Akustik-Sismik Sensörler

1. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİFEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Akustik-Sismik Sensörler 10505017 Ozan KAPLAN 10505015 Şahin ÇAKIR Dersi Veren Öğretim Üyesi:Doç. Dr. A. Serdar TÜRK İstanbul, 2011

2. İÇERİK • Giriş • Yüzeyaltı görüntüleme radarında kullanılan akustik ve sismik sensörler • Çalışma Prensipleri • Uygulama Alanları • Sonuç

3. Giriş; • Yüzeyaltı görüntüleme radarı sistemlerinde kullanılan başlıca algılayıcı çeşitlerinden birisi de akustik sismik sensörlerdir, • Bu sensörler yüzey altı ya da duvar arkasındaki nesnelerin tespiti için ses dalgalarını kullanırlar, • Akustik sensörler boşluktaki sesleri dinlemeye yarayan sensörlerdir, • Sismik sensörler ise yere vurulan titreşimleri algılayarak çalışan sensörlerdir

4. Akustik-Sismik Sensörler • Ultrason • Akustik Emisyon (AE) • ImpactEcho (Darbe-Yansıma)(IE) • Vibroakustik

5. 1. ULTRASON • Ultrason, insan kulağının işitemeyeceği kadar yüksek frekanslı ses dalgalarına verilen addır. • Öteses, ultrases de bu kavram için önerilen adlardandır • Sesin iletilebilmesi için bir ortam (madde) gereklidir • Sesin yayılımı bir yerden başka bir yere enerji taşınımı şeklindedir • Ses dalgalarının yayılma hızı, ortamın yoğunluğuna bağlıdır.

6. Ses dalgaları • 3’e ayrılır: • Infrasound (sesötesi) ; frekansı 20 hertz veya altındaki sestir • İşitilebilir ses; frekansı 20-20 000 hertz arasında olan işitilebilir sestir. • Ultrases; frekansı 20 000 hertz üzerinde olan, insan kulağı ile işitilemeyen sestir.

7. Ultrasonun Kullanım Alanları • Ultrason teknolojisi, öncelikle teşhis değil tedavi amaçlı kullanılmaya başlamıştır, • Ultrasonik dalgalar, hayvansal dokuları bozucu etkiye sahip bir tür ısı yayar, • 1940’larda ultrason günümüzdeki radyasyon tedavisi ve kemoterapiye benzer işleri gerçekleştirmek için kullanılıyordu, • Araştırmalar sonucunda darbe-eko ultrason, bir dokuda bozukluk olup olmadığının ultrasonik sinyaller aracılığıyla anlaşılmasını sağladı,

8. Ultrasonun Kullanım Alanları • Ian Donald sayesinde ultrason günümüzdeki yerine kavuşmuştur, • Artık ultrason sayesinde fetüsün cinsiyetini öğrenebiliyor, • Kalp atışlarını görebiliyor, • Hatta vücuttaki anormallikleri tespit edebiliyoruz

9. Ultrason ile görüntülenmiş bebek

10. Ultrasonun Çalışma Prensibi • Ultrasonun çalışma prensibi ses dalgalarının farklı doku ve organlardan farklı şekilde yansıması özelliğine dayanır. • Ultrason cihazı; • görüntüleme aygıtı, • transduser • merkezi işlem birimi(CPU)

11. Ultrasonun Çalışma Prensibi • CPU, transduserin ses dalgalarını gönderebilmesi için gereken elektrik enerjisini yollar • Transduser, ses dalgalarını yaratır ve yansıyan dalgaları alır, • CPU, yansıyan dalgalardan gelen verileri işler ve görüntüyü oluşturabilmek için gereken hesapları yapar, • Görüntü, yakındaki bir ekranda belirir, • Görüntü yaratmak için ses dalgalarını kullanarak mesafe ve zaman ölçme ilkesi SONAR teknolojisine dayanır,

12. Ultrason Uygulamaları • Tıpta vücudun içinin görüntülenmesi, • Mücevher temizliği, • Tahribatsız test olmak üzere pek çok uygulama alanında kullanılmaktadır. • Ultrasonun tıpta çeşitli uygulama alanları vardır

13. Tıp Uygulamaları • Abdominal, • Hasta kronik veya akut karın ağrısından şikayet ettiğinde, • Karın bölgesinde bir kitleden şüphelenildiğinde, • Ultrason kullanımı, bu durumda doktorların bu bölgedeki organları görsel olarak muayene edebilmesini sağlar • Obstetrik (Kadın-doğum) • 1950’lerin sonlarından beri, ultrason teknolojisi anne karnındaki fetüsün izlenmesi amacıyla kullanılmaktadır.

