ULTRADŹWIĘKI 

 
 

LABORATORIUM 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

ULTRAMET  2006 

 

 
 
 

SPIS TREŚCI 

 
 
 

 

1. 

WSTĘP..........................................................................................

 

3 

2. 

ULTRADŹWIĘKI  - WPROWADZENIE…………………………….

 

3 

3. 

WYTWARZANIE I ODBIÓR FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH……..

 

9 

4. 

POLE ULTRADŹWIĘKOWE………………………………………...

 

11 

5. 

TŁUMIENIE FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH………………………..

 

14 

6. 

SPRZĘT DO BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH…………………..

 

15 

7. 

METODY BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH………………………

 

22 

8. 

ZASTOSOWANIE FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH………………...

 

27 

9. 

PRZEBIEG ĆWICZENIA……………………………………………..

 

32 

10. 

ZARYS OBSŁUGI PROGRAMU…………………………………….

 

46 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

2

 

1. WSTĘP 

 

Niniejsze opracowanie stanowi instrukcję na zajęcia laboratoryjne prowadzone w ramach przedmiotu      

" Fizyka " dla studentów szkół wyższych. Może również być wykorzystane w laboratoriach inżynierii materia-

łowej, badań nieniszczących, diagnostyki technicznej i eksploatacji, akustyki itp.  

Opracowanie składa się z trzech części. Część pierwsza zawiera podstawowe informacje o ultradźwię-

kach. Omówione są podstawowe zjawiska fizyczne towarzyszące propagacji fal ultradźwiękowych w ośrod-

kach oraz przy padaniu fali ultradźwiękowej na granicę dwóch ośrodków. Przedstawiono sposoby wytwarza-

nia i detekcji ultradźwięków, sprzęt do badań ultradźwiękowych, metody badawcze oraz sposób ich wyko-

rzystania w praktyce. W części drugiej zawarte są propozycje ćwiczeń do wykonania przez studentów w 

czasie zajęć laboratoryjnych, w których wykorzystano komputerowy ultradźwiękowy defektoskop cyfrowy 

UMT-17. Część trzecia zawiera skrótową instrukcję obsługi defektoskopu UMT-17. 

 

 

 

2. ULTRADŹWIĘKI – WPROWADZENIE 

 

Fale akustyczne polegają na wzajemnym przekazywaniu sobie ruchu drgającego przez atomy albo czą-

steczki ośrodka. W zależności od częstotliwości drgań fale akustyczne dzielimy na : infradźwięki ( 0.1..16 Hz 

) , dźwięki słyszalne ( 16Hz..20 kHz ) i ultradźwięki ( powyżej 20 kHz ) . W ośrodku sprężystym cząstki drga-

jące wokół położenia równowagi przekazują część energii sąsiednim cząstkom - drgania cząstek prze-

mieszczają się w ośrodku tworząc falę ultradźwiękową. 

Fale ultradźwiękowe ( zwane też falami mechanicznymi ) , w odróżnieniu od fal elektromagnetycznych 

mogą rozchodzić się tylko w ośrodkach materialnych przenoszących drgania sprężyste. Dla małych wychy-

leń cząstki wokół położenia równowagi przyjmujemy, że ruch cząstek jest harmoniczny: 

 

ω

ϕ

ϕ

ω

ω

c

x

t

A

c

x

t

A

a

=

−

=

−

=

   

; 

)

(

)

(

sin

sin

 

 

gdzie : a - wychylenie chwilowe , A - amplituda wychylenia , 

ω = 2π f - częstotliwość kątowa , t - czas , x - 

współrzędna położenia ( drogi ) , c - prędkość fali. 

Prędkość drgania cząstki materialnej wokół położenia równowagi nazywamy prędkością akustyczną 

υ    

( nie mylić z prędkością fali c ) : 

 

)

cos(

ϕ

ω

ω

υ

−

=

=

t

A

dt

da

 

 

Czas T , po którym wartości chwilowe powtarzają się, nazywamy okresem. Faza 

ϕ jest to wychylenie 

kątowe, przy którym drgająca cząstka osiąga chwilową wartość wychylenia. 

Długość fali 

λ to najmniejsza odległość między dwiema sąsiednimi drgającymi cząstkami znajdującymi 

się w tej samej fazie. Jeżeli fala rozchodzi się w ośrodku z prędkością c  to obowiązuje związek : 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

3

 

 

 ;

f

c

cT

=

=

λ

 

 

 

gdzie : 

λ - długość fali, T - okres drgań f = 1 / T . 

W ośrodku nieograniczonym fale ultradźwiękowe rozchodzą się ze swego źródła w sposób przestrzen-

ny. Sąsiednie cząstki drgające w tej samej fazie tworzą powierzchnię falową. Jeżeli powierzchnia falowa 

tworzy płaszczyznę prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali - to jest to fala płaska. W przypadku, gdy 

powierzchnie falowe są współśrodkowymi walcami to mamy do czynienia z falami walcowymi. 

Źródła o małych wymiarach ( źródła punktowe ) wytwarzają fale kuliste. Ich powierzchnie falowe mają 

kształt współśrodkowych powierzchni kulistych ze środkiem w punktowym źródle fal. Dla fal kulistych wychy-

lenie cząstek maleje ze wzrostem odległości r od źródła : 

 

);

(

sin

c

r

t

r

A

a

−

=

ω

 

 

Dla bardzo dużych wartości r fala kulista przechodzi w falę płaską. 

Fala ultradźwiękowa przechodząc przez ośrodek wytwarza naprężenia w ośrodku. Siła naprężeń w od-

niesieniu do powierzchni wytwarza ciśnienie akustyczne p, związane z prędkością akustyczną 

υ : 

 

υ

⋅

= z

p

 

 

gdzie : z jest akustyczną impedancją falową ośrodka w którym rozchodzi się fala. 

Ciśnienie akustyczne jest wielkością mierzalną, bowiem w przetwornikach elektroakustycznych stoso-

wanych w technice ultradźwiękowej, sygnał elektryczny z przetwornika jest proporcjonalny do ciśnienia aku-

stycznego. 

W ośrodkach nieograniczonych, dla fal płaskich i kulistych, impedancja akustyczna ma charakter rze-

czywisty, i wtedy jest to akustyczna oporność falowa ( impedancja charakterystyczna ) określona jako : 

 

 

c

z

⋅

=

ρ

 

 

gdzie : 

ρ - gęstość ośrodka, c - prędkość fali. 

Jeżeli fala ultradźwiękowa rozchodzi się w ośrodku o akustycznej oporności falowej 

ρc , to w ośrodku 

tym powstaje ciśnienie akustyczne : 

 

p

A c

t

x

c

P

t

=

−

=

−

ω ρ

ω

ω ϕ

cos( (

))

cos(

);       

 

 

gdzie : P = 

ωAρc - amplituda ciśnienia akustycznego  

Jeśli zmiany ciśnienia mają charakter harmoniczny to możemy wprowadzić wartości skuteczne : 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

4

P

P

V

V

sk

sk

=

=

2

2

  

        

 

 

Dla fal płaskich lub kulistych natężenie fali : 

 

I

P V

PV

P

c

sk

sk

=

=

=

1
2

1
2

2

ρ

         W / m

2

 

 

 W typowych zastosowaniach pomiarowych fale ultradźwiękowe osiągają natężenia poniżej 0.1 W/cm

2

. 

Zakładając takie natężenie fali ( 0.1 W/cm

2 

) , w tabeli poniżej podano zestawienie wybranych parametrów 

dla fali podłużnej o częstotliwości 1 MHz rozchodzącej się w  powietrzu, wodzie aluminium i stali. 

 

 

Ośrodek 

I 

natężenie 

fali

 

f 

często-

tliwość 

ρ 

gęstość 

ośrodka

 

c 

prędkość 

fali

 

z 

impedancja 

 ośrodka 

λ 

długość 

fali 

P 

amplituda 

ciśnienia 

A 

amplituda 

wychylenia 

 

[W/cm

2

] [Hz]  [g/cm

3

] [m/s]  [kg/m

2

s] ·10

6

[mm] [Mpa]  [µm] 

powietrze 0.1  1·10

6

0.001293 333  0.000430569  0.333 0.00092  0.3402 

woda 0.1 1·10

6

1 1480  1.48  1.48 

0.05440 

0.0058 

aluminium 0.1  1·10

6

2.7 6320 

17.06  6.32 

0.18471 

0.001724 

stal 0.1 

1·10

6

7.85 5940 

46.629  5.94 

0.30538 

0.001042 

 

Zauważmy, jak znikome są amplitudy wychyleń cząstek ośrodka spowodowane przemieszczaniem się 

fali ultradźwiękowej o takim natężeniu ( od dziesiątych części mikrometra dla powietrza do tysięcznych czę-

ści mikrometra dla stali ) . Fala po przejściu przez ośrodek nie zmienia go ( nie niszczy ) - stąd zastosowanie 

ultradźwięków do badań materiałów technicznych czy organizmów żywych jest dla nich bezpieczne.  

 

2.1  RODZAJE FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH 

 

Fale ultradźwiękowe dzielimy na kilka rodzajów w zależności od toru drgającej cząstki względem kie-

runku rozchodzenia się fali, jak pokazano na rysunku poniżej : 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

5

Wychylenia

cząstek 

Kierunek

fali 

Rodzaj  

fali 

Podłużna 

Poprzeczna 

Lamba 

Powierzchniowa

 

 

Rodzaje fal ultradźwiękowych 

 

Fale podłużne - cząstki ośrodka drgają prostoliniowo zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali, po-

wstają naprzemian zagęszczenia i rozrzedzenia cząstek ośrodka, przy czym dochodzi również do oscylacyj-

nych zmian jego objętości. Fale te rozchodzą się w każdym ośrodku materialnym. Aby w ośrodku rozchodzi-

ła się czysta fala podłużna to wymiary ośrodka muszą być wystarczająco duże w stosunku do długości fali 

λ 

. Fale te oznaczamy symbolem L a ich prędkość symbolem c

L

 . 

Fale poprzeczne - tzw. fale ścinania, powodują naprężenia styczne. Rozchodzeniu się tych fal nie to-

warzyszą zmiany gęstości ośrodka. Cząstki ośrodka drgają w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku roz-

chodzenia się fali. Fale te rozchodzą się tylko w ośrodkach stałych. Fale poprzeczne oznaczamy symbolem 

T a ich prędkość symbolem cT . Prędkość cT  jest zawsze mniejsza od cL dla danego ośrodka. 

Fale powierzchniowe ( Rayleigha ) - rozchodzą się na powierzchni swobodnej ciała stałego, wnikając 

na głębokość około jednej długości fali. Mamy tu do czynienia ze szczególnym przypadkiem fal poprzecz-

nych, gdyż drgania cząstek składają się z dwóch wektorów. Wektor prostopadły do powierzchni swobodnej ( 

a więc do kierunku rozchodzenia się fali ) ma o wiele większą wartość niż wektor równoległy. Stąd ruch czą-

stek odbywa się po smukłej elipsie. Fale powierzchniowe oznaczamy symbolem R a ich prędkość symbolem 

cR . Dla danego ośrodka obowiązuje relacja : cR < cT <cL . 

Fale płytowe ( Lamba ) - rozchodzą się w ośrodku ograniczonym dwoma równoległymi płaszczyznami, 

których odległość jest porównywalna z długością fali i nie przekracza kilku długości fali. Przesunięcia czą-

stek są wynikiem nakładania się na siebie dwóch fal powierzchniowych, biegnących po obydwu powierzch-

niach w tym samym kierunku. 

 

2.2  PRĘDKOŚĆ ROZCHODZENIA SIĘ FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH 

 

W ciałach stałych w ośrodku nieograniczonym prędkość fal podłużnych  c 

L

  oraz prędkość fal po-

przecznych c

T

 przedstawiają wzory :  

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

6

                                           

)

2

1

)(

1

(

)

1

(

ν

ν

ρ

ν

−

+

−

=

E

c

L

           

)

1

(

2

ν

ρ

ρ

+

=

=

E

G

c

T

                  

 

gdzie :  E - moduł sprężystości wzdłużnej, G - moduł sprężystości poprzecznej, 

ρ - gęstość materiału, ν - licz 

ba Poissona . 

Stosunek prędkości cT/cL zależy tylko od liczby Poissona : 
 

 

)

1

(

2

2

1

ν

ν

−

−

=

L

T

c

c

 

 

Prędkość rozchodzenia się fal powierzchniowych jest zawsze mniejsza od cT : 
 

T

R

c

c

⋅

+

+

≈

ν

ν

1

112

.

1

87

.

0

 

 

W cieczach i gazach rozchodzą się tylko fale podłużne. Prędkość tych fal wynosi : 

 

c

K

L

=

ρ

 

 

gdzie : K - adiabatyczny moduł sprężystości objętościowej. 

 

2.3  ZJAWISKA NA GRANICY OŚRODKÓW 

 

Mówimy, że dwa ośrodki są różne jeśli prędkości fal w obu ośrodkach są różne ( c

1

 

≠ c

2 

) lub akustycz-

ne impedancje falowe są różne ( z1  ≠ z2 ). Granica ośrodków to powierzchnia rozdzielająca dwa różne 
ośrodki. 

 

2.3.1  Prostopadłe padanie na granicę ośrodków 

Jeżeli fala ultradźwiękowa o ciśnieniu akustycznym P pada prostopadle na granicę dwóch ośrodków 1 i 

2 , to część fali odbija się z ciśnieniem akustycznym P1 do ośrodka 1 , a część z ciśnieniem P2 przenika do 

ośrodka 2 . Przy prostopadłym padaniu fala odbita i przenika-

jąca są tego samego rodzaju, co fala padająca.  

