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: 287

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


46

Параметры сканирования:

- шаг;

- пределы перемещения ПЭП;

- скорость сканирования;

- чувствительность поиска.
Минимальный условный размер фиксируемого дефекта

- Частота повторения зондирующих импульсов;

- Время инерции и индикатора дефекта
Минимальный условный размер фиксируемого дефекта

Разрешающая способность

аппаратуры
- Разрешающая способность по дальности (лучевая);

- Фронтальная разрешающая способность

6.1 Первая группа параметров: частота - длина волны

Частота - количество колебаний за единицу времени. Именно частота определяет затухание волны в объекте контроля, чем выше частота, тем больше затухание.

Длина волны зависит от частоты и скорости волны в объекте контроля, чем меньше длина волны, тем меньший по размеру дефект поддается выявлению. В силу разности скоростей продольных и поперечных волн отличаются и их длины, длина продольной волны (2,36 мм) превосходит длину поперечной (1,3 мм).

6.2 Вторая группа параметров: размеры ПЭП - диаграмма направленности

Точка выхода луча - это точка, на преобразователе через которую выходит акустическая ось. Определяется по стандартному образцу СО-3 или СО-3Р, используя выкружку, в положении ПЭП с максимальной амплитудой. В этом случае центр выкружки, указывает на точку выхода луча.

Время волны в ПЭП (время задержки) - регулировка данного параметра позволяет

47

настроить глубиномер дефектоскопа, выставить истинные значения: X, У, К

Угол призмы (^) напрямую влияет на угол ввода, если заведомо известно для какого материала применяется ПЭП, то угол призмы выполняют таким, что бы добиться одного из стандартных значений углов ввода: 40°, 45°, 50°, 60°, 65°, 70°.

Радиус пьезопластины (а) определяет параметры диаграммы направленности, такие как: угол раскрытия, границу ближней зоны.

Выше перечисленные параметры ПЭП не зависят от свойств материала и относятся к параметрам аппаратуры. Но в свою очередь они наряду со скоростью в материале


определяют характеристики диаграммы направленности.

Угол раскрытия диаграммы направленности равен:

^ = агсзт.
где п - коэффициент учитывающий форму пьезопластины

(0,61 - для круглых; 0,5 - для прямоугольных ); с - скорость волны в среде; /-

частота; а - радиус пьезопластины.

Граница ближней зоны диаграммы направленности равна:

N = £

Л

где 1 - длина волны.

Угол ввода (а) - это угол между нормалью к поверхности ввода и линией соединяющий центр ненаправленного отражателя (засверловка 6 мм в СО) с точкой выхода луча в положении ПЭП с максимальной амплитудой. Угол ввода и угол наклона акустической оси отличаются по своим значениям, причем угол ввода всегда меньше. Это объясняется тем, что в расходящемся пучке лучей, луч с меньшим углом, чем у акустической оси проходит меньший путь, его сигнал меньше ослабляется и именно в этом положении ПЭП амплитуда сигнала максимальна. Чем больше глубина залегания дефекта и выше коэффициент затухания в материале, тем сильнее уменьшается угол ввода относительно угла наклона акустической оси.

48



Рис.7.1 - Параметры ПЭП и диаграммы направленности

6.3 Третья группа параметров: погрешность глубиномера - погрешность определения координат дефектов

Погрешность глубиномера дефектоскопа состоит из неточности определения временных интервалов между импульсами, скорости волны, угла ввода, времени задержки в ПЭП.

Погрешность определения координат дефектов связана с погрешностью глубиномера, неточностью установки ПЭП в положение максимальной амплитуды эхо- сигнала.

6.4 Четвертая группа параметров: зона временной селекции - зоны контроля

К параметрам зоны временной селекции (зона ВС или строб ВС) можно отнести начало, длительность и конец. Размерность зоны ВС может быть выражена в трех вариантах: расстояние по лучу (Я), высота (У), время (Т). Начало и конец зоны ВС должны соответствовать границам зоны контроля. В зависимости от используемого метода (эхо или зеркально-теневой) зоны ВС могут отличаться. При использовании эхо- метода превышение порога сигналом в стробе будет сопровождаться световой сигнализацией «дефект», для зеркально-теневого метода, наоборот, уменьшение сигнала (донного) покажет «дефект».

49



Рис.7.2 - Зона ВС (СИ-строб импульс) и зона контроля (ЗК)



6.5 Пятая группа параметров: чувствительность аппаратуры - чувствительность метода

Чувствительность как параметр аппаратуры измеряется в дБ, поскольку в этом случае она понимается как минимально возможный сигнал, превысивший порог. Условная чувствительность определяется по государственному стандартному образцу СО-2, СО-3Р по амплитуде эхо-импульса от эталонного отражателя (рис.7.3)

Реальная чувствительность минимальный размер дефекта определенного типа, вида, выявляемого в ОК на заданной глубине.

Предельная чувствительность - это минимальный размер идеального отражателя определенного типа вида, выявляемого в ОК на заданной глубине. Из всех типов чувствительностей минимальным размером обладает именно предельная чувствительность.

