- •Физические основы ультразвукового контроля (узк)
- •Акустические колебания и волны
- •Коэффициент отражения и прохождения
- •Отклонение акустической волны от угла по Снеллиусу
- •Связь между первым и вторым критическими углами
- •Пьезоэффект
- •Мертвая зона
- •Достоинства и недостатки тм и зтм
- •Влияние формы и размера дефектов на амплитуду эхо-сигнала
- •Sкh диаграмма
- •1 Определение браковочной чувствительности:
- •2.Определение условной чувствительности дефектов, залегающих на различной глубине:
Физические основы ультразвукового контроля (узк)
В процессе изготовления или эксплуатации, могут возникать различного рода дефекты:
1 микроструктуры (при закалке);
2 дефекты, связанные с механическими свойствами и химическим составом (недостаточная вязкость, текучесть);
3 дефекты, связанные с несоответствием геометрических размеров;
4 несплошности (раковины, трещины).
Для выявления данных дефектов используют разрушающий и неразрушающий методы контроля.
Дефекты классифицируются по:
– виду – определяется возможность эксплуатации объекта: допустимый дефект; недопустимый дефект; допустимый дефект с ограничением условий эксплуатации.
Пример: если трещина головки не выходит за середину, то эксплуатация возможна. Если выходит, то на скорость поездов вводят ограничения.
– типу – классифицируется по причине возникновения, форме, размеру и т.д.
Пример: поры, раковины, щели.
Существует девять методов неразрушающего контроля (НК):
1 магнитный;
2 электрический;
3 электромагнитный (вихретоковый);
4 радиоволновой (СВЧ)
5 тепловой;
6 оптический;
7 радиационный;
8 акустический;
9 контроль проникающими веществами.
Акустический метод (АМ) существует с 1928 года. Ученым Соколовым было предложено применение ультразвуковых волн (УЗВ) для выявления дефектов. Предлагалось измерять прошедшую волну через объект контроля (ОК).
Акустические колебания и волны
Акустические колебания – упругие колебания частиц возле положения равновесия.
Акустические волны – распространение в упругой среде механического возмущения (деформации).
В зависимости от частоты звуковые волны подразделяются:
1 инфразвуковые – до 20 ГЦ;
2 звуковые – от 20 до 20000 Гц;
3 ультразвуковые – от 20 кГц до 1 ГГц;
4 гиперзвуковые – свыше 1 ГГц.
Для контроля детали применяется диапазон от 0,1 до 10 МГц. При этом основной частотой является 2,5 МГц. Мощность излучения не велика и составляет 0,1…1 кВт/см2.
При рассмотрении непрерывного источника и идеальной среды, акустические колебания подчиняются уравнению гармонического колебания:
, (1)
где – текущее значение амплитуды; – начальное значение амплитуды; – волновое число; – координата текущая; – угловая частота; – время.
, в совокупности называются, фаза-положение направления движения точки в данный момент времени.
Идеальная непрерывная волна
1 Уравнение (1) для плоской безграничной волны ;
2 Различают еще сферический источник , и уравнение принимает вид: ;
3 Цилиндрический: только в одном направлении.
Вывод: волна с плоским фронтом имеет наименьшее затухание (не затухает с расстоянием). Наибольшее затухание имеет волна со сферическим фронтом.
Основными характеристиками волны являются:
1 Частота,
2 Длина волны, – расстояние между двумя частицами находящимися в одной фазе.
3 Скорость, ; скорость воздуха
– формула имеет физический смысл только в данной интерпретации, т.к. не зависит от и , а зависит только от физических свойств среды (упругие, постоянные (модуль Юнга и плотность среды).
– зависит только от источника излучения.
4 Амплитуда,
– относительная характеристика измеряемой величины.
– амплитуды микросигналов. При УЗК:
,
где – амплитуда измеряемого сигнала; – амплитуда излучаемого сигнала (амплитуда зондирующего импульса)
, т.к. амплитуда сигнала всегда отрицательна, то приняли, знак «–» – не учитывать при измерении амплитуды, однако при сравнении двух амплитуд сигнала знак «–» учитывается.
