Файл: Конспект лекций Бехер С. А., Кочетков А. С. Новосибирск, 2013 1 Содержание 1 Основные понятия акустики 3.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 04.12.2023

Просмотров: 284

Скачиваний: 8

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

Федеральное государственное бюджетное учреждениевысшего профессионального образования«Сибирский государственный университет путей сообщения»ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯКонспект лекцийБехер С.А., Кочетков А.С. Новосибирск, 20131Содержание 1 Основные понятия акустики 3 2 Закономерности распространения акустических волн 11 3 Прием и излучение ультразвуковых волн 22 4 Методы ультразвукового контроля 31 5 Измеряемые характеристики дефектов 36 6 Основные параметры контроля 45 7 Ультразвуковая толщинометрия 54ПРИЛОЖЕНИЕ А - Программа общего экзамена по УЗК на II уровень 58квалификации2 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АКУСТИКИ 1.1 Акустические колебанияУпругие колебания частиц среды вблизи положения равновесия называют акустическими колебаниями. Механизм колебаний определяется двумя основными физическими свойствами вещества: упругостью и инерцией.Под упругостью понимают способность тел восстанавливать после прекращения воздействия первоначальную форму или объем. Инерция - способность тел сохранять свою скорость в отсутствии внешних сил.Зависимость смещения частиц среды от времени (рис. 1.1) при непрерывных колебаниях описывается периодической функцией времени. Периодом Т называют минимальный интервал времени между одинаковыми положениями частицы. Период - это время одного колебания, измеряется в секундах (с), миллисекундах (мс), микросекундах (мкс). Рис. 1.1 - Зависимость смещения частиц от времени, непрерывные колебанияДля целей ультразвукового контроля практическую значимость имеют импульсные колебания (рис. 1.2). В отличие от непрерывных, импульсные колебания (рис. 1.2) ограничены во времени, имеют начало и конец. Под импульсом понимают часть сигнала, амплитуда колебаний которого превышает установленный порог. Изменение амплитуды колебаний описывается огибающей.3* к порог-- положениеравновесияВремяРис. 1.2 - Зависимость смещения частиц от времени (импульсные колебания) 1.2 Акустические волныПроцесс распространения акустических колебаний (рис. 1.3) в объекте контроляназывают акустической волной. В процессе распространения волны происходит переносэнергии колебаний из одной точки среды в другую. Рис. 1.3 - Распространение акустических колебанийМеханизм распространения волн иллюстрирует рисунок 1.4. Колебания в разных точках среды синхронизированы, например, в точках А и Б колебания смещены относительно друг друга на половину периода. Когда в точке А частица смещена вниз, в точке Б частица смещена вверх и наоборот. Стрелками на рисунке 1.4 показаны смещения частиц среды в процессе распространения волны вправо.4 Рис. 1.4 - Распространение акустических колебаний1.3 Скорость распространения волныСкорость распространения волны определяется как путь проходимый волной за единицу времени (секунду). Скорость объемных волн (продольного, поперечного, поверхностного типа) зависит только от упругости и плотности среды, типа волны:с

Рис. 2.5 - Схемы падения продольной (а) и поперечной (б) волны на границу раздела средНа 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,15чем поперечные. 2.4 Связь процессов отражения, преломления и трансформации с углом падения продольной волныВолновые 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 контроляВ 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 больше16углов 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 иллюстрируетпервый и второй критические углы18Поверхностная волна возникает на границе второй среды при падении на неепродольной волны под углом во

