Введение

Ультразвуковой контроль — один из наиболее эффективных и универсальных видов неразрушающего контроля и диагностики ответственных изделий из различных металлических и неметаллических материалов, в том числе оценки их физико-механических характеристик — постоянных упругости, прочности, твердости и т.п. Методы ультразвукового контроля очень многообразны. Они применяются для решения широкого круга задач во многих отраслях промышленности, а также в научных исследованиях.

Цель курсовой работы заключается в проектировании методики контроля типового изделия.

1. Основы ультразвукового контроля

0. 1.1 Акустические колебания. Типы волн

Колебание - движение вокруг некоторого среднего положения, обладающее повторяемостью, например колебание маятника. В акустике обычно рассматривают колебания точки среды относительно положения, в котором точка находилась в покое. Волны - колебательные движения,

распространяющиеся в пространстве: колебания одной точки передаются соседней и т.д. В большинстве видов неразрушающего контроля (радиационном, оптическом, тепловом, радиоволновом) используются электромагнитные колебания и волны. В отличие от них в акустических

видах используются упругие колебания и волны.

Упругость - свойство точек среды возвращаться к первоначальному состоянию после прекращения воздействия силы. Жидкие, газообразные и твердые среды восстанавливают свой объем после сжатия или разрежения, но под действием сил инерции точки продолжают двигаться после достижения первоначального состояния.

Основными характеристиками УЗВ являются:

- длина волны λ, мм – расстояние между ближайшими двумя точками колеблющейся среды, находящимися в одной фазе:

……………………………………..(1)

- частота f, Гц – число колебаний в единицу времени;

- скорость распространения волны С, м/с – расстояние, пройденное волной в единицу времени;

- амплитуда А.

В зависимости от частоты колебания акустические волны делятся на:

- инфразвуковые – до 20 кГц;

- звуковые – от 20 кГц до 40кГц;

- ультразвуковые - от 40 кГц до 1 ГГц;

- гиперзвуковые - 1 ГГц и выше.

При контроле применяют колебания ультразвукового и звукового диапазона частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность этих колебаний обычно невелика — не более 0,1 кВт/см². Колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

При распространении упругой волны рассматриваются 3 типа источников:

1)Бесконечная плоскость с плоским фронтом волны

Волна не ослабевает с расстоянием.

При распространении упругой волны рассматриваются 3 типа источников:

1)Бесконечная плоскость с плоским фронтом волны

Волна не ослабевает с расстоянием.

2) Сферический источник

Фронт волны – сферический. Волна характеризуется ослаблением, равномерным во всех направлениях

3. Цилиндрический источник

Ослабление фронта волны в двух направлениях.

В акустическом контроле используются различные типы колебаний и волн, отличающихся направлением колебаний, распределением амплитуд колебаний и волн в среде, скоростью распространения волн.

В твердых, жидких и газообразных средах существует упругость объема, т.е. среда стремится сохранить свой объем. В твердом теле также существует упругость формы, т.е. твердое тело стремится сохранить не только свой объем, но и свою форму.

Типы ультразвуковых волн:

1 Объемные волны

- продольные;

- поперечные;

2 Поверхностные волны

- подповерхностная продольная головная волна;

- подповерхностная поперечная головная волна;

- поверхностная волна Релея ;.

3 Волны в пластинах, стержнях.

1.1.1 Объёмные волны

Во всех средах (кроме вакуума) могут существовать колебания растяжения-сжатия. Волны с такими колебаниями - это продольные волны, или волны растяжения-сжатия. При распространении в твердом теле колебания частиц среды в продольной волне в основном происходят вдоль направления распространения волны. В твердом теле существуют также волны сдвига. Частицы в них колеблются поперек направления распространения волны. Их поэтому называют поперечными или сдвиговыми волнами.

Скорость распространения поперечной волны приблизительно в 2 раза (точнее, в 1,8 ... 1,9 раза) меньше, чем продольной. Например, в стали скорость продольной волны c_t = 5,92 мм/мкс, а поперечной c_l = 3,23 мм/мкс.

