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

, 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 К_тах 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 ф_АО (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.

---

---

Рис. 3.9 - Параметры ПЭП, используемые для настройки дефектоскопа

Время 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 на

30

стандартном 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 КОНТРОЛЯ

Совокупность 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.




п

И - 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 прохождения

Сигналы, 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 - донный

импульс.

Рис.4.3 - Формирование А-развертки в общем случае

32

Результат 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 участке

В 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 ЗТМ

Рис.4.5 - Формирование А-развертки для теневого и зеркально-теневого метода на дефектном участке

Появление 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 дефектом

¹ А донного на бездефектном участке

При 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 различных

34

задач диагностики. Поэтому эхо-метод используется практически в 90% случаях




Рис.4.6 - Формирование А-развертки эхо-метода на бездефектном и дефектном

участке

Коэффициент 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 дефекта

^д А эхо — импульса от эталонного отражателя

На 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 ряд

35

особенностей 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 ДЕФЕКТОВ

После 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

Координаты дефекта	Глубина залегания дефекта , У, мм Расстояние до дефекта по поверхности ввода, X, мм Расстояние до дефекта по лучу, Я, мм
Амплитудные характеристики	Амплитуда, У, дБ Коэффициент выявляемости, Кд, дБ Эквивалентная площадь, 3Э, мм2
Условные размеры	Условная граница дефекта Условная ширина, ЛХ, мм Условная протяженность, ЛЯ, мм Условная высота, Л У, мм
Форма дефекта	Коэффициент формы дефекта, Кд Компактный и протяженный Округлый и плоскостной

---