Акустический вид неразрушающего контроля

 

Акустический вид неразрушающего контроля (НК) пригоден для контроля деталей, изготовленных из любых материалов, достаточно хорошо проводящих акустические волны (металлов, пластмасс, керамики, бетона и т. д.). Основан на регистрации параметров упругих волн, возникающих или возбуждаемых в объектах контроля (ОК).

Колебания в зависимости от частоты разделяют на инфразвук – до 16 Гц, звук – (15 – 20000) Гц, ультразвук – более 20 кГц и гиперзвук – свыше 10 ГГц, когда уже наблюдается тепловое движение частиц.

Чаще используют упругие волны ультразвукового диапазона, причем в двух направлениях: технологическом, куда входят процессы очистки, обработки, пайка, терапия в медицине и др., диагностическом – неразрушающий контроль, гидроакустика, медицинская диагностика, разведка полезных ископаемых и т. д.

На ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта ультразвуковому контролю подлежат следующие детали подвижного состава: оси колесных пар типа РУ1, РУ, РУ1Ш, оси с редуктором, цельнокатаные колеса (обод, приободная зона, гребень), элементы тяговых электродвигателей и передач локомотивов, оси колесных пар локомотивов, коленчатые валы дизелей. Методической основой ультразвукового контроля являются руководящие документы РД 07.09.97, СТО РЖД 1.11.002-2008, технические и инструктивные материалы ОАО «РЖД».

 

1.1. Природа и типы ультразвуковых волн

 

Любые отклонения от положения равновесия, совершаемые материальной точкой под действием какой-либо силы, называют колебаниями. Если в процессе колебаний возникает восстанавливающая сила, то такие колебания называют упругими или гармоническими.

Гармонический колебательный процесс (рис. 2.1) может

быть описан выражением , где отклонение ,

равное расстоянию колеблющейся точки от положения равновесия в произвольный момент времени t, называют смещением или амплитудой, - максимальная амплитуда ее смещения, величину ( ), являющуюся аргументом косинуса, называют фазой, а параметр начальной фазой колебания. Совместно с амплитудой начальная фаза определяет положение и скорость колеблющейся точки в начальный момент времени. Параметр называют круговой частотой (рад/с), в отличие от частоты f (Гц), определяемой числом полных колебаний в одну секунду (Гц = 1/с).

Упругие колебания могут возникать в любой материальной среде. Наличие упругих межмолекулярных связей в среде между частицами позволяет передавать энергию колеблющихся частиц соседним и приводит к тому, что их смещения передаются от одного слоя к другому в различных направлениях.

Процесс распространения колебаний в упругой среде иллюстрируется упрощенной пространственной моделью (рис. 2.2). Здесь отдельные частицы, из которых, по нашим представлениям, состоит твердое тело, фиксируются на своих местах упругими силами. Если одновременно привести в движение все частицы, расположенные по линии АВ, то они сожмут пружины и передадут движение частицам по линии CD. Те в свою очередь передадут движение частицам по линии EF и т. д. Частицы по линии АВ, достигнув максимального смещения вправо, силами упругости (пружинами) будут возвращены в положение равновесия, по инерции пройдут его, достигнув максимального смещения влево, после чего возвратятся обратно. Таким образом каждый слой материальных частиц будет совершать колебательное движение. Если бы частицы были соединены друг с другом жестко, то все они пришли бы в движение одновременно и находились бы постоянно в одинаковом состоянии движения, т. е. оставались бы в одинаковой фазе. В упругих средах дело обстоит иначе. Для передачи движения нужно некоторое время, и слои, которые пришли в движение позже, отстают по фазе от передних. В то время как частицы какого-либо слоя проходят через положение равновесия при колебаниях справа налево, частицы, расположенные в плоскостях правее, только начинают свой путь направо. Они запаздывают как раз на 1/2 периода колебания. Частицы претерпевают в каждом слое полный цикл колебания, передают свои смещения от слоя к слою слева направо с определенной скоростью возбуждения, так как имеет место запаздывание. Так возникает волна как процесс распространения упругих колебаний в материальной среде. И направление, по которому распространяется максимум энергии волнового движения, обозначают лучом.

