2.1 Fysikaliska principer

När en partikel i ett medium genom en yttre kraft bringas ur sitt jämviktsläge, kommer den i sin tur att påverka intilliggande partiklar på sådant sätt att hela systemet strävar efter att uppnå ett nytt jämviktsläge. På detta sätt fortplantar sig rörelsen från partikel till partikel och ger upphov till en våg.

Om den yttre kraften är periodisk och upprepas med jämna mellanrum, erhålls en kontinuerlig våg, som utbreder sig bort från störningskällan likt ringar på vattnet. Den yttre kraftens riktning och arten av koppling mellan mediets partiklar bestämmer utseendet på vågen.

De elastiska vågornas natur är intimt förknippade med olika materials uppbyggnad och är till skillnad från elektromagnetiska vågor beroende av det medium, i vilket de utbreder sig. Detta medium kan antingen vara en fast kropp, en vätska eller en gas. Olika materials elastiska egenskaper och de konstanter som används vid beräkningar av dessa finns beskrivna i hållfasthetslitteraturen.

Longitudinell våg, ibland även kallad kompressionsvåg, är en vanlig vågtyp vid provning av metaller. Den utbreder sig genom materialet genom en serie av omväxlande kompressioner och förtunningar, vilket medför att materialets partiklar påverkas av vågen och vibrerar fram och tillbaka i utbredningsriktningen.

Transversella vågor används ofta vid provning av metaller och svetsförband. Transversalvågen påverkar partiklarna på så sätt, att de vibrerar upp och ned vinkelrätt mot utbredningsriktningen. Detta kan beskrivas som rörelserna i ett långt rep, som skakas rytmiskt upp och ned. Transversalvågens hastighet är ungefär hälften av longitudinalvågens. Transversalvågor kan inte utbreda sig i vatten och luft.

Ytvågor (Rayleigh-vågor) används för att upptäcka ytfel och fel strax under ytan. Dessa vågor förflyttar sig längs plana eller kurvade ytor i relativt tjocka, fasta, homogena detaljer. För att dessa vågor skall kunna utbreda sig måste de förflytta sig i gränsytan mellan å ena sidan de kraftiga elastiska krafterna i en fast kropp och å andra sidan de nästan negligerbara elastiska krafterna mellan gasmolekyler. Ytvågor kan därför inte existera, om en fast kropp nedsänks i en vätska. Ytvågens hastighet är ungefär 90 % av transversalvågens.

Lambvågor, också ibland kallade plattvågor, är ytterligare en vågtyp, som används inom materialprovningen. Lambvågor förflyttar sig bara i material, som är några våglängder tjocka. En lambvåg består av komplexa vibrationer, som går genom hela materialets tjocklek. Karaktären på utbredningen av lambvågor beror på materialets täthet, elastiska egenskaper och materialets struktur. Den påverkas också av provobjektets form och ultraljudfrekvensen.

Det kan existera två former av lambvågor nämligen symmetriska och asymmetriska: Formen bestäms av huruvida partikelrörelsen är symmetrisk, med longitudinell partikelförskjutning, eller asymmetrisk, med transversell förskjutning av partiklarna i förhållande till provobjektets yta.

Några av de vanligaste vågtyperna illustreras i Figur 11.

Viktiga variabler, som måste beaktas vid ultraljudprovning, är karaktären på de vågor, som används, och också karaktären på det material som skall provas.

Provningsutrustningen måste också väljas med hänsyn till den provningsuppgift, som skall lösas, eftersom utrustningar ofta är anpassade för speciella provningsuppgifter.

Viktiga parametrar:

b) Akustisk impedans. När ultraljudsvågor, som utbreder sig i ett medium, kolliderar med gränssnittet till ett annat medium, reflekteras en del av den infallande ljudenergin bort från gränssnittet medan återstående energi överförs till det andra mediumet. Det som bestämmer mängden av reflektion är förhållandet mellan de akustiska impedanserna hos materialen på båda sidor om gränssnittet.

Om impedanserna hos de båda materialen är lika, blir det ingen reflektion. Om impedanserna avviker mycket från varandra som till exempel mellan metall och luft, blir det praktiskt taget total reflektion. Storleken på den infallande energi, om reflekteras vid övergång mellan två material, beror på förhållandet mellan de båda materialens impedanser och aktuell infallsvinkel.

c) Reflektion-Brytning. Det är bara när en ultraljudvåg träffar vinkelrätt mot en gränsyta till ett annat material (infallsvinkeln=0°), som ljudöverföring och reflektion sker utan ändring av ljudriktningen. Vid alla andra infallsvinklar inträffar fenomen som kallas brytning och vågomvandling och som innebär att den infallande ultraljudvågen bryts till andra vinklar i gränsskiktet och ändrar karaktär genom att delar av energin omvandlas till andra vågtyper (se Figur 12).

Den lag, som beskriver ultraljudets reflektion och brytning i en gränsyta, är densamma gäller inom den geometriska optiken och kallas Snell’s lag,

Sin i/Sin b=V₁ /V₂

där i är infallsvinkeln och b är reflektionsvinkeln, V₁ och V₂ är hastigheterna på respektive infallande och reflekterad eller bruten våg.