dnem zbiornika i powierzchnią cieczy ;
- mierniki prędkości przepływu cieczy w rurociągach ;
W miernikach prędkości przepływu czas przejścia fali ultradzwiękowej między głowicami jest zależny od
wielu czynników : rodzaju cieczy, średnicy rury czy kąta załamania fali ale także od prędkości przepływu cie-
czy- co jest tu wykorzystywane. Głowice mogą być zainstalowane na zewnętrznej
stronie rurociągu. Zwykle dokonuje się dwóch pomiarów czasu przejścia : zgod-
nie z kierunkiem przepływu ( 12 ) i przeciwnie ( 21 )  a odpowiedni mikro-
procesor przelicza różnice czasów z tych pomiarów na prędkość przepływu albo
na objętość przepływu. Ponadto w algorytmie można łatwo uwzględnić wszelkie
korekcje geometryczne, temperaturowe itd. Oprócz przepływomierzy ultradzwiękowych opartych na czasie
przejścia fali stosowane są przepływomierze ultradzwiękowe bazujące na efekcie Dopplera.
Hydrolokacja
- echosondy - pomiar głębokości akwenów wodnych przez pomiar czasu przejścia fali odbitej od dna ;
- sonary - wykrywanie i lokalizacja podwodnych obiektów pływających, ławic ryb itp. Współczesne sona-
ry, zwłaszcza te używane w okrętach podwodnych, wykorzystują zespoły przetworników ( anten ) aku-
stycznych ze skanowaniem elektronicznym obszaru  idea analogiczna jak w głowicach mozaikowych.
W hydrolokacji używa się fal ultradzwiękowych od kilkudziesięciu do kilkuset kHz.
Procesy technologiczne z wykorzystaniem ultradzwięków o dużej energii
- czyszczenie powierzchni, zgrzewanie wyrobów z tworzyw sztucznych,
- spajanie wyprowadzeń w strukturach półprzewodnikowych ( układy scalone ) ,
- katalizatory reakcji ( chemia ) ,
Kontrola jakości wyrobów hutniczych podczas produkcji
- badanie wad wewnętrznych typu pęknięcia, rozwarstwienia, wtrącenia niemetaliczne w : blachach, prę-
tach, rurach, szynach kolejowych, odkuwkach, odlewach itp.
Znaczna część wyrobów hutniczych, które służą jako materiał do odpowiedzialnych konstrukcji, musi
być badana na okoliczność występowania wewnętrznych i powierzchniowych wad materiałowych. Wyroby z
wadami nie są dopuszczane do eksploatacji. Nawet niewielka wada wewnętrzna materiału może być zarod-
kiem tzw. wady zmęczeniowej, która powiększa się w czasie pod wpływem zmiennych obciążeń mechanicz-
28
 Ultradzwięki  Laboratorium
nych  w końcu może dojść do nagłej awarii konstrukcji (
np. zbiornika ciśnieniowego, rurociągu, kotła, turbiny. itp.
) pociągając zagrożenie życia i straty materialne. Na
zdjęciu pokazano fragment zautomatyzowanego stano-
wiska do ultradzwiękowego badania rur o dużej średnicy.
Cztery zespoły głowic wprowadzają fale ultradzwiękowe
do ścian rury  całość współpracuje z wielokanałowym
defektoskopem. GÅ‚owice sÄ… nieruchome natomiast rura
jest wolno przesuwana w kierunku osiowym. Między
głowicami a powierzchnią rury jest niewielka szczelina
rzędu ułamka mm , w którą wtłacza się wodę. Woda za-
pewnia transmisję fal, a szczelina eliminuje bezpośred-
nie tarcie głowic zwiększając ich żywotność.
Kontrola jakości połączeń technologicznych, ubytków korozyjnych, pomiary grubości
- wykrywanie wad w połączeniach spawanych w : rurociągach, zbiornikach ciśnieniowych, kotłach,
- badanie jakości połączeń zgrzewanych, klejonych ;
- badanie grubości ścianek zbiorników, rur ... - zwłaszcza przy dostępie tylko z jednej strony ;
Spawanie to jeden z najczęściej używanych sposobów łą-
czenia metali. Badanie spoin to klasyczny przykład zastoso-
wania przenośnych defektoskopów ultradzwiękowych ( pra-
wie 70% zastosowań ) . Różne wady spoin ( typu : pęknięcia,
przyklejenia brzegowe, pęcherze gazowe, wtrącenia żużlowe
) mogą osłabiać wytrzymałość konstrukcji albo być zarodkiem
wad zmęczeniowych i prowadzić do nagłych uszkodzeń.
Ręczne ultradzwiękowe badanie spoin jest pracochłonne,
wymaga doświadczenia operatora i jest dosyć trudne inter-
pretacyjnie. Stąd cyfrowe aparaty ultradzwiękowe mają sze-
reg wbudowanych opcji wspomagajÄ…cych badanie spoin.
Często defektoskop jest  przystawką  do komputera przeno-
śnego jak na zdjęciu obok. W masowych badaniach spoin z powodzeniem wdraża się automatyzację ,np. na
budowach rurociągów dalekosiężnych  gdzie aparatura badawcza instalowana jest na samochodach tere-
nowych. W wielu przypadkach badania spoin nie da się zautomatyzować albo jest to nieopłacalne. Wiele
spoin jest badanych w instalacjach technologicznych przemysłu chemicznego i petrochemicznego oraz na
morskich platformach wydobywczych ropy i gazu. Alternatywna metoda badania spoin to radiografia prze-
mysłowa  czyli prześwietlanie spoin promieniowaniem X lub gamma, z rejestracją obrazu spoiny na kliszy.
Szkodliwość promieniowania X i gamma dla człowieka, wysoki koszt - to główne mankamenty radiografii.
