Реферат: Ультразвуковой контроль оси колёсной пары электровоза ВЛ-10

Величина энергии, проходящая в единицу времени через площадь 1 м² , расположенную перпендикулярно к направлению движения волны, называется интенсивностью волны I Вт/м (силой звука). Но поскольку на практике интенсивности звуковых волн изменяются в больших пределах, то для удобства их сравнения применяются относительные логарифмические единицы -децибелы (дБ). Уровень силы звука в децибелах будет:

N = 10∙lg(4)

где I₀ - некоторое пороговое значение интенсивности звуковой волны.

Важными характеристиками для ультразвукового контроля являются значения амплитуд колебаний (А) и звукового давления (Р):

Р = р∙с∙ώ∙А, (5)

где р - плотность среды;

с - скорость распространения волны;

ώ= 2∙π∙f - круговая частота колебаний.

Волновое сопротивление среды Z (Z = р∙с) имеет большое значение при переходе ультразвуковой волны через границу раздела сред.

При прохождении ультразвуковой (УЗ) волны через границу раздела двух сред одна часть энергии волны проходит через границу, а другая отражается от неё. В этом случае интенсивность отражённой волны (I_отр ) будет пропорциональна интенсивности падающей волны (I_пад ) и коэффициенту отражения R:

I_отр = R∙I_пад. (6)

Коэффициент отражения в свою очередь равен разности волновых сопротивлений граничащих сред:

R = Z₁ -Z₂ (7)

При R=0 будет наблюдаться полное прохождение ультразвука через границу раздела сред. Чем больше различие волновых сопротивлений сред, тем большая часть энергии отразится от границы раздела сред.

На этом физическом явлении основаны все контактные методы ультразвуковой дефектоскопии. Т.к. при наличии дефекта (несплошности) всегда имеется граница раздела между материалами несплошности и изделия cR ≠ 0 (сталь - шлак, сталь - воздух и т.п.), то в результате на ней будет происходить отражение Уз волны и частичное прохождение её через границу раздела. Поэтому дефекты могут быть обнаружены путём регистрации отражённых или прошедших УЗ волн.

Основными контактными методами являются теневой, зеркально-теневой и эхо-импульсный методы.

Важное значение в ультразвуковой дефектоскопии имеет угол падения волны на границу двух сред, т.к. он влияет на образование продольных, поперечных и поверхностных волн. Например, если ввести продольную ультразвуковую волну в металл через призму из оргстекла с углом менее 7°, то в метши введётся только продольная волна, от 28 до 55° - только поперечная, более 55° - только поверхностная волна. В связи с вышесказанным необходимо обратить внимание на то, что при прозвучивании оси колёсной пары вагона с торца продольной волной, последняя падает на цилиндрическую поверхность оси в её средней части под углом, близким к 90°, и трансформируясь в поперечную, отражается от неё под углом в 33°. Эти явления необходимо учитывать для получения достоверных результатов контроля.

2.2 Пьезоэффект и пьезоэлектрические преобразователи

Ультразвуковая дефектоскопия как средство обнаружения дефектов в изделиях базируется на свойствах ультразвука - проникновении в различные среды и отражении ультразвуковых волн от границы раздела сред.

В определённых условиях ультразвуковые колебания могут излучать некоторые природные и искусственные вещества, обладающие пьезоэлектрическими свойствами. К ним относятся кристаллические вещества: кварц, турмалин, сегнетова соль, сульфат лития; керамические вещества: титанат бария (ТБК-3), цирконат титанат свинца (ЦТС-19, ЦТСНВ-1, ЦТС-23). Сущность пьезо-эффекта состоит в том, что сжатие пластины из пьезоматериала приводит к появлению на её поверхностях электрических зарядов. Это явление называется прямым пьезоэффектом. Если жепластину поместить в переменное электрическое поле, то её толщина будет колебаться с частотой изменения поля. Такой пьезоэффект называется обратным. Эти явления позволяют преобразовывать электрические сигналы в ультразвуковые колебания и обратно. Наибольший эффект пьезопреобразования достигается при равенстве собственной частоты пьезопластины и частоты приложенного электрического поля (резонансе), который достигается при соотношении:

d = , (8)

где λ_п - длина волны в пьезопластине.

Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) предназначен для ввода ультразвуковых колебаний в контролируемую деталь, а также для приёма отражённых от границы раздела УЗ волн и преобразования их в электрические сигналы для последующей обработки электронными блоками дефектоскопа.

Пьезоэлектрический преобразователь представленный на рисунке 1 состоит из корпуса, в который установлена пьезоэлектрическая пластина, наклеенная на протектор из оргстекла (для наклонных преобразователей на призму из оргстекла), питающих проводов, электроразъёма и демпфера.

Рисунок 1 - Конструкция пьезоэлектрических преобразователей:

а- прямой; б- наклонный; в- раздельно-совмещённый

Пьезопластина покрыта с двух сторон токопроводящими слоями металла (например, серебра), которые являются электродами. Т.к. при колебании пластины колебания Распространяются в обе стороны, то пространство с обратной стороны пластины заполняется демпфирующим материалом, который гасит эти колебания и, следовательно, исключает возможность фиксирования их дефектоскопом.

ПЭП работает следующим образом. Пьезопластина колеблется с частотой подведённого к её электродам напряжения. Если подачу напряжения прекратить, то пластина ещё некоторое время будет совершать свободные колебания и отдавать энергию этих колебаний в контактирующую с ней среду, но их амплитуда будет быстро затухать. Таким образом, формируется короткий ультразвуковой зондирующий импульс. Пьезопластина возбуждает в призме исключительно продольную волну.