Lektsii_ispyt

71

Лекция 8

5.4. Основы акустических методов испытания конструкций

Ультразвуковые акустические методы построены на изучении характера распространения звука в конструкционных материалах. Звук - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волны в газообразной, жидкой или твердой среде. Упругие волны принято делить на инфразвуковые частотой до 20 Гц, звуковые, частота которых лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц, ультразвуковые частотой от 20 кГц до 1000 МГц и гиперзвуковые, частота которых превышает 1000 МГц. При испытании бетонов и керамик используют ультразвуковые колебания частотой от 20 кГц до 200 кГц, а при испытании металлов и пластмасс — частотой от 30 кГц до

10 МГц.

Существует ряд методов использования ультразвука в практике. Наибольшее распространение получил ультразвуковой импульсный метод, резо-

72

нансный метод, импедансный метод и метод акустической эмиссии. Акустические методы строятся на известных из физики зависимостях, определяющих характер распространения волн в сплошных средах. Картина распространения волн является достаточно сложной, так как при воздействии на среду быстропротекающих процессов возбуждаются волны различного типа.

Рассмотрим распространение простейших одномерных продольных волн в упругом стержне, площадь поперечного сечения которого равна F, а модуль упругости равен Е. Будем предполагать, что в стержне плоские поперечные сечения остаются плоскими, распределение продольных напряжений однородно вдоль всего стержня, радиальная инерция очень мала, а коэффициент Пуассона материала 0.

Рис. 57. Распространение ультразвука в стержне

Пусть к торцу стержня в момент времени t 0 (рис. 57, а) прикладываются равномерно распределенные безмассовые силы , действующие в течение времени t . Тогда за время t будет обжат напряжениями

участок стержня длиной z vt,, где v - скорость распространения фронта продольной волны вдоль стержня. При этом торец стержня получит

смещение на величину (рис. 57 б)

E z E vt.

Средняя скорость сср смещения торца определяется по формуле

Если предположить, что время действия нагрузки мало (импульсная нагрузка), т. е. 0, то скорость смещения торца определится как

73

Учтем, что σ, F и с — величины, имеющие постоянные значения, c0 = 0, так как до приложения нагрузки торец не смещался, а масса m определя-

где — плотность материала.

Интегрируя левую часть уравнения (5.2) и учитывая в правой части соотношения (5.1) и (5.3), будем иметь

F E v Fv .

После сокращения в обеих частях одноименных величин, получим

упругих волн и физическими константами среды может быть выражена формулой

v KE .

где К=1 при определении скорости распространения продольных упругих волн в тонких стержнях, когда F ,, где — длина волны, определяемая как

vf ,

где f - частота ультразвуковых колебаний.

При использовании ультразвука в металлах длина волны λ изменяется в пределах от 0,4 до 233 мм, а в железобетоне ;— от 10 до 275 мм. Длина волны является одним из параметров, определяющих разрешающую способность метода измерений. Следует подчеркнуть, что приведенные выше рассуждения носили в определенной степени упрощенный характер, так как не учитывались неоднородность конструктивных материалов и наличие сил сопротивления, приводящих к затуханию процесса распространения волн.

74

Определяя скорость распространения продольных волн в тонкой пла-

При рассмотрении скорости распространения сдвиговых (поперечных) упругих волн в любой среде К~ = 0,5(1+ ^,)-1, а при рассмотрении упругих поверхностных волн (волн Рэлея).

К 0.5 0.87 1.12 2 . 1

Ультразвуковым импульсным методом решаются задачи дефектоскопии строительных конструкций и определяются физикомеханические константы материалов: прочности, упругие характеристики, пористость.