Поперечные волны, распространяющиеся наклонно к какой-либо поверхности (например, к поверхности ввода колебаний) или вдоль нее, разделяют на волны с направлением колебаний, параллельным поверхности (их называют горизонтально-поляризованными, SH, ТН), и волны с направлением колебаний, перпендикулярным к этой поверхности (их называют вертикально-поляризованными, SV, TV). Они по-разному отражаются от поверхностей и структурных неоднородностей. На практике обычно применяют SV-волны, однако по отношению к поверхности отражателя они могут быть SH-волной или иметь SV- и SH-составляющие.

1.1.2 Волны Релея

В твердом теле кроме объемных существуют также специфические волны, распространяющиеся вдоль поверхности, поверхностные и головные. Поверхностная волна (волна Рэлея) представляет линейную комбинацию продольной и поперечной волн. Такая комбинация дает возможность удовлетворить условие равенства нулю напряжений на свободной поверхности, вдоль которой распространяется волна.

Скорость рэлеевской волны с, приблизительно равна 0,93 скорости поперечных волн (для стали - 3,01 мм/мкс). Траектория колебаний частиц ОК - эллипсы с большой осью, перпендикулярной к поверхности. Вытянутость эллипсов увеличивается с увеличением глубины от поверхности. Амплитуда рэлеевской волны имеет максимум на поверхности и уменьшается в 10 раз на глубине ~λ_s- длины поверхностной волны. Рэлеевская волна распространяется на большие расстояния (порядка 1 ...2м), следуя изгибам поверхности, огибая плавные выпуклости и впадины на поверхности ОК. На выпуклой поверхности скорость ее увеличивается, а на вогнутой уменьшается и одновременно растет затухание.

Волна Релея распространяется на поверхности вдоль границе раздела двух сред (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Волна Релея

Свойства волны Релея::

1. Имеет малое затухание, соизмеримое с объемной продольной волной;

2. Существует только в твердых телах;

3. При прохождении прямого угла около 50% волны проходит, 37% отражается и 13% рассеивается;

4. Для идентификации волны используют метод пальпирования;

5. При нагружении поверхности раздела жидкостью релеевская волна превращается в специфическую, быстро затухающую, распространяющуюся в двух средах одновременно волну, со скоростью, меньше чем скорость УЗВ в жидкости.

1.1.3 Подповерхностные головные волны

Головные волны – это волны, бегущие вдоль поверхности ОК.

Общие свойства этих волн:

1. Волны распространяются на глубине kλ (на поверхности отсутствуют);

2. Колебания частиц происходит по эллипсу под углом к поверхности ОК;

3. Существуют в твердых телах;

4. Непрерывно излучают соответствующие трансформированные волны, в результате чего очень быстро затухают;

5. Скорости соответствующих головных волн равны скоростям объемных волн;

6. Не обеспечивают выявление поверхностных дефектов;

7. Из-за большого влияния помех от трансформированной волны применяются для контроля деталей толщиной более 20мм.

C_L^гол – продольная подповерхностная головная волна

C_t^гол – поперечная подповерхностная головная волна

C_L^тран – трансформированная продольная волна.

C_t^тран – трансформированная поперечная волна.

Рисунок 1.2 – Головные волны: а) головная поперечная волна

б) головная продольная волна

1.1.4 Волны в пластинах и стержнях

В ограниченных твердых телах (пластинах, стержнях) существуют волны в пластинах(волны Лэмба) и волны в стержнях (волны Порхгаммера). Их общее название - нормальные волны. В направлении, перпендикулярном к поверхности пластины или стержня, нормальные волны как бы образуют стоячую волну. В пластине или стержне определенной толщины могут распространяться различные типы нормальных волн с различным распределением колебаний по толщине.

Волны в пластинах применяют для УЗК тонких листов, труб, оболочек, а волны в стержнях - для контроля проволок, стержней, труб (при распространении вдоль оси трубы). Скорость распространения этих волн изменяется в зависимости от частоты (явление дисперсии скорости), упругих свойств материала и поперечных размеров пластины или стержня.

1.2 Прохождение и отражение УЗВ

При прохождении УЗВ через границу раздела двух сред часть волны проходит, а часть – отражается. Доля отраженной волны будет определятся разностью акустических свойств среды, характеризуемых акустическим импедансом (акустическим сопротивлением).

