آزمون غیر مخرب آکوستیک اِمیشن Acoustic Emission 

آزمون آکوستیک امیشن Acoustic Emission یا نشر صوتی یک روش نوین و پیشرفته در زمینه‌های آزمون غیر مخرب (Nondestructive testing) است. این روش در محدوده گسترده‌ای از کاربردهای قابل‌استفاده آزمون‌های غیر مخرب نظیر بازرسی مخازن تحت ‌فشار فلزی، سیستم‌های لوله‌کشی، راکتورها و غیره گسترش ‌یافته است. از این روش می‌توان برای تشخیص و موقعیت‌یابی عیوب مختلف در سازه‌های تحت بار و اجزای آن‌ها استفاده کرد. نوع کاربردها شامل ردیابی ترک، خوردگی، عیوب جوش و تردی ماده است.

تفاوت اصلی با روش‌های التراسونیک یا پرتونگاری

آزمون آکوستیک امیشن یک تکنیک غیرفعال است که پالس‌های فراصوتی منتشرشده به‌وسیله منابع مختلف درون ماده را در لحظه وقوع آن تحلیل می‌کند. تفاوت اصلی آن با روش‌های التراسونیک یا پرتونگاری نیز همین است، درحالی‌که در این دو روش برای به دست آوردن اطلاعات راجع به قطعه موردنظر نیاز به اعمال انرژی خارجی است، در روش آکوستیک انرژی آزادشده از ماده موردنظر مرجعی برای کار بازرسی است. همچنین تست های آکوستیک امیشن علاوه بر توانایی اجرا بر روی تجهیزات جدید ، قابل پیاده سازی بر روی تجهیزات در حال سرویس هم هستند.

تعریف آکوستیک امیشن

تخلیه سریع انرژی از یک منبع متمرکز در درون جسم باعث ایجاد امواج الاستیک گذرا به‌صورت صوت و انتشار آن‌ها در ماده می‌شود؛ این پدیده را اکوستیک امیشن می‌نامند، این امواج در ماده سیر می‌کنند و به سطح آن می‌رسند. آزمون غیر مخرب به روش آکوستیک امیشن شامل دریافت این امواج و تحلیل آن‌ها به‌منظور برقراری ارتباط بین امواج دریافت شده و تغییرات ایجادشده بر روی منبع است. با توجه به انتشار امواج از منبع تا سطح ماده، می‌توان آن‌ها را توسط سنسورهایی ثبت کرد و از این طریق اطلاعاتی در مورد وجود و محل منبع انتشار امواج به دست آورد. این امواج می‌توانند فرکانس‌هایی تا چند مگاهرتز داشته باشند.

برای شنیدن صدای مواد و شکست سازه‌ها از سنسورهای اولتراسونیک در محدوده 20 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز استفاده می‌شود. فرکانس‌های متداول در این روش در محدوده 150 الی 300 کیلوهرتز هستند. کاربرد این روش تنها به بازرسی غیر مخرب قطعات، تجهیزات و سیستم‌های مختلف محدود نمی‌شود؛ به‌علاوه می‌توان از آن برای تخمین عمر قطعات و تجهیزات بهره گرفت.  هم‌چنین از این روش می‌توان برای آشکارسازی و مکان‌یابی تخلیه‌های جزئی ولتاژ در مبدل‌های بزرگ، تحقیق و بررسی خصوصیات و مشخصات مواد، زمین‌شناسی و تحقیق میکرو ارتعاش‌ها استفاده کرد.

اصول بازرسی به‌وسیله آزمون آکوستیک امیشن

نیروهای اعمال‌شده به قطعه باعث تحریک آن و ایجاد تنش‌های مختلفی می‌شود. این تنش‌ها باعث ایجاد منابعی می‌شود که امواج فراصوتی انتشار می‌کنند. به‌عنوان‌مثال می‌توان به شکل‌گیری ترک اشاره کرد.  امواج تولیدشده در تمام جهات بدون توقف منتشر می‌شوند.