При использовании нормальных волн (волн Лэмба), возникающих в. плоских телах и телах постоянной толщины,

2 2

К3 2 1 2 ,

где δ — толщина рассматриваемого объекта, которая должна быть существенно меньше длины волны

Любая ультразвуковая установка состоит из отдельных элементов аппаратурного обеспечения эксперимента. В этот комплекс входят излучатель и приемник колебаний. В отдельных случаях излучатель одновременно может выполнять и функции приемника, а в методе акустической эмиссии он используется лишь как приемник. Имеются источник питания, усилители сигналов на входе и выходе, регистрирующая аппаратура (электронный осциллограф или цифровой индикатор). При использовании электронного осциллографа обычно применяется задержка изображения, позволяющая регистрировать сигнал, сохраняемый на экране во времени. Излучатели и приемники - ультразвуковые преобразователи - могут быть пьезоэлектрическими и магнитострикционными. Пьезоэлектрический преобразователь состоит из металлического корпуса 4 (рис. 58), внутри которого располагается материал 3, обладающий пьезоэлектрическим эффектом. К числу таких материалов относятся кристаллы кварца, турмалина, титаната бария и др. В последнее время наибольшее применение находит сегнетова соль. Кристалл, преобразующий электрическую энергию в механическую, и, наоборот, приклеивается или прижимается к прокладке 2 с помощью пружины 1, предназначенной для демпфирования свободных колебаний.

75

Рис. 58. Пьезоэлектрический преобразователь

На рис. 59 представлен магнитострикционный преобразователь. Магнитостриктор 2 собирается из тонких изолированных друг от друга пластинок из никеля или другого материала, обладающего под действием магнитного поля возможностью сжиматься и растягиваться. Пакет пластинок помещается в катушку, по которой пропускается переменный электрический ток, если преобразователь используется как излучатель, или возникает переменный электрический ток, если преобразователь работает как приемник. В торце расположена металлическая мембрана 3, которая жестко прикреплена к корпусу 1.

Рис. 59. Магнитострикционный преобразователь

Преобразователи, представленные на рис. 58 и 59 возбуждают продольные волны. Для получения поперечных волн используется явление трансформации продольной волны на границе раздела двух сред. На рис. 60 представлена схема прохождения ультразвука через границу двух сред. На границу раздела под углом α падает продольная волна 1. На границе она

76

трансформируется в проходящие (3, 4) и отраженные (2) продольные и поперечные волны, причем угол преломления βпр продольной волны 3 больше угла βпоп преломления поперечной волны 4. Увеличивая угол а, можно достичь такого положения, что проходящая продольная волна будет распространяться только по поверхности и во второй среде будут распространяться лишь поперечные волны. Дальнейшее увеличение угла а позволяет придти к такому положению, когда во второй среде будет распространяться поперечная волна лишь по границе раздела.

Рис. 60. Схема прохождения волн через границу сред

Практически описанная трансформация волн достигается применением призматического преобразователя (рис. 61), который состоит из преломляющей призмы 3 и излучателя 1. На рисунке показаны: луч падающей продольной волны 2, луч проходящей поперечной волны 5 и луч отраженной волны 4.

Рис. 61. Схема призматического преобразователя

Применительно к металлическим конструкциям с помощью ультразвука осуществляется контроль дефектов в металле и контроль качества сварных швов. На рис. 62 а показаны примеры использования теневого метода. Сигнал от излучателя 1 и приемника 3 подается на экран осциллографа (рис. 62 б), причем при наличии дефектов 2 происходит снижение или полное исчезновение сигнала, воспроизводимого приемником.

77

Рис 62. Теневой метод обнаружения фефектов

Трассы прозвучивания конструкций могут иметь произвольное направление.

Рис. 63. Наклонное прозвучивание продольной волной (а) и поверхностное прозвучивание поперечной волной

При невозможности одновременного доступа к двум соосным точкам на разных поверхностях изделия используется эхо-метод (рис. 64).

78

Рис. 64. Эхо-метод

В этом случае преобразователь 1 выполняет функции как излучателя, так и приемника. Этот метод позволяет как обнаружить наличие дефекта 2, так и определить толщину изделия H и расстояния h до места расположения дефекта. Если провести неоднократное прозвучивание поверхности, то на бездефектных участках (рис. 64 а) на экране осциллографа 3 будет регистрироваться постоянный промежуток t1 между моментом посылки сигнала и моментом его получения. В местах, где имеются дефекты (рис. 64 б), происходит существенное изменение этого времени, определяемого теперь как t2. Для стальных конструкций скорость распространения ультразвука с является стабильной величиной, что позволяет из достаточно элементарных соображений определить неизвестную толщину металла H = 0,5с t1 . Расстояние до месторасположения дефекта теперь может быть определено как h= 0,5с t2.