Рис. 3.9 - Параметры ПЭП, используемые для настройки дефектоскопаВремя ПЭП (рис. 3.9) - это время задержки волны, связанное с распространением волны в призме и протекторе ПЭП. Время ПЭП напрямую влияет на точность определения координат дефектов. Время ПЭП компенсируют при настройке на стандартном образце СО-3 или СО-3Р по боковой цилиндрической поверхности.Угол ввода (рис. 3.9) - это угол между нормалью к поверхности и линией, соединяющей центр ненаправленного (округлого отражателя) с точкой выхода луча в положении максимальной амплитуды эхо-сигнала от ненаправленного отражателя. Угол ввода указывается в маркировке преобразователя и проверяется при настройке на30стандартном образце СО-2 или СО-3Р по боковому цилиндрическому отверстию диаметром 6 мм на глубине 44 мм. Угол ввод приблизительно равен углу наклона акустической оси, но всегда меньше его. 4 МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯСовокупность приёмов реализации контроля правомерно назвать методом. Методы ультразвукового контроля допустимо разбить на несколько групп, выбранных по единому признаку. К методам прохождения можно отнести методы, основанные на регистрации волн, прошедших в изделии через дефект. Признаком дефекта в этом случае служит уменьшение амплитуды прошедшей волны на приемнике. Как правило, в методах прохождения отсутствует возможность определения глубины залегания дефекта. пИ - источник УЗ волн; П - приемник УЗ волн; ОК - объект контроля.Рис.4.1 - Иллюстрация метода прохождения.Методы отражения, напротив, основаны на регистрации волн отраженных от дефекта, при этом происходит увеличение амплитуды сигнала воспринимаемого приемником. Этот принцип, положен в основу наиболее популярных методов ультразвукового контроля, поскольку позволяет определять координаты дефекта, и допускает использование одного совмещенного преобразователя.31 ИП - источник-приемник УЗ волн (совмещенный преобразователь).Рис.4.2 - Иллюстрация метода прохожденияСигналы, вырабатываемые и принимаемые дефектоскопом отображаются на его экране в виде А - развертки. В данном типе развертки по оси У откладывается амплитуда сигнала (в дБ), по оси X - время прохождения волны до отражателя (в мкс). Сигналы, формируемые при реализации метода отражения и прохождения на А-развертке, представлены на рис.4.3.Электрический сигнал, вырабатываемый дефектоскопом для возбуждения ультразвуковой волны, называется зондирующим импульсом. Его наличие в начале развертки объясняет появление мертвой зоны - области вблизи поверхности ввода ультразвуковой волны, дефекты в которой не выявляются.пьезопластина ЗИ - зондирующий импульс; ЭИ - эхо-импульс; СИ - строб-импульс; ДИ - донныйимпульс.Рис.4.3 - Формирование А-развертки в общем случае32Результат формирования эхо-импульсов - это волны, пришедшие на приемный ПЭП, отразившись от дефектов, конструктивных отражателей (галтелей, отверстий и т.д.). Сигнал, отраженный от дна изделия называется донный импульс. Для выделения интервала времени, в котором дефектоскоп анализирует амплитуду эхо- импульсов по критериям эхо-метода и зеркально-теневого метода (ЗТМ) служит строб-импульс.На рисунке 4.4 изображены схемы реализации методов прохождения: теневого и зеркально-теневого (ЗТМ), в первом излучатель и приемник находятся на противоположных сторонах, во втором излучатель и приемник находятся на одной поверхности. Рис.4.4 - Формирование А-развертки для теневого и зеркально-теневого метода на бездефектном участкеВ ЗТМ возможно использовать прямые и наклонные ПЭП, необходимым при этом является условие отражения излученного сигнала от донной поверхности на приемник. В случае отсутствия дефектов пришедшая на приемник излученная волна формирует донный импульс, который превышает пороговый уровень.33 Теневой ЗТМ ЗТМРис.4.5 - Формирование А-развертки для теневого и зеркально-теневого метода на дефектном участкеПоявление дефекта на пути излученной волны значительно ослабляет ее, поэтому при формировании донного сигнала происходит уменьшение его амплитуды. Изменение донного сигнала ниже порогового уровня свидетельствует о наличии дефекта.Коэффициент выявляемости ЗТМ - показывает, на сколько децибел (во сколько раз) снижается амплитуда донного над дефектом относительно амплитуды донного на бездефектном участке.г А донного над дефектом1 А донного на бездефектном участкеПри использовании методов прохождения необходимо учитывать множество причин ложного срабатывания дефектов, наиболее весомые из них это: - отсутствие акустического контакта между ПЭП и поверхностью; - не параллельность поверхности ввода и донной поверхности; - изменение толщины изделия; - состояние донной поверхности; - затухание.Методы отражения считаются более совершенными и подходящими для различных34задач диагностики. Поэтому эхо-метод используется практически в 90% случаях Рис.4.6 - Формирование А-развертки эхо-метода на бездефектном и дефектномучасткеКоэффициент выявляемости эхо-метода - показывает, на сколько децибел (во сколько раз) амплитуда эхо-импульса от дефекта превышает амплитуду эхо-импульса от эталонного отражателя.А эхо — импульса от дефектад А эхо — импульса от эталонного отражателяНа амплитуду эхо-сигнала от дефекта и соответственно на возможность его выявления влияет затухание в материале ОК, акустический контакт, а так же размер, форма и ориентация дефекта.При сравнении зеркально-теневого метода и эхо-метода можно выделить ряд35особенностей составляющих, как достоинства, так и ограничения каждого из них. Поэтому при использовании их совместно значительно повышается эффективность и достоверность контроля. Зеркально-теневой метод позволяет выявить дефекты независимо от их формы и ориентации по всей толщине изделия, а при потере акустического контакта сигнализирует об этом исчезновением донного сигнала. Эхо- метод в отличие от ЗТМ позволяет определить глубину залегания отражателя и оценить его форму и ориентацию. Минимально выявляемый размер дефекта при применении эхо-метода ограничивается длиной волны. 5 ИЗМЕРЯЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕФЕКТОВПосле выявления дефекта дефектоскопист должен принять решения о браковке либо годности изделия к дальнейшей эксплуатации. Для обоснованного вынесения этого решения необходимо определить измеряемые характеристики дефекта и сопоставить их с указанными в нормативной документации значениями. В большинстве случаев в качестве критерия браковки используют одну или несколько измеряемых характеристик, выступая в этом качестве, их допустимо называть главными измеряемыми характеристиками.Совокупность всех измеряемых характеристик дефекта сведена в Таблице 6.1 Таблица 6.1 - Измеряемые характеристики дефекта


