تفسیر سیگنال‌ها در عیب‌یاب التراسونیک

عیب یابی التراسونیک یکی از دقیق ترین و پرکاربردترین روش های آزمون های غیرمخرب (NDT) در صنایع مختلف مانند نفت و گاز، نیروگاه ها، هوافضا، و ساخت وساز است. این فناوری بر اساس انتشار امواج صوتی با فرکانس بالا در مواد کار می کند و امکان شناسایی ناپیوستگی ها، ترک ها، تخلخل ها و لایه لایه شدن ها را بدون آسیب به قطعه فراهم می کند.

اما موفقیت در استفاده از این روش، تنها به داشتن دستگاه و پراب مناسب وابسته نیست، بلکه تفسیر سیگنال التراسونیک نقشی حیاتی در تشخیص دقیق نوع، اندازه و موقعیت عیوب دارد. هر سیگنال در آزمون التراسونیک حاوی اطلاعاتی است که اگر به درستی تحلیل شود، می تواند تصویر روشنی از وضعیت درونی قطعه ارائه دهد.

در این مقاله، به صورت گام به گام به بررسی مبانی عملکرد عیب یاب التراسونیک، انواع سیگنال ها، نحوه ی تفسیر آن ها، عوامل مؤثر بر تحلیل نتایج و روش های پیشرفته ی پردازش سیگنال خواهیم پرداخت. در پایان نیز با مطالعه ی چند نمونه ی واقعی از سیگنال ها، درک عملی تری از تفسیر داده های التراسونیک ارائه می دهیم.

مبانی عملکرد عیب یاب التراسونیک

درک اصول عملکرد دستگاه، نخستین گام برای انجام دقیق تفسیر سیگنال عیب یاب التراسونیک است. این دستگاه بر پایه ی انتشار و بازتاب امواج صوتی با فرکانس بالا در مواد جامد کار می کند. پراب التراسونیک، موجی صوتی را به داخل ماده می فرستد و امواج بازتاب شده از سطوح یا ناپیوستگی ها را دریافت می کند. سپس این بازتاب ها به شکل سیگنال روی نمایشگر دستگاه (معمولاً در قالب A-Scan یا B-Scan) نمایش داده می شوند.

• اصول تولید و دریافت امواج صوتی

پراب التراسونیک شامل کریستالی پیزوالکتریک است که با اعمال ولتاژ، امواج صوتی با فرکانس بالا تولید می کند. این امواج پس از عبور از واسطه ی کوپلنت وارد قطعه شده و در مسیر خود حرکت می کنند. هرگاه موج به مرز دو محیط با امپدانس آکوستیکی متفاوت (مانند هوا و فلز، یا فلز و ترک) برسد، بخشی از انرژی بازتاب و بخشی دیگر منتقل می شود.

در بازگشت موج به پراب، همان کریستال نقش گیرنده را ایفا کرده و انرژی مکانیکی بازتابی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. شدت، زمان و شکل این سیگنال پایه ی اصلی تفسیر سیگنال التراسونیک است.

• روش های Pulse-Echo و Through-Transmission

در روش Pulse-Echo، همان پراب هم موج را ارسال و هم بازتاب را دریافت می کند. این روش رایج ترین نوع در عیب یابی است، زیرا فقط از یک سمت قطعه نیاز به دسترسی دارد.

در مقابل، در روش Through-Transmission از دو پراب استفاده می شود: یکی موج را ارسال و دیگری در سمت مقابل آن را دریافت می کند. این روش برای قطعات با ضخامت کم یا مواد شفاف تر کاربرد دارد.

• اجزای سیگنال (دامنه، زمان پرواز، فرکانس)

هر سیگنال التراسونیک شامل سه ویژگی اصلی است: دامنه (Amplitude)، زمان پرواز (Time of Flight)، و فرکانس (Frequency). دامنه نشان دهنده ی انرژی بازتاب است و به اندازه و ماهیت عیب بستگی دارد. زمان پرواز تعیین کننده ی فاصله یا عمق محل بازتاب است، زیرا زمان بین ارسال و دریافت موج متناسب با مسیر طی شده است. فرکانس نیز اطلاعاتی درباره ی نوع موج و رزولوشن سیستم ارائه می دهد.

انواع سیگنال های التراسونیک و ویژگی های آن ها

در فرآیند تفسیر سیگنال التراسونیک، شناخت نوع بازتاب ها اهمیت زیادی دارد. در هر آزمایش، چند نوع سیگنال اصلی روی نمایشگر ظاهر می شوند که هرکدام بیانگر پدیده ای فیزیکی در داخل ماده هستند.

• سیگنال بازتابی از سطح (Back Wall Echo)

این سیگنال مربوط به بازتاب موج از سطح انتهایی قطعه است و معمولاً آخرین پیک بزرگ در تصویر A-Scan محسوب می شود. اگر قطعه بدون عیب باشد، بازتاب انتهایی قوی، واضح و پایدار است. کاهش دامنه یا تغییر شکل آن می تواند نشانه ی وجود تخلخل، ترک یا خوردگی در مسیر موج باشد.