Diagnostyka techniczna w czasie eksploatacji : konstrukcji, urządzeń, pojazdów
- wykrywanie  zmęczeniowych  wad materiałowych w newralgicznych punktach samolotów, okrętów,
pojazdów szynowych, szynach kolejowych , turbinach energetycznych, łożyskach ślizgowych ;
- ocena naprężeń w materiale ( monoblokowe koła kolejowe, szyny, wały silników okrętowych ) ;
29
 Ultradzwięki  Laboratorium
- wykrywanie pęknięć  termicznych  w prętach paliwowych elektrowni jądrowych ;
- prognozowanie nagłych katastrof szczególne odpowiedzialnych urządzeń - przez ciągły monitoring
emisji akustycznej materiałów poddanych ekstremalnym obciążeniom ;
Badanie szyn kolejowych w torze to następny przykład zastosowania ultradzwięków w tzw. obszarze
NDT ( ang. Nondestructive Testing )  czyli ba-
dań nieniszczących. Na zdjęciu obok przekrój z
rozwijającą się wadą zmęczeniową w główce
szyny. Takie wady prowadzą do pęknięć całej
szyny. Okresowa kontrola defektoskopem szy-
nowym ma za zadanie wykrywać takie wady.
Badania masowe szyn prowadzone sÄ… w spo-
sób zautomatyzowany aparaturą w specjalnym
kolejowym wagonie diagnostycznym. Dwie szy-
ny w torze badane są kilkunastoma głowicami
ultradzwiękowymi  prędkość badania
do100km/h. Często taki wagon dodatkowo pro-
wadzi badania szyn innymi metodami, np. magnetycznymi albo pomiary geometrii toru metodami laserowy-
mi.
Inżynieria materiałowa i inne
- ocena własności materiałów przez pomiar prędkości i tłumienia fal ultradzwiękowych o różnych często-
tliwościach : w metalach, stopach, materiałach kompozytowych, skałach, ceramikach ;
- mikroskopia ultradzwiękowa  zobrazowanie struktur wewnętrznych ciał stałych z rozdzielczością kilku-
nastu mikrometrów - użycie zogniskowanych wiązek fal o częstotliwości kilkuset MHz ;
- budownictwo : ocena wytrzymałości betonu na ściskanie, wykrywania pęknięć w konstrukcjach betono-
wych, ocena stanu nawierzchni drogowej ;
- akustoelektronika : ultradzwiękowe linie opózniające, filtry z falą powierzchniową.
Na zdjęciu po lewej stronie - głowica i manipulatory przesuwu laboratoryjnego mikroskopu ultradzwiękowe-
go. Sprzężenie akustyczne z badanym obiektem przez wodę. Zdjęcie po stronie prawej - przykład zobrazo-
wania na tym mikroskopie ultradzwiękowym struktury wewnętrznej układu scalonego. Miejsca delaminacji
względem podłoża wyróżnione są w kolorze żółtym i czerwonym.
30
 Ultradzwięki  Laboratorium
Badania ultradzwiękowe wkraczają również
do budownictwa. Znane i używane są metody
określania wytrzymałości betonu na ściskanie na
podstawie prędkości rozchodzenia fal podłużnych
w betonie. Ze względu na silne tłumienie fal w be-
tonie używa się głowic ultradzwiękowych o niskich
częstotliwościach  rzędu 50 ... 200 kHz .
Na zdjęciu pomiar jakości betonu pasa startowego
innÄ… metodÄ… akustycznÄ…, polegajÄ…cÄ… na analizie
odpowiedzi impulsowej drgań powierzchni po sil-
nym uderzeniu bijakiem młotka.
31
 Ultradzwięki  Laboratorium
9. PRZEBIEG ĆWICZENIA
9.1 ZAPOZNANIE Z OBSAUG DEFEKTOSKOPU ULTRADyWIKOWEGO UMT-17
- Sprawdzić czy kabel USB jest podłączony do komputera PC , uruchomić komputer, włączyć wtyk zasila-
nia defektoskopu UMT-17 . Podłączyć kabel głowicy do gniazda  N/O  . ( Uwaga !! - wtyki kabelka typu
 Lemo  mają zatrzask i wyjęcie jest możliwe ciągnąc za wtyk a nie za kabel ) .
- Na wzorcu schodkowym zwilżyć powierzchnię pierwszego schodka ( wys. 40 mm ) kilkoma kroplami
oliwki lub żelu i postawić głowicę ultradzwiękową 4LN13 . Docisk głowicy ręką albo ciężarkiem.
- Uruchomić program UMT17.exe z katalogu gdzie jest zainstalowany albo z ikony UMT-17 na pulpicie ;
- Wybrać z menu opcję  Plik - Wczytaj Definicję  . Z listy wybrać definicję  Ultradzwięki Laboratorium
 i przepisać ją do programu klawiszem  OK  . Każda wczytana definicja zawiera 8 zestawów nastaw,
wybrać pierwszy zestaw  przez kliknięcie lewym klawiszem myszki na  1  w przełączniku 1 ... 8 .
- Kliknięcie prawym klawiszem myszki na wybranej pozycji przełącznika 1 ... 8 daje dostęp do objaśnień
tekstowych i graficznych ( np. jak zdjęcie powyżej ) dla wybranego zestawu.
- Na ekranie komputera pojawi się obraz jak poniżej. Dolne okno sygnałowe zwane oknem głównym po-
kazuje ciąg impulsów odpowiadający wielokrotnym odbiciom fali ultradzwiękowej między płaszczyznami
próbki ( w tym przypadku odległymi o 40mm ) . Okno lupy obrazuje  rozciągnięty w czasie  ograniczony
ramką fragment z okna głównego.