 

1

2

P 

P 

1

 

P 

2

 

z 

1

 =  ρ 

1

 c 

1

 

z  = ρ  c 

2

 

2

 

2

 

Prostopadłe padanie fali na granicę 

dwóch ośrodków

Relacje między ciśnieniami fal określają    ciśnieniowe współ-

czynniki odbicia R i przenikania D , natomiast relacje miedzy 

natężeniami fal energetyczne współczynniki R

I

  i  D

I

 : 

 

R

D

z

z

z

P

P

D

z

z

z

z

P

P

R

+

=

+

=

=

+

=

=

−

1

  

          

;

2

 

          

;

1

2

2

1

2

1

2

2

1

 

(

)

(

)

1

  

;

4

;

2

2

2

1

2

1

2

1

1

2

1

2

=

+

+

=

=

+

−

=

=

I

I

I

I

D

R

z

z

z

z

I

I

D

z

z

z

z

I

I

R

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

7

 

 

Rozważmy przypadek prostopadłego padania fali podłużnej w stali na granicę (1) stal – (2) powietrze. Obli-

czone współczynniki wynoszą : 

R = - 0.999982017     D = 0.000017983    RI = 0.999964034 

DI = 0.000035965;  P1 = - 0.999982017P;   P2 = 0.000017983P 

I1 = 0.999964034I      I2 = 0.000035965I 

Widzimy, że ciśnienie fali przenikającej jest znikome natomiast ciśnienie fali odbitej jest praktycznie równe 

ciśnieniu fali padającej, lecz z przeciwnym znakiem - co znaczy że fala odbita ma fazę przeciwną do padają-

cej. Przypadek ten, często spotykany w praktyce, dowodzi, że fale biegnące wewnątrz elementów stalowych 

niemal całkowicie odbijają się od ich powierzchni. 

 

2.3.2  Ukośne padanie fali ultradźwiękowej na granicę ośrodków 

Fala ultradźwiękowa padając ukośnie na granicę dwóch różnych ośrodków ulega odbiciu, załamaniu 

oraz ewentualnie również transformacji - gdy jeden z ośrodków jest zdolny przenosić naprężenia styczne. 

Jeżeli fala podłużna pada na granicę dwóch ciął stałych 1 i 2 , to 

ogólnie w każdym z nich mogą powstać dwie składowe , z któ-

rych jedna jest podłużna a druga poprzeczna.  

Wzajemny związek między kątami wszystkich składowych, 

mierzonymi od normalnej do kierunku rozchodzenia się fali, a ich 

prędkościami jest określony prawem Snelliusa : 

 

                                                                       

 

 

Podobnie jak w przypadku prostopadłego padania fali na 

granicę ośrodków można zdefiniować ciśnieniowe i energetycz-

ne współczynniki odbicia i przenikania. Współczynniki te opisują ilościowo podział energii fali padającej na 

fale odbite, załamane i transformowane.  Jednak zależności te są na tyle złożone, że  ich szersza dyskusja 

przekracza zakres tego opracowania. Przedstawimy tylko jeden poglądowy przykład , dla granicy ośrodków 

„PMM- stal”, jak  wpływa kąt padania  fali podłużnej  na względne ciśnienie akustyczne oraz na rodzaje  fal w 

stali.  ( „PMM”  to skrót od nazwy polimetakrylan metylu –czyli szkło organiczne albo pleksi). 

L

T  

1

 

1

 

L  

T  

L  

2

2

 

β  

β  

α  

α  

α  

L1

 

T1

L1

 

L2

T2

1

 

2

 

Ukośne padanie na granicę dwóch ośrodków

sin

sin

sin

sin

α

α

β

β

 

 

 

 

L2

L

L

T

T

T

T

L

c

c

c

c

1

1

1

1

2

2

2

=

=

=

 

 

L

T

R

Kąt padania

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65 70

75

80

T

 

 

 

 

 

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

8

3.  WYTWARZANIE I ODBIÓR FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH 

 

Jednym ze sposobów wytworzenia fali ultradźwiękowej jest wykorzystanie drgającego  źródła, które 

przekazuje energię do ośrodka z nim sprzężonego. Najczęściej jako źródeł używa się przetworników elek-

troakustycznych, bazujących na odwracalnym zjawisku piezoelektrycznym. Popularne materiały piezoelek-

tryczne używane w technice ultradźwiękowej to : kryształy naturalne ( kwarc (SiO2 ), turmalin, sól Seignett'a 
) ; kryształy sztuczne ( siarczan litu ( LiSO4 ), metaniobian ołowiu ) oraz polikrystaliczne materiały ceramicz-
ne ( piezoceramiki ) takie jak tytanian baru( BaTiO3 ) , tytanian ołowiu, cyrkonian ołowiu ( PbZrO3 ).  

 

Jeżeli do cienkiej płytki piezoelektryka, posre-

brzonej na obu płaszczyznach, dołączymy 

zmienne w czasie napięcie to grubość  płytki 

będzie się zmieniać w takt zmian napięcia. Je-

śli drgająca powierzchnia płytki piezoelek-

trycznej " sprzęgnięta ” jest z innym ośrodkiem 

( np. zanurzona w cieczy albo przyklejona do 

ciała stałego ) to drgania płytki przeniosą się 

do ośrodka tworząc podłużną falę ultradźwię-

kową w tym ośrodku. Sprzężenie z ciałem sta-

łym można zapewnić również przez dociśnię-

cie płytki przez cienką warstwę cieczy ( np. 

wody czy oleju ) . Najlepszą skuteczność prze-

twarzania energii elektrycznej na mechaniczną uzyskuje się dla częstotliwości rezonansowej, gdy grubość 

g

0

 jest wielokrotnością połowy długości fali w przetworniku : 

g 

0

 + 

-

  Δ g

∼

L

 

L  

Wykorzystanie zjawiska piezoelektrycznego 

U(t)

g(t)

g 

0

t

t

Δ g 

max

U 

m

∼

L  

L

U(t)

   

do wytwarzania fal podłużnych

 

2

2

0

λ

⋅

=

=

n

f

c

g

r

 

U(t)

g(t)

P(t)

U(t)

 

P

g

0

t

t

Δ g 

t

 

gdzie : fr  - częstotliwość rezonansowa przetwornika, c - prędkość fali w 

przetworniku , 

λ – długość fali w przetworniku, n – liczba natu-

ralna ( typowo stosuje się n = 1 ) . 

Związek między przyrostem grubości 

Δg a napięciem Um określa 

współczynnik piezoelektryczny d

ik

 : 

 

[ ]

V

m

U

g

d

m

ik

       

          

Δ

=

 

 

Jak już wspomniano zjawisko piezoelektryczne jest odwracalne. 

Jeśli na płytkę działa zmienne w czasie ciśnienie akustyczne p , to na 

skutek sprężystości płytki zmienia się jej grubość ( ściskanie, rozciąga-

nie ), a dzięki zjawisku piezoelektrycznemu indukujące się ładunki elek-

tryczne w płytce powodują różnicę potencjałów na jej okładkach.  

Największe zmiany grubości g , a w konsekwencji napięcia U, uzyskuje się, gdy częstotliwość zmian ci-

śnienia jest równa częstotliwości rezonansowej płytki. Powstające napięcie U powiązane jest z ciśnieniem P 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

9

przez ciśnieniową stałą piezoelektryczną gik  
 

[ ]

Pa

m

V

P

g

U

g

ik

⋅

⋅

=

         

 

 

 

Dobrym przykładem tego efektu jest popularna zapalniczka 

piezoelektryczna, gdzie silne uderzenie „młoteczka” w po-

wierzchnię    płytki piezoelektryka powoduje wytworzenie chwi-

lowej wysokiej różnicy potencjałów między okładkami i prze-

skok iskry. Oczywiście w przypadku ultradźwięków o małym 

natężeniu siła oddziaływania fali na piezoelektryk jest kilka 

rzędów wielkości mniejsza i powstające napięcie jest również 

bardzo małe. 

iskra

piezoelektryk

uderzenie

 

 

Z płytek piezoelektrycznych odpowiednio obudowanych wykonuje się głowice ultradźwiękowe. Zazwy-

czaj ta sama głowica jest jednocześnie źródłem i odbiornikiem fal. Jeżeli głowicę pobudzimy krótkim impul-

sem elektrycznym o dużej amplitudzie, to płytka piezoelektryka wykona kilka … kilkanaście drgań o często-

tliwości rezonansowej. Drgania płytki przez oddziaływania sprężyste przeniosą się do badanego ośrodka, 

tworząc przemieszczającą się " impulsową " falę ultradźwiękową. Jeśli na drodze fali znajdzie się przeszko-

da ( np. wada materiałowa typu pęknięcie, czyli inaczej mówiąc fala trafi na granicę ośrodków o znacznie 

różnych impedancjach akustycznych ) , to pewna część energii fali wróci do głowicy w postaci fali odbitej. 

Fala odbita pobudzi do drgań  płytkę piezoelektryczną  głowicy - powstanie zatem impuls elektryczny, tzw. 

impuls echa wady. Przez prosty pomiar czasu 

Δt, między impulsem nadawczym a impulsem echa wady, 

można wyznaczyć odległość wady od głowicy, gdyż :  

 

c

t

L

⋅

Δ

=

2

 

 

gdzie : L - odległość wady, c - prędkość fali . 

 

200V

5 mV

R

T = 0.2 us

impuls 

E=300V

impuls nadawczy

L= 500mm

stal

wada materiału

piezoelektryk

15 mV

impuls 

 echa dna

echa wady

zobrazowanie typu A  

tzw. "A-Scan"

Ilustracja zasady wykrywania wad metodą echa przy użyciu jednej głowicy nadawczo- odbiorczej 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

10

 

Amplituda impulsu echa wady niesie informację o rozmiarze wady, choć nie jest to zależność prosta i 

zależy od wielu czynników - będzie to omawiane później. Należy podkreślić, że amplituda impulsu echa wa-

dy może być kilkaset … kilkadziesiąt tysięcy razy mniejsza od amplitudy impulsu nadawczego. Jeśli na 

ekranie lampy oscyloskopowej zobrazujemy sygnał elektryczny przetwornika to mamy pewną umowną gra-

ficzną interpretację zjawisk w ośrodku – tzw. A – Scan . Przyrząd elektroniczny służący do pobudzania prze-

twornika oraz obrazowania impulsów na ekranie nazywamy impulsowym defektoskopem ultradźwiękowym. 

Omówiony sposób wykrywania wad ilustruje rysunek powyżej. 

 

 

4.  POLE ULTRADŹWIĘKOWE 

 

Fale ultradźwiękowe, jak każde fale, są zjawiskiem czasoprzestrzennym. Obszar w którym rozchodzą 

się fale ultradźwiękowe nazywamy polem ultradźwiękowym . Kształt i wymiary pola ultradźwiękowego za-

leżą od wymiarów źródła ( przetwornika ) i częstotliwości fali. 

 

 

N

Pole bliskie

(fala płaska)

 

Pole dalekie

(fala kulista)

2

szerokość

 wiązki

ϕ

Szkic pola ultradźwiękowego dla przetwornika kołowego

 

 

 

 

 

 

 

Rozważmy kołowy przetwornik o drganiach grubościowych. Każdy punkt drgającej powierzchni prze-

twornika możemy traktować jako źródło nowej fali kulistej ( zasada Huygens'a ) . Czoło powstałej fali stanowi 

obwiednię wszystkich fal kulistych - będzie zatem równoległe do powierzchni przetwornika ( fala płaska ). 

Ciśnienia poszczególnych fal kulistych mogą się w różnych punktach pola dodawać lub odejmować. W kon-

sekwencji powstają lokalne minima i maksima ciśnienia. Pole ultradźwiękowe można opisać rozkładem ci-

śnienia akustycznego fali ultradźwiękowej w przestrzeni. Przyjmuje się, że dla odległości l < N w tzw. polu 

bliskim przetwornika ( gdzie N jest długością pola bliskiego ) występuje fala płaska, zaś dla odległości l > 

3N , w tzw. polu dalekim - fala kulista. W polu bliskim wiązka ma lekką zbieżność, natomiast w polu dalekim 

tworzy stożek z wierzchołkiem w środku źródła. W rzeczywistości podział na pole bliskie i dalekie nie jest 

ostry i występuje pewna strefa przejściowa, w której nie można przyjąć czystego modelu fali płaskiej lub kuli-

stej. Zależność na długość pola bliskiego jest następująca: 

 

 

λ

λ

λ

λ

⋅

=

⎯

⎯ →

⎯

=

⋅

−

=

=

〉〉

4

4

2

2

2

0

D

D

N

l

D

 

 

W polu dalekim, ciśnienie akustyczne we współrzędnych biegunowych można wyrazić następująco : 

 

ϕ

λ

π

α

π

sin

 

)

(

1

2

       

          

0

0

D

x

x

x

J

P

P

r

e

r

l

=

=

−

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

11

 

gdzie : r - odległość od przetwornika, 

ϕ - kąt odchylenia od osi wiązki, α - współczynnik tłumienia fal, J1(x) - 

funkcja Bessela pierwszego rzędu. 