50



Рис.7.3 - Определение условной чувствительности



Рис. 7.4 - Определение предельной чувствительности



Эквивалентная чувствительность - это минимальный размер искусственного отражателя или реального дефекта, выявляемого в ОК на заданной глубине. В качестве искусственного отражателя могут использоваться различные модели дефектов: пропил, засверловка, сегмент, зарубка и т.д.

51



Рис. 7.5 - Определение эквивалентной чувствительности

6.5 Пятая группа параметров: длительность зондирующего импульса и собственных шумов ПЭП - мертвая зона

Мертвая зона - это область объекта контроля вблизи поверхности ввода, в которой дефекты не выявляются эхо-методом.

Она относится к параметрам метода, поскольку при смене материала размер этой

зоны определяется по высоте, и зависит от нескольких параметров.



Рис.7.6 - Иллюстрация «мертвой зоны»

Основной причиной появления мертвой зоны является наличие зондирующего импульса в А-развертке, который может содержать в себе от 4 до 12 периодов колебаний. Соответственно чем больше длительность зондирующего импульса и


52

длительность шумов ПЭП, тем больше и мертвая зона.

Величина мертвой зоны для наклонных преобразователей зависит от угла ввода.

Чем больше угол ввода, тем меньше мертвая зона, так как акустическая ось располагается ближе к поверхности.

Расчет мертвой зоны можно провести по формуле:

М =

Чзи+^ш)

2

■ с•соза ,

где £ЗИ - длительность зондирующего импульса, мкс; £Ш - длительность шумов ПЭП, мкс.

6.6 Шестая группа параметров: разрешающая способность аппаратуры -

разрешающая способность по дальности и по фронту

Разрешающая способность аппаратуры - это минимальное время между двумя

эхо-сигналами, видимые на А-развертке как раздельные.



Рис.7.7 - Определение разрешающих способностей: аппаратуры (АТмин), по дальности (АЯмин), по фронту (АХмин)




Раздельными сигналами признаются два эхо - сигнала, если уровень их слияния находится ниже ближайшего максимума более чем на 6 дБ.

Разрешающая способность по дальности - это минимальное расстояние между двумя отражателями, расположенными на разном расстоянии по лучу сигналы, от которых видятся на А-развертке раздельными.

Разрешающая способность по фронту - это минимальное расстояние между двумя

53

отражателями, расположенными на разном расстоянии по лучу сигналы, от которых видятся на А-развертке раздельными.

7 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ

Для измерения толщины объектов контроля привычно использовать механические

средства измерения: штангенциркуль, микрометр, но при определенных условиях измерения они оказываются неприемлемы. В случае измерения толщины стенок сосудов, труб, корпусов протяженных объектов используются ультразвуковые методы.

В зависимости от особенностей объекта измерений их можно разделить на три группы:

1. Изделия с гладкими параллельными поверхностями, подвергаемые ручному контролю толщины.

2. Изделия с грубыми непараллельными плоскостями, подвергаемые ручному

контролю толщины.

3. Изделия подверженные поточному автоматизированному контролю (трубы, листы, прокат и т.д.).


Основные требования к используемым средствам и способам измерения по каждой группе изделий существенно отличаются. Для 1 группы необходимо обеспечить высокую точность измерений, для 2 группы основное требование - высокая чувствительность, для 3 группы - достаточная скорость и точность измерений. В силу различных требований различаются и ультразвуковые методы измерения толщины. Единственный метод применимый для всех трех типов изделий - эхо-метод.

7.1 Измерение толщины эхо-методом

Для измерения толщины используется эффект отражения ультразвуковой волны от препятствия (донной поверхности). Применяются прямые раздельно-совмещенные и совмещенные преобразователи. Измерение времени пробега в изделии от преобразователя до препятствия и обратно, при известной скорости позволяет провести

расчет толщины:

с ■ (£ - £3)

Н = 2 '

где с - скорость распространения ультразвуковых волн в ОК;

54

? - измеряемое при контроле время прохождения волны от пьезоэлемента излучателя до дна ОК и обратно на пьезоэлемент приемника; 1З - время прохождения импульса в прямом и обратном направлениях через акустические задержки призмы, протектора и контактной жидкости.



Рис.8.1 - Измерение толщины раздельно-совмещенным (РС) преобразователем.

Одним из недостатков эхо-метода является наличие «мертвой зоны», для ее исключения применяют твердотельную плоскопараллельную акустическую задержку, как дополнительную насадку к преобразователю.

Наличие двух пьезопластин в РС преобразователе сказывается на точности измерений, поскольку в этом случае ультразвуковая волна распространяется под небольшим наклоном (рис.8.1). В результате чего, формулу для расчета толщины приведённой выше можно назвать приближенной. Для уменьшения погрешности измерений цилиндрических объектов, к примеру, труб, РС преобразователь необходимо располагать таким образом, чтобы излучатель и приемник находились вдоль образующей.

Применение прямого совмещенного преобразователя позволяет исключить указанные выше недостатки. Расчет толщины при этом проводят, используя многократное отражение, используя измерение суммарного времени между первым и последующими донными сигналами. Это позволяет исключить время пробега в акустических задержках.

Смотрите также файлы