|
Основы ультразвукового контроля. Конспект лекций. Конспект лекций Бехер С. А., Кочетков А. С. Новосибирск, 2013 1 Содержание 1 Основные понятия акустики 3
Рис. 2.5 - Схемы падения продольной (а) и поперечной (б) волны на границу раздела сред
На рис. 2.5, а показано падение продольной волны на границу раздела сред, при котором возникают:
I о - падающая продольная волна;
II - отраженная продольная волна;
12 - преломленная продольная волна;
? 1 - трансформированная отраженная поперечная волна;
?2 - трансформированная прошедшая поперечная волна.
На рис. 2.5, б показано падение поперечной волны на границу раздела сред, при котором возникают:
?0 - падающая поперечная волна;
? 1 -отраженная поперечная волна;
С - преломленная поперечная волна;
11 - трансформированная отраженная продольная волна;
12 - трансформированная прошедшая продольная волна.
Углы падения, преломления и отражения связаны друг с другом законом Снеллиуса. Следствиями этого закона являются следующие утверждения:
- угол падения равен углу отражения;
- чем больше скорость волны, тем больше угол к нормали;
- продольные волны отражаются и преломляются под большими углами к нормали,
15
чем поперечные.
2.4 Связь процессов отражения, преломления и трансформации с углом падения продольной волны
Волновые процессы на границе раздела сред определяют закономерности прохождения волн из преобразователя в объект контроля и обратно. На рис. 2.6 схематично показан наклонный преобразователь, установленный на объект контроля. Под действием электрического сигнала, вырабатываемого дефектоскопом, пьезопластина совершает колебания, в процессе которых изменяется ее толщина. В призме преобразователя возбуждается акустическая волна продольного типа, падающая на границу раздела с объектом контроля под некоторым углом к нормали.
Рис. 2.6 - Схема прохождения волны из призмы преобразователя в объект контроля
В зависимости от угла падения в объект контроля проникают только продольные волны, продольные и поперечные, только поперечные или поверхностные волны.
При падении продольной волны на границу раздела сред по нормали (рис. 2.7, а) во = 0° поперечные волны не возникают, а отраженные и прошедшие волны так же распространяются по нормали.
Увеличение угла падения продольной волны (рис. 2.7, б) в0 > 0 приводит к появлению прошедших и отраженных поперечных волн. В каждой среде распространяются две волны, причем углы распространения продольных волн больше
16
углов распространения поперечных.
Первым критическим углом (рис. 2.7, в) называют минимальный угол падения продольной волны, при котором продольная волна во вторую среду не проникает. При углах падения близких к первому критическому по границе распространяется неоднородная головная-продольная волна, которая быстро затухает, переизлучая боковые поперечные волны. Для границы оргстекло-сталь первый критический угол равен в1кр = 27°.
При падении продольной волны под углом к нормали больше первого, но меньше второго критического угла, во вторую среду проникает только поперечная волна (рис. 2.7, г). Это дает возможность проводить контроль объекта только поперечными волнами.
Вторым критическим углом (рис. 2.7, д) называют минимальный угол падения продольной волны при котором поперечная волна во вторую среду не проникает. При углах падения близких ко второму критическому по границе распространяется неоднородная головная-поперечная волна, которая быстро затухает. Для границы оргстекло-сталь второй критический угол равен [>2кр = 55°. При углах больше второго критического (рис. 2.7,е) объемные волны (продольные и поперечные) во вторую среду не проникают.
17
а)
б)
в) г)
д)
е)
Рис. 2.7 - Схема падения продольной волны на границу под углом во иллюстрирует
первый и второй критические углы
18
Поверхностная волна возникает на границе второй среды при падении на нее
продольной волны под углом во
59° (рис. 2.8).
Рис. 2.8 - Схема падения продольной волны на границу под углом в 0, иллюстрирует возбуждение поверхностной волны
Рассмотрим падение поперечной волны на границу раздела сред, например, стали с воздухом. При углах падения меньше третьего критического в0 < взкр (рис. 2.9, а) от границы отражаются две волны: продольная и поперечная.
Третьи критическим углом (рис. 2.9,б) называют угол падения поперечной волны при котором исчезает отраженная продольная волна. При угла близких к третьему критическому по границе распространяется неоднородная головная-продольная волна (аналогично первому критическому углу), которая быстро затухает, переизлучая боковые поперечные волны. Для стали третий критический угол равен в3кр = 34°.
При углах больше третьего критического угла в0 > взкр от границы отражается только поперечная волна (рис. 2.9, в).
В рассмотренных выше примерах отражения, преломления и трансформации приведен только один центральный луч. На практике на границу раздела сред падает пучок лучей. Для волн с плоским фронтом все лучи будут взаимодействовать с границей одинаково, поэтому описанные выше процессы остаются справедливыми.
