Акустическая волна

Акустические методы неразрушающего контроля

Акустический неразрушающий контроль – это неразрушающий контроль, основанный на применении упругих колебаний, возбуждаемых или возникающих в объекте контроля.

Упругие (акустические) колебания – механические колебания упругих частиц среды, возникающие под действием механического возбуждения.

Упругие (акустические) волны – процесс распространения в упругой среде механического возбуждения.

В зависимости от частоты упругих колебаний различают:

– инфразвук (с частотой до 16…25 Гц);

– звук (с частотой от 16…25 Гц до 15…20 кГц);

– ультразвук (с частотой от 15…20 кГц до 1000 МГц);

– гиперзвук (с частотой свыше 1000 МГц).

При акустическом неразрушающем контроле используют колебания звукового и ультразвукового диапазонов с частотой от 50 Гц до 50 МГц.

В зависимости от поставленных целей и задач, решаемых с помощью акустического неразрушающего контроля, различают:

– акустическую дефектоскопию;

– акустическую дефектометрию;

– акустическую толщинометрию;

–акустическую структурометрию.

Акустическая дефектоскопия – акустический неразрушающий контроль на наличие дефекта типа нарушения сплошности и однородности.

Акустическая дефектометрия – измерение параметров дефектов, оценка их вида и ориентации в объекте контроля методами акустического неразрушающего контроля.

Акустическая толщинометрия – измерение толщины объекта контроля методами акустического неразрушающего контроля.

Акустическая структурометрия – определение структуры материала объекта контроля методами акустического неразрушающего контроля.

При акустическом неразрушающем контроле используют:

– пьезоэлектрический преобразователь, принцип работы которого основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте;

– электромагнитно-акустический преобразователь, принцип работы которого основан на взаимодействии возбуждаемого им электромагнитного поля с электромагнитным полем, наводимым в материале объекта контроля.

Методы акустического неразрушающего контроля подразделяются на две группы:

– активные, основанные на излучении и приеме упругих колебаний и волн;

– пассивные, основанные на приеме упругих колебаний и волн.

Активные методы акустического неразрушающего контроля, основанные на излучении и приеме упругих волн, в соответствии с ГОСТ 23829-85 подразделяются на подгруппы:

– методы прохождения;

– методы отражения;

– комбинированные методы;

– импедансные методы.

Акустический метод прохождения – метод акустического неразрушающего контроля, основанный на излучении и приеме волн, однократно прошедших через объект контроля в любом направлении, и анализе их параметров.

Методы прохождения предполагают наличие двух преобразователей: излучателя и приемника, расположенных по разные стороны объекта контроля или контролируемого участка. При данных методах контроля используют импульсное, реже непрерывное излучение.

К методам прохождения относятся:

– теневой метод, основанный на анализе уменьшения амплитуды прошедшей волны, обусловленного наличием дефекта;

– временной теневой метод, основанный на анализе увеличения времени прохождения упругих колебаний, обусловленного наличием дефекта в объекте контроля;

– велосимметрический метод, основанный на анализе изменения скорости упругих волн, обусловленного наличием дефекта в объекте контроля.

Акустический метод отражения – метод акустического неразрушающего контроля, основанный на излучении акустических колебаний, отражения их от поверхности раздела двух сред и анализе параметров отраженных импульсов.

В методах отражения используются один или два преобразователя. При данных методах контроля применяют, как правило, импульсное излучение. К методам отражения относятся:

– эхометод, основанный на анализе параметров акустических импульсов, отраженных от дефектов и поверхностей объекта контроля;

– эхозеркальный метод, основанный на анализе параметров акустических импульсов, отраженных от дефекта и донной поверхности объекта контроля;

– дельта метод, основанный на использовании дифракции волн на дефекте;

– реверберационный метод, основанный на анализе времени объемной реверберации в объекте контроля.

В комбинированных методах используются принципы, как прохождения, так и отражения упругих волн. К ним относятся:

– зеркально-теневой метод, основанный на анализе акустических импульсов после двукратного или многократного их прохождения через объект контроля и регистрации дефектов по обусловленному или изменению амплитуды сигнала, отраженного от донной поверхности;

– эхотеневой метод, основанный на анализе как прошедших, так и отраженных волн;

– эхосквозной метод, являющийся разновидностью теневого метода.

Импедансный акустический метод – метод акустического неразрушающего контроля, основанный на возбуждении в объекте контроля упругих колебаний и анализе изменения механического импеданса участка поверхности этого объекта.

