Акустичні методи

Акустичні методи побудовані на вивченні характеру розповсюдження звуку в конструктивних матеріалах. Звук — коливальний рух часток пружного середовища, що поширюється у вигляді хвиль у газоподібному, рідкому та твердому середовищі. Пружні хвилі прийнято ділити на інфразвукові з частотою до 20 Гц, звукові, частота яких лежить у межах від 20 Гц до 20 кГц, ультразвукові з частотою від 20 кГц до 1000 МГц і гіперзвукові, частота котрих перевищує 1000 МГц. При визначенні міцності й знаходженні дефектів у бетонних та керамічних конструкціях використовують коливання частотою від 20 до 200 кГц, а при дослідженні металів і пластмас — частотою від 30 кГц до 10 МГц.

Існує ряд методів використання ультразвуку на практиці. Найбільше поширення дістав ультразвуковий імпульсний, резонансний, iмпедансний методи та метод акустичної емісії. Акустичні методи базуються на відомих із фізики залежностях, що визначають характер розповсюдження хвиль у суцільних середовищах. Картина розповсюдження хвиль є досить складною, оскільки при дії на середовище швидкоплинних процесів збуджуються хвилі різного типу.

Розглянемо розповсюдження найпростіших одномірних поз-довжніх хвиль у пружному стержні, площа поперечного перерізу якого дорівнює А, а модуль пружності — Е. Припустимо, що в стержні поперечні перерізи залишаються плоскими, розподіл поздовжніх напружень однорідний уздовж усього стержня, радіальна інерція дуже мала, а коефіцієнт Пуассона матеріалу дорівнює нулю.

Нехай до торця стержня в момент часу t = 0 (рис. 1.13,а) прикладаються рівномірно розподілені безмасовi сили, що діють протягом часу t = τ. Тоді за час t напруженнями σ буде стиснена ділянка стрижня довжиною z = v τ, де v — швидкість розповсюдження фронту поздовжньої хвилі вздовж стрижня. При цьому торець стрижня дістане переміщення на величину (рис.1.13,б)

(1.10)

Середню швидкість С _м переміщення торця можна визначити за виразом

(1.11)

Якщо допустити, що час дії навантаження малий (імпульсне навантаження), тобто τ → 0, то швидкість переміщення торця визначимо так:

(1.12)

Скористаємось тепер рівнянням кількості руху

(1.13)

Урахуємо, що σ, A i с — величини, що мають постійні значення, с ₀ = 0, оскільки до прикладання навантаження торець не переміщався, а маса m визначалась довжиною ділянки стержня

(1.14)

звідки випливає, що

(1.15)

де ρ — густина матеріалу.

Інтегруючи ліву частину рівняння (1.13), а також ураховуючи в правій частині співвідношення (1.12) та (1.14), будемо мати

(1.16)

Після скорочення в обох частинах однойменних членів отримаємо

(1.17)

У загальному випадку залежність між швидкістю поширення пружних хвиль та фізичними константами середовища може бути виражена формулою

(1.18)

де K = 1 при визначенні швидкості розповсюдження поздовжніх пружних хвиль у тонких стержнях, коли A < λ² (λ — довжина хвилі, що визначається як

(1.19)

При використанні ультразвуку в металах довжина хвилі змінюється в межах від 0,4 до 233 мм, а в залізобетоні — від 10 до 275 мм. Довжина хвилі є одним із параметрів, що визначає розв’язувальну здатність методу вимірювань. Слід підкреслити, що наведені міркування носять деякою мірою спрощений характер, оскільки при цьому не враховувалася неоднорідність конструктивних матеріалів та наявність сил опору, які приводять до згасання процесу розповсюдження хвиль.

Визначаючи швидкість розповсюдження поздовжніх хвиль у тонкій пластинці при її товщині, меншій за довжину хвилі, слід прийняти K = 1 / (1 - μ²), а в необмеженому середовищі K = (1- μ)(1 + μ)^–1 (1 - 2 μ)^-1.

При розгляді швидкості поширення зсувних (поперечних) пружних хвиль у будь-якому середовищі K = 0,5(1 + μ)^-1, а при розгляді пружних поверхневих хвиль (хвиль Релея) — K = 0,5(0,87 + 1,12 μ)² (1 + μ)^-1.