Если направление смещения колеблющихся частиц совпадает с лучом волны, то такая волна называется продольной. На рис. 2.3 показан «мгновенный» снимок такой модели, в которой волна бежит слева направо. Видно, что при колебаниях со сдвинутой фазой возникают зоны, в которых частицы располагаются особенно тесно. Это зоны сжатия. Они чередуются с зонами разрежения, или зоны повышенного – с зонами пониженного давлений. Продольная волна называется поэтому еще и волной «расширения – сжатия». Обозначается l-волной.

Если в волне смещение частиц происходит перпендикулярно направлению ее распространения, то такая волна называется поперечной. При этом расстояние между слоями частиц остаются неизменными (рис. 2.3, б). Часто поперечную волну называют сдвиговой и обозначают t - волной. Продольные и поперечные волны распространяются по всему объему среды и потому называются объемными.

В отличие от объёмных различают поверхностные s-волны – упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной (или слабо напряженной) границы твердого тела, локализуясь в тонком приповерхностном слое (рис. 2.3, в). Разновидность поверхностной волны, которая распространяется на границе «твердая среда – газ», называют волной Релея (R-волна). Она является комбинацией продольных и поперечных волн, ее частицы в приповерхностном слое твердой среды совершают колебательные движения по эллиптическим траекториям (рис. 2.3, г). Большая ось эллипса при этом перпендикулярна к границе и совпадает с плоским фронтом волны.

Входящая в R-волну продольная волна затухает с глубиной быстрее, чем поперечная, и поэтому частицы, совершая колебания, движутся по эллиптическим траекториям, которые с глубиной становятся все более относительно вытянутыми. Полное затухание поверхностной волны происходит на глубине 1 – 1,5 λ.

R-волна чувствительна к шероховатости, покрытиям, грязи на поверхности. Достаточно хорошо огибает углы (рис. 2.4, в) (отражается от угла 60 % энергии, а уходит «за угол» 30 % ее энергии).

Так как R-волна распространяется вдоль поверхности и вглубь не уходит, то ее затухание значительно меньше, чем у объемных волн, и она пробегает большие расстояния как по плоской (рис. 2.4, в), так и по криволинейным поверхностям (рис. 2.4, а, б), причем на выпуклой поверхности происходит некоторое повышение скорости распространения, а на вогнутой – уменьшение с дополнительным затуханием по амплитуде.

Поверхностную волну успешно применяют для выявления дефектов вблизи поверхности объекта контроля. Она избирательно реагирует на дефекты: с увеличением глубины залегания отраженная волна от дефектов ослабляется, и на глубине больше одной длины волны последние практически не выявляются.

Объемные волны широко применяются в ультразвуковом контроле колесных пар, осей и зубчатых колес редукторов подвижного состава, поверхностные – при контроле поверхности катания цельнокатаных и зубчатых колес.

Твердые среды обладают объемной упругостью и упругостью формы и поэтому способны передавать продольные и поперечные смещения, в них могут существовать l, t и R-волны. Жидкости и газы не обладают способностью сопротивляться силам смещения (иначе они не могли бы так легко течь, например в трубах), им присуща лишь объемная упругость, и они могут передавать только l-волны.

Поляризацией волны называется траектория и направление движения частиц упругой среды по отношению к направлению распространения волны. В общем случае монохроматическая волна имеет эллиптическую поляризацию. Если траектория движения частиц вырождается в линию, то говорят, что такие волны имеют линейную поляризацию. Такая поляризация характерна для объемных волн, в частности поперечных.

Считают, что практически во всех случаях поперечная волна, возникающая вследствие трансформации и вводимая в изделие с помощью наклонного преобразователя, линейно поляризована в плоскости падения, т. е. перпендикулярна границе раздела двух сред. Такая волна называется вертикально поляризованной или SV-волной. Если частицы поперечной волны колеблются перпендикулярно плоскости падения, т. е. вдоль границы раздела двух сред, то такую волну называют горизонтально поляризованной или SH-волной.

В продольной волне явление поляризации возникнуть не может, т. к. траектория движения частиц совпадает с направлением распространения волны.

Свойства поперечных волн (скорость, затухание и др.) могут зависеть от вида поляризации. Если SH-волны, возбуждаясь, распространяются вдоль объекта контроля, то колебания их частиц будут всегда перпендикулярны этой поверхности. Этим объясняется, что SH-волны чувствительны к дефектам типа расслоений и ликваций и абсолютно не восприимчивы к состоянию контролируемой поверхности.

