4-1

บทที่ 4

เทคนิคการวัดดวยคลื่นเสยีงความถี่สูงอัลตราโซนิกส บทนํา การทดสอบวัสดุแบบไมทําลายดวยคลื่นเสียงความถี่สูงหรือคลื่นเสียงอัลตราโซนิกส (ultrasonic

testing) เปนวิธีการที่เปนมาตรฐานซึ่งใชแพรหลายกับวัสดุทางวิศวกรรม ซึ่งไดมีการประยุกตนํามาใชในการวัดคุณภาพของผักผลไมโดยไมทําลาย

การทดสอบแบบไมทําลายดวยคลื่นเสียงความถี่สูงเปนเทคนิคท่ีมีประโยชนหลายอยาง สามารถนําไปประยุกตใชไดกับการวิเคราะหวัสดุหลายชนิด มาตรฐานการประยุกตใชเทคนิคการทดสอบดวยคลื่นเสียงความถี่สูงน้ี ไดแก การวัดความหนา ตรวจหาจุดบกพรองในวัสดุ ทําภาพเชิงเสียง (acoustic imaging)

สําหรับคลื่นเสียงที่ความถี่สูงมากๆ น้ันจะสามารถนําไปใชในการจําแนกหรือหาปริมาณของสมบัติท่ีเกี่ยวกับโครงสราง หรือองคประกอบของวัสดุท้ังที่เปนของแข็งและของเหลว หลักการพื้นฐานของการทดสอบนี้ใชหลักการงายๆ ของฟสิกสท่ีวา การเคลื่อนที่ของคลื่นจะไดรับผลกระทบจากตัวกลาง (medium) ท่ีคลื่นเคลื่อนท่ีผานไป ดังน้ันเราจะสามารถวัดคาการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร เชน เวลาเคลื่อนผาน (transit

time) การลดทอน (attenuation) การกระเจิง (scattering) หรือ องคประกอบความถี่ (frequency

content) เปนคาท่ีสัมพันธกับการเปลี่ยนแปลงในสมบัติของวัสดุ เชน ความแข็ง โมดูลัสยืดหยุน (elastic

modulus) ความหนาแนน ความเปนเน้ือเดียว (homogeneity) หรือ โครงสรางเกรน (grain structure)

เปนตน ในบทนี้จะไดกลาวถึงทฤษฎี เทคนิคการวัด อุปกรณท่ีใช งานวิจัยและการพัฒนาที่เกี่ยวของ และการประยุกตใชงานกับผักผลไมของเทคนิคการวัดดวยคลื่นเสียงความถี่สูง หลักการวัดดวยคลื่นเสียงความถี่สูง เทคนิคคลื่นเสียงความถี่สูงจะเปนการใชพลังงานของคลื่นเสียงที่มีความถี่สูงในการวัดและตรวจสอบวัสดุโดยเปนคลื่นเสียงในชวงความถี่จาก 20 กิโลเฮิรตซ จนถึง 100 เมกะเฮิรตซ โดยประมาณ ซึ่งการใชงานสวนใหญจะใชชวงความถี่ระหวาง 500 กิโลเฮิรตซ ถึง 20 เมกะเฮิรตซ ระบบการวัดท่ัวไปประกอบดวย อุปกรณกําเนิดพัลส (pulser) อุปกรณรับสัญญาณ (receiver) อุปกรณแปรสัญญาณ (transducer) และอุปกรณแสดงผล (รูปที่ 4.1) โดยอุปกรณกําเนิดและรับพัลสทําหนาท่ีสรางสัญญาณพัลสทางไฟฟาท่ีมีความตางศักยสูงและปอนใหกลับอุปกรณแปรสัญญาณทําหนาท่ีแปรสัญญาณไฟฟาเปนพลังงานคลื่นเสียงความถี่สูงหรือคลื่นเสียงอัลตราโซนิกส พลังงานเสียงที่สรางขึ้นจะแพรขยายลงไปในวัสดุท่ีทดสอบในรูปของคลื่น เม่ือคลื่นเสียงกระทบความไมตอเน่ืองในวัสดุ เชน รอยแตกในวัสดุ เปนตน พลังงานบางสวนจะสะทอนกลับจากผิวรอยแตก สัญญาณคลื่นท่ีสะทอนกลับมายังอุปกรณแปรสัญญาณจะถูกเปลี่ยนรูปกลับไปเปนสัญญาณไฟฟาและแสดงผลบนจอ

4-2

รูปที่ 4.1 อุปกรณพ้ืนฐานในการวัดดวยคล่ืนเสียงความถี่สูงประกอบดวยอุปกรณกําเนิดและรับพัลส อุปกรณแปร

สัญญาณ และอุปกรณแสดงผล อุปกรณแปรสัญญาณเพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric transducer) จะทําหนาท่ีสรางและตรวจจับพัลสเสียง โดยการนําไปยึดติดกับวัสดุท่ีทดสอบ ถาใชอุปกรณแปรสัญญาณอันเดียวโดยยึดติดท่ีดานใดดานหนึ่งของวัสดุท่ีทดสอบอุปกรณแปรสัญญาณนั้นก็จะทําหนาท่ีเปนท้ังตัวสงและรับสัญญาณซึ่งเปนรูปแบบการวัดแบบพัลสและสะทอนกลับ (pulse/echo mode) สําหรับรูปแบบการวัดแบบสงผาน (through transmission mode) น้ันอุปกรณแปรสัญญาณจะมีสองตัวทําหนาท่ีสงผานคลื่นเสียงหนึ่งตัวและรับสัญญาณคลื่นเสียงอีกหน่ึงตัวโดยติดต้ังที่ดานตรงขามกันของวัสดุทดสอบ อุปกรณแปรสัญญาณจะถูกกระตุนใหเกิดคลื่นเสียงความถี่สูงไดสองแบบคือ การกระตุนดวยความตางศักยไฟฟาขนาดสูงเปนชวงเวลาที่สั้นมากๆ (voltage spike) หรือกระตุนดวยสัญญาณอิมพัลสคลื่นตอเน่ือง (continuous wave

impulse) คลื่นเสียงที่เกิดขึ้นจะเดินทางผานวัสดุท่ีถูกทดสอบและเกิดการสะทอนกลับเม่ือเดินทางถึงดานตรงขามมายังจุดเริ่มซึ่งเปนกรณีการวัดแบบพัลสและสะทอนกลับ หรือคลื่นเสียงอาจถูกวัดดวยอุปกรณแปรสัญญาณที่ดานตรงขามซึ่งเปนกรณีการวัดแบบสองผาน สัญญาณที่ไดรับจะถูกขยายและนํามาวิเคราะหโดยมีเครื่องมือทางการคาท่ีออกแบบมาโดยเฉพาะซึ่งใชกระบวนการประมวลผลสัญญาณทั้งแบบดิจิตอลและอนาล็อก

โหมดการสั่นท่ีนิยมใชในการวัดคือ การสั่นตามยาว (longitudinal vibration) และการสั่นแบบเฉือน (shear or transverse vibration) ในการประยุกตใชสําหรับวิเคราะหวัสดุหลายอยางน้ัน คลื่นเสียงความถี่สูงจะไดประโยชนมากกวาความถี่ตํ่าเน่ืองจากเปนคลื่นท่ีมีความยาวคลื่นสั้นซึ่งจะตอบสนองตอการเปลี่ยนแปลงในตัวกลางขณะเคลื่อนผานไปไดดีกวา ขอไดเปรียบที่สําคัญของการทดสอบดวยอัลตราโซนิกสตอการทดสอบแบบอื่นคือ เราสามารถสงผานคลื่นเสียงความถี่สูงไปยังวัตถุท่ีเคลื่อนท่ีและรับสัญญาณสะทอนกลับไดโดยไมจําเปนตองมีการสัมผัสกับวัตถุ

Pulser/Receiver

Transducer

Crack

Material

Initial pulse

Crack echo

Back surface echo

4-3

น้ันโดยตรงซึ่งเสียงสามารถเดินทางไปถึงวัตถุไดโดยผานตัวกลางเชน นํ้า เปนตน การวัดอัลตราโซนิกสยังสามารถกระทําไดกับวัตถุท่ีบรรจุในภาชนะปดโดยการยึดอุปกรณแปรสัญญาณติดกับผนังของภาชนะเพื่อสงผานพลังงานเสียง นอกจากน้ันการวัดจะเปนการวัดท้ังมวล (bulk measurement) แทนที่จะเปนการวัดเฉพาะที่ผิว คาพารามิเตอรท่ีวัดโดยทั่วไปคือ

1. ความเร็วเสียงหรือเวลาเดินทางของพัลส (sound velocity/pulse transit time)

คาความเร็วเสียงเปนคาพารามิเตอรของอัลตราโซนิกสท่ีงายท่ีสุดท่ีวัดได ความเร็วของเสียงในวัตถุท่ีเปนเน้ือเดียวจะมีความสัมพันธโดยตรงกับโมดูลัสยืดหยุนและความหนาแนน ดังน้ันการเปลี่ยนแปลของความยืดหยุนหรือความหนาแนนของวัตถุจะมีผลโดยตรงกับเวลาเดินทางของพัลสผานตัวอยางที่มีความหนาคงที่ 2. การลดทอน (attenuation)

พลังงานเสียงจะถูกดูดกลืนหรือลดทอนลงที่อัตราแตกตางกันในตัวอยางที่แตกตางกัน ซึ่งถูกควบคุมอยางซับซอนโดยผลกระทบรวมระหวางความหนาแนน ความแข็ง ความหนืด และโครงสรางโมเลกุล โดยปกติแลวการลดทอนจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ในวัตถ ุ

3. การกระเจิง (scattering)

คลื่นเสียงจะสะทอนท่ีรอยตอระหวางวัตถุท่ีแตกตางกัน การเปลี่ยนแปลงของโครงสรางเกรน ทิศทางของเสนใย ความพรุน ความหนาแนนของโมเลกุล และความแตกตางระหวางโครงสรางระดับไมโคร จะมีผลตอขนาดเสียง ทิศทางเสียงและองคประกอบความถี่ของสัญญาณที่กระเจิง ผลการกระเจิงสามารถตรวจวัดไดโดยตรงจากการวัดการเปลี่ยนของขนาดของการสะทอนกลับที่ผนังตรงขาม หรือสัญญาณการสงผาน

4. องคประกอบความถี่ (frequency content)

วัตถุทุกชนิดมีแนวโนมท่ีจะทําหนาท่ีเปนตัวกรองแบบโลวพาส (low pass filter) หรือยอมใหสัญญาณความถี่ตํ่าผานไปได หรือทําหนาท่ีลดทอนหรือทําใหองคประกอบความถี่สูงเกิดการกระเจิงกับของคลื่นเสียงแบบบรอดแบนด (broadband sound wave) มากกกวาองคประกอบความถี่ตํ่า ดังน้ันการวิเคราะหการเปลี่ยนแปลงในองคประกอบความถี่ท่ีหลงเหลืออยูของพัลสแบบบรอดแบนดท่ีผานวัตถุท่ีทดสอบจะสามารถนํามาใชในการตรวจหาผลกระทบรวมระหวางการลดทอนและการกระเจิงแสงที่กลาวมาขางตนได

บางครั้งการทดสอบดวยอัลตราโซนิกสถือวาเปนเทคนิคเชิงเปรียบเทียบ ยกตัวอยางเชน ถาตองการสรางรูปแบบมาตรฐานการทดสอบสําหรับการใชงานหนึ่งๆ น้ัน อาจจําเปนตองประเมินวัตถุมาตรฐานอางอิงที่เปนตัวแทนของวัตถุตางๆ ท่ีตองการทดสอบโดยการทดลอง และจากขอมูลการทดลองกับวัตถุมาตรฐานอางอิงดังกลาวจะทําใหสามารถบันทึกคาพารามิเตอรสองผานของเสียงที่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของสมบัติของวัตถุ และสามารถนํามาใชระบุหรือประเมินการเปลี่ยนแปลงในลักษณะเดียวกันในตัวอยางที่ทดสอบ

4-4

ประวัติศาสตรยอของอัลตราโซนิกส ชวงเวลากอนสงครามโลกครั้งที่ 2 น้ันไดมีการศึกษาการสงคลื่นเสียงผานลงไปในน้ําและสังเกตตรวจจับเสียงที่สะทอนกลับเพื่อระบุลักษณะของวัตถุท่ีอยูในนํ้า ซึ่งทําใหเกิดแรงดลใจใหผูท่ีคนควาเกี่ยวกับเสียงอัลตราซาวดในการนําไปประยุกตใชในดานการตรวจวินิจฉัยโรคในทางการแพทย ในป ค.ศ. 1929 และ 1935 ไดมีการนําคลื่นอัลตราโซนิกสไปใชในการตรวจหาวัตถุโลหะ สวนในป ค.ศ. 1931 ไดมีการจดสิทธิบัตรการประยุกตใชคลื่นอัลตราโซนิกสโดยใชอุปกรณแปรสัญญาณสองตัวในการตรวจหารอยหรือจุดบกพรองในของแข็ง ตอมา Firestone (1945) ไดพัฒนาการทดสอบแบบอัลตราโซนิกสแบบพัลสโดยการใชเทคนิคพัลสและสะทอนกลับ (pulse-echo technique)

ในชวงเวลาสั้นๆ หลังจากสงครามโลกครั้งที่สอง นักวิจัยชาวญี่ ปุนไดเริ่มคนควาเกี่ยวกับความสามารถของเทคนิคอัลตราโซนิกสสําหรับการตรวจวินิจฉัยในทางการแพทย งานคนควาท่ีประเทศญี่ปุนไดดําเนินไปโดยไมเปนท่ีรูจักนักในสหรัฐอเมริกาและยุโรปจนกระทั่งป ค.ศ.1950 โดยไดมีการนําเสนองานวิจัยจากประเทศญี่ปุนในทีประชุมนานาชาติเกี่ยวกับการคนพบการใชคลื่นอัลตราซาวดสําหรับตรวจหานิ่วในถุงนํ้าดี เน้ืองอกในทรวงอก ญ่ีปุนถือเปนประเทศแรกที่ประยุกตใชเทคนิคอัลตราซาวดแบบดรอปเปลอร (Doppler ultrasound) ซึ่งเปนเทคนิคท่ีใชอัลตราซาวดในการตรวจวัดวัตถุท่ีเคลื่อนไหวภายใน เชน การไหลของเลือดในเสนเลือดของหัวใจ

การบุกเบิกทางดานอัลตราซาวดในสหรัฐอเมริกาทําใหเกิดนวัตกรรมและการคนพบใหมอยางมากมายในสิบปตอมา นักวิจัยมากมายไดเรียนรูการใชอัลตราซาวดในการตรวจหามะเร็งและการตรวจภาพของกอนเน้ือในคนและสัตว การทดสอบแบบไมทําลายดวยอัลตราโซนิกสมีการดําเนินมาอยางยาวนาน ในชวงเริ่มตนน้ันจะถูกนํามาใชในการตรวจหารอยแตกหรือขอบกพรองภายในวัสดุ เชน รอยราวในเหล็ก ตําหนิในรอยเชื่อม เปนตน ท้ังน้ีเพื่อความปลอดภัยในการออกแบบที่วัสดุน้ันสามารถรับแรงไดเปนไปตามที่ออกแบบ ฟสิกสของคลื่นเสียง การแพรขยายของคลื่น (Wave propagation)

เทคนิคอัลตราโซนิกสมีพื้นฐานอยูบนการเปลี่ยนรูปตามเวลาหรือการสั่นในวัตถุ สสารในวัตถุทุกชนิดประกอบดวยอะตอมซึ่งจะสามารถถูกบังคับใหเกิดการสั่นรอบตําแหนงสมดุลได แบบอยางการสั่นตางๆ จะเกิดขึ้นในระดับอะตอมอยางไรก็ตามสวนใหญจะไมเกี่ยวของกับอัลตราโซนิกส อนุภาคที่บรรจุอะตอมมากมายน้ันจะเคลื่อนที่โดยพรอมเพรียงกันและทําใหเกิดคลื่นเชิงกล เม่ือไรก็ตามท่ีวัตถุไมถูกความเคนไมวาจะเปนความเคนดึงหรือความเคนกดจนเลยขีดจํากัดยืดหยุน (elastic limit) อนุภาคน้ันๆ จะเกิดการสั่นแบบยืดหยุน แตเม่ือไรก็ตามที่อนุภาคของตัวกลางหนึ่งๆ ถูกทําใหเปลี่ยนตําแหนงไปจากตําแหนงสมดุล แรงคืนกลับภายใน (แรงไฟฟาสถิตย) จะเกิดขึ้น และแรงคืนกลับระหวางอนุภาคเหลาน้ีรวมกับแรงเฉื่อยของอนุภาคจะทําใหเกิดการเคลื่อนท่ีแบบสั่นของตัวกลาง

4-5

คลื่นเสียงสามารถแพรขยายในของแข็งในโหมดการสั่น 4 แบบ ซึ่งแตกตางกันท่ีการสั่นของอนุภาค คือ คลื่นตามยาว (longitudinal waves) คลื่นเฉือน (shear waves) คลื่นผิว (surface waves) และคลื่นระนาบ (plate waves) สําหรับวัตถุท่ีบาง อยางไรก็ตามคลื่นตามยาวและคลื่นเฉือนเปนโหมดการแพรขยายท่ีใชมากที่สุดในการทดสอบดวยคลื่นอัลตราโซนิกส การเคลื่อนที่ของอนุภาคท่ีเกี่ยวของกับการแพรขยายของคลื่นตามยาวและคลื่นเฉือนแสดงในรูปที่ 4.2

รูปที่ 4.2 โหมดการเคลื่อนที่ของคลื่นแบบ (a) คลื่นตามยาว และ (b) คลื่นเฉือน ในกรณีของคลื่นตามยาว การสั่นเกิดขึ้นในทิศทางตามความยาวหรือในทิศทางของการแพรขยายของคลื่น นอกจากน้ันจะมีแรงกดและแรงดึงเกิดขึ้นในการแพรขยายของคลื่นตามยาวซึ่งทําใหไดอีกชื่นหน่ึงวา คลื่นบีบอัด (compressional wave) หรือบางครั้งจะเรียกวาคลื่นหนาแนน (density waves)

เน่ืองจากวาความหนาแนนของอนุภาคจะเปลี่ยนไปเปลี่ยนมาในขณะที่คลื่นเคลื่อนท่ี คลื่นบีบอัดน้ีสามารถสรางไดในของเหลวและของแข็งเพราะวาพลังงานสามารถเดินทางผานโครงสรางอะตอมโดยการเกิดขึ้นซ้ําๆ ของการเคลื่อนท่ีแบบบีบอัดและแบบขยายตัว สําหรับคลื่นขวางหรือคลื่นเฉือนน้ัน อนุภาคจะสั่นเปนมุมฉากกับแนวการเคลื่อนท่ีหรือการแพรขยาย คลื่นเฉือนจะแพรขยายไดดีในวัตถุท่ีเปนของแข็ง และแพรขยายไดไมดีในของเหลวหรืออากาศ คลื่นเฉือนจะคอนขางออนเม่ือเปรียบเทียบกับคลื่นตามยาว โดยในความเปนจริงแลวการเกิดคลื่นเฉือนจะใชพลังงานบางสวนจากคลื่นตามยาว สมบัติของคลื่นเสียง

λ

λ

λ

Direction of particle motion

Direction of particle motion

Particle at rest position

a) Longitudinal wave

b) Shear wave

Direction of wave propagation

Direction of wave propagation

4-6

สมบัติของคลื่นท่ีแพรขยายในวัตถุของแข็งที่มีสมบัติเทากับทุกทิศทางหรือมีสมบัติไอโซทรอปก (isotropic solid materials) ไดแก ความยาวคลื่น (λ) ความถี่ (f) และความเร็ว (v) ความยาวคลื่นเปนสัดสวนโดยตรงกับความเร็วคลื่นและเปนสัดสวนผกผันกับความถี่ของคลื่น ความสัมพันธน้ีแสดงไดดังสมการ (4.1)

(f)Frequency

(v)Velocity)( Wavelength =λ (4.1)

ในการวัดอัลตราโซนิกส ความยาวคลื่นท่ีสั้นซึ่งเปนผลมาจากการเพิ่มขึ้นของความถี่จะทําใหสามารถตรวจหารอยแยกในวัตถุท่ีมีขนาดเล็กๆ ไดดีกวาความยาวคลื่นท่ียาวกวา ความยาวคลื่นและการตรวจวัดขอบกพรองในวัตถ ุ

ในการทดสอบดวยคลื่นอัลตราโซนิกสผูทดสอบจะตองตัดสินใจในการเลือกความถี่ของอุปกรณแปรสัญญาณ ท้ังน้ีเน่ืองจากการเปลี่ยนความถี่ของสัญญาณเสียงเทากับการเปลี่ยนความยาวคลื่นถาทําใหความเร็วเสียงคงที่ ความยาวคลื่นของอัลตราโซนิกสมีผลกระทบที่สําคัญตอความนาจะเปนในการตรวจหาขอบกพรองในวัตถุ กฎโดยทั่วไปอยางงายคือ รอยบกพรองที่ตรวจหาจะตองมีขนาดใหญกวาครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นจึงจะสามารถตรวยพบได ความไว (sensitivity) และความละเอียด (resolution) เปนคาสองคาท่ีมีการใชบอยในการตรวจวัดดวยอัลตราโซนิกส เพื่อใชอธิบายความสามารถทางเทคนิคในการหาตําแหนงของรอยบกพรอง ความไวเปนความสามารถในการหาตําแหนงของรอยบกพรองขนาดเล็ก โดยทั่วไปความไวจะมีคาเพ่ิมขึ้นตามความถี่ท่ีสูงขึ้น (ความยาวคลื่นท่ีสั้นลง) สําหรับความละเอียดเปนความสามารถของระบบในการหาตําแหนงของรอยบกพรองที่อยูใกลกันภายในวัตถุหรือใกลผิววัตถุ ความละเอียดจะมีคาเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความถี่ กอนท่ีจะเลือกความถี่ในการทดสอบจะตองพิจารณาถึงโครงสรางเกรนและความหนาของวัตถุ และชนิดและขนาดของรอยบกพรอง และตําแหนงโดยประมาณ ในขณะที่ความถี่เสียงเพิ่มขึ้นน้ัน เสียงมีแนวโนมท่ีจะกระเจิงที่โครงสรางเกรนขนาดใหญหรือโครงสรางเกรนที่หยาบ และกระเจิงที่รอยบกพรองขนาดเล็กภายในวัตถุ ดังน้ันวัตถุท่ีมีโครงสรางเกรนที่หยาบและใหญ เชน เหล็กหลอ ควรเลือกใชความถี่ท่ีตํ่า มีองคประกอบหลายอยางในวัตถุท่ีมีโอกาสจะทําใหเกิดการกระเจิงของพลังงานบางสวนของเสียงที่ความถี่สูง ซึ่งจะทําใหพลังงานในการทะลุทะลวงของเสียงลดลง (หรือความลึกสูงสุดในวัตถุท่ีเสียงสามารถผานลงไปเพื่อหาขอบกพรองในวัตถุจะลดลง) นอกจากน้ันความถี่ยังมีผลตอรูปรางของลําคลื่นอัลตราโซนิกส (ultrasonic beam) นอกจากนี้แลวยังมีปจจัยอื่นๆ อีกท่ีมีผลตอความสามารถของคลื่นอัลตราโซนิกสในการตรวจหารอยบกพรอง เชน ความยาวของการใหพัลส ชนิดของพัลสและความตางศักยท่ีปอนใหกับอุปกรณแปรสัญญาณ เปนตน การแพรขยายของคลื่นเสียงในวัตถุยืดหยุน