При знаке «+»: ;
При знаке «–» или «+»: .
Разберем пример:
Задача 1. Излучается волна со скоростью 3,25 , , . Найти отношение и чему они равны?
Решение:
;
.
Отсюда отношение равно:
Задача 2. Известно: ; 1; 3; 12; 60. Найти -?
;
;
;
.
Волны
В зависимости от природы возникновения и материала, различают:
1 объемные волны: продольные, поперечные;
2 поверхностные: волна – Рэлея, подповерхностная продольная головная, подповерхностная поперечная головная;
3 волны в пластинках.
П родольная объемная волна – колебания частиц осуществляются вдоль направления распространения. Характерны области разряжения, сжатия.
1
2 Область сжатия, разряжения
I – сжатия; II – разряжения.
Волна существует во всех средах кроме вакуума, т.к. в нем нет частиц.
При температуре 20 градусов.
;
;
;
.
О бъемная поперечная волна – колебания частиц перпендикулярно направлению распространения волны. Характерна сдвиговая деформация частиц материала. Существует только в материалах обладающих упругостью формы и объема, т.е. в твердых телах.
Соотношение между поперечной и продольной волнами определяется коэффициентом Пуассона, характеризующим разность механических свойств их направлений.
.
Коэффициент Пуассона для большинства сталей равен: .
В отличие от продольной, поперечная волна характеризуется большим затуханием при равных частотах затухания поперечной волны в 7 раз больше, чем у продольной.
,
где – затухания.
Для поперечной волны характерно явление поляризации.
Различают:
1 вертикальную поляризацию : колебания частиц поверхности ввода ультразвуковых волн, возбуждается за счет трансформации из продольной волны при прохождении границ раздела двух сред.
2 горизонтально-поляризованная волна : колебания частиц параллельны поверхности ввода, возбуждается специализированными преобразователями (преобразователи с кварцом-Y-срез; электро-магнитоакустический преобразователь – ЭМА-преобразователь).
П оверхностная Рэлейская волна-колебания частиц – по эллипсу большей стороной к поверхности. Глубина фронта волны составляет .
;
.
95% всей энергии распространяется на глубине и чем больше глубина, тем более вытянутым становится эллипс.
Свойства Рэлейской волны:
1 имеет незначительное расхождение и затухание;
2 проходят прямые углы: 17% – трансформация и рассеяние на углу;
3 при прохождении выпуклой поверхности скорость волны увеличивается, вогнутой уменьшается с одновременным излучением трансформированных волн.
4 Рэлейскую волну можно определить методом польпирования. Если установить палец между отражателем и излучателем, то амплитуда принятого сигнала резко уменьшается.
5 при нагружении свободной поверхности (нанесение на нее слоя жидкости) Рэлейская волна превращается в псевдорэлейскую (ляве). Скорость волны, соответствует скорости жидкости и наблюдается явление трансформации, волна быстро затухает.
Задача 3. Дано: ; . Найти: ;
О
Т
Значит: .
Задача 4. Дано: ; ; . Найти:
|
|
|
|
1,25 |
4,72 |
2,6 |
2,36 |
2,5 |
2,36 |
1,3 |
1,18 |
5 |
1,18 |
0,65 |
0,59 |
10 |
0,59 |
0,325 |
0,295 |
Подповерхностные головные волны
Подразделяются:
1 головные – продольные;
2 головные – поперечные.
Общие свойства:
1 Распространяются под поверхностью на глубине пропорционально длине волны.
2 Глубина фронта для продольной волны от , для поперечной волны .
3 Колебания частиц по эллипсу под углом к нормали.
4 Непрерывно излучают трансформированные волны. Вследствие чего имеют большое затухание.
5 Волны применяются для контроля изделия толщиной более 20 мм и не обеспечивают выявления поверхностных дефектов.
I Головная продольная
Угол трансформации для стали .
.
II Головная поперечная
– продольная трансформированная волна аналогично объемной, отличие заключается в быстром ее затухании.