При використанні нормальних хвиль (хвиль Лемба), що виникають у плоских тілах та тілах постійної товщини, K = π² δ² μ^–2 (1- μ²)^-1 / 3 (тут δ — товщина об’єкта, що розглядається, яка повинна бути суттєво меншою від довжини хвилі).

Будь-яка ультрахвильова установка складається з окремих елементів апаратурного забезпечення експериментів. У цей комплекс уходять випромінювач і приймач коливань. В окремих випадках випромінювач одночасно може виконувати функції приймача, а в методі акустичної емісії він використовується лише як приймач. Є також блок живлення, підсилювачі сигналів на вході i виході, реєструюча апаратура (електронний осцилограф або цифровий індикатор). При використанні електронного осцилографа звичайно використовується затримка зображення, що дає можливість реєструвати сигнал на екрані деякий час.

Випромінювачі та приймачі — ультразвукові перетворювачі — можуть бути п’єзоелектричними і магнітострикційними. В перших кристал, що має п’єзоелектричні властивості (кварц, турмалін, титанат барію, сегнетова сіль й ін.), перетворює механічну енергію в електричну і навпаки. В других магнiтостриктер, який збирається з тонких ізольованих одна від одної металевих пластинок i має властивість стискуватися або розтягатися під впливом дії магнітного поля, також дає можливість виконати перетворення енергій одну в іншу.

Ці перетворювачі збуджують поз-довжні хвилі. Для отримання поперечних хвиль використовується явище транс-формації поздовжньої хвилі на межі двох середовищ. На цю межу (рис. 1.14) пiд кутом α падає поздовжня хвиля 1. Тут вона трансформується у хвилі, що проходять, та тi, що відбиваються 2: поздовжні і поперечні. Причому кут переломлення β_вп поздовжньої хвилі 3 більший від кута переломлення β_пп поперечної хвилі 4. Збільшуючи кут α, можна досягти такого положення, що поздовжня хвиля, яка проходить, буде поширюватися лише по поверхні й в іншому середовищі будуть поширюватися тільки поперечні хвилі. Подальше збільшення кута α дасть можливість прийти до такого положення, коли в іншому середовищі буде поширюватися поперечна хвиля лише по межі розподілу.

Практично ця трансформація хвиль досягається використанням призматичного перетворювача (рис. 1.15), який складається з призми 3 та випромінювача 1. На цьому рисунку показані промені падаючої поздовжньої хвилі 2, промінь поперечної хвилі, що проходить, 5 i промінь хвилі, котра відбилася, 4.

Хвилі, що пройшли в матеріал дають змогу досліджувати його властивості одним із методів, що наведені нижче.

У металевих конструкціях за допомогою ультразвуку виконується контроль дефектів у металi та якість зварних швів. Під час використання тіньового методу (рис. 1.16) сигнал від випромінювача 1 та приймача 3 подається на екран осцилографа (рис. 1.16, б), причому за наявності дефектів 2 виникає зниження або повне зникнення сигналу, що відтворюється приймачем.

Траси прозвучування конструкцій можуть мати довільний напрям. Так може використовуватись метод похилого прозвучування поздовжньою хвилею (рис. 1.17, а) або поверхневе прозвучування поперечною хвилею (рис. 1.17, б).

За неможливості розміщення головок випромінювача й приймача на поверхні конструкції використовується луна-метод (рис. 1.18). У даному випадку перетворювач 1 виконує функції як випромінювача, так i приймача. Цей метод дозволяє як знаходити дефекти 2, так i визначати товщину виробу H та відстань h до місця розташування дефекту. Якщо провести неодноразове прозвучування поверхні, то на бездефектних ділянках (рис. 1.18, а) на екрані осцилографа буде реєструватись постійний проміжок t ₁ між моментом посилання сигналу та моментом його отримання. В місцях, де мають місце дефекти (рис. 1.18, б), буде значна зміна цього часу, що визначається тепер як t ₂. Для сталевих конструкцій швидкість поширення ультразвуку c є величиною стабільною, що дає можливість із досить елементарних суджень визначити невідому товщину металу H = 0,5 ct ₁. Відстань до мiсцезнаходження дефекту тепер може бути визначена як h = 0,5 ct ₂.

Можна також відмітити існування дзеркально-тiньового методу, коли випромінювач та приймач установлюються на одній i тiй же поверхні виробу в безпосередній близькості один від одного. Такий підхід дає можливість використовувати ту саму апаратуру, що випускається промисловістю.

