Ultrazvuk je mechanické vlnenie s frekvenciou väčšou ako 20 kHz, neboli presahujúcou hornú hladinu počuteľnosti. Pre človeka je teda nepočuteľný. Horná hranica počuteľnosti sa všeobecne so vzrastajúcim vekom znižuje. U detí môže výnimočne prekročiť aj hranicu 20 kHz. Ultrazvuk je mechanické vlnenie vyvolané vzájomným rozkmitaním elastických častíc, ktorého frekvencia je vyššia ako 20 kHz. Pre človeka táto frekvencia leží nad hranicou počuteľnosti. V závislosti na frekvencii sa ultrazvukové vlnenie delí na tri kategórie, silový ultrazvuk s frekvenciou 20-100 kHz, vysokofrekvenčný s frekvenciou do 100 kHz do 1 MHz a diagnostický ultrazvuk o frekvenciách 1-500 MHz.
Od zdroja sa ultrazvuk šíri prostredím ako vlnenie, ktoré sa podľa smeru kmitania častíc daného prostredia rozdeľuje na pozdĺžne vlnenie, kedy sa častice pohybujú v smere šírenia vlnenia, a vlnenie priečne, kedy častice kmitajú kolmo na smer šírenia vlnenia. Mechanické vlnenie a teda aj ultrazvuk môžeme popísať frekvenciou alebo periódou, amplitúdou, vlnovou dĺžkou a rýchlosti šírenia. V plynoch a kvapalinách sa zvuk šíri ako postupné pozdĺžne vlnenie. V pevných látkach sa šíri postupným priečnym vlnením aj pozdĺžnym.
Rýchlosť šírenia ultrazvuku v rôznych materiáloch a špecifiká betónu
Rýchlosť zvuku závisí na prostredí, v ktorom sa šíri. Čím je prostredie hutnejšie (jeho častice sú bližšie k sebe), tým je rýchlosť vlnenia väčšia. Najpomalšie sa teda bude vlnenie šíriť v plynoch, rýchlejšie v kvapalinách a najrýchlejšie v pevných telesách. Ultrazvuk sa podobne ako zvuk najlepšie šíri v tuhých látkach - rýchlosť asi 3000 m/s, horšie v kvapalinách - rýchlosť 1000 m/s, najhoršie šírenie ultrazvuku je vo vzduchu - rýchlosť asi 350 m/s. Pre vzduch o normálnej teplote je rýchlosť šírenia cca 340 m/s a je rovnaká pre vlnenie všetkých frekvenciách. Vyššia hustota látky síce znižuje rýchlosť šírenia zvuku, zároveň ale látky s vyššou hustotou obvykle mávajú vyššiu elasticitu. Preto sa ultrazvuk najrýchlejšie šíri v pevných látkach (napr. kostiach) a najpomalšie v plynoch (vzduch).
Betón je pevný materiál, a preto rýchlosť šírenia ultrazvuku v ňom patrí do kategórie tuhých látok, kde dosahuje najvyššie hodnoty. Všeobecne sa pre pevné látky uvádza rýchlosť okolo 3000 m/s. Presná rýchlosť v betóne sa môže líšiť v závislosti od jeho zloženia, hustoty, vlhkosti a prítomnosti trhlín alebo defektov. Tieto faktory sú kľúčové pri diagnostike betónových konštrukcií.
Pre ilustráciu rýchlosti šírenia ultrazvuku v rôznych prostrediach:
| Prostredie | Približná rýchlosť šírenia (m/s) |
|---|---|
| Plyn (vzduch) | 340 - 350 |
| Kvapalina (voda) | ~1000 |
| Ľudské telo | ~1540 |
| Pevné látky (vrátane betónu) | ~3000 |
Ako funguje ultrazvuk?
Faktory ovplyvňujúce šírenie ultrazvuku v betóne
Na hustote prostredia a rýchlosti šírenia ultrazvuku je závislá akustická impedancia, veličina popisujúca vzťah ultrazvuku a prostredia. Prostredie kladie akýsi odpor ultrazvukovému vlneniu a bráni vzniku zón zvýšeného a zníženého tlaku (zhusťovania a zrieďovania molekúl). Pri vyšetrení ultrazvukom je však nežiaduce, aby vlny prechádzali vzduchovou vrstvou medzi ultrazvukovou sondou a povrchom materiálu (rozdiel medzi impedanciou vzduchu a pevnej látky je značný a dochádzalo by na tomto rozhraní k veľkým odrazom).
Odraz a lom vlnenia
Na rozhraní dvoch tkanív alebo materiálov o rôznych akustických impedanciách dochádza k čiastočnej zmene smeru šírenia vĺn a ich odrazu. Odraznými plochami sa rozumejú rozhrania materiálov s rôznou akustickou impedanciou, tá je definovaná súčinom hustoty a rýchlosti vlnenia v danom materiáli. Čím väčší je rozdiel akustických impedancií a echogenít susedných tkanív, tým väčší je odraz vlny.
