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.2.4. Уравнение акустического тракта. Уравнение акустического тракта является основным математическим выражени- ем, отражающим соотношение амплитуд излучаемого сигнала и эхосигнала от дефекта. Акустический тракт - совокупность всех элементов пути сигнала в акустическом виде от излучения до приема. Основные элементы акустического тракта: а) пьезоисточник; б) призма преобра- зователя; в) граница "призма - материал изделия"; г) материал изделия в промежутке между точкой ввода ультразвука и отражателем (дефектом); д) отражатель. Уравнение акустического тракта не имеет единого универсального математиче- ского выражения, оно составляется индивидуально для определенных условий кон- троля и служит для решения какого-либо одного из трех вопросов: 33 1. Какова ожидаемая амплитуда отражения от дефекта заданных размеров, фор- мы и ориентации, расположенного в заданном материале на заданном удалении от ис- точника колебаний заданных параметров (исходная амплитуда, частота). 2. Каково максимальное удаление, на котором данная аппаратура еще способна объективно выделить из шумов отражение от дефекта заданных размеров, формы и ориентации, расположенного в заданном материале при использовании колебаний за- данных параметров. 3. Каковы минимальные размеры дефекта заданной формы и ориентации, распо- ложенного в заданном материале на заданном удалении, который данная аппаратура еще способна объективно выделить из шумов при использовании колебаний заданных параметров. Общий вид уравнения акустического тракта: U/U 0 =(S д /S м )K дп D lt K 1 K 2 e -2( 1 r+ 2 L) (I.2.6) Здесь: U - амплитуда эхо-сигнала от дефекта, V; U 0 - амплитуда зондирующего импульса, V; S д - площадь отражающей площадки дефекта, мм 2 ; S м - площадь "мнимого" преобразователя, мм 2 ; K дп - коэффициент двойного преобразования энергии пьезопластиной; D lt - коэффициент двойного прохождения границы "призма - объект контроля"; K 1 - коэффициент, учитывающий влияние расхождения пучка; K 2 - коэффициент осевой концентрации отражения от дефекта (учитывает ори- ентацию отражателя и его форму - фокусирующую, рассеивающую или плоскую); 1 , 2 - коэффициенты затухания ультразвука соответственно в материале приз- мы и в материале объекта, 1/мм; r - линия акустической задержки в призме, мм; L - дистанция от точки ввода до дефекта, мм. В децибелах общий вид уравнения акустического тракта имеет вид: A-A 0 =20lg[(S д /S м )K дп D lt K 1 K 2 e -2( 1 r+ 2 L) ] (I.2.7) Первая из вышеуказанных задач решается вычислением левой части уравнения при всех известных составляющих правой части. Считается, что профессиональный оператор надежно отличает от шумов сигнал, амплитуда которого не менее чем вдвое (на 6 дБ) выше амплитуды шумов. Поэтому вторая задача выполняется подстановкой в левую часть формулы (I.2.7) уменьшенного на 6 дБ максимального соотношения "сигнал-шум", указанного в паспорте дефектоско- па, выражением К 2 через L и решением уравнения относительно L. Третья задача решается так же, как и первая, с последующим сравнением резуль- тата с паспортным максимальным соотношением "сигнал-шум"; дефектоскоп признает- ся способным выявлять дефект, если результат превышает это соотношение на 6 дБ и более (с учетом знака). В справочной и учебной литературе приведено несколько (около 15) вариантов типовых уравнений акустического тракта для наиболее распространенных условий. Следует иметь в виду, что эти уравнения справедливы только для тех случаев, когда длина волны не превышает меньший из двух размеров отражающей площадки дефекта. В противном случае типовые уравнения не применимы, и следует формулировать ин- дивидуальное. 34 II. МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ Контроль - совокупность организационно-технических мероприятий, направ- ленная на исследование характеристик объекта с целью их сравнения с нормативами и принятия решения о пригодности к эксплуатации. В частности, в состав понятия "ультразвуковой контроль" входят ультразвуковая дефектоскопия, ультразвуковая структуроскопия и ультразвуковая толщинометрия. Вид контроля - совокупность технологий контроля материала, объединенная применением одинакового вида энергии или свойств вещества. Все ультразвуковые методы относятся к акустическому виду контроля, но явля- ются лишь его частью, поскольку кроме ультразвуковых методов в акустический вид контроля входят такие технологии, как шумодиагностика, вибродиагностика, метод акустической эмиссии, импедансный метод, методы