NDO met ultrasoon onderzoek

P.A. Austin en R.J. McLaury
 

Als onderdeel van het ontwerpen voor een 'veilige levensduur', was het de bedoeling dat een constructie gedurende zijn levensduur geen macroscopische defecten zou ontwikkelen, waarbij detectie van een dergelijk defect oorzaak werd voor het uit dienst nemen van het betreffende werkstuk. Als gevolg hiervan werden er steeds geavanceerder technieken ontwikkeld op basis van ultrasoon geluid, wervelstromen, röntgenstralen, penetrant, magnetische deeltjes en andere vormen van detectie.  In de het begin van de jaren '70 van de vorige eeuw deden zich twee gebeurtenissen voor die voor een grote verandering zorgden. De voortgaande verbetering van de technologie, met name op het gebied van het detecteren van kleine defecten, leidde tot de onbevredigende toestand dat er steeds vaker werkstukken moesten worden afgekeurd, zelfs als de waarschijnlijkheid van breuk onveranderd was gebleven. Het was ook de tijd waarin de breukmechanica van zich deed spreken, waarmee het mogelijk werd om te voorspellen of een scheur van gegeven afmetingen zou leiden tot een breuk bij een bepaalde belasting als een materiaaleigenschap, namelijk de breuksterkte, bekend was. Andere wetten werden ontwikkeld om de groeisnelheid van scheuren onder wisselende belasting (vermoeiing) te kunnen voorspellen.


Met de komst van deze gereedschappen werd het mogelijk om constructies te accepteren die defecten bevatten, zolang de afmetingen van deze defecten maar bekend waren. Dit vormde de basis voor de nieuwe filosofie van 'fail safe' of 'damage tolerant' ontwerpen. Werkstukken met bekende defecten konden in gebruik blijven zolang er kon worden vastgesteld dat deze defecten niet zouden uitgroeien tot kritische, tot breuk lèidende afmetingen. De niet-destructieve onderzoeksgemeenschap werd dus geconfronteerd met een nieuwe uitdaging. Er moest kwantitatieve informatie worden vergaard omtrent defectgrootte om te kunnen dienen als gegeven voor breukmechanische voorspellingen aangaande de restlevensduur. Deze wensen, die vooral sterk werden gevoeld in de defensie en kernenergie industrie, leidde tot de creatie van een aantal onderzoeksprogramma's overal ter wereld en het verschijnen van kwantitatieve niet destructieve evaluatie als een nieuwe discipline. In de jaren die volgden, werd veel voortgang geboekt. Kwantitatieve theorieën zijn ontwikkeld om de wisselwerking tussen de instrumenten en de defecten te kunnen beschrijven. Modellen die berusten op dergelijke gegevens zijn geïntegreerd in modelbeschrijvingen van geometrieën van reële werkstukken om te kunnen komen tot het simuleren van werkelijke inspecties.



Kwantitatieve beschrijvingen van NDO-mogelijkheden, zoals de waarschijnlijkheid van detectie, zijn een integraal onderdeel gaan vormen van statistische risicobepaling. Meetprocedures die aanvankelijk zijn opgezet voor metalen zijn nu uitgebreid tot andere materialen zoals composieten, waar anisotropie en inhomogeniteit belangrijke vraagstukken vormen. De snelle voortgang in digitalisering en rekencapaciteit hebben het aanzien   van tal van instrumenten sterk doen veranderen. Dat geldt ook voor het soort rekenschema's dat wordt gebruikt voor het verwerken van de meetgegevens. Beeldsystemen met hoog oplossend vermogen voor het weergeven en karakteriseren van een defect zijn inmiddels ontwikkeld. Er bestaat niet alleen groeiende interesse in het opsporen, karakteriseren en bepalen van de grootte van defecten, maar ook in het karakteriseren van het materiaal waarin ze voorkomen. De doelstellingen variëren van de bepaling van fundamentele microstructuurkenmerken zoals korrelgrootte, porositeit en textuur ( voorkeursoriëntatie van de korrels), tot materiaaleigenschappen gerelateerd aan zulke breukiJlechanismen als vermoeiing, kruip en breuksterkte, bepalingen die soms een zware wissel trekken op het vermogen om concurrerende effecten van elkaar te kunnen onderscheiden.