14. Tıp Uygulamaları • Muskuloskeletal • Kasların, tendonların ve eklemlerin hareketini gösterir, • Tendon yırtılmalarını, yumuşak dokulu kitleleri, kanamayı ve kasların ve eklemlerin içindeki diğer sıvı toplanmalarını teşhis edebilmesini sağlar, • Kopuk bağlar ve omuzdaki eklem yırtıkları, muskuloskeletal sistemin ultrasona en sıklıkla ihtiyaç duyduğu durumlardan ikisidir

15. Ultrason ile Kusur Tespiti • Mühendislik uygulamalarında kusur tespiti bulmak amacıyla da kullanılmaktadır • Tahribatsız test uygulamalarından biri olan bu yöntemle ultrason dalgaları bize malzemeye olumsuz bir zarar vermeden malzemenin içini görmemizi ya da içerisindeki hataları bulmamıza imkan verir

16. Ultrason ile Kusur Tespiti • Ultrasonik dalgalar da görünür ışık gibi odaklanabilir, yansıyabilir ve kırılabilir • Ultrasonik dalgalar hava, su veya katı maddeler üzerinden iletilir • Ultrasonik dalgadaki yönlendirilmiş enerji, malzemeler arasındaki sınırlar tarafından malzemenin gaz sıvı ya da katı olmasına bakılmaksızın yansıtılır • Ultrasonik dalgalar ayrıca katı malzemelerin içerisindeki herhangi bir çatlak ya da boşluktan da yansırlar

17. Ultrason ile Kusur Tespiti • Bu iç kusurlar nedeniyle yansıyan dalgalar, dış yüzeylerden yansıyan dalgalarla karşılaştırılır ve böylece iç kusurların büyüklüğü ve şiddeti tespit edilebilir • Ultrasonik dalgaların üretilmesi ve tespit edilmesi için ultrasoniktransduser (sensör) gereklidir • Ultrasonik dalga transduserden UUT (Unitunder test) birimine genellikle su, yağ veya jel yoluyla taşınır ve transdusere hem iç kusurlardan hem de dış yüzeylerden tekrar geri yansır

18. Ultrason ile Kusur Tespiti • Ultrason ile kusur tespiti şematik gösterimi

19. Ultrason ile Kusur Tespiti • Ultrasoniktransduserler, pulse–echo (darbe yankı) modunda çalışırken hem alıcı hem de verici gibi davranırlar • Yansıyan ultrasonik dalgalar, ultrasoniktransduser içindeki piezoelektrik kristalini titreştirirler • Veri toplama donanımı tarafından ölçülebilen bir gerilim üretirler • Genelde ultrasonik tahribatsız test uygulamaları aralığı 400kHz’den 25MHz’e kadardır • Ultrasoniktransduser (sensör)ün frekansı pek çok faktöre göre seçilebilir • Bu faktörler; belirlenebilir kusur boyutu, penetrasyon derinliği ve malzemenin yapısal özelliği gibi faktörlerdir

20. 2. AKUSTİK EMİSYON • Akustik Emisyon (AE); • Gerilme altındaki malzemelerde bir yada daha çok yerel kaynağın hızla enerji salarak geçici elastik dalgalar ürettiği olaylar ve bu şekilde oluşan geçici elastik dalgalar olarak tanımlanır • AE bir elastik dalga üretir, malzemede yayılan bu dalga uygun sensörlerle tespit edilebilir ve analiz edilebilir

21. Gerilme altındaki malzemelerden açığa çıkan AE' nin fark edilmesi, aslında yeni bir gözlem değildir • Maden ocaklarındaki destek ve payandaların çıkardığı gıcırtılardan, yakın felaketlerin ilk habercisi olarak yüzyıllar boyunca yararlanılmıştır • Kalay bükülürse ikizlenme meydana gelir ve bu sırada yayınlanan çatlama sesi "kalay çığlığı (tin cry)" olarak bilinir • Bir parça kâğıdın yırtılmasında, tahta veya cam kırılmasında ses açığa çıkar • Bütün bu örneklerde sesler, kulak tarafından duyulabilecek genliktedir ve frekansları da işitilebilir ses spektrumu içindedir.

