Ultrahang mérése és elemzése (elmélet, eszközök, alkalmazások)

Ultrahang mérése és elemzése

A jelen cikk az ultrahangmérés ill. ultrahang-analízis alapjait, valamint ezen technológia alkalmazhatóságát kívánja bemutatni gépdiagnosztikai és csapágyállapot-felmérési, valamint szivárgás-keresési feladatokhoz.

Mielőtt az ultrahangalapú diagnosztikával részletesebben foglalkoznánk, áttekintjük a technológiához kapcsolódó alapfogalmakat és összefüggéseket.

A hanghullámok longitudinális (hosszirányú) hullámok, amelyek az átvivő közeg molekuláinak gerjesztése réven terjednek. Mindegyik molekula – némi csillapítással – továbbadja az őt ért gerjesztést (energiát) a következő molekulának. Atmoszféránkban ez természetesen a levegőmolekulákra értendő, maga a továbbítás hangsebességgel (20 °C-on 343 m/s) történik. Más közegekben is végbemegy a hanghullámok terjedése, de eltérő sebességgel (jelölése v, egysége m/s) és csillapítással. Néhány példa a különböző terjedési sebességre: acél vagy alumínium esetében 5100 m/s, betonban 3800 m/s, gumiban 40 m/s, vízközeget feltételezve 1460 m/s.

Általában elmondható, hogy a hanghullámok szilárd testekben (de kivétel például a gumi) és folyadékokban gyorsabban terjednek, mint a gázokban. A gázokban viszont a hangterjedés a nyomástól és a hőmérséklettől függ: minél nagyobb a nyomás, illetve a hőmérséklet, annál gyorsabban halad a hullám. Maga a terjedés egy-egy közegben egyenes vonalú, iránya nem változik.

Szinuszos időjel (forrás PIM)

Ábra: hullámgörbe a főbb jellemzőkkel [forrás: PIM]

A hanghullámok tulajdonságait a frekvenciával (jelölése f, egysége Hz) vagy a hullámhosszal (jelölése *l*, egysége m), valamint az amplitúdóval, illetve feladatspecifikusan például a hangnyomással (Pa) vagy a hangintenzitással (dB) szokás kifejezni. A frekvencia jelzi, hány periódus zajlik le egy másodperc alatt (1 Hz=1/s). Ismert frekvencia és terjedési sebesség mellett könnyen kiszámolható a hullámhossz, amely a terjedési sebesség és a frekvencia hányadosa (h=v/f). Tehát adott átviteli közeg esetén elegendő a frekvenciát vagy a hullámhosszt megadni, az egyik a másikból meghatározható Az összefüggés szerint a nagyobb frekvenciájú hanghullámok hullámhossza nyilvánvalóan rövidebb.

Ultrahang-frekvencia (forrás: CSi)

A hanghullámok viselkedése több fizikai törvényszerűségnek is megfelel. Mérési szempontból leginkább a reflexió (visszaverődés), a moduláció (valamely jellemző megváltozása külső hatásra) és interferencia (hullámok találkozása) törvényszerűségeit fontos megemlíteni. A szilárd testeken és folyadékok felületén történő reflexió a mindenki által ismert optikai törvényszerűség szerint megy végbe: a beesési szögnek megfelelő visszaverődési szöggel történik a hullám visszaverődése. Eközben sem a hullám frekvenciája (hullámhossza), sem – minimális veszteségtől eltekintve – az amplitúdója nem változik. Megjegyzendő, hogy a reflexió nemcsak levegő és szilárd test, illetve folyadék, hanem bármely különböző hangterjedési sebességű közeg közötti határfelületen végbemegy.

Az interferencia akkor jön létre, ha több hanghullám (legalább kettő) találkozik egymással. Ha két hanghullám egyenlő frekvenciájú, a fáziskülönbségüktől (a hullámperiódusok kezdetének egymáshoz képesti, 0-360° közötti eltolódásától) függ, hogy erősítik vagy gyengítik, vagy akár kioltják egymást. Ha fáziskülönbségük kisebb 90°-nál vagy nagyobb 270° erősítés, 90° és 270° közötti eltérés estén gyengítés lép föl, a pontosan 180° fáziskülönbség pedig teljes kioltáshoz vezet a vektoriális összegzésnek megfelelően. (Egyébként innen ered az ellen-hanggal történő zajcsökkentés ötlete is.) Két eltérő frekvenciájú hanghullám találkozásakor az eredmény olyan hanghullám, amelynek frekvenciája a forráshullámok frekvenciáinak összege a forráshullámok frekvenciáinak összege, de amplitúdója viszont növekedhet vagy csökkenhet. (Ez a fázisszögkülönbségtől és az amplitúdóaránytól függ.) Egymástól nagyságrendileg eltérő frekvenciájú hanghullámok esetén pedig moduláció lép föl.