 

2 ϕ

0

2

4

6

2

4

6

l

0

Φ

= D

°

°

°

°

°

°

°

 

 

Obliczona charakterystyka kierunkowa przetwornika kołowego w polu dalekim 

 

Często na różnych ilustracjach rysujemy falę ultradźwiękową 

symbolicznie jako wektor ( fala padająca, fala odbita ... ) . Należy 

mieć jednak świadomość, że fala nie rozchodzi się jako pojedynczy 

promień tylko jako tzw. wiązka fal.  

symboliczne zobrazowanie

wiązki fal ultradźwiękowych

 

 

4.1 OGNISKOWANIE WIĄZKI FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH 

 

Wykorzystując zjawisko załamania fali, przy padaniu pod kątem na granicę  ośrodków, można zogni-

skować wiązkę fal ultradźwiękowych osiągając znaczne natężenia w okolicy ogniska. Używa się do tego 

specjalnie wyprofilowanych ” soczewek ultradźwiękowych ” . Ognisko jest w stałej odległości od soczewki i 

leży w osi wiązki fali padającej - przypadek 

A

 na rysunku.  

t = 0

czas

czoło fali

 płaskiej

t = 0

czoło fali

 płaskiej

czas

ognisko

czas

t = 0

czoło fali

 kulistej

B

C

D

woda

woda

ognisko

A

 

 

Nowoczesne metody profilowania i ogniskowania wiązki fali ultradźwiękowej polegają na wykorzystaniu 

kilkudziesięciu ... kilkuset miniaturowych przetworników ultradźwiękowych ułożonych w strukturę liniową ( 

tzw. głowice mozaikowe liniowe ) albo strukturę płaską ( głowice mozaikowe 2D ). Głowica mozaikowa wy-

maga bardzo złożonej aparatury elektronicznej do jej obsługi. Jeśli wszystkie elementy mozaiki pobudzone 

są impulsami nadawczymi jednocześnie ( przypadek 

B

 na rysunku wyżej ) , to wypadkowe czoło fali ultra-

dźwiękowej jest płaskie i emitowana wiązka fali jest prostopadła do płaszczyzny mozaiki. Gdy elementy mo-

zaiki pobudzimy tak jak w przypadku 

C

 , najpierw górne zewnętrzne i stopniowo opóźniane w kierunku dol-

nym, to wypadkowe czoło pozostanie płaskie ale zmieni się kierunek fali. Kształt czoła fali można modelo-

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

12

wać manipulując opóźnieniami pobudzenia poszczególnych elementów mozaiki. Można zatem, jak np. w 

przypadku 

D

, spowodować zogniskowanie wiązki w pewnym punkcie przestrzeni. Rysunek poniżej ilustruje 

sposoby manipulacji wiązką fali z głowicy mozaikowej. Dla mozaiki liniowej odchylanie wiązki możliwe jest 

tylko w jednej płaszczyźnie a dla mozaiki 2D w dowolnym kierunku. Daje to wspaniałą możliwość przemiata-

nia wiązką fal ultradźwiękowych w przestrzeni ( tzw. Skanowania ) przy nieruchomej głowicy mozaikowej. 

Jest to szeroko wykorzystywane zwłaszcza w diagnostyce medycznej ( ultrasonografia ) przy badaniu na-

rządów wewnętrznych człowieka. 

pobudzenie

opóźnienie

opóźnienie

przesuwanie

wiązki

odchylanie

wiązki

zmiana

wiązki

 równoległe

 kątowe

 ogniska

 

 

 

Każdy element mozaiki zarówno wytwarza jak i odbiera fale ultradźwiękowe. Jeśli sygnały odebrane 

przez poszczególne elementy mozaiki odpowiednio opóźnimy, o czas taki sam jak opóźnienie przy pobu-

dzeniu, a następnie zsumujemy to otrzymamy wypadkowy sygnał elektryczny będzie największy od fal odbi-

tych w okolicy ogniska i znacząco mniejszy od fal odbitych poza ogniskiem.  

 

 

 

 

Mozaika liniowa

Mozaika 2D

 

 

 

 

 

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

13

 

5.  TŁUMIENIE FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH 

 

Ciśnienie fali ultradźwiękowej rozchodzącej się w ośrodku maleje ze wzrostem przebytej drogi. Przy-

czyny tego spadku są następujące: 

− rozbieżność wiązki fal ; 
− procesy 

pochłaniania energii ( tarcie wewnętrzne- energia drgań zamienia się na ciepło ) ; 

−  procesy rozpraszania tzn. odbicia, załamania i dyfrakcja fal na granicach ziaren krystalicznych, wtrące-

niach i porach ośrodka. 

Tłumienie fali  to spadek ciśnienia fali na skutek procesów pochłaniania i rozpraszania. 

Osłabienie fali  to spadek ciśnienia fali uwzględniający tłumienie i rozbieżność wiązki. 

Rozpatrzmy problem tłumienia. W cienkiej warstwie ośrodka o grubości dl w odległości l od początku, 

przy stałym tłumieniu 

α na jednostkę długości występuje względny spadek ciśnienia akustycznego : 

 

dl

P

dP

 

α

−

=

 

 

po scałkowaniu otrzymujemy    

 

P

P e

x

l

=

⋅

−

0

α

  

 

 

gdzie : P0 - ciśnienie początkowe, l - odległość od początku, α - współczynnik tłumienia. 

Tłumienie fal ultradźwiękowych rośnie z częstotliwością fali i wielkością ziaren ośrodka. W tabeli poda-

no współczynniki tłumienia 

α dla kilku ośrodków ( dla fal podłużnych, przy f =1MHz ) . 

 

Ośrodek 

α [dB/mm] 

Ośrodek 

α [dB/mm] 

Stal 

5

⋅10-3...5⋅10-2 

Szkło okienne 

3.2

⋅10-3 

Aluminium 

5

⋅10-4...2⋅10-2 

PMM  („pleksiglas”) 

2.5

⋅10-1 

Magnez 

3

⋅10-4...3⋅10-3 

Polistyren 

1.7

⋅10-1 

Miedź 

1

⋅10-2...5⋅10-2 

Woda 

2.5

⋅10-4 

Kwarc topiony 

0.6

⋅10-3 

Gliceryna 

6

⋅10-2 

Szkło    kryszt. 

1

⋅10-3 

Powietrze 

1.6

⋅10-1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

14

 

6. SPRZĘT DO BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH 

 

 

6.1  GŁOWICE ULTRADŹWIĘKOWE 

 

Głowicę ultradźwiękową stanowi odpowiednio zabudowany i dostrojony elektrycznie przetwornik piezo-

elektryczny. Głowica normalna składa się z następujących elementów : obudowy spełniającej rolę uchwytu i 

konstrukcji nośnej, przetwornika piezoelektrycznego, osłony chroniącej przetwornik przed uszkodzeniem 

mechanicznym, masy tłumiącej która tłumi drgania własne przetwornika, układu dopasowania elektrycznego 

(cewki), gniazda do podłączenia kabla . W głowicach skośnych przetwornik przyklejony jest do klina z plek-

siglasu. Na granicy ośrodków ( klin - obszar badany, np. : stal ) następuje zjawisko transformacji fali podłuż-

nej na poprzeczną. Głównymi parametrami głowic są : częstotliwość drgań, rodzaj wzbudzanych fal, kąt za-

łamania wiązki fal, wymiary przetwornika. Nazwa „normalna” – informuje że fale wprowadzane są w kierunku  

prostej normalnej (czyli prostopadłej) do płaszczyzny przyłożenia głowicy. 

 

klin z pleksi

przetwornika

masa tłumiąca

  

____ 

___ 

sin α

β

sin

= 

V1

V2

 

osłona

płytka

piezo-

masa

tłumiąca

gniazdo

obudowa

dopasowanie
elektryczne

elektryka

Głowica normalna

Głowica skośna

V

2

α

V

1

β

 

Przykład oznaczenia głowicy normalnej ( polski producent INCO 

) głowica 4L0

°10C : 4 – częst. w [ MHz] , L - fale podłużne , 0° - kąt 

wprowadzania fali, 10 - średnica przetwornika w [ mm ] , C - rodzaj 

przetwornika ( ceramiczny ) .  

Przykład oznaczenia głowicy skośnej ( prod. INCO ) głowica 2T 

70

°10x10 : 2 – częstotliwość w [ MHz ], T - fala poprzeczna, 70° - kąt 

załamania fali w stali, 10x10 - wymiary przetwornika w [ mm ]. 

Na zdjęciu pokazano przykłady głowic normalnych i skośnych, 

do badań kontaktowych, firmy Krautkramer. 

 

 

6.2  DEFEKTOSKOPY ULTRADŹWIĘKOWE 

 

Defektoskopy współpracują z głowicami ultradźwiękowymi. Charakterystyczną cechą defektoskopu im-

pulsowego jest krótkie pobudzanie głowicy , która emituje do badanego ośrodka " impulsową " falę ultradź-

więkową - oraz odbiór i zobrazowanie impulsów z głowicy, powstałych w wyniku fal odbitych powracających 

do głowicy. Każdy defektoskop impulsowy posiada zatem: nadajnik impulsów, odbiornik impulsów i układ 

zobrazowania.  

W zależności od konstrukcji układu zobrazowania defektoskopy impulsowe dzielimy na : 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

15

− 

defektoskopy analogowe - sygnał z odbiornika zobrazowany jest w postaci wykresu " napięcie-czas " na 

ekranie lampy oscyloskopowej ; 

− 

defektoskopy analogowo-cyfrowe ( lub z przetwarzaniem cyfrowym ) - sygnał z odbiornika jest przetwa-

rzany na ciąg liczb ( '’ próbek " ) wpisywanych do pamięci komputera, a następnie przy wykorzystaniu 

odpowiedniego oprogramowania, wyświetlany w formie wykresu " napięcie-czas " na ekranie monitora.  

 

6.2.1  Defektoskop analogowy 

Aby obraz na ekranie lampy oscyloskopowej był wyraźny ( nie migający ) i dostatecznie jaskrawy to 

plamka musi odwzorowywać sygnał cyklicznie, kilkadziesiąt razy - kilka tysięcy razy na sekundę. Praca de-

fektoskopu polega na powtarzaniu pewnego cyklu. Okres tego cyklu wyznacza generator impulsów syn-

chronizujących. Każdy impuls tego generatora uruchamia generator podstawy czasu i wyzwala nadajnik. 

Nadajnik pobudza silnym i krótkim impulsem elektrycznym głowicę nadawczą do drgań. Jeżeli używamy 

jednej głowicy nadawczo - odbiorczej to wejście odbiornika jest połączone z wyjściem nadajnika, natomiast 

przy pracy z dwoma głowicami - odbiornik wzmacnia sygnały tylko z głowicy odbiorczej. 

Ruch plamki na ekranie lampy jest efektem złożenia dwóch ruchów składowych : 

− 

jednostajnego ruchu w kierunku X - wynikającego z liniowo narastającego w czasie napięcia Ux ; 

−  ruchu w kierunku Y - przesunięcie jest plamki proporcjonalne do chwilowej wartości wzmocnionego w 

odbiorniku sygnału U

Y

 z głowicy . 

 

 

Gen.

synchr

Nadajnik

Odbiornik

GO

GN

Generator

podstawy

czasu

P1

U

x

"WZMOCNIENIE"

"ZASIĘG"

+

detektor)

U

Y

Y

Y

X

X

Głowica

nadawcza

Głowica odbiorcza

"N/O"

"N+O"

μ

0-200

0-200 V

V..2V

Wzm. Y

0-2 V

(x 100)

wejście

wyjście

(wzmacniacz

0-200 V

T

x

 

 

Schemat blokowy defektoskopu analogowego 

 

W ten sposób powstaje na ekranie lampy wykres we współrzędnych : " napięcie - czas ". W lampach 

oscyloskopowych do pełnego odchylenia plamki w kierunku X lub kierunku Y potrzebne są napięcia rzędu 

100 V ... 200 V. Impulsy elektryczne powstające w głowicy od odebranych fal ultradźwiękowych zawierają 

się w przedziale kilkudziesięciu 

μV … kilku V ( w zależności od rozmiaru wady, odległości od głowicy, usytu-

owania względem wiązki itd ) . Tak duża rozpiętość amplitud sygnału powoduje konieczność regulacji 

wzmocnienia odbiornika w szerokim zakresie ( 1 ... kilkanaście tysięcy razy ) . 

Wzmacniacz odbiornika jest zawsze wyposażony w skokowy przełącznik " WZMOCNIENIE " wyskalo-

wany w dB, który umożliwia ustalenie odpowiedniej wysokości echa na ekranie lampy - zarówno dla bardzo 

słabych jak i silnych sygnałów z głowicy. Na zdjęciu pokazano przykładowy wygląd defektoskopu analogo-

wego z lampą oscyloskopową. 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

16

 

W tym miejscu warto przypomnieć skalę decybelową. 

Otóż dla wielkości liczbowych zmieniających się w 

szerokim zakresie wygodnie jest przyjąć miarę loga-

rytmiczną. 

Np.: wzmocnienie odbiornika : 

W

 

= U

wyj

 / U

wej

natomiast wzmocnienie wyrażone w dB : 

W

[dB] 

= 20 log ( U

wyj

 / U

wej 

) 

Zakładając U

wej

 = 200

μV a U

wyj

 = 2V otrzymujemy : 

W = 10 000 ,  oraz  W

[dB]  

= 20

∗4 = 80 dB . 

 

Czas trwania liniowo narastającego i napięcia Ux wynika z tzw. zakresu obserwacji. W defektoskopach 

analogowych zakres ten wybiera się skokowym przełącznikiem " ZASIĘG " wyskalowanym w jednostkach 

odległości [mm] .Przełączając " ZASIĘG " układ generatora podstawy czasu odpowiednio zmienia czas Tx   

 

6.2.2  Defektoskop z przetwarzaniem cyfrowym  

Jak już wspomniano defektoskop z przetwarzaniem cyfrowym różni się od defektoskopu analogowego 

układem zobrazowania. Na zdjęciach pokazano przykłady defektoskopów cyfrowych : poniżej defektoskop 

USN 58 firmy Krautkramer jako aparat przenośny z własnym ekranem, a dalej defektoskop UMT-17 w formie 

zewnętrznej ” przystawki ” do komputera PC. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

17

W defektoskopie cyfrowym cykl pracy zaczyna się od wyzwolenia nadajnika i pobudzenia silnym impul-

sem elektrycznym głowicy. Jednocześnie startuje przetwornik analogowo cyfrowy ( A/C ) , taktowany gene-

ratorem zegarowym. Na wejście przetwornika A/C podawany jest sygnał analogowy z odbiornika. Przetwor-

nik A/C, dla każdego dodatniego zbocza sygnału zegarowego, zamienia chwilową wartość napięcia wej-

ściowego na liczbę - ( tzw. " próbkę " ), którą wprowadza się do bufora próbek. Jeżeli impulsy zegarowe 

przychodzą w krótkich odstępach czasu ( wysoka częstotliwość próbkowania ) to sygnał analogowy jest do-

statecznie wiernie określony przez ciąg próbek. Po zapełnieniu bufora próbek jego zawartość jest przesyła-

na do pamięci operacyjnej mikrokomputera, a następnie przy pomocy oprogramowania wyświetlona na 

ekranie graficznym w postaci wykresu " napięcie- czas ". 