22. Modern AE araştırma çalışmaları • Malzemelerden ultrasonik, kulağın işitemeyeceği mertebedeki frekanslarda yayılan seslerle ilgilidir • Kabaca frekans aralığı 100 KHz ile 40 MHz • Çoğu çalışmalar belli bir frekans bandı, örneğin metallerde 100 KHz - 1.2 MHz bandı aralığında yürütülür

23. AE Oluşumu ve Algılanması • Belirli bir yük altındaki malzemelerde temel AE kaynakları; • çatlak başlangıçları • İkizleme • dislokasyon hareketi • kristal düzlemlerinin kayması • martensitik faz dönüşümleri gibi yerel dinamik hareketleri kapsar • Oksit tabakasının çatlaması gibi çeşitli yüzey etkileri de AE kaynaklarını oluşturabilmektedir

24. AE Oluşumu ve Algılanması • AE muayene yöntemi ile ; • metal ve seramiklerde çatlak başlangıcı • yorulma çatlağı ilerlemesi • gerilmeli korozyon çatlaklarının saptanması • faz dönüşümleri ve dislokasyon hareketleri gibi çeşitli olaylar incelenebilir

25. AE Oluşumu ve Algılanması • AE oluşumu ve algılanması

26. AE Oluşumu ve Algılanması • Uygulanan gerilim sonucu kaynaktaki ani hareket bir gerilim dalgası oluşturur • Yapıdaki yayılan dalgalar yüzeye yerleştirilen hassas bir piezoelektiriktransduseri uyarır • Malzemeye uygulanan gerilim artarsa bu yayımlardan çok fazla miktarlarda üretilir • Yüzeye ulaşan zayıf titreşimlerin bir veya daha fazla algılayıcı vasıtasıyla alınıp yükseltilerek değerlendirilmesi, AE muayene yöntemi olarak adlandırılır

27. AE İzleme Sistemi • Bir AE izleme sisteminin amacı • AE kaynaklarından gelen tüm sinyalleri algılamak • Bunların sayı ve dağılımlarını • Gerilim • Basınç • Sıcaklık gibi bir ya da daha fazla deney değişkeni ile ilişkili olacak şekilde kaydetmek • Söz konusu kaynakların sınıflandırılmasını ve konumlarının belirlenmesini sağlamaktır

28. AE İzleme Sistemi • Şekilde gösterildiği gibi her AE izleme sisteminde, sinyalin ulaştığı ilk nokta algılayıcıdır

29. AE İzleme Sistemi • Algılayıcılar, AE sinyallerinin malzeme yüzeyinde oluşturdukları titreşimleri elektriksel işaretlere çevirirler • AE uygulamalarında yüksek hassasiyetli ve mekanik gürültüye karşı daha az duyarlı olmaları nedeniyle piezoelektrik algılayıcılar kullanılır • Algılayıcıda üretilen sinyal önce elektromagnetik girişimleri minimize edecek şekilde algılayıcının yakınında (bazen de içinde) bulunan bir ön yükselteç vasıtasıyla yükseltilir • Bu ön yükselteç genellikle sistemin elektriksel gürültü seviyesini belirler ve tipik olarak 40 dB'lik bir kazanç (100 kat büyütme) sağlar • Ön yükselteç ayrıca, alçak veya yüksek geçiş süzgeçlerini de içerir

30. AE İzleme Sistemi • En yaygın kullanılan 150 kHz rezonans frekanslı algılayıcılar için genellikle seçilen bant aralığı 100–300 kHz'dir • Ön yükselteç ile gerekli voltaj düzeyine yükseltilen ve örneğin 100 kHz.'in altındaki gürültülerin süzüldüğü bir süzgeçten geçirilen bir AE sinyali Şekil 5'teki gibidir • Bu sinyal Şekil 6'daki gibi bir basit sönümlü sinüzoidal titreşim olarak gösterilebilir