свободных колебаний и резонанс- ные методы. Метод контроля - совокупность способов, режимов и приемов контроля одного и того же вида, объединенная применением одинакового принципа введения и анализа используемой энергии. Способ контроля - вариант практической реализации метода контроля. Режим контроля - вариант состояния аппаратуры при реализации метода кон- троля. Прием контроля - вариант действий оператора при реализации метода контроля. Пассивные методы - методы контроля, при которых не требуется искусственное внесение в материал энергии данного вида (дефект сам проявляет себя ее излучением). Из числа методов, входящих в акустический вид контроля, к таким относятся шумодиагностика, вибродиагностика, метод акустической эмиссии. Активные методы - методы контроля, при которых в материал вносится энергия данного вида, и о состоянии материала судят по явлениям, происходящим с этой энер- гией. Все ультразвуковые методы, а также импедансный, резонансные и методы сво- бодных колебаний относятся к активным. Как пассивные, так и активные методы подразделяются на две группы: методы бегущих волн и методы колебаний. Методы колебаний - основаны на анализе параметров непрерывных не переме- щающихся по объекту колебаний. В числе пассивных акустических методов это - шу- мо- и вибродиагностика; в числе активных - импедансный и резонансные методы. Методы бегущих волн - основаны на анализе параметров непрерывных или им- пульсных перемещающихся по объекту колебаний (волн). В числе пассивных акустиче- ских методов это - метод акустической эмиссии; в числе активных - все ультразвуковые методы. II.1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ Пассивные методы – методы контроля, при которых не требуется внесение в ма- териал энергии данного вида (дефект сам проявляет себя ее излучением). Активные методы – методы контроля, при которых в материал вносится энергия данного вида, и о состоянии материала судят по явлениям, происходящим с этой энер- гией. Спектральные методы(среди пассивных – шумодиагностический и вибродиа- гностический; среди активных – методы свободных и вынужденных колебаний) осно- ваны на анализе параметров непрерывных не перемещающихся по объекту колебаний. 35 Методы бегущих волноснованы на анализе параметров непрерывных (теневой амплитудный) или импульсных (прочие) перемещающихся по объекту колебаний (волн). Далее в таблице II.1 перечислены акустические методы контроля, а в таблице II.2 дано их краткое описание. Таблица II.1. Методы акустического контроля. Акустические методы контроля Активные Пассивные Ультразвуковые методы бегущих волн Спектральные Им пе да нс ный Акусти ко -эмисс ио нн ый С пе ктрал ь- ные Основан- ные на прохожде- нии Комбини- рованные Основанные на отраже- нии В ыну ж- ден ных ко леб аний С во бо д- ных к ол е- бан ий Те не вой а м пли туд ный Те не вой вре м ен ной В елос им етри че ск ий Зе рк аль но -т ен евой Эхо -тен евой Эхо -с квоз ной Эхо -м етод Эхо -з ерк аль ный м етод Де ль та -м етод Ди фракц ион но - вре м ен ной Р еве рбе ра ци он ный Толщи ном етри я Лок аль ный Ин тегра ль ный Лок аль ный Ин тегра ль ный Шумоди агн ос ти че ск ий В иброди агн ос ти че ск ий Таблица II.2. Краткое описание методов акустического контроля. Метод Схема контроля Описание 1 2 3 Пассивные методы Шумоди агн ос ти че ск ий (в ар иа нт ) На работающих однотипных агрега- тах измеряют амплитудно-частотные характеристики шумов, которые сравнивают с таковыми для эталон- ного (заведомо бездефектного) агре- гата. В случае кардинального отли- чия от характеристик эталона агре- гат выводят из эксплуатации. В иброди агн ос ти че ск ий На работающих однотипных агрега- тах измеряют характеристики ак- тивности вибрации, которые сравни- вают с таковыми для эталонного (заведомо бездефектного) агрегата. В случае кардинального отличия от характеристик эталона агрегат выво- дят из эксплуатации 36 1 2 3 Акусти ко -эмисс ион ный (в ар иа нт ) Объект контроля подвергают меха- ническому напряжению (например, в сосуде - создают внутреннее давле- ние). При этом развивающиеся тре- щины подрастают скачками. При каждом акте подрастания (скачке) от венца трещины в материал излучает- ся импульс акустической энергии ("щелчок", эмиссия). Такие импуль- сы улавливаются и анализируются специальной аппаратурой. Импедансный метод Им пе да нс ный (в ар иа нт ) Прибор 1 возбуждает непрерывные акустические колебания в излучаю- щей пьезопластине, помещенной вверху датчика 2. Принимающая пьезопластина расположена внизу датчика и разделена с