Активные методы акустического неразрушающего контроля, основанные на излучении и приеме колебаний, подразделяются на две подгруппы:

– методы свободных колебаний, основанные на возбуждении свободно затухающих упругих колебаний в объекте контроля или его части и анализе параметров этих колебаний;

– резонансные методы (методы вынужденных колебаний), основанные на возбуждении вынужденных упругих колебаний в объекте контроля или его части и анализе параметров колебаний системы «объект контроля – преобразователь» при резонансах или в близи них.

В свою очередь методы свободных и вынужденных колебаний подразделяются на методы:

– локальный;

– интегральный.

К пассивным методам акустического неразрушающего контроля, основанным на приеме упругих колебаний или волн, относятся следующие методы неразрушающего контроля:

– вибрационно-диагностический;

– шумодиагностический;

– акустико-эмиссионный.

Акустический метод контроля

Акустический метод один из наиболее широко применяемых неразрушающих методов контроля. Метод относительно прост, недорог и безопасен по сравнению с радиационным, позволяет обнаруживать внутренние дефекты и устанавливать их точное расположение.

Для акустического метода НК применяют колебания ультразвукового и звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний обычно невелика, не превышает 1 кВт/м2. Такие колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью.

В объёме твёрдого тела, могут распространяться продольные и поперечные волны. В продольной волне колебательные скорости частиц среды совпадают с направлением распространения волны, в поперечной — перпендикулярны ему.

Известно много разновидностей этого метода. Все они делятся на две группы: активные и пассивные методы.

Классификация акустических методов контроля

Активные методы основаны на излучении и приёме упругих волн, пассивные — только на приёме волн, источником которых служит сам контролируемый объект.

Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот.

Методы прохождения используют излучающие и приёмные преобразователи, расположенные по разные или по одну сторону контролируемого изделия.

Применяют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект. К методам прохождения относят:

амплитудный теневой метод;

временной теневой метод;

велосиметрический метод.

Велосимметрический метод. 1 – генератор, 2 – излучатель, 3 – объект контроля, 4 – приёмник, 5 – усилитель, 6 – измеритель амплитуды, 7 – измеритель времени пробега, 8 – измеритель фазы.

В методах отраженияиспользуют как один, так и два преобразователя; применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии:

эхо-метод;

эхо-зеркальный метод;

дельта-метод;

дифракционно-временной метод;

реверберационный метод.

Эхо-метод. 1 – генератор, 2 – излучатель, 3 – объект контроля, 4 – приёмник, 5 – усилитель, 6 – синхронизатор, 7 – индикатор.

В комбинированных методах используют принципы как прохождения, так и отражения акустических волн:

зеркально-теневой метод;

эхо-теневой метод;

эхо-сквозной метод.

Зеркально-теневой метод. 2 – излучатель, 4 – приёмник, 3 – объект контроля.

Методы собственных частот основаны на измерении этих частот (или спектров) колебаний контролируемых объектов. Собственные частоты измеряют при возбуждении в изделиях как вынужденных, так и свободных колебаний. Свободные колебания обычно возбуждают механическим ударом, вынужденные — воздействием гармонической силы меняющейся частоты.

Интегральный метод вынужденных колебаний.

1 – генератор непрерывных колебаний меняющейся частоты, 2 – излучатель, 3 – объект контроля, 4 – приёмник, 5 – усилитель.

Пассивные акустические методы основаны на анализе упругих колебаний волн, возникающих в самом контролируемом объекте. Наиболее характерным пассивным методом является акустико-эмиссионный метод. Явление акустической эмиссии состоит в том, что упругие волны излучаются самим материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие трещин под влиянием внешней нагрузки, превращения при нагреве или охлаждении, движение скоплений дислокаций – наиболее характерные источники акустической эмиссии. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи принимают упругие волны и позволяют установить место их источника (дефекта).

Акустико-эмиссионный метод. 1 – генератор, 2 – излучатель, 3 – объект контроля, 4 – приёмник, 5 – усилитель, 6 – блок обработки информации.

Пассивными акустическими методами являются вибрационно-диагностический и шумодиагностический. При первом анализируют параметры вибраций какой-либо отдельной детали или узла (ротора, подшипников, лопатки турбины) с помощью приёмников контактного типа, при втором — изучают спектр шумов работающего механизма, обычно с помощью микрофонных приёмников.

По частотному признаку акустические методы делят на низкочастотные и высокочастотные. К первым относят колебания в звуковом и низкочастотном (до нескольких десятков кГц), ультразвуковом диапазоне частот. Ко вторым — колебания в высокочастотном ультразвуковом диапазоне частот: обычно от нескольких сот кГц до 20 МГц. Высокочастотные методы обычно называют ультразвуковыми.