31. AE İzleme Sistemi • Sinyal son olarak, blok şemada gösterilen güç yükseltecinde istenilen düzeye getirilir ve sayıcılara verilir • Yapılmak istenen değerlendirmenin niteliğine göre, daha karmaşık sinyal değiştirme (A/D Dönüştürücüler) ve işleme katları da kullanılabilmektedir • Sistemdeki son birimler; veri kayıt ve gösterim araçları osiloskoplar, genellikle sinyal biçimini izlemekte kullanılırlar • AE'nun konumunun belirlenmesini yapabilen sistemlerde daha fazla sayıda algılayıcı ve her algılayıcı için de ayrı yükselteçler kullanmak zorunludur • Burada, ek bir veri işleme birimi aracılığı ile sinyallerin algılayıcılara varış zamanları arasındaki farklar çözümlenmektedir.

32. AE Tekniğinin Uygulama Alanları • AE; malzeme, yapı, proses açısından çok geniş bir alanı kapsayan bir doğal olaydır • En büyük çaplı AE sismik olaylar olup, AE muayene ile incelenebilen en küçük ölçekli proses ise yük altındaki metallerde dislokasyon hareketidir • Bu ikisi arasında geniş bir laboratuar incelemesi ve endüstriyel test alanı bulunmaktadır.

33. AE Tekniğinin Uygulama Alanları • Laboratuar çalışması olarak; • malzeme muayenesinde ve deformasyon ve kırılma konularının incelenmesi • AE, mikroyapı ve deformasyon şekline sıkı sıkıya bağlı olduğundan malzemeler AE yayması açısından farklılıklar gösterirler • Gevreklik ve heterojenlik yüksek AE yayınmasına neden olan iki ana faktör olup, sünek deformasyon mekanizmaları alçak akustik yayınma meydana getirirler.

34. AE Tekniğinin Uygulama Alanları • Üretim sürecinde AE yöntemiyle muayene; • lehimli bağlantılarda • sıcaklık ve basınç altında yapılan yapışmalarda (thermocompressionbonding) • şaft doğrultma (shaftstraightening) gibi şekil verme işlemlerinde • denetim ve kalite güvence aracı olarak örneğin kaynak işlemi veya ahşap kurutma sürecinin izlenmesinde • seramik parça üretiminin kontrolünde • aşınma testinde kullanılmaktadır

35. AE Tekniğinin Uygulama Alanları • Yapısal kontrol amacıyla AE; • basınçlı kaplarda • depolama tanklarında • boru hatlarında • uçak ve uzay araçlarında • köprülerde • demiryolu araçlarında hem kullanılmamış hem de servis sürecindeki donanımlarda • çatlakların, kaçakların tespitine • korozyon ve kaynak hatalarının belirlenmesine yönelik olarak kullanılmaktadır • AE Yapısal Testi ile ilgili olarak ASME, ASTM ve EN’de yöntem ve uygulama esasları mevcut bulunmaktadır.

36. AE Tekniğinin Uygulama Alanları • AE yöntemi ile bir yapının bütünlük kontrolü tek aşamalı bir test ile yapılabilmektedir. • Bu kontrolde yapıya ulaşım açısından sadece algılayıcıların yerleştirilmesi yeterli olmaktadır • Yerüstü ve yeraltı depolama tanklarında sızıntı tespitinde ve korozyon seviyesinin belirlenmesinde AE çok elverişli bir araç olacaktır.

