Физические основы ультразвукового контроля (узк)

В процессе изготовления или эксплуатации, могут возникать различного рода дефекты:

1 микроструктуры (при закалке);

2 дефекты, связанные с механическими свойствами и химическим составом (недостаточная вязкость, текучесть);

3 дефекты, связанные с несоответствием геометрических размеров;

4 несплошности (раковины, трещины).

Для выявления данных дефектов используют разрушающий и неразрушающий методы контроля.

Дефекты классифицируются по:

– виду – определяется возможность эксплуатации объекта: допустимый дефект; недопустимый дефект; допустимый дефект с ограничением условий эксплуатации.

Пример: если трещина головки не выходит за середину, то эксплуатация возможна. Если выходит, то на скорость поездов вводят ограничения.

– типу – классифицируется по причине возникновения, форме, размеру и т.д.

Пример: поры, раковины, щели.

Существует девять методов неразрушающего контроля (НК):

1 магнитный;

2 электрический;

3 электромагнитный (вихретоковый);

4 радиоволновой (СВЧ)

5 тепловой;

6 оптический;

7 радиационный;

8 акустический;

9 контроль проникающими веществами.

Акустический метод (АМ) существует с 1928 года. Ученым Соколовым было предложено применение ультразвуковых волн (УЗВ) для выявления дефектов. Предлагалось измерять прошедшую волну через объект контроля (ОК).

Акустические колебания и волны

Акустические колебания – упругие колебания частиц возле положения равновесия.

Акустические волны – распространение в упругой среде механического возмущения (деформации).

В зависимости от частоты звуковые волны подразделяются:

1 инфразвуковые – до 20 ГЦ;

2 звуковые – от 20 до 20000 Гц;

3 ультразвуковые – от 20 кГц до 1 ГГц;

4 гиперзвуковые – свыше 1 ГГц.

Для контроля детали применяется диапазон от 0,1 до 10 МГц. При этом основной частотой является 2,5 МГц. Мощность излучения не велика и составляет 0,1…1 кВт/см².

При рассмотрении непрерывного источника и идеальной среды, акустические колебания подчиняются уравнению гармонического колебания:

, (1)

где – текущее значение амплитуды; – начальное значение амплитуды; – волновое число; – координата текущая; – угловая частота; – время.

, в совокупности называются, фаза-положение направления движения точки в данный момент времени.

Идеальная непрерывная волна

1 Уравнение (1) для плоской безграничной волны ;

2 Различают еще сферический источник , и уравнение принимает вид: ;

3 Цилиндрический: только в одном направлении.

Вывод: волна с плоским фронтом имеет наименьшее затухание (не затухает с расстоянием). Наибольшее затухание имеет волна со сферическим фронтом.

Основными характеристиками волны являются:

1 Частота,

2 Длина волны, – расстояние между двумя частицами находящимися в одной фазе.

3 Скорость, ; скорость воздуха

– формула имеет физический смысл только в данной интерпретации, т.к. не зависит от и , а зависит только от физических свойств среды (упругие, постоянные (модуль Юнга и плотность среды).

– зависит только от источника излучения.

4 Амплитуда,

– относительная характеристика измеряемой величины.

– амплитуды микросигналов. При УЗК:

,

где – амплитуда измеряемого сигнала; – амплитуда излучаемого сигнала (амплитуда зондирующего импульса)

, т.к. амплитуда сигнала всегда отрицательна, то приняли, знак «–» – не учитывать при измерении амплитуды, однако при сравнении двух амплитуд сигнала знак «–» учитывается.

При знаке «+»: ;

При знаке «–» или «+»: .

Разберем пример:

Задача 1. Излучается волна со скоростью 3,25 , , . Найти отношение и чему они равны?

Решение:

;

.

Отсюда отношение равно:

Задача 2. Известно: ; 1; 3; 12; 60. Найти -?

;

;

;

.