SH-волны возбуждают электромагнитно-акустическим преобразователем или кварцевой пьезопластиной Y-среза.

Однако в настоящее время в практике ультразвукового контроля широко применяют поперечные волны с SV-поляризацией, формируемые доступными штатными средствами на основе пьезокерамики.

В реальных условиях контроля наклонным преобразователем фронт ультразвуковой волны излучающего пьезоэлемента имеет неплоскую форму. От излучателя, ось которого ориентирована под первым критическим углом к границе раздела, на границу падают также продольные волны с углами несколько меньше и несколько больше первого критического. При этом в стали возникает несколько типов волн.

Вдоль поверхности формируется неоднородная поверхностно-продольная волна (рис. 2.5).

Эта волна, состоящая из поверхностной и объемной компонентов, называется также вытекающей или ползучей. Частицы в этой волне движутся по траекториям в виде эллипсов, близких к окружностям. Фазовая скорость вытекающей волны незначительно превышает скорость продольной волны (для стали ). Эти волны существуют на глубине, примерно равной длине волны, и быстро затухают: амплитуда волны уменьшается в 2,7 раза на расстоянии 1,75λ вдоль поверхности. Ослабление связано с тем, что в каждой точке границы раздела генерируются поперечные волны под углом , равным третьему критическому углу, называемые боковыми волнами. Этот угол определяется из соотношения:

 

. (2.1)

 

Для стали .

Головной называется продольно-поверхностная волна, возбуждаемая при падении ультразвукового пучка на границу раздела под углом, близким к первому критическому.

Скорость этой волны равна скорости продольной волны. Своего амплитудного значения головная волна достигает под поверхностью вдоль луча с углом ввода 78°. Одновременно с возбуждением продольно-поверхностной волны образуется и обратная продольно-поверхностная волна – распространение упругого возмущения в сторону, противоположную прямому излучению. Ее амплитуда примерно в 100 раз меньше амплитуды прямой волны.

Головная волна нечувствительна к неровностям поверхности и реагирует лишь на дефекты, залегающие под поверхностью. Ослабление амплитуды продольно-поверхностной волны вдоль луча любого направления происходит пропорционально .

На рис. 2.6 показано изменение амплитуды эхо-сигнала от плоскодонных отверстий, расположенных на разной глубине (зависимость характерна для преобразователя типа ИЦ-70, в котором излучающий и приемный пьезоэлементы расположены рядом). Видно, что применение головных волн наиболее эффективно для выявления несплошностей на глубине 3 – 12 мм (в стали). Чувствительность к дефектам вблизи поверхности заметно снижается. Максимальная амплитуда при расстоянии 20 мм достигается для плоскодонных отверстий, расположенных на глубине 6 мм.

В дефектоскопии продольные и поперечные волны, распространяющиеся вдоль поверхности, называют головными. Их возбуждают с помощью наклонно падающей продольной волны на границу с объектом контроля под первым и вторым критическими углами. Более широкое применение получили головные продольные волны. Головная волна не реагирует на поверхностные дефекты и неровности поверхности глубиной менее одной длины волны. В то же время с ее помощью можно обнаружить подповерхностные дефекты в слое, начиная от глубины, равной одной длине волны до 3 – 4 длин волн.

Кроме выше обозначенных в неразрушающем контроле используют волны Стоунли, Лява, Лэмба, нормальные, волны Порхгамера, каждая их которых имеет свою нишу эффективного применения.

Вопросы, изложенные в этом разделе, рассмотрены в [41, 45].

 

1.2. Параметры упругих волн

 

Упомянутое выше смещение (амплитуда) гармонического колебания относительно положения равновесия можно переписать в виде

 

, (2.2)

 

где t – время, с;

λ – длина волны, м, λ = С/f;

С – скорость распространения волны, м/с;

, рад/м;

Т – период колебания, с;

F – частота колебаний, Гц = 1/с, f = 1/Т;

ω – круговая частота, рад/с.

Из уравнения (2.2) видно, что любое значение ξ повторяется во времени через одно и тоже значение времени Т (при этом надо положить х = 0) или через равные отрезки расстояния λ (при этом надо положить t = 0) в пространстве.

