
- •1 Модуль
- •Назовите основные величины, характеризующие акустические волны и поясните их физический смысл и взаимосвязь.
- •Физический смысл тензора деформаций и тензора напряжений. Закон Гука, его физический смысл.
- •Дайте понятие интенсивности и энергии звуковой волны. В чем отличие волновых уравнений для описания бегущих и стоячих волн?
- •Какие типы волн могут распространяться в газовых, жидкостных и твердых средах? Какими физическими величинами определяются скорости распространения упругих волн?
- •Какие виды поверхностных волн могут распространяться на границах раздела сред и в чем их особенность? Опишите возможные способы возбуждения поверхностных волн.
- •В чем особенность нормальных волн и в каких условиях они могут существовать? Физический смысл дисперсии скорости звука. Практические способы возбуждения нормальных волн.
- •При каких условиях могут существовать критические углы на границе сред, в чем их смысл, как их определить, какие явления наблюдаются при этом?
- •Какими упругими постоянными характеризуются твердые среды? Что такое волновое сопротивление среды и чем оно определяется?
- •Назовите основные акустические характеристики сред. Поясните механизм затухания акустических волн.
- •Как зависит коэффициент затухания от структуры среды и от частоты колебаний? Какое значение придается затуханию волн в акустическом контроле?
- •Механизм затухания волн в различных средах. Поглощение и рассеяние волн.
- •Отражение и преломление акустических волн на границах раздела сред. Трансформация волн. Критические углы.
- •В чем сущность закона Снеллиуса при падении акустической волны на границу раздела двух сред? в чем сущность коэффициентов отражения и прохождения и от чего они зависят?
- •Как используется наличие критических углов в практике контроля?
- •Как определить угол падения акустических волн при заданном угле ввода пучка в объект? Обратная задача.
- •Особенности отражения волн от свободной границы твердого тела. Обменные углы.
- •Дифракция волн в твердых телах. Явление поляризации для акустических волн.
- •Отражение и прохождение акустических волн при нормальном падении на границу двух сред, разделенных тонким слоем. Просветление границы.
- •2 Модуль
- •В чем состоит физическая сущность пьезоэффекта?
- •Перечислите основные свойства и характеристики пьезоматериалов и дайте их физический смысл.
- •Чем определяется механическая добротность пьезопреобразователей? За счет каких параметров можно реально повысить мощность акустического излучателя?
- •Опишите структуру традиционного электроакустического тракта.
- •Опишите структуру прямого пьезопреобразователя и назначение отдельных элементов.
- •В чем состоит физический смысл коэффициента преобразования? Каким образом можно добиться реального увеличения коэффициента преобразования?
- •Какими преимуществами обладают широкополосные преобразователи? Какие существуют способы расширения полосы пропускания частот для пьезопреобразователей?
- •Каким образом обеспечивается стабильный контакт преобразователя с объектом контроля? Как влияет толщина слоя смазки на чувствительность контроля?
- •Ршх пэп. Причины возникновения шумов преобразователей и способы их уменьшения.
- •Что такое поле излучения преобразователя и чем оно характеризуется? Диаграмма направленности.
- •Что такое ближняя и дальняя зоны преобразователя и чем она характерна? Как можно объяснить наличие осцилляций в ближней зоне преобразователя?
- •Изменится ли направленность акустического поля дискового преобразователя при изменении его диаметра или параметров среды?
- •Поясните методику построения мнимого излучателя для плоскопараллельной задержки.
- •Поясните методику построения мнимого излучателя для наклонной задержки.
- •Какие типы фокусирующих преобразователей используются в практике контроля и в чем их особенность? Какими параметрами характеризуется поле излучения фокусирующего преобразователя?
- •Наклонные, раздельно-совмещенные, хордовые пэп. Конструкции и параметры.
- •Основные характеристики преобразователей и способы их определения.
- •В чем особенность и эффективность преобразователей на фазированных решетках.
- •Модуль 3
- •Физические основы эхо-метода контроля. Структура и принцип действия эхо-импульсного дефектоскопа (требования к узлам).
- •Основные типы искусственных дефектов. Расчет акустического тракта. Ард-диаграммы и их применение.