• سیگنال عیوب داخلی (Flaw Echo)

وقتی موج در مسیر خود به ناپیوستگی داخلی مانند ترک، حفره یا آخال برخورد کند، بخشی از انرژی در آن نقطه بازتاب می شود و سیگنالی زودتر از Back Wall روی نمایشگر ظاهر می شود. مکان این سیگنال نسبت به محور زمان، عمق عیب را نشان می دهد. در تفسیر سیگنال التراسونیک، مقایسه ی دامنه و زمان پرواز این سیگنال با سیگنال انتهایی برای تعیین موقعیت و اندازه ی عیب حیاتی است.

• تضعیف و اعوجاج سیگنال

گاهی اوقات سیگنال دریافتی ضعیف، نویزدار یا دارای اعوجاج است. این وضعیت ممکن است به دلیل زبری سطح، ناهمگنی ماده یا تضعیف انرژی موج در مسیر باشد. در چنین مواردی، اپراتور باید پارامترهای دستگاه مانند Gain یا فیلتر را تنظیم کند تا سیگنال اصلی از نویز جدا شود.

تفسیر سیگنال التراسونیک و تشخیص نوع عیب

تفسیر دقیق سیگنال ها نیازمند تجربه، شناخت رفتار موج در مواد مختلف و تحلیل هم زمان چند ویژگی از جمله دامنه، زمان، و شکل موج است. هر نوع عیب در ماده الگوی سیگنال خاص خود را ایجاد می کند.

• الگوهای سیگنال برای ترک، حفره، لایه لایه شدن

در تفسیر سیگنال التراسونیک، ترک معمولاً به صورت پیک تیز با دامنه بالا و موقعیت مشخص پیش از بازتاب انتهایی ظاهر می شود. حفره ها یا تخلخل ها اغلب پیک های چندگانه و پراکنده دارند، زیرا امواج در دیواره های نامنظم بازتاب های متعددی ایجاد می کنند. لایه لایه شدن (Delamination) معمولاً به شکل کاهش ناگهانی دامنه ی Back Wall و چند پیک کوچک در فاصله های منظم قابل تشخیص است.

• تخمین موقعیت و اندازه عیب

عمق عیب از زمان پرواز سیگنال بازتابی محاسبه می شود. دستگاه زمان را به فاصله تبدیل می کند با استفاده از سرعت صوت در ماده. دامنه ی سیگنال نیز به طور تقریبی با اندازه ی عیب متناسب است، هرچند عواملی مانند زاویه ی برخورد و نوع موج نیز اثرگذارند. اپراتورهای حرفه ای معمولاً از نمودارهای کالیبراسیون (DAC Curve) برای تخمین اندازه ی دقیق تر عیب استفاده می کنند.

عوامل مؤثر بر تفسیر سیگنال ها

در بسیاری از موارد، خطا در تفسیر سیگنال التراسونیک ناشی از نادیده گرفتن عوامل محیطی یا فنی است. برای تحلیل صحیح، باید پارامترهای متعددی در نظر گرفته شوند که بر کیفیت و شکل سیگنال تأثیر می گذارند.

• جنس و ضخامت قطعه

مواد مختلف دارای سرعت صوت، ضریب تضعیف و چگالی متفاوت هستند. در فلزات چگال مانند فولاد، سیگنال ها واضح و بازتاب ها قوی اند، اما در آلیاژهای سبک یا مواد مرکب، امواج به سرعت تضعیف می شوند. ضخامت زیاد نیز موجب کاهش دامنه ی سیگنال Back Wall می گردد. بنابراین اپراتور باید تنظیمات دستگاه را بر اساس نوع ماده و ضخامت آن انتخاب کند.

• زاویه پراب و نوع موج

زاویه ی پراب تعیین کننده ی مسیر انتشار موج در داخل ماده است. در عیب یابی جوش ها یا نواحی زاویه دار، از پراب زاویه دار (Angle Beam Probe) استفاده می شود که موج برشی (Shear Wave) تولید می کند. تغییر زاویه یا نوع موج می تواند محل برخورد با عیب و در نتیجه موقعیت سیگنال بازتابی را تغییر دهد.

• تنظیمات دستگاه (Gain، Range، Delay، فیلتر)

هر یک از پارامترهای دستگاه تأثیر مستقیمی بر نمایش سیگنال دارد. افزایش Gain دامنه ی سیگنال را بیشتر می کند اما نویز را نیز تقویت می کند. تنظیم Range محدوده ی عمق نمایش را مشخص می کند. Delay برای تنظیم زمان صفر سیگنال کاربرد دارد و فیلترها نیز برای حذف نویز فرکانس های ناخواسته استفاده می شوند. اپراتور باید با دقت و تجربه این تنظیمات را برای هر نوع قطعه بهینه کند.

