A módszer egyik korai alkalmazásának tekinthetjük, amikor bányászok, hallva, hogy a bányajáratok gerendái vagy sziklái elkezdtek „nyögni”, sietve elhagyták a bányát. Hallható hang keletkezhet, ha egy ónrudat meghajlítunk, vagy vizsgálták lítium-magnézium ötvözet hőmérséklet hatására létrejövő fázisátalakulását, lemezjátszó-hangszedőt dugva a kristályba (C. S. Barrett). J. Kaiser figyelte meg azt a jelenséget, hogy húzó feszültségnek kitett anyag a második vizsgálatnál már nem ad akusztikus jeleket (Kaiser-effektus). Ez a felismerés az 1950-es évektől nagyobb érdeklődést keltett, elkezdték kutatni a jelenség felhasználási területeit. Az 1960-as évek elején Allen Green és az Aerojet Corporation egy csoportja elkezdte használni az akusztikus emissziós módszert. A Saturn rakéta hajtóanyagtartályait vizsgálták, több érzékelő alkalmazásával – háromszögelést használva – a hangimpulzusok forrásának helyét is meghatározhatták.

Mi is az akusztikus jel?

Az akusztikus jelen azt a rugalmas hullámot értjük, amely az esemény forráshelyéről indul, hasonlóan a hanghoz, de jelen esetben a keletkezett hullámok többnyire nem folyamatosak, hanem egy-egy rövid ideig tartó impulzus formájában terjednek. A „normál” hang kizárólag a levegőben longitudinális hullámként terjed, a szilárd testekben nem ilyen egyszerű a helyzet. Lehetségesek longitudinális, transzverzális, felületi, hajlítási, nyúlási és tor­ziós, valamint Rayleigh-, Lamb-hullámok, ezeknek a hullámfajtáknak a terjedési sebessége általában különböző, ami a forrásmeghatározást komplikálja.

Hogy tudjuk mérni az akusztikus emissziós jeleket?

A jeleket e célra kifejlesztett érzékelőkkel mérjük, a leggyakrabban használt típusok piezoelektromos elven működnek. Az érzékelőket szorosan a vizsgálandó anyaghoz kell rögzíteni (gyakran erős mágnessel), hogy az akusztikai csatolás minél jobb (ezzel együtt az akusztikai ellenállás minél kisebb) legyen (ezt csatolóanyag használatával fokozhatjuk). Az érzékelőben a hang hatására feszültség keletkezik, ez a feszültség mikrovolt (µV) nagyságrendű (ami arányos a deformáció és ezen keresztül az energia mértékével), ezért mielőtt a jelet a gyűjtőegységbe továbbítanánk, előerősítőt kell alkalmaznunk. Az előerősítő sokszor digitális és/vagy analóg szűrést is tud végezni. A kapott jelet küldjük egy általában sokcsatornás mérő­készülékbe. Ez a készülék az analóg jeleket digitalizálja, rögzíti. A készülékkel – kapott szoftver segítségével – analíziseket végezhetünk, lokalizálhatunk, ehhez természetesen a mért test geometriai jellemzőit figyelembe kell vennünk. A műszerek tudnak fogadni külső jeleket (többnyire nyomás és hőmérséklet), az így kapott adatokat is integrálni tudjuk a mérési analízisünkbe.

A fűtőelem-kísérlethez készített érzékelőtartó adapter, a befogott érzékelővel.

Milyen információt hordozhat egy akusztikus jel?

