Методическое пособие на тему “Физические основы ультразвукового метода НК” Специальность: дефектоскописты вагонных, локомотивных депо (стр. 1 )

 

Постановка задачи

В данной работе подборка материала и освещение наиболее важных аспектов касающихся вопросов по предмету «Физические основы Ультразвукового метода неразрушающего контроля производилась из разных источников, некоторые вопросы изложены более простым и доступным для понимания языком. Лекционный курс «Физических основ Ультразвукового метода по НК» - предназначен для дефектоскопистов вагонных, локомотивных депо, а так же операторов рельсовых дефектоскопов.

Колебательный процесс……………………………………………………......……...стр. 3 Упругие волны в безграничной среде……...…………………….……………..…….стр. 3 Понятие о деформации и напряжения в твёрдых телах………………………..……стр. 4 Типы волн…………………………..………………………………….…………..…стр. 4-6 Основные параметры упругих волн………………………………………………...стр. 6-7 Поляризация волн……….....……………………………………………….……...…..стр. 7 Возбуждение и приём ультразвуковых колебаний….…………………………….стр. 7-8 Понятие о резонансе……………...……………………………………….……….......стр. 8 Добротность пьезоэлементов………...…………………….…..…………………...стр. 8-9 Понятие о направленности…………………………………..…………………….стр. 9-11 Дифракция волн………………………...………...……………......стр. 12-13 Затухание ультразвука в твердых средах……………………….……..…..стр.14-16 Отражение, преломление и трансформация ультразвуковых колебаний на границах двух безграничных сред (при наклонном падении)……...………………….…..стр. 16-20 Энергетические соотношения (при нормальном падении волн)……………..….стр. 20-21 Импульсный режим излучения ультразвуковых колебаний…………………...стр. 22-23 Акустическое поле наклонного преобразователя...…………………….….…...стр. 24-25

2.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ.

1.  Колебательный процесс

Колебаниями называют многократное по­вторение одинаковых или близких к одинаковым процессов.

Все колебательные движения, независимо от их природы, име­ют общий признак; устойчивое положение, в котором колеблю­щаяся субстанция (или тело) находятся до и после колебаний. Это - положение равновесия. Когда тело выводят из положения равновесия, возникает сила, стремящаяся возвратить его в начальное положение. Эта сила, на­правленная к положению равновесия, называется восстанавли­вающей силой

 

Понятие акустической волны (акустического колебания)

Акустическим колебанием (ультразвуком) называют – упруго-механические колебания мельчайших частиц среды около положения своего равновесия, а акустические волны – распространение в этой среде механического возмущения (деформации).

Колебания характеризуются: амплитудой (U), частотой (f ) и периодом (Т).

В зависимости от часты (числа колебаний в одну секунду) упругие волны подразделяются на:

-инфразвуковые – с частотой до 20 Гц.

-звуковые – от 20 Гц доГц.

-ультразвуковые – от 20 000 Гц до 1 000 000 000 Гц.

-гиперзвуковые – свыше 1 000 000 000 Гц.

Для справки: 1 Гц - один герц ( одно колебание в секунду); 1 000 Гц = 1кГц – один килогерц; 1 000 000 Гц = 1000 Гц = 1 МГц – один мегагерц; 1 000 000 000 кГц = 1000 МГц = 1 ГГц – один гигагерц.

2. Упругие волны в безграничной среде.

Так удар по поверхности некой среды, деформирует поверхностный слой, т. е. смещает его в направлении второго слоя, тогда во втором слое возникают силы упругости пытающиеся вернуть поверхностный слой обратно; второй слой аналогично первому действует на третий и так далее, а значит, в среде возбуждается и перемещается акустическое колебание.

Всегда следует разделять два движения: - первое движение частиц около положения своего равновесия; второе – движение волны как целого процесса в пространстве.

При рассмотрении упругих волн, будем считать среду сплошной, а под частицей среды понимать любой мысленно выделенный участок среды. Все среды разделим на твёрдые, жидкие, газообразные и на анизотропные и изотропные.

Изотропные – акустические свойства среды практически не меняются: ( плотность, размер зерна и. т.д. ).

Принципиальным отличием твёрдого тела от жидкого и газообразного является следующее: твёрдые тела обладают объёмной упругостью и упругостью сдвига, а жидкости и газы обладают только объёмной упругостью.

3.

3. Понятие о деформации и напряжения в твёрдых телах.