Волны

В зависимости от природы возникновения и материала, различают:

1 объемные волны: продольные, поперечные;

2 поверхностные: волна – Рэлея, подповерхностная продольная головная, подповерхностная поперечная головная;

3 волны в пластинках.

П родольная объемная волна – колебания частиц осуществляются вдоль направления распространения. Характерны области разряжения, сжатия.

1

2 Область сжатия, разряжения

I – сжатия; II – разряжения.

Волна существует во всех средах кроме вакуума, т.к. в нем нет частиц.

При температуре 20 градусов.

;

;

;

.

О бъемная поперечная волна – колебания частиц перпендикулярно направлению распространения волны. Характерна сдвиговая деформация частиц материала. Существует только в материалах обладающих упругостью формы и объема, т.е. в твердых телах.

Соотношение между поперечной и продольной волнами определяется коэффициентом Пуассона, характеризующим разность механических свойств их направлений.

.

Коэффициент Пуассона для большинства сталей равен: .

В отличие от продольной, поперечная волна характеризуется большим затуханием при равных частотах затухания поперечной волны в 7 раз больше, чем у продольной.

,

где – затухания.

Для поперечной волны характерно явление поляризации.

Различают:

1 вертикальную поляризацию : колебания частиц поверхности ввода ультразвуковых волн, возбуждается за счет трансформации из продольной волны при прохождении границ раздела двух сред.

2 горизонтально-поляризованная волна : колебания частиц параллельны поверхности ввода, возбуждается специализированными преобразователями (преобразователи с кварцом-Y-срез; электро-магнитоакустический преобразователь – ЭМА-преобразователь).

П оверхностная Рэлейская волна-колебания частиц – по эллипсу большей стороной к поверхности. Глубина фронта волны составляет .

;

.

95% всей энергии распространяется на глубине и чем больше глубина, тем более вытянутым становится эллипс.

Свойства Рэлейской волны:

1 имеет незначительное расхождение и затухание;

2 проходят прямые углы: 17% – трансформация и рассеяние на углу;

3 при прохождении выпуклой поверхности скорость волны увеличивается, вогнутой уменьшается с одновременным излучением трансформированных волн.

4 Рэлейскую волну можно определить методом польпирования. Если установить палец между отражателем и излучателем, то амплитуда принятого сигнала резко уменьшается.

5 при нагружении свободной поверхности (нанесение на нее слоя жидкости) Рэлейская волна превращается в псевдорэлейскую (ляве). Скорость волны, соответствует скорости жидкости и наблюдается явление трансформации, волна быстро затухает.

Задача 3. Дано: ; . Найти: ;

О

Т

тсюда:

Значит: .

Задача 4. Дано: ; ; . Найти:

1,25	4,72	2,6	2,36
2,5	2,36	1,3	1,18
5	1,18	0,65	0,59
10	0,59	0,325	0,295

Подповерхностные головные волны

Подразделяются:

1 головные – продольные;

2 головные – поперечные.

Общие свойства:

1 Распространяются под поверхностью на глубине пропорционально длине волны.

2 Глубина фронта для продольной волны от , для поперечной волны .

3 Колебания частиц по эллипсу под углом к нормали.

4 Непрерывно излучают трансформированные волны. Вследствие чего имеют большое затухание.

5 Волны применяются для контроля изделия толщиной более 20 мм и не обеспечивают выявления поверхностных дефектов.

I Головная продольная

Угол трансформации для стали .

.

II Головная поперечная

– продольная трансформированная волна аналогично объемной, отличие заключается в быстром ее затухании.

Волны в пластинах (волны Лэмба)

При непрерывном излучении в пластину возможно возникновение явления резонанса, при котором вся пластина колеблется одновременно и фазовая скорость равна бесконечности.

l_ф

где – длина волны во второй среде; – толщина; – угол ввода.

Условия резонанса:

1 Длина фронта падающей волны должна быть больше однократного переотражения волны.