V prípade, keď vlnenie prechádza prostrediami s rozdielnou rýchlosťou vedenia ultrazvuku, dochádza k lomu. Mechanické vlnenie prechádzajúce z prostredia akusticky redšieho do prostredia akusticky hustejšieho, sa láme ku kolmici. Naopak pri prechode z akusticky hustejšieho do redšieho prostredia sa vlnenie láme od kolmice. K úplnému odrazu dochádza pri prechode z akusticky redšieho do akusticky hustejšieho prostredia. Ak vlnenie dopadá pod uhlom, ktorý sa nazýva medzný uhol αm, potom sa láme pod uhlom 90°.
Útlm a absorpcia
Prechodom ultrazvuku prostredím dochádza k útlmu intenzity absorpciou (premenou na tepelnú energiu) a rozptylom. Útlm vyjadruje pokles amplitúdy vlny pozdĺž jej dráhy. Závisí na frekvencii. Ak vlna prechádza stratovým prostredím, dochádza k absorpcii energie premenou na teplo. Absorpcia je priamo úmerná druhej mocnine frekvencie. Čím je frekvencia väčšia, tým je hĺbka prieniku ultrazvukového vlnenia menšia. Ak vlna dopadne na plochu menšiu ako je jeho vlnová dĺžka, dochádza k rozptylu. S rastúcou frekvenciou sa zvyšuje absorpcia a disperzia v tkanivách a klesá prienikavosť ultrazvuku.
Generátory ultrazvuku
Zdrojem umelo vytváraného ultrazvuku je ultrazvukový generátor. Mechanické generátory, teda napr. Magnetostrikčné generátory vytvárajú ultrazvukové vlny pomocou feromagnetickej tyčinky, ktorá je umiestnená v magnetickom poli elektromagnetu napájaného striedavým prúdom. Majú veľký výkon, ale možno nimi generovať ultrazvuk o frekvencii len asi do 60 kHz. Piezoelektrické generátory sú najčastejšie používané generátory ultrazvuku v medicíne. Ich fyzikálnou podstatou je piezoelektrický jav, teda zmena tvaru niektorých materiálov v elektrickom poli. Destička z vhodného materiálu (kremeň, niektoré keramické materiály, atp.) je pripojená k elektródam so striedavým napätím. Destička tak kmitá so rovnakou frekvenciou ako priložené napätie a tým mení elektrickú energiu na mechanickú energiu vlnenia.
Využitie ultrazvuku pri kontrole materiálov a betónu
Ultrazvukové vlnenie má široké spektrum využitia nielen v armáde, technologickom priemysle, farmacii aj v medicíne. Výhodami využitia ultrazvuku sú hlavne jednoduchá a bezkontaktná detekcia a meranie vnútri priestorov, ktoré by sme inými prostriedkami len ťažko zmapovali.
Ultrazvukové hrúbkomery využívajú pre meranie ultrazvuk - mechanické kmitanie hmotného prostredia podobne ako počuteľný zvuk. Ultrazvuk sa tvorí v sonde, ktorá sa prikladá na povrch skúšaného materiálu. Ultrazvuk sa do materiálu nevysiela trvalo, ale v krátkych impulzoch. Ultrazvuk sa na rozhraní pevná látka - plyn prakticky stopercentne odráža. Ultrazvuková metóda merania hrúbky vlastne nemeria priamo hrúbku, ale dobu priechodu ultrazvuku skúšaným materiálom tam a späť. Ak teda poznáme čas a jednu z veličín hrúbka / rýchlosť, dokážeme podľa známeho vzorca dopočítať zvyšnú veličinu. Pre presné meranie nestačí nastaviť rýchlosť šírenia z tabuľky. Presnosť merania zaistí iba kalibrácia na stupienkovej mierke (na známej hrúbke) a to tak, že kalibrácia musí byť na rovnakom materiáli o podobnej hrúbke.
Prístroje s funkciou Echo-Echo dokážu merať cez náter. Táto funkcia je dostupná u pokrokovejších hrúbkomerov s grafickým displejom. Existujú aj špeciálne hrúbkomery pre veľmi presné merania s presnosťou na tisíciny milimetra. Príkladom testovacích metód pre betón sú normy ako TS EN 12390-11 (Stanovenie odolnosti betónu voči chloridovým iónom, jednosmerná difúzia) alebo TSE K 274 (Betónový podval - pre vedenia nízkeho napätia, vysokého napätia a vysokého napätia - Definície, požiadavky a skúšobné metódy), ktoré zdôrazňujú význam testovania vlastností betónu.