 

Nadajnik.

O

N

Próbki

Gen.

zeg.

A/C

Przetw.

Bufor
próbek

Odbiornik

"N/O"

"N+O"

Peryferia

Klawiatura

Ekran

Obraz

MIKROKOMPUTER

1 2 3 .........12..15........................

62

149

221

85

Sygnał

zegarowy

Czas ( numer kolejny próbki)

Napięcie

(wartość  

Numer

Wartość 

Fragment 

---

---

---

---

---

---

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

---

---

(czas)

0

0

0

4

12

62

85

149

221

208

185

150

152

probki próbki

(napięcie)

 bufora próbek

 próbki)

Stero-

wanie

 

Schemat blokowy defektoskopu z przetwarzaniem cyfrowym 

 

Istotną zaletą defektoskopu z przetwarzaniem cyfrowym jest to, że wiele czynności można zrealizować 

dzięki pracy w środowisku komputerowym, np.: zamrożenie/odmrożenie wykresu, automatyczne pomiary 

amplitudy i odległości ech, zapis/odczyt obrazu na dysku, drukowanie itd. Zgromadzone w pamięci kompute-

ra dane pozwalają na zawansowane metody przetwarzania i prezentacji wyników, np : analizę widmową sy-

gnału, filtrację cyfrową, uśrednianie, korelacyjne metody pomiaru czasu przejścia itp. 

 

 

 

 

 

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

18

 

 

Ekran programu dla  defektoskopu z przetwarzaniem cyfrowym typ UMT-17 

 

 

 

 

 

6.3.  POMIARY AMPLITUDY I CZASU W DEFEKTOSKOPACH CYFROWYCH 

 

W pomiarach defektoskopami impulsowymi podstawowe informacje zawarte są w: amplitudzie impulsu, 

czasie przejścia fali, kształcie obwiedni ( rzadziej : faza sygnału, widmo ) - wydobywane z typowego A - Sca-

nu. Stąd sposoby ( algorytmy ) określania amplitudy impulsu oraz jego położenia na osi czasu są tak istotne. 

Zazwyczaj interesuje nas pewien wyróżniony obszar czasu ( odległości ) określony tzw. bramką czasową i 

odwzorowany graficznie na ekranie ( czasem spotyka się określenia bramki terminem ” monitor ” ) . 

 

6.3.1. Pomiary amplitudy 

Amplitudę impulsu ( wysokość echa ) przyjęto w defektoskopach wyrażać w formatach : 

− procentowo, 

jako % wysokości ekranu ( %H ) albo różnicę % względem progu monitora ; 

− względnie w dB jako różnicę między : wysokością ekranu, progiem monitora, albo innego echa ; 
− bezwzględnie w V jako amplitudę na wyjściu wzmacniacza defektoskopu. 

Wyznaczenie amplitudy impulsu w obszarze bramki można sprowadzić do programowego bądź sprzę-

towego przeszukania bufora próbek i znalezienia największej próbki - a następnie wyrażenia wartości tej 

próbki w jednym z w/w formatów. 

W tym miejscu warto poruszyć zagadnienie błędu jaki można popełnić przy określaniu amplitudy mak-

symalnej.  

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

19

 

 

Pamiętamy, że ciąg próbek nie reprezentuje absolutnie wszystkich możliwych wartości chwilowych sy-

gnału rzeczywistego -  zatem błąd oszacowania będzie malał gdy rośnie częstotliwość próbkowania. Na ry-

sunku pokazano zależność wielkości błędu 

δ [%] od f

p

/f

r

 ( gdzie : f

p 

częstotliwości próbkowania, f

r 

częstotli-

wość sygnału z głowicy ) – zakładając sinusoidalny kształt szczytu impulsu. Przykładowo, jeśli używamy gło-

wicy o częstotliwości f

r

 = 2 MHz , to przy f

p 

= 40 MHz błąd określenia amplitudy impulsu będzie rzędu 1% . 

 

29%

7.6%

δ

Tp=1/fp

A

Amax

δ

[%] 

fp

fr

3

4 5

8

10

20

30

19%

4.8%

1.2%

0.5%

δ

[%] =

Amax

Amax -A

100%

6.3.2.  Pomiary odległości ( czasu przejścia ) 

Płożenie impulsu w defektoskopach wyraża się jako : 

− odległość ” reflektora ” od głowicy w mm - czyli bezpośrednią drogę fali ( termin ” reflektor ” oznacza 

obiekt odbijający fale, np. wada materiałowa, ściana obiektu itp. ) ; 

− 

rzuty drogi fali mm*cos

β , mm*sin β dla głowic skośnych ; 

− czas 

przejścia fali w 

μs ; 

− różnicowo ( zarówno czas jak i odległość ) względem ustalonej wstępnie wielkości. 

Odczyt wzrokowy położenia impulsu z ekranu aparatu jest orientacyjny - zatem stosuje się procedury 

pomiarowe wykonywane przez mikrokomputer. Odległości są przeliczane z informacji pierwotnej, jaką jest 

czas, z uwzględnieniem prędkości fali. W defektoskopach cyfrowych wykorzystuje spróbkowany sygnał ul-

tradźwiękowy do pomiaru czasu. Impulsy mają skończony czas trwania i zmienną w czasie obwiednię. Aby 

określić odległość (położenie) impulsu względem wybranej chwili odniesienia to należy wybrać jedno ” cha-

rakterystyczne miejsce ” w impulsie reprezentujące umownie to położenie.  

W defektoskopach, dla potrzeb określania położenia wykrytych wad, najbardziej rozpowszechniony jest 

tzw. progowy pomiar czasu. Algorytm jest trywialny - mikrokomputer szuka w obszarze monitora pierwszej 

próbki N

x

 przekraczającej próg monitora . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δ

próbka Nx

bramka 

próbka Nx'

Progowy pomiar czasu

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

20

Rozdzielczość pomiaru jest równa okresowi próbkowania ( czas między kolejnymi próbkami ). Przy sta-

łej wysokości progu, wynik pomiaru nieznacznie zależy od zmiennej wysokości impulsu ze zmianą wzmoc-

nienia. Ponadto, jeśli próg jest w okolicy lokalnego maksimum to fluktuacje szumowe sygnału wprowadzają 

dodatkowe błędy niejednoznaczności ( przyjęcie N

x

 albo N

x

’ do obliczeń ) . Ten błąd jest rzędu połowy albo 

jednego okresu drgań rezonansowych głowicy, zatem w typowych warunkach może osiągać kilkaset ns – co 

dyskwalifikuje tę metodę w dokładnych pomiarach.  

Dobrą metodą jest metoda tzw. ” przejścia przez zero ” ( ang. ” zero-crossing ” ) - w wydaniu cyfro-

wym można ją rozszerzyć o interpolację i uśrednianie, osiągając powtarzalność wyników rzędu ułamka na-

nosekundy. Idea metody sprowadza się do przyjęcia wspomnianego ” charakterystycznego miejsca ” w im-

pulsie jako momentu przejścia przez zero sygnału z głowicy i określenie tego momentu poprzez interpolację 

sąsiednich próbek. Metoda ta eliminuje zależność od amplitudy impulsu i jest nieczuła na kształt obwiedni. 

Wadą metody jest konieczność wstępnego wskazania obszaru, które przejście przez zero ma być brane pod 

uwagę - gdyż w impulsie jest kilka przejść przez zero. 

 

próbka Nx

próbka Nx +1

położenie interpolowane

rozrzut szumowy

Idea metody ” przejścia przez zero ”

 

 

Kolejną metodą pomiaru czasu jest metoda korelacyjna, bazująca na silnej zmienności obwiedni im-

pulsu z głowicy ultradźwiękowej. Metodę tę można stosować tylko do pomiarów różnicowych czasu między 

dwoma impulsami, daje również bardzo dobrą powtarzalność wyników rzędu 1ns . Bardzo cenną zaletą tej 

metody jest fakt, że wystarczy tylko zgrubnie wskazać obszary występowania impulsów między którymi mie-

rzymy czas. Na rysunku poniżej pokazano ideę tej metody dla dwóch impulsów " trójkątnych " odległych w 

czasie o 

τ0 . Tworzymy dwie funkcje f1(t) oraz f2(t) i obliczamy funkcję korelacji R12. Maksimum funkcji ko-

relacji wypada dla czasu 

τ0.  

 

τ

0

f

1 (t)

f

2 (t)

τ

τ

0

R

12

t

t

t

dt

t

f

t

f

R

)

(

)

(

2

0

1

12

τ

−

⋅

=

∫

∞

Wyjaśnienie metody korelacyjnego pomiaru czasu

 

 

Jeśli impulsy mają charakter bipolarny, tak jak dla sygnałów bez detekcji w defektoskopie, to funkcja ko-

relacji ma również przebieg bipolarny z jednym wyraźnym ekstremum. Rysunek poniżej ilustruje praktyczny 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

21

przykład pomiaru metodą korelacji, z wykorzystaniem defektoskopu UMT-17 i standardowego oprogramo-

wania . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pomiar prędkości fal podłużnych w płasko-równoległej próbce miedzianej o grubości g = 30mm, z 

użyciem głowicy 4 MHz. 

W ramkach 1 i 2   są dwa kolejne echa dna próbki, w górnym oknie funkcja korelacji sygnałów w 

ramkach. Maksimum funkcji korelacji wypada dla czasu  dt = 12.75 μs i jest to podane w polu 

wyniku. Program automatycznie oblicza prędkość fali przy zadeklarowanej drodze fali, w tym 

przypadku V =  2g/dt = 60mm / 12.75 μs  = 4705,75 m/s. 

 

 

7.  METODY BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH 

 

 

7.1  KONFIGURACJA GŁOWIC PRZY WYKRYWANIU WAD MATERIAŁOWYCH KONTAKTOWĄ   ME-

TODĄ ECHA 

  

Podczas wykrywania wad materiałowych w obiekcie przestrzen-

nym należy spenetrować wiązką fal ultradźwiękowych możliwie całą 

objętość i pod różnymi kątami. Głowicę prowadzimy ręcznie po do-

stępnej powierzchni obiektu ruchem meandrowym, jednocześnie ob-

serwując ekran defektoskopu. Zawsze używamy środka sprzęgające-

go ( oleju, smaru, wody ) , którym zwilżamy powierzchnie kontaktu 

głowicy. Przy kontakcie ” suchym ” tylko znikoma ilość energii fali ul-

tradźwiękowej wniknie do badanego obiektu. Wadę materiałową roz-

poznajemy jako nieciągłość ośrodka po występowaniu ” echa wady ” 

lub po zaniku ” echa dna ” na ekranie defektoskopu. Zadaniem operatora defektoskopu jest określenie poło-

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

22

żenia wady w przestrzeni ( głębokość, rzut na powierzchnię ) , oszacowanie rozmiaru wady, rozróżnieniu 

kształtu wady ( objętościowa czy  płaska ) .  

Na rysunku pokazano przykłady 

tzw. ” penetracji falą bezpośrednią ” 

różnych wad głowicami normalnymi i 

skośnymi. Wady objętościowe są w 

miarę  łatwo wykrywane z każdego 

kierunku. Dla wad płaskich wiązka fal 

powinna mieć kierunek prostopadły 

do powierzchni wady aby odbita fala 

powrotna miała szanse dotrzeć do 

głowicy. Wady płaskie niekorzystnie 

zorientowane mogą być w ogóle nie 

wykryte jedną głowicą 

 

Często dostępna jest tylko jedna powierzchnia dla przyłożenia głowicy. Jeśli badany element ma rów-

noległą drugą ścianę ( blacha, rura itp. ) to można wykorzystać odbicie pośrednie dla penetracji obszaru wa-

dy. Dla wad płaskich prostopadłych do powierzchni stosuje się kombinację dwóch głowic skośnych w tzw. 

układzie ” tandem ”. 

 

 

Pęknięcia prostopadłe do powierzchni i jednocześnie wychodzące na powierzchnię tworzą tzw. ” naroże ” 

. Fala padająca na naroże, na skutek podwójnego odbicia, wraca zawsze w kierunku równoległym do fali 

padającej. Tę cenną właściwość bardzo często wykorzystuje się do wykrywania takich wad. Na rysunku po-

kazano współczynniki ” efektywności ” odbicia fali od naroża : 

α

LL

 - dla fal podłużnych oraz 

α

TT

  - dla fal po-

przecznych. 

 

β

 

10°

 

20°

 

30°

 

40°

 

50°

 

60°

 

70°

 

80°

 

90°

 

 0°

 

- kąt zał amania fali

 

20%

 

40%

 

60%

 

80%

 

100%

 

 

α

 

TT

 

α

 

LL

 

 

Współczynnik taki wyraża stosunek ciśnienia fali odbitej od naroża ( powracającej w kierunku głowicy ) 

do ciśnienia fali padającej na naroże. Jak widać fala poprzeczna zdecydowanie lepiej odbija się od naroża 

niż fala podłużna – a dla kątów z przedziału 34

° .. 56° efektywność odbicia fali poprzecznej jest 100% .  