Можно также отметить существование зеркально-теневого метода, когда излучатель и приемник устанавливаются на одной и той же поверхности изделия в непосредственной близости. Такой подход позволяет при двух и одностороннем прозвучивании использовать одну и ту же выпускаемую промышленностью аппаратуру.

При контроле качества сварных швов отмеченными методами обнаруживаются шлаковые включения, раковины, газовые поры, трещины и непровары. Для контроля стыковых соединений применяются призматические преобразователи с различными углами падения ультразвуковых волн а. Так как обычно в стыковых соединениях дефекты развиваются вдоль поверхностей свариваемых изделий, то в процессе контроля преобразователь перемещают вдоль шва по зигзагообразной линии.

При сварных швах толщиной 250— 300 мм и более используют преобразователи с углом а = 30°, при толщинах 200—250 мм — преобразователи с а = 40°, при более тонких швах — преобразователи с а = 50—55°.

На рис. 65 приведены возможные варианты исследования дефектов в сварном соединении встык.

79

Рис. 65. Схема контроля сварного соединения встык

На схеме а представлено использование эхо-метода для контроля нижнего участка шва, а на схеме б - верхнего. Схема в иллюстрирует применение эхо-метода при отражении волны от нижней поверхности. Схема

позволяющим выявлять в тавровых и нахлесточных соединениях внутренние

трещины с раскрытием менее 0,2 мм и непровары в корне шва. На рис. 66

представлены примеры расположения призматических преобразователей для

контроля сварного таврового соединения в нижней 1 и верхней 2 зонах.

Рис. 66. Схема контроля сварного таврового соединения

При контроле сварных швов необходимо пользоваться эталонами — предварительно сваренными фрагментами соединений с искусственно сделанными дефектами. Отражение (эхо-метод) или ослабление (теневой метод) сигнала при наличии дефекта в конструкции сравнивается с эталонным.

80

Применительно к испытанию бетона ультразвуковой импульсный метод позволяет не только проводить дефектоскопию изделий, но и определять физико-механические характеристики бетонов.

Так как бетон является неоднородным материалом, то при его дефектоскопии возможно выявить лишь дефекты, размеры которых превышают характерный размер заполнителя. Наибольшее развитие получили два метода импульсной ультразвуковой дефектоскопии бетона: метод сквозного прозвучивакия и метод продольного профилирования (метод годографа). Оба метода основаны на изменении скорости распространения ультразвука на дефектных участках.

При сквозном прозвучивании две противоположные поверхности объекта размечаются так, чтобы соответствующие точки, в которых устанавливаются излучатель 1 и приемник 2, располагались соосно (рис. 67). Поверхность обычно размечают прямоугольной сеткой, узлы которой определяют трассы 3 прозвучивания. Проводя прозвучивание в достаточно большом числе узлов можно построить изохроны (линии равных времен прохождения звука по толщине) или изоспиды (линии равных скоростей распространения звука). Изохроны строятся в том случае, когда длины трасс прозвучивания в различных точках поверхности различаются не более чем на 0,3—0,5%. При разметке точек, определяющих положегие трасс прозвучивания, следует избегать пересечения трассами арматуры. Расположение арматуры может быть выявлено магнитными методами. Исследуя изоспиды, можно выявить зоны с пониженными скоростями распространения ультразвукового импульса, что и определяет зоны, на которых имеется дефектный бетон.

Рис. 67. Схема сквозного прозвучивания

Метод продольного профилирования (рис. 68 а) удобен тем, что при его использовании излучатель 1 и приемник 2 располагаются на одной поверхности изделия. Однако обнаружение дефектов возможно лишь в полосе толщиной 1-1.1λ, где λ — длина волны, что составляет от 1 до 15 см. Кроме того, интерпретация результатов измерений менее четка, чем при сквозном прозвучивании. Наличие дефектов 3 выявляется по отклонению экспериментальных точек 4, получаемых при последовательном перемещении приемника от прямой 5.