Деформация в твёрдом теле связана с изменением положения её частиц и характеризуется относительным смещением точек среды в пространстве. Связь между, деформацией и напряжением задаётся законом Гука: G =Λ* U, где

G (сигма) – коэффициент пропорциональности;

Λ (лямда) – полностью характеризует упругие свойства вещества;

U (у) – амплитуда.

Закон Гука справедлив только в области малых смещений, что наблюдается при распространении акустических волн в упругих средах

4. Типы волн

Процесс распространения колебательного движения частиц упругой среды называется волной. Особенностью волнового движения является перенос энергии без переноса вещества. Волны характеризуются скоростью распространения «С», и длинной волны «λ».

Скорость волны “C” - это расстояние, прошедшее волной за единицу времени. Скорость звука для различных типов волн в одной и той же среде различна, причём для продольной и поперечной волн она является характеристикой среды, не зависящей от параметров УЗ волны. Основной единицей измерения скорости является

Длина волны - это расстояние между двумя соседними областями сжатия или разряжения или (это расстояние прошедшее волной за один период колебания частиц λ= С*Т). Длина волны зависит от скорости волны «С», возбуждающей её частоты «f» и находится из выражения:

В безграничной, упругой среде могу существовать волны только трёх типов.

Примечание: безграничной средой называется – среда, у которой расстояние между, донными (противоположными) поверхностями много больше длины волы r >>>λ

В зависимости от направления смещения частиц среды и направления распространения волны, волны бывают продольные, поперечные (сдвиговые), поверхностные.

а). Продольная объёмная волна – волна, у которой направление смещения частиц около своего положения равновесия совпадает с направлением распространения волны.

Продольная волна характеризуется тем, что в среде чередуются области сжатия и разряжения, или пониженного и повышенного давления, или повышенной и пониженной плотности, поэтому их так же называют волнами давления, сжатия или плотности, распространяются продольные волны в твердых, жидких и газообразных средах.

направление волны

 

Скорость распространения продольной волны Cl в неограниченном твёрдом теле определяется выражением: Сl =; где

λ* - Модуль Юнга, определяет отношение между, величиной растягивающей силы, приложенной к изделию, например металлический стержень и возникающей при этом деформации;

2μ – Коэффициент Пуассона, представляющий собой отношение ширины стержня к изменению его длины, если стержень растягивать по длине;

ρ – плотность среды.

4.

 

Скорость продольной волны для низкоуглеродистых сталей Cl = 5900 м/с.

Длина волны для Cl: = 5900/2500 000 =0,00236м =2,36мм. Для f = 2,5МГц

б). Поперечная (сдвиговая) объёмная волна - волна, у которой направление смещения частиц около своего положения равновесия перпендикулярно направлению распространения волны.

Поперечная (сдвиговая) волна распространяется только в твёрдых телах, так как частицы в «сдвиговой» волне колеблются в разных направлениях по оси координат, а в жидкостях и

Газообразных средах частицы волны не могут колебаться в разных направлениях, так как в данных средах отсутствует жёсткая связь между кристаллами кристаллической решётки.

направление волны

Скорость распространения поперечной волны в неограниченном твёрдом теле определяется выражением: Ct =.

Скорость поперечной волны для низкоуглеродистых сталей Ct = 3260 м/с.

Длина волны для Ct: = 3260/2500 000 =0,001304м =1,3мм. Для f = 2,5МГц

Обычно в металлах скорость поперечной волны примерно в два раза меньше, чем скорость продольной волны Скорости продольной и поперечной волны связаны между собой следующим соотношением: ; Сt0.55Cе

в). Поверхностная волна (Рэлея) – упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной или слабонагруженной границы твёрдого тела и быстро затухающие с глубиной. Поверхностная волна является комбинацией продольных и поперечных волн, из-за наличия продольной составляющей волны Cl , поверхностная волна распространяется на большие расстояния из-за низкого затухания, как по плоской, так и по изогнутой поверхности изделия. На выпуклой поверхности происходит некоторое увеличение скорости, а на вогнутой – уменьшение, кроме того, имеет место значительное дополнительное затухание в следствии излучения энергии в глубь изделия в виде объёмных поперечных волн, из - за наличия поперечной составляющей волны поверхностная волна быстро затухает с глубиной. Поверхностная волна проникает вглубь металла (изделия) на 1,5 – 2 λ длин волны.

5.

 

Частицы в поверхностной волне совершают колебательные движения по элептическим траекториям и с глубиной элепс становится длиньше и уже, за счёт поперечной составляющей волны

 

Скорость поверхностной волны для низкоуглеродистых сталей Cs = 2999 м/с.

