Реферат: Акустические методы контроля качества продукции

Пространство, в котором распространяются УЗ-волны, называют ультразвуковым полем. УЗ-волна в направлении своего движения несет определенную энергию. Количество энергии, переносимое УЗ-волной за 1 с через 1 см² площади, перпендикулярной к направлению распространения, называется интенсивностью ультразвука I . Для плоской волны при амплитуде смещения А:

Произведение скорости С ультразвука на плотность ρ среды называется удельным акустическим сопротивлением. Значения Z=ρC (С дано для продольной волны), характеризующие акустические свойства материалов.

Затухание УЗ-колебаний происходит по экспоненциальному закону

А=А₀ exp (- δr ),

где А₀ -амплитуда зондирующего импульса; δ - коэффициент затухания, см^-1 .

Поскольку интенсивность ультразвука равна квадрату амплитуды, то снижение интенсивности вследствие затухания описывается формулой

I = I ₀ exp (-2 δr ).

На практике нет необходимости определять амплитуду А или интенсивность волны I в абсолютных единицах, а достаточно найти величину их относительного ослабления. Тогда для выражения относительной величины I / I ₀ = A ² / A ₀ ² используют специальные единицы — децибелы.

Числодецибел:

N=101gI/I₀ =201gA/A₀ .

Пользуясь шкалой децибел (рис. 2), легко установить, например, что если отношение амплитуд посланного отраженного от несплошности сигнала А/А₀ =2, то lg2 ≈ 0,3, что соответствует N=-6 дБ и т. п. Эта шкала очень удобна в дефектоскопической практике, поскольку амплитуды могут изменяться на 2—3 порядка — в 10; 100 и 1000 раз, а в децибелах это составит соответственно 20, 40 и 60 дБ, т. е. значения одного порядка.

Рисунок 2. Номограмма перевода относительных единиц в децибелы

Свойства ультразвука.

Как показано на рис. 3, УЗ-колебания от генератора-излучателя ИП распространяются в материале изделия. При наличии дефекта Д образуется отраженное поле. За дефектом при его значительных размерах (>>λ) имеется акустическая тень. Регистрируя с помощью приемника-преобразователя П₁ ослабление УЗ-волны или с помощью преобразователя П₂ (или ИП) эхо, т. е. отраженную УЗ-волну, можно судить о наличии дефектов в материале. Это является основой двух наиболее распространенных методов УЗ-контроля: теневого и эхо-метода.

Рисунок 3. Схема УЗ-контроля материала: Д – дефект; ИП – излучатель и приемник (совмещенная схема); П₁ – приемник в теневом методе; П₂ – приемник в эхо методе

Наиболее важные дефектоскопические свойства УЗК: направленность УЗК, ближняя и дальняя зоны преобразователей, отражение УЗК от несплошностей, затухание, трансформация УЗК.

Направленность УЗК. При излучении пьезоэлементом (рис. 4, а) импульса УЗК в среде возникает УЗ-поле, которое имеет вполне определенные пространственные границы. Угол расхождения φ_Р зависит от соотношения длины волны и диаметра излучателя 2а :

φ_p ≈arcsin0,61λ/a= 0,61C/(af)= 1,22λ/(2a).

Для малых углов sinφ_p ≈φ_p . Как видно из выражения, направленность УЗ-поля тем выше (угол φ_p меньше), чем больше произведение а f .

Рисунок 4. Структура ультразвукового поля излучателя: а - акустическое поле; б – изменение интенсивности вдоль луча; в – диаграмма направленности

Направленность УЗ-поля удобно представлять в виде графика в полярных координатах, называемого диаграммой направленности (рис. 4, в). Диаграмма характеризует угловую зависимость Ф (φ) амплитуды поля в дальней зоне. Полярный угол φ отсчитывают от полярной оси, совпадающей с направлением излучения максимальной амплитуды.

Диаграмму направленности прямого преобразователя выражают через цилиндрическую функцию Бесселя (первого рода и первого порядка):

Анализ этого выражения показывает, что с увеличением аλ илиaf направленность поля возрастает. При а λ>0,6 в диаграмме, кроме основного, возникают боковые лепестки. Однако в них обычно сосредоточена малая часть (до 20 %) излучаемой энергии.

Ближняя и дальняя зоны. Приведенная выше формула показывает направленность УЗ-пучка в так называемой дальней зоне или зоне Фраунгофера. В ближней зоне, называемой зоной Френеля, амплитуда поля осциллирует (изменяется) как вдоль оси (рис. 4,б), так и по сечению пучка, а УЗ-волна при этом распространяется почти без расхождения.

Протяженность ближней зоны r₀ для цилиндрического излучателя