A hangerősség (hangintenzitás) kifejezésére leggyakrabban a dB (decibel) egységet szokás használni. A dB tulajdonképpen logaritmikus skálázás, amely a hangerősséget a P hangenergia tízes alapú logaritmusaként fejezi ki. Az emberi fül (örökölt képességektől, kortól és egészségi állapottól függően) a 20 és 20 000 Hz közötti hangok érzékelésére képes. Mivel nem minden hangfrekvenciát hallunk ugyanolyan érzékenységgel (bizonyos frekvenciákat erősebben, másokat viszont lényegesen gyengébben érzékelünk), az emberi hangérzetnek megfelelő hangerősségmérés az A típusú súlyozással, méréstechnikailag egy A típusú frekvenciakarakterisztikájú szűrővel történik. Az emberi frekvenciaérzékenység figyelembevételével mért hangerősséget dB(A) skálázással szokás kijelezni. A leghalkabb – még hallható – hang 0 dB(A), a leghangosabb (fülünk által még elviselhető) hangerősség 120 dB(A).

A 20 kHz fölötti frekvenciatartományt az emberi fül már nem érzékeli (a kutyáké viszont igen), így a különböző fizikai folyamatok által generált ultrahangokat nem halljuk. Szükségünk van tehát olyan eszközökre, amelyek e hangok mérését lehetővé teszik, erősségüket kimutatják (például diagram vagy digitális számérték formájában), illetve alacsonyabb frekvenciatartományba történő transzformációval és felerősítéssel számunkra hallhatóvá teszi.

Az ultrahang mérésével számtalan eszköz és berendezés állapota és működése megvizsgálható. Ennek alapja, hogy például a csapágyak állapotuktól és kenésüktől függően olyan magas frekvenciájú rezgésekkel üzemelnek, amelyek frekvenciatartománya a kezdődő hibák, illetve az elégtelen kenés esetén éppen az ultrahang tartományába esik. Így az ultrahang – akár érintéses úton úgynevezett testhangérzékelővel, akár a levegőn át terjedő hangok mikrofonnal történő – mérésével a korai csapágyhibák vagy a nem megfelelő kenés megállapítható. Ha az alkalmazott ultrahangmérő eszköz az ultrahang letranszformálására is képes, akár hallhatóvá is válik a csapágymeghibásodás mértéke. Gyakorlati alkalmazásként említhető az ultrahangfigyelés mellett végzett csapágykenés: addig kell kenőanyagot a csapágyba juttatni, amíg annak hangja megfelelővé nem válik. Ezzel a módszerrel elkerülhető a túlzott zsírozás, amelynek kedvezőtlen következménye lehet a zsír által kifejtett mechanikai ellenállás miatt fellépő melegedés és az emiatt bekövetkező nem kívánatos csapágyhézag-csökkenés (csapágyszorulás).

Ultrahang jó csapágy esetén (forrás: CSi)Ultrahang rossz csapágy esetén (forrás: CSi)
Ábra: ultrahang-időjel és spektrum jó, valamint rossz csapágy esetén [forrás: CSI]

Ultrahangos alkalmazások

Az ultrahangmérés szállítószalagok csapágyainak ellenőrzésére (hibás csapágyak kiszűrésére) is alkalmas. Amíg rezgésmérő eszközökkel minden egyes csapágyon kellene érintésesen megmérni és analizálni a rezgéseket, az ultrahang a szállítószalag mellett elhaladva is megfigyelhető. Erős ultrahangforrások sérült vagy extrém rossz kenésű csapágyakra utalnak. (Természetesen a termográfiával érzékelhető felmelegedésből még pontosabban és gyorsabban fedezhetők fel a szállítószalagok hibás csapágyai, de a termográfiához szükséges hőkamera beruházási költsége nagyságrendekkel nagyobb az ultrahangmérő műszerek beszerzési költségénél.)

Ultrahang-időjel rossz kenés esetén (forrás: CSi)

Ábra: ultrahang-időjel elégtelen kenés esetén [forrás: CSI]

Vizsgálható továbbá a tömörség mindenféle gáz- és gőzrendszer esetében, mivel a szűk résen (lyukon) keresztül távozó gázban ébredő turbulenciák ultrahangot keltenek, amely nemcsak lokalizálható, hanem erőssége és jellege is megvizsgálható. Így szelepek, gőzcsapdák, kondenzleválasztók és nyomáscsökkentők megfelelő működése is ellenőrizhetővé válik. Ennek további segítésére a legkorszerűbb műszerekbe több frekvenciasávos, több helyen, egymás után végzett különböző paraméterű mérések adatait kiértékelő – akár szakértői – eljárásokat építenek be, amelyek eredményei alapján egyértelműen eldönthető, hogy a bevizsgált berendezés jó vagy hibás.

