Курсовая работа: Ультразвуковой контроль ближней подступной части оси колесной пары

1.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО

НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

1.1 Природа и типы ультразвуковых волн

В данной работе рассматривается ультразвуковой неразрушающий контроль. Но перед этим необходимо рассматреть природу ультразвуковых волн.

Любые отклонения от положения равновесия, совершаемые материальной точкой под действием какой-либо силы, называют колебаниями. Если при этом движущая сила увеличивается пропорционально отклонению, то такую силу называют упругой, а колебания – упругими или гармоническими.

Гармонический колебательный процесс (рисунок 2) может быть описан выражением , где отклонение ξ, равное расстоянию колеблющейся точки от положения равновесия в произвольный момент времени t, называют смещением или амплитудой, ξ₀ –максимальная амплитуда ее смещения, величину ωt + φ₀ , являющуюся аргументом косинуса, называют фазой, а параметр φ₀ – начальной фазой колебания. Совместно с амплитудой ξ₀ начальная фаза φ₀ определяет положение, и скорость колеблющейся точки в начальный момент времени. Параметр называют круговой частотой (рад/с), в отличие от частоты f, равной числу 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 частиц к другому в различных направлениях.

??????? 1 - ????????????? ????????????? ???????

Процесс распространения колебаний в упругой среде иллюстрируется упрощенной пространственной моделью. Здесь отдельные частицы, из которых, по нашим представлениям, состоит твердое тело, прикреплены к своим местам упругими силами. Если одновременно привести в движение все частицы, расположенные по линии АВ, то 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, к которым движение дошло 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.

В ультразвуковой дефектоскопии различают три типа волн:

Продольные волны ( l – волны), называемые волнами растяжения-сжатия, в которых направление смещения частиц параллельно направлению распространения волны; в этих аволнах существуют зоны повышенного и пониженного давления, обозначенные на рис 2 а, зонами разной густоты частиц;

Поперечные волны ( t- волны), в которых смещение частиц ортогонально направлению распространения волны (рис. 2 б).

Продольные волны могут существовать в любых средах (твердых, жидких, газообразных), в то время как поперечные волны – только в твердых средах, обладающих объемной упругостью.

? ? ? ?

Рисунок 2 - Типы ультразвуковых волн: а – продольная волна; б – поперечная волна; в – поверхностная волна; - поверхностные волны Рэлея

Поверхностные волны (s– волны) – упругие волны, распространяющиеся вдоль поверхностной, слабо напряженной границы твердового тела; (рисунок 2, 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 совершают колебательные движения по эллиптическим траекториям (рисунок 2, 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 эллипсам с все большей глубиной и более вытянутым. Полное затухание поверхностной волны происходит на глубине 1-1,5 λ.

1.2 Параметры ультразвуковых волн

Ультрозвуковые волны характеризуются следующими основными параметрами: длиной волны λ (м), скоростью распространения волн С (м/с), колебательной скоростью частиц среды V (м/с), частотой f(Гц).

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=С^. Т. 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.

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

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) является физически правильной записью соотношения между λ, С и f. Другие математические верные записи формулы (2) ( f=c/ λ или с= λ^. f)самостоятельного физического смысла не имеют.

Длина волн для принятой в МПС частоты 2,5 МГц составляет миллиметры. Поэтому детали размером в десятки миллиметров можно считать бесконечными, что дает основание рассматривать существование продольных и поперечных волн раздельным, независимым.

Фронт волны – граница, отделяющая колеблющейся частицы от частиц среды, еще не начинавших колебаться. В зависимости от вида поверхности фронта волны последнюю разделяют на плоскую – возбуждается колеблющейся плоскостью, которая должна быть бесконечной; сферическую – возбуждается точечным источником колебаний; цилиндрическую – возбуждается источником колебаний, представляющим собой длинный цилиндр малого диаметра, например нить.

Плоской волны не существует, так как для ее излучения требуется бесконечная плоскость и, следовательно, бесконечная мощность, что не возможно. Реальные источники создают сферические волны, но плоская волна удобна для анализа и моделирования процессов ультразвукового контроля. Если использовать точечный источник колебаний, то на большом расстоянии от него, по крайней мере, превышающем длину волны, сферическую волну в первом приближении можно считать плоской.

Колебательная скорость v движения частиц. Ее следует отличать от понятия скорости. С распространения волны. Если последняя характеризует скорость распространения возбуждения или определенного состояния среды (сжатия или положения «гребня»), то колебательная скорость характеризует скорость механического движения частиц в процессе их смещения относительно положения равновесия, т.е. .

Важно понятие акустического импеданса

Z= ρC, (1)

Его называют еще удельным акустическим сопротивлением. Если сопротивление Z имеет большее значение, то среда называется «жесткой» (акустически твердой): колебательные скорости V и смещения ξ частиц малы даже при высоких давлениях. Если же импеданс Z невелик, то среда называется «мягкой» (податливой): даже при малых давлениях Р достигаются значительные колебательные скорости V и смещения ξ. Таким образом, давление в волне прямо пропорционально акустическому сопротивлению Z и колебательной скорости V движения частиц .

Интенсивность Iявляется энергетическим параметром волны. Она характеризует количество энергии, которое упругая волна несет в направлении своего распространения в единицу времени 1 с через поперечное сечение площадью 1 м² под углом θ к его нормали.

1.3 Затухание ультразвуковых волн

По мере удаления фронта ультразвуковой волны от источника ее амплитуда, давление и интенсивность падают и убывают по закону экспоненты, что обусловлено затуханием. Оно определяется физико-механическими характеристиками среды и типом волны и учитывается коэффициентом затухания δ, который складывается из коэффициентов поглощения δ_П и рассеяния δ_р, 1/м: