Основы ультразвукового контроля. Конспект лекций. Конспект лекций Бехер С. А., Кочетков А. С. Новосибирск, 2013 1 Содержание 1 Основные понятия акустики 3
 Скачать 1.85 Mb.
|
Д | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Частота | Число колебаний в секунду | |
| Обозначение | Наименование | |
| 1 Гц | герц | 1 |
| 1 кГц | килогерц | 1 000 |
| 1 МГц | мегагерц | 1 000 000 |
Частота колебаний определяет характер взаимодействия акустических колебаний с веществом (Рис. 1.5). Высокочастотные колебания с частотой больше 10 МГц испытывают сильное затухание и не проникают в объект контроля на значительную глубину. Низкочастотные колебания с частотой меньше 1 МГц испытывают дифракцию, огибают дефекты с размерами меньше длины волны. Поэтому наибольшее распространение в акустическом контроле получили ультразвуковые колебания с частотой от 0,4 МГц до
10 МГц.
Рис. 1.5 - Классификация акустических волн по частоте
1.5 Длина волны
Акустические волны являются периодическими в пространстве, при этом пространственный период волны называют длиной волны. Длина волны - это минимальное расстояние между частицами среды, которые колеблются в одной фазе (одновременно, синхронно) (рисунок 1.4), обозначается символом X и измеряется в м, мм.
От длины волны зависят параметры взаимодействия волны с неоднородностями среды (несплошностями, структурой материала). Волна слабо взаимодействует («огибает») с дефектами, размеры которых значительно меньше длины волны. Длина волны зависит от частоты и скорости распространения волны:
6
С
Л = 7
1.6 Амплитуда волны
Амплитуда волны - это максимальное смещение частиц среды от положения
равновесия. В непрерывных колебаниях амплитуда каждого последующего колебания равна предыдущему. На рисунке 1.6 показаны непрерывные колебания с амплитудой 4
мкм.
Амплитуда - максимальное смещение частиц среды от положения равновесия
Рис. 1.6 - Непрерывные колебания с амплитудой 4 мкм
В импульсных колебаниях амплитуда изменяется во времени, при этом амплитудой импульса называют максимальную амплитуду колебаний. На рисунке 1.7 показаны импульсные колебания с амплитудой 2,8 мкм.
В неразрушающем контроле амплитуда акустического импульса является одной из основных величин, по которой принимается решение о браковке изделия. Абсолютное значение амплитуды импульса на практике не применяется, так как это значение зависит не только от характеристик дефекта, но и от посторонних факторов: состояния поверхности ввода ультразвуковых волн, расстояния до дефекта, акустических свойств материала объекта контроля. Поэтому в основу ультразвукового метода контроля положено сравнение амплитуд импульсов отраженных от дефектов с амплитудой импульсов отраженных от эталонных отражателей.
7
Рис. 1.7 - Импульсные колебания с амплитудой 2,8 мкм
На рисунке 1.8 показаны акустические импульсы отраженные от дефекта и эталонного отражателя с амплитудами Ад и Аэо, соответственно. Отношение амплитуд — = 0,5 напрямую характеризует отражательную способность дефекта, а при прочих Аэо
равных условиях - размер дефекта.
Рис. 1.8 - Импульсные колебания с амплитудой 2,8 мкм
Отношение амплитуд, коэффициент выявляемости, коэффициент усиления, условную чувствительность, принято измерять в относительных логарифмических единицах - децибелах (дБ):
8
N = 20 • Ьд (£\,
\^0/
где А - амплитуда импульса, А 0 - амплитуда эталонного импульса, Ъ§() - десятичный логарифм.
Использование единиц дБ позволяет существенно упростить расчеты в ультразвуковой дефектоскопии: знаки «•» и «/» заменяются на «+» и «-», соответственно. В таблице 1.1 приведены соотношения между относительными единицами и дБ.
Таблица 1.1 - Значения амплитуд импульсов N в дБ и соответствующие значения относительной амплитуды А/А0
| А/Ао | к дБ |
| 100 | 40 |
| 10 | 20 |
| 2 | 6 |
| 1 | 0 |
| 0,5 | -6 |
| 0,1 | -20 |
| 0,01 | -40 |
1.7 Типы волн
В безграничной среде могут распространяться несколько типов волн: продольные, поперечные и поверхностные. Каждая из этих волн отличается от других направлением колебаний в волне и скоростью распространения.
Продольные волны - это акустические волны, в которых частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. Под действием волны материал испытывает деформацию сжатия и растяжения. Волны способны распространяться во всех телах кроме вакуума и обладают самой высокой скоростью распространения в сталях С = 5950 м/с.