Области применения методов:

Из рассмотренных акустических методов контроля наибольшее практическое применение находит эхо-метод. Около 90% объектов, контролируемых акустическими методами, проверяют эхо — методом. Применяя различные типы волн, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений, многих металлических материалов. Эхо-метод используют также для измерения размеров изделий. Измеряют время прихода донного сигнала и, зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе. Если толщина изделия неизвестна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по ним определяют физико-механические свойства материалов.

Зеркально-теневой метод используют вместо или в дополнение к эхо-методу для выявления дефектов, дающих слабое отражение ультразвуковых волн в направлении раздельно-совмещенного преобразователя. Вертикальные трещины, ориентированные перпендикулярно поверхности, по которой перемещают преобразователь, дают очень слабый рассеянный сигнал и донный сигнал так как на их поверхности продольная волна трансформируется в головную, которая в свою очередь излучает боковые волны, уносящие энергию. Пример применения зеркально-теневого метода — контроль рельсов на вертикальные трещины в шейке. По чувствительности этот метод и обычно в 10—100 раз хуже эхо-метода.

Эхо -зеркальный метод также применяют для выявления дефектов, ориентированных перпендикулярно поверхности ввода. При этом он обеспечивает более высокую чувствительность к таким дефектам, но требует, чтобы в зоне расположения дефектов был достаточно большой участок ровной поверхности. В рельсах, например, это требование не выполняется, поэтому там возможно применение только зеркально-теневого метода. Дефект может быть выявлен совмещенным наклонным преобразователем. Однако, в этом случае зеркально-отраженная волна уходит в сторону и на преобразователь попадает лишь слабый рассеянный сигнал.

Эхо — зеркальный метод в варианте «тандем» используют для выявления вертикальных трещин и непроваров при контроле сварных соединений. Дефекты некоторых видов сварки, имеют гладкую отражающую поверхность, очень слабо рассеивающую ультразвуковые волны, но такие дефекты хорошо выявляются эхо — зеркальным методом. Дефекты округлой формы (шлаковые включения, поры) дают большой рассеянный сигнал и хорошо регистрируются совмещенным преобразователем в точке в тоже время зеркальное отражение от них слабое. В результате сравнения отраженных сигналов определяют форму дефекта сварного соединения.

Вариант «косой тандем» применяют, когда расположение преобразователей в одной плоскости затруднительно. Его используют, например, для выявления поперечных трещин в сварных швах. Преобразователи в этом случае располагают по разные стороны валика усиления шва.

Дельта и дифракционно — временной методы также используют для получения дополнительной информации о дефектах при контроле сварных соединений. Эффективная трансформация волн на дефекте произойдет, если угол падения на плоский дефект меньше третьего критического, либо если продольная волна возникает в результате рассеяния на дефекте. Для создания хорошего контакта приемного прямого преобразователя с поверхностью сварного соединения валик усиления зачищают. С помощью этого метода довольно точно определяют положение дефекта вдоль сварного шва, что важно для его автоматической регистрации.

Эхо — теневой метод применяют также при контроле сварных соединений. Например, при автоматическом контроле сварных соединений искатели располагают по обе стороны от шва и принимают как отраженные, так и прошедшие сигналы. Последние используют для контроля качества акустического контакта и обнаружения дефектов, ориентированных таким образом, что эхо — сигналы от них очень слабы.

Теневой и эхо — сквозной методы используют только при двустороннем доступе к изделию, для автоматического контроля изделий простой формы, например, листов в иммерсионной ванне. Перемещение листа вверх и вниз между преобразователями в иммерсионной ванне не изменяет времени прохождения сигналов от излучателя к приемнику, что существенно упрощает конструкцию установки. Чувствительность теневого метода к дефектам в 10—100 раз меньше, чем эхо-метода в связи с большим влиянием помех. Применение эхо — сквозного метода в значительной мере устраняет этот недостаток.

Теневой метод применяют также для контроля изделий с большим уровнем структурной реверберации, т.е. шумов, связанных с отражением ультразвука от неоднородностей, крупных зерен, дефектоскопии многослойных конструкций и изделий из слоистых пластиков. Сквозной сигнал попадает на приемник раньше, чем структурные реверберации, что позволяет его зарегистрировать на фоне шумов. При контроле тонких изделий с очень высоким уровнем структурных шумов более высокую чувствительность обеспечивает временной теневой метод.

Теневой и временной методы позволяют обнаруживать крупные дефекты в материалах, где контроль другими акустическими методами затруднен или невозможен: крупнозернистой аустенитной стали, сером чугуне, бетоне, огнеупорном кирпиче.

