การวัดความหนาโดยใช้คลื่นเสียง Ultrasonic
คลื่นเสียงอัลตร้าโซนิกส์ เป็นคลื่นเสียงที่มีความถี่ระดับสูงกว่า 20 กิโลเฮิรตซ์และได้ถูกนำมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางในด้านอุตสาหกรรมการผลิตการแพทย์และเครื่องมือตรวจวัดทางวิทยาศาสตร์ สำหรับการวัดความหนาของวัสดุ เทคโนโลยีคลื่นเสียงอัลตร้าโซนิกส์ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเช่นกัน
ในระยะแรก เครื่องมือวัดความหนาเป็นระบบแอนะล็อก (analog sysytem) มีแหล่งกำเนิดเสียงอัลทราโซนิกส์แบบลักษณะทางกล (mechanical type) โดยคลื่นเสียงอัลตร้าโซนิกส์จะวิ่งผ่านชิ้นงานที่ถูกตรวจวัดและสะท้อนกลับมายังอุปกรณ์รับสัญญาณที่มีลักษณะคล้ายไมโครโฟน การแปลงและการแสดงสัญญาณผลของการวัดใช้หลอดรังสีแคโทด (cathode raytube) แสดงดังรูปที่ 1 เครื่องมือวัดมีขนาดใหญ่และต้องอาศัยผู้ปฏิบัติงานที่มีประสบการณ์สูงและผ่านการอบรมทางด้านนี้โดยตรง
ในเวลาต่อมา นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเครื่องมือวัดความหนาที่ใช้งานง่ายและสะดวก ซึ่งปัจจุบันเครื่องมือรุ่นใหม่เป็นระบบดิจิทัล(digital system) ที่อาศัยการทำงานร่วมกันของหัววัดที่ทำจากวัสดุเพียโซอิเล็กทริก ไดโอดเปล่งแสง (light emit-ting diode LED) และวงจรอินทิเกรต(integrated circuit) ดังนั้นเครื่องมือจึงสามารถวัดและอ่านค่าได้โดยตรงในขณะปฏิบัติงาน ตัวอย่างเครื่องมือวัดความหนาแบบระบบดิจิทัล (digi-tal ultrasonic thickness gage)ที่นิยมและใช้กันอย่างแพร่หลายแสดงดังรูปที่ 2
การพัฒนาด้านนวัตกรรมทำให้เครื่องมือมีราคาถูกและขนาดเล็กลง พกพาสะดวกสามารถนำเครื่องมือออกไปตรวจสอบนอกสถานที่ได้ และผู้ปฏิบัติงานที่มีประสบการณ์น้อยก็สามารถใช้งานได้คลื่นเสียงความถี่สูงสามารถกำเนิดจากวัสดุเพียโซอิเล็กทริกได้แก่ผลึกควอตซ์ (quartz) ผลึกลิเทียมไนโอเบท (LiNbO3) ซินเตอร์เซรามิกหรือผลึกเชิงซ้อนของสารประกอบเลด-เซอร์โคเนตไทเทเนต (Pb(ZrTi)O3)ปัจจุบันวัสดุเพียโซอิเล็กทริก สามารถกำเนิดคลื่นเสียงและรับสัญญาณคลื่นเสียงอยู่ภายในผลึกเดียวกันในความถี่สูงระดับ 1 เมกะเฮิรตซ์ ขึ้นไป รวมถึงมีความสามารถในการแยกแยะสัญญาณดีมากจึงทำให้หัวตรวจสอบรุ่นใหม่มีคุณภาพดีและตรวจวัดได้แม่นยำมากคลื่นเสียงอัลทราโซนิกส์อาศัยหลักการทำงานของอิเล็กทรอนิกส์เซรามิกในรูปของคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกทางตรง (รูป 3ก) และคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกทางอ้อม(รูป 3ข )
คุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกทางตรง คือ การเกิดประจุไฟฟ้าหรือขั้วไฟฟ้าที่เป็นผลมาจากแรงดันเชิงกลกระทำบนผลึกโครงสร้างของวัสดุสารเพียโซอิเล็กทริก ดังนั้นแรงอัดที่กระทำบนวัสดุจะมีผลต่อการเกิดกระแสไฟฟ้าไปสู่วงจรและกระแสไฟฟ้าของวงจรจะเกิดการไหลกลับไปยังวัสดุเมื่อมีแรงดึงกระทำบนวัสดุ โดยที่ขนาดของความหนาแน่นประจุที่ผิววัสดุเพียโซอิเล็กทริกเป็นสัดส่วนกับแรงดันที่กระทำในทิศทางเดียวกับขั้วไฟฟ้าของวัสดุซึ่งปรากฏการณ์แสดงการเปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าส่งผลให้วัสดุเพียโซอิเล็กทริกทำหน้าที่เป็นตัวรับสัญญาณ (receiver) ทำนองเดียวกัน เมื่อผ่านสนามไฟฟ้าไปยังผลึกของสารเพียโซอิเล็กทริกทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอะตอมภายในโครงสร้างจนกลายเป็นแรงเครียดเชิงกล เรียกว่า เพียโซอิเล็กทริกทางอ้อม ผลทำให้เกิดแรงเครียด เช่น การขยายตัวหรือหดตัวของวัสดุตามความสามารถเกิดความเป็นขั้วไฟฟ้า คุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกดังกล่าวสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ เช่น การเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเชิงกลซึ่งวัสดุเพียโซอิเล็กทริกทำหน้าที่เป็นตัวกำเนิดสัญญาณอัลทราโซนิกส์หากกระแสไฟฟ้าที่จ่ายเป็นชนิดกระแสสลับที่ความถี่สูง (ultrasonic generator)หัวตรวจสอบความหนาอาจเป็นหัวตรวจสอบแบบผลึกเดี่ยว (sin-gle probe) หรือหัวตรวจสอบแบบผลึกคู่ (transmitter-receiver probe)หัวตรวจสอบแบบผลึกเดี่ยวจะมีผลึกเพียง 1 ชิ้น ทำหน้าที่ส่งและรับคลื่นเสียงในผลึกเดียวกัน ส่วนหัวตรวจสอบแบบผลึกคู่ประกอบด้วยผลึก 2 ชิ้น โดยผลึกหนึ่งจะทำหน้าที่รับคลื่นเสียงและอีกผลึกหนึ่งจะทำหน้าที่ส่งคลื่นเสียงผลึกทั้งสองจะถูกแยกจากกันโดยแผ่นกั้นเสียง (acoustical barrier) และวางเป็นมุมเอียงบนแท่งดีเลย์ (perspexdelay) ซึ่งเป็นวัสดุพอลิเมอร์แข็งใสคล้ายแก้ว แสดงดังรูปที่ 4
รูปหลักการทำงานของหัวตรวจสอบแสดงดังรูปที่ 5 คลื่นเสียงอัลทราโซนิกส์เดินทางในทิศทางเดียวกับมุมของผลึกผ่านแท่งดีเลย์(perspex delay) และชิ้นงานที่จะตรวจสอบ เมื่อคลื่นเสียงเดินทางมาถึงขอบของชิ้นงานอีกด้านหนึ่งหรือ back wallคลื่นเสียงส่วนใหญ่จะสะท้อนกลับเนื่องจากความแตกต่างของความต้านทานเสียงระหว่างชิ้นงานที่ตรวจสอบและอากาศ คลื่นเสียงจะสะท้อนกลับในทิศทางทำมุมเท่ากับมุมตกกระทบตามกฏของสเนล เราเรียกคลื่นเสียงสะท้อนกลับว่า back wall echo หรือ rear wall echo
เมื่อ (V) : ข้อมูลความเร็วคลื่นเสียงในเนื้อวัสดุ
(S) : ข้อมูลเวลาที่คลื่นเสียงเดินทาง
(t) : ข้อมูลความหนาของวัสดุ
ความหนาของวัสดุสามารถคำนวณดังนี้ t = V x Scos β/2
โดยทั่วไปเวลาที่คลื่นเสียงเดินทางเป็นเวลาตั้งแต่เริ่มส่งสัญญาณของคลื่นเสียงแรกจากหัวตรวจสอบ จนกระทั่งคลื่นเสียงสะท้อนกลับเข้าสู่หัวตรวจสอบเราเรียกเทคนิคนี้ว่า single echomethodปัจจัยความหนาที่อาจทำให้ค่าผลลัพธ์ผิดผลาดประกอบด้วย หัวตรวจสอบ ความผิดพลาดที่อาจเกิดจากการใช้หัวตรวจสอบ ได้แก่ ความผิดพลาดที่เกิดขึ้นเนื่องจากการสึกหรอของแท่งดีเลย์ (perspex delay) หรือแผ่นป้องกัน (protecting face) ของหัวตรวจสอบ จะทำให้ตำแหน่งของจุดศูนย์ (zero point) เปลี่ยนไป ซึ่งตำแหน่งนี้เป็นตำแหน่งที่เครื่องเริ่มจับเวลาในการเดินทางของเสียง ในกรณีที่หัวตรวจสอบแบบผลึกคู่ ความผิดพลาดที่เรียกว่า วีบีมเออร์เรอร์ (V -beam error) เกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งการวางตัวของผลึกทั้ง 2 ชิ้น และเสียงเดินทางไปและสะท้อนกลับมาเป็นรูปตัว V ไม่สมบูรณ์นอกจากนี้เสียงมีระยะเวลาเดินทางมากกว่าเสียงที่เดินทางแบบเส้นตรง สารตัวกลางสำหรับเชื่อมโยงคลื่นจากหัวตรวจสอบไปยังวัสดุที่ต้องการวัดความหนา หากวัสดุมีปริมาณของสารเชื่อมโยงคลื่นเสียง(couplant) มาก แม้จะช่วยกำจัดความเพี้ยนของความเร็วคลื่นเสียง แต่อาจทำให้ระยะเวลาเสียงเดินทางมากกว่าปกติเช่นเดียวกัน ความบกพร่องของวัสดุรอยบกพร่องหรือการแยกชั้นของเนื้อโลหะอยู่ภายในวัสดุ และบริเวณดังกล่าวมีขนาดใหญ่มาก คลื่นเสียงที่เดินทางไปอาจจะถูกสะท้อนกลับมาก่อนที่จะเดินทางไปยังขอบของชิ้นงานอีกด้านหนึ่ง อย่างไรก็ตามผลการคำนวณจากเครื่องมือจะเป็นความลึกของรอยบกพร่องหรือความลึกของการแยกชั้นของเนื้อโลหะนอกจากนี้ หัวตรวจสอบที่ใช้วัดความหนาในปัจจุบันมีหลายขนาดและหลายความถี่ อย่างไรก็ตามการเลือกใช้หัวตรวจสอบชนิดใด ยังต้องพิจารณาลักษณะของผิวชิ้นงานที่จะตรวจสอบ ความหนาของชิ้นงาน และอุณหภูมิของชิ้นงานอีกด้วยความพยายามลดความบกพร่องจากการวัดความหนา และเสริมสร้างความแม่นยำของค่าวัด โดยการทำให้วัสดุเพียโซอิเล็กทริกให้มีความเสถียรสูงต่อสภาวะอุณหภูมิสูงใน การปฏิบัติงานและความต้านทานต่อแรงกระแทกเป็นต้น