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

23

7.2  OSZACOWANIE ROZMIARU WADY 

 

7.2.1  Wady większe od przekroju wiązki fali 

Jeśli wada płaska jest na tyle duża, że odbija całą skierowaną na nią wiązkę fali to rozległość takiej wa-

dy można określić przez wytyczenie jej konturu. Przyjęte rozumowanie jest następujące :  

naprowadzając głowicę nad kra-

niec wady tylko część fali odbije 

się od niej. Gdy wada przesłania 

połowę przekroju wiązki fali to 

echo wady spada do 50 % wy-

sokości – a środek głowicy wy-

znacza jeden z punktów brze-

gowych konturu. Łącząc wiele 

punktów brzegowych otrzymu-

jemy figurę, jako rzut wady na 

płaszczyznę. Takie rozumowanie 

jest poprawne gdy kierunek fali jest prostopadły do płaszczyzny wady. W sytuacjach szczególnych, gdy 

obiekt ma równoległą ścianę do płaszczyzny przyłożenia głowicy, kontur dużej wady można określić na pod-

stawie 50 % spadku echa dna – w tym przypadku kształt wady może być dowolny a kontur jest swoistym ” 

cieniem ” wady na płaszczyźnie . 

β 

L

 

 

s

  

 

7.2.2  Wady mniejsze od przekroju wiązki fali 

Na rysunkach przedstawiono poglądowo wyniki dwóch eksperymentów. W pierwszym obserwowano 

zależność wysokości echa od rozmiaru małych płaskich wad, położonych w polu dalekim głowicy i stałej od-

ległości od powierzchni. W drugim eksperymencie obserwowano wysokość echa wady, o ustalonym rozmia-

rze, w zależności od odległości wady. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wnioski są następujące : 

W polu dalekim  wysokość echa wady jest proporcjonalna do pola powierzchni wady i odwrotnie propor-

cjonalna do kwadratu odległości wady : 

H  ~  s 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

24

H  ~  1/L

2

gdzie : s - pole wady; L - odległość wady. 

 

W polu bliskim zależność na wysokość echa wady jest empiryczna . 

 

Biorąc pod uwagę te zależności ustalenie rozmiaru wady na podstawie wysokości echa jest kłopotliwe. 

W praktyce korzysta się z kilku sposobów : 

− wykorzystanie 

wykresów 

DAC ( ang. Distance Amplitude Curve ) sporządzonych na wadach wzorco-

wych, np. jak na rysunku : 

 

0

 

20

 

40

 

60

 

80

 

100

 

B4S-E

 

stal

 

wysokość echa [%]

 

2mm ERS

 

odległość [mm]

 

 

 

 

 

 

 

 

− wykorzystanie 

wykresów 

DGS ( ang. Distance Gain Size ) ; 

− zastosowanie 

sprzętowej dynamicznej ( zmiennej w czasie ) korekcji wzmocnienia defektoskopu TCG    

( ang. Time Corrected Gain ) ; 

Odpowiednikami angielskich terminów w języku polskim są : 

DAC 

→ OKA ( krzywa Odległościowej Korekcji Amplitudy ) ; 

DGS 

→ OWR ( wykres Odległość Wzmocnienie Rozmiar ) ; 

TCG 

→ ZRW ( Zasięgowa Regulacja Wzmocnienia ) . 

 

 

7.3  OKREŚLENIE POŁOŻENIA WADY 

 

Położenie wad określamy względem miejsca przyłożenia głowicy, w którym wykryto te wadę. Droga 

bezpośrednia fali s jest łatwa do wyzna-

czenia na podstawie położenia impulsu 

echa wady na ekranie. Dla głowic nor-

malnych droga bezpośrednia jest głę-

bokością zalegania wady. Dla głowic 

skośnych elementarne przeliczenia try-

gonometryczne dają głębokość i rzut na 

płaszczyznę odległości wady od ” środ-

ka głowicy ”. W defektoskopach cyfro-

wych przeliczenia wykonywane są 

przez wbudowany mikrokomputer. 

7.4  BADANIA ZANURZENIOWE 

s = ½ c

T

 

•

 t 

 

 

s 

•

 sin

β 

s 

•

 cos 

β 

L

s = ½ c

t

•

L

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

25

 

 

Bardzo popularna jest metoda badań zanurzeniowych, 

zwłaszcza w urządzeniach zautomatyzowanych, gdzie 

fale z głowicy docierają do badanej próbki przez war-

stwę wody. Po jednym pobudzeniu głowicy ( 1N ) ma-

my kilka ciągów impulsów wynikających z wielokrot-

nych odbić fal w wodzie i próbce co daje złożony obraz 

ech na ekranie. Do wykrywania wad należy obserwo-

wać fragment między 1w - 1d1w. 

l

g

głowica

próbka

woda

 

1N-pierwszy

1w- pierwsze 

2w - drugie echo wnikania

1d1w- pierwsze echo dna

2N 

2d1w- drugie echo dna

3w - trzecie echo wnikania

2t=2l/cw

2t  =2 g/c

T- czas wytłumienia fal w wodzie

2t=2l/cw

2t=2l/cw

3d1w

1d2w

2d2w

3d2w

1d3w 

2d3w

3d3w

 - drugi imp.

  nad.

 imp. nad.

echo wnikania

 

W badaniach metodą zanurzeniową należy spełnić warunek na odległość minimalną  głowicy od po-

wierzchni stalowej próbki : 

 

lmin >  g ∗ ( cw  / cs ) ≈ 0.25 g 

 

gdzie : c

w

 =1480 m/s, c

s

 =5900 m/s – prędkości fal wody i stali. 

Obok pokazano przypadek gdy ta zależność nie jest spełniona – kolejne ciągi ech dna są przemieszane 

z innymi ciągami ech od wielokrotnych wniknięć fali – całość daje zupełnie nieczytelną sytuację. W bada-

niach ultradźwiękowych podstawową umiejętnością musi być właściwa interpretacja ech.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

26

7.5  BADANIA ULTRADŹWIĘKOWE ZE SPRZĘŻENIEM PRZEZ POWIETRZE 

 

Ostatnio zaczęto rozwijać techniki wprowadzania fali ultradźwiękowej do elementów stalowych, kompo-

zytów czy tworzyw sztucznych wprost przez powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym. Są to więc badania    

” zanurzeniowe w powietrzu ” . Wykorzystuje się fale ultradźwiękowe o częstotliwościach 50 kHz ... 1 MHz . 

Sygnały elektryczne otrzymywane z głowic są niezwykle małe, nawet poniżej poziomu szumów własnych 

aparatury – stąd konieczność specjalnych zaawansowanych metod przetwarzania sygnałów. Dla zwiększe-

nia energii fali w wybranym obszarze stosuje się silne ogniskowanie wiązki. Zaleta takiego typu sprzężenia 

jest oczywista - brak kontaktu mechanicznego głowicy z badanym obiektem.  

 

 

8.  ZASTOSOWANIE FAL ULTRADŹWIĘKOWYCH 

 

 

Fale ultradźwiękowe znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki. W tym rozdziale zasygnali-

zowane zostaną typowe przykłady zastosowań : 

 

Obrazowa diagnostyka medyczna ( badania USG ) 

Za pomocą aparatów zwanych ultrasonogra-

fami i głowic mozaikowych można przeprowadzić 

szereg bezpiecznych dla organizmu badań na-

rządów wewnętrznych człowieka. Typowymi przy-

kładami są : 

− badania 

narządów jamy brzusznej ( żołądek, 

wątroba, nerki, pęcherz ... ) ; 

− badania 

płodu, jam serca, 

−  

przepływów krwi w dużych żyłach i tętnicach 

( efekt Dopplera ) ; 

−  badania struktury gałki ocznej, zatok noso-

wych,  

−  badanie stopnia zaawansowania osteoporo-

zy - przez pomiar prędkości fali w wybranych 

kościach  

Badania ultradźwiękowe są szybką, względnie tanią, bezpieczną i rutynową już metodą postępowania 

w diagnostyce medycznej. Często są pierwszą alternatywą albo uzupełnieniem badań szkodliwych lub bar-

dzo kosztownych typu : prześwietlenia rentgenowskie, TK - tomografia komputerowa , czy NMR ( magne-

tyczny rezonans jądrowy ) .  

Na rysunku pokazano na pierwszym planie szkic przekroju anatomicznego serca -  w głębi odpowia-

dający temu przekrojowi echokardiogram.  

 

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

27

 

Terapia medyczna 

− ultradźwięki stosuje się w zabiegach litotrypsji – rozkruszania tzw. " kamieni " nerkowych silnie zogni-

skowaną wiązką fal ultradźwiękowych o dużym natężeniu, a także przy dezintegracji tkanki tłuszczowej 

i innych. 

 

Automatyka przemysłowa 

−  czujniki ruchu, bardzo popularne w różnych urządzeniach alarmowych, wykorzystanie ciągłej fali ultra-

dźwiękowej w powietrzu, fali odbitej od poruszającej się przeszkody i efektu Dopplera ; 

−  czujniki ( mierniki ) poziomu cieczy w zbiornikach ( np. z benzyną ) - bazujące na prostym pomiarze 

czasu przejścia fali między dnem zbiornika i powierzchnią cieczy ; 

− mierniki 

prędkości przepływu cieczy w rurociągach ; 

 

W miernikach prędkości przepływu czas przejścia fali ultradźwiękowej między głowicami jest zależny od 

wielu czynników : rodzaju cieczy, średnicy rury czy kąta załamania fali ale także od prędkości przepływu cie-

czy- co jest tu wykorzystywane. Głowice mogą być zainstalowane na zewnętrznej  

stronie rurociągu. Zwykle dokonuje się dwóch pomiarów czasu przejścia : zgod-

nie z kierunkiem przepływu ( 1

→2 ) i przeciwnie ( 2→1 ) – a odpowiedni mikro-

procesor przelicza różnice czasów z tych pomiarów  na prędkość przepływu albo 

na objętość  przepływu. Ponadto w algorytmie można łatwo uwzględnić wszelkie 

korekcje geometryczne, temperaturowe  itd. Oprócz przepływomierzy ultradźwiękowych opartych na czasie 

przejścia fali stosowane są przepływomierze ultradźwiękowe bazujące na efekcie Dopplera.  

 

Hydrolokacja 

− 

echosondy - pomiar głębokości akwenów wodnych przez pomiar czasu przejścia fali odbitej od dna ; 

− 

sonary - wykrywanie i lokalizacja podwodnych obiektów pływających, ławic ryb itp. Współczesne sona-

ry, zwłaszcza te używane w okrętach podwodnych, wykorzystują zespoły przetworników ( anten ) aku-

stycznych ze skanowaniem elektronicznym obszaru – idea analogiczna jak w głowicach mozaikowych. 

W hydrolokacji używa się fal ultradźwiękowych od kilkudziesięciu do kilkuset kHz.  

 

Procesy technologiczne z wykorzystaniem ultradźwięków o dużej energii  

− 

czyszczenie powierzchni, zgrzewanie wyrobów z tworzyw sztucznych, 

− spajanie 

wyprowadzeń w strukturach półprzewodnikowych ( układy scalone ) ,  

− 

katalizatory reakcji ( chemia ) ,  

 

Kontrola jakości wyrobów hutniczych podczas produkcji  

− 

badanie wad wewnętrznych typu pęknięcia, rozwarstwienia, wtrącenia niemetaliczne w : blachach, prę-

tach, rurach, szynach kolejowych, odkuwkach, odlewach itp. 

Znaczna część wyrobów hutniczych, które służą jako materiał do odpowiedzialnych konstrukcji, musi 

być badana na okoliczność występowania wewnętrznych  i powierzchniowych wad materiałowych. Wyroby z 

wadami nie są dopuszczane do eksploatacji. Nawet niewielka wada wewnętrzna materiału może być zarod-

kiem tzw. wady zmęczeniowej, która powiększa się w czasie pod wpływem zmiennych obciążeń mechanicz-

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

28

nych – w końcu może dojść do nagłej awarii konstrukcji ( 

np. zbiornika ciśnieniowego, rurociągu, kotła, turbiny. itp. 

) pociągając zagrożenie  życia i straty materialne. Na 

zdjęciu pokazano fragment zautomatyzowanego stano-

wiska do ultradźwiękowego badania rur o dużej średnicy. 

Cztery zespoły głowic wprowadzają  fale ultradźwiękowe 

do  ścian rury – całość współpracuje z wielokanałowym 

defektoskopem. Głowice są nieruchome natomiast rura 

jest wolno przesuwana w kierunku osiowym. Między 

głowicami a powierzchnią rury jest niewielka szczelina 

rzędu ułamka mm , w którą wtłacza się wodę. Woda za-

pewnia transmisję  fal, a szczelina eliminuje bezpośred-

nie tarcie głowic zwiększając ich żywotność.

 

 

Kontrola jakości połączeń  technologicznych, ubytków korozyjnych, pomiary grubości 

− 

wykrywanie wad w połączeniach  spawanych  w : rurociągach, zbiornikach ciśnieniowych, kotłach,  

− badanie 

jakości połączeń zgrzewanych, klejonych ; 

− badanie 

grubości ścianek zbiorników, rur ... - zwłaszcza przy dostępie tylko z jednej strony ; 

 

Spawanie to jeden z najczęściej używanych sposobów łą-

czenia metali. Badanie spoin to klasyczny przykład zastoso-

wania przenośnych defektoskopów ultradźwiękowych ( pra-

wie 70% zastosowań ) . Różne wady spoin ( typu : pęknięcia, 

przyklejenia brzegowe, pęcherze gazowe, wtrącenia żużlowe 

) mogą osłabiać wytrzymałość konstrukcji albo być zarodkiem 

wad zmęczeniowych i prowadzić do nagłych uszkodzeń. 

Ręczne ultradźwiękowe badanie spoin jest pracochłonne, 

wymaga doświadczenia operatora i jest dosyć trudne inter-

pretacyjnie. Stąd cyfrowe aparaty ultradźwiękowe mają sze-

reg wbudowanych opcji wspomagających badanie spoin. 