Теневой метод применяют вместо эхо-метода при исследовании физико-механических свойств материалов с большим затуханием и рассеянием акустических волн, например, при контроле прочности бетона по скорости ультразвука. Для этой цели применяют не только теневой метод, но (в более общем виде) метод прохождения. Например, излучатель и приемник располагают с одной стороны изделия, на одной поверхности и измеряют время и амплитуду сквозного сигнала головной волны.

Локальный метод вынужденных колебаний применяют для измерения малых трещин при одностороннем доступе. Контактный резонансный толщиномер, в б0-х годах был основным средством толщинометрии. В настоящее время для ручного контроля применяют импульсные толщиномеры. Для автоматического измерения толщины стенок тонких труб лучший результат дает иммерсионный резонансный толщиномер.

Интегральный метод вынужденных колебаний применяют для определения модулей упругости материала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебаний образцов простой формы, вырезанных из материала изделия, т.е. при разрушающих испытаниях. В последнее время этот метод используют также для неразрушающего контроля небольших изделий: абразивных кругов, турбинных лопаток. Появление дефектов или изменение свойств материалов определяют по изменению спектра резонансных частот. Свойства, связанные с затуханием ультразвука (изменение структуры, появление мелких трещин), определяют по изменению добротности колебательной системы.

Реверберационный, импедансный, велосимметрический, акустико-топографический методы и локальный метод свободных колебаний используют в основном для контроля многослойных конструкций. Реверберационным методом обнаруживают, в основном, нарушения соединений металлических слоев (обшивок) с металлическими или неметаллическими силовыми элементами или наполнителями. Импедансным методом выявляют дефекты соединений в многослойных конструкциях из композиционных полимерных материалов и металлов, применяемых в различных сочетаниях. Велосимметрическим методом и локальным методом свободных колебаний контролируют, в основном, изделия из полимерных композиционных материалов. Акустико-топографический метод применяют для обнаружения дефектов преимущественно в металлических многослойных конструкциях (сотовые панели, биметаллы и т.п.).

Вибрационно-диагностический и шумо-диагностический методы служат для диагностики работающих механизмов. Метод акустической эмиссии применяют в качестве средства исследования материалов, конструкций, контроля изделий (например, при гидроиспытаниях) и диагностики во время эксплуатации. Его важными преимуществами перед другими методами контроля является то, что он реагирует только на развивающиеся, действительно опасные дефекты, а также возможность проверки больших участков или даже всего изделия без сканирования его преобразователем. Основной этого средства контроля – трудность выделения сигналов от развивающихся дефектов на фоне помех. Например, кавитационных пузырьков в жидкости, подаваемой в объект при гидроиспытаниях, трения в разъемных соединениях и т.д.

Дата добавления: 2016-06-15; просмотров: 10770;

Акустические методы основаны на использовании зависимости параметров упругих колебаний, возбуждаемых в контролируемом объекте от наличия или отсутствия дефектов.

Наиболее распространенные в дефектоскопии методы звукового (импедансный, свободных колебаний) и ультразвукового (резонансный, теневой, импульсный эхо – метод) диапазонов.

Импедансный метод основан на использовании зависимости полного механического сопротивления (импеданса) контролируемого изделия от качества соединения отдельных зон, нарушения жесткой связи между элементами слоистых (клееных, паяных) конструкций.

Вертикальный оптический длинномер ИЗВ-2 предназначается для измерения наружных линейных размеров калибров и других изделий методами непосредственной оценки и сравнения (с помощью концевых мер).

Рисунок 7.1 — Импедансный метод

Генератор 1 возбуждает продольные гармонические колебания преобразователя (стержня) с помощью излучателя 2. Эти колебания трансформируются в изгибные колебания ОК 3. Элемент 4 — приемник, 5 — усилитель. Изменение режима колебаний фиксируется индикатором 6.

Метод свободных колебаний основан на анализе частотного спектра свободных колебаний в системе, возбужденной ударом, этот метод позволяет контролировать слоистые конструкции на наличие зон нарушения жесткой связи между слоями, а также обнаруживать дефекты в массивных изделиях. Теневой метод основан на использовании эффекта акустической тени, образуемой за дефектом вследствие отражения и рассеяния упругих колебаний.

Так как ультразвуковые колебания вводятся с одной стороны, а принимаются с другой, то для контроля теневым методом в общем случае необходим доступ к изделию с обеих сторон. В нашей стране и за рубежом теневой метод используется главным образом для контроля качества листового проката, плат, профилей и другой продукции.

Резонансный метод основан на использовании зависимости параметров упругих колебаний в условиях резонанса от наличия дефекта в контролируемом объекте. Этот метод применяют для контроля качества изделий сравнительно небольшой толщины из металлов, стекла, керамики и др. материалов.

