Падение волны на границу двух твёрдых сред при наличии жидкостной прослойки.
|
14. Энергетические соотношения (при нормальном падении волн).
Если на пути распространения ультразвуковой волны встречается другая среда (среда с другими акустическими свойствами), то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая часть - отражается в первую. Распределение энергии между отраженной и прошедшей волнами определяется соотношением их акустических свойств (удельных акустических сопротивлений сред).
Коэффициентом прозрачности границы называют – соотношение интенсивности или амплитуды волны прошедшей через границу раздела сред, к волне падающей на границу, соответственно коэффициентом отражения – отражённой волны к падающей.
=
от 0 до 1;
=
от 0 до l ;
На отражении упругих волн от несплошностей основана выявляемость дефектов при эхо-дефектоскопии, так как по своим акустическим свойствам несплошности (трещины, поры, шлаковые включения и др.) отличаются от основного материала.
Соотношение акустических импендансов | Rll | Dll |
| 1 0 1 | 0 1 0 |
Коэффициент отражения от трещин и пор близок к единице, если величина раскрытия больше 0,0001 мм.
ВИДЫ ОТРАЖЕНИЙ
Зеркальное отражение – возникает в том случае, когда высота неровностей поверхностей во много раз меньше длины волны.
Дефекты с зеркальными поверхностями эхо импульсным методом выявляются плохо. Угол отражения от таких поверхностей равен углу падения.
Диффузное отражение – возникает, если высота неровностей поверхностей соизмерима с длиной волны.
При наклонном падении коэффициенты отражения и прозрачности зависят как от соотношения акустических сопротивлений граничащих сред, так и от угла падения. На графике показана зависимость коэффициентов прозрачности по энергии при падении продольной волны из оргстекла на сталь (толщина контактного слоя масла близка к нулю).
20.
|
При увеличении прослойки, становиться меньше коэффициент прозрачности.
Газообразный слой в твёрдом теле, даже при минимальной толщине обладает очень хорошей отражающей способностью. Например для 
при толщине газообразного слоя порядка 
, где 
- длина волны в слое (при 
). Для 
при нормальном падении, коэффициент отражения R=1, независимо от толщины слоя.
Коэффициент отражения границы стали с другим материалом
Таблица 3.
Материал несплошности | Коэффициент отражения по интенсивности, R,% |
Газ | 1000.00 |
Вода | 88.00 |
Масло трансформаторное | 90.00 |
Медь | 0.26 |
Кварц | 31.00 |
Шлак АН – 348 | 16.00 |
Из таблицы видно, что шлаковые включения будут выявляться гораздо хуже дефектов таких же размеров, но с воздушным заполнением. Приведенные значения справедливы для несплошностей, размеры которых намного больше длины волны. Если же размеры несплошности в направлении, перпендикулярном УЗ лучу, значительно меньше длины волны, то волны огибают ее без существенного отражения. Для получения заметного отражения достаточно, чтобы размеры несплошности были соизмеримы с длиной волны.
ПРИМЕЧАНИЕ: Правила и законы, описанные выше справедливы только в определённых рамках или при определённых условиях говорят, что это верно если, действуют законы геометрической акустики (лучевой теории распространения волн).
Основные условия применимости законов геометрической акустики
1. Размеры отражателя более 2-3х длин волн (2в> (2-3)
, в противном случае геометрическая акустика не действует, так как велик вклад рефракционных поправок.
2. Расстояние то излучателя до отражателя и от отражателя до приёмника много больше длины волны 
, так как фронт волны можно считать плоским, только при значительных расстояниях.
3. Отражающие поверхности, имеющие незначительные неровности, т. е. являются зеркальными 2h* cosb 
l/4. Остальные поверхности диффузные.
21.
14. Импульсный режим излучения ультразвуковых колебаний
В современных дефектоскопах в основном используют импульсный режим излучения ультразвуковых колебаний. При этом периодически излучают кратковременные импульсы с высокочастотным (ВЧ) заполнением. Импульсы ультразвуковых колебаний, излучаемые в контролируемое изделие, называются зондирующими.
|
Основные параметры упругих волн.
- длительность зондирующего импульса
- Высокочастотное заполнение импульса
- амплитуда размаха
Длительность зондирующих импульсов
Длительность зондирующих, импульсов измеряют обычно на уровне 0,1 от максимального значения U. В зондирующем импульсе, как правило, содержится от 4 до 12 периодов колебаний с ультразвуковой частотой f. Период этих колебаний, То для традиционной в дефектоскопии частоты ультразвуковых колебаний fо = 2,5 МГц равен:
То =1/fо = 1/2 Гц = 0,0000004 с = 0,4 мкс.
В практике используется длительность зондирующих импульсов tи = 1,6-5,0 мкс.
Чем длиннее зондирующий импульс, тем мощнее излучаемые колебания и тем глубже можно озвучить контролируемое изделие. В то же время, чем короче зондирующий импульс, тем лучше разрешающая способность дефектоскопа по дальности и меньше «мертвая» зона. Поэтому выбор длительности зондирующего импульса - решение компромиссное.
|
4 периода колебаний с частотой f0 9 периодов колебаний с частотой f0
Частота заполнения
Частоту заполнения fо зондирующих колебаний, как уже отмечалось выше, выбирают, исходя из минимальных размеров требующих выявления дефектов, с одной стороны, и максимальных размеров зерен материала, из которого изготовлено контролируемое изделие — с другой.
22.
