کاربرد آکوستیک امیشن یکی از مقدمه‌های جدید در صنعت ارزیابی غیر مخرب (NDE) است. این تکنیک برای رفع محدودیت‌های فناوری‌های NDE (Non Destructive Evaluation) قبلی در برنامه‌ها یا کاهش هزینه‌های مالی ارزیابی معرفی شد. در اواخر دهه 1970 و اوایل 1980 نیاز به ارزیابی مناسب بودن AE برای استفاده در کاربردهای مهندسی توسط برخی گروه‌های جدید از محققان  ژاپن، اروپا و ایالات متحده آمریکا عنوان شد. تعریف آکوستیک امیشن توسط ASTM E1316 (2014) این است: “کلاس پدیده‌هایی که در آن امواج الاستیک گذرا با آزاد شدن سریع انرژی از یک منبع یا منابع محلی در یک ماده یا موج(های) گذرا تولید می‌شوند.” . انتشار آکوستیک یا انتشار موج تنش همانطور که اغلب نامیده‌می‌شود، امواج صوتی را توصیف می‌کند که در نتیجه آزاد شدن سریع انرژی به دلیل تغییرات ریزساختاری که در مواد رخ می‌دهد پدیدار می‌شوند.

الزامات بازرسی

ابزارهای رایج مورد استفاده در AE شامل پیش تقویت کننده‌ها، تقویت کننده‌ها، فیلترها، حسگرها و سایر تجهیزات جمع آوری‌داده، تجزیه و تحلیل و ذخیره‌سازی مانند رایانه‌ها، اسیلوسکوپ‌ها و ولت مترها هستند. پیش تقویت کننده‌ها برای جلوگیری از، از دست دادن سیگنال و کاهش تداخل ناشی از نویز استفاده می‌شوند. در حالی که سنسورهای پیزوالکتریک برای تبدیل امواج مکانیکی AE به ولتاژ الکتریکی استفاده می‌شوند. هدف کلی اندازه‌گیری تعیین پارامترهای مختلف AE مانند محدوده فرکانس (کنترل‌شده توسط فیلترها) است که در سیستم با مشاهده و اندازه‌گیری عملکرد تقویت کننده‌ها و سنسورهای AE وجود دارد. اینها مکانیسم‌های بسیار مفیدی برای تشخیص نویز محیطی و برای شناسایی زوال از طریق اندازه‌گیری پارامترهایی مانند رویداد، شمارش، انرژی لحظه، حداکثر دامنه، ضربه، انرژی، اختلاف زمان رسیدن، ولتاژ RMS (ریشه میانگین مربع)، هستند.

مروری بر پارامترهای شکل موج آکوستیک امیشن

در دهه‌های 1950 و 60، محققان به بررسی موارد ضروری آکوستیک امیشن پرداختند. ابزار دقیقی را به‌ویژه برای AE ایجاد کردند و رفتار AE منابع متعدد را در نظر گرفتند. در دهه 1970، مطالعاتی برای توسعه بیشتر هماهنگ و هدایت‌شده از طریق ساخت گروه‌های کاری انجام شد و استفاده از آن به عنوان یک فرآیند NDT برای کاربردهای صنعتی همچنان افزایش یافت. در طول دهه 1980، کامپیوتر به عنوان یک جزء اساسی برای ابزار دقیق، بررسی داده‌ها توسعه یافت و امروزه فرصت‌هایی را که برای مطالعه و بهبود در نظر گرفته شده‌اند، افزایش داده است. امروزه، بررسی آکوستیک امیشن مبتنی بر شکل موج معمولی است و تغییراتی در دستاوردهای AE از طریق اهمیت بیشتر در کاربردها نسبت به مطالعه وجود دارد.

دو نوع تحلیل را می توان توسط AE در نظر گرفت. یکی شکل موج تحت حوزه زمانی است که مربوط به پارامتر اصلی در حوزه زمانی آزمایش است. دومی شکل موج حوزه فرکانس است که پارامتر های سیگنال را با فرکانس ثبت شده آتی تحت آزمایش در نظر می‌گیرد. پارامتر های اندازه‌گیری سیگنال که به طور گسترده در بررسی سیگنال AE استفاده می‌شود، تعداد، مدت، دامنه، زمان افزایش و ناحیه اندازه‌گیری شده زیر پوشش سیگنال اصلاح‌ شده‌است. که انرژی نسبی نیز نامیده می‌شود. همانطور که در شکل 1 مشخص است.

