Akustická emise

1.Přehled akustických měření

 Pojem akustická emise se označuje fyzikální jev, při němž pozorujeme akustické signály vysílané mechanicky nebo tepelně namáhaným tělesem, a zároveň diagnostickou metodu založenou na tomto jevu.
Od pradávna se k orientačnímu posouzení změny kvality tělesa užívá známé poklepání, na cihlu, keramiku apod. Na základě odezvy tělesa na tento úder “slyšíme” případnou změnu vlastní frekvence tělesa a z té usuzujeme na skrytou vadu. Soudobé akustické metody testování nejsou tolik subjektivní, jsou založeny na přesnějších měřících postupech (zejména co se týče buzení a příjmu zvuku).

Akustické metody rozdělujeme podle způsobu buzení a příjmu vlnění. Zvukové vlnění je generováno koherentně nebo inkoherentně. Častěji se využívá generace koherentního zvuku s přesně definovanými frekvencemi a fázovými rozdíly. K vybuzení akustických vln užíváme některou z elektromagneticko-mechanických interakcí (např. piezoelektrický, piezomagnetický jev, elektrostrikci apod.). Pro detekci lze kromě výše uvedených interakcí využít piezooptické interakce, v některých případech dokonce elektron-fononové interakce či jiné vhodné kvantové interakce.
Inkoherentní zvuk bývá buzen převážně stochastickými dynamickými procesy, například plastickou deformací, elektrickým výbojem, tepelným šumem, nepružným rozptylem záření ve zkoumaném tělese. V posledních letech analýza částečně inkoherentního zvukového vlnění nabývá na významu, označuje se také jako metoda akustické emise. Oba typy generace a detekce zvukové vlny se mohou realizovat bezkontaktním způsobem ( obvykle v rezonátorech), nebo kontaktním způsobem prostřednictvím vhodné kapalné látky (např. silikonového oleje, gelů apod.).
Akustické metody lze ovšem roztřídit také z hlediska toho, zda jde o měření využívající stojatých či postupných vln.

Metody využívající stojatých vln se nazývají rezonanční metody. Základními veličinami při měřeních se stojatými vlnami v režimu vynucených kmitů jsou rezonanční frekvence, činitel jakosti, perioda doznívajících kmitů a logaritmický dekrement útlumu. Na tomto principu pracují především akustické spektrometry.

Metody založené na postupném vlnění, případně na vlnových pulsech, zjišťují hlavně fázové a grupové rychlosti, koeficient absorpce, zpoždění signálu, frekvenční spektra a další.

2.Akustická emise
Akustická emise patří k pasívním inkoherentním metodám, využívá postupných vlnových pulsů. Signály akustické emise doprovázejí dynamické procesy v materiálu, projevují se jako postupné elastické vlnění.Zdrojem těchto vlnových balíků jsou náhlá uvolnění energie v materiálu. Tento proces provází deformační, lomové, resp. fázové přeměny v materiálu. Běžně jej můžeme pozorovat v zimě, posolíme-li kus zledovatělého povrchu, po chvíli slyšíme praskání doprovázející lokální ochlazení a následné borcení ledu.
Akustická emise je nedestruktivní pasívní metodou, to znamená, že neovlivňuje měřený objekt a podává integrální informace o momentálním dynamickém stavu materiálu, což je její nesporná výhoda. Jak už to bývá má na druhé straně také nevýhody, tou hlavní je dosud neobjasněnost způsobu vzniku emisních balíků a tedy nemožnost jednoznačné interpretace měření, další nevýhodou je příliš malá energie mnohých akustických pulsů, čímž tyto pulsy zanikají v šumovém pozadí detektoru.

3.Experimentální uspořádání
Frekvenční i amplitudové pásmo akustické emise je rozsáhlé od jednotek Hz (seizmická měření) po vysoké ultrazvukové frekvence. Měřením akustické emise zjišťujeme počet a tvar vlnových pulsů, jejich rychlost, útlum, odraz, násobnost dráhy, dozvuk atd.
Tvar pulsu a pokles amplitudy záležejí na kombinací geometrických a materiálových vlastností zkoumaného vzorku. Kompozitní materiály vzkazují vyšší akustický útlum než oceli.Vzorky s převládajícím podélným rozměrem mají slabou odezvu i při relativně velkém signálu.Vlny akustické emise se odrážejí v nespojitostech a na hranicích měřeného objektu. Například vlnový balík v oceli na rozhraní s vodou předá 13 % energie vodě a 87 % energie se vrátí zpět do oceli. Geometrická a materiálová kombinace silně ovlivňuje tuto energetickou bilanci. Je-li materiál dostatečně rovný a geometrické nespojitosti jsou malé, odrazů nemusí být mnoho, přesto při vyhodnocování se tento vliv vždy bere v úvahu. Doba, po kterou zachytíme daný akustický puls, dozvuk, rovněž záleží na konkrétním uspořádání vzorku a na nastavení citlivosti měření.V kovech budou mít signály zachytitelný průběh po několik milisekund, v kompozitech to jsou sotva milisekundy. Na obrázku vidíme typický záznam emisního vlnového balíku ,jde o tepelně namáhaný stavební materiál.