Используют его для измерения толщины изделий (при одностороннем доступе), выявления зон коррозионного поражения.

Импульсный эхо – метод основан на посылке в контролируемое изделие коротких импульсов высокочастотных колебаний и регистрации интенсивности и времени эхо – сигналов, отраженных от дефектов или границ изделия.

Импульсный эхо – метод является в настоящее время наиболее распространенным методом ультразвуковой дефектоскопии, применяемым для контроля различных изделий, в том числе крупногабаритных и сложной формы. При этом контроль можно проводить при одностороннем доступе к изделию в контактном или иммерсионном (через слой жидкости) вариантах.

АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ (звуковые волны), возмущения упругой материальной среды (газообразной, жидкой или твёрдой), распространяющиеся в пространстве. Возмущениями являются локальные отклонения плотности и давления в среде от равновесных значений, смещения частиц среды от положения равновесия. Эти изменения состояния среды, передающиеся от одних частиц вещества к другим, характеризуют звуковое поле. В акустических волнах осуществляется перенос энергии и количества движения без переноса самого вещества.

В газообразных и жидких средах, обладающих объёмной упругостью, могут распространяться только продольные акустические волны, в которых смещения частиц совпадают по направлению с распространением волны. Звуковое давление при этом является скалярной величиной. В неограниченных твёрдых средах, обладающих, помимо объёмной, также и сдвиговой упругостью, наряду с продольными могут распространяться и поперечные (сдвиговые) акустические волны; в них направления смещений частиц и распространения волны взаимно перпендикулярны. Аналогом звукового давления в твёрдых средах является тензор механического напряжения. При наличии границ в твёрдых телах возникают и другие типы акустических волн (смотри Упругие волны).

Реклама

В соответствии с видом зависимости характеристик звукового поля от времени акустические волны могут иметь разную форму. Особое значение имеют гармонические акустические волны, в которых характеристики звукового поля изменяются во времени и в пространстве по синусоидальному закону (смотри Волны). Акустические волны любой формы можно представить в виде суммы (в предельном случае — интеграла) гармонических волн разных частот.

В результате разложения волны на простые гармонические составляющие (смотри Звука анализ) получается спектр звука.

Диапазон частот акустических волн снизу практически не ограничен — в природе встречаются акустические волны с частотой, равной сотым и тысячным долям герца. Верхняя граница диапазона акустических волн обусловлена физической природой их взаимодействия с веществом: в газах длина волны должна быть больше длины свободного пробега молекул, а в жидкостях и твёрдых телах больше межмолекулярного или межатомного расстояния. На этом основании за верхнюю частотную границу в газах принята величина 109 Гц, в жидкостях 1010-1011 Гц, в твёрдых телах 1012—1013 Гц. В общем диапазоне акустические волны выделяют область собственно звука, воспринимаемого человеком на слух; условные границы этой области 16 Гц — 20 кГц (термин «звук» применяют часто к акустическим волнам во всём частотном диапазоне). Ниже лежит область инфразвука, выше — ультразвука (2·104 Гц — 109 Гц) и гиперзвука (109 Гц — 1013 Гц). Гиперзвуковые волны в кристаллах иногда рассматривают с позиций квантовой теории, сопоставляя им фононы.

Распространение акустических волн характеризуется в первую очередь скоростью звука. При определённых условиях наблюдается дисперсия звука — зависимость скорости акустических волн от частоты. По мере распространения происходит постепенное затухание звука, т. е. уменьшение интенсивности акустических волн. Оно обусловлено в значительной степени поглощением звука, связанным с необратимым переходом энергии акустической волны в теплоту. Распространение акустических волн рассматривается методами волновой акустики либо геометрической акустики. При большой интенсивности акустических волн наблюдаются искажение их формы и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная акустика).

Звуковые волны слышимого диапазона служат средством общения людей, а также самых разных представителей животного мира. Акустические волны используются для получения информации о свойствах и строении разных сред и о различных объектах. С их помощью изучаются естественные среды — атмосфера, земная кора, Мировой океан, выясняются особенности строения вещества на микроскопическом уровне. В практической деятельности человека акустические волны служат для обнаружения дефектов в изделиях, используются как один из методов медицинской диагностики, применяются для воздействия на вещество с целью изменения его свойств.

Лит.: Красильников В. А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах. 3-е изд. М., 1960; Исакович М. А. Общая акустика. М., 1973; Скучик Е. Основы акустики: В 2 т. М., 1976. И. П. Голямина.

Добавить комментарий

Закрыть меню