излучающей стальным стержнем. Если слоистый ОК качественно склеен, то в контак- те наконечника с поверхностью ОК он хорошо демпфирует (затормажи- вает) приемную пьезопластину, и большая доля звуковой энергии в ней вынуждена переходить в элек- трическую. Если под датчиком де- фект 3 (непроклей), то в этой зоне импеданс ОК (сопротивление коле- баниям) меньше, демпфирование слабее, и амплитуда электросигнала на приемной пластине ниже. Спектральные методы свободных колебаний Лок аль ный Используют для контроля много- слойных неметаллических и компо- зитных материалов. Вибратором 2 к точке объекта контроля (ОК) прила- гают колебания, вырабатываемые генератором 1. Ответные колебания принимают микрофоном 3. Индика- тор 4 покажет резкое изменение ко- лебаний при расположении вибрато- ра над дефектом 5. 37 1 2 3 Ин тегра ль ный (в ар и- ан т) Объект контроля (например, желез- нодорожное колесо) подвергают удару специальным молотком 1. От- ветный звук принимают микрофо- ном 2 и при помощи специальной аппаратуры 3 анализируют его ча- стотный спектр. По характеру спек- тра судят о наличии или отсутствии дефектов в ОК Спектральные методы вынужденных колебаний Лок аль ный ре зон ан сн ый (ре зон ан сн ая тол щи ном ет ри я) Толщиномер 1 посылает на преобра- зователь 2 колебания переменной частоты f. Когда частота достигает такого значения, при котором длина волны в ОК =С/f=2h, объект входит в активный резонанс. Это значение частоты (резонансное) фиксируется, и по нему прибор определяет тол- щину ОК h (С - скорость звука в ОК). Ин те гра ль ный ре зо на нс ный Обширный участок поверхности ОК подвергают непрерывным колебани- ям при помощи вибраторов 1 и по- крывают алюминиевой пудрой 2. В зоне дефекта 3 вследствие резонанса колебания более активны, и поэтому оседание пудры - меньше. Ультразвуковые методы бегущих волн Методы прохождения Те не вой а м пл итуд ный Импульсные или непрерывные уль- тразвуковые волны пропускают сквозь плоский ОК от излучателя (И) к приемнику (П). Если между И и П дефектов нет, то волны проходят беспрепятственно, и на приеме - сигнал большой амплитуды (вариант I). Малый дефект (Д) оттеняет часть потока, и амплитуда на приеме пада- ет (вариант II). Крупный дефект полностью перекрывает поток, об- нуляя сигнал на приеме (вариант III). Глубина залегания и размеры дефек- та аппаратурно не оцениваются. Не- обходим двусторонний доступ к ОК. 38 1 2 3 тен евой вре м ен ной Импульсы ультразвуковых волн пропускают сквозь плоский ОК от излучателя И к приемнику П. Если между И и П есть дефект Д средней величины, он оттеняет часть потока, а отклоняющиеся боковые лучи па- дают на его край, где претерпевают дифракцию. Попадая в приемник несколько позже прямого потока 1, дифрагированные лучи 2 образуют отдельный слабый сигнал. По раз- ности времени прихода сигналов судят о размерах дефекта. Глубина залегания не определяется. Необхо- дим двусторонний доступ к ОК В елос им етри че ск ий (в ари ан т) Точечные излучатель и приемник жестко скреплены. Излучатель воз- буждает в плоском ОК изгибные волны Лэмба моды а 0 . Дистанция между осями И и П приблизительно равна длине волны. Поскольку фа- зовая скорость волн Лэмба зависит от толщины целого слоя, а дефект делит эту толщину, то в дефектной зоне фазовая скорость понижается, и фаза сигнала на приеме сдвигается относительно фазы на излучении. Сдвиг фаз указывает на дефект. Методы отражения Эхо- метод В совмещенном I или раздельном II режиме работы аппаратуры импульс ультразвуковых волн посылается в ОК. Если на его пути встречается дефект, то импульс частично отра- жается от него и возвращается в преобразователь, образуя сигнал на приеме (эхо-сигнал). В раздельном режиме изображение посылаемого (зондирующего) импульса на экране отсутствует. 39 1 2 3 Эхо -з ерк аль ный м етод (« та нде м ») Предназначен для оценки формы и размеров заведомо выявленного внутреннего дефекта в плоском объ- екте. В раздельно-совмещенном ре- жиме аппаратуры дефект облучается импульсами ультразвуковых волн. Если эхо в ИП лишь немного пре- вышает эхо в П, и оба сигнала - средней амплитуды (вар. I), предпо- лагают круглую форму дефекта. Ес- ли сигнал в ИП - мощный, а в П - отсутствует (вар. II), предполагают плоскую форму и наклонную ориен- тацию. Если не удается получить эхо обоими преобразователями (вар. III), предполагают горизонтальную плос- кую форму. Если эхо в П выше, чем в ИП (вар. IV), то дефект плоский вертикальный. Разводя и сближая ИП и П, по дистанции между ними в позициях пропадания сигналов можно