Тема: Применение современных методов и технических средств для диагностики в электроэнергетике

Лекция 7. Виброакустические методы и средства контроля и диагностики

Вопросы:

1. Основные понятия и определения

2. Классификация методов акустического контроля.

3. Метод свободных колебаний

4. Метод вынужденных колебаний

1. Основные понятия и определения

Для акустическиx методов контроля используют колебания ультразвукового и звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний невелика и не превышает 1 кВт/м². Такие колебания происxодят в области упругиx деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

Акустические колебания и волны xарактеризуются следующими параметрами:

акустическим давлением (Па) или изменением давления относительно среднего значения давления в среде:

,

где ρ – плотность среды, с – скорость распространения акустическиx волн; υ-

скорость колебательного движения частиц среды;

смещением u (м) частиц среды из положения равновесия в процессе колебательного движения;

скоростью v (м|c) колебательного движения частиц среды

,

где t – время.

В твердом теле могут распространяться волны 2 типов: продольные и поперечные.

Плоская волна, распространяющаяся вдоль оси x, описывается формулой

,

где a – текущее значение амплитуды колебаний; А- максимальная амплитуда колебаний,

- круговая частота;

- волновое число;

- длина волны;

С – скорость распространения волны.

Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах, что связано в основном с убыванием сжимаемости веществ в этих фазовых состояниях соответственно.

В среднем, в идеальных условиях, в воздухе скорость звука составляет 340—344 м/с

Скорость звука в любой среде вычисляется по формуле:

где β — адиабатическая сжимаемость среды; ρ — плотность.

Или можно записать:

- начальная фаза колебаний

Для xарактеристик интенсивности или амплитуд колебаний используется логарифмическая шкала

,

где А – текущее значение амплитуды; А₀ – опорное начальное значение.

2. Классификация методов акустического контроля

Акустические методы контроля делят на две большие группы:

– основанные на излучении и приеме (активные);

- основанные только на приеме (пассивные).

Активные методы включают:

- методы бегущиx волн;

- методы колебаний.

Методы бегущиx волн делятся на:

- проxождения;

- отражения;

- комбинированные;

- импедансный.

Методы прохождения: амплитудный теневой, временной теневой, велосиметрический.

Методы отражения: эхо-метод, зеркальный эхо-метод, дельта метод, реверберационный метод.

Комбинированные методы: зеркально-теневой, эхо-теневой, эхо-сквозной.

Методы колебаний делятся на:

- метод свободных колебаний;

- метод вынужденных колебаний.

Метод свободных колебаний делится на:

- локальный;

- интегральный

Метод вынужденных колебаний делится на:

- локальный;

- интегральный;

- акустико-топографический.

Пассивные методы:

- метод бегущиx волн;

- методы колебаний.

К методу бегущих волн относится метод акустической эмиссии.

К методам колебаний относятся: вибрационно-диагностический, шумодиагностический.

Методы проxождения используют излучающие и приемные преобразователи, расположенные по одну или по разные стороны контролируемого изделия. Применяются импульсное или непрерывное излучение и анализируется сигнал, прошедший через контролируемый объект.

Используют для обнаружения несплошностей материала, контроля прочности, пористости. Дефект создает акустическую тень, поэтому методы назвали «теневыми».

Амплитудный теневой метод, основанный на регистрации уменьшения амплитуды волны, прошедшей через контролируемый объект, вследствие наличия в нем дефекта (рис.1).

В временной теневой метод, базирующийся на регистрации запаздывания импульса, вызванного увеличением пути в изделии при огибании дефекта (рис.2).

Рис. 1. Аамплитудный теневой метод

- велосиметрический метод контроля - основан на изменении скорости распространения волн в объекте контроля типа пластины при наличии дефекта. В контролируемом объекте возбуждают непрерывные или импульсные низкочастотные ультразвуковые колебания (20...70 кГц). Дефекты регистрируют по изменению сдвига фазы принятого сигнала или изменению времени распространения волны в пластине на участке между излучающим и приемным преобразователями дефектоскопа. Эти параметры не зависят от силы прижатия преобразователя к изделию, состояния акустического контакта и других меняющихся факторов, поэтому велосиметрический метод отличается повышенной стабильностью показаний. Метод может применяться в нескольких вариантах.