- Sprawdzić jak niezwykle istotne jest sprzężenie akustyczne między głowicą emitującą falę a próbką, do
której fala wnika. Pamiętamy, że fala ultradzwiękowa jest fala mechaniczną i może rozchodzić się tylko
w ośrodkach materialnych. Suchy kontakt miedzy głowicą a próbką skutkuje znikomą transmisją fali z
uwagi na chropowatość obu powierzchni. Dopiero warstwa ośrodka sprzęgającego ( np. oleju, smaru,
32
 Ultradzwięki  Laboratorium
żelu, wody ) wypełnia te chropowatości i zapewnia możliwość przekazywania drgań mechanicznych,
czyli propagację fali. Sprawdzić jak wyglądają echa przy suchym kontakcie oraz przez żel dotykając
głowicę ręką z różną siłą nacisku i w różnych miejscach próbki. Powrócić do sytuacji początkowej
sprzęgając głowicę przez żel.
3-cie echo
2-gie echo
Impuls 1-sze echo
 dna próbki
 dna próbki
nadajnika  dna próbki
Po wcześniejszym zapoznaniu się ze skróconym opisem ( na końcu opracowania ) elementów graficz-
nych ekranu zapoznać się z ich działaniem :
- Zaobserwować wpływ położenia suwaka  Zasięg  na rysunek ech oraz skojarzone z oknem skale
odległości [mm] ( albo czasu [źs] ) ;
- Przesuwać ramkę  Lupy  ciągnąc myszką jeden z boków ramki. Jeśli ramka jest niewidoczna można
ją sprowadzić do okna wybierając z lokalnego menu ( prawy klawisz myszki )  Przywołaj ramki  ;
- Zaobserwować wpływ parametrów odpowiedzialnych za energię fali ultradzwiękowej emitowanej przez
głowicę, poprzez manipulację suwakami  Napięcie nadajnika  i  Szerokość  , na kształt i wyso-
kość ech. Ustawić napięcie = 200V. oraz optymalną szerokość. Rozpoczynamy regulację szerokości od
wartości minimalnej  za optimum przyjmujemy wartość szerokości dla pierwszego maksimum wysoko-
ści ech ( zazwyczaj są kolejne maksima ) ;
- Zaobserwować wpływ manipulacji suwakiem  Podcięcie  na echa . Ustawić podcięcie tak aby linia
zerowa sygnału pokrywała się z linią zerową okna z tolerancją 1piksela. Teoretycznie powinno to wy-
padać dla położenia suwaka = 0 % , w praktyce występuje pewna systematyczna odchyłka tego poło-
33
 Ultradzwięki  Laboratorium
żenia od wartości 0 % . Prawidłowe ustawienie podcięcia ma istotny wpływ na wskazania wysokości
ech podczas automatycznych pomiarów monitorowych i pomiarach kursorowych.
- Zaobserwować zmiany ech ultradzwiękowych przy manipulacji suwakiem  Wzmocnienie  . Zastano-
wić się jaki jest cel regulacji wzmocnienia w defektoskopie ? Ustawić ramkę lupy na 2 echo dna. Do-
brać wzmocnienie tak, aby wysokość 2-go echa dna była 0.4 H ( tzn. 40 % wysokości okna ) i zanoto-
wać tę wartość w [dB] . Następnie sprawdzić czy przyrost ( spadek ) wzmocnienia o 6 dB spowoduje
dwukrotny wzrost ( spadek ) wysokości echa. W sprawozdaniu przeprowadzić rachunkowy dowód tego
eksperymentu korzystając z definicji wzmocnienia wyrażonej w [dB] ;
- Zapoznać się z dostępnymi w programie widokami okien, korzystając z opcji menu  Widok  albo z pię-
ciu przycisków widoku ;
- Zapoznać się z dostępnymi w programie typami obrazowanych sygnałów ultradzwiękowych :
1. przełącznik  LIN  albo  LOG  wybiera typ wzmacniacza w odbiorniku defektoskopu-gdzie  LIN
 oznacza odbiornik o charakterystyce liniowej a  LOG o charakterystyce logarytmicznej.
" Jeśli przez Aout oznaczymy amplitudę ( wysokość ) ech rysowanych na ekranie a przez Ain
amplitudę sygnału z głowicy ultradzwiękowej to zależności są takie :
" dla toru liniowego Aout = W x Ain ; gdzie W - regulowane wzmocnienie defektoskopu
" dla toru logarytmicznego Aout = k x log ( Ain ) ; gdzie k - stała ;
" W tym ćwiczeniu odbiornik logarytmiczny nie jest używany. Należy pamiętać, że napis na
przycisku jest w konwencji negacji  jeśli jest napis LOG to aktualnie wybrany jest tor liniowy i
odwrotnie.
2. przełącznik  HF  albo  LF  dotyczy tylko toru liniowego i wybiera typ rysowanego sygnału
gdzie  HF  oznacza tzw. sygnał wielkiej częstotliwości, taki jaki rzeczywiście odbieramy z głowicy
w wyniku oddziaływania z falą ultradzwiękową, a  LF  oznacza tzw. sygnał niskiej częstotliwości,
czyli sygnał HF poddany detekcji i filtracji obwiedni. Zobrazowanie LF ma mniej szczegółów i przy
typowych zastosowaniach defektoskopów, jak wykrywanie wad materiałowych, jest wygodniejsze.
Tu również napis na przycisku jest w konwencji negacji, czyli jeśli jest napis  HF  to aktualnie ry-
sowany jest sygnał typu LF i odwrotnie.
