Elektroakustické metody I. - ultrazvuk VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Ing. Petr Cikrle, Ph.D. Elektroakustické metody I. - ultrazvuk FAKULTA STAVEBNÍ Ústav stavebního zkušebnictví

Obsah přednášky 1) Úvod – Přehled elektroakustických metod, definice, využitelnost v praxi 2) Podstata ultrazvuku, teoretické základy vlnění 3) Ultrazvuková metoda průchodová 4) Stanovení vlastností betonu – stejnorodost, modul pružnosti, pevnost v tlaku 5) Defektoskopie betonu 6) Závěr

Elektroakustické metody Charakteristiky šíření vlnění jsou vázány na ty fyzikálně mechanické vlastnosti, jimiž lze vyjádřit závislost mezi napjatostí a deformací materiálu: Moduly pružnosti v tahu a tlaku Edyn a smyku Gdyn Poissonův součinitel ndyn Útlumové charakteristiky Vazba na pevnosti je problematická

Přehled metod EA - NDT Impulsní metody: 1) tlumeného rázu (tuhost vozovek), 2) impact -echo 3) akustická emise, 4) ultrazvuková, 5) rezonanční. Spojité metody: 5) rezonanční, 6) vibrační metoda příčného kmitání, 7) fázových rychlostí 8) mechanické impedance.

ad 2) Metoda impact-echo Kladívkem se vyvodí ráz a současně se spustí měření času

ad 2) Metoda impact-echo (kladívková) Pružný impuls (čelo vlny) se šíří materiálem

ad 3) Metoda akustické emise Princip: V zatěžovaném prvku vznikají mikroporuchy, které vyvolávají mechanické impulsy dilatačních vln. vlny se šíří prostředím a jsou snímány piezoelekt. snímači; vznikají i akustické šumy z vnějšku (třeba je oddělit); lze určit polohu vznikajících trhlin a během zatěžování sledovat jejich případný rozvoj; možnost stanovení dosavadní historie zatěžování - Kaiserův efekt: pokud je napětí nižší než v minulosti bylo, neregistrujeme žádné nové vzruchy. vyhodnocení není zcela bez problémů

METODA ULTRAZVUKOVÁ Součást nauky o vlnění, jehož frekvence leží nad slyšitelnou oblastí pro lidské ucho Infrazvuk < 16 Hz Zvuk 16 Hz až 16 kHz (technicky 20 kHz) Ultrazvuk 20 kHz až 100 MHz Hyperzvuk nad 100 MHz

Ultrazvuková impulsní metoda ve stavebnictví Spočívá v opakovaném generování mechanických impulsů (nad 20 kHz), vlnění impulsní - 1 pracovní frekvence sond ve stavebnictví kmitočty od 20 do 500 kHz,

Příklady využití UZ ve stavební praxi Je možné zkoušet malé vzorky v laboratoři, větší prvky i přímo celé konstrukce. Moduly pružnosti dynamické → statické Stejnorodost - soubor vzorků, po výšce průřezu, stejnorodost v rámci celé konstrukce Zrání materiálu – nárůst pevností cementu, betonu Mrazuvzdornost – poruchy vnitřní struktury Poruchy a defekty, trhliny

Stručné teoretické základy EA metod: Vlnění Rozruchem dochází ke změně polohy částic, každá částice se posouvá z původní rovnovážné do mezní polohy, částice se vlivem pružnosti prostředí vrací přes rovnovážnou polohu až dosáhne opačné mezní polohy, kmitá, až se utlumí, Amplituda U - mezní vzdálenost od rovnovážné polohy, perioda kmitu T: doba jednoho kmitu, kmitočet (frekvence) f: počet kmitů za sekundu f=1/T

Vznik vlny a vlnění Hmotné body jsou vzájemně vázány vazbami Kmitavý pohyb se postupně přenáší mezi sousedními částicemi Dochází ke zhuštění a zředění částic Za další okamžik dojde k posunu zhuštění a zředění ve směru rozruchu – šíří se tlaková vlna

Druhy vlnění Podélné Příčné Povrchové (Rayleighovo)

Fázová rychlost vlnění Rychlost pružné vlny v jednorozměrném prostředí - pruty, tyče - a výpočet modulu pružnosti:

Fázová rychlost vlnění Rychlost pružné vlny v trojrozměrném (neohraničeném) prostředí (konstanta k3):

Poissonův poměr n Poměr mezi příčnou a podélnou deformací při jednoosém namáhání Pro různé materiály různý od 0,00 do 0,50! Pro beton uvažovat buď n = 0,20, anebo podle rezonanční metody, anebo norma ČSN 73 1371 pod čarou uvádí n = 0,24