Скорость С распространения различных типов волн различна, причем для продольных и сдвиговых волн является характеристикой среды, не зависящей от параметров упругой волны. Скорость продольных С1, поперечных Сt и поверхностных СR волн в неограниченных твердых телах:

 

. (2.3)

 

где Е – модуль упругости (модуль Юнга);

ν – коэффициент Пуассона (для металлов ν = 0,3);

ρ – плотность материала твердой среды.

Видно, что скорость ультразвука определяется только свойствами упругой среды и не зависит от частоты ультразвука, его затухания и т. д. Из приведенных формул приближенные соотношения между скоростями волн для малоуглеродистых сталей будут: Сt = 0,55Cl; CR = 0,52Cl; CR = 0,93Ct.

Полезно запомнить значения скоростей ультразвука для некоторых сред, которые приведены в табл. 2.2 в м/с. Удобно скорости измерять или оценивать в мм/мкс, для этого достаточно приведенные в табл. 2.2 цифры разделить на тысячу.

Колебательная скорость v движения частиц. Ее следует отличать от понятия скорости С распространения волны. Если последняя характеризует скорость распространения возбужденного состояния среды (например, сжатия-растяжения), то колебательная скорость определяет скорость механического движения частиц в процессе их смещения относительно положения равновесия, т. е. , [м/с].

Главный параметр любой волны – длина волны λ. Она равна отрезку пути, пробегаемому волной за период Т времени, в течение которого происходит полный цикл одного колебания, т. е. λ = СТ. Для продольных волн, например, это некоторое постоянное значение расстояния, через которое чередуется зоны сжатия и разрежения, для поперечных – участки сдвига вверх – вниз. Длина волны λ – это внутренняя согласованная мера, относительно которой определяются и через которую связаны многие параметры волн, аппаратуры, среды.

Таблица 2.2

Параметры ультразвука для различных сред

Среда Скорость ультразвука, м/с Плотность, г/см Удельное акустическое сопротивление, г/см2.с Коэффициент затухания, 1/м (2,5 МГц)
Сl Ct продольное поперечное
Воздух 0,0013 0,00004 до 2,8
Вода 1,0 0,15 0,004
Масло трансформаторное 0,9 0,128
Оргстекло 1,18 0,32 0,132 8,0
Алюминий 2,7 1,7 0,83 0,1–5,0
Медь 8,9 4,18 2,05 1,8–4,4
Сталь (м/угл) 7,8 4,55 2,52 1,0–8,0

Если учесть, что Т = 1/f, то λ представляется в виде:

(2.4)

Это основное соотношение в теории колебаний. Оно справедливо для всех волновых процессов. Отметим важное обстоятельство. Частота f является характеристикой источника колебаний, возбуждающего волну, скорость С – константа материала среды, в которой данная волна движется. В силу этого (2.4) является физически правильной записью соотношения между λ , С и f. Формула (2.4) связывает параметры С и f двух физически обособленных объектов, т. е. среды и генератора колебаний. Другие математические верные записи формулы (2.4) (f = c/λ или с = λ.f) самостоятельного физического смысла не имеют.

Каковы же длины волн употребительных сред в практике ультразвукового контроля деталей вагонов? Результаты расчетов по формуле (2.4) с учетом данных табл. 2.2 приведены в табл. 2.3. Видно, что длина волн для принятой на железнодорожном транспорте частоты 2,5 МГц составляет миллиметры. Поэтому объекты контроля с размерами, превышающими десятки миллиметров, можно считать бесконечными средами, что дает основание рассматривать существование продольных и поперечных волн раздельным, независимым друг от друга.

Давление Р в волне определится как

 

. (2.5)

 

Например, распространение продольной волны вызывает образование в среде зон повышенного и пониженного давления, т. е. избыточного к существующему в невозмущенной среде. Обозначим ρc = z, тогда P = v.Z. Данное соотношение называют акустическим законом Ома по аналогии с законом Ома (U = Z.I) в электротехнике. Здесь в качестве напряжения U выступает давление Р, сопротивления Z (акустический импеданс, Z = ρC)и силы тока I – колебательная скорость v.

Важно понятие акустического импеданса

Таблица 2.3








Дата добавления: 2017-12-05; просмотров: 1867;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.023 сек.