4-7

ตามที่ไดกลาวมาแลววาคลื่นเสียงแพรขยายไดเน่ืองจากการสั่นของอนุภาคภายในวัตถุ ดังน้ันคลืน่อลัตราโซนิกสอาจจะถูกมองวาเปนมวลหรืออนุภาคที่กําลังสั่นท่ีมีจํานวนมากซึ่งเชื่อมตอดวยกันดวยสปริงยืดหยุน (รูปที่ 4.3) การเคลื่อนท่ีของอนุภาคใกลเคียงจะมีผลตออนุภาคแตละอนุภาคเหลาน้ี และทั้งแรงคืนตัวยืดหยุนและแรงเฉื่อยจะกระทําตออนุภาคแตละอนุภาค

รูปที่ 4.3 โมเดลคลื่นเสียงอัลตราโซนิกสแสดงอนุภาคเช่ือมตอกันดวยสปริงยืดหยุน มวลและสปริงหนึ่งๆ จะมีความถี่ธรรมชาติคาหน่ึงคํานวณไดจากคาคงท่ีสปริง (k) และมวล (m)

คาคงท่ีสปริงเปนแรงคืนตัวของสปริงตอหน่ึงหนวยความยาวสปริง ภายในขีดจํากัดยืดหยุนของวัตถุใดๆ จะมีความสัมพันธระหวางระยะการเคลื่อนตัวออกจากตําแหนงสมดุลและแรงที่พยายามดึงอนุภาคกลับสูตําแหนงสมดุล ซึ่งอธิบายไดดวยกฎของฮุค (Hook’s law)

สําหรับโมเดลสปริงและอนุภาคน้ัน กฎของฮุคกลาววาแรงคืนตัวอันเน่ืองจากสปริงจะเปนสัดสวนกับระยะที่สปริงยืดตัวและจะกระทําในทิศตรงกันขาม สมการคือ F = -kx โดยที่ F คือ แรง k คือ คาคงท่ีสปริง และ x คือ ระยะที่อนุภาคเคลื่อนตัวออกจากตําแหนงสมดุลหรือดิสเพลสเมนต สปริงเม่ือถูกแรงดึงกระทําท่ีอนุภาคใหยืดจะเกิดแรงกระทําตออนุภาคที่มีขนาดเทากับแรงดึงดังกลาวแตมีทิศทางตรงกันขาม ความเร็วของเสียง กฎของฮุครวมกับกฎขอท่ีสองของนิวตันสามารถนํามาใชเพื่ออธิบายเกี่ยวกับความเร็วของเสียงได โดยความเร็วของเสียงในวัตถุจะเปนฟงกชันของสมบัติของวัตถุน้ันและไมขึ้นอยูกับขนาดของคลื่นเสียง กฎขอท่ีสองของนิวตันกลาววา แรงที่กระทําตออนุภาค (F) จะสมดุลกับผลคูณของมวล (m) และความเรงของมวล (a) (F = ma) เน่ืองจากแรงที่กระทํากับมวลจะเทากับแรงคืนตัวที่เกิดจากสปริงดังน้ัน ma = -kx โดยเครื่องหมายลบแสดงใหเห็นวาแรงมีทิศตรงกันขาม มวลและคาคงที่สปริงถือเปนคาคงท่ีของวัตถุซึ่งทําใหตัวแปรในที่น้ีคือความเรงและระยะที่อนุภาคเคลื่อนออกจากสมดุล และเปนสัดสวนโดยตรงซึ่งกันและกัน น่ันคือ ถาระยะเพิ่มขึ้นความเรงของอนุภาคก็จะเพิ่มขึ้นดวย ดังน้ันเวลาท่ีอนุภาคใชในการเคลื่อนตัวและกลับมายังตําแหนงสมดุลจะไมขึ้นอยูกับแรงที่กระทํา และภายในวัตถุหน่ึงๆ เสียงจะเดินทางดวยความเร็วเดิมตลอดเวลาไมวาจะถูกแรงกระทําขนาดใดก็ตามเม่ือตัวแปรอื่นๆ เชน อุณหภูมิถูกควบคุมใหคงที่

4-8

สมบัติของวัตถุท่ีมีผลตอความเร็วเสียง ในความเปนจริงแลวเสียงเดินทางดวยความเร็วที่แตกตางกันในวัตถุท่ีแตกตางกัน เพราะวามวลของอนุภาคอะตอมและคาคงที่สปริงมีความแตกตางกันสําหรับวัตถุตางๆ มวลของอนุภาคจะสัมพันธกับความหนาแนนของวัตถุและคาคงที่สปริงจะเกี่ยวของกับคาคงที่ความยืดหยุนของวัตถุ ความสัมพันธท่ัวไประหวางความเร็วเสียงในของแข็ง ความหนาแนน และคาคงท่ียืดหยุนแสดงในสมการ (4.2)

ρC

v = (4.2)

โดยที่ v คือ ความเร็วของเสียง C คือ คาคงท่ียืดหยุน

ρ คือ ความหนาแนนวัตถุ สมการ (4.2) มีไดหลายรูปแบบขึ้นอยูกับชนิดของคลื่น (เชน คลื่นตามยาวหรือคลื่นเฉือน) และขึ้นกับวาจะใชคาคงท่ียืดหยุนแบบใด โดยคายืดหยุนท่ัวไปของวัตถุคือ

− โมดูลัสยัง E (Young’s modulus)

− อัตราสวนปวซอง n (Poisson’s ratio)

− โมดูลัสความจุ K (Bulk modulus)

− โมดูลัสเฉือน G (Shear modulus)

เม่ือตองการคํานวณความเร็วของคลื่นเสียงตามยาวควรจะใชโมดูลัสยังและอัตราสวนปวซองเปนคาคงท่ียืดหยุน สําหรับกรณีความเร็วคลื่นเสียงเฉือนจะใชโมดูลัสเฉือน โดยทั่วไปความเร็วเสียงเฉือนจะมีคาประมาณครึ่งหนึ่งของความเร็วตามยาว การลดทอนของคลื่นเสียง (Attenuation of sound waves)

เม่ือเสียงเดินทางผานตัวกลางความเขมของเสียงจะคอยๆ ลดลงตามระยะทางที่เดินทาง สําหรับวัตถุทางอุดมคติน้ันความดันเสียง (ขนาดเสียง) จะลดลงก็ตอเม่ือคลื่นเสียงเกิดการแผกระจาย ในกรณีวัตุธรรมชาติน้ันจะมีผลทําใหความเขมของเสียงลดลง โดยมีสาเหตุมาจากการกระเจิงและการดูดกลืน การกระเจิงเปนการสะทอนของเสียงในทิศทางที่แตกตางจากทิศทางการแพรขยายตอนเริ่มตน การดูดกลืนเปนการเปลี่ยนพลังงานเสียงไปเปนพลังงานในรูปอื่น ผลกระทบโดยรวมจากการกระเจิงและการดูดกลืนน้ีเรียกวา การลดทอน (attenuation) การลดทอนอัลตราโซนิกสเปนอัตราการเสื่อมลงของคลื่นในขณะที่แพรขยายผานวัตถุ การลดทอนจะทําหนาท่ีเปนเครื่องมือวัดซึ่งสงผลใหเกิดทฤษฎีท่ีใชอธิบายปรากฏการณทางกายภาพหรือทางเคมีท่ีทําใหความเขมอัลตราโซนิกสลดลง การเปลี่ยนแปลงขนาดของคลื่นระนาบที่เสื่อมลงสามารถแสดงไดคือ

αzeAA 0−= (4.3)

4-9

จากสมการ (4.3) A0 คือขนาดของคลื่นท่ีแพรขยายท่ีไมมีการลดทอน ขนาดคลื่น A เปนขนาดที่ลดลงหลังจากคลื่นเดินทางเปนระยะทาง z จากตําแหนงเริ่มตน ปริมาณ α คือ สัมประสิทธิ์การลดทอนของคลื่นท่ีกําลังเดินทางในทิศทาง z มีหนวยเปน เนเปอร/ความยาว (nepers/length) โดยที่เนเปอรเปนปริมาณไรหนวย เทอม e เปนเอ็กซโปเนนเชียลซึ่งมีคาโดยประมาณเทากับ 2.71828 หนวยของการลดทอนคือ เนเปอรตอเมตร (Np/m) ซึ่งสามารถเปลี่ยนเปนเดซิเบลตอความยาวไดโดยหารดวย 0.1151 หนวยเดซิเบลเปนหนวยที่ใชท่ัวไปมากกวาเม่ือเกี่ยวของกับขนาดของสัญญาณสองสัญญาณ

โดยทั่วไปการลดทอนเปนสัดสวนกับความถี่เสียงยกกําลังสอง คาการลดทอนจะระบุสําหรับความถี่ท่ีกําหนดคาหน่ึงหรือเปนคาการลดทอนเฉลี่ยตลอดชวงความถี่ ความตานทานทางเสียง (Acoustic impedance)

เสียงสามารถเดินทางผานวัตถุดวยอิทธิพลของความดันเสียง ความดันสวนเกินของเสียงจะทําใหเกิดการแพรขยายของคลื่นผานวัตถุเน่ืองจากโมเลกุลหรืออะตอมในของแข็งเชื่อมโยงเขาดวยกันในแบบยืดหยุนซึ่งกันและกัน

ความตานทานทางเสียง (Z) ของวัตถุหน่ึงๆ คือ ผลคูณระหวางความหนาแนน (ρ) และความเร็วเสียง (v) หรือ Z = ρv

ความตานทานทางเสียงมีความสําคัญดังน้ี

1. ใชในการประเมินการเคลื่อนผานหรือการสะทอนของเสียงที่รอยตอระหวางวัตถุสองชนิดท่ีมีความตานทานทางเสียงตางกัน

2. ใชในการออกแบบอุปกรณแปรสัญญาณอัลตราโซนิกส 3. ใชในการประเมินการดูดกลืนเสียงในตัวกลาง

คาของพลังงานการสะทอนและพลังงานเคลื่อนผานเปนสวนหน่ึงของพลังงานทั้งหมดที่สงมายังรอยตอ การเปลี่ยนแปลงความตานทานทางเสียงมีผลตอพลังงานเสียงที่สะทอนหรือเคลื่อนผานวัตถุ สัมประสิทธิ์การสะทอนและการเคลื่อนผาน (Reflection and transmission coefficients)

คลื่นอัลตราโซนิกสจะสะทอนท่ีรอยตอท่ีมีความแตกตางของความตานทานทางเสียง (Z) ของวัตถุบนดานแตละดานของรอยตอ การแตกตางของความตานทานทางเสียงน้ีเรียกวา ความไมเขาคูกันของความตานทานทางเสียงหรือ อิมพีแดนซมิสแมตช (impedance mismatch) ยิ่งมีอิมพีแดนซมิสแมตชมากก็ยิ่งทําใหมีพลังงานสะทอนท่ีรอยตอระหวางวัตถุมีเปอรเซ็นตมากขึ้น

สัดสวนของความเขมของคลื่นท่ีเคลื่อนมากระทบวัตถุแลวเกิดการหักเหสามารถคํานวณไดถาความเร็วอนุภาคและความดันอนุภาคเฉพาะที่มีความตอเน่ืองตลอดรอยตอ ถาทราบคาความตานทานทางเสียงของวัตถุท้ังสองดานของรอยตอก็จะสามารถคํานวณสัดสวนของความเขมคลื่นท่ีเกิดการสะทอนไดจากสมการ (4.4) ซึ่งเรียกวาสัมประสิทธิ์การสะทอน (R)

4-10

2

12

12ZZ

ZZR ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+

−= (4.4)

ถานํา 100 มาคูณสัมประสิทธิ์การสะทอนจะไดปริมาณพลังงานที่สะทอนเปนเปอรเซ็นตของพลังงานเริ่มตน

สัมประสิทธิ์การเคลื่อนผานสามารถคํานวณไดโดยการนําคาสัมประสิทธิ์การสะทอนไปลบออกจากหน่ึง ท้ังน้ีเน่ืองจากวาปริมาณของพลังงานที่สะทอนเม่ือรวมกับพลังงานเคลื่อนผานจะเทากับพลังงานทั้งหมด โดยทั่วไปสัมประสิทธการสะทอนและการเคลื่อนผานจะแสดงเปนหนวยเดซิเบล (decibels, dB) ท้ังน้ีเพื่อใหสามารถเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงความเขมของสัญญาณในปริมาณมากๆ ไดโดยสะดวก ในการแปลงความเขมหรือกําลังของคลื่นมาเปนหนวยเดซิเบลทําไดโดยคํานวณคาล็อกการิทึมของสัมประสิทธิ์การสะทอนหรือสัมประสิทธิ์การเคลื่อนผานและคูณดวย 10 อยางไรก็ตามในกรณีของการทดสอบอัลตราโซนิกสน้ันกําลังของเสียงไมไดถูกวัดโดยตรงจึงจะใชการคูณดวย 20 แทนเนื่องจาก อุปกรณแปรสัญญาณจะสรางความตางศักยท่ีมีคาเปนสัดสวนกับความดันเสียงโดยประมาณ คลื่นท่ีเดินทางจะมีกําลังที่เปนสัดสวนกับขนาดความดันยกกําลังสอง ดังน้ันในการประมาณการเปลี่ยนแปลงขนาดสัญญาณ คาล็อกการิทึมของสัมประสิทธิ์การสะทอนและการเคลื่อนผานจึงตองคูณดวย 20

การเกิดการสะทอนและการเคลื่อนผานที่รอยตอจะทําใหปริมาณพลังงานที่ไดรับกลับมายังอุปกรณแปรสัญญาณมีปริมาณนอยเม่ือเทียบเปนสัดสวนของพลังงานเริ่มตน ยกตัวอยางการตรวจสอบบล็อกเหล็กแบบจุม พลังงานเสียงที่สงออกจากอุปกรณแปรสัญญาณจะเดินทางผานนํ้าและกระทบกับผิวหนาของเหล็ก ตอจากน้ันจะกระทบกับผิวดานหลังของเหล็กและสะทอนกลับผานผิวหนากลับมายังอุปกรณแปรสัญญาณ ท่ีรอยตอระหวางนํ้ากับผิวหนาเหล็ก 12% ของพลังงานจะเคลื่อนผานไปในเหล็ก ท่ีผิวดานหลังของเหล็ก 88%

ของ 12% ของพลังงานที่เคลื่อนผานดังกลาวขางตนจะสะทอนกลับ ซึ่งเทียบไดกับ 10.6% ของความเขมหรือกําลังของพลังงานคลื่นเริ่มตน และในขณะที่คลื่นแพรออกจากผิวดานหลังของเหล็กกลับมายังผิวดานหนา จะมีพลังงานเพียง 12% ของ 10.6% ดังกลาวหรือ 1.3% ของพลังงานเริ่มตนถูกเคลื่อนผานกลับมายังอุปกรณแปรสัญญาณ การหักเหและกฎของสเนลล (Refraction and Snell’s law)

เม่ือคลื่นอัลตราโซนิกสเคลื่อนผานรอยตอระหวางวัตถุสองวัตถุท่ีมุมมุมหน่ึง ถาวัตถุท้ังสองมีดัชนีหักเหแตกตางกันจะทําใหเกิดการสะทอนและการหักเห ปรากฏการณน้ีเกิดขึ้นกับแสงเชนเดียวกัน เชน หลอดที่แชในแกวที่มีนํ้าจะทําใหมองเห็นหลอดไมเปนเสนตรงตอเน่ืองโดยแนวหลอดในอากาศกับในน้ําจะไมเปนแนวเดียวกัน

การหักเหจะเกิดขึ้นท่ีรอยตอเม่ือคลื่นเสียงมีความเร็วแตกตางกันในวัตถุท่ีตางชนิดกัน ความเร็วเสียงในวัตถุแตละชนิดขึ้นอยูกับสมบัติของวัตถุน้ันเชน โมดูลัสยืดหยุน และความหนาแนน เปนตน (รูปที่ 4.4)

4-11

รูปที่ 4.4 การหักเหของคลื่นเสียงเมื่อความเร็วเปลี่ยนที่รอยตอระหวางวัตถุสองชนิดที่มีสมบัติตางกัน กฎของสเนลลเปนกฎท่ีกลาวถึงความสัมพันธระหวางมุมและความเร็วของคลื่น โดยท่ีอัตราสวนความเร็วในวัตถุแตละชนิดจะเทากับอัตราสวนของไซนของมุมตกกระทบ (θ1sine’s of incident angles)

และไซนของมุมหักเห (θ2 sine’s of refracted angles) (รูปที่ 4.5)

L2

2

L1

1v

sinθ

v

sinθ= (4.4)

โดยที่ vL1 คือ ความเร็วคลื่นตามยาวในวัตถุชนิดท่ี 1

vL2 คือ ความเร็วคลื่นตามยาวในวัตถุชนิดท่ี 2

รูปที่ 4.5 การหักเหของคลื่นเสียงตามกฎของสเนลล จะสังเกตจากรูปที่ 4.5 วามีคลื่นตามยาวที่สะทอนดวยความเร็ว vL1’ คลื่นน้ีจะสะทอนท่ีมุมเดียวกับมุมตกกระทบเพราะวาคลื่นท้ังสองเดินทางในวัตถุชนิดเดียวกัน ดังน้ันจึงมีความเร็วเทากัน คลื่นน้ีจะไมคอยมีความสําคัญในการอธิบายดวยกฎของสเนลล อยางไรก็ตามพลังงานคลื่นบางสวนจะถูกสะทอนท่ีรอยตอน้ี

θ1 θ1

θ2

vL1 vL1’

vL2

4-12

เม่ือคลื่นตามยาวเคลื่อนท่ีจากความเร็วที่ชาในวัตถุหน่ึงไปยังอีกวัตถุหน่ึงซึ่งทําใหมีความเร็วเพิ่มขึ้น เม่ือคลื่นเสียงตกกระทบที่มุมตางๆ กันน้ันจะมีมุมตกกระทบอยูมุมหน่ึงที่ทําใหคลื่นเสียงไมสะทอนแตจะเดินทางไปตามผิวแทนหรือทํามุม 90 องศากับแนวดิ่ง มุมน้ีเรียกวา มุมวิกฤติ (critical angle) มุมวิกฤติน้ีสามารถหาไดจากกฎของสเนลลไดโดยแทนมุมเทากับ 90 องศาสําหรับมุมท่ีลําคลื่นหักเห ท่ีมุมวิกฤติของการตกกระทบนี้พลังงานเสียงสวนใหญจะอยูในรูปคลื่นความดันท่ีไมเปนเน้ือเดียว (inhomogeneous

compression wave) ซึ่งจะเดินทางไปตามรอยตอและเสื่อมลงแบบเอ็กซโปเนนเชียลเม่ือความลึกเพิ่มขึ้นจากรอยตอ การเปลี่ยนรูปแบบการแพรขยายของคลื่นเสียง เม่ือเสียงเดินทางในวัตถุของแข็งน้ันพลังงานของคลื่นสามารถเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปเปนอีกรูปแบบหนึ่งได ยกตัวอยางเชน เม่ือคลื่นตามยาวกระทบรอยตอท่ีมุมหน่ึงๆ พลังงานบางสวนจะทําใหเกิดการเคลื่อนท่ีของอนุภาคในทิศทางขวางกับทิศทางการเคลื่อนท่ีและทําใหเกิดคลื่นเฉือนหรือคลื่นตามขวาง การเปลี่ยนรูปแบบการแพรขยายของคลื่นน้ีจะเกิดขึ้นเม่ือคลื่นๆ หน่ึงกระทบกับรอยตอระหวางวัตถุท่ีมีความตานทานทางเสียงแตกตางกัน และมุมตกกระทบไมต้ังฉากกับผิวรอยตอ ในการเกิดความหักเหที่รอยตอน้ัน ยิ่งมีความแตกตางระหวางความเร็วเสียงของวัตถุสองวัตถุมากเทาไรก็ยิ่งทําใหเสียงเกิดการหักเหมากเทาน้ัน โดยที่คลื่นเฉือนจะไมหักเหมากเทากับคลื่นตามยาว เน่ืองจากวาคลื่นเฉือนเดินทางชากวาคลื่นตามยาว ดังน้ันจึงทําใหความแตกตางระหวางความเร็วคลื่นตามยาวที่ตกกระทบกับคลื่นเฉือนจะไมมากเทากับความแตกตางระหวางคลื่นตามยาวที่หักเหกับคลื่นตามยาวที่ตกกระทบ นอกจากน้ันเม่ือคลื่นตามยาวเกิดการหักเหภายในวัตถุ คลื่นเฉือนจะสะทอนเปนมุมนอยกวาคลื่นตามยาว เน่ืองจากความเร็วเฉือนมีคานอยกวาความเร็วตามยาวภายในวัตถ ุ

กฎของสเนลลสามารถใชไดกับคลื่นเฉือนและคลื่นตามยาวดังสมการ (4.5)

S2

4

S1

3

L2

2

L1

1v

sinθ

v

sinθ

v

sinθ

v

sinθ=== (4.5)

โดยที่ vL1 คือ ความเร็วคลื่นตามยาวในวัตถุชนิดท่ี 1

vL2 คือ ความเร็วคลื่นตามยาวในวัตถุชนิดท่ี 2

vS1 คือ ความเร็วคลื่นเฉือนในวัตถุชนิดท่ี 1

vS2 คือ ความเร็วคลื่นเฉือนในวัตถุชนิดท่ี 2

คาตางๆ แสดงในรูปที่ 4.6 อัตราสวนสัญญาณวัดและสัญญาณรบกวน (Signal-to-noise ratio)

อิทธิพลของความถี่เสียงและความยาวคลื่นท่ีมีตอความสามารถในการตรวจหาขอบกพรองในวัตถุไดกลาวมาแลว อยางไรก็ตามการตรวจหาขอบกพรองน้ันจะเกี่ยวของกับปจจัยมากมายนอกเหนือจากความสัมพันธระหวางความยาวคลื่นและขนาดของขอบกพรอง ยกตัวอยางเชน ปริมาณของเสียงที่สะทอนจากขอบกพรองจะขึ้นอยูกับความไมเขาคูกันของอิมพีแดนซเสียงระหวางขอบกพรองและวัตถุแวดลอม

4-13

รูปที่ 4.6 การหักเหของคลื่นเสียงตามกฎของสเนลลสําหรับคลื่นตามยาวและคลื่นตามขวางหรือคลื่นเฉือน รอยโหวในวัตถุโดยทั่วไปจะเปนสิ่งสะทอนเสียงไดดีกวาโลหะสวนเกินในวัตถุเดียวกันเน่ืองจากวาความไมเขาคูกันของความตานทานทางเสียงระหวางอากาศกับโลหะมีมากกวาระหวางโลหะดวยกันสองโลหะ โดยท่ัวไปอัตราสวนระหวางสัญญาณวัดกับสัญญาณรบกวน (S/N) และความสามารถในการตรวจหาขอบกพรองจะลดลงในวัตถุท่ีมีความหนาแนนสูงหรือวัตถุท่ีทําใหความเร็วอัลตราโซนิกสมีคาสูง คา S/N จะเปนสัดสวนกลับกับความหนาแนนวัตถุและความเร็วเสียง นอกจากน้ันคา S/N ยังเพิ่มขึ้นเม่ือความถี่เสียงเพิ่มขึ้นในวัตถุสวนใหญ อันตรกิริยาระหวางคลื่นและการแทรกสอด (Wave ineraction or inerference)

