Акустические свойства сред.

Такие физико-механические свойства материала, как плотность, упругость, структурное строение, определяют посто­янные, характеризующие распространение в среде упругих волн, т.е. акустические свойства среды. Рассмотрим изотропные среды, свойства которых оди­наковы во всех направлениях. К акустиче­ским свойствам сред относятся скорость распространения волны, коэффициент затухания и удельное волновое сопротив­ление (характеристический акустический импеданс). В твердом теле эти величины определяют для продольных и попереч­ных волн (приложение 3).

Вопросы для самопроверки по теме 2.1

1. Какие типы волн можно возбуждать в твёрдых средах?

2. Какие параметры волн вам известны?

3. Что такое пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП)? Что он преобразует и как устроен?

Тема 2.2. Методы акустического вида получения информации.

2.2.1. Классификация методов

Акустические методы получения информации подразделяют на две большие группы: активные и пассивные методы.

Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные только на приеме волн, источником которых служит сам объект контроля, например образование трещин сопровождается возникновением акустических колебаний, выявляемых акустико-эмиссионным методом.

Активные методы делят на методы отражения, прохождения, комбинирован­ные (использующие как отражение, так и прохождение), собственных колебаний и импедансные.

Методы отражения основаны на анализе отражения импульсов упругих волн от неоднородностей или границ объекта контроля, методы прохождения — на влиянии пара­метров объекта контроля на характеристики прошедших через него волн. Комбинированные методы используют влияние параметров объекта контроля как на отражение, так и на прохождение упругих волн. В методах собственных колебаний о свойствах объекта контроля судят по параметрам его свободных или вынужденных ко­лебаний (их частотам и величине потерь). В импедансных методах информативным параметром служит механический импе­данс объекта контроля в зоне его контакта с преобразо­вателем.

Пассивные методы неразрушающего контроля классифици­руют по характеру анализируемых сигналов.

Рис. 2.6. Классификация акустических методов контроля.

2.2.2. Методы отражения

В этой группе методов информацию получают по отражению акустических волн в объекте контроля.

Эхометод основан на регистрации эхосигналов от дефектов - несплошностей. Он похож на радио- и гидролокацию. На рис. 2.7 показана упрощенная струк­турная схема импульсного эходефектоскопа.

Рис. 2.7. Упрощенная структурная схема эходефектоскопа

Генератор зондирующих импульсов 7 возбуждает короткие электрические им­пульсы. В преобразователе 3 они преобра­зуются в импульсы ультразвуковых колебаний, которые распространяются в объекте контроля 4, отражаются от дефектов 6 и проти­воположной поверхности (дна) объекта контроля, при­нимаются тем же (совмещенная схема включения) или другим (раздельная схема включения) преобразователем 2. Преобра­зователь превращает сигналы из ультразвуковых в электрические. От него сигнал поступает на усилитель 1, а затем на экран 5 дефек­тоскопа.

Одновременно (а иногда спустя неко­торый интервал времени) с запуском гене­ратора импульсов начинает работать гене­ратор развертки 9. Правильную последо­вательность включения их, а также других узлов дефектоскопа, не показанных на упрощенной схеме, обеспечивает синхро­низатор 8.

Сигналы от генератора развертки вы­зывают горизонтальное отклонение светящейся точки на экране, а от усилителя в вертикальное отклонение. В результате экран ультразвукового эходефектоскопа отображает информацию двух видов. Горизонтальная линия (линия развертки дефектоскопа) соответствует времени пробега импульса в объекте контроля, а это время пропорционально пути импульса. Высота пиков (импульсов) по вертикали пропорциональна амплитудам эхосигналов. Таким образом, по горизон­тальной линии развертки определяют дли­ну пути импульса, а по вертикальной шка­ле оценивают его амплитуду. Такое изо­бражение называют разверткой типа А (А-разверткой, А-сканом).

Очень высокий (для совмещенной схемы - уходящий за пределы экрана) сигнал, обозначенный буквой 3, соответ­ствует возбуждаемому генератором и по­сылаемому в изделие УЗ-импульсу. Он отмечает нулевое значение шкалы време­ни. Его именуют зондирующим импульсом. Высокий сигнал Д соответствует импуль­су, отраженному от противоположной по­верхности (дна) объекта контроля. Его называют донным сигналом. Э - эхосигнал от дефекта. Он приходит раньше донного сигнала, и ам­плитуда его обычно значительно меньше. Измеряя времена прихода сигналов по шкале на экране или специальным устрой­ством (глубиномером) прибора, можно определить расстояние до дефекта или дна изделия и таким образом, различить их. Амплитуда эхосигнала характеризует от­ражательную способность дефекта.

