Классификация ультразвуковых методов диагностики.

Различают две группы акустических методов неразрушающего контроля: ультразвуковой дефектоскопии и структуроскопии, основанные на исследо­вании процесса распространения ультразвуковых упругих колебаний, спе­циально вводимых в контролируемый объект; акустической эмиссии, основанных на исследовании упругих волн, возникающих в контролируемом объекте в момент образования или развития в нем несплошностей. Для излучения и регистрации упругих колебаний применяют электро­акустичес-кие или электромагнитоакустические преобразователи. В практи­ке контроля металлических конструкций используют теневой, зеркально-теневой и эхо-импульсный методы ультразвуковой дефектоскопии и метод ультразвукового структурного анализа. При ультразву­ковой дефектоскопии признаком обнаружения дефекта является:

для те­невого метода – уменьшение интенсивности (амплитуды) ультразвуковой волны, прошедшей через объект от излучающего (И) преобразователя к приемному (П);

для зеркально-теневого – уменьшение интенсивности (ам­плитуды) ультразвуковой волны, отраженной от противоположной (донной) поверхности объекта (уменьшение донного сигнала);

для эхо-метода – прием преобразователем волны, отраженной от дефекта (прием эхо-сиг­нала).

При ультразвуковом структурном анализе признак обнаружения дефекта – превышение ослабления ультразвуковой волны, прошедшей через контролируемый объект, над соответствующим ослаблением в контрольном образце.

В практике контроля рельсов получили распространение теневой, зеркально-теневой и эхо-методы ультразвуковой дефектоскопии.

Физические основы ультразвуковой дефектоскопии.

Распространение упругих волн. Ультразвуковые колебания так же, как и звуковые, представляют собой механические колебания частиц упругой среды. Ультразвуковыми называются упругие колебания, частота которых больше 20 кГц, т. е. выше частоты слышимого человеком звука. Упругие колебания могут быть возбуждены в газообразной, жидкой и твердой средах. Колебательное движение возбужденных частиц благодаря наличию упругих связей вызывает ультрозвуковые волны.

Для получения ультразвука частот (1-5 мГц) применяют пьезоэлектрические, магнито-стрикционные, электромагнитно-акустические и другие преобразователи. Наибольшее распространение получи­ли пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), в кото­рых активными являются пьезоэлементы, изготовленные из монокристалла кварца или пьезокерамических мате­риалов — титаната бария, цирконат титаната свинца и др. Для изготовления преобразователей (вставок, резо­наторов) рельсовых дефектоскопов чаще всего исполь­зуют ПЭП из цирконат титаната свинца марки 19 (ЦТС-19). На плоские поверхности пьезоэлементов наносят тон­кие слои серебра, служащие электродами. При подведе­нии к электродам знакопеременного электрического на­пряжения пьезоэлемент совершает вынужденные меха­нические колебания (растягивается и сжимается, как это показано на рис. 9.4) с частотой подаваемого электри­ческого напряжения. Данное явление называется обрат­ным пьезоэффектом.

Рис. 9.4. Иллюстрация обратного пьезоэффекта.

При воздействии на пьезоэлемент упругих механи­ческих колебаний на его электродах возникает знакопе­ременное электрическое напряжение, величина которого пропорциональна прилагаемому к пьезоэлементу усилию (рис. 9.5). Это явление носит название прямой пьезоэффект.

Рис. 9.5 Иллюстрация прямого пьезоэффекта.

Эхо- метод ультразвукового контроля.

Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии основан на излучении в контролируемое изделие коротких зондиру­ющих импульсов и регистрации эхо-сигнала, отраженно­го от дефекта. Временной интервал между зондирующим и эхо-импульсами пропорционален глубине залегания дефекта, а амплитуда, в определенных пределах, отра­жающей способности (размеру) дефекта.

К преимуществам эхо-метода относятся:

• односторонний доступ к изделию;

• относительно большая чувствительность к внут­ренним дефектам;

• высокая точность определения координат дефек­тов.

К недостаткам эхо-метода можно отнести:

• низкую помехоустойчивость к поверхностным от­ражателям;

• резкую зависимость амплитуды эхо-сигнала от ори­ентации дефекта;

• невозможность контроля качества акустического контакта в процессе перемещения ПЭП, так как при от­сутствии дефектов на выходе отсутствуют какие-либо сигналы.

Несмотря на указанные недостатки, эхо-метод яв­ляется наиболее распространенным методом ультра­звуковой дефектоскопии изделий. С помощью этого метода обнаруживают более 90% дефектов в железно­дорожных рельсах.

Отличительной особенностью метода является то, что при контроле изделий регистрируются и анализируются практически все сигналы, приходящие из изделия после излучения зондирующих колебаний.

Поэтому при контроле изделий с плоскопараллель­ными поверхностями возможен одновременный прием эxo-сигналов как от дефекта, так и от противоположной поверхности (Рис.9.6). Причем временное положение Эхо-сигнала от дефекта относительно зондирующего им­пульса пропорционально глубине h его залегания

t= 2h/c,

где с — скорость распространения ультразвуковых колебаний в изделии.

Рис. 9.6. Формирование эхо- и донного сигналов.

Для обнаруженного эхо-импульсным методом дефекта можно измерить три условных размера: условную ширину ΔХ, условную высоту ΔН и условный размер по длине рельса ΔL.

Условный размер ΔL по длине рельса характеризу­ется длиной, зоны в миллиметрах перемещения ПЭП вдоль рельса, в пределах которого формируется сигнал от дефекта (рис. 9.7) при заданной условной чувстви­тельности дефектоскопа.

У словная высота ΔН дефекта – это разность пока­заний дефектоскопа, снятых при тех же положениях ПЭП, при которых измерялся условный размер ΔL (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Измерение условного размера ΔL и условной высоты ΔН дефекта

У словная ширина ΔХ дефекта (мм) измеряется по длине зоны между крайними положениями ПЭП, пере­мещаемого вдоль контролируемого сечения (рис. 9.8).

Рис. 9.8. Измерение условной ширины ΔХ дефекта в головке рельса

Крайними положениями ПЭП при измерениях ус­ловных размеров ΔL, ΔН и ΔХ считают положения, при которых амплитуда эхо-сигнала от выявленного дефекта уменьшается до уровня срабатывания автома­тического сигнализатора дефектоскопа, настроенного в соответствии с требованиями нормативной докумен­тации на контроль конкретного изделия.