Размеры зерен, в свою очередь, влияют на коэффициент затухания ультразвуковых волн в материале изделия. Необходимо, чтобы длина ультразвуковой волны λ была сравнима с минимальным размером обнаруживаемого дефекта и намного больше размера зерна металла.
Примечание:
Не путайте частоту f0 ультразвуковых колебаний, которая составляет миллионы колебаний в секунду (1—10,0 МГц), и частоту посылок зондирующих импульсов F, составляющую всего лишь сотни и тысячи импульсов в секунду (100—4000 Гц).
Частота следования зондирующих импульсов
Частота следования зондирующих импульсов, используемая в различных дефектоскопических средствах, зависит от скорости перемещения ультразвукового преобразователя по контролируемому изделию. Таким образом, чем быстрее перемещаются ультразвуковые преобразователи по контролируемому изделию, тем чаще должны посылаться ультразвуковые колебания.
Амплитуда
Амплитуда зондирующих импульсов U - это максимальная величина электрического импульса, прикладываемого к пьезопластине ПЭП. Амплитуда U может достигать до 500 В на 1 мм толщины пластины из пьезо-керамики. В дефектоскопах для контроля рельсов амплитуда зондирующего импульса составляет 50—200 В. Как правило, если зондирующий импульс имеет экспоненциально затухающую форму, требуется прикладывать к пьезопластине большее напряжение, чем при возбуждении ее зондирующим импульсом колоколо-образной формы.
|
Экспоненциальная Колоколообразная
форма форма
|
 |
23.
15. Акустическое поле наклонного преобразователя
Поле излучения-приема наклонного преобразователя
Особенность акустического поля наклонного ПЭП состоит в том, что УЗ волны излучаются в материал призмы, а затем, испытав преломление на границе, попадают в изделие. Это сильно изменяет ближнее поле преобразователя. Распределение энергии в ближнем поле становится равномерным, отсутствуют четко выраженные максимумы и минимумы.
Поле в дальней зоне образуют лучи диаграммы направленности, которые возникли уже в призме ПЭП, а затем преломились на границе призмы с изделием. При этом ослабление каждого луча определяется коэффициентом прозрачности для данного угла падения.
В результате в плоскости падения акустической оси диаграмма направленности расширяется вследствие преломления, так как угол преломления возрастает тем быстрее, чем больше угол падения. Диаграмма направленности становится несимметричной. Амплитуда поля оказывается более высокой в нижней части, где расхождение лучей меньше, а интенсивность - больше. Это явление выражено тем сильнее, чем больше угол призмы ПЭП,
При расчете расстояния от преобразователя до дефекта в плоскости падения волны допустимо преобразователь заменить мнимым излучателем - приемником с центром в точке О1, Точка О1, располагается на продолжении преломленной акустической оси на расстоянии
 | |
| |
|
|
|
|
 |
; где
г, - действительный путь ультразвука в призме;
п - скорость продольной волны в призме ПЭП;
Сt - скорость поперечной волны в изделии.
В сечении плоскостью, проходящей через преломленную акустическую ось и перпендикулярной плоскости падения, поле остается симметричным. Диаграмма направленности будет такой же, как если бы поперечные волны непосредственно излучались в изделие мнимым источником с центром в точке, расположенной на расстоянии г" от точки О':
r" = 
С/С,
Примечание:
Плоскость падения волны – называется основной плоскостью, также имеет место быть дополнительная плоскость падения волны.
24.
Размер мнимого излучателя и его место положения не сложно находится в тригонометрических отношениях, в частности в плоскости падения имеет место связь:
, где
- размер мнимого излучателя
Ясно, что 
, а значит дальняя зона ДН в плоскости падения волны при наклонном вводе – шире, чем при нормальном, причём, чем больше b, тем больше a.
В дополнительной плоскости угол b не меняется, а значит в дополнительной плоскости, размер мнимого излучателя равен: 
.
Форма мнимого излучателя – эллипс. Таким образом Диаграмма направленности (ДН) наклонного ПЭП – различна в основной и дополнительной плоскости.
16. Расчет акустического тракта прямого контактного преобразователя
Акустическим трактом УЗ дефектоскопа называют путь УЗ импульса от излучателя до отражателя и затем - обратно к приемнику ультразвука. При расчете акустического тракта ставится задача определить амплитуду сигнала от дефекта в зависимости от акустических свойств материала, частоты ультразвука, размеров и формы пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) и дефекта и расстояния между ними.
Естественные дефекты могут иметь самую различную форму, ориентацию и акустические свойства, которые заранее не известны. Поэтому уравнение акустического тракта решается обычно для искусственных дефектов, то есть полых отражателей достаточно простой геометрической формы.
Для анализа уравнений акустического тракта важное, значение имеют понятия полей излучения и приема ПЭП УЗ дефектоскопа. Поле излучения ПЭП определяется амплитудой сигнала, действующего на элементарный приемник, помещаемый в различные точки пространства. Поле приема определяется амплитудой сигнала приемного ПЭП при действии на него малого сферического излучателя, помещаемого в различные точки пространства.
В практике дефектоскопии часто ПЭП служит одновременно излучателем и приемником ультразвука. Для определения его приемно-излучающих характеристик целесообразно проанализировать акустический тракт при отражении ультразвука от сферы, диаметр которой значительно меньше длины волны. Такую сферу можно рассматривать как вторичный сферический излучатель, амплитуда сигнала которого пропорциональна амплитуде падающей волны. В результате амплитуда отражения от такого дефекта пропорциональна С(г)*С(г'), то есть произведению полей излучения и приема.
25.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