Длина волны для Ct: = 2999/400000 = 0,00074м = 0,74мм. Для f = 400 кГц

Скорость поверхностной волны от поперечной составляет Сs0.93

Скорость поверхностной волны от продольной составляет Ct0.51Cl

Как отмечалось выше скорость распространения объёмных и поверхностных волн определяется только упругими свойствами среды и не зависит от частоты и затухания в материале. Но величина упругих параметров материала может, изменятся с изменением температуры, а значит и скорость волны зависит от температуры материала, в котором она распространяется, чем выше температура, тем больше скорость волны. Распространение продольной волны Сl, в среде вызывает образование пониженного и повышенного давления, давление в сферической и плоской звуковой волне определяется из формулы:

Все упругие среды характеризуются акустическим сопротивлением

Z = (акустический импеданс)

Если акустическое сопротивление имеет большую величину, то среда называется - «жёсткой» скорости и смещения малы даже при высоких давлениях; если же импеданс не велик, то среда называется - «мягкой» даже при малых давлениях достигаются значительные колебательные скорости и смещения.

5. Основные параметры упругих волн

1.Фронт волны – это геометрическое место точек, в которых смещения в данный момент времени равны.

Чаще всего говорят о трёх видах фронта:

а) Плоский фронт волны – амплитуда волны от пройденного расстояния (r) не зависит.

б) Цилиндрический фронт – часто встречается на практике, амплитуда волны обратно пропорционально квадратному корню, пройденного расстояния ;

в) Сферический фронт волны – амплитуда волны обратно пропорциональна пройденному расстоянию .

2.Период - это время прошедшего от начала одного импульса до начало следующего, или

время одного полного колебания волны Т; мкс, сек;

3.Частота - количество колебаний совершаемых за одну секунду, величина обратная

периоду ƒ=; Гц; МГц;

6.

4.Скорость волны, есть величина постоянная для данной среды и зависит от её акустических характеристик;

5. Амплитуда - максимальное значение, которое принимает переменный параметр за

период (смещение U или скорость V).

6.Длина волны λ; мм, м-6;

6. Поляризация волн

При падении продольной волны на границу раздела двух сред возникают смещения и напряжения, ориентированные только в плоскости падения. Следовательно, векторы смещения частиц в отраженных и пре­ломленных волнах лежат в этой же плоскости. Для продольных волн эти векторы ориентированы вдоль направления распростра­нения волны, для поперечных — перпендикулярно ему. В данном случае поперечная волна линейно поляризована в плоскости падения.

SV – поляризация (вертикальная) SH – поляризация (горизонтальная)

В ограниченом пространстве (Рис. 1) вертикально поляризованные частицы, начинают колебаться - горизнтально (Рис. 2).

Рисунок 1.

7. Возбуждение и приём ультразвуковых колебаний

Понятие о пьезоэффекте.

Для получения ультразвуковых частот применяют пьезоэлектрические, магнито-стрикционные, электромагнитно-акустические и другие преобразователи. Наибольшее распространение получи­ли пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), в кото­рых активными являются пьезоэлементы, изготовленные из монокристалла кварца или пьезокерамических мате­риалов: титаната бария, цирконат титаната свинца и др. Для изготовления преобразователей чаще всего исполь­зуют ПЭП из цирконат титаната свинца марки 19 (ЦТС-19).

На плоские поверхности пьезоэлементов наносят тон­кие слои серебра, служащие электродами. При подведе­нии к электродам знакопеременного электрического на­пряжения,

пьезоэлемент совершает вынужденные меха­нические колебания (растягивается и сжимается с частотой подаваемого электри­ческого напряжения. Данное явление называется обрат­ным пьезоэффектом.

7.

Прием ультразвуковых колебаний основан на явлении прямого пьезоэффекта, под действием ультразвуковых волн (механическое воздействие) на поверхностях пьезопластины возникает переменный электрический заряд (переменное напряжение), которое обрабатывается в электронном блоке дефектоскопа и вы даётся на экран дефектоскопа в виде эхо-сигналов.

8. Понятие о резонансе

Резонанс - это наивысшая амплитуда колебаний пьезоэлемента.

При воздействии на пьезопластину переменным напряжением или ультразвуковой волной (обратный или прямой пьезоэффект) амплитуда колебания ее будет тем выше, чем ближе частота переменного напряжения или УЗ волны собственной частоте пьезопластины. При совпадении этих частот возникает резонанс.

Собственная частота пьезопластин зависит от материала, из которого она изготовлена и от ее толщины. И определяем по формуле:

; где

С – скорость волны в пластине;

d – толщина пластины.