19
Рис. 2.9 - Схема падение поперечной волны на границу под углом во иллюстрирует
третий критический угол
2.5 Диффузное и зеркальное отражение и преломление
Шероховатость и неровность границы раздела сред может искажать общую картину прохождения и отражения волн.
Поверхность считается зеркальной (рис. 2.10, а), если ее шероховатость существенно меньше длины волны:
Л « Иг, где X - длина волны, & - шероховатость поверхности.
В этом случае волна практически не взаимодействует с неровностями среды. Падающий параллельный пучок лучей отражается и преломляется в виде параллельных пучков (рис. 2.10, а).
Поверхность является диффузной, если ее шероховатость сравнима с длиной волны:
Л « Иг.
Отраженное и прошедшее излучение является диффузным, параллельный пучок хаотично рассеивается на неровностях среды. происходит рассеяние волны во всех направлениях.
20
Рис. 2.10 - Схематичное изображение зеркального (а) и диффузного (б) отражения и
преломления
Оптимальной шероховатостью поверхности для контроля прямым преобразователем является Яг = 10. .20 мкм, наклонным - Кг = 20. .40 мкм.
21
3 ПРИЕМ И ИЗЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН
Ультразвуковые дефектоскопы регистрируют, измеряют, обрабатывают и сохраняют электрические сигналы. В объекте контроля распространяются, отражаются от дефектов и границ ультразвуковые волны. Для организации контроля необходим элемент (Рис. 3.1), преобразующий электрические сигналы дефектоскопа в акустические колебания объекта контроля и обратно.
В настоящее время наиболее эффективные и надежные преобразователи создают на основе материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
Рис. 3.1 - Преобразование дефектоскопа и объекта контроля
3.1 Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрическим эффектом прямым и обратным обладают материалы из класса диэлектриков, которые называют пьезоэлектриками.
Прямой пьезоэлектрический эффект - это преобразование акустических колебаний в электрический сигнал используется для регистрация акустических волн.
Обратный пьезоэлектрический эффект - это преобразование электрического сигнала в акустические колебания используется для излучения акустических волн.
Пьезоэлектрическим эффектом прямым и обратным обладают материалы из класса диэлектриков - пьезоэлектрики.
22
3.2 Конструкция пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП)
Наибольшее распространение получили ПЭП трех конструкций:
- прямой совмещенный (рис. 3.2, а);
- наклонный совмещенный (рис. 3.2, б);
- прямой раздельно-совмещенный (рис. 3.2, в)
Общими элементами для всех ПЭП являются:
1 - электрические выводы соединяют грани пьезопластины с разъемом (2) на корпусе (3);
2 - разъем предназначен для подключения ПЭП к дефектоскопу с помощью коаксиального кабеля;
3 - корпус обеспечивает целостность конструкции и защиту ПЭП;
4 - демпфер, изготовленный из материала поглощающего ультразвуковые колебания, приклеивается к пьезопластине и гасит ее свободные колебания;
Рис. 3.2 - Конструкция ПЭП: а - прямой совмещенный, б - наклонный совмещенный, в - прямой раздельно-совмещенный
5 - пьезопластина преобразует акустические колебания в электрический сигнал и обратно;
6 - протектор прямого ПЭП расположен между объектом контроля и пьезопластиной и предназначен для ее защиты;
7 - призма наклонного преобразователя обеспечивает на границе с объектом
23
контроля трансформацию продольных волн в поперечные и их наклонный ввод;
8 - экран в раздельно-совмещенном преобразователе предотвращает прохождение
ультразвука напрямую от источника к приемнику.
Прямой совмещенный ПЭП (рис. 3.3, а) излучает и принимает продольные волны, которые распространяются вдоль нормали к поверхности перпендикулярно поверхности
ввода.
Рис. 3.3 - Схема ввода ультразвуковых волн наклонным преобразователем
Наклонный совмещенный ПЭП (рис. 3.3, б) излучает и принимает поперечные волны, которые распространяются под углом а к нормали. Наклонный ввод поперечных волн обеспечивается с помощью призмы. Пьезопластина возбуждает в призме продольные волны, которые падают на границу раздела с объектом контроля под углом больше первого, но меньше второго критического. В такой ситуации в объект контроля
проходят только поперечные волны, угол их распространения зависит от угла призмы.
3.3 Чувствительность ПЭП
Чувствительность ПЭП характеризуется коэффициентом преобразования. Для преобразователей работающих на прием и излучение можно определить коэффициенты излучения и приема.
24
Коэффициент излучения равен отношению амплитуды излучаемой волны к амплитуде электрического сигнала (зондирующего импульса):
тах
К И =
и .
тах
Коэффициент приема равен отношению амплитуды регистрируемого
электрического импульса (эхо-, донного) к амплитуде принимаемой акустической волны:
и тах
К п = Лх
^“^тах
На практике наибольшее распространение получил коэффициент двойного преобразования, равный отношению амплитуды электрического сигнала на приемнике (эхо-, донного импульса) к амплитуде электрического сигнала подаваемого на источник (зондирующего импульса):
Кии =
и„
и „ •
Оценку коэффициента двойного преобразования можно выполнить по раздельной схеме (рис. 3.4, а), установив на объект источник и приемник или по совмещенной схеме (рис. 3.4, б). В совмещенной схеме ПЭП является источником и приемником
одновременно.