Accoustiek is de studie van tijdsafhankelijke vervormingen of trillingen in materiaal. Elk materiaal bestaat uit atomen, die in een trillende beweging rondom hun evenwiehtspositie kunnen worden gedwongen. Op atomaire schaal bestaan er tal van verschillende trillingspatronen. Het merendeel van deze patronen is echter van geen enkele betekenis voor de bestudering van accoustiek, welke zich uitsluitend richt op materiaaldeeltjes die, hoewel klein, vele atomen bevatten, die zich gelijkstemmig bewegen. Als de deeltjes van een medium uit hun evenwichtspositie worden verplaatst, dan worden er inwendige (elektro statische) krachten opgewekt. Het zijn deze krachten die de atomen weer op hun plaats willen duwen, gecombineerd met de traagheid van de deeltjes, die leiden tot oscillerende bewegingen in het medium.
In vaste stoffen, kunnen:
 

Aan oppervlakken en grensvlakken doen zich verscheidene typen elliptische of complexe trillingen voor van de deeltjes. Afbeelding 1 geeft van een en ander een schematische voorstelling.
Niet-destructief onderzoek maakt voornamelijk gebruik van de longitudinale en transversale golven. Sommige geavanceerde technieken gebruiken Rayleigh, Lamb en andere golfvormen.

In een vrij bewegend medium, werken zowel de traagheidskrachten als de elastische herstelkrachten op elk deeltje in. De wisselwerking van deze krachten produceren trillingsbewegingen op een wijze die overeenkomt met de vrije trillingen van een macroscopisch systeem van massa's die onderling zijn verbonden door veren. De de elastische herstelkrachten in een stof kunnen worden beschreven als microscopische 'veer'krachten. Dit concept volgt de wet van Hooke die zegt dat 'binnen elastische grenzen voor elk voorwerp geldt dat de de verhouding van spanning en optredende tek constant is'. De veren uit het model van afbeelding 2 gehoorzamen de tweede wet van Newton: F = ma. Anders geschreven als F = kxa, is dit een betrekking die ook voldoet aan de wet van Hooke. Het verenmodel doet nauwkeurige voorspellingen voor de voortplanting van geluid. De voortplantingssnelheid van geluidsgolven wordt bepaald door de materiaaleigenschappen elastische constanten Cij en de materiaaldichtheid r. De snelheid van een longitudinale golf wordt beschreven door de betrekking:


waarin c11 de elastische constante is die de trillingsbeweging in de richting van de golfvoortplanting beheerst. Voortplanting van transversale golven kan worden beschreven met:

waarin c44 de elastische constante is die de trillingsbeweging in de transversale richting beheerst.


Afbeelding 1 Golfvormen in vaste stof.


Afbeelding 2 Model voor elastische bewegen van deeltjes in een vaste stof.

In lucht plant geluid zich voort door samendrukking en verdunning van de luchtmoleculen in de voortplantingsrichting. In vaste stof daarentegen kunnen de moleculen ook bewegingen in andere richtingen doorgeven, zodat er dus sprake kan zijn van een aantal verschillende soorten geluidsgolven. Tabel 1 geeft een overzicht van enkele golfvormen die in vaste stof kunnen optreden. Piëzo-elektrische overdragers zijn ontworpen om longitudinale en transversale golven op te wekken, de werkpaarden van het NDO. Longitudinale piëzo-elektrische overdragers kunnen ook Rayleigh-(oppervlakte)golven opwekken, plaat-golfvormen, zoald Lamb- en Lovegolven, alsmede nog enige andere golfvormen. EMAO's kunnen net als piëzo-elektrische overdragers, een groot aantal verschillende golfvormen opwekken.



Tabel 1 Overzicht van golfvormen met bijbehorende deeltjes bewegingen.


Afbeelding 3 Verband tussen ultrasone geluidsgolflengtes, frequentie en voortplantingssnelheid.