оценить высоту дефекта. Де ль та -м етод Применяется для оценки высоты заведомо выявленных внутренних дефектов. В раздельном режиме ра- боты аппаратуры импульс ультра- звуковых волн посылается в ОК так, что облучается верхний край дефек- та (позиции I). По дифрагированно- му эхо-сигналу определяют глубину залегания верхнего края. Затем, раз- двигая И и П, находят позицию об- лучения нижнего края (II). Разность показаний глубины есть высота де- фекта. Ди фракц ион но - вре м ен ной м етод Применяется аналогично дельта- методу, но прием дифрагированных сигналов от краев дефекта осу- ществляется прямым датчиком, установленным над дефектом, в том числе с использованием отражения от противоположной поверхности ОК. 40 1 2 3 Р еве рбе ра ци он ный м етод В совмещенном режиме работы аппаратуры импульс ультразвуко- вых волн посылается в слоистый (клееный) ОК. Если склейка каче- ственная (I), то основная часть им- пульса уходит через клей, а малая доля отражается обратно. На по- верхности ОК часть этой доли идет в ИП, образуя первый пик, а часть вновь углубляется в ОК, и с ней происходит то же самое. Так как основная доля всегда хорошо про- ходит вглубь ОК, то реверберации в верхнем слое быстро ослабевают, и на экране амплитуда пиков - убы- вающая. Дефект (Д) типа "непро- клей" препятствует уходу сигнала (II), и в этом случае реверберации в первом слое - мощные. Толщ ин ом етр ия Толщиномер измеряет время t про- бега сигнала до противоположной поверхности ОК и обратно и опре- деляет толщину ОК как h = 0,5C × t, где С – известная скорость звука в данном материале Комбинированные методы Эхо -тен евой м етод В раздельно-совмещенном режиме аппаратуры импульсы ультразвуко- вых волн посылают в ОК. Если на тракте - дефект, то импульс ча- стично отражается от него в сов- мещенный преобразователь (ИП) как эхо-сигнал. Отдельным прием- ником (П) оценивают падение ам- плитуды сквозного сигнала, вы- званное дефектом. Обладает каче- ствами эхо-метода + подтвержде- ние дефекта теневым принципом, но требует двустороннего доступа к ОК. 41 1 2 3 Зе рк аль но -тен евой м етод В совмещенном (прямой ИП) или раздельном (наклонные И и П) ре- жиме аппаратуры импульсы ультра- звуковых волн посылают в ОК. Если на тракте - дефект, то он прегражда- ет путь, вызывая падение донного сигнала. По падению донного сигна- ла судят о наличии и величине де- фекта. Односторонний доступ к ОК, при наклонном - выявление дефек- тов любой формы и ориентации. Не дает глубину залегания дефекта. Эхо -с квоз ной м етод Применяется только в металлургиче- ской промышленности на выходе линий проката листов. В иммерси- онной ванне (контактная жидкость - веретенное масло) лист на вальцах прокатывается между рядами (мат- рицами) из совмещенных (ИП) и дополнительных приемных (П) пре- образователей. При нормальном со- стоянии листа (вар. I) наблюдается строго упорядоченное расположение эха от границы верхнего слоя жид- кости и ОК (1), от границы ОК и нижнего слоя жидкости (2) и сквоз- ного сигнала (3). Варианты II IV показывают смещение сигналов при попадании в область контроля ло- кальных утонений. Если в области контроля оказывается расслоение или закат (вар. V), то между 1 и 2 сигналами появляется мощное эхо от него (4), а сигналы 2 и 3 ослабевают вплоть до обнуления. Ряды ИП и П выстраиваются по всей ширине ли- ста. Метод требует специальной многоканальной аппаратуры и при- меняется только в автоматическом режиме. 42 Дополнительные сведения и замечания о представленных методах. Шумодиагностический метод применяется не только на динамически работаю- щих агрегатах, но и в целях течеискания на трубопроводах, сосудах и резервуарах. Течи обнаруживаются по шуму, создаваемому трением истекающей через дефект среды о его края. Вибродиагностический метод применяется как обязательный при диагностике компрессоров газопроводных систем в металлургическом производстве. Акустико-эмиссионный (АЭ) метод обеспечивает выявление развивающихся де- фектов посредством регистрации и анализа акустических волн, возникающих в процес- се пластической деформации и роста трещин в контролируемых объектах. Кроме того, метод АЭ позволяет выявить истечение рабочего тела (жидкости или газа) через сквоз- ные отверстия в контролируемом объекте. Указанные свойства метода АЭ дают воз- можность формировать адекватную систему классификации дефектов и критерии оцен- ки технического состояния, объекта, основанные на реальном влиянии дефекта на объ- ект. Характерными особенностями метода АЭ, определяющими его возможности, параметры