9
Поперечные волны - это акустические волны, в которых частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Под действием волны материал испытывает деформацию сдвига. Данный тип волн может распространяться только в твердых телах. В жидкостях и газах поперечные волны не распространяются. Скорость сдвиговых волн (Сг) в одном материале всегда меньше скорости продольных волн (С/), для стали выполняется следующее соотношение:
Рис. 1.10 -Схема распространения поперечной волны
Поверхностные волны (волны Релея) - это акустические волны, которые распространяются по границе раздела сред, в слое с характерной толщиной от 1,5 до 2 длины волны (1,5-2)-Х. Колебания частиц среды волны объединяют в себе продольные и поперечные колебания, при этом частицы движутся по замкнутым эллиптическим траекториям скорость (Сп), самая низкая, в сталях приближенно выполняется соотношение:
Сп = 0,96-Сг.
10
Рис. 1.11 - Схема распространения поверхностные волны
В общем случае в одном материале всегда выполняется соотношение:
С > С > Сп
2 ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
2.1 Акустическое поле
В ультразвуковом контроле в большинстве практических задач принимается прямолинейный закон распространения акустических волн. Для описания акустического поля волны применяют понятия: фронт и луч (рис. 2.1). Луч волны - прямая линия, вдоль которой распространяется волна, фронт волны - поверхность все точки которой колеблются в одной фазе.
Рис. 2.1 - Акустическое поле волны
В процессе распространения волны лучи расходятся, площадь фронта
11
увеличивается. На рис. 2.1 показано, что площадь поверхности фронта 2 больше, чем у фронта 1. Так как площадь увеличивается, а количество энергии при этом остается величиной постоянной, следовательно, амплитуда уменьшается. Это один из основных механизмов уменьшения амплитуды волны, связанный с расхождением лучей.
Понятия луч и фронт широко применяются для построения схем прозвучивания объектов контроля. На рис. 2.2 приведена схема прозвучивания сварного сварного шва наклонным преобразователем,. Акустическая волна показана центральным лучом. Контроль шва проводится в двух положениях преобразователя:
1 - контроль верхней части шва отраженным от донной поверхности лучом;
2 - контроль нижней части шва прямым лучом.
Рис. 2.2 - Схема прозвучивания сварного шва наклонным пьезоэлектрическим преобразователем
Построение и анализ схемы прозвучивания позволяет определить расположение и ориентацию выявляемых дефектов, зону контроля и т.д.
Различают следующие фронты волны: плоский, цилиндрический и сферический. У волны с плоским фронтом ультразвуковые лучи параллельны, площадь фронта не увеличивается, поэтому амплитуда волны остается постоянной. У волн с цилиндрическим и сферическим фронтами лучи расходятся, фронт увеличивается, поэтому амплитуда волны при распространении волны уменьшается. Плоский фронт имеют волны в стержнях, цилиндрическим фронтом - поверхностные или волны в пластинах, сферический продольный и поперечные волны массивных образцах.
12
Расхождение волны от источника приводит к уменьшению амплитуды эхо- импульсов, отраженных от дефектов. При этом, чем дальше от преобразователя расположен дефект, тем меньше регистрируемая дефектоскопом амплитуда эхо-
импульса.
2.2 Затухание
Затуханием называют процесс уменьшения амплитуды волны, связанный с поглощением и рассеянием в материале объекта контроля. Коэффициент затухания определяется свойствами материала.
Поглощение - это прямой переход энергии волны в тепловую энергию (нагрев объекта контроля) за счет внутреннего трения, теплопроводности среды и так далее. Поглощение ультразвука преобладает над рассеянием в газах, жидкостях и однородных твердых телах. В процессе контроля основным механизмом затухания в контактной жидкости и в материале призмы, протектора является поглощение. Поглощение возрастает при увеличении вязкости жидкости. Если наклон поверхности объекта позволяет для обеспечения акустического контакта рекомендуется использовать менее вязкие жидкости.
Рис. 2.3 - Составляющие затухания
Рассеяние акустических волн возникает на структурных неоднородностях среды. Реальные стали и сплавы имеют зернистую структуру, образующуюся на этапе кристаллизации (затвердевания). Размер зерна зависит от многих факторов: скорости охлаждения, химического состава, термообработки, механической обработки и так далее.
13
При распространении акустической волны в структурно-неоднородной среде (Рис. 2.4) на границах зерен возникают хаотично рассеянные волны, которые уносят часть энергии основной волны. Амплитуда волны при этом уменьшается.
Рис. 2.4 - Иллюстрация рассеяния акустических волн
2.3 Взаимодействие волны с границей раздела сред
Падение волны на границу раздела сред сопровождается тремя основными процессами (рис. 2.5): отражением, преломлением и трансформацией. При отражении от границы возникает волна того же типа, распространяющаяся обратно в первую среду. Преломление приводит к изменению направления распространения волны во второй среде. Трансформация вызывает появления в первой и второй средах волн другого типа, отличного от типа падающей волны.
14