Федеральное государственное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский государственный университет путей сообщения»

ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ
Конспект лекций
Бехер С.А., Кочетков А.С.



Новосибирск, 2013
1

Содержание

1 Основные понятия акустики 3

2 Закономерности распространения акустических волн 11

3 Прием и излучение ультразвуковых волн 22

4 Методы ультразвукового контроля 31

5 Измеряемые характеристики дефектов 36

6 Основные параметры контроля 45

7 Ультразвуковая толщинометрия 54

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Программа общего экзамена по УЗК на II уровень 58

квалификации

2

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АКУСТИКИ

1.1 Акустические колебания

Упругие колебания частиц среды вблизи положения равновесия называют акустическими колебаниями. Механизм колебаний определяется двумя основными физическими свойствами вещества: упругостью и инерцией.

Под упругостью понимают способность тел восстанавливать после прекращения воздействия первоначальную форму или объем. Инерция - способность тел сохранять свою скорость в отсутствии внешних сил.

Зависимость смещения частиц среды от времени (рис. 1.1) при непрерывных колебаниях описывается периодической функцией времени. Периодом Т называют минимальный интервал времени между одинаковыми положениями частицы. Период - это время одного колебания, измеряется в секундах (с), миллисекундах (мс), микросекундах (мкс).



Рис. 1.1 - Зависимость смещения частиц от времени, непрерывные колебания

Для целей ультразвукового контроля практическую значимость имеют импульсные колебания (рис. 1.2). В отличие от непрерывных, импульсные колебания (рис. 1.2) ограничены во времени, имеют начало и конец. Под импульсом понимают часть сигнала, амплитуда колебаний которого превышает установленный порог. Изменение амплитуды колебаний описывается огибающей.

3

* к



порог-- положение

равновесия

Время

Рис. 1.2 - Зависимость смещения частиц от времени (импульсные колебания)

1.2 Акустические волны

Процесс распространения акустических колебаний (рис. 1.3) в объекте контроля

называют акустической волной. В процессе распространения волны происходит перенос

энергии колебаний из одной точки среды в другую.



Рис. 1.3 - Распространение акустических колебаний

Механизм распространения волн иллюстрирует рисунок 1.4. Колебания в разных точках среды синхронизированы, например, в точках А и Б колебания смещены относительно друг друга на половину периода. Когда в точке А частица смещена вниз, в точке Б частица смещена вверх и наоборот. Стрелками на рисунке 1.4 показаны смещения частиц среды в процессе распространения волны вправо.

4



Рис. 1.4 - Распространение акустических колебаний

1.3 Скорость распространения волны

Скорость распространения волны определяется как путь проходимый волной за единицу времени (секунду). Скорость объемных волн (продольного, поперечного, поверхностного типа) зависит только от упругости и плотности среды, типа волны:

с

Д


где Е - модуль упругости, Па; р - плотность среды, кг/м3.

Необходимо отметить, что для целей ультразвукового контроля считают скорость распространения объемных и поверхностных волн независимой от частоты, амплитуды и направления распространения волны.

1.4 Частота волны (колебаний)

В ультразвуковом контроле наибольшее распространение получила величина обратно пропорциональная периоду - частота:

1

Р = Т

Частота - это число колебаний совершаемой частицей среды за единицу времени. Единицы измерения частоты: Гц, кГц, МГц приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Единицы измерения частоты

5

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.

Смотрите также файлы