Talán a legfontosabb információ a hangforrás helye. Ahhoz, hogy ezt meghatározhassuk, több érzékelőre van szükségünk, egy lineáris (egy vasrúd például) kiterjedésű anyagnál két érzékelő is elegendő lehet. Ha a hangforrás pontosan a két érintkező között van, akkor azok egyszerre „szólalnak” meg, mivel a hangnak egyenlő távolságot kell megtennie. Időkülönbség esetén az előbb megszólaló érzékelőhöz van a forrás közelebb, az időkülönbségből és a hangterjedési sebességből meghatározható az a távolság, amennyivel az egyik érzékelőhöz közelebb van a forrás. Sík felület esetén már minimum három érzékelőre van szükség, itt már jóval bonyolultabb a hely meghatározása (parabolák metszéspontjait kell vizsgálni). Térbeli elrendezésnél ajánlatos legalább 5-8 érzékelőt használni. Az egy érzékelő által érzékelt jelet beütésnek (angolul: hit) hívjuk, a több érzékelő által lokalizált jelek csoportját hívjuk eseménynek (angolul: event). A fentiekből látható, hogy ezen a területen nagy jelentősége van a pontos időmérésnek; ajánlatos 1 mikroszekundumos (µs) felbontású órát használni. Nagyon fontos jellemző a rugalmas hullám jellege, a burst (kitörés) jellegű hullám utal repedés keletkezésére, az ismétlődő jelek inkább szivárgásra utalhatnak. Fontos jellemző a jel amplitúdója (decibelben [dB] szokás megadni), a 30 dB alatti jelek zajra utalhatnak (például egy tartály nyomáspróbájánál a tartály elemei a nyomás hatására elmozdulhatnak egymáson), az 50 dB feletti jelek utalhatnak maradandó alakváltozásra. A mérésnél meg kell adnunk egy küszöböt a jelszintre; a szint alatti jeleket zajnak tekintjük, ez a szint általában 25-30 dB, de a mérési helyzet és a vizsgált objektum függvényében változhat. További jellemzők a jel energiája, beütésszáma (a jel amplitúdója hányszor haladja meg a küszöbértéket), felfutási ideje. Végezhetünk Fourier-analízist, amivel a jel frekvencia-összetételét vizsgálhatjuk, ez a hallható hangnál a hangszínnek feleltethető meg.

Felhasadt fűtőelem, megfigyelhető a képen, hogyan változott a fűtőelem alakja, láthatók az akusztikus csatolások.

Melyek az akusztikus emissziós roncsolásmentes anyagvizsgálat előnyei, hátrányai?

A vizsgálat előnye, hogy a vizsgált objektumról globális képet ad, mivel a detektorok együttműködésének segítségével a tárgy teljességét vizsgálja, így olyan helyeken is képes anyaghibát kimutatni, ami más vizsgálatokkal nem hozzáférhető. További előnyt jelent, hogy a vizsgálat során a vizsgált objektumban semmilyen károsodás nem keletkezik. Hátránya, hogy feszültséget (tartály esetén például emelt nyomást) kell alkalmaznunk.

16 csatornás akusztikus emissziós készülék, Ethernet- és külső paraméter csatlakozási lehetőséggel.

Az akusztikus emisszió alkalmazási területei

Nyomástartó edények vizsgálata szilárdságra, szivárgásra, korrózióra. Betonszerkezetek, hidak felügyelete, vasúti sínek vizsgálata, fázisátalakulások vizsgálata, földrengések vizsgálata.

Akusztikus emissziós érzékelő (előerősítővel) a reaktortartályon.

Saját méréseink, kísérleteink

Atomerőművi reaktortartályok nyomáspróbájának mérésében évtizedes tapasztalataink vannak. 2017-ig a Központi Fizikai Kutatóintézetben (KFKI) gyártott Dephectophone rendszert használtuk, 2021-től – az AEMI Kft. jóvoltából – modern mérő­műszerrel rendelkezünk. Ezzel a készülékkel már több sikeres mérést hajtottunk végre. Az Energiatudományi Kutatóközpont (EK) Fűtőelem és reaktoranyagok laboratóriumában évek óta folynak a fűtőelem-burkolatcső felhasadásával járó kísérletek, ezek során, magas hőmérsékleten (800–1200 °C), egyre növekvő nyomású nemesgázzal töltjük fel a fűtőelemet. Ezt a kísérletet egészítettük ki akusztikus emissziós méréssel. A fűtőelem két végére rögzítettünk egy érzékelőt, a felhasadás előtt nagyon karakteres burst típusú jeleket kaptunk, ezek előre je­lezték a gyors geometriai változásokat. A felhasadás mellett vizsgáltuk a fűtőelem szivárgását is. A szivárgást nagy nyomású gáz segítségével idéztük elő, végeztünk kísérletet úgy is, hogy a fűtő­elemet vízzel töltöttük fel, figyeltük, hogy az akusztikus jelek hogyan változnak attól, hogy folyadék vagy gáz szivárog.•

Címlapkép forrása: TAM CERT