Скорость распространения ультразвуковых волн

Цель работы: изучение параметров ультразвуковых колебаний и экспериментальное определение скорости продольной и поперечной волн в образцах из различных материалов.

Аппаратура и образцы, используемые в работе: дефектоскоп ультразвуковой типа УД2-12; прямые пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) на частоту 2,5 МГц типа П111-2,5К12-002; наклонные преобразователи на частоту 2,5 МГц с углом ввода= 50° (П121-2,5-50°-002); кабели к ПЭП; стандартный образец типа СО-3; лабораторные образцы из малоуглеродистой стали и оргстекла со ступеньками; минеральное масло.

1.1. Краткие сведения из теории

Измерение скорости ультразвуковых колебаний или ультразвука в образцах из различных материалов производят эхо-импульсным методом. Скорость ультразвука при различных типах волн можно рассчитать по упругим константам материала среды, а именно: по модулю упругости Е, Н/м, плотности , кг/м, и коэффициенту Пуассона(безразмерная величина).

Так, для продольных волн скорость ультразвука определяется по формуле:

, (1.1)

для поперечных волн –

. (1.2)

Однако определение скорости ультразвука по формулам (1.1) и (1.2) сводится к измерению значений Е, и, что требует больших трудозатрат и времени.

Эхо-импульсный метод позволяет определить скорости C_lиC_tэкспериментальным путем. Волна, введенная в виде зондирующего импульса (ЗИ) ультразвуковых колебаний в какую-либо деталь, дойдя до внутренних отражателей (несплошности, грани поверхностей), в общем случае будет отражаться в виде эхо-импульса (ЭИ) колебаний. При глубине залегания отражателя Н и времени прохождения волныот точки ввода в деталь до отражателя и обратно скорость продольной волны С_l(рис. 1.1) определится по формуле:

; (1.3)

поперечной волны С_t(рис. 1.2) –

, (1.4)

где 2t_п– время прохождения импульса ультразвука через призму ПЭП в обоих направлениях (акустическая задержка), с;

α – угол ввода луча в среду.

ОК

Н



x

Y = H

Рис. 1.1. Схема прохождения продольной волны в ОК

Рис. 1.2. Схема прохождения поперечной волны в ОК

Формулы (1.3) и (1.4) положены в основу косвенного измерения скоростей C_l иC_tв различных образцах. Для определения скоростейC_l иC_tтребуется измерить глубину Н, время, знать или измерить значение времени 2t_пи угол. Акустическая задержка 2t_ппри измерении скоростиC_lмала, поэтому ею можно пренебречь. Однако при некоторых способах измерения скоростиC_tона может быть соизмерима со временеми ею нельзя пренебрегать. Очевидно, что в любом случае косвенное определение скорости будет приближенным.

1.1.1. Способ косвенного измерения скорости продольной волны в образцах с плоскопараллельными гранями

Скорость C_lэтим способом можно измерить с использованием многократного отражения от донной поверхности ультразвуковых волн, излучаемых прямым ПЭП, установленным на противоположную грань образца (рис. 1.3).

Экран дефектоскопа

ПЭП

C_l

H

ЗИ

ДИ1

ДИ2

₁

₂

Донная поверхность

а б

Рис. 1.3. Схема определения скорости продольной волны

с помощью прямого ПЭП

Применяя формулу (1.3) для первого и второго донных импульсов (ДИ), получаем:

. (1.5)

Из уравнения (1.5) видно, что искомую величину можно получить, измеряя значения временных интервалов ₁и₂от зондирующего импульса до первого и второго донных эхо-сигналов.

Указанные операции на дефектоскопе УД2-12 выполняются блоком цифрового отсчета (БЦО) в режиме «S» с использованием строба автоматической сигнализации дефекта (АСД) и (или) ручного стробирования. Преобразования уравнения (1.5) показывают, что в данном случае определения времени 2t_пне требуется и регулятор «» («ушастый нуль») на блоке А6 при измерении₁и₂может находиться в любом положении (кроме крайних), удовлетворяющем условию₁2t_п. В противном случае БЦО не может определить интервал₁и иногда₂. В случае, если₁2t_max= 30 – 35 мкс, указанное требование выполняется автоматически.

2. Способы косвенного измерения скорости поперечной волны

на различных образцах

Способ1. Используются полукруглый образец СО-3 радиусомRи отражатель – вогнутая поверхность. Схема прозвучивания представлена на рис. 1.4, а.

а б

Экран дефектоскопа

ЗИ

ДИ1

ДИ2

₁

₂



C_l

2R

2t_п

Нуль глубиномера

Рис. 1.4. Схема прозвучивания образца СО-3

Скорость C_tможно определить, измеряя временные интервалы₁и₂до первого и второго отраженных (эхо) сигналов (эхо-сигналов). Соотношение для определенияC_t, полученное на основе формулы (1.4), имеет вид:

. (1.6)

Процедура определения скорости С_lаналогична процедуре, изложенной в подразд. 1.1.

Способ2. Используются образец с плоскопараллельными гранями и отражатель – двугранный угол. Схема прозвучивания приведена на рис. 1.5, а.

В этом случае время (– 2t_п) соответствует времени прохождения импульса ультразвуковых колебаний непосредственно в образце, где– время прохождения волны от пьезопластины до отражателя и обратно, измеряется оно дефектоскопом и включает в себя акустическую задержку 2t_п, обусловленную материалом призмы ПЭП. Акустическую задержку необходимо знать заранее. Дефектоскоп УД2-12 позволяет компенсировать ее путем сдвига нуля глубиномера относительно зондирующего импульса с помощью регулятора «» на блоке А6 верхней панели ПЭП. Для определения значения 2t_пнеобходимо выполнить последовательно следующие операции.

Экран дефектоскопа

ЗИ

2t_п

Нуль глубиномера





H

U₁

U₂

а б

Рис. 1.5. Схема прозвучивания образца с плоскопараллельными гранями

1) Установить ПЭП на поверхность полукруглого образца СО-3 так, чтобы отражение ультразвуковых колебаний осуществлялось от вогнутой поверхности и первый отраженный сигнал достигал максимального значения.

2) Довести амплитуду сигнала до определенного уровня, например до середины экрана, но не менее двух больших клеток на экране ЭЛТ (выполняется с помощью кнопки «Ослабление dB» и (если требуется) регулятора «» на блоке А8).

3) Застробировать сигнал стробом АСД (регуляторы «» и «» – на блоке А10) или ручным стробированием (регулятор «» – на передней панели).

4) Регулятором «» на блоке А6 выставить на БЦО в режиме «S» время распространения ультразвуковых колебаний 33,7 мкс, если радиус вогнутой поверхности СО-3 составляет 55 мм, или 36,8 мкс, если радиус равен 60 мм.