для ЦТС С=3300 м/сек.

для 2,5 МГц d=0,7 мм.

Собственная (резонансная) частота пьезопластин обратно пропорциональна толщине пластины.

9. Добротность пьезоэлементов

Это количественная характеристика, показывающая во сколько раз амплитуда колебания пьезопластины на резонансной частоте выше, чем амплитуда колебания на частоте, во много раз отличающейся от резонансной.

8.

При воздействии на пьезопластину импульсом переменного напряжения пьезопластина начинает колебаться, колебательное движение ее продолжается некоторое время и после воздействия этого импульса, при этом на ее обкладках появляется переменное напряжение, убывающее по амплитуде от максимального значение до 0. При этом добротность определяется количеством полных периодов колебаний совершенных пластиной.

 

10. Понятие о направленности

Подача на пьезоэлектрический преобразователь пе­ременного напряжения приводит (вследствие обратного пьезоэффекта) к механическим его колебаниям (растя­жению и сжатию). Эти механические колебания пьезо-элемента передаются в окружающую среду, возбуждая в ней акустические (ультразвуковые) колебания. Возбуж­даемые пьезоэлементом ультразвуковые колебания распространяются в среде в различных на­правлениях. Причем интенсивность распространения этих колебаний в различных направлениях различна.

Направленность излучения преобразователя - это способность его излучать звуковые волны в одних на­правлениях в большей степени, чем в других.

 

ненаправленный излучатель	более направленный излучатель	направленный излучатель

 

Направ­ленность преобразователя описывают характеристикой направленности - отношением интенсивности, создава­емой данным излучателем в направлении максимально­го излучения, к интенсивности ненаправленного излуча­теля той же мощности на том же расстоянии. Характери­стику направленности представляют обычно в полярной системе координат и называют – диаграммой направлен­ности.

Колеблющийся пьезоэлектрический преобразователь, при достаточно больших размерах его в сравнении с дли­ной ультразвуковой волны (D > λ), создает в окружаю­щей среде волновое поле, имеющее вблизи от излучате­ля приблизительно цилиндрическую форму (ближняя зона, зона дифракции Френеля). Начиная с некоторого расстояния Z0 поле приобретает форму усеченного кону­са с небольшим углом φр при вершине (дальняя зона, зона дифракции Фраунгофера). Таким образом, излучаемые пьезопластиной волны распространяются узким, слегка расходящимся пуч­ком. Величина угла φр, под которым этот пучок расхо­дится, сравнительно невели­ка и зависит от соотноше­ния между геометрическими размерами (площадью излу­чающей поверхности) пьезоэлемента и длиной волны излучаемых ультразвуковых колебаний.

Для излучателя, имеющего форму диска ди­аметром D, величина угла φр (определяющего ширину ди­аграммы направленности из­лучателя) оценивается выра­жением:

φр = arcsin (1,22λ/D), где

1,22 – коэффициент (табличное значение).

Для продольной волны λ = 2,36; Диаметр пьезопластины D = 12 мм, тогда

φр =13,88 = 140.

9.

Ближняя зона (зона Френеля) (фронт плоский)

 

Lбл

 

Ближняя зона - зона неуверенного контроля.

Дальняя зона (зона Фраунгофера) (фронт сферический) - угол расхождения

 

Ближняя зона прямого преобразователя рассчитывается по формуле: ; где

α – радиус пьезопластины (6 мм);

Lбл=15 мм.

Величина ближней зоны тем больше, чем больше радиус пьезопластины.

Акустическое поле вблизи излучателя вследствие интерфе­ренции имеет сложную структуру с чередующимися минимумами и максимумами звукового давления как вдоль, так и поперек акус­тической оси излучателя. Зона немонотонного изменения акустического поля называется ближней зоной или зоной дифракции Френеля.

Непосредственно на излучателе су­ществует какое-то среднее давление Р0. Вдоль оси излучателя располагаются максимумы и минимумы давления, колеблющиеся около средней величины. Образование максимумов и минимумов в ближней зоне преобра­зователя объясняется большой разностью расстояний от различ­ных точек преобразователя до исследуемой точки и связанной с этим разностью фаз приходящих сигналов.