- •Характеристики эхо-метода контроля: глубина прозвучивания, мертвая зона, разрешающая способность. Способы улучшения характеристик.
- •Чувствительность эхо-метода контроля и способы ее повышения. Что такое уровень чувствительности и какие уровни различают при реализации контроля?
- •Виды сканирования объектов. Шаг и скорость сканирования.
- •Особенности повышения чувствительности эхо-метода при высоком уровне помех.
- •Помехи при эхо-методе контроля и способы их уменьшения.
- •Способы определения координат и оценка размеров и формы дефектов при эхо-методе контроля.
- •Теневой метод контроля. Физические основы метода. Оценка изменения уровня сигнала в зависимости от величины дефекта и параметров объекта контроля.
- •Особенности аппаратуры для реализации теневых методов контроля. Помехи при теневом контроле и способы их уменьшения.
- •На чем основаны временной теневой и дифракционно-временной методы контроля, их возможности?
- •Зеркально-теневой метод контроля. Схемы прозвучивания. Оценка результатов контроля.
- •Измеряемые характеристики и признаки дефектов.
- •Схемы измерения условных размеров дефектов. Погрешности измерения условных размеров. Какие существуют способы задания крайних положений преобразователя при измерении дефектов?
- •Методы распознавания типа дефектов (по условным размерам, по коэффициенту формы).
- •Методы распознавания типа дефектов (по параметрам трансформированных и дифрагированных волн).
- •Стандартные образцы со-1, со-2, со-3, используемые при настройке аппаратуры.
- •Стандартные образцы предприятия (соп), их особенности и виды отражателей.
- •Модуль 4
- •Физический смысл появления акустической эмиссии. Источники появления волн акустической эмиссии и основные параметры аэ.
- •Акустическая эмиссия при деформации материалов и многократном нагружении. Какие требования предъявляются к аппаратуре и преобразователям при контроле методом аэ?
- •Приведите примеры практического применения метода аэ. Какие преимущества имеет метод аэ по сравнению с другими?
- •Методика определения местоположения дефектов по сигналам аэ. Число каналов и топология расположения преобразователей при контроля аэ-методом?
- •Методика проведения аэ-контроля:требования к аппаратуре и условиям проведения контроля, подготовка объекта к контролю, подготовка аппаратуры.
- •Принцип действия ультразвукового эхо-импульсного толщиномера. Виды акустических трактов при контроле толщин изделий?
- •Виды погрешностей при измерениях толщины. Контрольные образцы.
- •Ограничивающие параметры объекта контроля при эхо-импульсной толщинометрии. От каких факторов зависит диапазон измерений в толщиномерах?
- •Методика проведения толщинометрии реальных объектов.
- •Особенности акустического контроля неметаллических и композиционных многослойных конструкций. Дефекты соединений.
- •Сущность, аппаратура и область применения интегральных и локальных методов свободных колебаний.
- •Импедансный метод контроля. Основы метода, аппаратура, возможности и область применения.
- •Велосимметрический метод контроля. Основы методов, аппаратура, возможности и область применения.
- •Акустический контроль физико-механических характеристик материалов (твердость и прочность материалов). Особенности методики и аппаратуры.
- •Особенности контроля прочности бетона и структуры чугуна.
- •Акустический контроль поверхностных характеристик материалов (шероховатость, поверхностно упрочненные слои).
- •Контроль стыковых сварных соединений листовых конструкций и труб.
Основные типы искусственных дефектов. Расчет акустического тракта. Ард-диаграммы и их применение.
Реальные
дефекты могут иметь самую разнообразную
форму, ориентацию и акустические
свойства, которые заранее неизвестны,
поэтому формулы акустического тракта
выводятся обычно для моделей дефектов
в виде полых отражателей простой формы.
Трудность практического исполнения
подобных отражателей вынуждает заменять
их искусственными отражателями: например,
диск - плоскодонным отверстием, сферу
- отверстием со сферическим дном и т.д.
При этом амплитуды эхо-сигналов от
моделей дефектов и искусственных
отражателей мало отличаются, когда их
размеры больше длины волны ультразвука.
