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: 288

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


36

5.1 Координаты дефекта

Для определения координат дефекта, дефектоскоп использует измерение времени

между моментом генерации зондирующего импульса и моментом прихода эхо-импульса (Тэхо), как следствие отражения от дефекта. Расстояния до дефекта по лучу (Я) вычисляется как отрезок линии совпадающей с акустической осью и соединяющий центр отражателя с точкой выхода луча, поэтому время затраченное волной при преодолении призмы ПЭП в прямом и обратном направлении, так называемое - время задержки в

призме (2ТПЭП) необходимо исключить.

Расстояние до дефекта по лучу можно рассчитать по формуле:

„ * (Тэхо “ 2 • Тпэп)

, где с - скорость волны в материале ОК, м/с

Для нахождения глубины залегания и расстояния до дефекта по поверхности ввода необходимо воспользоваться значением угла ввода (а) :

V = Я- сов(а) = С • (Тэхо 2 • Тпэп ) • сов(а)

¿4



У - глубина залегания дефекта; X - расстояние до дефекта по поверхности ввода; Я - расстояние до дефекта по лучу.

Рис.6.1 - Определение координат дефекта

37

При вычислении X и У, могут возникнуть некоторые погрешности связанные в первую очередь с определением скорости волны в изделии, угла ввода (а) и времени задержки в призме, поскольку значения этих параметров определяются оператором при настройке дефектоскопа. Расчет координат дефекта так же может быть не достоверным, если использовать ошибочное определение точки выхода луча или за максимальный эхо- сигнал принять сигнал, полученный от дефекта боковым лучом (рис 6.2).




При озвучивании прямым лучом дефект не Озвучивание дефекта

выявляется боковым лучом

Рис.6.2 - Иллюстрация одной из причин появления погрешности определения координат

5.2 Амплитудные характеристики

Величина дефекта в тех случаях, когда она не превышает ширины диаграммы направленности, во многом определяет амплитуду эхо-сигнала. По этой причине амплитудные характеристики часто используются в качестве критериев браковки изделия.

Амплитуда (И) - это превышение эхо-импульсом порогового уровня дефектоскопа.

Коэффициент выявляемости (Кд) - это отношение амплитуд эхо-импульсов дефекта и эталонного отражателя. Коэффициент выявляемости может выражаться как в безразмерных относительных единицах, так и в децибелах. В качестве эталонного используется ненаправленный отражатель - это засверловка диаметром 6 мм.


38



Рис.6.3 - Определение амплитуды и коэффициента выявляемости

Положительный коэффициент выявляемости выраженный в децибелах указывает на превышение величины сигнала от дефекта над сигналом от эталонного отражателя, отрицательный, напротив, говорит о том, что сигнал от дефекта меньше, чем сигнал от эталонного отражателя.

Величина отраженного сигнала зависит не только от величины дефекта, но и от ориентации его по направлению к оси диаграммы направленности.

39



Рис.6.4 - Связь амплитуды и коэффициента выявляемости с формой дефекта

Характеристика дефекта, объединяющая в себе два параметра, а именно амплитуду дефекта и глубину его залегания именуется эквивалентной площадью дефекта.

Эквивалентная площадь - это площадь идеального отражателя (плоскодонный диск перпендикулярный акустической оси) глубина залегания и амплитуда сигнала которого, совпадают по величине с глубиной залегания и амплитудой сигнала от дефекта (рис.6.5).

40





Амплитуда



Рис.6.5 - Определение эквивалентной площади дефекта

АРД диаграмма

БЭ = 5 мм



2

1

Расстояние

Амплитуда эхо- импульса от дефекта ВЭ = 4 мм

Стандартный образец для построения АРД

ИП



Рис.6.6 - Построение АРД - диаграммы

Для определения эквивалентной площади дефектов и настройки на предельную чувствительность используют АРД - диаграммы и 8КН - диаграммы. АРД - диаграмма связывает между собой Амплитуду - Расстояние - Диаметр эквивалентный (рис 6.6).

41

Эквивалентный диаметр это диаметр идеального отражателя. 8КН - диаграмма связывает параметры Эквивалентная площадь - Коэффициент выявляемости - Глубина.


5.3 Условные размеры

Измерение дефекта при помощи ультразвуковых методов контроля можно произвести с ограниченной точностью, поэтому определение высоты, ширины и протяженности дефекта носит условный характер.Границы условного размера дефекта определяют по пересечению порога амплитудой эхо-сигнала (рис.6.7).



Рис.6.7 - Определение условных размеров

Условная ширина (ИХ) - расстояние между условными границами в плоскости падения волны.

Условная протяженность (ИГ) - расстояние между условными границами перпендикулярно плоскости падения волны.

Условная высота (ИН) - разность показаний глубиномера на условных границах.

ИН = тах(Я1, Н2, Н3, Н4) - тт(Я1, Н2, Н3, Н4)

42



Рис.6.8 - Измерение условной ширины и протяженности дефекта

Условный размер дефекта можно представить, как сумму реального размера и ширины пучка на той высоте, где он расположен. При измерении дефектов одинакового реального размера, но расположенных на разных высотах, условные размеры дефектов будут отличаться.



43

Определение условных размеров дефекта можно провести двумя способами: абсолютным и относительным. В каждом из способов заложен определенный порядок действий.

Для абсолютного:

1. - Найти положение максимальной амплитуды эхо-импульса;

2. - Установить на дефектоскопе чувствительность Оценки (Браковки);

3. - Определить условные размеры по граничным положениям ПЭП;

Для относительного:

1. - Найти положение максимальной амплитуды эхо-импульса;

2. - Усилением довести амплитуду до порога;

3. - Увеличить усиление на заданное количество дБ (6... 12);

4. - Определить условные размеры по граничным положениям ПЭП;



Рис.6.10 - Иллюстрация относительного способа измерения

5.4 Форма дефекта

Дефекты по форме могут значительно различаться друг от друга. Для задач ультразвукового контроля все разнообразие форм дефекта можно классифицировать на несколько групп. Дефекты могут быть компактными и протяженными, округлыми и плоскостными.


Для отнесения дефекта к округлым или плоскостным, используют коэффициент формы дефекта (КФ). Его определяют как отношение двух сигналов направленных с разных сторон на дефект. В случае округлого дефекта эти сигналы приблизительно равны, поэтому коэффициент формы стремится к единице. Для плоскостного дефекта

44

один из сигналов всегда будет значительно меньше другого.



дефект плоскостной




Рис.6.11 - Определение коэффициента формы дефекта

Компактным называется дефект, если любой из его размеров меньше ширины диаграммы направленности. Протяженный дефект, тот у которого хотя бы один из размеров превышает ширину диаграммы направленности.

6 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОНТРОЛЯ

Параметры контроля заключают в себе параметры метода и аппаратуры, определяющие достоверность результатов контроля. Под мерой достоверности понимается степень ошибки в определении различного рода измеряемых характеристик дефекта. Безграмотный выбор значений параметров контроля, в свою очередь, ведет к ошибочным результатам контроля и пропуску браковочного изделия к эксплуатации.

Параметры аппаратуры - зависят от характеристик дефектоскопа, преобразователя, сканирующего устройства.

Параметры метода - зависят от свойств объекта контроля.

45

Аппаратуры
Метода

Частота, МГц
- Длина волны, мм

- Скорость волны, м/с

Размеры ПЭП:

- точка выхода луча;

- время волны в ПЭП;

- размеры ПЭП:

угол призмы, радиус ПЭП.
Диаграмма направленности:

- угол наклона АО;

- угол раскрытия ДН;

- угол ввода;

- граница ближней зоны.

Погрешность глубиномера
Погрешность определения координат отражателей

Зоны временной селекции:

- начало строба;

- длительность (конец) строба;

- метод: эхо, теневой
Зоны контроля

Чувствительность

Условная
- Реальная

- Предельная

- Эквивалентная

- Длительность зондирующего импульса;

- Длительность собственных колебаний пьезопластины
Мертвая зона

Смотрите также файлы