Elke mechanische golf bestaat uit afzonderlijke materiaaldeeltjes. Op voorwaarde dat een materiaal niet onder spanning staat door samendrukking of trek tot boven zijn elastische grens, voeren zijn afzonderlijke deeltjes elastische trillingen uit. Afbeelding 3 illustreert de aard van longitudinale en transversale golfvoortplanting, de twee meest gebruikte vormen van ultrageluid die bij NDO worden gebruikt. De afbeelding toont ook het verband tussen ultrasone golflengte, frequentie en voortplantingssnelheid.

Het verband tussen defectdetectie en ultrageluidgolflengte spreekt niet vanzelf. Het ligt voor de hand om aan te nemen dat als de golflengte van het ultrageluid te groot is, er defecten met afmetingen die veel kleiner zijn dan de ultrageluidsgolflengte niet worden gevonden. Bij detectie van een defect zijn veel factoren gemoeid, anders dan het verband tussen golflengte en defectgrootte. Geluid wordt aan een defect teruggekaatst als zijn (het defect) accoustische impedantie verschilt van die van het omringende materiaal. Vaak bevat het materiaal elkaar beconcurrerende reflecties, bijvoorbeeld microstructuurkorrels in metalen aggregaten in beton. Een goede maat voor de detecteerbaarbeid van een defect is zijn signaal-ruisverhouding (SIN-verhouding); dat is het signaal van het defect tegen de achtergrondreflecties (gecategoriseerd als ruis). Het absolute ruisniveau en de absolute sterkte van een echo van een klein defect hangen af van een aantal factoren:

 

De volgende formule geeft het verband tussen de variabelen die van invloed zijn op de SIN-verhouding van een defect:





Er zij hierbij gewezen op een aantal fundamentele verbanden. De SIN-verhouding en daarmee de dereeteerbaarheid van een defect:

 

Het mag bekend zijn dat de geluidsenergie 'afneemt met de afgelegde weg. Verzwakking is de afname van de geluidsenergie met de afstand. In ideaal materiaal wordt de geluidsdruk (signaalamplitude) alleen verminderd door de spreiding van de golf. Natuurlijk materiaal produceert een effect dat het geluid nog verder verzwakt. Deze verdere verzwakking is het gevolg van twee grondoorzaken: verstrooiing en absorptie. Het gecombineerde effect van verstrooiing en absorptie is verzwakking. Verzwakking van geluid is in het algemeen evenredig met het kwadraat van de geluidsfrequentie. Verzwakking zelf is vaak van weinig of geen belang, maar natuurlijke eigenschappen en belastingscondities kunnen echter in verband woren gebracht met verzwakking. Verzwakking dient vaak als een maatgereedschap dat leidt tot de vorming van theorieën om fysische of chemische verschijnselen te verklaren die de ultrasoonintenisteit verlagen. Ultrasone verzwakking is de afnamesnelheid van mechanische straling bij ultrasone frequentie als deze zich voortplant door materiaal. Een afnemende vlakke golf kan worden uitgedrukt als:




waarin a de verzwakking voorstelt van de golf die in de z-richting loopt met voortgangsconstante k = 2π/l en golflengte l. De hoekfrequentie van de golf is wen wordt gedefinieerd als w = 2πf Hertz (fis de frequentie).

Geluid plant zich voort door een stof onder invloed van geluidsdruk. Omdat moleculen of atomen van een vaste stof elastisch met elkaar zijn verbonden, resulteert de overmaat aan druk in een golfbeweging door de vaste stof. De accoustische impedantie Z van een materiaal wordt gedefinieerd als de dichtheid r en de geluidssnelheid v van dat materiaal volgens:

Z = rv


Accoustische impedantie is van belang vanwege:
 

Aan de hand van afbeelding 5 kan de accoustische impedantie van elk materiaal worden berekend als zijn dichtheid (r) en zijn geluidssnelheid (v) bekend zijn. Er kunnen ook twee stoffen worden vergeleken, waarbij wordt gekeken naar hoe ze geluidsenergie terugkaatsen en en doorlaten. De rode pijl stelt de energie van het teruggekaatste geluid voor en de blauwe pijl de energie van het doorgelaten geluid. De teruggekaatste energie is het kwadraat van het verschil, gedeeld door de som van de accoustische impedanties van beide stoffen volgens:




Merk op dat de doorgelaten geluidsenergie plus de teruggekaatste geluidsenergie gelijk is aan 1.

