38. 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 S_a- площадь преобразователя; S_b - 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 A_д=S_b/l² - коэффициент формы дефекта.

В ближней зоне преобразователя ½I½² меняется от 1 до 4, поэтому

В дальней зоне на оси преобразователя I=S_a/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 S_b/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≈х_б=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/r_б). 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 О_а = 2(1 и частоты ультразву­ка /. Она построена в безразмерных параметрах: г/г₍-(1/О_а . 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 Л_ж\ 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)