2 УЗК теория. Звук, сгенерированный выше области слышимости человека (примерно 20 кГц), называется
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
ЧТО ТАКОЕ УЛЬТРАЗВУК Звук, сгенерированный выше области слышимости человека (примерно 20 кГц), называется ультразвуком . Тем не менее, диапазон частот для ультразвуковой дефектоскопии и толщино- метрии составляет от 200 кГц до 100 МГц. При увеличении частоты длина волны ультразвуковых колебаний уменьшается. Поэтому ультразвуковые волны могут отражаться от более маленьких поверхностей, таких как дефекты в материалах. Это позволяет использовать ультразвук для поиска дефектов с очень малыми размерами. ЧАСТОТА, ПЕРИОД И ДЛИНА ВОЛНЫ Ультразвуковые колебания распространяются в виде волн, но в отличии от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует наличия упругой среды, например, жидкости или твердых веществ. На рисунке показаны основные параметры незатухающей звуковой волны: длина волны ( l) и период (Т) полного колебания. Количество полных колебаний в единицу времени называется частота (f) и измеряется в Герцах (Гц); если имеем одно полное колебание в секунду, частота равна 1 Гц; 1000 колебаний в секунду - 1 килогерц (1кГц); один миллион колебаний в секунду - 1 мегагерц (1МГц). Время завершения полного колебания называется период (Т) и измеряется в секундах. Отношение между частотой и периодом в непрерывной волне приведено в уравнении СКОРОСТЬ УЛЬТРАЗВУКА И ДЛИНА ВОЛНЫ Скорость ультразвука (С) для абсолютно упругого материала при данной температуре и внутренних напряжениях является его константой . Отношение между скоростью звука, частотой, длиной волны и периодом колебаний приведено ниже. АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 3130 8800 2500 - 2870 - 1200 2120 - 2350 2260 3350 2960 1670 1670 1060 1430 - 850 1590 3240 3240 3090 1125 3120 - - 2410 2250 3230 Материал продольных Скорость распространения волн, м/с 6320 12900 3800 1480 5180 1920 3240 4430 1740 4660 4660 6250 5630 3320 3960 2395 2730 1450 2160 3600 5890 5850 5740 2700 6100 3370 1350 4170 4650 5900 Алюминий Бериллий Бронза Вода (при 20 0 С) Вольфрам Глицерин Золото Латунь Масло моторное (SAE20 или 30) Марганец Медь Молибден Никель чистый Олово Платина Поливинилхлорид (ПВХ) твердый Резина акриловая Ртуть Свинец Серебро Сталь углеродистая Сталь низколегированная Сталь нержавеющая Стекло органическое Титан Уран Фторопласт Цинк Цирконий Чугун поперечных 2900 7870 2300 - 2650 - 1120 1950 - 2210 2160 3110 2640 1560 1570 1020 - - 790 1480 3000 3050 3050 1050 2910 - - 2220 2180 - поверхностных Д И+П Эхо-метод Д П И Теневой Д П И Зеркально-теневой П И Д Эхо-зеркальный (" ТАНДЕМ") ПРОХОЖДЕНИЯ ОТРАЖЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ И СХЕМЫ КОНТРОЛЯ ТИПЫ ВОЛН И ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЕ Наиболее общие методы ультразвукового контроля используют продольные и поперечные волны. Продольная волна - волна сжатия, в которой движение частиц происходит в направлении распространения волны. Поперечная волна - волна сдвига - волновое движение, в котором направление движения частиц перпендикулярно направлению распространения волны. Существуют и другие типы распространения ультразвуковых волн, такие как головные волны, поверхностные волны (волны Рэлея ), волны Лэмба и волны Порхгаммера . Головная волна - продольная, не чувствительна к поверхностным дефектам (на глубине не более 0,5 мм) и имеет максимум чувствительности на глубине 4...10 мм в зависимости от расстояния от преобразователя (10…50 мм). Рэлеевская волна рассеивается на неровностях поверхности, хорошо выявляет дефекты на самой поверхности, чувствительность быстро убывает с глубиной. Скорость распространения волн Рэлея составляет примерно 90% от скорости поперечных волн, глубина проникновения соизмерима с длиной волны. Волны Лэмба (волны в пластинах) и Порхгаммера (волны в стержнях) - нормальные волны, колебания охватывают всё сечение пластины или стержня. Скорость распространения этих волн зависит от частоты колебаний, упругих свойств материала и геометрических размеров изделия. ТИПЫ ВОЛН И ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЕ (продолжение) При распространении акустических волн их амплитуда уменьшается – происходит ослабление волны. Главные причины ослабления – расхождение и затухание . В зависимости от формы источника звуковых колебаний могут образовываться акустические волны с различной формой фронта волны – сферические, цилиндрические и плоские. Сферическая волна распространяется в двух плоскостях, поэтому ослабление для