شکل 1 : رویدادهای گسیل صوتی ثبت‌شده

  • دامنه: با A نشان داده‌می‌شود و بالاترین پیک سیگنال ولتاژ را نشان می‌دهد. این مشخصه مهم یکسان است زیرا آشکارا میزان قابل تشخیص بودن رویداد AE را کنترل می‌کند. دامنه سیگنال AE بلافاصله با بزرگی منبع مرتبط است و در محدوده وسیعی از میکرو ولت تا ولت متفاوت است. دامنه‌های AE معمولاً در مقیاس دسی بل ذکر می‌شوند. برای مثال 1 میکروولت در مبدل به صورت 0 دسی بل، 10 میکروولت به عنوان 20 دسی بل و 100 میکروولت به عنوان 40 دسی بل تعریف می‌شود.
  • شمارش: شمارش ها معمولاً با N ارائه می شوند. وقتی دامنه سیگنال بزرگتر از آستانه باشد، تعداد پالس های ساطع شده توسط مدار اندازه گیری به صورت N تعریف می‌شود.
  • بازدیدها: هنگامی که یک سیگنال از آستانه فراتر می رود، در نتیجه یک کانال سیستم داده‌ها را جمع آوری می کند، این سیگنال به عنوان ضربه شناخته می‌شود و یک رویداد AE را توصیف می‌کند. تعداد رویدادها یا بازدیدها در هر زمان نرخ رویداد را تعیین می‌کند. هم تعداد بازدیدها و هم تعداد شمارش، مقدار یک فعالیت AE را تعیین می‌کند.
  • مدت زمان: فاصله زمانی بین یک سیگنال و زمانی که به زیر مقدار آستانه کاهش می یابد، به عنوان مدت زمان سیگنال شناخته می شود.
  • انرژی MARSE: مساحت اندازه‌گیری‌شده پوشش سیگنال اصلاح‌شده به عنوان MARSE شناخته می‌شود و گاهی با E نشان داده‌می‌شود و به عنوان شمارش انرژی از آن یاد می‌شود. این ناحیه ناحیه زیر پوشش سیگنال است که از حسگر تصحیح و اندازه گیری می‌شود. انرژی بر تعداد ارجحیت دارد زیرا به دامنه و همچنین مدت زمان حساس است و کمتر به موقعیت آستانه و فرکانس عملکرد متکی است.

انرژی مطلق (واقعی) نیز حاصل از تقسیم سیگنال ولتاژ مربع بر مقاومت مرجع 10 کیلو اهم در طول مدت زمان بسته به شکل موج گسیل صوتی است. این پارامتر انرژی واقعی یک رویداد AE را از سیگنال های گذرا یا بازه سرعت داده مشخص سیگنال های AE پیوسته را نشان می‌دهد.

  • زمان افزایش: زمان افزایش با R ارائه می شود و فاصله زمانی بین حداکثر دامنه سیگنال انفجار و اولین عبور از آستانه را مشخص می کند. این پارامتر اغلب زمانی استفاده می‌شود که فرآیندهای وابسته به زمان مانند ارتعاش یا بارگذاری دینامیکی درگیر هستند.
  • آستانه: آستانه نوعی پارامتر تنظیمی است که برای حذف نویزهای الکترونیکی پس زمینه استفاده می شود. هدف اصلی آن حذف هر چه بیشتر نویز پس زمینه است. با این حال، باید تعادل برقرار شود تا آستانه سیگنال‌های ضعیف اما مفید را نیز حذف نکند، زیرا نویزهای پس‌زمینه با دامنه کم مشخص می‌شوند.

کاربرد آکوستیک امیشن در مهندسی

چندین صنعت مانند تولید برق، پالایشگاه‌ها، سازه‌ها (جرثقیل‌ها، پل‌ها)، خطوط لوله، هواپیما و غیره از AE برای آزمایش‌های غیرمخرب در عملیات خود استفاده می‌کنند. از زمان ظهور آن در آلمان در دهه 1950، AE بطور گسترده‌ای به خصوص در زمینه‌های کنترل کیفیت در عملیات تولید و نظارت بر فرآیند استفاده شده‌است. سیستم‌های AE همچنین کاربردهای بسیار مفیدی از سازه‌های کامپوزیتی مانند مواد پیشرفته هوافضا، پلاستیک‌های تقویت‌شده و فایبرگلاس هستند و همچنین می‌توانند در کاربردهای تحقیقاتی و کنترل کیفیت در عملیات‌های تولیدی مورد استفاده قرار گیرند.

  • ساخت

استفاده از AE به عنوان یک تکنیک مانیتورینگ برای عملیات ماشینکاری دارای مزایای زیادی است که یکی از آنها توانایی آن در تمایز بین نویزهای محیطی و ارتعاشات ماشین از سیگنال های AE به دلیل محدوده فرکانس بالا و حساسیت سیگنال های AE است و در نتیجه از آن جلوگیری می کند.

این مشخصه سیگنال AE را به یکی از ارجح ترین ابزارهای مورد استفاده برای نظارت بر فرآیند تبدیل کرده است. سیگنال AE حاصل که به طور مداوم به دلیل اصطکاک بین ابزار و قطعه کار تولید می شود، اطلاعات غنی در مورد فرآیند برش را ارائه می دهد.

