вап. Лекции по УК новые. Курс лекций по ультразвуковому контролю материалов и изделий разработал Специалист iii уровня по ук, к т. н
 Скачать 2.27 Mb.
|
|
I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ I.1. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ АКУСТИКА I.1.1. Основные понятия и их физическая сущность Акустика (от греческого "акусто" - "слышу") - основана на упругости материа- лов. Упругость - свойство материала восстанавливать форму после окончания воз- действия на него деформирующих усилий. В той или иной степени упругостью облада- ет любое молекулярное вещество. Вакуум - не обладает. Модуль упругости (модуль Юнга) - отношение величины нормального механи- ческого напряжения к величине относительной упругой деформации растяжения- сжатия, вызванной этим напряжением. Является физической константой любого упру- гого материала. Единицы измерения: мегапаскали (МПа). Обозначение: "Е". Модуль сдвига - отношение величины тангенциального (касательного) механи- ческого напряжения к величине относительной упругой деформации сдвига, вызванной этим напряжением. Является физической константой твердого упругого материала. Единицы измерения: МПа. Обозначение: "G". Плотность - количество вещества в единице объема материала (кг/м 3 ). Является физической константой материала. Обозначение: " " ("ро"). Колебания - пространственные перемещения частиц упругого материала по за- мкнутой траектории. Траектория может быть линейной или эллиптической. Цикл колебаний - одиночный завершенный акт пространственного перемещения частиц упругого материала по замкнутой траектории с возвратом в исходную точку. Фаза - позиция колеблющейся частицы относительно исходной точки в зафик- сированный момент времени. Волны - процесс перемещения (последовательной передачи) по материалу коле- бательного воздействия на частицы. Фронт волны - линия или плоскость, в зафиксированный момент времени со- единяющая все колеблющиеся точки пространства, находящиеся в одной фазе и на равном удалении от источника по пути движения волны. Основные типы волн: Продольные - волны, при прохождении которых частицы совершают колебание по линейной траектории, ориентация которой совпадает с направлением перемещения волны. Могут распространяться в любых веществах (газ, жидкость, твердые материа- лы). Характеристики продольных волн помечаются символом "l". Визуальный пример: железнодорожный состав начинает движение. Для упроще- ния "страгивания" машинист сначала делает толчок назад, чтобы расслабить натяжение в сцепках. Толчок с шумом перемещается вдоль состава, при этом каждый вагон сме- щается в таком же направлении. Вагон - колеблющаяся частица, переходящий от вагона к вагону толчок - продольная волна. Поперечные (сдвиговые) - волны, при прохождении которых частицы соверша- ют колебание по линейной траектории, ориентация которой перпендикулярна направ- лению перемещения волны. Могут распространяться только в твердых веществах. По- ляризация поперечных волн - ориентация колебательных траекторий относительно по- верхности объекта, условно принятой за горизонталь (вертикальная или горизонталь- ная поляризация). Характеристики поперечных волн помечаются символом "t". 9 Визуальный пример поперечных волн: берем шнур и встряхиваем его. Всплеск перемещается вдоль шнура, при этом каждый участок смещается перпендикулярно этому перемещению. Участок шнура - колеблющаяся частица, двигающийся по шнуру всплеск - поперечная волна. Для передачи движения от частицы к частице нужна доста- точно жесткая связь (упругое сопротивление сдвигу), поэтому - только твердые матери- алы. Продольные и поперечные волны называют объемными, так как они распро- страняются в глубине (объеме) материала независимо от его поверхностей. Поверхностные (волны Рэлея) - волны, при прохождении которых частицы по- верхности твердого вещества совершают колебание по эллиптической траектории, плоскость которой совпадает с направлением перемещения волны. Могут распростра- няться только в твердых веществах. Характеристики волн Рэлея помечаются символом "R". Приблизительный визуальный пример: спичка на поверхности воды, по которой идет рябь, совершает эллиптическое движение, не перемещаясь далее вместе с гребнем волны. Производные типы волн: Головные - подповерхностные продольные волны в твердых материалах. Нормальные - волны в стержнях (в. Похгаммера) и пластинах (в. Лэмба), осно- ванные на волноводном эффекте и двигающиеся вдоль объекта (фронт волны ориенти- рован нормально [перпендикулярно] к поверхностям). Волны Лява - подповерхностные горизонтально поляризованные поперечные волны. Волны Стоунли - волны, проходящие по границе двух твердых слоев. Крутильные - волны упругого скручивания в твердых стержнях. Характеристики колебаний и волн. Главной характеристикой является частота. Частота упругих колебаний - количество циклов колебаний в единицу времени. Обозначение в формулах - "f". Размерность: Герц (Гц, Hz), килогерц (КГц, KHz), мегагерц (МГц, MHz), гигагерц (ГГц, GHz). 