- Zapoznać się ze sposobem przemieszczania bramek monitorów M1 i M2 ( początek, długość , próg )
przez operacje myszką oraz z okienek dialogowych a także z automatycznymi pomiarami położenia
( metodą progową ) i wysokości ech w obszarze bramki. Jeśli bramki są niewidoczne to można je spro-
wadzić do obszaru okna opcją  Przywołaj monitory  z lokalnego menu ( prawy klawisz myszki ). Po-
dwójne kliknięcie na belce monitora otwiera okienka dialogowe monitorów ;
- Zapoznać się z ważną opcją skalowania okien sygnałowych  dostęp z przycisku  Nastawy  lub z me-
nu  Nastawy  Nastawy-Skalowanie  . Osie poziome okien sygnałowych mogą być opisane w jed-
nostkach czasu lub odległości, a przeliczenia są dokonywane z uwzględnieniem parametrów takich jak :
metoda, prędkość fali, kąt wnikania fali, czas korekcji ( opóznienie własne głowicy ) ;
- Każde okno sygnałowe ma możliwość tzw. pomiarów kursorowych  określając położenie kursora
myszki bezwzględnie lub różnicowo względem ustawianych linii odniesienia. Uaktywnianie pomiarów
kursorowych jest dostępne z lokalnego menu ( prawy klawisz myszki )  a część ustawień jest dostępna
w opcji  Właściwości  lokalnego menu.
34
 Ultradzwięki  Laboratorium
9.2 POMIAR CZASU PRZEJŚCIA PODAUŻNEJ FALI ULTRADyWIKOWEJ W ZALEŻNOŚCI OD DROGI
Wybrać drugi zestaw nastaw klikając na przycisku 2 przełącznika 1 & 8 . Obejrzeć objaśnienia do tego
zestawu nastaw. Używając głowicy 4LN13 i wzorca schodkowego zbadać dla wszystkich schodków zależ-
ność czasu przejścia fali oraz pomierzyć grubość schodka  przy włączonej korekcji czasu oraz bez korekcji.
Przechodzenie między odczytami A,B, C, D jest możliwe przez odpowiednie ustawienia w opcji  Na-
stawy- Skalowanie  . Dla pewności można sprawdzić suwmiarką czy podane w tabeli wymiary fizyczne
schodków są prawidłowe.
Wymiar fizyczny schodka h [mm] 40 35 30 25 20 15
Droga fali w próbce s [mm] 80 70 60 50 40 30
A. Czas przejścia t [usek]- korekcja włączona
B. Grubość z pomiaru [mm] - korekcja włączona
C. Czas przejścia t [usek]- korekcja wyłączona
35
 Ultradzwięki  Laboratorium
D. Grubość z pomiaru [mm] - korekcja wyłączona
W sprawozdaniu :
Załączyć tabelę z pomiarami. Narysować wykresy t = f(s) . Korzystając z elementarnej definicji prędko-
ści : V = "S / "t wyznaczyć tę prędkość. Z otrzymanego wykresu a także analitycznie wyznaczyć czas
opóznienia własnego głowicy t0 .
t = t 0 + S / V
gdzie : t - czas przejścia, t0 - opóznienie własne głowicy, S  droga fali , V - prędkość fali
W najdłuższym schodku są dwa cylindrycz-
ne otwory płaskodenne, co łatwo stwierdzić
patrzÄ…c od spodu wzorca schodkowego.
Zakładając, że nie wiemy gdzie są te otwo-
ry - spróbujemy zlokalizować te otwory gło-
wicą od górnej płaszczyzny na podstawie
echa od płaskiego dna otworu. Być może
konieczne będzie zwiększenie wzmocnie-
nia. Po wykryciu zmierzyć przez pomiar
monitorowy albo kursorowy głębokość każ-
dego otworu a następnie skonfrontować to
z pomiarem mechanicznym suwmiarkÄ….
36
 Ultradzwięki  Laboratorium
9.3 POMIAR PRDKOŚCI FAL PODAUŻNYCH W CIAAACH STAAYCH I CIECZACH
Wybrać trzeci zestaw nastaw klikając na przycisku 3 przełącznika 1 ... 8 . Obejrzeć objaśnienia do tego
zestawu nastaw. Używając głowicy 4LN13 i próbek walcowych z różnych materiałów (o wys. 30 mm ) wy-
znaczymy prędkość fal podłużnych bazując na elementarnej zależności :
prędkość fali = droga fali / czas przejścia
V = S / t
Jako drogę fali przyjmujemy podwójną wysokość próbki, a czas przejścia to czas między kolejnymi
echami dna próbki. Czas przejścia będzie wyznaczony wbudowaną w program procedurą korelacyjną.
37
 Ultradzwięki  Laboratorium
W okienku  DSP-Właściwiości DSP  wpisujemy drogę fali 60 mm, następnie wybieramy z menu
 DSP-Korelacja  .
Materiał aluminium stal miedz mosiądz araldit teflon gliceryna woda
Droga fali s [mm] 60 60 60 60 60 60 10 10
Czas przejścia t [usek]
Prędkość fali [m/sek]
W sprawozdaniu :
Załączyć tabelę z pomiarami. Dla każdego materiału obliczyć impedancje akustyczne oraz ile % energii
fali podłużnej padającej z wody prostopadle na próbkę wniknie do t materiału.
- Ustawiamy głowicę na zwilżonej oliwką próbce i dociskamy tak, aby uzyskać dwa kolejne echa dna.