Rozměrnost prostředí Podélné prostorové v prostředí neohraničeném a, b, c  2 l Podélné přímkové v tyčích a, d nebo t  0,2 l Podélné plošné vlnění v tenkých deskách tloušťka t  0,2 l Povrchové Rayleighovo

Ukázky měření přístrojem TICO

Možnosti prozvučování se dvěma sondami

Ukázky měření přístrojem TICO

Postup ultrazvukového měření Vytyčení měřicí základny - délka L akustický vazebný prostředek (gel, plastelína) kalibrace přístroje etalonem - čas etalonu tE, etalon změřen UZ přístrojem tME mrtvý čas tKOR = tME - tE měření doby průchodu UZ materiálem tL korigovaná doba průchodu ti = tL - tKOR

Vyhodnocení UZ měření Vyhodnocení rychlosti šíření impulsů UZ vlnění Dynamický modul pružnosti v tahu/tlaku k je souč. rozměrnosti Pevnost betonu v tlaku: zatím spíše orientačně

Rychlost šíření vlnění Rychlost šíření UZ: Vlnová délka:

Posouzení rozměrnosti prostředí Vlnová délka: Prostředí je jednorozměrné, jestliže pro rozměry vzorku, kolmé ke směru šíření ultrazvuku platí: a, b, nebo d  0,2 . , pak platí vL = vL1. Prostředí je trojrozměrné, jestliže platí: a, b, nebo d  2 . , pak platí vL = vL3

Součinitel rozměrnosti k3 Tab. 1 (ČSN 73 1371)

Délka vlny při dané rychlosti Vlnová délka: Příklad: UZ se betonem šíří rychlostí 4000 ms-1 frekvence sond: 20 40 80 160 kHz délka vlny: 200 100 50 25 mm Běžně dodávané sondy: 24, 37, 54, 82, 150 kHz

Příklad výpočtu modulu Ebu 1. Vypočtěte rychlost šíření impulzu ultrazvukového vlnění v betonové stěně tloušťky 100 mm když víte, že naměřená doba průchodu impulzu UZ vlnění je 26,1 ms, doba průchodu impulzu UZ vlnění etalonem je 111,7 ms a časová charakteristika etalonu je 109,8 ms.

Příklad výpočtu rozměrnosti prostř. 2. Určete rozměrnost prostředí u betonového vzorku s rozměry d=100 mm, L=200 mm. Při měření impulzů UZ vlnění v podélném směru byla rychlost jejich šíření 4050 m/s a jmenovitá frekvence použité sondy 150 kHz. d  2 .   100  2 * 27  trojrozměrné

Příklad výpočtu modulu Ebu 3. Impulzová rychlost šíření podélného UZ vlnění v betonu je 4050 m/s. Objemová hmotnost tohoto betonu je 2200 kg/m3. Vypočtěte jeho dynamický modul pružnosti v tlaku.

Stanovení pevnosti v tlaku z UZ Kalibrační vztah mezi rychlostí šíření UZ vlnění a pevností v tlaku musí mít srez maximálně 12%. obecné vztahy (min. 300 vzorků) – chyba 30-50% směrné vztahy (min 100 vzorků) – chyba 25-30% určující úzké – 1 třída, 18-24 vzorků, chyba do 20% určující široké – více tříd, chyba do 15% Velký vliv má kamenivo! – proto moc nefunguje obecný ani směrný vztah.

Kalibrační vztah pro pevnost v tlaku Pro Moravu (záp. Slovensko) vztah v ČSN 73 1371: vL3 se dosazuje v km/s; Platí pro betony stáří 28-56 dnů.

Závislost mezi rychlostí šíření UZ vlnění a pevností v tlaku betonu (ČSN 73 1371)

Kalibrační vztah ÚSZK VUT v Brně.

Defektoskopie betonu

Příklad znázornění kvality betonu prostřednictvím izovel – čar o stejné rychlosti šíření UZ vlnění

Příklad znázornění dutin uvnitř betonu – masivní bloky

Ultrazvuková metoda - závěr Výborná zejména pro zjištění stejnorodosti betonu Dynamický modul pružnosti betonu, výhoda in situ! Ideální pro prvky přístupné z obou stran – trámy, sloupy Pro pevnost v tlaku je metoda spíše relativní, přesná kalibrace je možná pro určující vztah, obecná je obtížná. Je možné vizualizovat změny ve struktuře. Ačkoliv je čistě NDT, přece jen umožňuje identifikovat „problém“ uvnitř struktury.