Często defektoskop jest ” przystawką ” do komputera przeno-

śnego jak na zdjęciu obok. W masowych badaniach spoin z powodzeniem wdraża się automatyzację ,np. na 

budowach rurociągów dalekosiężnych – gdzie aparatura badawcza instalowana jest na samochodach tere-

nowych. W wielu przypadkach badania spoin nie da się zautomatyzować albo jest to nieopłacalne. Wiele 

spoin  jest badanych w instalacjach technologicznych przemysłu chemicznego i petrochemicznego oraz na 

morskich platformach wydobywczych ropy i gazu.  Alternatywna metoda badania spoin to radiografia prze-

mysłowa – czyli prześwietlanie spoin promieniowaniem X lub gamma, z rejestracją obrazu spoiny na kliszy. 

Szkodliwość promieniowania X i gamma dla człowieka, wysoki koszt -  to główne mankamenty radiografii. 

 

Diagnostyka techniczna w czasie eksploatacji : konstrukcji, urządzeń, pojazdów  

−  wykrywanie ” zmęczeniowych ” wad materiałowych w newralgicznych punktach samolotów, okrętów, 

pojazdów szynowych, szynach kolejowych , turbinach energetycznych, łożyskach ślizgowych ; 

− ocena 

naprężeń w materiale ( monoblokowe koła kolejowe, szyny, wały silników okrętowych ) ; 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

29

− wykrywanie 

pęknięć ” termicznych ” w prętach paliwowych elektrowni jądrowych ; 

− prognozowanie 

nagłych katastrof szczególne odpowiedzialnych urządzeń - przez ciągły monitoring 

emisji akustycznej materiałów poddanych ekstremalnym obciążeniom ;  

 

Badanie szyn kolejowych w torze to następny przykład zastosowania ultradźwięków w tzw. obszarze 

NDT ( ang. Nondestructive Testing ) – czyli ba-

dań nieniszczących. Na zdjęciu obok przekrój z 

rozwijającą się wadą zmęczeniową w główce 

szyny. Takie wady prowadzą do pęknięć całej 

szyny. Okresowa kontrola defektoskopem szy-

nowym ma za zadanie wykrywać takie wady. 

Badania masowe szyn prowadzone są w spo-

sób zautomatyzowany aparaturą w specjalnym 

kolejowym wagonie diagnostycznym. Dwie szy-

ny w torze badane są kilkunastoma głowicami 

ultradźwiękowymi – prędkość badania 

do100km/h. Często taki wagon dodatkowo pro-

wadzi badania szyn innymi metodami, np. magnetycznymi albo pomiary geometrii toru metodami laserowy-

mi. 

 

Inżynieria materiałowa i inne 

− ocena 

własności materiałów przez pomiar prędkości i tłumienia fal ultradźwiękowych o różnych często-

tliwościach : w metalach, stopach, materiałach kompozytowych, skałach, ceramikach ; 

− mikroskopia 

ultradźwiękowa – zobrazowanie struktur wewnętrznych ciał stałych z rozdzielczością kilku-

nastu mikrometrów - użycie zogniskowanych wiązek fal o częstotliwości kilkuset MHz ;  

− 

budownictwo : ocena wytrzymałości betonu na ściskanie, wykrywania pęknięć w konstrukcjach betono-

wych, ocena stanu nawierzchni drogowej ; 

− 

akustoelektronika : ultradźwiękowe linie opóźniające, filtry z falą powierzchniową. 

 

 

 

 

Na zdjęciu po lewej stronie - głowica i manipulatory przesuwu laboratoryjnego mikroskopu ultradźwiękowe-

go. Sprzężenie akustyczne z badanym obiektem przez wodę. Zdjęcie po stronie prawej - przykład zobrazo-

wania na tym mikroskopie ultradźwiękowym struktury wewnętrznej układu scalonego. Miejsca delaminacji 

względem podłoża wyróżnione są w kolorze żółtym i czerwonym.  

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

30

Badania ultradźwiękowe wkraczają również 

do budownictwa. Znane i używane są metody 

określania wytrzymałości betonu na ściskanie na 

podstawie prędkości rozchodzenia fal podłużnych 

w betonie. Ze względu na silne tłumienie fal w be-

tonie używa się głowic ultradźwiękowych o niskich  

częstotliwościach – rzędu 50 ... 200 kHz .  

Na zdjęciu pomiar jakości betonu pasa startowego 

inną metodą akustyczną, polegającą na analizie 

odpowiedzi impulsowej drgań powierzchni po sil-

nym uderzeniu bijakiem młotka. 

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

31

9.  PRZEBIEG ĆWICZENIA 

 

9.1  ZAPOZNANIE Z OBSŁUGĄ DEFEKTOSKOPU ULTRADŹWIĘKOWEGO UMT-17 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− Sprawdzić czy kabel USB jest podłączony do komputera PC , uruchomić komputer, włączyć wtyk zasila-

nia defektoskopu UMT-17 . Podłączyć kabel głowicy do gniazda ” N/O ” . ( Uwaga !! - wtyki kabelka typu  

       ” Lemo ” mają zatrzask i wyjęcie jest możliwe ciągnąc za wtyk a nie za kabel ) . 

−  Na wzorcu schodkowym zwilżyć powierzchnię pierwszego schodka ( wys. 40 mm ) kilkoma kroplami 

oliwki lub żelu i postawić głowicę ultradźwiękową 4LN13 . Docisk głowicy ręką albo ciężarkiem. 

− Uruchomić program UMT17.exe z katalogu gdzie jest zainstalowany albo z ikony UMT-17 na pulpicie ; 
− Wybrać z menu opcję ” Plik -  Wczytaj Definicję ” . Z listy wybrać definicję ” Ultradźwięki Laboratorium 

” i przepisać ją do programu klawiszem

 

” OK ” . Każda wczytana definicja zawiera 8 zestawów nastaw, 

wybrać pierwszy zestaw –  przez kliknięcie lewym klawiszem myszki na ” 1 ”  w przełączniku 1 ... 8 . 

− Kliknięcie prawym klawiszem myszki na wybranej pozycji przełącznika 1 ... 8 daje dostęp do objaśnień 

tekstowych i graficznych ( np. jak zdjęcie powyżej ) dla wybranego zestawu. 

−  Na ekranie komputera pojawi się obraz jak poniżej. Dolne okno sygnałowe zwane oknem głównym po-

kazuje ciąg impulsów odpowiadający wielokrotnym odbiciom fali ultradźwiękowej między płaszczyznami 

próbki ( w tym przypadku odległymi o 40mm ) . Okno lupy obrazuje ” rozciągnięty w czasie ” ograniczony 

ramką fragment z okna głównego. 

− Sprawdzić jak niezwykle istotne jest sprzężenie akustyczne między głowicą emitującą falę a próbką, do 

której fala wnika. Pamiętamy, że fala ultradźwiękowa jest fala mechaniczną i może rozchodzić się tylko 

w ośrodkach materialnych. Suchy kontakt miedzy głowicą a próbką skutkuje znikomą transmisją fali z 

uwagi na chropowatość obu powierzchni. Dopiero warstwa ośrodka sprzęgającego ( np. oleju, smaru, 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

32

żelu, wody ) wypełnia te chropowatości i zapewnia możliwość przekazywania drgań mechanicznych, 

czyli propagację fali. Sprawdzić jak wyglądają echa przy suchym kontakcie oraz przez żel dotykając 

głowicę  ręką z różną siłą nacisku i w różnych miejscach próbki. Powrócić do sytuacji początkowej 

sprzęgając głowicę przez żel. 

 

1-sze echo 

”dna” próbki 

2-gie echo 

”dna” próbki 

3-cie echo 

”dna” próbki 

Impuls  
nadajnika 

Po wcześniejszym zapoznaniu się ze skróconym opisem ( na końcu opracowania ) elementów graficz-

nych ekranu zapoznać się z ich działaniem : 

− Zaobserwować wpływ  położenia suwaka ” Zasięg ” na rysunek ech oraz skojarzone z oknem skale 

odległości [mm] ( albo czasu [μs] ) ; 

− Przesuwać ramkę ” Lupy ” ciągnąc myszką jeden z boków ramki. Jeśli ramka jest niewidoczna można 

ją sprowadzić do okna wybierając z lokalnego menu ( prawy klawisz myszki ) ” Przywołaj ramki ” ; 

− Zaobserwować wpływ parametrów odpowiedzialnych za energię fali ultradźwiękowej emitowanej przez 

głowicę, poprzez manipulację suwakami ” Napięcie nadajnika ” i ” Szerokość ” , na kształt i wyso-

kość ech. Ustawić napięcie = 200V. oraz optymalną szerokość. Rozpoczynamy regulację szerokości od 

wartości minimalnej – za optimum przyjmujemy wartość szerokości dla pierwszego maksimum wysoko-

ści ech ( zazwyczaj są kolejne maksima ) ; 

− Zaobserwować wpływ manipulacji suwakiem ” Podcięcie ” na echa . Ustawić podcięcie tak aby linia 

zerowa sygnału pokrywała się z linią zerową okna z tolerancją 1piksela. Teoretycznie powinno to wy-

padać dla położenia suwaka  = 0 % , w praktyce występuje pewna systematyczna odchyłka tego poło-

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

33

żenia od wartości 0 % . Prawidłowe ustawienie podcięcia ma istotny wpływ na wskazania wysokości 

ech podczas automatycznych pomiarów monitorowych i pomiarach kursorowych.  

− Zaobserwować zmiany ech ultradźwiękowych przy manipulacji suwakiem ” Wzmocnienie ” . Zastano-

wić się jaki jest cel regulacji wzmocnienia w  defektoskopie ? Ustawić ramkę lupy na 2 echo dna. Do-

brać wzmocnienie tak, aby wysokość 2-go echa dna była 0.4 H ( tzn. 40 % wysokości okna ) i zanoto-

wać tę wartość w [dB] . Następnie sprawdzić czy przyrost ( spadek ) wzmocnienia o 6 dB spowoduje 

dwukrotny wzrost ( spadek ) wysokości echa. W sprawozdaniu przeprowadzić rachunkowy dowód tego 

eksperymentu korzystając z definicji wzmocnienia wyrażonej w [dB] ; 

− Zapoznać się z dostępnymi w programie widokami okien, korzystając z opcji menu ” Widok ” albo z pię-

ciu przycisków widoku ; 

− Zapoznać się z dostępnymi w programie typami obrazowanych sygnałów ultradźwiękowych : 

1. przełącznik  ” LIN ” albo ” LOG ” wybiera typ wzmacniacza w odbiorniku defektoskopu-gdzie ” LIN 

” oznacza odbiornik o charakterystyce liniowej a ” LOG” o charakterystyce logarytmicznej.  

• Jeśli przez 

 A

out

 oznaczymy amplitudę ( wysokość ) ech rysowanych na ekranie a przez 

A

in 

amplitudę sygnału z głowicy ultradźwiękowej to zależności są takie : 

•  dla toru liniowego     

A

out 

 = W x A

in 

; gdzie 

W

 - regulowane wzmocnienie defektoskopu 

•  dla toru logarytmicznego    

A

out 

 = k x log ( A

in 

)

 ; 

gdzie k - stała ; 

• W 

tym 

ćwiczeniu odbiornik logarytmiczny nie jest używany. Należy pamiętać,  że napis na 

przycisku jest w konwencji negacji – jeśli jest napis LOG to aktualnie wybrany jest tor liniowy i 

odwrotnie. 

2. przełącznik  ” HF ” albo ” LF ” dotyczy tylko toru liniowego i wybiera  typ rysowanego sygnału 

gdzie ” HF ” oznacza tzw. sygnał wielkiej częstotliwości, taki jaki rzeczywiście odbieramy z głowicy 

w wyniku oddziaływania z falą ultradźwiękową, a ” LF ” oznacza tzw. sygnał niskiej częstotliwości, 

czyli sygnał HF poddany detekcji i filtracji obwiedni. Zobrazowanie LF ma mniej szczegółów i przy 

typowych zastosowaniach defektoskopów, jak wykrywanie wad materiałowych, jest wygodniejsze. 

Tu również napis na przycisku jest w konwencji negacji, czyli jeśli jest napis ” HF ” to aktualnie ry-

sowany jest sygnał typu LF i odwrotnie. 

− Zapoznać się ze sposobem przemieszczania bramek monitorów M1 i M2 ( początek, długość , próg ) 

przez operacje myszką oraz z okienek dialogowych a także z automatycznymi pomiarami położenia        

( metodą progową ) i wysokości ech w obszarze bramki.  Jeśli bramki są niewidoczne to można je spro-

wadzić do obszaru okna opcją ” Przywołaj monitory ” z lokalnego menu ( prawy klawisz myszki ). Po-

dwójne kliknięcie na belce monitora otwiera okienka dialogowe monitorów ; 

− Zapoznać się z ważną opcją skalowania okien sygnałowych – dostęp z przycisku ” Nastawy ” lub z me-

nu ” Nastawy – Nastawy-Skalowanie ” .  Osie poziome okien sygnałowych mogą być opisane w jed-

nostkach czasu lub odległości, a przeliczenia są dokonywane z uwzględnieniem parametrów takich jak : 

metoda, prędkość fali, kąt wnikania fali, czas korekcji ( opóźnienie własne głowicy ) ; 

− 

Każde okno sygnałowe ma możliwość tzw. pomiarów kursorowych – określając położenie kursora 

myszki bezwzględnie lub różnicowo względem ustawianych linii odniesienia. Uaktywnianie pomiarów 

kursorowych jest dostępne z lokalnego menu ( prawy klawisz myszki ) – a część ustawień jest dostępna 

w opcji ” Właściwości ” lokalnego menu.

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

34

 

9.2  POMIAR CZASU PRZEJŚCIA PODŁUŻNEJ FALI ULTRADŹWIĘKOWEJ W ZALEŻNOŚCI OD DROGI 

 

Wybrać drugi zestaw nastaw klikając na przycisku 2 przełącznika 1 … 8 . Obejrzeć objaśnienia do tego 

zestawu nastaw. Używając głowicy 4LN13 i wzorca schodkowego zbadać dla wszystkich schodków zależ-

ność czasu przejścia fali oraz pomierzyć grubość schodka – przy włączonej korekcji czasu oraz bez korekcji.  