Ultrasone golven worden teruggekaatst aan grensvlakken waar zich vervormingen in de accoustische impedantie Z voordoen. De fractie van de invallende golfintensiteit in de teruggekaatste golven kan worden afgeleid omdat de deeltjessnelheid en lokale deeltjesdruk continu moeten zijn aan de grens tussen beide stoffen. Formulering voor accoustische terugkaatsings- en doorganscoëfficiënten (druk) zijn weergegeven op afbeelding 6. De rode pijl stelt het teruggekaatste geluid voor en de blauwe pijl het doorgelaten geluid.



Afbeelding 4 Golfvorm en frequentieverloop in geval van een gedetecteerd defect.


Afbeelding 5 Berekeningsvoorbeeld voor accoustische impedantie.



Afbeelding 6 Voorbeeld van terugkaatsing en doorlating van ultrasone geluidsgolven.
 

Licht en geluid worden beide gebroken als ze van het ene medium overgaan naar het andere, waarbij elk medium een andere brekingsindex bezit. Omdat licht wordt gebroken aan grensvlakken, lijken voorwerpen die zichtbaar zijn via een grensvlak verschoven zijn ten opzichte van de plaats waar ze zich werkelijk bevinden. Als je bijvoorbeeld recht omlaag kijkt naar een voorwerp op de bodem van een glas water, dan lijkt het dichterbij te zijn dan het in werkelijkheid is. Een goede manier om zichtbaar te maken hoe geluid wordt gebroken is om met een zaklantaarn in een kom met licht troebel water te schijnen en daarbij te letten op de brekingshoek ten opzichte van de hoek van inval. De geluidssnelheid in elk materiaal wordt bepaald door de materiaaleigenschapen (in het geval van geluid: elasticiteitsmodulus en dichtheid). Als geluidsgolven doorgaan tussen twee stoffen met verschillende geluidssnelheden, vindt er breking plaats aan het grensvlak. De wet van Snellius stelt de verhouding van de materiaalsnelheden v1 en v2 gelijk aan de verhouding van de sinus van de hoek van inval (ql) en de sinus van de terugkaatsingshoek (q2). De teruggekaatste golf is weergegeven in blauw op afbeelding 7. De kritische hoek kan uit de wet van Snellius worden afgeleid, door voor de teruggekaatste straal een hoek van 90° in te vullen. Voor elke hoek van inval die groter is dan de kritische hoek kan de wet van Snellius niet worden gebruikt voor het berekenen van de hoek van terugkaatsing. Bij de kritische hoek van inval, wordt veel van de accoustische energie omgezet in een Rayleigh-oppervlaktegolf. De tweede kritische hoek doet zich voor als een voor de tweede maal gebroken transversale golf een waarde bereikt van 90°.



Afbeelding 7 Toepassingsvoorbeeld van de wet van Snellius.

Afbeelding 8 Voorbeeld van modusconversie.
 

In contrast met de optica, kan er met geluid een nieuw verschijnsel optreden waarbij een soort golf kan worden omgezet in een andere, bijvoorbeeld longitudinale in transversale en vice versa. Modusconversie, de omzetting van de wijze waarop een geluidsgolf zich voortplant, doet zich voor aan het grensvlak tussen stoffen met verschillende impedanties. Op de afbeelding is ook het pad van de transversale golf weergegeven. In het voorgaande werd er op gewezen dat de snelheid van geluid in elk materiaal wordt bepaald door de materiaaleigenschappen(elasticiteitsmodus en dichtheid). Als geluid het grensvlak tussen stoffen met verschillende geluidssnelheden passeert dan treedt er breking op aan het grensvlak. De zwarte en blauwe lijnen stellen de longitudinale golfas voor. De rode lijn stelt de in modus omgezette transversale golf voor.

Een van de essentiële kenmerken van ultrasone metingen is de mechanische koppeling tussen de overdrager, doorgaans een piëzo-elektrisch schijfje, en de vaste stof waarvan de eigenschappen of structuur worden bestudeerd. Deze koppeling wordt in het algemeen op een van twee manieren tot stand gebracht. Bij onderdompelingsmeringen wordt er energie overgedragen tussen de overdrager en het monster door beide in een met vloeistof (meestal water) gevulde tank te plaatsen. Bij contactmetingen wordt de overdrager recht· streeks tegen het monster gedrukt en vindt er koppeling plaats via een dunne vloeistoflaag die tussen beide aanwezig is. Als er afschuivingsgolven moeten worden overgedragen, moet de vloeistof beschikken over een aanzienlijke viscositeit. Elektromagnetische accoustische overdragers (EMAO's) fungeren volgens totaal andere fysische principes. Als er een draad, waardoorheen een stroom wordt gestuurd met de gewenste ultrasone frequentie, in de buurt van het oppervlak van een elektrisch geleidend voorwerp wordt geplaatst, dan wordt er in dat deel van het oppervlak dat zich in de buurt van de draad bevindt een wervelstroom opgewekt. Als er tevens een magneet aanwezig is, dan ondervindt deze wervelstroom een Lorentz-kracht van de vorm


F = j xB

waarin F een kracht is per eenheid van volume, j is de opgewekte dynamische stroomdichtheid en B is de statische magnetische inductie. De belangrijkste toepassing van EMAO's is bij het nietdestructief karakteriseren van materiaaleigenschappen en het opsporen van fouten. De koppelingsvrije werking staat gebruik toe zonder contact te maken bij bijvoorbeeld hoge temperaturen of afgelegen plaatsen. De spoel- en magneetstructuur kan zodanig worden gekozen dat er complexe golfpatronen en polarisaties worden opgewekt die met door vloeistof gekoppelde piëzoelektrische sondes moeilijk zouden zijn te realiseren. Bij het trekken van conclusies over materiaaleigenschappen uit nauwkeurige snelheids- of verzakkingsmetingen, kunnen door gebruik te maken van EMAO's de fouten bij contactmetingen, die het gevolg zijn van variaties in het koppelmedium, worden uitgesloten.

Hieronder (afbeelding 9) zijn een aantal praktische EMAO-opstellingen weergegeven. Praktische EMAO-ontwerpen zijn betrekkelijk smal van uitvoering en vereisen sterke magnetische velden en hoge stroomsterktes om ultrasoongeluid op te wekken dat dan nog vaak zwakker is dan ultrasoongeluid dat met piëzo-elektrische overdragers wordt geproduceerd. Zeldzame-aarden zoals samarium-kobalt en neodymium ijzer-borium worden vaak gebruikt voor het opwekken van voldoende sterke magnetische velden, die ook kunnen worden opgewekt met gepulste elektromagneten. De EMAO biedt vele voordelen die zijn gebaseerd op koppelstofvrije werking. Deze voordelen zijn onder andere het werken op afstand bij hoge snelheden en hoge temperatuur, om polarisaties te verkijgen die niet mogelijk zijn met met vloeistofgekoppelde piëzo-elektrische elementen en om zeer consistente metingen te realiseren. Deze voordelen worden dan weer afgezwakt door de lage efficiëntie en de ingwikkeldere elektronica.

 
Lamb-golven komen overeen met longitudinale golven, dus met verdichting en verdunning van materie, maar begrensd door het plaatoppervlak waardoor er een golfgeleidereffect ontstaat, zie afbeelding 10.

Afschuifgolven hebben een inherente polarisatierichting die afhangt van hoe ze zijn opgewekt. Op afbeelding 11 zijn horizontaal gepolariseerde afschuifgolven weergegeven die zich voortplanten langs de lengte van een plaat.

Afbeelding 9 Diverse EMAO-opstellingen.


Afbeelding 10 Schematische voorstelling van een Lamb-golf.


Afbeelding 11 Schematische voorstelling van een afschuifgolf.