Dobieramy wzmocnienie tak, aby wysokość pierwszego echa dna była ok. 70 ... 90% wysokości okna ;
- Ramki  1  i  2  ustawiamy myszką tak, aby całkowicie obejmowały echa. Całą ramkę przesuwa się
ciągnąc myszką jej górną lub dolną krawędz a szerokość ramki ciągnąc lewy lub prawy bok. Jeśli ramki
są niewidoczne w oknie to przywołujemy jez lokalnego menu opcją  Przywołaj ramki  ;
- Czas przejscia dt = .... [źs] i prędkość fali V = .... [m/s] odczytujemy z pola wyniku nad oknem korelacji ;
- Powtarzamy tę procedurę dla każdej próbki metalowej, czyli dla: stali, aluminium, mosiądzu i miedzi ;
- Próbki z tworzywa sztucznego araldit oraz teflon są materiałami silnie tłumiącym fale o częstotliwości
4 MHz i trudno jest uzyskać wyrazne echa dna, zatem użyjemy głowicy 2LN13 o częstotliwości 2 MHz.
Ustawiamy głowicę na próbce z  araldit  i dobieramy optymalną szerokość i wzmocnienie tak, aby uzy-
skać wysokość pierwszego echa dna ok. 70 ... 90 % wysokości okna. Analogicznie jak poprzednio ram-
ki ustawiamy na pierwsze i drugie echo dna i z pola odczytu notujemy wynik ( dla araldit prędkość fali
jest około 2545 m/s ) . Jeśli drugie echo dna jest bardzo małe, to można je lokalnie wzmocnić stosując
zasięgową regulację wzmocnienia. Przykład edycji krzywej regulacji pokazano na rysunku poniżej.
38
 Ultradzwięki  Laboratorium
- Dla próbki teflonowej postępujemy podobnie jak dla próbki z aralditu, tu jednak tłumienie fal ultradzwię-
kowych będzie jeszcze silniejsze.
Przy pomiarze prędkości fal ultradzwiękowych w cieczach używamy specjalnego uchwytu głowicy zanu-
rzanego w cieczy. Konstrukcja uchwytu zapewnia odbicie wiązki fali od dwóch płaszczyzn odległych od sie-
bie dokładnie o 5 mm . Oznaczmy płaszczyznę czoła głowicy jako ( 0 ) . Na ekranie uzyskamy dwa echa :
pierwsze od płaszczyzny bliższej głowicy ( 1 )  droga fali [ 010 ] a drugie od płaszczyzny ( 2 ) - droga
fali [ 020 ] . Różnica dróg fali w wodzie wynosi zatem "s = 2 x 5 mm = 10 mm . Mierząc czas między
echami metodą korelacyjną możemy obliczyć prędkość fali w cieczy. Warto zauważyć, że w metodzie tej nie
trzeba znać bezwzględnej odległości czoła głowicy od próbki a jedynie wysokość  schodka  ( 5mm ) , która
jest stała i może być bardzo dokładnie określona.
GÅ‚owica
4LN13
0
woda
0-2-
0-1-
1
2
3
39
 Ultradzwięki  Laboratorium
Pomiar prędkości fali ultradzwiękowej w wodzie przeprowadzamy następująco :
- Wybieramy 4 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia. Wybieramy widok  DSP-Korelacja  ;
- Głowicę 4LN13 ( starannie oczyszczoną z oliwki lub żelu !! ) umieszczamy w uchwycie ,wkładamy
do naczynia i nalewamy wody do poziomu jak na rysunku. W opcji  DSP - Właściwości DSP  usta-
wiamy drogÄ™ fali 2x5mm =10mm ;
- Podobnie jak w poprzednich pomiarach korelacyjnych, dobieramy wzmocnienie aby 1 echo miało od
50 % do 90 % wysokości okna, ustawiamy ramki na echach i odczytujemy z pola wyniku korelacji czas
przejścia dt = .... [źs] i prędkość fali V = .... [m/s] ;
- Ten sam eksperyment można powtórzyć z inną cieczą, np.gliceryną.
Warto jeszcze zaobserwować dalsze echa : w widoku wybrać tylko okno główne, ustawić typ zobrazowa-
nia sygnału na LF , zwiększyć zasięg do ok.80 źs, zwiększyć wzmocnienie tak aby uzyskać echa podobne
do obrazu jak na rysunku poniżej. Interesująca jest interpretacja tych ech  podstawowa umiejętność w ba-
daniach ultradzwiękowych. Na rysunku określone są drogi fal dla kilku ech. Korzystając z opcji  Pomiary
kursorowe  zmierzyć położenia ech i określić, jaka jest droga fali dla echa xx .
40
 Ultradzwięki  Laboratorium
f
xx
d
b
e
a
c
a: [ 0 - 1  0 ]; b: [ 0 - 2- 0 ] c: [ 0-1-3-1-0 ]; d: [ 0  2  3  1  0 ] ;
e: [ 0  2  3  2  0 ]; f: [ 0  1  0  1  0 ]; xx: [ 0  ?????????  0 ] ;
9.4 0SZACOWANIE WSPÓACZYNNIKA ODBICIA FALI NA GRANICY OŚRODKÓW
Wybieramy 5 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia.
41
 Ultradzwięki  Laboratorium
Upewnić się, że wybrane jest zobrazowanie LF sygnału w oknach i widok dwóch okien ( główne + lupa
). Wstawić  klocek  aluminiowy do pustego płytkiego naczynia. Do okrągłego wgłębienia klocka wlać kilka
kropel oliwki lub żelu i postawić głowicę 4 LN13  głowicę obciążyć z góry małym ciężarkiem. Ramkę lupy
oraz monitor M1 ustawić tak, aby obejmowały pierwsze echo dna klocka, wybrać widok tylko okna lupy.
powietrze
A
wod
A
Wysokość echa dna H1 jest proporcjonalna do współczynnika odbicia fali na granicy aluminium - po-
wietrze ( R1 H" -1 ) , a fala całkowicie odbije się i wróci w kierunku głowicy :
R1 = (zpow  zAl )/(zpow + zAl.)
ponieważ : zpow <<to R1 H" -1 ,
zatem H1 = k R1 ; gdzie : k  stała .