1 Гц = 1 с -1 1 КГц = 1 000 Гц 1 МГц = 1 000 000 Гц 1 ГГц = 1 000 000 000 Гц По частоте весь спектр акустических колебаний распределяется на диапазоны, показанные в таблице I.1. Таблица I.1. Диапазон f, Гц Инфразвук До 20 Слышимый звук 20 20 000 Ультразвук 20 000 1 000 000 000 Гиперзвук Свыше 1000 000 000 Инфразвук не различается органами чувств, но воспринимается нервной систе- мой человека. При мощных излучениях опасен (необъяснимый страх, агрессивность; частоты 2 9 Гц смертельно опасны). Близкие к инфразвуку слышимые частоты: басо- вые регистры музыкальных инструментов, дребезжание стекол от звука пролетающего самолета, обдувание сильным ветром телеграфного столба. К сожалению, инфразвук используется как психотропное оружие. 10 Ультразвук также не различается органами слуха. Не опасен, но при мощных из- лучениях вреден в частотах от 100 до 400 КГц (вступает в резонанс с собственными колебаниями твердых тканей организма, вызывая интенсивное отложение солей в су- ставах, разрушение зубов, огрубление кожи в местах регулярного контакта с источни- ком). Близкие к ультразвуку слышимые частоты: шуршание бумаги, писк мыши, полет комара. Широко используется в дефектоскопии, медицине, обработке материалов, уль- тразвуковой сварке. Гиперзвук (сверхультразвук): длина волны соизмерима с пробегом атомов в их собственном (тепловом) колебательном движении. В технике практически не использу- ется. Длина волны упругих колебаний - измеренное вдоль направления распростране- ния волны расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одной фазе. Обозначение: " " ("лямбда"). Размерность, принятая в дефектоскопии: мм. Мате- матическое выражение: = С / f, (I.1.1) где С - скорость распространения волны. Скорость распространения упругих колебаний (волн) - расстояние, пройденное волной за единицу времени. Обозначение: "С". Размерность, принятая в дефектоско- пии: мм/мкс (=км/с). Соответственно сказанному выше, скорость, а, следовательно - и длина волны разделяются по типам волн. В упругих материалах скорость продольной волны: (I.1.2) (" " - "пропорционально"). Так как для одного и того же материала модуль упругости Е и плотность - кон- станты, то и скорость продольной волны также - постоянная величина. Значения С l для некоторых материалов: Углеродистая сталь - 5,9 км/с (мм/мкс) Алюминий - 6,0 км/с (мм/мкс) Латунь, чугун - 4,0 км/с (мм/мкс) Оргстекло - 2,7 км/с (мм/мкс) Вода - 1,2 км/с (мм/мкс) Машинное масло - 1,4 км/с (мм/мкс) Воздух - 0,33 км/с (мм/мкс) В твердых материалах скорость поперечной волны: (I.1.3) Так как для одного и того же материала модуль сдвига G и плотность - кон- станты, то и скорость поперечной волны также - постоянная величина. Поскольку в одном и том же материале всегда E>G, то: В одном и том же материале скорость продольной волны всегда больше скоро- сти поперечной. Приблизительно С t 0,55С l Значения С t для некоторых материалов: Углеродистая сталь - 3,26 км/с (мм/мкс) Алюминий - 3,5 км/с (мм/мкс) Латунь, чугун - 2,2 км/с (мм/мкс) 11 На поверхности твердых материалов скорость волны Рэлея является производ- ной от продольной и поперечной скоростей и составляет примерно С R 0,9С t Значение С R для углеродистой стали 3,03 км/с (мм/мкс). Окончательно соотношение скоростей в одном и том же материале: С l >C t >C R (I.1.4) В свете формулы (I.1.1) при равной частоте: l > t > R (I.1.5) Амплитуда упругих колебаний - величина, характеризующая разбег (расстояние между крайними точками) в траектории колебания частиц. Непосредственно связана с акустической силой (усилием, вызывающим колебательное движение). Размерность: в механике - мм; в электротехнике - V (вольты); в акустике - дБ (децибелы). Обозначе- ние: U (V) или А (дБ). Амплитуда является важнейшей характеристикой колебаний, применяемых в ультразвуковой дефектоскопии. Поскольку ее визуализация непосредственно на мате- риале невозможна, то механическая размерность (мм) не применяется. Преобразования значений амплитуды происходит через электротехническую размерность (вольты). Абсолютная тишина в материалах недостижима, так как возможна лишь при аб- солютном температурном нуле (-273 С). Всегда присутствует т.