روش های پردازش و تحلیل پیشرفته سیگنال ها

با پیشرفت فناوری، تفسیر سیگنال ها از حالت دستی به سمت تحلیل دیجیتالی و خودکار حرکت کرده است. امروزه نرم افزارها و الگوریتم های متعددی برای پردازش داده های التراسونیک به کار می روند تا دقت و سرعت تحلیل افزایش یابد.

• تحلیل حوزه زمان و فرکانس (FFT)

تحلیل فوریه (FFT) یکی از مهم ترین روش های بررسی سیگنال در حوزه فرکانس است. در این روش، سیگنال زمانی به مؤلفه های فرکانسی آن تبدیل می شود. این کار به شناسایی نوع موج، افت انرژی و حتی نوع عیب کمک می کند. برای مثال، تغییر در طیف فرکانسی ممکن است نشانگر وجود ترک های ریز باشد که در نمایش زمانی قابل مشاهده نیستند.

• فیلترگذاری و حذف نویز

در محیط های صنعتی، نویز مکانیکی یا الکترونیکی ممکن است موجب تداخل در سیگنال شود. استفاده از فیلترهای دیجیتال برای حذف فرکانس های ناخواسته و تقویت محدوده های مفید، دقت تفسیر سیگنال التراسونیک را به طور چشمگیری افزایش می دهد. فیلترهای میان گذر (Band-Pass) معمولاً برای این منظور استفاده می شوند.

• الگوریتم های تفسیر خودکار و نرم افزارها

سیستم های پیشرفته امروزی از الگوریتم های یادگیری ماشین برای تفسیر خودکار سیگنال ها استفاده می کنند. این نرم افزارها با تحلیل هزاران سیگنال ذخیره شده، قادرند نوع عیب را به صورت خودکار تشخیص دهند. برخی سیستم ها حتی از شبکه های عصبی برای شناسایی الگوهای پنهان در داده ها بهره می برند. این فناوری ها آینده ی تفسیر داده های NDT را شکل می دهند.

در این بخش، دو مثال واقعی از سیگنال های دریافتی در قطعات بدون عیب و دارای ترک ارائه می شود تا درک بهتری از تفسیر سیگنال التراسونیک به دست آید.

• مثال از سیگنال قطعه بدون عیب

در قطعه ای فولادی سالم، سیگنال Back Wall قوی، پایدار و یکنواخت است. هیچ بازتابی قبل از آن دیده نمی شود و شکل موج به صورت منظم تکرار می گردد. دامنه ی سیگنال با افزایش Gain به طور یکنواخت تقویت می شود، که نشان دهنده ی عدم وجود مانع در مسیر انتشار موج است.

• مثال از سیگنال قطعه دارای ترک یا تخلخل

در قطعه ای مشابه اما دارای ترک داخلی، سیگنال اضافی قبل از Back Wall ظاهر می شود. دامنه ی این سیگنال بسته به اندازه و جهت ترک متفاوت است. در صورت وجود چند ترک یا حفره، بازتاب های متعددی در نقاط زمانی مختلف دیده می شوند. در B-Scan، این عیوب به صورت نواحی تاریک یا قطع شده در تصویر مقطع قابل مشاهده اند. تحلیل هم زمان این داده ها به اپراتور کمک می کند تا محل و ابعاد دقیق عیب را تخمین بزند.

سخن پایانی

تفسیر سیگنال التراسونیک هنری است که علم، تجربه و دقت را با هم ترکیب می کند. درک فیزیک امواج، شناخت الگوهای بازتابی و تسلط بر تنظیمات دستگاه سه عامل کلیدی برای موفقیت در این حوزه هستند. پیشرفت های اخیر در پردازش دیجیتال و نرم افزارهای تحلیلی، دقت و سرعت این فرآیند را به طور چشمگیری افزایش داده اند، اما همچنان تجربه ی اپراتور در تشخیص الگوها نقشی حیاتی دارد.

در نهایت، یادگیری مداوم، تمرین با قطعات مرجع و آشنایی با استانداردهای بین المللی NDT می تواند مهارت هر بازرس را در تفسیر داده های التراسونیک به سطحی حرفه ای برساند.

سوالات متداول تفسیر سیگنال التراسونیک

1. آیا هر نوع عیب الگوی سیگنال خاص خود را دارد؟
   بله، ترک ها، حفره ها و لایه لایه شدن ها هرکدام بازتاب هایی با الگو و شدت متفاوت ایجاد می کنند که با تجربه قابل تشخیص است.
2. آیا می توان با نرم افزار، تفسیر سیگنال را خودکار کرد؟
   در بسیاری از سیستم های مدرن، الگوریتم های هوش مصنوعی و تحلیل آماری برای شناسایی خودکار عیوب به کار می روند، هرچند کنترل نهایی هنوز با اپراتور انسانی انجام می شود.
3. مهم ترین عامل در دقت تفسیر سیگنال چیست؟
   کیفیت تماس پراب با سطح، تنظیم صحیح دستگاه و شناخت رفتار امواج در ماده عوامل اصلی در دقت تفسیر نتایج هستند.