Jeśli ( nie ruszając głowicy !! ) do naczynia wlejemy wodę tak, aby dno próbki zanurzyło się, to część
fali wniknie do wody a reszta odbije się od granicy aluminium - woda i wróci w kierunku głowicy . Wysokość
echa dna spadnie do wartości H2 i będzie proporcjonalna do współczynnika odbicia R2 :
R2 = ( zwody  zAl ) / ( zwody+ zAl. )
ponieważ zwody = 1.48x106 [kg/m2s] oraz zAl. = 17.28x106 [kg/m2s] to :
R2 H" - 0.8573
oraz : H2 = k R2
Stosunek wysokości ech jest równy współczynnikowi odbicia fali na granicy aluminium-woda :
H2 / H1 = k R2 / k R1 = - R2
Spróbujmy zmierzyć doświadczalnie współczynnik R2 i porównać wynik z obliczeniem teoretycznym
( R2 H" - 0.8573 ) . Do pomiaru wysokości ech użyjemy automatycznego pomiaru monitorowego.
- Dla granicy aluminium - powietrze ( puste naczynie ) regulując wzmocnienie ustawiamy wysokość echa
na ok. 90% wysokości okna. Z okienka wyników monitorowych notujemy H1 = ... ;
42
 Ultradzwięki  Laboratorium
- Wlewamy wodę tak, aby zanurzyć dno klocka ( uważać aby nie poruszyć głowicy !! ) - wysokość
echa nieco spadnie bo część fali przejdzie do wody a reszta wróci do głowicy. Notujemy H2 = ... ;
- Obliczamy współczynnik odbicia fali R2 = - H2 / H1 .
9.5 OBSERWACJA ECH OD FAL PODAUŻNYCH PADAJCYCH POD KTEM NA GRANIC
OŚRODKÓW
Wybieramy 6 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia.
Używając głowicy 4LN13 i specjalnej próbki aluminiowej w kształcie klina sprawdzimy, czy kąt padania
fali na granicę aluminium  powietrze jest równy kątowi odbicia. Oczywiście sprawdzenie to będzie tylko dla
jednego kÄ…ta ( 45° ) .
- Ustawiamy głowicę na zwilżonej oliwką powierzchni  0  klina ( w środku ) . Pomimo że nie ma możli-
woÅ›ci bezpoÅ›redniego odbicia fali od narożnika ( 90° ) na ekranie otrzymujemy wyrazne echo. Zatem
fala odbija siÄ™ dwukrotnie pod kÄ…tem 45° i wraca do gÅ‚owicy - ( droga 0-1-2-0 na rysunku poniżej ) .
Ustawić wysokość echa na ok. 90% wysokości okna przez dobór wzmocnienia i zmierzyć położenie
echa pomiarem monitorowym. Sprawdzić, czy położenie to jest równe połowie obliczonej geometrycz-
nie drogi 0-1-2-0 .
43
 Ultradzwięki  Laboratorium
0
80 mm
45
45
klin aluminiowy
powierzchni 2
1
90
0-1-2-
0-1-2-0
0-1-2-0-2-1-0
0-1-2-0-2-1-0
?
- Odsunąć gÅ‚owicÄ™ w kierunku narożnika ( 45° ) na klinie. ZwiÄ™kszamy wzmocnienie o kilka ( 8 ... 10 ) dB
. Obserwowane echo pochodzi od pięciokrotnego odbicia fali ( droga 0-1-2-0-2-1-0 ) . Analogicznie jak
poprzednio zmierzyć położenie echa i sprawdzić, czy położenie to jest równe połowie obliczonej geo-
metrycznie drogi 0-1-2-0-2-1-0 . Dlaczego przy przesuwaniu głowicy położenie echa nie zmienia się ?
- Odwrócić klin w podstawce i przyłożyć głowicę do zwilżonej oliwką płaszczyzny 1 albo 2 . Jaka będzie
droga fali w tym przypadku dla obserwowanego echa ?. Potwierdzić rozumowanie przez porównanie
położenia echa i połowy długości obliczonej geometrycznie drogi fali.
W sprawozdaniu :
Dla punktów 1 , 2 , 3 naszkicować drogę fali ultradzwiękowej w klinie. Porównać zmierzone położenie
echa z obliczoną geometrycznie długością drogi fali.
9.6 OBSERWACJA ECH OD FAL POPRZECZNYCH PRZY BADANIU GAOWIC SKOÅšN
Wybieramy 7 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia.
44
 Ultradzwięki  Laboratorium
PodÅ‚Ä…czamy gÅ‚owicÄ™ skoÅ›nÄ… 45° ( np. gÅ‚owica 2T45A15 firmy Unipan ) i ustawiamy na wzorcu schod-
kowym.
- Po zwilżonej oliwką powierzchni prowadzimy
a
powoli głowicę obserwując echa na ekranie 
czynność wykonujemy dla obu kierunków pe-
netracji ( rys. a i b). Wyjaśnić drogę fal dla ob-
serwowanych ech ;
b
- Zaobserwować różnice w położeniu ech przy
włączonej i wyłączonej korekcji czasu głowicy
( opcja  Nastawy - Skalowanie ) ;
- Przy wybranym skalowaniu  mm (Y)  i włą-
c
czonej korekcji, sprawdzić czy poprawnie iden-
tyfikowana jest głębokość schodków ( naroży )
w pomiarach monitorowych ;
- Zaobserwować echa przy przesuwaniu głowi-
d
cy skośnej po powierzchni klina ( rys. c ) ;
- Zaobserwować zmianę wysokości echa przy
skręcaniu głowicy ( rys. d ) .
45
 Ultradzwięki  Laboratorium
9.7 OBSERWACJA ECH OD FAL POWIERZCHNIOWYCH PRZY BADANIU GAOWIC POWIERZCH-
NIOW
Wybieramy 8 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia. Podłączamy głowicę fal powierzchniowych ( np.
głowica 2S15 firmy Unipan ) zwilżamy żelem tylko w jednym punkcie pod głowicą i ustawiamy na wzorcu
schodkowym jak na rysunku.
Fale powierzchniowe rozchodzą się tuż pod powierzchnią materiału wnikając na niewielka głębokość.