37. 3. IMPACT ECHO (DARBE YANKI) • Impactecho, duvar ve betonların tahribatsız ölçümü için kullanılan, kısa süreli mekanik etki sonucu oluşan yüzey hareketlerinin görüntülenmesine dayalı akustik bir metottur • Bu metot 1980’lerin ortalarında TheNationalInstitute of StandardsandTechnology (NIST) (eskiden NationalBureau of Standards (NBS) olarak bilinen) tarafından bulunmuştur • New York’taki Cornell Üniversitesinde 1987-1997 yılları arasında geliştirilmiştir

38. Bu metot, betonarme ve yığmaların yüzeyine uygulanan bir darbe ile oluşturulan ses dalgalarının bu yapıların içerisindeki çatlaklardan ve dışarısındaki yüzeylerden yansıması temeline dayanmaktadır • Impactecho hataların yerini ve derecesini belirlemek için kullanılır • Bu hatalar betonlardaki, kaldırımlardaki, duvarlardaki çatlaklar, boşluklar, gözenekler olabilir • Bu yöntem katmanlı yapıdaki plakalarda, asfaltlarda, kolon ve kirişlerde, içi boş silindir borularda, tünellerde de kullanılmaktadır

39. Çalışma Prensibi • ImpactEcho çalışma prensibi blok diyagramı

40. Çalışma Prensibi • Bir beton veya duvar yüzeyine küçük çelik bir kürenin hafifçe vurulması ile elde edilen kısa süreli mekanik bir etki düşük frekanslı ses dalgaları yaratır (80 kHz’e kadar) • Bu ses dalgaları betonun ya da duvarın içerisine doğru yayılır ve içerideki boşluklardan ya da dış yüzeyden geri yansır • Bu ses dalgalarının dalga boyları genelde 50mm ile 2000 mm arasında olmaktadır.

41. Çalışma Prensibi • Darbe ile bir yüzeye etki uyguladığımızda 3 farklı ses dalgası oluşur • Bunlar, • P-dalgası • S- dalgası • R- dalgası • Şekilde de görüldüğü üzere S ve P dalgaları katı maddenin içerisinde küresel dalga şeklinde yayılmaktadır. Ayrıca R- dalgası da yüzey boyunca yayılmaktadır

42. Çalışma Prensibi • P,S,R dalgalarının gösterimi

43. Çalışma Prensibi • ImpactEcho Metodu • Yüzey altında büyük bir hava boşluğu bulunan bir tabakaya uygulanan impactecho yönteminin şeması gösterilmiştir.

44. Çalışma Prensibi • Yansıyan dalgalar ve yüzeydeki değişim sonuçları, darbeye yakın konumlandırılmış transduser(sensör) tarafından kaydedilmektedir • Transduser içerisindeki piezoelektrik kristali kaymaya(yer değiştirmeye) orantılı bir gerilim üretir ve ortaya çıkan gerilimi veri toplama sistemine iletir • Veri toplama sistemi işareti sayısallaştırır ve bilgisayarın hafızasına iletir • Bilgisayarda gerilim-zaman sinyali matematiksel olarak (FastFourirer dönüşümü ile) genlik ve frekans spektrumuna dönüştürülür • Böylece dalga şekli ve spektrumu ekrana yansıtılır

45. Çalışma Prensibi • Impactecho’ nun temel denklemi; • Burada d, ses dalgalarının yansıdığı derinlik (veya yapının kalınlığı) • C dalganın hızı • f de sinyalin baskın frekansını ifade etmektedir

46. ImpactEcho Test Sistemi • Tipik bir impact-echo test sistemi

47. ImpactEcho Test Sistemi • Bu yapının temel bileşenleri; • elde taşınabilen bir transducer • birkaç çeşit küresel etki elemanları • taşınabilir bir bilgisayar ve yüksek hızlı, analog – dijital çeviricili veri toplama sistemi • sonuçları sayısal ve grafik olarak test edebilen ve görüntüleyebilen bir yazılım programıdır.

48. Uygulama Alanları • Impactecho metodu; • karayolu kaldırımlarındaki, • köprülerdeki, • iskelelerdeki, • binalardaki, • tünellerdeki, • barajlardaki ve pek çok yapıdaki kusurların,çatlakların, boşlukların bulunmasında kullanılır.

49. Uygulama Alanları

50. Uygulama Alanları • Bu yöntem ayrıca beton döşemelerin kalınlığını yüzde 3 veya daha fazla oranda bir doğrulukla tespit etmek için de kullanılabilir • Impactecho yöntemi kalite kontrol uygulamalarında, yapı içerisinde şüpheli olan sorunları belirlemek ve derecelerini ölçmek için başarıyla kullanılmaktadır