Акустический импеданс Z, :

(2)

где P – акустическое давление;

V_n – скорость колебательного движения;

ρ – плотность материала;

Коэффициент отражения по амплитуде R:

, (3)

где z₁ – акустический импеданс первой среды,

z – акустический импеданс второй среды.

Коэффициент прохождения по амплитуде D:

, (4)

На практике используют коэффициенты не по амплитуде, а по энергии:

- доля прошедшей волны определяется по формуле:

(5)

где W₀ – падающая энергия,

W_прош – прошедшая энергия.

- доля отраженной волны определяется по формуле:

, (6)

где W₀ – падающая энергия,

W_отр – отраженная энергия.

При наклонном падении УЗВ во втором объекте существует продольные и поперечные волны, и коэффициенты отражения и прохождения определяются по формулам:

- коэффициент отражения :

, (7)

Для прямого ПЭП:

, (8)

Для наклонного ПЭП:

, (9)

- коэффициент прохождения :

, (10)

Для прямого ПЭП:

, (11)

Для наклонного ПЭП:

. (12)

1.3 Закон Снеллиуса. Критические углы

Если нижняя и верхняя среды твердое тело, то в них при падении упругой волны на границу возникает сразу две волны: продольная и поперечная (рисунок 1.3). Явление превращения одного типа волн в другой называют трансформацией волн. Если какая-либо среда жидкость или газ, то поперечные волны в ней отсутствуют. Направление отраженных и преломленных, продольных и поперечных волн определяется законом синусов (законом Снеллиуса):

, (13)

Рисунок 1.3 – Закон Снеллиуса

Обозначения углов показаны на рисунке 1.3 C_l, C_l1, C_t1, C_l2, C_t2- скорости волн падающей, отраженной продольной, отраженной поперечной, преломленной продольной, преломленной поперечной.

При УЗК чаще всего встречается случай, когда падает продольная волна, а в результате преломления и трансформации возникают продольная и поперечная волны, причем скорость обеих волн больше, чем скорость падающей волны. Возникают также отраженные волны: продольная, если верхняя среда жидкая; продольная и поперечная, если верхняя среда твердая.

Если увеличить угол падения, то при некотором его значении угол преломления для продольной волны будет равен 90⁰. Преломленная продольная волна будет распространяться вдоль поверхности, как бы становясь головной. Этот угол падения называют первым критическим. При еще больших углах отражения во второй среде останется только поперечная волна: при втором критическом угле поперечная волна пойдет вдоль поверхности, то есть обе преломленные волны испытают полное внутреннее отражение. Критические углы рассчитываются по формуле:

(14)

где с – скорость падающей волны;

с’ – скорость продольной или поперечной преломленной волны.

Наиболее распространенный способ возбуждения поперечных волн в изделии - с помощью преобразователя с призмой, угол которой лежит между первым и вторым критическими углами). Для границы органическое стекло (плексиглас)-сталь первый критический угол падения продольной волны в плексигласе равен 27,5⁰. При этом угол преломления для продольной волны 90⁰, а для поперечной α = 32⁰. Второй критический угол β= 57,5⁰. При этом угле падения возбуждается поперечная головная волна, но заметить ее крайне трудно. При угле, несколько большем второго критического β = arcsin(c / с_R) возникает поверхностная рэлеевская волна со скоростью c_R. Для границы оргстекло-сталь угол падения, при котором возбуждается эта волна (третий критический угол), равен β = 65⁰. Подобным способом возбуждаются также подповерхностные головные волны

1.4Диаграмма направленности пьезоэлектрического преобразователя

1.4.1 Диаграмма направленности. Ближняя и дальняя зоны

Область пространства, в которое пьезоэлектрический преобразователь излучает и из которого может принимать волны, называют акустическим полем.. Поле в среде описывается существенно разными закономерностями на близком и далеком расстояниях от преобразователя. Это различие особенно четко выражено для круглого преобразователя. В непосредственной близости от него УЗВ распространяется в виде параллельного пучка лучей (прожекторная зона), но чуть дальше картина резко изменяется.

Энергия по-прежнему остается в пределах нерасходящегося пучка, но появляются максимумы и минимумы амплитуды. Вся эта область называется ближней зоной (ближним полем).