انتشار امواج آکوستیک تا سطح قطعه یعنی جایی که سنسورها نصب شده‌اند ادامه می‌یابد و به‌وسیله سنسورها ثبت‌شده و به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌گردد. به وقوع پیوستن اتفاق امیشن و درنتیجه تولید سیگنال‌های آکوستیک امیشن را فعالیت آکوستیک امیشن می‌نامند. سیستم اکوستیک امیشن این سیگنال‌ها را پردازش می‌کند و آن‌ها را به بسته‌های اطلاعاتی تبدیل می‌کند. درنهایت اطلاعات آماری نظیر مشخصات و موقعیت منابع محاسبه‌شده و به‌صورت نمودارهای گرافیکی و عددی نمایش داده می‌شود تا مورد تفسیر قرار گیرند.

زنجیره فرآیند در آکوستیک امیشن

شکل 1 – مکانیزم کلی کار با سیستم آکوستیک امیشن.

می‌توان این عملیات را طی یک سلسله فعالیت که زنجیره فرآیند نام دارد، به‌صورت زیر، بیان نمود:

1- قطعه آزمون: در اثر بارگذاری‌های موجود، تنش‌های مکانیکی در آن شکل‌ گرفته است.

2- مکانیزم منبع: باعث آزادسازی انرژی الاستیک به‌صورت امواج می‌شود.

3- انتشار موج: امواج از منبع تا سنسورهای نصب‌شده منتشر می‌شوند.

4- سنسورها: موج مکانیکی را دریافت کرده و به سیگنال‌های الکتریکی آکوستیک امیشن تبدیل می‌کنند.

5- کسب داده‌ها: سیگنال‌های الکتریکی به یک مجموعه داده الکترونیکی تبدیل می‌شوند.

6- نمایش داده‌ها: اطلاعات به‌دست‌آمده ثبت می‌شود و بر روی دیاگرام نشان داده می‌شود.

7- ارزیابی نمایشگر: دیاگرام‌های موجود موردبررسی و تفسیر قرار می‌گیرند.

ساختار بارگذاری و فعال شدن منابع آکوستیک

شکل2-نمودار تنش/کرنش فولاد به همراه مجموع رویدادهای آکوستیک ثبت‌شده.

در اثر اعمال نیرو تنش‌هایی در مناطقی از قطعه‌ ایجاد می‌شود و درنتیجه آن قطعه دچار کرنش می‌شود. کرنش در ابتدا به‌صورت برگشت‌پذیر است و اگر نیروی اعمال‌شده کافی باشد، در مناطقی که تمرکز تنش وجود دارد تغییر شکل دائمی ایجاد می‌شود و کرنش ایجادشده پس از حذف نیرو از بین نمی‌رود. تمرکز تنش در قسمت‌هایی مانند نواحی جوش‌ها، تغییرات سطح مقطع، ناپیوستگی‌های سازه و پیرامون ‌ترک‌ها زیاد است و ازآنجایی‌که کرنش هم به‌صورت برگشت‌پذیر و هم به‌صورت دائمی اکوستیک امیشن ایجاد می‌کند، این موارد را می‌توان شناسایی نمود.

ارتباط بین بارگذاری، مدت‌زمان و امواج آکوستیک ساطع‌شده

ارتباط بین میزان انتشار امواج نسبت به تنش اعمال‌شده در نمودار تنش کرنش و نمودار متناظر انتشار امواج که در شکل نشان داده‌ شده به‌خوبی مشخص است. این شکل مربوط به فولاد است. همان‌طور که در شکل 2 مشاهده می‌شود در نواحی تسلیم و شکست قطعه بیشترین نرخ انتشار وجود دارد. با توجه به ‌این موضوع روش آکوستیک امیشن قادر به بررسی و تشخیص تسلیم یک جسم است. علاوه بر این گزارش‌هایی مبنی بر فعالیت آکوستیک امیشن با سطح انرژی بالا،  پیش از آنکه قطعه به حالت تسلیم برسد، وجود دارد و علت آن تسلیم در برخی از نواحی خاص قطعه است و نشان‌دهنده توانایی آزمون آکوستیک امیشن در تشخیص اولین تسلیم جسم است.

ارتباط بین نیروی اعمال‌شده در مقابل زمان و انتشار امواج آکوستیک امیشن متناظر با آن در شکل 3 دیده می‌شود. بار وارده ابتدا زیاد می‌شود، سپس ثابت می‌ماند، دوباره افزایش‌یافته و دومرتبه ثابت نگه‌داشته می‌شود. در هر مرتبه افزایش بار، سیگنال‌های اکوستیک امیشن تولید می‌شوند. در مدتی که بار برای اولین بار ثابت نگه‌داشته شده است سیگنالی وجود ندارد ولی در طول مدت ثابت نگه‌داشتن دومین بار که مقدار تنش زیادتر است انتشار امواج ادامه می‌یابد و سپس به حالت تعادل درمی‌آید.