กอนท่ีจะกลาวถึงอุปกรณแปรสัญญาณนั้น เรื่องเกี่ยวกับการแทรกสอดของคลื่นเปนสิ่งสําคัญในการทําความเขาใจการทํางานของอุปกรณแปรสัญญาณอัลตราโซนิกส ดังน้ันในหัวขอน้ีจะกลาวถึงการแทรกสอดของคลื่น

การแพรขยายของคลื่นท่ีไดกลาวมาแลวน้ันจะกําหนดใหคลื่นไซนูซอยดอล (sinusoidal wave) ท่ีแพรขยายผานวัตถุน้ันเปนคลื่นเด่ียว อยางไรก็ตามเสียงที่แพรออกมาจากอุปกรณแปรสัญญาณอัลตราโซนิกสจะไมออกมาจากจุดเพียงจุดเดียว แตจะกําเนิดมาจากจุดหลายจุดตามผิวขององคประกอบเพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric element) ซึ่งจะทําใหเกิดสนามของเสียงที่มีคลื่นมากมายแทรกสอดซึ่งกันและกัน

เม่ือคลื่นแทรกสอดกันมันจะซอนทับซึ่งกันและกัน และขนาดของความดันเสียงหรือการเคลื่อนท่ีของอนุภาคที่จุดใดๆ ของการแทรกสอดจะคือ ผลรวมของขนาดของคลื่นสองคลื่น จากรูปที่ 4.7 เม่ือคลื่นท่ีเหมือนกันทุกประการสองคลื่นกําเนิดจากจุดเดียวกันและมีเฟสตรงกัน (in phase) หรือคลื่นท้ังสองมีจุดยอดและทองคลื่นตรงกัน คลื่นท้ังสองจะรวมกันและเกิดคลื่นท่ีมีขนาดเปนสองเทา (รูปที่ 4.7(a)) เม่ือคลื่นท้ังสองมีเฟสตางกัน 180 องศา (out of phase) หรือมีจุดยอดของคลื่นหน่ึงตรงกับทองคลื่นของอีกคลื่น

θ1 θ1

θ2

vL1 vL1’

vL2

θ4

θ3

vS1

vS2

4-14

หน่ึง คลื่นท้ังสองจะรวมกันโดยจะเกิดการหักลางซึ่งกันและกัน (รูปที่ 4.7(b)) และเมื่อคลื่นมีเฟสตางกันบางสวน (รูปที่ 4.7(c)) ผลลัพธคลื่นท่ีเกิดขึ้นจะเปนผลบวกของขนาดคลื่นสําหรับทุกๆ จุดตลอดคลื่น (a) (b) (c)

รูปที่ 4.7 การแทรกสอดของคลื่น (a)การแทรกสอดแบบเสริม (b)การแทรกสอดแบบทําลาย (c)การแทรกสอดแบบเสริมบางสวน

ถาเราปลอยวัตถุสองวัตถุในหนองน้ําใหมีระยะหางกันเล็กนอยคลื่นท่ีเกิดขึ้นจากทั้งสองวัตถุจะแพรขยายจากจุดกระทบน้ําและเกิดอันตรกิริยาซึ่งกันและกัน ท่ีจุดทุกๆ จุดท่ีคลื่นแพรขยายพบกันขนาดการเคลื่อนท่ีของอนุภาคที่เคลื่อนท่ีขึ้นลงอันเน่ืองจากคลื่นท้ังสองจะเกิดจากผลรวมของขนาดการเคลื่อนท่ีของอนุภาคของคลื่นแตละคลื่น

สําหรับอุปกรณแปรสัญญาณอัลตราโซนิกสน้ัน คลื่นจะแพรขยายออกจากผิวหนาอุปกรณโดยมีสวนหนาคลื่นเปนวงกลม (circular wave front) ถาเราสามารถทําใหคลื่นแพรขยายออกจากจุดๆ เดียวของผิวหนาอุปกรณแปรสัญญาณ สนามของเสียงจะมีลัษณะเปนครึ่งวงกลมซอนกัน อยางไรก็ตามคลื่นเสียงโดยท่ัวไปจะกําเนิดจากจุดหลายๆ จุดจากผิวหนาของอุปกรณแปรสัญญาณ รูปที่ 4.8(a) แสดงสนามของเสียงที่เกิดจากคลื่นสองคลื่นแพรตัดกัน โดยจะเห็นวาในพื้นท่ีท่ีคลื่นตัดกันจะมีการสอดแทรกแบบเสริมและ

4-15

แบบทําลาย จุดท่ีเกิดการสอดแทรกแบบเสริมจะเรียกวาโหนด (nodes) นอกจากน้ันถาคลื่นกําเนิดจากจุดหลายๆ จุดจากผิวอุปกรณ ก็จะเกิดการตัดกันของคลื่นดังแสดงในรูปที่ 4.8(b) ซึ่งเปนคลื่นท่ีกําเนิดจากจุด 5 จุด จะสังเกตเห็นวาท่ีตําแหนงใกลกับจุดกําเนิดหรือผิวหนาของอุปกรณแปรสัญญาณจะมีการแปรปรวนหรือเกิดโหนดขึ้นมากมายซ่ึงทําใหสนามของเสียงไมสมํ่าเสมอ โดยในทางอัลตราโซนิกสจะเรียกสวนน้ีวาสนามใกลหรือเขตเฟรสเนล (near field or Fresnel zone) สวนสนามของเสียงที่ไกลออกไปจากจุดกําเนิดก็จะมีความสมํ่าเสมอมากขึ้นซึ่งเรียกวา เขตฟรอนโฮเฟอร (Fraunhofer zone) ซึ่งเปนเขตที่ลําคลื่นแผออกเปนรูปแบบจากจุดกําเนิดของอุปกรณแปรสัญญาณ สวนหนาของคลื่นจะยังไมมีความสมํ่าเสมอแมอยูในตําแหนงท่ีไกลออกไปจากจุดกําเนิด อยางไรก็ตามที่ระยะหางออกไปจากจุดกําเนิดมากๆ สนามเสียงก็จะมีความสมํ่าเสมอ

สนามของเสียงจะไดรับอิทธิพลจากความโคงและพื้นท่ีท่ีจุดกําเนิดเสียง ความเร็วในวัตถุท่ีเสียงสามารถเดินทางผาน และความถี่ของเสียง

(a)

(b)

รูปที่ 4.8 อันตรกิริยาระหวางสวนหนาคลื่นท่ีเกิดจากแหลงกําเนิด (a) สองแหลงและ (b) หาแหลง ท่ีมา: antonine-education.co.uk

4-16

อุปกรณแปรสัญญาณเพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric transducers)

อุปกรณท่ีสําคัญในการวัดแบบคลื่นเสียงอัลตราโซนิกสความถี่สูงน้ันคือ อุปกรณแปรสัญญาณแบบเพียโซอิเล็กทริกซึ่งมีรายละเอียดดังน้ี

พื้นฐานที่สําคัญสําหรับการวัดดวยอัลตราโซนิกสน้ันคือ การแปลงพัลสไฟฟาเปนการสั่นทางกลและการแปลงสัญญาณการสั่นทางกลที่ไดรับกลับมาเปนพลังงานไฟฟา สวนประกอบแอ็กทีพ (active element)

หรือสวนประกอบที่ตองการพลังงานนับวาเปนหัวใจของอุปกรณแปรสัญญาณในการแปลงพลังงานไฟฟาเปนพลังงานเสียงหรือกลับกัน สวนประกอบแอ็กทีพโดยพื้นฐานแลวเปนชิ้นวัสดุโพลาไรซ (polarized material

ไดแกวัสดุท่ีมีโมเลกุลบางสวนเปนประจุบวกในขณะที่สวนอื่นเปนประจุลบหรือวัสดุท่ีถูกทําใหเกิดขั้วขึ้น) ท่ีมีขั้วไฟฟา (electrodes) ยึดติดท่ีดานตรงขามกัน เม่ือปอนสนามไฟฟาใหไหลผานวัสดุโพลาไรซน้ีดังแสดงในรูปที่ 4.9 โมเลกุลโพลาไรซจะเรียงตัวขนานไปกับสนามไฟฟาทําใหเกิดไดโพล (dipoles) ขึ้นภายในโมเลกุลหรือโครงสรางผลึกของวัสดุน้ัน การเรียงตัวของโมเลกุลน้ีจะเปนเหตุใหวัสดุเปลี่ยนขนาด ปรากฏการณน้ีเรียกวา อิเล็กโทรสทริกชั่น (electrostriction) นอกจากน้ันสําหรับวัสดุท่ีโพลาไรซถาวรเชน ควอทซ (SiO2) หรือแบเรียมไททาเนต (BaTiO3) เม่ือมีการเปลี่ยนแปลงขนาดอันเกิดจากแรงทางกลก็จะผลิตสนามไฟฟาออกมา

รูปที่ 4.9 การทํางานของสวนประกอบแอ็กทีพ (active element)

ของอุปกรณแปรสัญญาณเพียโซอิเล็กทริก ในปจจุบันสวนประกอบแอ็กทีพในอุปกรณแปรสัญญาณสวนมากเปนวัสดุเซรามิกเพียโซอิเล็กทริก ซึ่งมีขอดีคือสามารถนํามาตัดเปนรูปแบบตางๆ สําหรับการสรางรูปแบบคลื่นท่ีแตกตางกัน มีสมบัติเพียโซอิเล็กทริกท่ีดี ผลิตเปนรูปรางและขนาดตางๆ ไดงาย นอกจากน้ันยังสามารถใชงานไดกับความตางศักยตํ่าๆ และที่อุณหภูมิสูงถึง 300 องศาเซลเซียส

ความหนาของสวนประกอบแอ็กทีพจะถูกกําหนดโดยความถี่ท่ีตองการของอุปกรณแปรสัญญาณ สวนประกอบที่บางจะสั่นท่ีความยาวคลื่นเปนสองเทาของความหนา เพราะฉะนั้นผลึกเพียโซอิเล็กทริกจะตอง

piezoceramic Electrical source

Electrical Current Off Electrical Current On

electrodes

4-17

ตัดใหมีความหนาเปนครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นเสียงที่ตองการ ยิ่งตองการใหอุปกรณแปรสัญญาณสรางคลื่นเสียงที่มีความถี่สูงมากเทาใดก็จะตองใชสวนประกอบแอ็กทีพท่ีบางมากเทาน้ัน ดังน้ันอุปกรณแปรสัญญาณที่สรางคลื่นท่ีมีความถี่สูงมากๆ จะไมสามารถผลิตไดเน่ืองจากวาตองใชสวนประกอบแอ็กทีพท่ีบางเกินไป สมบัติลักษณะของอุปกรณแปรสัญญาณเพียโซอิเล็กทริก (Characteristics of piezoelectric transducers) จากที่กลาวมาแลว อุปกรณแปรสัญญาณเปนสวนประกอบที่สําคัญมากของระบบการวัดอัลตราโซนิกส ซึ่งทําหนาท่ีแปลงสัญญาณไฟฟาเปนการสั่นทางกลในโหมดการสงสัญญาณ และแปลงการสั่นทางกลเปนสัญญาณไฟฟาสําหรับโหมดการรับสัญญาณ อยางไรก็ตามการทํางานของอุปกรณแปรสัญญาณจะไดรับอิทธิพลจาก วัสดุท่ีทําเปนสวนประกอบแอ็กทีพ โครงสรางทางกลและทางไฟฟา สภาวะการรับภาระภายนอก เปนตน โครงสรางทางกลดังกลาว ไดแก พื้นท่ีผิวกําเนิดคลื่น การหนวงทางกล (mechanical damping)