а, б, в - отверстия с плоским, сферическим и цилиндрическим дном, г - паз с плоским дном; д - цилиндрическое отверстие, е - плоскость, ж - фокусирующая поверхность.
В связи со сложностью изготовления отверстий с плоским дном, ориентированных строго перпендикулярно акустической оси преобразователя, при контроле наклонным преобразователем допускается применение сегментных и угловых отражателей.
а
- плоскодонное отверстие, б -
отверстие со сферическим дном; в -
протяженное цилиндрическое отверстие
(боковое отверстие); г - сегмент; д
- угловой плоский отражатель (зарубка);
е - угловой цилиндрический отражатель
(угловой цилиндр); ж - вогнутая
цилиндрическая поверхность; з -
двугранный угол.
При небольших толщинах контролируемых изделий отражатель типа зарубки удобно использовать вместо плоскодонного отверстия. При этом отношение глубины зарубки hк ее ширине bдолжно быть 0,5 - 4, а размеры hи bдолжны быть больше длины волны ультразвука. Площадь зарубки s3, дающей сигнал, равный сигналу от заданного плоскодонного отверстия sn, определяется по формуле
S3= Sn/K.
Значение коэффициента К для стали и некоторых преобразователей, полученные экспериментально, можно взять из графика
Отражение от диска или отверстия с плоским дном. Анализ формул акуст.тракта
Отражение от диска или отверстия с плоским дном. В данном случае можно представить каждую точку диска, совпадающего с плоским дном отверстия, вторичным источником ультразвука с амплитудой, равной амплитуде падающей волны, умноженной на коэффициент отражения R. При этом будем считать, что точки плоскости вне диска не излучают ультразвук. Тогда выражение для давления на приемнике будет иметь вид
где
Sa- площадь преобразователя; Sb
- площадь дна отверстия.
Для границы с воздухом R»-1. В случае небольших размеров дефекта, но превосходящих длину волны l, функцию I2на дефекте можно считать постоянной, тогда
где
Aд=Sb/l2
- коэффициент формы дефекта.
В ближней зоне преобразователя ½I½2 меняется от 1 до 4, поэтому
В дальней зоне на оси преобразователя I=Sa/lr, тогда
Видно, что амплитуда отраженной волны от небольшого плоского дефекта не зависит от его формы и пропорциональна его площади. Следует отметить, что если размер дефекта меньше l, то описанное выше приближение (Кирхгофа) оказывается неверным, т.е. в этом случае амплитуда отражения убывает с уменьшением отношения b/l(b- радиус отражателя) намного быстрее, чем при b³l.
Когда площадь отражателя приближается к площади преобразователя, то нельзя считать функцию I на поверхности дефекта постоянной. Поскольку I уменьшается от центра к периферии, амплитуда сигнала возрастает с ростом дефекта медленнее, чем по закону Sb/l2.
Если размеры отражателя превосходят размеры преобразователя, необходимо учитывать при оценке эхо-сигналов в какой зоне находится отражатель (ближней или дальней), а также тот факт, что и отражатель, являясь вторичным излучателем, имеет ближнюю и дальнюю зоны, в которые попадает приемник.
А
мплитуда
эхо-сигнала от плоскодонного отверстия
(диаметр преобразователя 2а - 12 мм,
λ = 2,35 мм).
1 - х≈хб=15 мм; 2 - х=100 мм.
Величину ½P/P0½ можно представить как функцию двух безразмерных параметров: отношения диаметра диска к диаметру преобразователя (2b/2a) и отношения расстояния от преобразователя до отражателя к длине ближней зоны преобразователя (r/rб). На основе этого ослабление амплитуды сигнала в широком диапазоне диаметров плоского отражателя и расстояний до него находят по безразмерной диаграмме амплитуда - расстояние - диаметр, так называемой АРД-диаграмме. По ней определяют максимальную амплитуду эхосигнала от диска, расположенного на данной глубине. Затухание ультразвука в данной диаграмме не учтено.