پارامترهای توصیف سیگنال

پنج مورد از مهم‌ترین پارامترهای استفاده‌شده برای توصیف سیگنال عبارت‌اند از:

1-شمارش پالس‌ها.

 2-حداکثر دامنه.

 3-زمان استمرار.

 4- زمان رشد.

 5- نواحی اندازه‌گیری شده تحت پوشش سیگنال (انرژی سیگنال).

 به‌هرحال پنج پارامتر اصلی به‌طور مناسب استاندارد شده‌اند و از طریق فرآیندهای عرضه در ده سال اخیر پذیرفته شده‌اند. همراه با این پارامترهای سیگنال، توصیف ضربه عبور داده‌شده در کامپیوتر معمولاً شامل متغیرهای خارجی مهم از قبیل زمان آشکارسازی ، ارزش جریان بار اعمال‌شده  و سطح جریان نویز پیوسته پس‌زمینه است.

حداکثر دامنه

بیشترین پیک ولتاژی است که یک موج آکوستیک امیشن به آن می‌رسد این یک پارامتر خیلی مهم است زیرا مستقیماً قابلیت آشکارسازی اتفاقات اکوستیک امیشن را تعیین می‌کند این پارامتر مستقیماً با بزرگی اتفاقی که در منبع رخ‌داده متناسب است و معمولاً با واحد دسی‌بل بیان می‌شود.

انرژی

گاهی اوقات به‌عنوان شمارش‌های انرژی شناخته می‌شود E ناحیه‌ اندازه‌گیری تحت پوشش سیگنال اصلاح‌شده است. انرژی از جهات زیادی نسبت به شمارش پالس‌ها و حتی دامنه برتری دارد، چراکه هم  به دامنه و هم به زمان پالس بستگی دارد و درعین‌حال وابستگی کمتری به فرکانس کاری و آستانه تعیین‌شده دارد. فعالیت کلی آکوستیک امیشن اغلب باید توسط جمع‌کردن همه اتفاقات ردیابی شده بزرگ سنجیده شود و از میان همه ‌این پارامترها انرژی یک پارامتری است که بیشتر برای اهداف تقاضا شده است.

زمان استمرار

 فاصله زمانی بین اولین و آخرین عبور از آستانه تحریک است. این پارامتر با واحد میکروثانیه بیان می‌شود و به بزرگی اتفاق آکوستیک و خواص انعکاس ماده وابسته بوده و برای شناسایی فرایندهای طولانی نظیر لایه‌لایه شدن کامپوزیت‌ها و نیز فیلتر کردن نویزها بسیار مفید است.

زمان رشد

 به فاصله زمانی بین اولین عبور از آستانه تحریک و رأس دامنه گفته می‌شود و به خواص انتشار موج در ماده بستگی دارد. از این پارامتر برای انواع مختلف اصلاح سیگنال و در نویزها استفاده می‌شود.

شکل 4 یک نمونه سیگنال آکوستیک به همراه مشخص کردن پارامترهای اصلی آن.

حسگرها و اندازه‌گیری

بعد از انتشار موج، گام بعدی ضروری شکل‌گیری سیگنال در سنسور است. معمولاً برای دریافت امواج آکوستیک، کریستال‌های پیزو الکتریک مورداستفاده قرار می‌گیرد و مواد پیزو الکتریک زمانی که دچار تغییر شکل می‌شوند از خود ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند. در سنسورهای آکوستیک تغییر شکل به‌وسیله حرکت ایجاد می‌شود. زمانی که کریستال‌های پیزو الکتریک که با امواج ناشی از تنش برخورد می‌کنند دچار واکنش الاستیک می‌شوند؛ نسبت دامنه ولتاژ خروجی به دامنه حرکت ورودی اندازه حساسیت سنسور است و این حساسیت به طرزی قوی وابسته به دامنه حرکت است، حساسیت المان بیشتر از رزونانس فرکانسی است.