9.2. Область применения ультразвуковых методов

Определение динамического модуля упругости. Скорость распро­странения упругих колебаний v связана с динамическим модулем упруго­сти Е_дн„ и плотностью р проверяемого материала соотношением

справедливым для случая продольных колебаний в стержне (одномерная задача).

Определив экспериментально скорость распространения волны ко­лебаний в элементе, длина которого велика по сравнению с его поперечны­ми размерами, находим, E_duil=vp, если плотность материала известна.

В массивных и плитных конструкциях, т.е. для случаев трехмер­ной (пространственной) и двухмерной задач, а также для поперечных коле­баний зависимость между Ец_ии и v определяется более сложными соотно­шениями, в которые кроме р входит также коэффициент Пуассона ц рас­сматриваемого материала.

Для одновременного нахождения всех трех параметров {Е_диш р и /;) необходимо сопоставление по крайней мерс трех экспериментов по опреде­лению v, произведенных в разных условиях с применением продольных и поперечных колебаний и в конструкциях разной размерности - пространст­венных, плитных и стержневых.

Определение толщины элемента при одностороннем доступе.

В серийно выпускаемых для этой цели толщиномерах используется непре­рывное излучение продольных ультразвуковых волн регулируемой часто­ты. На рис.9.2 показан график распространения колебаний (условно на­правленных не вдоль, а поперек направления луча) по толщине стенки. Дойдя до противоположной се грани, волна отражается и идет в обратном направлении. Если проверяемый размер h точно равен длине полуволны (или кратен этой величине), а противоположная грань соприкасается с ме­нее плотной средой, то прямые и отраженные волны совпадают. Амплиту­ды колебаний самой пьезопластинки при этом резко возрастают (явление резонанса), что сопровождается соответствуюшим увеличением разности потенциалов на се поверхностях.

Рис. 9.2. Схема измерения толщнны резонансным методом;

]- исследуемая деталь; 2 - пьезоэлемент; 3 - совпадающие амплитуды прямой и обратной «стоячей» волны; h - толщина детали.

Замерив соответствующую резонансную частоту f и зная скорость распространения волн по длине 2h (суммарный ход прямого и отраженного лучей), находим проверяемую толщину по формуле:

Для стали скорость продольных ультразвуковых волн практически постоянна (v=5,7 W⁵ см/сек), что дает возможность, меняя частоту в преде­лах от 20 до 100 тыс. гц, надежно измерять толщину стенок от долей мил­лиметра до нескольких сантиметров.

Определение глубины трещин в бетоне. Излучающий и прием­ный преобразователи А и В располагаются симметрично относительно кра­ев трещины на расстоянии а друг от друга (рис.3.7). Колебания, возбужден­ные в точке А, попадут в точку В по кратчайшему пути:

АСВ =hh² + а²

где а - глубина трешины.

При скорости v на это потребуется время

4h² +а²>h = определяемое экспериментально

где скорость v определяется обычно на неповрежденных участках поверх­ности. По указанному методу могут быть исследованы трещины глубиной до нескольких метров.

Рис. 9.3. Определение глубины поверхностной трещины в бетоне:

1 - бетонный массив; 2 - трещина; А - излучающий и В - приемный преобразователи

Следует, однако, иметь в виду следующее:

1. значения v на поверхности и в глубине массива могут несколько отличаться;

2. длина пути АСВ немного возрастет в случае не вертикальности трещины и, наоборот, может существенно уменьшиться при наличии в тре­ щине воды, являющейся хорошим проводником ультразвуковых волн.

В ответственных случаях возможно получить данные для глубоких трещин. Отметим также другие практически наиболее важные области применения ультразвуковых методов.

В бетонных и железобетонных конструкциях производится:

• определение прочности бетона по корреляционным зависимо­ стям между скоростью распространения ультразвуковых волн и прочно­ стью бетона на сжатие, устанавливаемым путем параллельных ультразвуко­ вых и прочностных испытаний образцов бетона заданного состава и режи­ ма изготовления (при контроле вновь изготовляемых конструкций и дета­ лей) или образцов, извлеченных из возведенных сооружений. В случае не­ возможности отбора образцов из уже эксплуатируемых конструкций ориен­ тировочное определение прочности бетона возможно по тарировочной за­ висимости;

• контроль однородности бетона в сооружениях;

• выявление и исследование дефектов в бетоне сквозным прозву- чиванием (возможным и при значительных толщинах бетона - до Юм и

более) и путем измерений на поверхности конструкций. О наличии и харак­тере дефектов и повреждений судят при этом по изменениям скорости про­хождения ультразвуковых волн в пределах отдельных участков поверхно­сти (так называемый метод годографа, т. е. графика скоростей);

- определение толщины верхнего ослабленного слоя бетона, распо­ ложения слоев разной плотности и т. п.

Наличие арматуры в железобетонных конструкциях не метает применению ультразвуковых методов, если направление прозвучивания не пересекает арматурные стержни и не совпадает с ними.

В металлических конструкциях:

• импульсная дефектоскопия швов сварных соединений в стальных и алюминиевых конструкциях;

• дефектоскопия основного материала;

• толщинометрия (определение толщин защитных металлических покрытий; выявление ослабления сечений коррозией).

В деревянных конструкциях и конструкциях с применением пластмасс:

• проверка физико-механических характеристик,

• проверка качества и дефектоскопия основного материала;

• дефектоскопия клеевых соединений и стыков.