Волны в пластинах (волны Лэмба)
При непрерывном излучении в пластину возможно возникновение явления резонанса, при котором вся пластина колеблется одновременно и фазовая скорость равна бесконечности.
lф
где – длина волны во второй среде; – толщина; – угол ввода.
Условия резонанса:
1 Длина фронта падающей волны должна быть больше однократного переотражения волны.
2 Переотраженная волна должна находиться в фазе с падающей волной.
, где – целое число ( )
где – групповая скорость, характеризует перемещение волны относительно поверхности; – фазовая скорость, характеризует скорость движения фронта волны; – объемная скорость в пластине.
Наибольшее значение имеет , наименьшее . зависит от соотношения длины волны и толщины пластины.
В случае, когда выражение вся поверхность пластины, колеблется одновременно и (стоячая волна).
Различают:
1 Симметрическую стоячую волну, когда обе поверхности колеблются в одной фазе.
2 Ассиметрическую стоячую волну, когда в поверхности в противофазе.
П оскольку при распространении происходит резонанс волн и их усиление, то волны Лэмба (нормальные волны) распространяются на значительные расстояния и выявляют, как поперечные трещины, так и расстояние за счет изменения скорости от волны над трещиной или под ней.
– отличное от бездефектного времени.
По величине можно судить о наличии дефекта и его протяженности.
З ависимость фазовой скорости от соотношения
При излучении волн в твердые тела (пластину) условия резонанса нарушаются из-за возникновения явления резонанса трансформированных волн.
В результате вид зависимости и условия резонанса изменяются.
– означает, что .
Моды соответствуют резонансу Рэлейской поверхности волны. Рэлейской волной нельзя получить, чтобы скорость была равна бесконечности.
Затухание ультразвуковых волн
В процессе распространения УЗВ происходит их затухание, связанное:
с поглощением энергии (энергия затрачивается на колебание частиц);
рассеяние УЗВ за счет расхождения пучка и рассеяние на границах зерен:
δ = δр + δп,
где δр – характерно для поликристаллических материалов (металлы); δп – для аморфных материалов (резина, стекло, пластмасса).
Рассеяние на границах зерен
В металлах каждый кристалл (зерно) ориентируется по-своему и имеет различные акустические свойства в разных направлениях и при прохождении границы происходит преломление луча.
Рисунок 3.1 – Рассеяние ультразвуковых волн в поликристаллическом материале
Ч ем больше диаметр зерна, тем затухание сильнее. Наиболее сильное изменение затухания с увеличением зерна, наблюдается при соотношении λ/dз < 10.
Рисунок 3.2 – Зависимость коэффициента затухания от диаметра зерна
І – область, в которой диаметр зерна не значительно влияет на затухание;
ІІ – область нелинейного быстрого затухания волн:
4 < λ/dз < 10, δ ~ dзf2;
λ/dз < 10, δ ~ d3f4.
Эмпирические формулы:
δl = 0,12f + 20dз3f4;
δt = 0,1f + 105dз3f4.
ІІІ – область Релея, dз >> λ и затухание в материале изменяется нелинейно и стремится к затуханию в монокристалле.
Эмпирически в первом приближении, затухание можно рассчитать по формуле:
.
Затухание показывает, насколько децибел изменяется амплитуда волны при прохождении расстояния в 1 м.
.
1 Нп = 8, 686 дБ/м.
С увеличением частоты УЗВ, длина волны уменьшается, соотношение dз/λ увеличивается => затухание увеличивается.
Рисунок 3.3 – Зависимость коэффициента затухания от частоты
І – зона незначительного влияния частоты на затухание;
ІІ – зона значительного, резко возрастающего влияния.
f = 2,5 МГц, H ~ 10 м; f = 5 МГц, H < 1 м.
При f > 10 МГц, δ становится настолько значительным, что контроль металла становится невозможным.
Отражение и прохождение УЗВ
R – доля отраженной волны.
При прохождении границы раздела двух сред, волна встречает сопротивление или импеданс, который зависит от акустических свойств среды и его плотности.
,
где Vn – нормальная составляющая колебательной скорости; P0 - акустическое давление; φ – угол падения.
,
где C – скорость; ρ – плотность.
.