 

Snímače akustické emise, převádějící balíky vln akustické emise na elektrické signály, jsou obvykle keramické piezoelektrické snímače, případně rezonanční snímače s daným rozsahem frekvencí (30kHz, 300kHz). Širokopásmové snímače využíváme jen pro orientační zjištění frekvenčního spektra. Nižší frekvence akustické emise sledujeme v kompozitech, potrubích, betonu, kdežto vyšší frekvence zjišťujeme při měřeních nad šumovým pozadím nebo při omezení detekčního rozsahu. K zabezpečení dobrého akustického přenosu nanášíme mezi snímač a materiálem pojidlo, směs vody a rozpustného glycerinu či speciální “nadzvukové” lepidlo.

Analýza a zobrazení signálu se obvykle provádí až po ukončení vlastního měření,tj. po cyklech registrování jednoho nebo několika soubežných pulsů. Jestliže systém snímačů detekuje několik balíků akustické emise během jistého předem daného času, můžeme za určitých okolností předpokládat, že pulsy vycházejí z jednoho zdroje akustické emise (tedy mají tutéž příčinu).Ve vzorcích, kde převažuje délkový rozměr, lze lokalizovat zdroj emise dvěma způsoby. U "bodové" lokalizace jsou časové rozdíly příchodu pulsů akustické emise k různým snímačům užity k výpočtu souřadnic zdroje akustické emise. Použijeme-li "zónové' lokalizace, vycházíme pouze z pořadí příchodů pulsů akustické emise k jednotlivým snímačům. Výhodou "zónové" lokalizace je, že informace je dostatečná , i když pulsy detekuje pouze jeden snímač. V "zónové" lokalizaci je každý zdroj signálu akustické emise přiřazen "primární zóně", kterou určuje snímač, který jako první detekoval balík akustické emise.
Signály přicházející ze snímače jsou zesíleny, filtrovány a uloženy. Měřící proces systému akustické emise začne okamžikem, kdy hodnota zesíleného a filtrovaného analogového signálu překročí danou prahovou úroveň. Ukončení měření jednoho balíku akustické emise bude provedeno ve chvíli, kdy měřený signál nepřekročil prahovou úroveň během zvolené doby. Následně je balík akustické emise označen a zařízení je připraveno na přijetí dalšího balíku. Nejdelší doba mezi dvěmi následujícími překročeními dané úrovně se volí pro kompozity 100-300 s , pro malé kovové prostory 300-1000 s a pro velké kovové prostory1-10 ms.

Sleduje se řada veličin, namátkou: počet pulsů nad zvolenou hladinou ,amplituda , energie (plocha pod upravenou obálkou balíku). K rozlišení emisních kvant se potřebujeme znát dobu trvání vlnového balíku. Dále měříme dobu náběhu signálu, což je časový interval od prvního překročení prahové hladiny až k maximální výchylce signálu v uvažovaném balíku. Vzhledem k tomu, že rušivý elektromagnetický signál má obvykle dobu náběhu velice krátkou, lze pomocí známé doby náběhu filtrovat tyto rušivé signály a navíc rozlišit vzájemně zdroje signálů akustické emise.

Průměrná frekvence a okamžik, kdy byl balík detekován ,se zapisují synchronně s hodnotami vnějších parametrů, obvykle zaznamenáváme mechanické napětím nebo teplotu. Na obrázku 1 vidíme typické měření stavebního materiálu v souvislosti s jeho vyhříváním. Z křivky lze odhadnout, že pulsy akustické emise kolem teploty 1000 budou způsobeny lokálními vary vody obsažené v materiálu.

 

Časový rozdíl mezi detekcí "téhož" balíku vln akustické emise různými snímači je používán pro lokalizaci zdroje akustické emise.
Snímače jsou definovaně rozmístěny s respektem na geometrický tvar a akustický útlum měřeného tělesa. Útlum byl měl být menší než 20 dB. Emisi u kovů měříme i ve vzdálenostech několika metrů, u kompozitů jsme vyšším útlumem omezeni na kratší vzdálenosti.
Systémy pro měření akustické emise mají možnost připojení vnějších signálů. Tyto signály ("parametrické" vstupy) bývají odvozeny ze zatěžovacích čidel, teplotního čidla, tlakového měniče, slouží ke sledování možných okamžitých příčin vzniku akustické emise.

Metoda akustické emise se dnes běžně používá v průmyslových závodech pro určení vzniku a rozšiřování prasklin, změnu poddajnosti, k odhalování tvorby plastické zóny před prasknutím, vzniku únavy, koroze, tečení, rázového lomu apod. Ovšem z fyzikálního hlediska zůstává v akustické emisi řada dosud neobjasněných faktů.