CSi SonicScan (forrás: CSi)CSi SonicScan frekvenciak (forrás: CSi)
Ábra: CSI SonicScan: több frekvenciasávos ultrahang-érzékelő és -analízis [forrás: CSI]

Fontos viszont megemlítenünk, hogy a leadott ultrahang intenzitása nem áll arányban a rés vagy a lyuk méretével. Kisebb és szűkebb réseken ugyanis erősebb hang keletkezik, mint terjedelmesebb és tágasabb lyukak esetén. Ezen túl a kiáramló és a külső közeg között fennálló nyomáskülönbség is befolyásolja a szivárgás mérhetőségét. Minél nagyobb a nyomáskülönbség, annál erősebb ultrahang várható.

Hőszigetelt vagy többréteges (burkolt) gáz- és gőzvezetékek esetén figyelembe kell venni azt is, hogy az ultrahang ott jelenik meg a méréssel ellenőrizhető felületen, ahová a felső rétegeken keresztül ki tud “szivárogni”. Nem ritkán ezek a külső rések többé-kevésbé messze vannak a nyomástartó cső, csatlakozás vagy tartály szivárgási helyétől, tehát nem ott mérhető az ultrahang, ahol valóban a hibahely is van.

Tömörtelenség észlelése (forrás: CSi)

Ábra: szivárgás felfedezése ultrahang-méréssel [forrás: CSI]

A diagnosztikai lehetőségek közül említésre méltó a villamos berendezések ellenőrzése is. Előfordul ugyanis, hogy meglazult elemek miatt transzformátorokban, elosztókban vagy feszültségváltókban nagyfrekvenciás rezgések jelentkeznek, hibás csatlakoztatások vagy szigetelők miatt pedig feszültségátugrások, valamint szivárgó áramok lépnek föl. E jelenségek (akár kis-, közép- vagy nagyfeszültségű hálózatokban) az esetek többségében ultrahang kíséretében fordulnak elő. Az is jellemző, hogy a szikraköz rövidülésével egyre magasabb a kísérő ultrahang frekvenciája.

A kapott eredmények kiértékelése

A legkorszerűbb ultrahangmérő és -analizáló készülékek fülhallgatóval hallhatóvá teszik és számszerűen (dB-ben) kijelzik a mért ultrahangot, sőt a digitálisan szűrt frekvenciatartományokra vonatkozóan különböző értékelések eredményeinek – középérték, abszolút csúcsérték, folyamatos csúcsérték, csúcstöbbszörös amplitúdóérték stb. – kijelzésére is képesek. Ezen túl további jelfeldolgozásra is lehetőséget nyújtanak (ilyen többek között a CSi SonicScan 7000 készülék), mivel digitálisan készített envelope-időjelet képesek kiadni gépanalizátor kéziműszerek részére vagy más jelfeldolgozó eszközöknek, így például oszcilloszkópoknak.

A hibahely könnyebb azonosítását többnyire tölcsérrel, illetve parabolával segítik. A különböző jelenségek egymástól való minél jobb elhatárolásához különféle érzékelőket használhatunk: tapintótüskés vagy mágnesrögzítésű testhangérzékelőket, ultrahang-mikrofonokat. Ha például tartályokat kívánunk a szivárgás felfedezésére bevizsgálni, és nincs mód azokat nyomás alá helyezni, a műszerekhez kapható ultrahangforrásokat vehetjük igénybe. Ilyenkor a tartály belsejében gerjesztjük az ultrahangot, majd megmérjük, hogy hol jut ki a tartályból.

Az elmondottak alapján látható, hogy az ultrahangmérés kitűnően kiegészíti a rezgésdiagnosztikát, a termográfiát és a legkülönbözőbb anyagvizsgálatokat a gépek és berendezések állapotfelmérésekor. A leggyakoribb alkalmazási területeit táblázatunk foglalja össze.

 

  • Gépészeti vizsgálatok trendelhető adatokkal
    • csapágyak állapota és kenése
    • szivattyúk működése (kavitáció jelenléte)
    • szelepek működése (zárási-nyitási folyamat)
  • Szivárgások felderítése
    • gőzcsapdák, kondenzleválasztók
    • gőzrendszerek csövei, csatlakozásai, tömítései
    • sűrített levegő- és gázrendszerek csatlakozásai, tömítései
    • pneumatikus rendszerek (pl. fékrendszerek)
      szerelvényei, szelepei és tömítései
    • kazánok, hőcserélők és egyéb nyomás alatt
      álló berendezések elemei, tömítései

Lapáthibás szivattyú ultrahang időjele és spektruma (forrás: CSi)

Ábra: szivattyú egy sérült lapáttal (ultrahang-időjel és -spektrum) [forrás: CSI]

 

Rahne Eric  (PIM Kft.)
pim-kft.hu
gepszakerto.hu

 

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.