مطالعه تغييرات سرعت امواج فراصوتي طولي و عرضي با تغيير دما

Study of the Variations of Longitudinal and Transverse Ultrasonic Wave Velocities with Changes in Temperature

آزمون غيرمخرب فراصوتي روشي است توانمند كه علاوه‌بر شناسايي عيوب سطحي و دروني قطعات، قادر است خواص مكانيكي و ساختاري مواد را نيز اندازه‌گيري كند. يكي از خواص مهم ماده، سرعت صوت (يا فراصوت) در آن ماده است. سرعت صوت نقشي اساسي در بازرسي‌هاي غيرمخرب فراصوتي ايفا مي‌كند، به طوري كه وجود خطا در اندازه‌گيري سرعت، موجب ايجاد خطا در اندازه‌گيري ضخامت مي‌شود. هر چند در دماهاي معمولي تغييرات سرعت صوت با دما ناچيز است، ولي در دماهاي بالا بايد حتماً تاثير دماي قطعه بر سرعت صوت لحاظ شود. در اين مقاله، يك روش تجربي ساده و كم‌هزينه براي اندازه‌گيري سرعت امواج فراصوتي طولي و عرضي در يك نمونه استوانه‌اي از جنس فولاد St37 در دماي بالا، ارايه شده است. به منظور محافظت از تراگذار فراصوتي و دور نگه داشتن آن از سطح داغ نمونه از يك موج‌بر خاص، كه براي همين منظور طراحي و ساخته شده است، استفاده مي‌شود. با استفاده از روش فراصوتي عبوري و با به‌كارگيري اين موج‌بر، تغييرات سرعت امواج فراصوتي در محدوده دمايي 160 oC - 40 اندازه‌گيري شده است. نتايج به‌دست‌آمده از آزمايش‌ها با داده‌هاي تيوري مقايسه و عدم قطعيت مقادير اندازه‌گيري شده محاسبه شده است. عدم قطعيت سرعت امواج فراصوتي طولي و عرضي، با احتمال %95، به ترتيب m/s 0.01 ±و m/s 0.003 ± به‌دست آمده است. نتايج آزمايش‌ها تطابق بسيار خوبي با داده‌هاي تيوري دارد.

Ultrasonic nondestructive testing is a powerful tool for detection of defects as well as characterization of various properties of materials. In ultrasonic testing, it is very important to know the exact wave velocity in the material because most measurements somehow depend on wave velocity. Many other characteristics of materials such as elastic constants also depend on wave velocity. While variations of wave velocity in ambient temperatures are very small, these variations could be noticeable at high temperatures. In this paper, a simple and innovative experimental method is proposed for measurement of ultrasonic wave velocities at high temperatures. To keep the ultrasonic probe far from the hot sample, a special waveguide is designed. The wave velocity measurements are performed by pulse-echo ultrasonic testing technique and variations of ultrasonic wave velocities at temperatures ranging from 40oC to 160 oC are investigated. It is observed that the velocity of ultrasonic waves decrease with increase in temperature. Experimental results are compared with theory and measurement uncertainties are calculated. These uncertainties are ±0.01 m/s and ±0.003 m/s for longitudinal and transverse wave velocities, respectively. The theoretical and experimental results agree very well.