 

 

 

 

 

Przechodzenie między odczytami A,B, C, D jest możliwe przez odpowiednie ustawienia w opcji ” Na-

stawy- Skalowanie ” . Dla pewności można sprawdzić suwmiarką czy podane w tabeli wymiary fizyczne 

schodków są prawidłowe. 

 

Wymiar fizyczny schodka   h [mm] 

40 35 30 25 20 15 

Droga fali w próbce  s [mm] 

80 70 60 50 40 30 

 

A.  Czas przejścia t [usek]- korekcja włączona 

 

 

 

 

 

 

B. Grubość z pomiaru  [mm] - korekcja włączona 

 

 

 

 

 

 

 

C. Czas przejścia t [usek]- korekcja wyłączona 

 

 

 

 

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

35

D. Grubość z pomiaru [mm] - korekcja wyłączona 

 

 

 

 

 

 

W sprawozdaniu : 

Załączyć tabelę z pomiarami. Narysować wykresy t = f(s) . Korzystając z elementarnej definicji prędko-

ści : V = ΔS / Δt wyznaczyć  tę prędkość. Z otrzymanego wykresu a także analitycznie wyznaczyć czas 

opóźnienia własnego głowicy t

0

 .  

t = t 

0 

 + S / V 

 

gdzie : t - czas przejścia, t

0

 - opóźnienie własne głowicy, S – droga fali , V - prędkość fali  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W najdłuższym schodku są dwa cylindrycz-

ne otwory płaskodenne, co łatwo stwierdzić 

patrząc od spodu wzorca schodkowego. 

Zakładając, że nie wiemy gdzie są te otwo-

ry - spróbujemy zlokalizować te otwory gło-

wicą od górnej płaszczyzny na podstawie 

echa od płaskiego dna otworu. Być może 

konieczne będzie zwiększenie wzmocnie-

nia. Po wykryciu zmierzyć przez pomiar 

monitorowy albo kursorowy głębokość każ-

dego otworu a następnie skonfrontować to 

z pomiarem mechanicznym suwmiarką. 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

36

 

9.3  POMIAR PRĘDKOŚCI FAL PODŁUŻNYCH W CIAŁACH STAŁYCH I CIECZACH 

 

Wybrać trzeci zestaw nastaw klikając na przycisku 3 przełącznika 1 ... 8 . Obejrzeć objaśnienia do tego 

zestawu nastaw. Używając głowicy 4LN13 i próbek walcowych z różnych materiałów (o wys. 30 mm ) wy-

znaczymy prędkość fal podłużnych bazując na elementarnej zależności : 

prędkość fali = droga fali / czas przejścia 

 

 V = S / t 

 
 

 

 

 

Jako drogę fali przyjmujemy podwójną wysokość próbki, a czas przejścia to czas między kolejnymi 

echami dna próbki. Czas przejścia będzie wyznaczony wbudowaną w program procedurą korelacyjną.  

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

37

 

 

W okienku ” DSP-Właściwiości DSP ” wpisujemy drogę fali 60 mm, następnie  wybieramy  z  menu        

” DSP-Korelacja ” . 
 

 

Materiał 

aluminium stal  miedź mosiądz araldit teflon 

gliceryna 

woda 

Droga fali  s [mm] 

60 60 

60 60  60  60 10 

10 

Czas przejścia t [usek] 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prędkość fali [m/sek] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
W sprawozdaniu :   

Załączyć tabelę z pomiarami. Dla każdego materiału obliczyć impedancje akustyczne oraz ile % energii 

fali podłużnej padającej z wody prostopadle na próbkę wniknie do t materiału. 

− Ustawiamy 

głowicę na zwilżonej oliwką próbce i dociskamy tak, aby uzyskać dwa kolejne echa dna. 

Dobieramy wzmocnienie tak, aby wysokość pierwszego echa dna była ok. 70 ... 90% wysokości okna ; 

− Ramki 

” 1 ” i ” 2 ” ustawiamy myszką tak, aby całkowicie obejmowały echa. Całą ramkę przesuwa się 

ciągnąc myszką jej górną lub dolną krawędź a szerokość ramki ciągnąc lewy lub prawy bok. Jeśli ramki 

są niewidoczne w oknie to przywołujemy jez lokalnego menu opcją ” Przywołaj ramki ” ; 

− 

Czas przejscia dt = .... [μs] i prędkość fali V = .... [m/s] odczytujemy z pola wyniku nad oknem korelacji ; 

− Powtarzamy 

tę procedurę dla każdej próbki metalowej, czyli dla: stali, aluminium, mosiądzu i miedzi ; 

− 

Próbki z tworzywa sztucznego araldit oraz teflon są materiałami silnie tłumiącym fale o częstotliwości 

4 MHz i trudno jest uzyskać wyraźne echa dna, zatem użyjemy głowicy 2LN13 o częstotliwości 2 MHz. 

Ustawiamy głowicę na próbce z ” araldit ” i dobieramy optymalną szerokość i wzmocnienie tak, aby uzy-

skać wysokość pierwszego echa dna ok. 70 ... 90 % wysokości okna. Analogicznie jak poprzednio ram-

ki ustawiamy na pierwsze i drugie echo dna i z pola odczytu notujemy wynik ( dla araldit prędkość fali 

jest około 2545 m/s ) . Jeśli drugie echo dna jest bardzo małe, to można je lokalnie wzmocnić stosując 

zasięgową regulację wzmocnienia. Przykład  edycji krzywej regulacji pokazano na rysunku poniżej.  

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

38

 

 

− 

Dla próbki teflonowej postępujemy podobnie jak dla próbki z aralditu, tu jednak tłumienie fal ultradźwię-

kowych będzie jeszcze silniejsze.  

 

Przy pomiarze prędkości fal ultradźwiękowych w cieczach używamy specjalnego uchwytu głowicy zanu-

rzanego w cieczy. Konstrukcja uchwytu zapewnia odbicie wiązki fali od dwóch płaszczyzn odległych od sie-

bie dokładnie o 5 mm . Oznaczmy płaszczyznę czoła głowicy jako ( 0 ) . Na ekranie uzyskamy dwa echa : 

pierwsze od płaszczyzny bliższej głowicy ( 1 ) – droga fali [ 0→1→0 ] a drugie od płaszczyzny ( 2 ) - droga 

fali [ 0→2→0 ] . Różnica dróg fali w wodzie wynosi zatem Δs = 2 x 5 mm = 10 mm . Mierząc czas między 

echami metodą korelacyjną możemy obliczyć prędkość fali w cieczy. Warto zauważyć, że w metodzie tej nie 

trzeba znać bezwzględnej odległości czoła głowicy od próbki a jedynie wysokość ” schodka ” ( 5mm ) , która 

jest stała i może być bardzo dokładnie określona. 

 

Głowica 
4LN13 

0 

2 

1 

3 

woda 

0-2-

0-1-

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

39

Pomiar prędkości fali ultradźwiękowej w wodzie przeprowadzamy następująco : 

− Wybieramy 

4 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia. Wybieramy widok ” DSP-Korelacja ” ; 

 

 

 

 

− 

Głowicę 4LN13 ( starannie oczyszczoną z oliwki lub żelu !! ) umieszczamy w uchwycie ,wkładamy 

do naczynia i nalewamy wody do poziomu jak na rysunku. W opcji ” DSP - Właściwości DSP ” usta-

wiamy drogę fali  2x5mm =10mm ; 

−  Podobnie jak w poprzednich pomiarach korelacyjnych, dobieramy wzmocnienie aby 1 echo miało  od    

50 % do 90 % wysokości okna, ustawiamy ramki na echach i odczytujemy z pola wyniku korelacji czas 

przejścia dt = .... [μs] i prędkość fali V = .... [m/s] ; 

− 

Ten sam eksperyment można powtórzyć z inną cieczą, np.gliceryną. 

 
Warto jeszcze zaobserwować dalsze echa : w widoku wybrać tylko okno główne, ustawić typ zobrazowa-

nia sygnału na LF , zwiększyć zasięg do ok.80 μs, zwiększyć wzmocnienie tak aby uzyskać echa podobne 

do obrazu jak na rysunku poniżej. Interesująca jest interpretacja tych ech – podstawowa umiejętność w ba-

daniach ultradźwiękowych. Na rysunku określone są drogi fal dla kilku ech. Korzystając z opcji  ” Pomiary 

kursorowe ” zmierzyć  położenia ech i określić, jaka jest droga fali dla echa xx . 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

40

f

     a: [ 0 - 1 – 0 ];      b: [ 0 - 2- 0 ]    c:  [ 0-1-3-1-0 ];     d: [ 0 – 2 – 3 – 1 – 0 ] ; 

 

    e: [ 0 – 2 – 3 – 2 – 0 ];       f: [ 0 – 1 – 0 – 1 – 0 ];        xx: [ 0 – ????????? – 0 ] ; 

b

c

d

e

xx

a 

9.4  0SZACOWANIE WSPÓŁCZYNNIKA ODBICIA FALI NA GRANICY OŚRODKÓW 

 

Wybieramy 5 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia.  

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

41

Upewnić się, że wybrane jest zobrazowanie LF sygnału w oknach i widok dwóch okien ( główne + lupa 

). Wstawić ” klocek ” aluminiowy do pustego płytkiego naczynia. Do okrągłego wgłębienia klocka wlać kilka 

kropel oliwki lub żelu i postawić głowicę 4 LN13 – głowicę obciążyć z góry małym ciężarkiem. Ramkę lupy 

oraz monitor M1 ustawić tak, aby obejmowały pierwsze echo dna klocka, wybrać widok tylko okna lupy. 

 

Wysokość echa dna H

1

 jest proporcjonalna do współczynnika odbicia fali na granicy aluminium - po-

wietrze ( R

1

 

≈ -1 ) , a fala całkowicie odbije się i wróci w kierunku głowicy : 

R

1

 = (z

pow 

– z

Al

 )/(z

pow 

+ z

Al.

) 

ponieważ : z

pow 

<<<z

Al. 

to    R

1

 

≈ -1 ,  

zatem H

1

 = k R

1

 

; gdzie : k – stała . 

Jeśli ( nie ruszając głowicy !! ) do naczynia wlejemy wodę tak, aby dno próbki zanurzyło się, to część 

fali wniknie do wody a reszta odbije się od granicy aluminium - woda i wróci w kierunku głowicy . Wysokość 

echa dna spadnie do wartości H

2

 i będzie proporcjonalna do współczynnika odbicia R

2

 : 

R

2

 = ( z

wody 

– z

Al

 ) / ( z

wody

+ z

Al. 

)

 

ponieważ 

z

wody

 = 1.48x106 [kg/m2s] oraz  

z

Al

. = 17.28x106 [kg/m2s] to :  

R

2 

≈ - 0.8573 

oraz :                                                                       H

2

 = k R

2

 

Stosunek wysokości ech jest równy współczynnikowi odbicia fali na granicy aluminium-woda : 

H

2 

/ H

1

 = 

 

k R

2 

/ k R

1

 = - R

2

 

Spróbujmy zmierzyć doświadczalnie współczynnik  R

2

  i porównać wynik z obliczeniem teoretycznym        

( R

2 

≈ - 0.8573 ) . Do pomiaru wysokości ech użyjemy automatycznego pomiaru monitorowego. 

− 

Dla granicy aluminium - powietrze ( puste naczynie ) regulując wzmocnienie ustawiamy wysokość echa 

na ok. 90% wysokości okna. Z okienka wyników monitorowych notujemy H

1

 = ... ; 

A

owietrze

 

p

wod

A

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

42

− Wlewamy 

wodę tak, aby zanurzyć dno klocka ( uważać aby nie poruszyć  głowicy !!  ) - wysokość 

echa nieco spadnie bo część fali przejdzie do wody a reszta wróci do głowicy. Notujemy H

2

 = ... ; 

− Obliczamy 

współczynnik odbicia fali R

2

 = - H2 / H1 . 

 

9.5 OBSERWACJA ECH OD FAL PODŁUŻNYCH PADAJĄCYCH POD KĄTEM NA GRANICĘ         

OŚRODKÓW 

 

Wybieramy  6  zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia. 

 

 

 

Używając głowicy 4LN13 i specjalnej próbki aluminiowej w kształcie klina sprawdzimy, czy kąt padania 

fali na granicę aluminium – powietrze jest równy kątowi odbicia. Oczywiście sprawdzenie to będzie tylko dla 

jednego kąta ( 45° ) . 

− Ustawiamy 

głowicę na zwilżonej oliwką powierzchni ” 0 ”  klina ( w środku ) . Pomimo że nie ma możli-

wości bezpośredniego odbicia fali od narożnika ( 90° ) na ekranie otrzymujemy wyraźne echo. Zatem 

fala odbija się dwukrotnie pod kątem 45° i wraca do głowicy - ( droga 0-1-2-0 na rysunku poniżej ) . 

Ustawić wysokość echa na ok. 90% wysokości okna przez  dobór wzmocnienia i zmierzyć położenie 

echa pomiarem monitorowym.  Sprawdzić, czy położenie to jest równe połowie obliczonej geometrycz-

nie drogi 0-1-2-0 . 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

43

 

− Odsunąć głowicę w kierunku narożnika ( 45° ) na klinie. Zwiększamy wzmocnienie o kilka ( 8 ... 10 ) dB 

. Obserwowane echo pochodzi od pięciokrotnego odbicia fali ( droga 0-1-2-0-2-1-0 ) . Analogicznie jak 

poprzednio zmierzyć położenie echa i sprawdzić, czy położenie to jest równe połowie obliczonej geo-

metrycznie drogi 0-1-2-0-2-1-0 . Dlaczego przy przesuwaniu głowicy położenie echa nie zmienia się ? 