شکل 2 : کاربرد سنسور در مقابل سطح دقت و کنترل

  • عمران

روش دیگری که برای اجرای یک استراتژی مشخصه آسیب برای اهداف تعمیر و نگهداری در سازه های مهندسی استفاده می شود، پایش سلامت سازه (SHM) است. SHM از تکنیک آکوستیک امیشن در تشخیص ترک‌های اولیه در سازه‌ها استفاده می‌کند. این انرژی متکی بر امواج فراصوت با فرکانس بالا است که انرژی تولید می‌کند که به سرعت از یک ماده ساطع می شود، درست از مرحله اولیه تا پیشرفت ترک‌ها. این تکنیک نظارت بر سازه‌ها را در زمان واقعی امکان‌پذیر می‌سازد، در نتیجه آن را قادر می‌سازد تا سیگنال‌های ناشی از ترک‌ها را به‌محض وقوع سریع تشخیص دهد. دو نوع اساسی از استراتژی های نظارت AE که می توانند اعمال شوند، استراتژی های نظارت محلی و جهانی هستند. استراتژی نظارت جهانی به ارزیابی کل یکپارچگی ساختار کمک می کند، در حالی که استراتژی نظارت محلی به منطقه آسیب خاصی مربوط می شود.

کاربرد آکوستیک امیشن در چندین ارزیابی سیستم لوله‌کشی فلزی و پلاستیک‌های تقویت‌شده با فایبرگلاس (FRP)، پل های بتنی، تشخیص زودرس ترک، خستگی مشهود است.

  • هوافضا

کاربرد آکوستیک امیشن پس از بکارگیری آن در توسعه موتورهای موشک کامپوزیت الیاف شیشه تقویت‌شده که در سال 1962 برای Polaris A3 تقریباً استفاده شد، در مرکز توجه قرار گرفت. تغییرات AE برای اولین بار توسط مهندسان Aerojet مورد توجه بود، که انتشارهای مختلف را از شکست الیاف، شکست بین لایه و شکست رزین شناسایی کردند. بنابراین منجر به اصلاح فرآیندهای تولید شد، به عنوان مثال، تنش برشی می تواند کاهش یابد.

کاربرد و اهمیت اجزای ساختاری کامپوزیت به ویژه در هواپیماهای تجاری مانند (B787، ایرباس A380، F35، تایفون) به دلیل ویژگی‌های مقاومت برتری که نسبت به خواص فلزی دارند، رو به افزایش است. کاربردهای نظارت AE در آزمایش‌های مکانیکی در کامپوزیت‌های پلیمری مشهود است که با الیاف ، شیشه یا کربن تقویت شده‌اند. در این مطالعات از کاربرد کلاسیک NDT استفاده کردند که در مراحل مختلف با تجزیه و تحلیل پیشرونده صدا با هدف پذیرش یا رد مواد تنش برای اندازه‌گیری و محلی‌سازی آسیب انباشته شده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

مشکلات متعددی در استفاده از اجزای کامپوزیت توسط NDE/NDT در طول فرآیند ساخت، شرایط پرواز، SHM و بازرسی های خدماتی وجود دارد. آزمایش‌های متعددی در آزمایشگاه‌ها برروی اجزای کامپوزیتی بزرگ به‌ویژه در دهه‌های گذشته برای سازه‌های هواپیما انجام شده‌است. افزایش و کاربرد متفاوت کامپوزیت‌ها در هواپیماهای نظامی و تجاری مختلف در شکل 3 نشان داده‌شده‌است.

کاربرد آکوستیک امیشن در هواپیما

شکل 3 : نسبت کامپوزیت ها در وزن هواپیمای ساختاری طی دهه گذشته در هواپیماهای تجاری و نظامی

سخن آخر

روش آکوستیک امیشن روش بسیار موثری برای پایش و تشخیص شکستگی و شکست مواد است. آکوستیک امیشن یک روش NDT است که اجازه می‌دهد تا انرژی صوتی ساطع‌شده از مواد به دلیل تغییرات مکانیکی یا فیزیکی بدون هیچ ورودی انرژی شناسایی شود. این یک روش بسیار کارآمد برای تشخیص خستگی و برای درک رفتارهای شکستگی در چوب، فلزات، بتن، سرامیک، کامپوزیت، فایبرگلاس و پلاستیک است. AE و NDT برای پیگیری رفتار شکست انواع مختلف مواد استفاده میشوند. این قابلیت اطمینان تکنیک ها را نشان داد که می توان از آنها در سازه های بزرگ استفاده کرد.

 

دانلود مقاله کاربرد آکوستیک امیشن در مهندسی

print