ตัวอุปกรณ (housing) และ ชนิดการตอ

จากหัวขอท่ีแลวไดกลาวไววา สวนประกอบเพียโซอิเล็กทริกจะตองตัดใหหนาเทากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นท่ีตองการ วัสดุท่ีใชเปนตัวรองดานหลัง (backing material) ของสวนประกอบแอ็กทีพจะทําหนาท่ีรองรับผลึกและเปนวัสดุท่ีมีผลตอสมบัติการหนวงของอุปกรณแปรสัญญาณ ดังน้ันถาตองการใหอุปกรณแปรสัญญาณสรางการหนวงที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดจะตองใชวัสดุรองดานหลังที่มีอิมพีแดนซคลายกับของสวนประกอบแอ็กทีพ (รูปที่ 4.10) และจะทําใหอุปกรณแปรสัญญาณแบบนี้มีแบนดวิธที่กวาง (wider bandwidth) สงผลใหมีความไวที่สูง (higher sensitivity) ถาอิมพีแดนซระหวางสวนประกอบแอ็กทีพและวัสดุรองดานหลังมีความแตกตางกันมากขึ้นก็จะทําใหความสามารถในการทะลุทะลวงของคลื่นเสียงจะเพิ่มขึ้นแตความไวของอุปกรณจะลดลง

รูปที่ 4.10 สวนประกอบแอ็กทีพ (active element) ในอุปกรณแปรสัญญาณเพียโซอิเล็กทริก อุปกรณแปรสัญญาณบางอุปกรณจะถูกสรางมาอยางพิเศษเพื่อเปนอุปกรณสงคลื่นท่ีมีประสิทธิภาพสูงหรือใหเปนอุปกรณท่ีรับสัญญาณไดอยางมีประสิทธิภาพ จะไมมีอุปกรณใดที่ทํางานไดดีท้ังการสงและรับ ยกตัวอยางเชน ความไวในการตรวจจับจุดบกพรองเล็กๆ จะเปนสัดสวนกับผลคูณของประสิทธิภาพของ

Piezoelectric Element

Electrodes

Signal Wire

Ground Wire

Backing Material

4-18

อุปกรณในการสงและรับสัญญาณ ในกรณีของรีโซลูชั่น (resolution) หรือความละเอียดซึ่งเปนความสามารถในการหาตําแหนงของจุดบกพรองใกลผิวหนาน้ันจะตองใชอุปกรณแปรสัญญาณที่มีคาความหนวงสูงๆ

แบนดวิธเปนคาอีกคาหน่ึงที่มีความสําคัญโดยเปนคาชวงของความถี่ในการกําเนิดสัญญาณของอุปกรณแปรสัญญาณ ความถี่ท่ีระบุสําหรับอุปกรณจะเปนคาความถี่กลางและเปนคาท่ีขึ้นกับวัสดุรองดานหลัง อุปกรณแปรสัญญาณที่มีคาความหนวงสูงจะตอบสนองตอความถี่ท่ีสูงกวาและต่ํากวาคาความถี่กลางดังกลาว อุปกรณทีมีแบนดวิธกวางหรือมีชวงความถี่ท่ีกวางจะมีกําลังรีโซลูชั่นสูง อุปกรณท่ีมีความหนวงนอยจะมีชวงความถี่ท่ีแคบและมีกําลังรีโซลูชั่นตํ่า แตจะมีอํานาจการทะลุทะลวงสูง โดยทั่วไปคาความถี่กลางจะเปนคาท่ีใชกําหนดความสามารถของอุปกรณแปรสัญญาณ อุปกรณท่ีมีชวงความถี่ตํ่า (0.5 MHz – 2.25 MHz) จะเปนอุปกรณท่ีมีพลังงานสูงและสามารถทะลุทะลวงใสวัสดุไดสูง สําหรับอุปกรณท่ีมีชวงความถี่ของผลึกสูง (15.0 MHz – 25.0 MHz) จะมีความสามารถในการทะลุทะลวงลดลงแตมีความไวที่สูงกวาในการตรวจจับจุดบกพรองขนาดเล็กๆ ไดมีการผลิตอุปกรณแปรสัญญาณที่มีแถบความถี่กวางจนถึง 150 MHz

แลวในปจจุบัน สนามเสียงของอุปกรณแปรสัญญาณอัลตราโซนิกส (Sound field of ultrasonic transducer)

เสียงที่สรางจากอุปกรณแปรสัญญาณอัลตราโซนิกสไมไดกําเนิดจากจุดๆ หน่ึงบนผิวอุปกรณ แตจะกําเนิดจากผิวหนาสวนใหญของสวนประกอบเพียโซอิเล็กทริก สนามเสียง (sound field) ท่ีสรางขึ้นมาจะมีลักษณะดังแสดงในรูปที่ 4.11

รูปที่ 4.11 สนามเสียงที่สรางจากอุปกรณแปรสญัญาณอัลตราโซนิกส เน่ืองจากคลื่นเสียงอัลตราโซนิกสกําเนิดจากจุดหลายจุดตามผิวหนาของอุปกรณแปรสัญญาณ ดังน้ันความเขมคลื่นเสียงอัลตราโซนิกสตามลําเสียงจึงไดรับผลกระทบจากการแทรกสอดคลื่นแบบเสริมและแบบทําลาย ซึ่งบางครั้งจะเรียกวา ผลของการแผกระจาย (diffraction effects) การแทรกสอดคลื่นท่ีเกิดขึ้นน้ีทําใหเกิดความแปรปรวนในความเขมเสียงที่บริเวณใกลๆ แหลงกําเนิดเสียง (ดูรูปที่ 4.8(b)) ท่ีเรียกวา สนามยานใกล (near field) ดังแสดงในรูปที่ 4.11 และดวยเหตุท่ีมีความแตกตางเสียงที่บริเวณสนามยานใกลน้ี

Piezoelectric element

Sound field

Near filed Far filed

4-19

เองจึงทําใหการตรวจหาจุดบกพรองในวัตถุเม่ือนํามาวางในบริเวณสนามยานใกลของอุปกรณแปรสัญญาณมีความยุงยากมากและขาดความแมนยํา อยางไรก็ตามที่ตําแหนงไกลออกไปจากอุปกรณแปรสัญญาณตั้งแตปลายสนามยานใกลคลื่นจะรวมกันในลักษณะที่คอนขางสมํ่าเสมอ สนามเสียงที่มีลําเสียงอัลตราโซนิกสสมํ่าเสมอมากขึ้นน้ีเรียกวา สนามยานไกล (far field) จุดเปลี่ยนจากสนามยานใกลมาเปนสนามยานไกลจะอยูท่ีระยะทาง N จากปลายอุปกรณแปรสัญญาณ ท่ีเรียกวา โฟกัสธรรมชาติ (natural focus) ของอุปกรณแปรสัญญาณแบบหนาเรียบ (รูปที่ 4.12) ระยะ N เปนระยะที่สําคัญเพราะวาความแปรปรวนของขนาดเสียงที่เกิดในสนามยานใกลจะกลายเปนคลื่นท่ีมีขนาดเสียงที่ลดลงอยางตอเน่ืองตั้งแตระยะ N เปนตนไป น่ันคือพื้นท่ีท่ีเลยสนามยานใกลจะมีคลื่นเสียงที่ไมมีความแปรปรวนและมีขนาดหรือความเขมเสียงเกิดขึ้นสูงสุด ดังน้ันการตรวจหาจุดบกพรองจะทําไดดีท่ีสุดเม่ือจุดบกพรองที่ตรวจหานั้นอยูในบริเวณสนามยานไกลของอุปกรณแปรสัญญาณ

รูปที่ 4.12 ความแปรปรวนของความเขมเสียงในสนามยานใกลและสนามยานใกลท่ีแบงดวยระยะ N การแผกระจายของลําเสียงจากอุปกรณแปรสัญญาณ (Transducer beam spread)

เม่ือเสียงถูกกําเนิดจากอุปกรณแปรสัญญาณพลังงานในลําเสียงไมไดจํากัดเปนรูปทรงกระบอกแตจะแผกระจายขณะที่แพรขยายไปในวัสดุ ปรากฏการณน้ีเรียกวา การแผกระจายของลําเสียง หรือการเบนออกของลําเสียง (beam divergence) อยางไรก็ตามความหมายของการแผกระจายของลําเสียงแตกตางจากการเบนออกเล็กนอย โดยการเบนออกของลําเสียงเปนการวัดมุมจากดานๆ หน่ึงของลําเสียงเทียบกับแนวศูนยกลางของลําเสียงในสนามยานไกล ดังน้ันการแผกระจายของลําเสียงจะมีคาเปนสองเทาการเบนออกของลําเสียง ในการตรวจสอบดวยอัลตราโซนิกสน้ันถึงแมวาจะตองคํานึงถึงการแผกระจายของลําเสียงแตสิ่งสําคัญก็คือ ความดันเสียงสูงสุดจะอยูตามแนวศูนยกลางของอุปกรณแปรสัญญาณในสนามยานไกล ดังน้ันการสะทอนจากจุดบกพรองในวัสดุจะเกิดขึ้นมากท่ีสุดท่ีบริเวณพื้นท่ีดานหนาของอุปกรณแปรสัญญาณ

N

4-20

การแผกระจายของลําเสียงเกิดขึ้นเน่ืองจาก อนุภาคของวัตถุท่ีเกิดการสั่นในขณะเสียงเดินทางผานตัววัตถุน้ันจะไมถายทอดพลังงานทั้งหมดในทิศทางของการแพรขยาย (wave propagation) (คลื่นแพรขยายไดดวยการสงผานการถายทอดพลังงานจากอนุภาคหน่ึงไปยังอีกอนุภาคหน่ึงในตัวกลาง) ถาอนุภาคไมไดวางตัวโดยตรงในทิศทางการแพรขยายของคลื่น พลังงานบางสวนจะถูกถายทอดออกจากทิศทางการแพรขยายท่ีมุมๆ หน่ึง (นึกภาพเม่ือลูกบอลลูกหน่ึงชนลูกบอลอีกลูกหน่ึงที่ตําแหนงเยื้องศูนยเล็กนอย) ในสนามยานใกลน้ันการแทรกสอดของคลื่นแบบเสริมและแบบทําลายจะเกิดท่ัวไปหมดเต็มสนามเสียง อยางไรก็ตามท่ีจุดเริ่มตนของสนามยานไกลความเขมของลําเสียงจะมีมากท่ีสุดเสมอที่แนวศูนยกลางของลําเสียงและคอยๆ ลดลงขณะที่แผกระจายออกไปทางดานขาง ในการเลือกอุปกรณแปรสัญญาณนั้นควรพิจารณาถึงมุมแผกระจายเปนสิ่งสําคัญเน่ืองจากวา

1. การแผกระจายของลําเสียงจะทําใหขนาดของการสะทอนลดลงเพราะสนามเสียงจะมีความหนาแนนนอยและมีความเขมนอย

2. การแผกระจายของลําเสียงอาจจะสงผลใหการแปลผลสัญญาณทําไดยากอันเน่ืองจากเกิดการรบกวนจากการสะทอนของสวนของวัตถุท่ีอยูขางๆ หรือรอบๆ พื้นท่ีท่ีตรวจสอบ

สําหรับอุปกรณแปรสัญญาณแบบหนาเรียบ เราสามารถคํานวณการแผกระจายของลําเสียงโดยประมาณเปนฟงกชันของขนาดเสนผานศูนยกลางของอุปกรณ (D) ความถี่ (F) และความเร็วเสียง (v)

ในตัวกลางของเหลวหรือตัวกลางของแข็งดังน้ี

DF

0.514v2θ

sin = (4.6)

ชนิดของอุปกรณแปรสัญญาณ (Transducer types)

อุปกรณแปรสัญญาณอัลตราโซนิกสมีการสรางออกมาหลายรูปแบบตามการใชงานและยังสามารถสรางเพื่อใชงานเฉพาะทางไดดวย และการเลือกอุปกรณน้ันสิ่งสําคัญคือตองเลือกใหมีความถี่ แบนดวิธ ท่ีเหมาะสมสําหรับงานตรวจจับจุดบกพรอง เพื่อใหอุปกรณมีความไวหรือรีโซลูชั่นท่ีสูง อุปกรณแปรสัญญาณถูกแบงออกเปนกลุมตามสภาพการใชงานสวนใหญดังน้ี

1. อุปกรณแปรสัญญาณแบบสัมผัส (Contact transducers)

เปนอุปกรณท่ีใชสําหรับการตรวจสอบแบบสัมผัสและควบคุมดวยมือ อุปกรณประเภทนี้จะมีสวนประกอบที่มีการปองกันการเสียหายโดยมีตัวเรือน (housing) ท่ีแข็งแรงสามารถทนทานตอการสัมผัสท่ีตองมีการเลื่อนไถล มีการออกแบบที่เหมาะสมกับการทํางานของผูใชงาน สามารถถือจับและเลื่อนไปมาตามผิวไดงาย มีสวนผิวหนา (wear plate) ท่ีถอดเปลี่ยนไดงายเพื่อยืดอายุการใชงาน วัสดุคัปลิง (coupling)

หรือวัสดุท่ีใชเปนตัวเชื่อมหรือตัวกลางระหวางอุปกรณแปรสัญญาณกับวัตถุท่ีตรวจสอบสามารถใชเปน นํ้า จารบี นํ้ามัน หรือ วัสดุทางการคาอื่นๆ ท้ังน้ีเพื่อกําจัดชองวางที่เปนอากาศระหวางอุปกรณแปรสัญญาณกับวัตถท่ีุตรวจสอบ

2. อุปกรณแปรสัญญาณแบบจุม (Immersion transducers)

4-21

อุปกรณแบบนี้จะไมตองสัมผัสวัตถุท่ีตรวจวัดในขณะใชงาน ถูกออกแบบใหสามารถทํางานในสภาพแวดลอมที่เปนของเหลวไดและรอยตอตางๆ จะกันนํ้าได อุปกรณแบบจุมน้ีมักจะมีชั้นการเขาคูอิมพีแดนซ (impedance matching layer) สําหรับชวยใหพลังงานเสียงสามารถถายทอดเขาสูนํ้าและสูวัตถุท่ีตรวจวัดไดมากขึ้น อุปกรณแบบจุมจะนิยมใชตรวจสอบวัตถุภายในถังนํ้า 4. อุปกรณแปรสัญญาณแบบหัววัดคู (Dual element transducers)

อุปกรณจะมีสวนประกอบสงและรับสัญญาณอัลตราโซนิกสติดต้ังอยูในตัวอุปกรณอันเดียวกัน อุปกรณแปรสัญญาณแบบหัวคูจะเหมาะสมเปนพิเศษกับงานที่ตองวัดโดยที่วัตถุท่ีสะทอนคลื่นเสียงอยูใกลกับอุปกรณมากๆ ท้ังน้ีเน่ืองจากการออกแบบเปนหัววัดคูจะชวยกําจัดผลกระทบริงดาวน (ring down effect)

จะเกิดในกรณีใชอุปกรณแบบหัววัดเด่ียว (ในการใชอุปกรณแบบหัววัดเด่ียวในโหมดสะทอนแบบพัลส (pulse echo mode) น้ัน สวนประกอบแอ็กทีพจะไมสามารถเริ่มรับสัญญาณที่สะทอนกลับไดจนกวาสวนประกอบจะหยุดการสั่นของเสียง (ringing) จากฟงกชันการสงผานของตัวมันเอง) และใชไดดีกับการวัดความหนาของวัตถุท่ีมีความบางซึ่งมีจุดบกพรองอยูใกลๆ กับผิววัตถุ สวนประกอบแอ็กทีพสองอันในตัวอุปกรณจะติดต้ังทํามุมกันเพื่อใหเสนทางของลําเสียงที่สรางขึ้นเดินทางตัดกันในวัตถุท่ีถูกทดสอบ (รูปที่ 4.13) รูปที่ 4.13 อุปกรณแปรสัญญาณแบบหัววัดคูแสดงใหเห็นเสนทางของลําเสียงที่สรางขึ้นเดินทางตัดกันในวัตถุ

ท่ีถูกทดสอบ 5. อุปกรณแปรสัญญาณแบบลําเสียงปรับมุม (Angle beam transducers)

แบบนี้จะมีอุปกรณลักษณะเปนลิ่มหรือพื้นเอียงเพื่อชวยใหคลื่นฉือนสามารถแพรขยายเขาไปในวัตถุได ลิ่มหรือพื้นเอียงมีท้ังแบบปรับไดและมีมุมเอียงคงที่ ในกรณีท่ีเปนแบบมุมคงที่น้ัน มุมของการแพรขยายจะถูกเขียนไวบนอุปกรณแปรสัญญาณและอุปกรณจะมีความแมนยําในการตรวจวัดเฉพาะบางวัสดุเทาน้ัน เชน โลหะ เปนตน เสนทางการแพรขยายของเสียงจะทํามุมหน่ึงๆ (รูปที่ 4.14) เพื่อทําใหลําเสียงถูกสะทอนจากพื้นหลังซึ่งจะชวยใหความสามารถในการตรวจหาจุดบกพรองดีขึ้นในกรณีท่ีจุดบกพรองน้ันอยูรอบๆ รอยเชื่อม

Acoustic barrier Receiving crystsal Transmitting

crystsal

Case

Crossed-beam sound path

4-22

รูปที่ 4.14 อุปกรณแปรสัญญาณแบบลําเสียงปรับมุม วัสดุเชื่อมตอ (Couplant)

วัสดุเชื่อมตอหรือคัปแปลนต (couplant) เปนวัสดุ (สวนใหญจะเปนของเหลว) ท่ีชวยใหการสงผานพลังงานอัลตราโซนิกสจากอุปกรณแปรสัญญาณไปยังชิ้นงานสําหรับทดสอบดีขึ้น คัปแปลนตเปนสิ่งที่จําเปนเพราะวาการไมเขาคูกันของอิมพีแดนซ (impedance mismatch) ระหวางอากาศกับของแข็ง (เชน ชิ้นงานทดสอบ) มีคาสูงซึ่งทําใหพลังงานเกือบจะทั้งหมดถูกสะทอนกลับเหลือเพียงสวนนอยที่สงผานไปในวัตถุทดสอบ คัปแปลนตจะไปแทนที่อากาศและทําใหพลังงานเสียงสามารถสงผานเขาไปในวัตถุทดสอบไดมากข้ึนและจะทําใหไดสัญญาณอัลตราโซนิกสท่ีเกี่ยวของกับจุดบกพรอง สําหรับกรณีการทดสอบอัลตราโซนิกสแบบสัมผัสจะใชฟลมบางๆ ของน้ํามัน กลีเซอรีน หรือนํ้าเปนคัปแปลนตระหวางอุปกรณแปรสัญญาณและผิวหนาวัตถุทดสอบ

ถาตองการใชงานที่จะตองมีการกวาดอุปกรณแปรสัญญาณเหนือวัตถุทดสอบหรือการใชงานที่ตองการการวัดท่ีแมนยําก็จะนิยมใชการวัดแบบจุม โดยในการวัดน้ันอุปกรณแปรสัญญาณและวัตถุทดสอบจะจมอยูในคัปแปลนตดวยกัน โดยคัปแปลนตท่ีนิยมคือนํ้า วิธีการเชื่อมตอแบบนี้จะทําใหเกิดการเชื่อมตอท่ีคงที่แนนอนในขณะเคลื่อนอุปกรณแปรสัญญาณ อุปกรณกําเนิดและรับสัญญาณพัลส (Pulser-Receivers)

สําหรับการทดสอบอัลตราโซนิกสท่ีหลากหลายนั้นจะนิยมใชอุปกรณกําเนิดและรับสัญญาณพัลสอัลตราโซนิกส ซึ่งเม่ือใชรวมกับอุปกรณแปรสัญญาณที่เหมาะสมและเครื่องแสดงคลื่นไฟฟา (oscilloscope)

จะสามารถนํามาใชตรวจสอบจุดบกพรองและวัดความหนาของวัตถุหลายๆ อยางได อุปกรณกําเนิดและรับสัญญาณพัลสอัลตราโซนิกสเปนอุปกรณท่ีราคาไมสูงมากนัก ในสวนที่ใชกําเนิดสัญญาณพัลสน้ันอุปกรณจะสรางสัญญาณพัลสไฟฟาท่ีมีขนาดสูงเปนเวลาสั้นๆ และมีพลังงานตามที่ตองการ แลวแปลงเปนพัลสอัลตราโซนิกสแบบสั้นเพื่อปอนใหกลับอุปกรณแปรสัญญาณอัลตราโซนิกส หนวยกําเนิดพัลสน้ีจะมีเอาทพุทที่มีอิมพีแดนซตํ่าเพื่อใหขับอุปกรณแปรสัญญาณไดดี ซึ่งจะสามารถควบคุม

θ Sound path

4-23

1. ความยาวของสัญญาณพัลส (เวลาที่ปอนพัลสใหกับอุปกรณแปรสัญญาณ) หรือคาหนวง (damping)

2. พลังงานของสัญญาณพัลส (คาความตางศักยท่ีปอนใหกับอุปกรณแปรสัญญาณ โดยคาท่ัวไปที่ใชคือ 100 ถึง 800 โวลท)

สําหรับสวนที่ใชในการรับสัญญาณพัลสน้ัน จะทําหนาท่ีรับสัญญาณความตางศักยจากอุปกรณแปรสัญญาณ หรือสัญญาณพัลสอัลตราโซนิกส และนํามาขยายขนาดทางไฟฟาไดสัญญาณความถี่วิทยุ (radio

frequency, RF) โดยจะสามารถควบคม

1. การเปลี่ยนสัญญาณกระแสสลับใหเปนกระแสตรง (rectification)

2. การกรองสัญญาณใหเปนรูปรางที่ตองการและการทําใหสัญญาณมีความราบเรียบ

3. การปรับเกนหรือคาขยายของสัญญาณ

อุปกรณกําเนิดและรับสัญญาณพัลสยังสามารถนํามาใชในงานที่เกี่ยวกับการหาลักษณะหรือสมบัติของวัตถุซึ่งจะเปนการวัดความเร็วเสียงหรือการวัดการลดทอนของคลื่นเสียง โดยคาท้ังสองสามารถนํามาหาความสัมพันธกับสมบัติของวัสดุเชน คาความยืดหยุน ซึ่งการใชงานในลักษณะนี้จะสามารถนํามาประยุกตใชกับการวัดคุณภาพของผักผลไมได สัญญาณพัลสอัลตราโซนิกสจะตองสามารถปรับเปลี่ยนไดเพื่อใหเหมาะกับชนิดของอุปกรณแปรสัญญาณ ถาใชอุปกรณแบบสัมผัสท่ีมีความหนวงสูงจะตองปอนสัญญาณพัลสแบบสัญญาณแหลมและมีแถบกวาง (wideband, spike-like pulse) ซึ่งสามารถสรางไดจากอุปกรณกําเนิดและรับสัญญาณพัลสท่ัวไป ในกรณีอุปกรณแปรสัญญาณมีความหนวงต่ําซึ่งใชสําหรับกรณีตองการกําลังสูงจะตองปอนสัญญาณพัลสแบบโทนเบอรสแถบแคบ (narowband tone-burst excitation) (หรือเปนสัญญาณที่มีขนาดสูงเปนชวงเวลาที่สั้นมากๆ) การเขาคูกันของอิมพีแดนซไฟฟา (Electrical impedance matching)