2 Переотраженная волна должна находиться в фазе с падающей волной.

, где – целое число ( )

где – групповая скорость, характеризует перемещение волны относительно поверхности; – фазовая скорость, характеризует скорость движения фронта волны; – объемная скорость в пластине.

Наибольшее значение имеет , наименьшее . зависит от соотношения длины волны и толщины пластины.

В случае, когда выражение вся поверхность пластины, колеблется одновременно и (стоячая волна).

Различают:

1 Симметрическую стоячую волну, когда обе поверхности колеблются в одной фазе.

2 Ассиметрическую стоячую волну, когда в поверхности в противофазе.

П оскольку при распространении происходит резонанс волн и их усиление, то волны Лэмба (нормальные волны) распространяются на значительные расстояния и выявляют, как поперечные трещины, так и расстояние за счет изменения скорости от волны над трещиной или под ней.

– отличное от бездефектного времени.

По величине можно судить о наличии дефекта и его протяженности.

З ависимость фазовой скорости от соотношения

При излучении волн в твердые тела (пластину) условия резонанса нарушаются из-за возникновения явления резонанса трансформированных волн.

В результате вид зависимости и условия резонанса изменяются.

– означает, что .

Моды соответствуют резонансу Рэлейской поверхности волны. Рэлейской волной нельзя получить, чтобы скорость была равна бесконечности.

Затухание ультразвуковых волн

В процессе распространения УЗВ происходит их затухание, связанное:

1. с поглощением энергии (энергия затрачивается на колебание частиц);

2. рассеяние УЗВ за счет расхождения пучка и рассеяние на границах зерен:

δ = δ_р + δ_п,

где δ_р – характерно для поликристаллических материалов (металлы); δ_п – для аморфных материалов (резина, стекло, пластмасса).

Рассеяние на границах зерен

В металлах каждый кристалл (зерно) ориентируется по-своему и имеет различные акустические свойства в разных направлениях и при прохождении границы происходит преломление луча.

Рисунок 3.1 – Рассеяние ультразвуковых волн в поликристаллическом материале

Ч ем больше диаметр зерна, тем затухание сильнее. Наиболее сильное изменение затухания с увеличением зерна, наблюдается при соотношении λ/d_з < 10.

Рисунок 3.2 – Зависимость коэффициента затухания от диаметра зерна

І – область, в которой диаметр зерна не значительно влияет на затухание;

ІІ – область нелинейного быстрого затухания волн:

4 < λ/d_з < 10, δ ~ d_зf²;

λ/d_з < 10, δ ~ d³f⁴.

Эмпирические формулы:

δ_l = 0,12f + 20d_з³f⁴;

δ_t = 0,1f + 105d_з³f⁴.

ІІІ – область Релея, d_з >> λ и затухание в материале изменяется нелинейно и стремится к затуханию в монокристалле.

Эмпирически в первом приближении, затухание можно рассчитать по формуле:

.

Затухание показывает, насколько децибел изменяется амплитуда волны при прохождении расстояния в 1 м.

.

1 Н_п = 8, 686 дБ/м.

С увеличением частоты УЗВ, длина волны уменьшается, соотношение d_з/λ увеличивается => затухание увеличивается.

Рисунок 3.3 – Зависимость коэффициента затухания от частоты

І – зона незначительного влияния частоты на затухание;

ІІ – зона значительного, резко возрастающего влияния.

f = 2,5 МГц, H ~ 10 м; f = 5 МГц, H < 1 м.

При f > 10 МГц, δ становится настолько значительным, что контроль металла становится невозможным.

Отражение и прохождение УЗВ

R – доля отраженной волны.

При прохождении границы раздела двух сред, волна встречает сопротивление или импеданс, который зависит от акустических свойств среды и его плотности.

,

где V_n – нормальная составляющая колебательной скорости; P₀ - акустическое давление; φ – угол падения.

,

где C – скорость; ρ – плотность.

.