В дальней зоне (дальнем поле) формируется расходящийся пучок лучей. Излучается как бы сферическая волна, но распространяющаяся не равномерно во все стороны от источника, а в пределах конуса - основного лепестка. Максимум амплитуды соответствует оси преобразователя (акустическая ось или центральный луч). С увеличением угла между направлением какого-либо луча и осью амплитуда уменьшается, появляются боковые лепестки. Зависимость амплитуды излучения от направления луча называется диаграммой направленности. При некотором угле (угле раскрытия) амплитуда излучения равна нулю для непрерывного излучения, а для импульсного наблюдается минимум). Угол раскрытия определяет основной лепесток. За его пределами обычно появляются боковые лепестки, которые являются источниками помех.

В дальней зоне амплитуда плавно уменьшается с увеличением расстояния от преобразователя. В ближней зоне амплитуда изменяется от положения в пространстве сложным образом.

А.О – акустическая ось

– угол раскрытия ультразвукового пучка

r_б – расстояние ближней зоны

а – радиус ПЭП

I – ближняя зона

II –дальняя зона)

Рисунок 1.4 – Диаграмма направленности ПЭП

Расстояние ближней зоны для прямого ПЭП, r_Б ,мм:

, (15)

Расстояние ближней зоны для наклонного пьезоэлектрического преобразователя, r_Б:, мм

, (16)

где a_* - мнимый радиус пьезопластины.

, (17)

где β – угол призмы,

, (18)

С увеличением скорости УЗВ и угла ввода ближняя зона уменьшается

Угол раскрытия для прямого ПЭП, :

, (19)

где n – коэффициент формы пластины:

для круглой n = 0,63,

для квадратной n =0,5;

Угол раскрытия для наклонного ПЭП, :

(20)

1.4.2 Мёртвая зона

Мертвой зоной называют область под преобразователем, в которой нельзя нельзя выявить дефект из-за наличия зондирующего импульса.

Мертвая зона зондирующего импульса определяется шириной зондирующего импульса и зависит от частоты, текущего значения чувствительности качества демпфера пьезопластины. С увеличением частоты расстояние мёртвой зоны (r_m) уменьшается. С увеличением чувствительности мёртвая зона увеличивается, потому что увеличивается ширина всех сигналов. С увеличением угла ввода мертвая зона уменьшается

Сигнал считается различим с зондирующим импульсом, если разность амплитуд от начала слияния сигналов до максимальной точки сигнала превышает 6 дБ.

Для определения соответствия мертвой зоны требованиям нормативных документов применяются стандартные образцы с засверловками диаметром 2 мм, обычно расположенных на глубине 3,6,8,12мм.

1.4.3 Отклонение угла ввода от акустической оси

С увеличением глубины залегания отражателя наблюдается отклонение угла ввода α₀ (это угол между нормалью к поверхности , проходящей через току ввода УЗВ и акустической осью) от акустической оси. Акустическая ось – линия, показывающая направление распространения наибольшей энергии. При контроле деталей толщиной до 150 мм для определения угла ввода используют стандартный образец СО-2 или СО-3Р , выполненный из материала с акустическими свойствами, близкими к контролируемому изделию.

Для опеределения угла ввода ПЭП устанавливают на СО в направлении отверстия Ø6 мм на отметку, соответствующую углу ввода ПЭП. Легким перемещением ПЭП находят максимальную амплитуду и по положению метки на ПЭП считывают значение угла ввода по шкале СО.

Если контролируемый размер детали превышает 150 мм. То угол ввода определяется на СОП по засверловкам.

При больших глубинах амплитуда сигнала при отклонении от акустической оси первоначально не уменьшается, а увеличивается за счет широкой диаграммы направленности и уменьшения расстояния до отражателя.

Рисунок 1.5 – Отклонение угла ввода от акустической оси

На рисунке 1.5 в положении 1 ПЭП прозвучивает отражатель акустической осью, а в положении 2 – боковым лучом, имеющим некоторое отклонение от АО.

Параметры контроля, увеличение которых приводит к увеличению отклонения угла ввода:

• глубина контроля;

• затухание УЗВ;

• угол призмы ПЭП;

• диаметр зерна;

К уменьшению отклонения угла ввода приводит увеличение частоты УЗВ и увеличение диаметра ПЭП