สัญญาณขอมูล

พิจารณาสัญญาณที่ถูกปอนเขาและรับจากอุปกรณแปรสัญญาณ เม่ือเราสงขอมูลผานสายเคเบิลสิ่งที่สนใจคือมีสัญญาณเขาสูปลายดานหน่ึงและออกมาจากปลายอีกดานหน่ึง พัลสความถี่สูงจะเสื่อมลงเมื่อเดินทางผานสายเคเบิล ความสูงพัลส (ขนาดพัลส) และรูปรางของพัลส (รูปแบบของคลื่น) จะมีการเปลี่ยนแปลงเปนอยางมาก และปริมาณการเปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยูกับอัตราการสงผานขอมูล ระยะทางการสงผาน และสมบัติทางไฟฟาของเคเบิล บางครั้งสายเคเบิลจะสามารถสงสัญญาณไดดีถาใชในระยะทางสั้นๆ แตเม่ือใชเปนระยะทางยาวๆ จะสงขอมูลผิดพลาดได ดังน้ันผูออกแบบระบบจึงตองพิจารณาถึงมาตรฐานอุตสาหกรรมสําหรับเคเบิลท่ีใช สมบัติทางไฟฟาของสายเคเบิล

4-24

สมบัติท่ีสําคัญที่สุดของสายเคเบิลไฟฟาคือ อิมพีแดนซ การลดทอน การปองกันทางไฟฟา (shielding) และ ความจุไฟฟาหรือคาปาซิแทนซ (capacitance) ซึ่งมีรายละเอียดดังน้ี

1. อิมพีแดนซ (impedance) มีหนวยเปนโอหม เปนคาท่ีแสดงถึงความตานทานโดยรวมซึ่งสายเคเบิลมีตอกระแสไฟฟาท่ีเคลื่อนท่ีผานตัวสายเคเบิล ท่ีความถี่ตํ่าคาอิมพีแดนซสวนใหญจะเปนฟงกชันของขนาดสาย แตท่ีความถี่สูงคาอิมพีแดนซจะขึ้นอยูกับ ขนาดสาย วัสดุท่ีเปนฉนวน ความหนาของฉนวน การเขาคูกันของอิมพีแดนซเปนสิ่งที่สําคัญมาก ถาระบบถูกออกแบบใหมีคา 100 โอหม สายเคเบิลก็ควรจะมีคาอิมพีแดนซท่ีคาน้ันมิฉะน้ันจะเกิดความคลาดเคลื่อนในการสะทอนได

2. การลดทอน (attenuation) เปนคาท่ีวัดในหนวยเดซิเบลตอหน่ีงหนวยความยาว (dB/m) ใชเปนคาท่ีแสดงใหเห็นถึงการสูญเสียสัญญาณขณะที่เดินทางผานสายเคเบิล การลดทอนจะขึ้นอยูกับความถี่ของสัญญาณอยางมาก สายเคเบิลหน่ึงๆ ท่ีใชงานไดดีกับขอมูลสัญญาณความถี่ตํ่าอาจจะมีปญหาเมื่อใชกับสัญญาณที่มีอัตราการเปลี่ยนขอมูลสูง (หรือความถี่สัญญาณสูง) ดังน้ันสายเคเบิลท่ีมีคาการลดทอนต่ําจะดีกวาสายที่มีคาสูง

3. การปองกันทางไฟฟา (shielding) โดยทั่วไปจะระบุอยูในรายละเอียดโครงสรางของสายเคเบิล การปองกันทางไฟฟาของสายมีหนาท่ีสองอยางคือ เปนตัวกั้นขวางสัญญาณภายนอกไมใหเล็ดลอดเขามาในสายและปองกันสัญญาณภายในสายไมใหเล็ดลอดออกไปภายนอก และทําหนาท่ีเปนสวนหนึ่งของวงจรไฟฟา ประสิทธิภาพของการปองกันทางไฟฟาเปนสิ่งที่ซับซอนในการวัดและขึ้นอยูกับความถี่ของสัญญาณขอมูลภายในสาย การปองกันทางไฟฟาอาจมีผลดีมากในชวงความถี่หน่ึงๆ แตท่ีความถี่แตกตางออกไปอาจจะไดผลไมดี

4. ความจุไฟฟา (capacitance) วัดเปนหนวยพิโคฟารัดตอหน่ึงฟุต (picofarads per foot,

pf/m) เปนคาท่ีแสดงปริมาณประจุท่ีสายเคเบิลสามารถเก็บไวไดภายในตัวสาย ถาสัญญาณความตางศักยหน่ึงถูกสงผานสายท่ีบิดเปนเสนคู (twisted pair) ฉนวนของสายทั้งสองเสนจะเกิดการอัดประจุโดยความตางศักยในวงจร เน่ืองจากการอัดประจุจะตองใชเวลาในการอัดกอนจะมีคาคงท่ี สิ่งน้ีจึงทําใหสัญญาณถูกรบกวนและสงผานไดชาลง พัลสขอมูลดิจิตอลเปนขอมูลตอเน่ืองของการเปลี่ยนแปลงความตางศักยท่ีแสดงเปนคลื่นสี่เหลี่ยมจัตุรัส (square wave) สายเคเบิลท่ีมีความจุไฟฟาสูงจะทําใหสัญญาณเหลาน้ีเดินทางชาลงและรูปรางสัญญาณเปลี่ยนเปนคลายฟนเลื่อย (saw-

teeth shape) แทนที่จะเปนสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม ดังน้ันในการสงผานขอมูลดวยความเร็วสูงควรจะใชสายเคเบิลท่ีมีความจุไฟฟาตํ่า

การแสดงผลอัลตราโซนิกส การแสดงผลขอมูลอัลตราโซนิกสสามารถแสดงเปนปริมาณของพลังงานอัลตราโซนิกสท่ีไดรับเปนฟงกชันของเวลา ปริมาณสัมพัทธของพลังงานที่ไดรับจะพล็อตในแกนตั้งและเวลาที่ผานไป (ซึ่งอาจจะสัมพันธกับเวลาในการเดินทางของพลังงานเสียง) พล็อตตามแกนแนวนอน ดังแสดงในรูปที่ 4.15 จากผลการแสดงนี้เราสามารถประมาณขนาดของจุดบกพรองในวัสดุไดโดยการเปรียบเทียบขนาดของสัญญาณจากตัวสะทอนท่ี

4-25

ตองการหาขนาดกับขนาดสัญญาณจากตัวสะทอนท่ีทราบขนาด นอกจากน้ันความลึกของจุดบกพรองที่สะทอนคลื่นเสียงก็สามารถหาไดจากตําแหนงของสัญญาณในขณะที่กวาดอุปกรณแปรสัญญาณในแนวนอน

รูปที่ 4.15 การแสดงผลอัลตราโซนิกส พารามิเตอรท่ีเกี่ยวกับอัลตราโซนิกส การวัดความเร็ว (Velocity measurement)

โดยทั่วไปเราสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงความเร็วของการแพรขยายของคลื่นอัลตราโซนิกสพรอมกับการสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวของกับโครงสรางไมโคร (microstructure) ของวัสดุซึ่งเปนการวัดแบบไมทําลายเพื่อหาขอมูลเกี่ยวกับสมบัติของวัสดุ การวัดความเร็วเสียงและการลดทอนของคลื่นอัลตราโซนิกสจะไดขอมูลท่ีสัมพันธกับสมบัติความยืดหยุนท่ีสามารถนํามาใชกําหนดลักษณะของเนื้อสัมผัส (texture) ของโลหะที่มีโครงสรางแบบหลายผลึก (polycrystalline metals) ได การวัดความเร็วจะใชกับคลื่นตามยาวซึ่งสามารถแพรขยายไดในอากาศ ของเหลว และของแข็ง สําหรับของแข็งน้ันจะใชกับคลื่นขวางหรือคลื่นเฉือน (transverse (shear) waves) โดยเฉพาะ ความเร็วตามยาวจะไมขึ้นกับรูปทรงทางเรขาคณิตของตัวอยางเม่ือขนาดในแนวตั้งฉากกับลําเสียงมีคามากกวาพ้ืนท่ีลําเสียงและความยาวคลื่นมากๆ สําหรับความเร็วตามขวางนั้นจะไดรับอิทธิพลจากขนาดทางกายภาพของตัวอยางเพียงเล็กนอย

การวัดความเร็วอัลตราโซนิกสทําไดโดยงายโดยวัดเวลาที่สัญญาณพัลสของอัลตราซาวดเดินทางจากอุปกรณแปรสัญญาณหนึ่งไปยังอีกอุปกรณหน่ึง หรือเดินทางจากอุปกรณหน่ึงและสะทอนกลับมายังอุปกรณเดิม (pulse-echo) การวัดอีกแบบหนึ่งทําไดโดยเปรียบเทียบเฟสของคลื่นเสียงที่วัดไดกับสัญญาณอางอิง การวัดการลดทอน (Attenuation measurements)

การแพรขยายของอัลตราโซนิกสจะขึ้นอยูกับโครงสรางไมโครอของวัสดุท่ีเคลื่อนผาน สําหรับความเร็วของคลื่นอัลตราโซนิกสน้ันจะไดรับอิทธิพลจากสมบัติโมดูลัสความยืดหยุนและความหนาแนนของวัสดุ และสมบัติท้ังสองก็ขึ้นอยูกับปริมาณของเฟสตางๆ ท่ีมีในวัสดุและความเสียหายในวัสดุอีกตอหน่ึง สวน

Time

Sign

al st

reng

th

4-26

การลดทอนอัลตราโซนิกสซึ่งเปนผลรวมของการดูดกลืนและการกระเจิงโดยสวนใหญจะขึ้นอยูกับความจุการหนวง (damping capacity) และการกระเจิงจากรอยตอระหวางเกรนในวัสดุ อยางไรก็ตาม

การวัดแบบสัมพัทธ (relative measurements) เชน การเปลี่ยนแปลงการลดทอนและการทดสอบเชิงคุณภาพแบบงายจะทําไดงายกวาการวัดแบบสัมบูรณ (absolute measurements) การวัดการลดทอนแบบสัมพัทธสามารถทําไดโดยการตรวจสอบการเสื่อมลงแบบเอ็กซโปเนนเชียล (exponential

decay) ของการสะทอนผิวกลับแบบผลคูณ (multiple back surface reflections) (รูปที่ 4.16)

อยางไรก็ตามการเปลี่ยนแปลงที่มีนัยสําคัญในสมบัติทางโครงสรางไมโครและสมบัติทางกลจะทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงในความเร็วคลื่นและการลดทอนเพียงเล็กนอยเทาน้ัน

การวัดการลดทอนแบบสัมบูรณจะทําไดยากมากเน่ืองจากขนาดการสะทอนจะขึ้นอยูกับปจจัยมากมาย วิธีการที่ใชโดยทั่วไปเพื่อใหไดผลเปนคาเชิงปริมาณคือ การติดต้ังอุปกรณกําเนิดอัลตราโซนิกสและอุปกรณตรวจจับสัญญาณที่ระยะหางที่ทราบคา เม่ือเปลี่ยนระยะหางระหวางอุปกรณท้ังสองก็จะทําใหสามารถวัดคาการลดทอนไดจากการเปลี่ยนแปลงของขนาดคลื่นเสียง ถาตองการไดผลที่แนนอนก็จะตองลดอิทธิพลของการเชื่อมตอหรือคัปปลิง ซึ่งทําไดโดยใชพารามิเตอรสเปกตรัมอัลตราโซนิกสท่ีเปนการวัดการลดทอนที่ขึ้นกับความถี่ และเปนวิธีท่ีไมขึ้นกับสภาพของการเชื่อมตอหรือคัปปลิงที่ใช ยกตัวอยางเชน การใชอัตราสวนระหวางขนาดของพีคความถี่ท่ีสูงกวาตอพีคความถี่ท่ีตํ่ากวา ซึ่งสามารถนํามาใชในการระบุลักษณะทางโครงสรางไมโครของวัสดุบางอยางได รูปที่ 4.16 การลดทอนสัญญาณอัลตราโซนิกสแสดงการเสื่อมลงแบบเอ็กซโปเนนเชียล (exponential

decay) ของการสะทอนผิวกลบัแบบผลคูณ

4-27

4-28