Każde ostre załamanie powierzchni oraz każda płaszczyzna prostopadła do kierunku propagacji fali (np.
pęknięcie powierzchniowe ) spowoduje jej odbicie i powrót do głowicy - dając echa krawędzi lub pęknięć
prostopadłych do powierzchni. Fakt, że fala biegnie po powierzchni powoduje, że jest tłumiona przez wszel-
kie przeszkody na tej powierzchni. Nawet kilka kropel wody ( żelu ) na drodze fali albo przyłożenie palca na
drodze fali spowoduje stłumienie ech. Możemy w ten sposób zidentyfikować, od których krawędzi pochodzą
echa, przesuwajÄ…c palcem po powierzchni na drodze fali.
10. ZARYS OBSAUGI PROGRAMU
Pełny opis obsługi programu i systematyczny przegląd wszystkich opcji programowych wraz z komenta-
rzem jest dostępny w instrukcji obsługi defektoskopu UMT-17. Poniżej podano tylko elementarne informacje
do obsługi programu.
Operowanie myszkÄ…
Program jest zaprojektowany tak, aby w większości przypadków dał się obsługiwać równolegle za po-
mocą myszki i klawiatury ( pewne operacje są dostępne przy użyciu tylko klawiatury albo tylko myszki ) .
Program rozróżnia trzy rodzaje akcji przeprowadzanych przez operatora za pomocą myszki :
- przesuwanie myszki - ruch jest odwzorowany na ekranie za pomocÄ… ruchu tzw. kursora myszki ;
-  kliknięcie " - akcja polegająca na szybkim wciśnięciu i zwolnieniu lewego klawisza myszki ;
- " ciągnięcie " - akcja polegająca na przesuwaniu myszki przy wciśniętym lewym klawiszu.
46
 Ultradzwięki  Laboratorium
Elementy ekranu w programie
Pasek narzędzi
Okno sygnałowe lupy
Wykres sygnału
Linia odniesienia
Okno sygnałowe
Suwaki nastaw
Ramka lupy
Bramka
główne
monitora
Pola odczytów
- pole odczytów wyników pomiarów w bramkach monitorów
- pole odczytów kursorowych
- pole odczytów wyników operacji DSP (korelacja, widmo,..)
Struktura Menu głównego
Program zawiera hierarchiczną strukturę tzw. MENU , w której wyliczone jest większość operacji prze-
prowadzanych przez program. Dzięki niej można odnalezć akcję, którą ma podjąć program i spowodować
aby ta akcja została wykonana. Na rysunku pokazano opcje z menu głównego. Każda z opcji jest rozwijana.
Menu lokalne
Kliknięcie prawym klawiszem myszki w obszarze okna sygnałowego otwiera menu lokalne do przepro-
wadzenia różnych ustawień okna i pewnych wybranych operacji ( np. Drukuj ) . Kliknięcie prawym klawiszem
myszki na przełączniku wyboru zestawu nastaw ( 1 ... 8 ) daje dostęp do objaśnień tego zestawu. Objaśnie-
nia są w postaci zdjęcia i opisu tekstowego  przykład na zdjęciu poniżej.
47
 Ultradzwięki  Laboratorium
Pasek narzędzi
Wskazując kursorem przycisk paska narzędzi pojawia się podpowiedz do czego służy dany przycisk.
Na rysunku pokazano opis grup przycisków paska narzędzi.
Wybór zestawu nastaw 1..8
Zapis/Odczyt
Nastawy
W ramach wczytanej definicji
wyników
Zapis/ Zmrożenie/
Wybór rodzaju
Wybór widoku
Odczyt Odmrożenie
sygnału
definicji sygnału
Ekranowe obszary aktywne
Wiele parametrów nastaw sprzętowych defektoskopu oraz różnych parametrów liczbowych w progra-
mie możliwe są do ustawienia w dualny sposób : z klasycznych okien dialogowych dostępnych z menu albo
przez operacje na aktywnych elementach graficznych okien. Np, wzmocnienie defektoskopu można ustawić
z okienka dialogowego ( menu : Nastawy  Nastawy - Nadajnik/Odbiornik  Wzmocnienie  ) albo ciÄ…-
gnąc myszką aktywny element graficzny jakim jest suwak wzmocnienia. W programie dualny dostęp do pa-
rametrów jest wzajemnie uaktualniany, tzn. regulacja z okienka dialogowego uaktualnia położenie suwaka i
na odwrót.
Aktywne elementy graficzne są następujące :
- suwaki  zmiana wartości przez ciągnięcie suwaka przy wciśniętym lewym klawiszu myszki. Dodatkowo
klikanie z lewej lub prawej strony uchwytu suwaka powoduje zmianę wartości z precyzyjnym skokiem.
- bramki monitorów - najeżdżając kursorem myszki na obszar monitora kursor zmienia postać. Przesu-
wanie całego monitora możliwe jest przez ciągnięcie myszką poziomej belki monitora. Zmiana początku
lub końca monitora realizowana jest przez ciągniecie myszką jego krańców. Podwójne klikniecie na
belce monitora otwiera dostęp do okienka dialogowego nastaw monitorów. Jeśli monitor jest poza ob-
szarem okna to można go sprowadzić z lokalnego menu wybierając Przywołaj monitory  ;
48
 Ultradzwięki  Laboratorium
- ramka lupy - ciągnąc myszką dowolną krawędz ramki lupy przemieszczamy ją w obszarze okna głów-
nego. Szerokość ramki lupy jest uzależniona od zasięgu i nie jest swobodnie regulowana. Ramka lupy
może być poza widzialnym obszarem okna  jeśli trzeba można ja sprowadzić do okna z lokalnego me-
nu wybierając  Przywołaj ramki  ;
- ramki w opcji DSP Korelacja   dwie ramki 1 i 2. Przesuwanie przez ciągnięcie górnej krawędzi ram-
ki, zmiana szerokości przez ciągnięcie pionowych krawędzi ramki. Szerokości obu ramek są równe,
zmiana w jednej uaktualnia szerokość w drugiej. Analogicznie jak wyżej, gdy ramki są poza obszarem
okna głównego można je sprowadzić z lokalnego menu wybierając Przywołaj ramki  ;
- ramka w opcji DSP  Transformata Fouriera  albo  Gęstość widmowa   jedna ramka DFT. Zmia-
na położenia i szerokości przez ciągnięcie krawędzi ramki jak dla korelacji.