АРД-диаграммы и их построение
По ней определяют максимальную амплитуду эхосигнала от диска, расположенного на данной глубине. Затухание ультразвука в данной диаграмме не учтено. По безразмерной АРД-диаграмме строят размерные диаграммы для конкретных типов преобразователей. Здесь все параметры выражаются в прямых единицах. Для учета затухания ультразвука размерные диаграммы вставляют в планшет, имеющий поворотную сетку линий. Сетку поворачивают относительно оси абсцисс на угол, определяемый коэффициентом затухания , и линиями сетки пользуются вместо горизонтальных линий координат АРД-диаграммы.
АРД-диаграммы применяют для настройки чувствительности перед контролем и для определения эквивалентных размеров дефектов. Эта величина определяется как диаметр или площадь плоскодонного отражателя, расположенного на той же глубине, что и реальный дефект, и дающего одинаковую с дефектом амплитуду эхо-сигнала.
В практике контроля следует учитывать, что реальные дефекты отличаются от рассмотренных моделей неправильностью формы и шероховатостью поверхности. Они могут быть пустыми или заполненными инородными веществами. Все это оказывает влияние на ослабление амплитуды эхо-сигналов. Так, например, шероховатость поверхности отражателя ослабляет амплитуду сигнала, когда величина неровностей превосходит /3. Шлаки и другие вещества, заполняющие дефект, снижают амплитуду отраженного сигнала приблизительно пропорционально коэффициенту отражения. Если акустические характеристики основного материала и неоднородностей сравнимы, то наблюдается резкое уменьшение амплитуды эхо-сигнала.
Номограмма амплитуда — расстояние — диаметр (АРД-диаграмма) для эхо-метода
Формулы акустического тракта позволяют, измерив амплитуду эхо-сигнала и расстояние до дефекта, определить его эквивалентную площадь (диаметр). Однако, каждый раз проводить вычисления по формулам не практично. Удобнее использовать номографическое отображение .лих формул в виде рассчитанных или полученных экспериментально АРД-диаграмм.
АРД-диаграммы служат для настройки чувствительности дефектоскопа (эталонирования) и измерения эквивалентной площади (диаметра) дефектов.
Способ настройки по АРД-диаграммам состоит в том, что предельную чувствительность, выраженную через эквивалентную площадь отражателя, устанавливают как долю от опорного эхосигнала, полученного от двугранного угла бесконечной плоской или цилиндрической поверхности и т.п. Его применение нс требует набора образцов различной толщины. Кроме того, такое эталонирование можно проводить в нескольких точках изделия, что позволяет усреднить настроечный уровень и избавиться от случайных ошибок.
Используют
АРД-диаграммы двух видов. Обобщенная
безразмерная АРД-диаграмма представляет
собой семейство кривых, отражающих
зависимость амплитуды сигнала А от
диаметра дискового отражателя (I = 2Ь,
расстояния до него г, диаметр
пьезоэлемепта Оа = 2(1 и частоты
ультразвука /. Она построена в
безразмерных параметрах: г/г(-(1/Оа
. Обобщенная АРД-диаграмма (рис. 5.22а)
является основой для построения
специализированных АРД-диаграмм для
конкретного преобразователя с помощью
перехода от безразмерных параметров
к непосредственно измеряемым (I и
г.
Специализированная АРД-диаграмма (рис. 5.226) для серийного наклонного преобразователя размещается в планшете.
По
оси ординат отложена относительная
амплитуда эхо-сигнала в отрицательных
децибелах, а но оси абсцисс - глубина
залегания дефекта. Для учета коэффициента
затухания в планшете имеется прозрачный
диск с нанесенной сеткой параллельных
линий. Угол поворота диска про градуирован
в единицах коэффициента затухания 6.
При расчетах используют косоугольную
систему координат, образуемую вертикальными
линиями АРД-диаграммы и наклонными
линиями диска. В зарубежных АРД-диаграммах
шкала по оси абсцисс обычно отображена
в логарифмическом масштабе. При отсутствии
планшета косоугольная сетка вычерчивается
непосредственно па АРД-диаграмме. Как
показано ранее, значения 6 определяют
с помощью эхо-сигналов Лж\
и Лоо2 от двугранного угла образца
или свободного края изделия и АРД-диаграммы.
Па планшете находят такой угол поворота
сетки, при котором
Пример рабочей АРД-диаграммы для прямого ПЭП (2а=12мм, f=2,5 Мгц, С=5800 м/с)