За пределами ближней зоны начинается дальняя зона излучателя или зона дифракции Фраунгофера. В этой зоне давление монотонно убывает с увеличением расстояния от из­лучателя. На большом расстоянии давление не испытывает ос­цилляции, а монотонно убывает обратно пропорционально расстоянию. Акустическое поле в дальней зоне характеризуют диаграм­мой направленности, показывающей изменение звукового дав­ления в зависимости от угла между направлением луча и акус­тической осью на постоянном расстоянии от излучателя. За единицу принимают амплитуду на оси излучателя. Диаграмма направленности не зависит от расстояния до излучателя. Центральную часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда поля уменьшается от единицы до нуля, называют основным лепестком. В пределах основного лепестка сосредо­точено около 85% энергии поля излучения. Вне основного лепестка диа­грамма направленности имеет вид боковых лепестков. Уровень боковых лепестков определяется отношением поля на акустической оси к макси­мальной величине поля вне основного лепестка.

Диаграмма направлен­ности для круглого излучателя определяется формулой:

; где Sin; где

- функция Бесселя, значение которой берётся из таблицы. Угол раскрытия основного лепестка диаграммы:

10.

если длина волны известна:

длина волны не известна:fa

В практике УЗ контроля иногда определяют угол раскрытия основного лепестка на уровнях, отличающихся от нулевого.

На уровне 20dB ( или уровне 0,1 от максимума)

.

На уровне 6 dB (или уровень 0,5 то максимума)

Акустической осью – называют линию, соединяющую точки максимальной интенсивности поля в дальней зоне и продолжение в ближней зоне. Диаграмма направленности это объёмная фигура, а не плоская как на картинке, как следует из формулы: угол раскрытия или ширина диаграммы направленности прямо пропорциональна скорости распространения волны «С» и обратно пропорциональна « a и f»

Угол раскрытия – это угол, образованный осью излучения и линией, соединяющей центр излучателя и точку диаграммы на уровне 0,5.

Поле излучения ПЭП принято представлять в полярных координатах (условных). Это представление называется диаграммой направленности.

Наибольшая интенсивность излучения будет по центральной оси перпендикулярно плоскости излучателя (при увеличении угла интенсивность падает). Диаграмма направленности представляет собой кривую линию, соединяющую точки под разными углами с одинаковой интенсивностью.

Диаграмма направленности характеризуется углом раскрытия на уровне 0,5.

Боковые лепестки

Угол раскрытия диаграммы увеличивается при уменьшении диаметра пьезопластины. При малом диаметре появляются боковые диаграммы направленности.

Удвоенный угол раскрытия основного лепестка (2) - называют шириной диаграммы направленности.

 

Влияние параметра на угол раскрытия, основного лепестка диаграммы направленности круглого излучателя. Таким образом, увеличение радиуса излучателя, а также его частоты делают диаграмму направленности более острой.

11.

11. Дифракция волн

В основе большинства способов, которые применяет практи­ческая УЗ дефектоскопия, лежит использование законов так называе­мой геометрической оптики (ГО). Это означает, что звуковые лучи рас­пространяются по прямым линиям, а если попадают на границу раз­дела двух сред, то на ней происходят явления, описываемые законом Снеллиуса. Однако существуют такие области на границах раздела двух сред (в частности, области на несплошностях в объекте контроля), а также такие условия взаимодействия УЗ волны с объектом, когда воз­никающие явления невозможно объяснить только законами ГО. Так, если при распространении УЗ колебаний на их пути встречается зву­конепроницаемое препятствие, то по законам ГО за препятствием должна возникнуть область, куда не проникает звуковое поле, то есть область звуковой тени.

Однако на самом деле, в зависимости от соот­ношения размеров этого препятствия и длины волны на некотором расстоянии за препятствием в области геометрической тени обнару­живаются звуковые волны, то есть звук как бы огибает преграду. Это свойство звуковых волн получило название: дифракция.

Дифракция – это явление частичного огибания волнами препятствий, находящихся на пути их распространения.

 

Для объяснения этого явления воспользуемся принципом Гюй­генса, в соответствии с которым каждую частицу среды, приходящую в колебание вследствие распространения первичной волны, можно рассматривать как точечный источник, излучающий вторичную эле­ментарную сферическую волну. Результирующей бесконечного числа таких элементарных сферических волн, дающей фактически су­ществующую волну, является огибающая всех вторичных волн.

Так, если плоская волна встречает на своем пути звуконепрони­цаемую преграду с точечным отверстием, то она распространяется по другую сторону преграды в виде сферических волн, расходящихся от отверстия преграды, как от нового точечного источника.

Если на пути распространения УЗ колебаний имеется препятст­вие, то колеблющиеся частицы среды, расположенные по краям препятствия, создают сферические волны, которые распространяют­ся в зоне геометрической тени препятствия.