такой волны максимально. Волна с цилиндрическим фронтом распространяется в одной плоскости, вследствие чего ее ослабление несколько меньше. Для плоской волны расхождение лучей отсутствует и ее ослабление обусловлено только затуханием. Величина ослабления от затухания пропорциональна множителю е - dх . Здесь е - число Непера (е=2,73…), d - коэффициент затухания, х – расстояние, проходимое волной. ПРИНЦИПЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА Ультразвуковой метод неразрушающего контроля основан на введении в тестируемый объект высокочастотной волны для получения информации о его состоянии. Существует два основных принципа при использовании ультразвука. Первый основан на измерении времени пробега ультразвука в изделии, второй - на измерении амплитуды отраженного сигнала. Зная время пробега (t s ) и скорость ультразвука (С), можно вычислить толщину материала (S) по следующей зависимости: Измерение относительного изменения амплитуды сигнала может быть использовано для изме- рения размеров дефектов или оценки ослабления сигнала в данном материале. Относительное изменение амплитуды сигнала обычно измеряется в децибелах. Величина изменения амплитуды сигнала в децибелах равна отношению амплитуда сигнала на входе в объект контроля (А 1 ) к ампли- туде сигнала, полученного после отражения от дефекта или дна изделия (А 2 ). Она может быть вы- числена по следующей зависимости: Наиболее часто используемые отношения амплитуд А 1 /А 2 Отношение dB 100% / 70,71% 100% / 50% 100% / 25% 100% / 10% 100% / 1% 1,4142 2 4 10 100 3 6 12 20 40 АКУСТИЧЕСКИЙ ИМПЕДАНС КОЭФФИЦИЕНТЫ ОТРАЖЕНИЯ И ПРОЗРАЧНОСТИ Акустическое сопротивление материала характеризуется величиной акустического импеданса (Z), равного произведению скорости звука в материале (С) на плотность материала (r). Поскольку скорости распространения продольных волн больше, чем поперечных, то для них акустическое сопротивление выше. Именно этим объясняется тот факт, что ультразвуковую дефектоскопию главным образом проводят с использованием поперечных волн. Граница между двумя материалами с различными акустическими импедансами называется акустическим интерфейсом. При нормальном (перпендикулярном) падении ультразвука на акустический интерфейс часть акустической энергии отражается, а другая часть проходит через границу раздела. Если контактирующие материалы имеют акустические импедансы Z 1 и Z 2 , доля энергии, прошедшей через границу раздела, может быть определена через коэффициент прозрачности D, а доля отраженной энергии - через коэффициент отражения R. Если отражение не является главным фактором затухания ультразвука, то причинами ослабления ультразвука в материале являются: дифракция , рассеяние и поглощение . Ослабление ультразвука в материале может играть важную роль при выборе преобразователей для проведения контроля изделий. При наличии слоя контактной жидкости на границе раздела происходит интерференционное переотражение ультразвуковой волны. Если акустический импеданс промежуточного слоя лежит в интервале между Z 1 и Z 2 , то при определенной толщине промежуточного слоя имеет место " просветление границы раздела ". Максимальная прозрачность (D=1) достигается при толщине слоя, равной одной четверти длины волны ультразвука в слое. С i С rL Q i = 0 o С i С rS Q кр I < Q i < Q кр II С rL С i Q i > Q кр II С R ПРОХОЖДЕНИЕ ВОЛН НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СРЕД При падении упругой волны на границу раздела двух сред волна частично проходит во вторую среду и частично отражается от границы раздела. Если нижняя среда – твердое тело, то в ней при падении продольной волны возникает сразу две волны – продольная и поперечная. Явление превращения одного типа волн в другой называется трансформацией волн При нормальном падении продольной волны во вто- рой среде будет распро- страняться также продоль- ная волна (трасформации волн не будет). По мере увеличения угла падения продольная вол- на будет трансформиро- ваться (образуются про- дольная и поперечная волны в обоих средах). С i С rS Q i < Q кр I С rL С i С rS Q i < Q кр III С rL При некотором угле падения продольной волнынаступает явление, при котором про- дольная преломленная вол- на пойдет по поверхности раздела. Образуется голов- ная поверхностная волна. Этот угол падения называ- ется первым критическим При дальнейшем увеличе- нии угла падения продоль- ной волны во второй среде объемные волны не воз- буждаются. Здесь образует- ся поверхностная Рэлеев- ская волна, скорость кото- рой несколько меньше ско- рости для поперечных волн. Этот угол падения - второй критический Если на границу раздела двух сред падает попе- речная волна, явление трансформации волн так- же имеет место. По мере увеличения угла падения поперечной волны продольная пре- ломленная волна будет распростра- няться по поверхности раздела. Этот угол падения называется третьим критическим С i Q i > Q кр III С rL С rS Угол падения и углы преломления и отражения связаны между собой соотношением по закону Снеллиуса : Здесь: Q i - угол падения; Q r - угол преломления продольной (индекс L-Longitudinal) и поперечной (индекс S-Shear) волн; С i - скорость продольной волны в материале призмы; С r - скорость прелом- ленной продольной (индекс L) и поперечной (индекс S) волн. На рисунке показана связь между углом ввода луча и относительными амплитудами преломленных волн (продольной, поперечной и поверхностной) для границы раздела "оргстекло - сталь". Для границы раздела "оргстекло - сталь" значения первого и второго критических углов примерно равны 28 о и 57 о . Третий критический угол в данном случае составляет примерно 33 о ПРОХОЖДЕНИЕ ВОЛН НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СРЕД (продолжение) ПРОХОЖДЕНИЕ ВОЛН НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СРЕД (продолжение) При наклонном падении ультразвуковой волны на границу раздела величина коэффициентов прозрачности и отражения определяется другими зависимостями, чем при нормальном (учитывается угол падения). Ниже показаны графики коэффициентов прозрачности (D) и отражения (R) для различных границ раздела. При падении поперечной волны на границу раздела при угле падения вблизи третьего критического угла имеет место незеркальное отражение – происходит смещение отраженных лучей вдоль поверхности из-за пе- реноса энергии головной волной. Это явление тем заметнее, чем угол падения ближе к третьему критическому углу. Величина смещения тем больше, чем больше произведение радиуса пьезоэлемента на частоту. Она может достигать до 5…8 мм, а это приводит к ошибочному опре- делению координат расположения выявленного дефекта. ОТРАЖЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ ВОЛН НА НЕСПЛОШНОСТЯХ Если звуковая волна попадает на несплошность (поперечная волна П), в общем случае возникают явления отражения (волны З) и рассеяния (волны С, О и Д). Явление отражения описывается геомет- рическими законами распространения волн, которые были рассмотрены выше. Рассеянные волны или волны дифракции распространяются по законам, отличным от геометрических.При дифракции на объемных дефектах, особенно цилиндрических, волны рассеяния обегают несплошность и соскальзы- вают с неё. При диаметре цилиндра порядка длины волны основной тип вол обегания О – рэлеевская, а волн соскальзывания С – поперечная, направленная по касательной к поверхности. При диаметре цилиндра, значительно большем длины волны, возникает головная волна О 1 . Волна соскальзывания С 1 при этом распространяется под углом к поверхности, равным третьему критическому углу Q кр III . При дифракции на плоской несплошности волны рассеяния имеют вид расходящихся лучей от каждой точ- ки её края или ребра (волны Д). По типу – это продольные и поперечные волны в зависимости от угла преломления. Такие точки называются "блестящими" . Здесь также имеет место взаимное сложение волн отражения (волны З) и волн дифракционных с учетом их фаз – происходит интерференция Если в различных зонах материала скорость распространения звука изменяется (напри- мер, ферритная фаза в аустенитном свар- ном шве или поверхностные закаленные слои), имеет место преломление волн на таких границах – рефракция АКУСТИЧЕСКИЙ ТРАКТ Путь ультразвука от излучателя до дефекта и обратно называется акустическим трактом . Формулы для расчета акустического тракта определяют ослабление сигнала на этом пути. Амплитуда отраженного эхо-сигнала уменьшается с увеличением расстояния до дефекта и уменьшением размеров дефекта. Это справедливо и для сквозного сигнала при теневом методе контроля. Для расчета акустического тракта используются искусственные отражатели. В приведенных формулах для учета диаграммы направленности преобразователя в числителе вве- дена площадь преобразователя S, а в знаменателе – длина волны ультразвука. Из формул видно, что донный сигнал ослабевает медленнее, чем эхо-сигнал от диска или сферы. Следует отметить, что эти формулы справедливы, когда диаметр отражателя больше половины длины волны. При уменьшении размеров дефекта начинает сказываться дифракционное рассеяние ультразвука. Поэтому дефекты меньше длины волны выявляются плохо. Для отражателя любых размеров служат АРД-диаграммы, которые рассмотрены ниже. Для наклонного преобразователя справедливы те же зависимости, но размер пьезопластины считают уменьшенным в (Cos a/Cosb) раз, где b - угол призмы, а a – угол ввода. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ Возбуждение и прием упругих волн осуществляется путем преобразования электрических колебаний в акустические, а затем обратно акустических в электрические с помощью специальных устройств – пьезоэлектрических преобразователей, имеющих чувствительный элемент - пьезопластину. Если упруго деформировать пьезопластину , то на ее поверхности возникает разность потенциалов, изменение во времени и величина которых пропорциональны такому внешнему механическому воздействию. Это- прямой пьезоэффект . При подаче электрического сигнала (импульса) на поверхности пьезопластины происходит ее упругая деформация ( обратный пьезоэффект ). Смещение граней пьезопластины весьма мало и не превышает 10 -4 мм. Если колебания в пьезопластине возбудить электрическим импульсом, а затем предоставить ей возможность свободно колебаться, то колеба- ния будут происходить на собственной частоте f 0 , пропорциональной скорости звука в материале пьезопластины С и ее толщине h Из формулы видно, что чем тоньше пьезопластина, тем выше ее собственная частота. Например, для пластины из наиболее широко используемого пьезоматериала – цирконата-титаната свинца (ЦТС), скорость звука в котором С=3300 м/с при толщине 0,660 мм собственная частота f 0 будет равна 2,5 МГц, а при толщине 0,33 мм - f 0 = 5 МГц. На практике под влиянием конструктивных элементов пьезоэлектрического преобразователя, непосредственно контактирующих с пьезопластиной собственная частота немного изменяется. Частоту, которую возбуждает преобразователь, называют рабочей частотой ФОРМА И СПЕКТР УЛЬТРАЗВУКОВОГО СИГНАЛА Основные параметры, описывающие форму и спектр ультразвукового сигнала, следующие: • Частота в Мегагерцах (МГц); • Длительность импульса в микросекундах (мкс); • Пиковая амплитуда в децибелах (дБ). Рис.1 ЧТО ТАКОЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) предназначен для генерирования и регистрации высокочастотных ультразвуковых колебаний. Его основными элементами являются: активный элемент (пьезоэлемент), демпфер и протектор Активный элемент Активный элемент (пьезоэлемент), изготавливаемый из пьезо- или сегнетоэлектричес- ких материалов, преобразовывает электрическую энергию, подаваемую на него в виде электрического импульса возбуждения от генератора, в энергию ультразвуковых коле- баний ( обратный пьезоэффект ). Он также обеспечивает обратное преобразование энергии ультразвуковых колебаний в электрическую ( прямой пьезоэффект ). Для изготовления активных элементов зачастую используются поляризуемые керамические материалы, которые возбуждают волны различного типа (зачастую - продольные). Демпфер Демпфер изготавливается из материала с высоким акустическим сопротивлением. Вследствие этого преобразова- тель имеет высокое внутреннее затухание и основная часть энергии излучается в направлении прозвучивания. За счет этого повышается разрешающая способность при некотором снижении амплитуды выходного сигнала. Если демпфер и активный элемент имеют близкие значения акустических импедансов, в объект контроля будет излучаться только небольшая часть энергии и преобразователь будет иметь низкую разрешающую способность, а амплитуда излучаемого сигнала будет несколько выше. Протектор Протектор служит для защиты активного элемента от истирания. Для преобразователей контактного типа протектор должен изготавливаться из материала с высокой коррозионной и эрозионной стойкостью.Для иммерсионных, наклонных преобразователей и преобразователей с задержкой протектор дополнительно служит в качестве акустического трансформатора между активным элементом с высоким акустическим импедансом и водой, угловой призмой или линией задержки, имеющими низкий акустическое сопротивление. Это условие выполняется путем обеспечения толщины протектора, равной примерно 1/4 длины волны ультразвука, и соответствующим значением акустического импеданса (активный элемент обычно имеет толщину, равную примерно 1/2 длины волны) . Выбор толщины протектора основывается на идеи конструктивной интерференции, что допускает прохождение волны, генерируемой активным элементом, так, чтобы она была в фазе с волной, переотраженной в протекторе. АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Область излучения акустического преобразователя (акустическое поле) разделяется на две зоны: ближнюю и дальнюю. |