Другие методы отражения применя­ют для поиска дефектов, плохо выявляе­мых эхометодом, и для исследования па­раметров дефектов.

Рис. 2.8. Методы отражения:

а – эхо, б – эхозеркальный, в – дельта, г – реверберационный, д – дифракционно – временной. 1 – объект контроля, 2 – излучатель, 3 – приемник.

Эхозеркальный метод основан на анализе акустических импульсов, зеркаль­но отраженных от донной поверхности объекта контроля С и дефекта В, т. е. прошедшие путь АВСD (рис. 2.8., б).

Вариант этого метода, рас­считанный на выявление вертикальных дефектов, называют методом тандем. Для его реализации при перемещении преобразователей 1 и 3 поддерживают постоянным значение , где Н - толщина объекта контроля. Тогда будут выяв­ляться дефекты в сечении EF. Выявляются также нестрого вертикальные дефекты. Для получения максимального (зеркаль­ного) отражения от невертикальных де­фектов значение варьируют.

Другой вариант эхозеркального ме­тода предусматривает перемещение пре­образователей 2 и 3 в разных плоскостях (рис. 2.8, б, в середине). Его иногда называют методом тандем-дуэт. При этом сохраняется принцип зеркального отражения от вертикального дефекта и донной поверхности. Примене­ние метода тандем-дуэт целесообразно, например, в случаях, когда при контроле методом тандем преобразователи 2 и 3 слишком сближаются и мешают друг другу.

Еще один вариант эхозеркального метода - с трансформацией типов волн на дефекте (Т-тандем). Например, преобра­зователь 2 излучает поперечную волну под углом ввода а, большим 57° (для ста­ли). Угол падения на вертикальный дефект 90° - а будет меньше третьего критиче­ского, поэтому произойдет частичная трансформация поперечной волны в про­дольную, направленную в сторону дна объекта контроля. Отраженную поперечную волну в дальнейшем не используют, а отраженная от дефекта продольная волна (показана штриховыми линиями) далее отразится от дна объекта контроля и будет принята другим преобра­зователем в точке G. При отражении от дна объекта контроля также произойдет частичная трансформация продольной волны в поперечную, но поперечную отраженную вол­ну в дальнейшем не используют. Для реа­лизации этого варианта эхозеркального метода требуется меньшее расстояние от преобразователей до оси сварного шва.

Дельта-метод (рис. 2.8, в) основан на использовании дифракции волн на дефек­те. Часть падающей на дефект В попереч­ной волны от излучателя 2 рассеивается во все стороны на краях дефекта В, причем частично превращается в продольную волну. Часть этих волн принимается при­емником 3 продольных волн, расположен­ным над дефектом, а часть отражается от донной поверхности и также поступает на приемник. Варианты этого метода пред­полагают возможность перемещения при­емника 3 по поверхности, изменения ти­пов излучаемых и принимаемых волн.

Дифракционно-временной метод (ЦВМ) (рис. 2.8, д) основан на приеме волн, рассеянных на концах дефекта, при­чем могут излучаться и приниматься как продольные, так и поперечные волны. На рисунке представлен случай, когда излу­чаются поперечные волны, а принимаются продольные. Практическое применение, однако, получил вариант, при котором излучаются и принимаются продольные волны, поскольку они первыми приходят на приемник и по этому признаку их легко отличить от поперечных волн. Главная информационная характеристика - время прихода сигнала. Этот метод также назы­вают времяпролетным.

Реверберационный метод основан на анализе времени объемной ревербера­ции, т. е. процесса постепенного затухания звука в некотором объеме объекта контроля. При кон­троле используется один совмещенный преобразователь 2, 3, поэтому метод пра­вильнее назвать эхореверберационным. Например, при контроле двухслойной кон­струкции (рис. 2.8, г) в случае некачествен­ного соединения слоев время ревербера­ции в слое 1, с которым контактирует пре­образователь, будет больше, а в случае доброкачественного соединения слоев меньше, так как часть энергии будет пере­ходить в другой слой.

Акустическая микроскопия отли­чается от эхометода повышением на один-два порядка частоты ультразвуковой волны, применением острой фокусировки и автоматическим или механизированным сканированием объектов небольшого размера. В результа­те удается зафиксировать небольшие из­менения акустических свойств в объекте контроля. Ме­тод позволяет достичь разрешающей спо­собности в сотые доли миллиметра. Воз­можна акустическая микроскопия с ис­пользованием прохождения волн.