При контролі якості зварних швів вищенаведеними методами знаходять шлакові включення, тріщини, раковини, газові чарунки та непровари. Для контролю стикових з’єднань використовують призматичні перетворювачі з різними кутами падіння ультразвукових хвиль. Оскільки в стикових з’єднаннях дефекти звичайно розвиваються вздовж поверхонь виробів, що з’єднуються, то в процесі контролю перетворювач переміщають уздовж шва по змiєподiбнiй ламаній лінії.

При зварних швах товщиною 250...300 мм та більше використовують перетворювачі з кутом 30˚, при товщинах 200...250 мм — перетворювачі з кутом 40˚, при більш тонких швах — перетворювачі з кутом 50...55˚.

Суть луна-методу, який використовується при дослідженні дефектів зварних швів при з’єднанні їх упритул, полягає в реєстрації рівня послаблення ультразвукових хвиль, що відбиваються від поверхні (рис. 1.19). При цьому чим більше послаблення, тим більші розміри дефекту. Даний метод може бути використаний (при наскрізному прозвучуваннi) для контролю як нижньої ділянки шва (рис. 1.19, а), так i верхньої його частини (рис. 1.19, б). На рисунку 1.19, в показано принцип використання луна-методу при відбитті хвилі від нижньої поверхні матеріалу.

Резонансний метод пов’язаний із дією на конструкцію збурень змінної частоти. При використанні ультразвуку для проведення випробувань при стандартних збуджувачах коливань можна розглядати як об’єкти, що досліджуються, лише зразки, геометричні розміри яких достатньо великі. Перевагою таких експериментів є те, що вони відкривають широке поле для виявлення впливу різних факторів на динамічні характеристики матеріалу, який уже пройшов випробування імпульсним методом.

При проведенні резонансних досліджень використовують зразки: призми з розмірами 200х200х800; 150х150х600; 100х100х400; 7,07х7,07х28,3 мм, а також циліндри діаметром 150; 7,14 мм при висоті зразка вiдповiдно 600 i 28,56 мм. Завданням випробувань є визначення динамічного модуля пружності та зсуву.

Випромінювач під час проведення експерименту випромінює гармонійні коливання різної частоти. Приймач приймає сигнал, а система реєстрації виводить його на електронно-променеву трубку. При змiнi частоти ультразвукових коливань легко визначити тi, якi відповідають резонансним режимам, тобто виявити збіжність вимушених та власних коливань. Використовуючи отримані результати на основі відомого методу динаміки споруд можна визначити динамічні характеристики матеріалу.

Імпедансний метод базується на реєстрації величини акустичного імпедансу (опору) ділянки виробу, що контролюється. Зміна вхідного імпедансу може бути виявлена за зміною амплітуди або фази сили, що діє на датчик та збуджує в ньому пружні коливання. На рисунку 1.20 показана схема iмпедансного методу. Датчиком 1 є стержень, який має контакт із поверхнею і здійснює поздовжні коливання. Якщо обшивка 2 жорстко склеєна з основним матеріалом 4, то вся конструкція коливається як одне ціле й імпеданс системи „обшивка—клей—конструкція—датчик“ визначається жорсткістю всієї конструкції. При цьому сила взаємодії датчика та конструкції буде суттєвою. Якщо стержень попадає в зону, де відсутній клей 5, то ділянка обшивки коливається як тонкий елемент. Оскільки жорсткість обшивки суттєво нижча, ніж жорсткість системи в цілому, то сила взаємодії суттєво зменшиться.

Метод акустичної емісії оснований на реєстрації акустичних хвиль у твердих тілах при пластичному деформуванні та виникненні i розвитку тріщин. Реєструючи швидкість руху хвиль емісії можна знайти небезпечні дефекти й прогнозувати надійність елементів конструкцій: зон концентрації напружень у металевих, еволюцію розвитку тріщин у залізобетонних, появу розшарування в клеєних дерев’яних конструкціях i т.п.

Техніка реалізації акустичного методу полягає в тому, що на поверхні об’єкта, який вивчається, встановлюється ряд приймачів, що реєструють момент приходу імпульсу та його характеристики в процесі навантаження конструкції і її експлуатації. Інтенсивна фіксація імпульсів свідчить про процеси, що пов’язані з розвитком мiкро- й макротрiщин у конструкціях.

Дата добавления: 2014-11-29