- linie odniesienia dla pomiarów kursorowych - zmiana położenia linii przez ciągniecie linii myszką. Jeśli
linie odniesienia są poza oknem to sprowadzamy je do okna z lokalnego menu  Przywołaj linie od-
niesienia  ;
- skale poziome okien sygnałowych ( [mm] , [źs] , [MHz] )  ciągnąc myszką za  cyfry  opisu skali uak-
tualniamy rozciÄ…g liczbowy skali.
Okienka dialogowe nastaw
Opcja nastaw ma cztery zakładki.
Zakładka  Nadajnik/Odbiornik  grupuje wszystkie ustawienia związane z torem analogowym defek-
toskopu. Większość pól tej zakładki jest oczywista. Skomentujemy tylko niektóre :
- Tłumienie  wybór rezystora tłumiącego elektrycznie głowicę ultradzwiękową. Mniejsza wartość rezy-
stora skraca szerokość impulsów ( ech ) poprawiając zdolność rozdzielczą, ale jednocześnie spada
amplituda sygnału z głowicy ;
- Sygnał - to jest wybór rodzaju sygnału rysowanego w oknach.  m.cz.  odpowiada sygnałowi po detek-
cji natomiast  w.cz.  sygnałowi wielkiej częstotliwości. Dostęp do tego wyboru jest też z paska narzę-
dzi  przycisk  LF  HF  ;
- Częst. dolna i górna - wybór pasma przenoszenia odbiornika ;
49
 Ultradzwięki  Laboratorium
- Stała czasu - stopień filtracji obwiedni dla sygnału po detekcji.
Zakładka  Monitory/DAC  grupuje ustawienia związane z położeniem bramek monitorów oraz okre-
śla zakres aktywności krzywej DAC ( początek i koniec ) .
Zakładka  Skalowanie  grupuje ustawienia związane z przeliczeniami  czas - odległość  .
- Pole  Skala  - określa w jakich jednostkach są opisane skale poziome okien sygnałowych ;
- Pole  Korekcja czasu przejścia w głowicy   umożliwia wprowadzenie poprawki do skalowania
okien tak, aby wynik pomiarów odpowiadał rzeczywistym wymiarom badanego obiektu.
Zakładka  Sygnał  grupuje ustawienia związane z zakresem obserwacji w oknie głównym i oknie lupy
oraz sposobem akwizycji sygnału.
50
 Ultradzwięki  Laboratorium
- Pole  Okno główne   umożliwia wprowadzenie zasięgu obserwacji i opóznienia zobrazowania. Do-
stęp do tych parametrów jest też możliwy przez manipulacje suwakiem zasięgu i paskiem przewijania
okna głównego.
- Pole  Lupa   określa położenie ramki lupy w oknie głównym. Tryb lupy określa z czym związany jest
początek ramki lupy. W trybie swobodnym ramkę przesuwa się ciągnąc myszką jej krawędz albo wpisu-
jąc opóznienie lupy. Można też związać początek ramki lupy z wybraną bramką monitora.
- Pole  Akwizycja sygnału   umożliwia włączenie uśredniania sygnałów ultradzwiękowych co czę-
ściowo eliminuje szumy i zakłócenia. Jest to szczególnie użyteczne przy pracy z małymi sygnałami ( np.
małe wady, duże tłumienie fal w materiale ) gdzie trzeba używać dużych wartości wzmocnień i wtedy
istotne są szumy własne wzmacniacza w odbiorniku.
Operacje wczytywania i zapisywania definicji
Wszystkie nastawy sprzętowe defektoskopu oraz parametry liczbowe dla programu
dotyczÄ…ce konkretnego zadania pomiarowego sÄ… zgrupowane w jednym zbiorze i
przechowywane w postaci tzw. definicji pomiarowej. Definicja przechowywana jest w
lokalnej bazie danych programu. Zapisując definicję zapamiętujemy te wszystkie ustawienia, wczytując defi-
nicję wprowadzamy do defektoskopu i programu ustawienia zrobione wcześniej. Definicja identyfikowana
jest przez unikalną nazwę. Trzy przyciski na pasku narzędzi dają dostęp do okien dialogowych zarządzania
definicjami - z obsługą typową jak w środowisku Windows.
Operacje zapisu , przeglądania i eksportu wyników pomiarowych
Program ma wbudowaną wewnętrzną bazę danych do zapisu okien sygnałowych z
wynikami pomiarów, oraz przeglądarkę do analizy tych wyników. Trzy przyciski na pa-
sku narzędzi umożliwiają dostęp do tych opcji  obsługa jest typowa jak dla programów w środowisku Win-
dows.
51
 Ultradzwięki  Laboratorium


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
cw 42
MATLAB cw Skrypty
Nowe techniki?dan ultradzwiekowych
Cw 4 Nowe mierniki i zdrowie publiczne
Cw 6 Wlasciwosci gleb Skrypt19 (1) (1)
skrypt kr cw 1 5
Cw 2 Nowe mierniki
8 37 Skrypty w Visual Studio (2)
42 30 Marzec 2000 Dialog na warunkach
cad2 cw 5 6
syst oper skrypty 2
cw formularz
Cw 2 zespol2 HIPS
Cw 9 Wzmacniacz mocy

więcej podobnych podstron