25
Рис. 3.4 - Общая схема измерения коэффициента двойного преобразования
3.4 Резонансная частота ПЭП
Чувствительность (коэффициент преобразования) ПЭП зависит от частоты принимаемых и излучаемых сигналов. ПЭП способен эффективно преобразовывать сигналы только в ограниченной полосе частот. Сигналы с другими частотами преобразуются в сигналы с незначительной амплитудой, ниже порога чувствительности дефектоскопа.
В ультразвуковом контроле используются резонансные преобразователи, которые имеют резкий максимум чувствительности на определенной частоте. Амплитудночастотная характеристика (АЧХ) (рис. 3.5) резонансного преобразователя является колоколообразной.
Максимальный коэффициент преобразования Ктах наблюдается на резонансной частоте /р, которая близка к собственной частоте свободных колебаний пьезопластины:
1^1 = 27 >
где С - скорость волны в пьезопластине, м/с; И - толщина пьезопластины, м.
Рис. 3.5 - Амплитудно-частотная характеристика ПЭП
26
Резонансная частота в первую очередь зависит от толщины пластины и указывается в маркировке на ПЭП. Современные дефектоскопы дают возможность оператору изменять частоту излучаемых и принимаемых сигналов. При подготовке к контролю необходимо установить в настройках дефектоскопа частоту, соответствующую выбранному ПЭП
На рис. 3.5 показана АЧХ ПЭП, на резонансной частоте /р наблюдается максимальный коэффициент двойного преобразования. На частотах ^ и /2 коэффициент преобразования составляет половину максимального, на 6 дБ меньше.
3.5 Акустическое поле ПЭП
Излучаемые ПЭП волны распределены в пространстве неравномерно. Для описания углового распределения энергии волны вводят понятие акустического поля. Акустические поля вблизи ПЭП и на удалении от него существенно отличаются.
Акустическое поле ПЭП в Зависимость амплитуды колебаний от
ближней и дальней зонах расстояния в ближней и дальней зонах
Рис. 3.6 - Ближняя и дальняя зона ПЭП
Ближняя зона (рис. 3.6) - это область объекта контроля вблизи источника волны, в которой наблюдается немонотонное изменение амплитуды колебаний (стоячих волн), связанное с интерференция волн от разных частей ПЭП.
Дальняя зона (рис. 3.6) - это область ОК вдали от источника волны в которой
27
распространяется бегущая волна с цилиндрическим (сферическим) фронтом. Амплитуда волны монотонно убывает из-за расхождения лучей от источника.
В дальней (волновой) зоне угловое распределение амплитуды волны описывается диаграммой направленности (рис. 3.7). На диаграмме направленности выделяют основной лепесток (85% всей энергии излучения) и боковые лепестки (15% всей энергии излучения). Технологию контроля разрабатывают таким образом, что бы дефекты
Рис. 3.7 - Диаграмма направленности прямого и наклонного ПЭП
Угловое распределение амплитуд (рис. 3.7) имеет максимум в направлении акустической оси, амплитуда боковых лучей убывает при удалении от нее. Максимальная амплитуда от ненаправленного округлого отражателя будет наблюдаться в положении отражателя на акустической оси.
Диаграмму направленности принято характеризовать двумя параметрами: углом наклона акустической оси и углом раскрытия диаграммы направленности (рис. 3.8).
28
Угол наклона акустической оси фАО (рис. 3.8) определяется углом призмы и отношением скоростей волн в призме и в объекте контроля.
Угол раскрытия диаграммы направленности 9 (рис. 3.8) зависит от длины волны в объекте контроля, радиуса пьезопластины, угла призмы, скоростей ультразвуковых волн.
Широкая диаграмма направленности с большим углом раскрытия имеет преимущества на этапе поиска дефектов, так как позволяет озвучивать значительные объемы материала.
Узкая диаграмма направленности позволяет проводить измерения координат дефектов, оценивать их форму и размеры с меньшей погрешностью. Это достигается за счет возможности установить более точно преобразователь в положение максимальной амплитуды.
На практике для настройки дефектоскопа используют следующие параметры
29
преобразователя: точка выхода луча, время ПЭП, угол ввода, погрешность глубиномера дефектоскопа.
Точка выхода луча (рис. 3.9) - это условная точка на поверхности преобразователя, из которой выходит расходящийся пучок лучей. Точка выхода луча наклонных ПЭП обозначается на боковой поверхности риской. Контроль точки выхода луча проводят на стандартном образце СО-3 или СО-3Р по боковой цилиндрической поверхности.
|
|
|
Скачать 1.85 Mb.