− Odwrócić klin w podstawce i przyłożyć głowicę do zwilżonej oliwką płaszczyzny 1 albo 2 . Jaka będzie 

droga fali w tym przypadku dla obserwowanego echa ?. Potwierdzić rozumowanie przez porównanie 

położenia echa i połowy długości obliczonej geometrycznie drogi fali. 

W sprawozdaniu :  

Dla punktów 1 , 2 , 3 naszkicować drogę fali ultradźwiękowej w klinie. Porównać zmierzone położenie 

echa z obliczoną geometrycznie długością drogi fali. 

 

 

9.6  OBSERWACJA ECH OD FAL POPRZECZNYCH PRZY BADANIU GŁOWICĄ SKOŚNĄ 

 

Wybieramy 7 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia.  

 

 

 

 

 

klin aluminiowy

 

80 mm

 

45

90

45

0

 

2

powierzchni

1

0-1-2-

 

0-1-2-0

 

0-1-2-0-2-1-0

0-1-2-0-2-1-0

?

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

44

 

 

 

Podłączamy głowicę skośną 45

° ( np. głowica 2T45A15 firmy Unipan ) i ustawiamy na wzorcu schod-

kowym.  

− Po 

zwilżonej oliwką powierzchni prowadzimy 

powoli głowicę obserwując echa na ekranie – 

czynność wykonujemy dla obu kierunków pe-

netracji ( rys. a i b). Wyjaśnić drogę fal dla ob-

serwowanych ech ; 

a

c

b

d

− Zaobserwować różnice w położeniu ech przy 

włączonej i wyłączonej korekcji czasu głowicy 

( opcja ” Nastawy - Skalowanie” ) ; 

−  Przy wybranym skalowaniu ” mm (Y) ” i włą-

czonej korekcji, sprawdzić czy poprawnie iden-

tyfikowana jest głębokość schodków ( naroży ) 

w pomiarach monitorowych ; 

− Zaobserwować echa przy przesuwaniu głowi-

cy skośnej po powierzchni klina ( rys. c ) ; 

− Zaobserwować zmianę wysokości echa przy 

skręcaniu głowicy ( rys. d ) . 

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

45

9.7 OBSERWACJA ECH OD FAL POWIERZCHNIOWYCH PRZY BADANIU GŁOWICĄ POWIERZCH-

NIOWĄ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wybieramy 8 zestaw nastaw i oglądamy objaśnienia. Podłączamy głowicę fal powierzchniowych ( np. 

głowica 2S15 firmy Unipan ) zwilżamy  żelem tylko w jednym punkcie pod głowicą i ustawiamy na wzorcu 

schodkowym jak na rysunku. 

Fale powierzchniowe rozchodzą się tuż pod powierzchnią materiału wnikając na niewielka głębokość. 

Każde ostre załamanie powierzchni oraz każda płaszczyzna prostopadła do kierunku propagacji fali (np. 

pęknięcie powierzchniowe ) spowoduje jej odbicie i powrót do głowicy - dając echa krawędzi lub pęknięć 

prostopadłych do powierzchni. Fakt, że fala biegnie po powierzchni powoduje, że jest tłumiona przez wszel-

kie przeszkody na tej powierzchni. Nawet kilka kropel wody ( żelu ) na drodze fali albo przyłożenie palca na 

drodze fali spowoduje stłumienie ech. Możemy w ten sposób zidentyfikować, od których krawędzi pochodzą 

echa, przesuwając palcem po powierzchni na drodze fali. 

 

 
10.  ZARYS OBSŁUGI PROGRAMU 

 

 
 

Pełny opis obsługi programu i systematyczny przegląd wszystkich opcji programowych wraz z komenta-

rzem jest dostępny w instrukcji obsługi defektoskopu UMT-17. Poniżej podano tylko elementarne informacje 

do obsługi programu.  

 

Operowanie myszką 

Program jest zaprojektowany tak, aby w większości przypadków dał się obsługiwać równolegle za po-

mocą myszki i klawiatury ( pewne operacje są dostępne przy użyciu tylko klawiatury albo tylko myszki ) . 

Program rozróżnia trzy rodzaje akcji przeprowadzanych przez operatora za pomocą myszki : 

−  przesuwanie myszki - ruch jest odwzorowany na ekranie za pomocą ruchu tzw. kursora myszki ; 
−  ” kliknięcie " - akcja polegająca na szybkim wciśnięciu i zwolnieniu lewego klawisza myszki ; 
−  " ciągnięcie " - akcja polegająca na przesuwaniu myszki przy wciśniętym lewym klawiszu. 

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

46

 

Elementy ekranu w programie 

 

 

Pasek narzędzi 

Okno sygnałowe lupy 

Suwaki nastaw  

Okno sygnałowe 
     główne  

Linia odniesienia 

Wykres  sygnału 

Ramka lupy 

Bramka  
monitora 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pola odczytów 

 

  - pole odczytów  wyników pomiarów w bramkach monitorów 
 

- pole odczytów   kursorowych 
 

  - pole odczytów  wyników  operacji DSP (korelacja, widmo,..) 

 

Struktura Menu głównego  

Program zawiera hierarchiczną strukturę tzw. MENU , w której wyliczone jest większość operacji prze-

prowadzanych przez program. Dzięki niej można odnaleźć akcję, którą ma podjąć program i spowodować 

aby ta akcja została wykonana. Na rysunku pokazano  opcje z menu głównego. Każda z opcji jest rozwijana.  

 

 

 

Menu lokalne 

Kliknięcie prawym klawiszem myszki w obszarze okna sygnałowego otwiera menu lokalne do przepro-

wadzenia różnych ustawień okna i pewnych wybranych operacji ( np. Drukuj ) . Kliknięcie prawym klawiszem 

myszki na przełączniku wyboru zestawu nastaw ( 1 ... 8 ) daje dostęp do objaśnień tego zestawu. Objaśnie-

nia są w postaci zdjęcia i opisu tekstowego – przykład na zdjęciu poniżej.  

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

47

 

Pasek narzędzi  

Wskazując kursorem przycisk paska narzędzi pojawia się podpowiedź do czego służy dany  przycisk. 

Na rysunku pokazano opis grup przycisków paska narzędzi. 

Zapis/ 
Odczyt 
definicji 

Wybór  widoku 

Nastawy 

Zapis/Odczyt 
    wyników 

Wybór  rodzaju  
     sygnału 

Wybór  zestawu nastaw  1..8  
W ramach  wczytanej definicji 

Zmrożenie/ 
Odmrożenie  
sygnału 

 

Ekranowe obszary aktywne 

Wiele parametrów nastaw sprzętowych defektoskopu oraz różnych parametrów liczbowych w progra-

mie możliwe są do ustawienia w dualny sposób : z klasycznych okien dialogowych dostępnych z menu albo 

przez operacje na aktywnych elementach graficznych okien. Np, wzmocnienie defektoskopu można ustawić 

z okienka dialogowego ( menu :” Nastawy – Nastawy - Nadajnik/Odbiornik – Wzmocnienie ” ) albo cią-

gnąc myszką aktywny element graficzny jakim jest suwak wzmocnienia. W programie dualny dostęp do pa-

rametrów jest wzajemnie uaktualniany, tzn. regulacja z okienka dialogowego uaktualnia położenie suwaka i 

na odwrót. 

Aktywne elementy graficzne są następujące : 

− 

suwaki – zmiana wartości przez ciągnięcie suwaka przy wciśniętym lewym klawiszu myszki. Dodatkowo 

klikanie z lewej lub prawej strony uchwytu suwaka powoduje zmianę wartości z precyzyjnym skokiem. 

−  bramki monitorów - najeżdżając kursorem myszki na obszar monitora kursor zmienia postać. Przesu-

wanie całego monitora możliwe jest przez ciągnięcie myszką poziomej belki monitora. Zmiana początku 

lub końca monitora realizowana jest przez ciągniecie myszką jego krańców. Podwójne klikniecie na 

belce monitora otwiera dostęp do okienka dialogowego nastaw monitorów. Jeśli monitor jest poza ob-

szarem okna to można go sprowadzić z lokalnego menu wybierając” Przywołaj monitory ” ; 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

48

− 

ramka lupy - ciągnąc myszką dowolną krawędź ramki lupy przemieszczamy ją w obszarze okna głów-

nego. Szerokość ramki lupy jest uzależniona od zasięgu i nie jest swobodnie regulowana. Ramka lupy 

może być poza widzialnym obszarem okna – jeśli trzeba można ja sprowadzić do okna z lokalnego me-

nu wybierając ” Przywołaj ramki ” ; 

− 

ramki w opcji DSP” Korelacja ” – dwie ramki  1 i 2. Przesuwanie przez ciągnięcie górnej krawędzi ram-

ki, zmiana szerokości przez ciągnięcie pionowych krawędzi ramki. Szerokości obu ramek są równe, 

zmiana w jednej uaktualnia szerokość w drugiej. Analogicznie jak wyżej, gdy ramki są poza obszarem 

okna głównego można je sprowadzić z lokalnego menu wybierając” Przywołaj ramki ” ; 

− 

ramka w opcji DSP ” Transformata Fouriera ” albo ” Gęstość widmowa ” – jedna ramka DFT.  Zmia-

na położenia i szerokości przez ciągnięcie krawędzi ramki jak dla korelacji. 

− 

linie odniesienia dla pomiarów kursorowych - zmiana położenia linii przez ciągniecie linii myszką. Jeśli 

linie odniesienia są poza oknem to sprowadzamy je do okna z lokalnego menu ” Przywołaj linie od-

niesienia ” ; 

− 

skale poziome okien sygnałowych ( [mm] , [μs] , [MHz] ) – ciągnąc myszką za ” cyfry ” opisu skali uak-

tualniamy rozciąg liczbowy skali. 

 

Okienka dialogowe nastaw 

Opcja nastaw ma cztery zakładki. 

Zakładka ” Nadajnik/Odbiornik ” grupuje wszystkie ustawienia związane z torem analogowym defek-

toskopu. Większość pól tej zakładki jest oczywista. Skomentujemy tylko niektóre : 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− 

Tłumienie – wybór rezystora tłumiącego elektrycznie głowicę ultradźwiękową. Mniejsza wartość rezy-

stora skraca szerokość impulsów ( ech ) poprawiając zdolność rozdzielczą, ale jednocześnie spada 

amplituda sygnału z głowicy ; 

− 

Sygnał - to jest wybór rodzaju sygnału rysowanego w oknach. ” m.cz. ” odpowiada sygnałowi po detek-

cji natomiast ” w.cz. ” sygnałowi wielkiej częstotliwości. Dostęp do tego wyboru jest też z paska narzę-

dzi – przycisk ” LF – HF ”; 

− 

Częst. dolna i górna  -  wybór pasma przenoszenia odbiornika ; 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

49

− 

Stała czasu -  stopień  filtracji obwiedni dla sygnału po detekcji. 

Zakładka ” Monitory/DAC ” grupuje ustawienia związane z położeniem bramek monitorów oraz okre-

śla zakres aktywności krzywej DAC ( początek i koniec ) . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zakładka ” Skalowanie ” grupuje ustawienia związane z przeliczeniami ” czas - odległość ” . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− Pole ” Skala ” -  określa w jakich jednostkach są opisane skale poziome okien sygnałowych ; 
− Pole ” Korekcja czasu przejścia w głowicy ”  – umożliwia wprowadzenie poprawki do skalowania 

okien tak, aby wynik pomiarów odpowiadał rzeczywistym wymiarom badanego obiektu.  

 

Zakładka ” Sygnał ” grupuje ustawienia związane z zakresem obserwacji w oknie głównym i oknie lupy 

oraz sposobem akwizycji sygnału.  

 

 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− Pole ” Okno główne ” – umożliwia wprowadzenie zasięgu obserwacji i opóźnienia zobrazowania. Do-

stęp do tych parametrów jest też możliwy przez manipulacje suwakiem zasięgu i paskiem przewijania 

okna głównego. 

− Pole ” Lupa ” –  określa położenie ramki lupy w oknie głównym. Tryb lupy określa z czym związany jest 

początek ramki lupy. W trybie swobodnym ramkę przesuwa się ciągnąc myszką jej krawędź albo wpisu-

jąc opóźnienie lupy. Można też związać początek ramki lupy z wybraną bramką monitora. 

− Pole ” Akwizycja sygnału ” –  umożliwia włączenie uśredniania sygnałów ultradźwiękowych co czę-

ściowo eliminuje szumy i zakłócenia. Jest to szczególnie użyteczne przy pracy z małymi sygnałami ( np. 

małe wady, duże tłumienie fal w materiale ) gdzie trzeba używać dużych wartości wzmocnień i wtedy 

istotne są szumy własne wzmacniacza w odbiorniku. 

 

Operacje wczytywania i zapisywania definicji 

Wszystkie nastawy sprzętowe defektoskopu oraz parametry liczbowe dla programu 

dotyczące konkretnego zadania pomiarowego są zgrupowane w jednym zbiorze i 

przechowywane w postaci tzw. definicji pomiarowej. Definicja przechowywana jest w 

lokalnej bazie danych programu. Zapisując definicję zapamiętujemy te wszystkie ustawienia, wczytując defi-

nicję wprowadzamy do defektoskopu i programu ustawienia zrobione wcześniej. Definicja identyfikowana 

jest przez unikalną nazwę. Trzy przyciski na pasku narzędzi dają dostęp do okien dialogowych zarządzania 

definicjami - z obsługą typową jak w środowisku Windows. 

 

Operacje zapisu , przeglądania i eksportu wyników pomiarowych 

Program ma wbudowaną wewnętrzną bazę danych do zapisu okien sygnałowych z 

wynikami pomiarów, oraz przeglądarkę do analizy tych wyników. Trzy przyciski na pa-

sku narzędzi umożliwiają dostęp do tych opcji – obsługa jest typowa jak dla programów w środowisku Win-

dows. 

 

” Ultradźwięki ” Laboratorium 

51