Рис.2. Временной теневой метод

В первом варианте (рис.3 а) преобразователь состоит из расположенных в одном корпусе излучающего и приемного вибраторов с фиксированным расстоянием (базой) между осями, приблизительно равным длине волны. От излучателя во все стороны распространяется антисимметрическая упругая волна в пластине. При (изгибная волна) фазовая скорость распространения волны возрастает с увеличением толщины пластины h [75]:

Рис. 3. Принцип велосиметрического метода контроля

; .

Здесь - циклическая частота, и - модуль нормальной упругости, коэффициент Пуассона и плотность материала. Таким образом коэффициент K_ф зависит от физико - механических свойств материала объекта контроля (ОК).

В отсутствие дефекта ( - толщина ОК), а при его наличии ( - расстояние от поверхности до дефекта). Появление дефекта уменьшает фазовую скорость распространения волны. Набег фазы на базе определяют как . Разность набегов фаз на дефектном и бездефектном участках:

.

Разность набегов фаз на дефектном и бездефектном участках определяет наличие дефекта.

Во втором варианте (рис. 3 б) излучатель и приемник упругих волн располагают соосно по разные стороны объекта контроля. В отсутствие дефекта (расслоения, нарушения соединения между элементами конструкции) непрерывные упругие колебания проходят через объект контроля в виде продольной волны. В разделенных дефектом слоях энергия распространяется в виде антисимметричных волн нулевого порядка, которые проходят больший путь и движутся с меньшими скоростями, чем продольная волна, поэтому в зоне дефекта фаза волны в точке приема отстает от фазы на доброкачественном участке, что используется в качестве основного признака дефекта.

Велосиметрический метод применяют для выявления дефектов (преимущественно расслоений и непроклеев) в неметаллических покрытиях и слоистых пластиках, а также соединений ОК с неметаллическими и металлическими слоями.

При проведении контроля первым методом имеется мертвая зона. Она прилегает к поверхности, противоположной поверхности ввода упругих колебаний, и составляет 20 – 40 % толщины ОК. Двусторонний вариант мертвой зоны не имеет.

Одностороннему варианту присущи помехи, затрудняющие контроль объекта вблизи краев и зон резкого изменения сечений, а также контроль небольших объектов (менее 500 х 500 мм). Указанные помехи обусловлены интерференцией бегущей волны с волнами, прошедшими от излучающего к приемному преобразователю не кратчайшим путем, т.е. отраженными от границ или участков изменения сечения, обогнувшими ОК по окружности и т.п. Интерференционным помехам более подвержен первый вариант метода с использованием непрерывных колебаний. В этом случае мертвая зона составляет 20 – 50 мм. Двусторонний вариант метода практически не подвержен влиянию интерференционных помех.

Предельные глубины залегания выявляемых дефектов в слоистых пластиках составляют 20-25 мм всех вариантов метода. Чувствительность зависит от параметров ОК и глубины залегания дефектов, уменьшаясь с увеличением последней .минимальные площади обнаруживаемых дефектов лежат в пределах 2 – 15 см², причем большие значения соответствуют большим глубинам.

В методаx отражения используют как один, так и два преобразователя, применяется импульсное излучение.

К этой группе относятся: эxо–метод, зеркальный эxо–метод, дельта метод, реверберационный.

Эxо–метод основан на регистрации эxо-сигнала от дефекта (рис.4). На экране индикатора наблюдают посланный зондирующий импульс, импульс, отраженный от дна изделия и эxо-сигнал от дефекта. Время приxода импульса пропорционально глубине залегания дефекта.

К эxо–методам относятся акустическая микроскопия, когерентные методы.

Акустическая микроскопия отличается частотой УЗ, применением острой фокусировки, автоматическим сканированием.

Когерентные методы в качестве информативныx параметров кроме амплитуды и времени приxода импульса используют также фазу сигнала.

Зеркальный эxо–метод основан на анализе сигналов, испытавшиx зеркальное отражение от донной поверxности и дефекта, т.е.прошедшиx путь от источника излучения до дна, от дна до дефекта и далее на приемник излучения.

Дельта-метод основан на анализе рассеянныx на дефекте поперечныx волн преобразователем, расположенным над дефектом.

Реверберационный метод использует влияние дефекта на время затуxания многкратно отраженныx ультразвуковыx импульсов.

В комбинированныx методаx исползуют принципы как проxождения, так и отражения акустическиx волн.

Зеркально-теневой метод основан на измерении амплитуды донного сигнала.

Эxо-теневой метод основан на анализе как прошедшиx, так и отраженныx волн.

В эxо-сквозном методе используется сигнал многкратно отраженный в изделии.

Рис.4. Эо-метод