и области применения, являются следующие: - Метод АЭ обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности. - В производственных условиях метод АЭ позволяет выявить приращение тре- щины на десятые доли миллиметра. Предельная чувствительность акустико- эмиссионной аппаратуры по расчетным оценкам составляет порядка 1х10 -6 мм 2 , что соответствует выявлению скачка трещины протяженность 1 мкм на величину 1 мкм, что указывает на весьма высокую чувствительность к растущим дефектам. - Свойство интегральности метода АЭ обеспечивает контроль всего объекта с использованием одного или нескольких датчиков АЭ, неподвижно установленных на поверхности объекта. - Метод АЭ позволяет проводить контроль различных технологических процес- сов и процессов изменения свойств и состояния материалов. - Положение и ориентация дефекта не влияет на выявляемость дефектов. Метод АЭ может быть использован для контроля объектов при их изготовлении - в процессе приемочных испытаний, при периодических технических освидетельство- ваниях, в процессе эксплуатации. Целью АЭ контроля является обнаружение, определение координат и слежение (мониторинг) за источниками акустической эмиссии, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки сосуда, сварного соединения и изготовленных частей и компонентов. Источники АЭ рекомендуется при наличии технической возможности оценить другими методами неразрушающими контроля. АЭ метод может быть исполь- зован также для оценки скорости развития дефекта в целях заблаговременного прекра- щения испытаний и предотвращения разрушения изделия. Регистрация АЭ позволяет определить образование свищей, сквозных трещин, протечек в уплотнениях, заглуш- ках, арматуре и фланцевых соединениях. АЭ контроль технического состояния обследуемых объектов проводится только при создании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу источников АЭ. Для этого объект подвергается нагружению силой, дав- лением, температурным полем и т.д. Выбор вида нагрузки определяется конструкцией 43 объекта и условиями его работы, характером испытаний. На рисунке 30 приведены фо- тографии некоторых современных акустико-эмиссионных систем. «Малахит АС-12А» (Россия) «Малахит АС-14А» (Россия) «Малахит АС-15А» (Россия) «ЭКСИТОН-4080» » (Россия) «АФ-44» (Молдова) « Лель» («A-Line 32D», США) Рис. II.1. Некоторые современные акустико-эмиссионные системы. Импедансныйметод (от английского «impedance» - «сопротивление») широко применяется в аэрокосмической промышленности. Только этот метод позволяет досто- 44 верно оценить качество спайки сверхлегких сотовых панелей, применяемых в кон- струкциях элементов крыльев самолетов и корпусов спутников. Локальный метод свободных колебаний используют в военной промышленности для проверки качества присоединения звукопоглощающих покрытий на корпусах под- водных лодок. Резонансные методы вынужденных колебанийв настоящее время практически не используются, так как задачи дефектоскопии и толщинометрии более точно решают импульсные ультразвуковые методы. Теневой амплитудныйметод – самый первый в истории ультразвуковой дефек- тоскопии (был открыт в 1928 году в России инженером С.Я. Соколовым). Сегодня он используется только при контроле крупных отливок и поковок. Достоинствами метода является то, что он может быть реализован в простом непрерывном режиме излучения ультразвука и то, что волны проходят толщину объекта лишь в одну сторону, что сни- жает потери их амплитуды от затухания на крупном зерне материала объекта. Недостатки теневого амплитудного метода: 1. Метод требует двустороннего доступа к объекту с соосным расположением излучателя и приемника. 2. Метод не дает возможности определять глубину залегания дефектов. Теневой временнойметод является продуктом совершенствования теневого ам- плитудного метода с применением импульсного режима. Он позволяет не только вы- явить внутренний дефект в поковке или отливке, но и оценить его размеры. Велосиметрическийметод (от английского «velocity» - «скорость» и греческого «метрико» - «измеряю»), кроме показанного варианта, в ином виде применяется для оценки качества (определения марки) бетона. Объект из бетона известной толщины подвергают прозвучиванию по принципу теневого метода, измеряя скорость звука в нем. Для бетона характерна ярко выраженная прямая зависимость скорости звука от его качества (дисперсности). Поэтому метод нашел применение в строительстве. Ни один из других ультразвуковых методов контроля сегодня не может срав- ниться по популярности с эхометодом |