н. "белый" шум ("тра- ва"), порождаемый колебаниями атомов и молекул. Кроме того - технологические шу- мы (шумы аппаратуры, переотражения в призмах преобразователей и т.п.). Поэтому измерения абсолютных значений амплитуды в акустике не имеют смысла. Под ампли- тудой здесь понимается соотношение мощности двух сигналов, один из которых явля- ется опорным. Следовательно, амплитуда могла бы выражаться в безразмерных отно- сительных единицах, но соотношения подчас таковы, что приходилось бы оперировать с неудобно большими числами (от 1 до 100 000 или до 0,00001). Поэтому в акустике применен изобретенный Белом математический принцип логарифмического перехода от относительных единиц к десятичным степенным показателям, названным в честь автора децибелами. Математическое выражение связи децибелов и отн. единиц (*II): А-А 0 = 20lg(U / U 0 ), (I.1.6) где А-А 0 - разность амплитуд интересующего (А) и опорного (А 0 ) сигналов, выражае- мая в децибелах; U - амплитуда интересующего сигнала, V; U 0 - амплитуда опорного сигнала, V. Таким образом, в децибелах выражается отношение двух величин, преобразо- ванное в разность. Основные соотношения между относительными единицами и децибелами пока- заны в таблицах I.2 и I.3. Таблица 1.2. пр ед ы ду щее 2 ← В ... раз На ... дБ пр ед ы ду щее + 6 ← 1 0 2 6 4 12 8 18 16 24 32 30 64 36 И так далее 12 Таблица 1.3. пр едыд ущее 10 ← В ... раз На ... дБ пр едыд ущее + 20 ← 1 0 10 20 100 40 1 000 60 10 000 80 100 000 100 1 000 000 120 И так далее Если в децибелах выражено уменьшение сигнала по сравнению с опорным, то перед амплитудой ставят "-", и такие децибелы называют "отрицательными". Период упругих колебаний - продолжительность одного цикла колебаний. Раз- мерность, принятая в дефектоскопии: мкс. Математическое выражение: Т = 1 / f (I.1.7) Акустическое давление - усилие звуковой волны, приходящееся на единицу площади ее фронта. Обозначение: "Р". Обычно употребляется в безразмерном соотно- шении с давлением на поверхности источника (Р/Р 0 ). Акустическое поле источника - совокупность всех точек пространства, прилега- ющего к источнику колебаний, которые в той или иной мере испытывают его воздей- ствие. Интерференция - наложение двух волн друг на друга в одной точке простран- ства. Синфазная интерференция - наложение волн с совпадением их фаз. Парафазная интерференция - наложение волн с абсолютно противоположным совмещением фаз (сдвиг: в пространстве на 0,5 , во времени на 0,5Т). "Син-"="одно-"; "пара-"="противо-" (греч.). При интерференции амплитуды волн суммируются алгебраически (с учетом знака фазы). Если знаки фаз одинаковы - син- фазная, если разные - парафазная. Если при этом амплитуды по модулю равны, то при синфазной интерференции итог - удвоение амплитуды, а при парафазной - обнуление. Поршневой преобразователь - источник акустических колебаний в виде круглого диска, все точки поверхности которого колеблются синфазно (т.е. поверхность не изги- бается). Прочие понятия даются далее в курсе по мере их потребности. I.1.2. Акустическое поле поршневого преобразователя в жидкости Каждая отдельно взятая точка поверхности источника излучает коле- бания, сферически расходящиеся во всех направлениях, кроме "тыльных" (рис. I.1.1). Итоговая амплитуда колебаний в точках прилегающего про- странства формируется за счет интерференции колебаний, дошедших из всех точек поверхности источника. Колебания, одновременно отправленные из разных, удаленных друг от друга точек источника, вблизи него в одну про- извольно взятую точку пространства приходят по лучам разной длины (рис. I.1.2-а, точка М 1 ), а потому - с некоторым запаздыванием одно от другого, соизмеримым с периодом колебаний Т. В результате они слагаются со сдви- гом фаз. В ближней зоне существуют постоянные области пространства (кольца Френеля-Гюйгенса), в которых интерференция всех колебаний абсо- лютно парафазна (и итоговое акустическое давление равно 0), либо абсо- Рис. I.1.1 13 лютно синфазна (итоговое давление максимально). В дальней зоне акустического поля разность путей и времени прихода колеба- ний из различных точек излучателя несущественна (рис. I.1.2-а, точка М 2 ), и фазовый сдвиг пренебрежимо мал. Если поместить поршневой источник акустических колебаний в жидкость, то благодаря этим явлениям колебания будут исходить от него в виде расходящегося (ко- нического) пучка, имеющего вначале форму цилиндра, приблизительно повторяющую в сечении контуры источника (рис. I.1.2-а). Полный угол расхождения пучка: = arcsin(0,61 /а)= arcsin(0,61С/af) (I.1.8) где а - полуразмер (радиус) источника в плоскости рисунка. Скорость С - постоянна. Поэтому при увеличении частоты и неизменном разме- ре источника пучок сужается (становится более направленным), а при уменьшении - более рассеянным. При увеличении размера источника и неизменной частоте пучок исходно (в ближней зоне) становится шире, но далее расходится в меньшей степени, а при уменьшении - становится более рассеянным. (Физический смысл: если уменьшать радиус источника до нуля, то он постепенно превратится в точечный источник, излу- чающий одинаково во всех направлениях пространства, т.е. с бесконечно большим уг- лом расхождения). В дефектоскопии преимущественно используют акустическую ось пучка (х), по- этому интерес представляет распределение акустического давления именно на этой оси (рис. I.1.2-б). Р - давление в рассматриваемой точке акустической оси; Р 0 - давление в центре источника; Р/Р 0 - относительное акустическое давление в рассматриваемой точ- ке. В ближней зоне по причине вышеуказанных интерференций со сдвигом фаз по мере удаления от источника на оси имеют место неравномерно распределенные пере- пады давления, от нуля до максимума. Граница ближней зоны - сечение пучка, далее которого интерференция не вызывает перепадов акустического давления. Здесь окан- чивается цилиндрическая форма пучка и начинается расхождение. Ближняя зона (зона Френеля) - прилегающая непосредственно к источнику об- ласть акустического поля, в пределах которой имеют место перепады (осцилляции) акустического давления. Протяженность ближней зоны: L б =а 2 / (I.1.9) Ближняя зона Френеля в свете акустической дефектоскопии является неблаго- приятной неизбежностью. Дальняя зона (зона Фраунгофера) - отделенная ближней зоной от источника об- ласть акустического поля, в которой акустическое давление на оси по мере удаления плавно убывает вследствие расхождения пучка. Из-за расхождения пучка по мере удаления от источника площадь выпуклого фронта волны увеличивается, но количество энергии в пучке остается прежним, поэто- му на единицу площади фронта приходится все меньшая доля акустической силы, и давление уменьшается. Дальняя зона Фраунгофера - основная рабочая зона акустического поля, исполь- зуемого в ультразвуковой дефектоскопии. Французский физик Френель и немецкий физик Фраунгофер одновременно (XVIII-XIX вв.) исследовали каждый "свою" зону для источника света. 14 Рис. I.1.2 15 Рис. I.1.3 Важно знать, как распределяется акустическая сила между лучами, заключенны- ми в активный пучок. Это показывает угловая диаграмма направленности (рис. I.1.2-в). Наибольшей силой обладает луч, направленный по акустической оси. Его сила принята за 1. Лучи, отходящие под углом , тем слабее, чем больше этот угол. Их сила определяется как доля от силы осевого (дробные значения на горизонтальной оси), ко- торую откладывают в соответствующем направлении. Полученные точки соединяют плавной кривой, которая и образует основной лепесток диаграммы направленности звукового пучка. Кроме основного, существуют также боковые лепестки. Они значительно слабее, порождаются ближней зоной (из-за "удачной" интерференции отдельных малочислен- ных групп колебаний, происходящей на линиях этих направлений). Иногда использу- ются в технологических целях контроля, но для поиска и оценки дефектов непригодны. 16 В жидкости пределом угла является угол , рассчитываемый по формуле (I.1.8). Под этим углом направлены краевые лучи пучка. Диаграмма рис. I.1.2-в прибли- зительно отображает именно этот случай. Однако для твердых тел принято считать, что активный пучок ограничивается лучом, по силе составляющим 0,7 от осевого, то есть ослабленным на 3 дБ. Поэтому для твердых тел диаграмма направленности имеет более узкие очертания (см. рис. I.1.4), а в формуле (I.1.8) коэффициент 0,61 меняется на 0,21. Рис. I.1.4 |