Реферат: Акустические методы контроля качества продукции

Из формулы видно, что увеличение диаметра излучателя, сужая направленность пучка, увеличивает ближнюю зону преобразователя.

Отражение от несплошностей. Это свойство УЗ-волн служит основой для их использования в эхо-импульсном методе дефектоскопии материалов. При падении волны на поверхность раздела двух сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается и первую. Если УЗ-волна перпендикулярна к границе двух сред, то проходящая и отраженная волны будут такого же типа, что и падающая. Коэффициент отражения R как отношение интенсивностей отраженной и падающей волн зависит от соотношения удельных акустических сопротивлений Z₁ =ρ₁ C₁ и Z₂ =ρ₂ C₂ первой и второй сред:

Из формулы видно, что R не зависит от направления УЗК через границу раздела сред Z₁ и Z₂ .

Коэффициент прохождения волны D=1—R. Чем больше разница в акустических сопротивлениях, тем больше интенсивность отраженной волны.

Раскрытие несплошности также влияет на отражение УЗ-волн. Однако заполненные воздухом трещины раскрытием Δг= 10^-4 —10^-5 мм отражают около 90 % падающей энергии УЗК. Можно считать, что пределом выявляемости трещин служит несплошности раскрытием Δг> 10^-5 λ.

Если размеры дефектов малы, то УЗ-волны огибают небольшую несплошность без существенных отражений.

Свойство отражения УЗ-волн служит основой для выявления несплошностей в металлах, поскольку акустические свойства таких дефектов, как поры, шлаки, непро-вары, существенно отличаются от свойств основного металла. Коэффициент отражения от трещин, несплавлений и пор близок к единице, если величина их раскрытия более 10^-4 мм, а поперечный размер соизмерим с длиной волны. Для шлаков R=0,35—0,65 в зависимости от марки флюса.

Стандартная УЗ-аппаратура позволяет уверенно выявлять несплошности площадью S≥1 мм² . При увеличении частоты УЗК можно выявлять несплошности и с меньшей площадью, но при этом значительно повышается затухание УЗК.

Затухание. Коэффициент затухания δ в приведенных выше формулах возрастает с увеличением частоты не линейно, а в повышенной степени. Причем коэффициент затухания различен для различных материалов и складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния δ=δ_п +δ_р .

Поглощенная звуковая энергия переходит в теплоту. Рассеянная энергия остается по форме звуковой, но уходит из направленного пучка, отражаясь от неоднородной среды. В однородных средах (пластмасса, стекло) затухание определяется главным образом поглощением ультразвука: δ_п >δ_р . Причем δ_п пропорционально либоf (стекло), либо f ² (пластмассы).

В металлах рассеяние преобладает над поглощением δ_р >>δ_п , причем δ_п пропорционально f , а δ_р пропорционально f ³ или f ⁴ . Коэффициент от соотношения средней величины зерен D и длины λ УЗ-волны. Увеличение размера зерен приводит к росту затухания УЗК, при этом δ_Р =D ₃ f ₄ .

Для того чтобы рассеяние УЗК на зернах не искажало результаты дефектоскопии, практически необходимо иметь λ>(10...100)D. Если это условие выполняется по верхнемy пределу (λ≥100D), то можно обычно контролировать металл на глубину вплоть до 8— 10 м и даже более.

При распространении УЗ-волн в металлах возможна реверберация — постепенное затухание колебании, обусловленное повторными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от поверхностен, ограничивающих контролируемое изделие) и структурной (из-за многократного отражения и рассеяния колебаний границами зерен металла).

Рассеяние УЗК значительно зависит от анизотропии кристаллов. При этом скорость по одной из осей кристалла или зерна существенно отличается от скорости вдоль его другой оси. У алюминиевых сплавов и у сталей упругая межзерениая анизотропия кристаллов обычно мала. У нержавеющих (аустенитных) сталей и чугуна явления межзеренной анизотропии резко выражены, что приводит к рассеянию УЗК и плохой прозвучиваемости этих материалов.

Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют для измерения размеров зерна. При этом принимают диапазон волн примерно в области λ=(4 - 10)D.

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м). Затухание 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1 м амплитуда волны уменьшается в е раз (е = 2,718 — основание натуральных логарифмов, или число Непера). Эти единицы связаны соотношением 1 Нп/м = 8,68 дБ/м.

В практике УЗ-дефектоскопии коэффициент затухания часто измеряют в Нп/см или, что то же самое, в см^-1 .

Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент имеет весьма большие колебания в тех изделиях, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.

С ростом частоты коэффициент затухания увеличивается, поэтому крупнозернистые металлы прозвучивают обычно на более низких частотах 0,5—1,8 МГц.

Трансформация УЗК.

Рассмотренные выше процессы отражения УЗ-волн относились к нормальному их падению на границу раздела сред. При контроле сварных швов применяют, как правило, наклонные преобразователи с вводом УЗК под некоторым углом к вертикали. В общем случае при падении продольной волны наклонно под углом β к границе двух твердых сред происходит трансформация (расщепление) этой волны (рис. 5, а). Возникают две преломленные волны (продольная C_l ' и поперечная C_t ' ) и две отраженные C_l и C_l . Углы преломления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах. Эту зависимость называют законом Снеллиуса. Записанный только для преломления волн этот закон имеет вид

sin β/C_l = sin α_l /C_l '= sin α_t /C_t '.

При увеличении угла падения β, который соответствует углу плексигласовой призмы в наклонных преобразователях, углы ввода УЗК в металл α_l и α_t также меняются и вся диаграмма как бы поворачивается против часовой стрелки вокруг точки 0 (рис. 5, б, в ). При этом сначала возможно исчезновение в прозвучиваемом металле луча C_l ' , а потом — луча C_t ' . Углы β соответствующие исчезновению продольной, а затем поперечной волн в металле, называют соответственно первым и вторым критическими углами. Значению β_кр1 отвечает угол α_l = 90°, а значению β_кр2 угол α_t =90°.

Рисунок 5. Отражение и преломление продольной волны на границе разделов двух твердых сред

При УЗ-дефектоскопии сварных швов во многих случаях целесообразно вводить в металл только поперечную волну. Поэтому угол призмы наклонных преобразователи выбирают обычно в интервале между двумя критическими значениями:

(β_кр1 +3°)<β<(β_кр2 -3°).

Поправку на 2—5° вводят для большей помехозащищенности контроля: в первом случае от продольной, а во втором — от поверхностной волны.

Акустический тракт.

Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех так называемых трактах УЗ-дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом.