Пьезоэффект
1 Прямой
П
ри
деформации пьезопластины на электродах
возникает разность потенциалов.
2 Обратный
П
ри
подаче на электроды электрического
заряда пластина деформируется.
При подаче переменного тока, пластина колеблется с частотой тока.
АЧХ преобразователя
В
зависимости от толщины пьезопластины
и ее формы, различают пьезопластины с
узкой полосой пропускания (узкополосные)
и с широкой полосой пропускания
(широкополосные). Измерения полосы
пропускания выполняют на уровне трех
или шести децибел.
Рисунок 1 – Узкополостный пьезопреобразователь
где
– полоса пропускания преобразователя;
– резонансная частота,
,
г
де
– скорость УЗВ в пьезопластине.
Рисунок 2 – Широкополостный преобразователь
Характерный резонанс пьезопластины не наблюдается, для получения широкой полосы пропускания толщина пластины делается переменной.
Формы пьезопластины
Большинство методов УЗК применяют узкополостные пьзопреобразователи, широкополосные пьезопреобразователи применяются в специальных методах, например в акустикоэмиссионным.
Строение ПЭП
1
Прямой ПЭП:
1 протектор – предназначен для защиты от износа и от механических повреждений пьезопластины. Выполняются из специального износостойкого материала или оргстекла;
2 пьезоэлектрическая пластина – для возбуждения и приема УЗВ;
3 демпфер – для уменьшения собственных колебаний пьезопластины, чем больше собственные колебания пластины, тем больше мертвая зона;
4 электроды.
2
Наклонный ПЭП:
1 призма преобразователя, выполняется из оргстекла;
2 пьезоэлектрическая пластина – для возбуждения и приема УЗВ;
3 демпфер – для уменьшения собственных колебаний пьезопластины, чем больше собственные колебания пластины, тем больше мертвая зона;
4 электроды;
5 ультрозвуковая ловушка – служит для рассеивания переотраженных волн в призме, уменьшения мертвой зоны и появления ножных сигналов от переотражения в призме.
Способы подключения ПЭП
1
Совмещенное подключение преобразователей
– когда одновременно подключается к
излучателю и приемнику.
2 Раздельно-совмещенные, когда в одном корпусе преобразователя имеются две пьезопластины, одна из которых, подключена к излучателю, а другая к приемнику.
1 – защитный экран, предотвращает попадание волн от излучателя и приемника на прямую.
Свойства раздельно-совмещенных волн
1 Призма излучаемой пьезопластины, всегда больше принимаемой. Для того, чтобы мертвая зона находилась в призме, вторая пьезопластина ниже для уменьшения потерь связанных с прохождением волн в ней.
2 Угол призмы от
с разной глубиной фокусировки. Чем
больше угол призмы, тем меньше глубина
фокусировки.
3 Мертвая зона раздельно-совмещенного преобразователя минимальна и составляет менее 3 мм.
3 Раздельная – используется два преобразователя: один излучатель, второй приемник.
М
етод
контроля тандем:
Способы контакта
1 Контактный – между ПЭП и ОК слой
жидкости,
2
Щелевой – между ПЭП и ОК слой жидкости
соизмеримый с длиной волны, где
,
жидкость подается через щель.
3 Иммерсионные волны, слой жидкости во
много раз больше длины волны
.
Толщина слоя должна обеспечивать
отсутствие второго донного сигнала
жидкости в зоне контроля.
1, 2 – соответственно первый и второй донный сигнал в жидкости.
3 – донный сигнал в контролируемом объекте.
Влияние температуры на скорость УЗВ
При изменении
изменяются упругие характеристики
материала, которые напрямую определяют
скорость УЗВ.
,
где
– начальная скорость УЗВ при температуре
;
– температурный коэффициент по скорости.
Для воздуха:
.
Для воды:
.
Для металла:
.
Для оргстекла:
.
Задание: по известной формуле
рассчитать скорость УЗВ в оргстекле и
стали, если
;
;
;
;
.
;
.
Вывод: с увеличением температуры, скорость в оргстекле и стали уменьшается.
Дифракция ультразвуковых волн
Если размеры отражателя намного больше длины волны, то отражение волн происходит по законам геометрической оптики.
Однако существуют области, в которых это закон нарушается, возникает явление дифракции УЗВ.
В ультразвуковом контроле различают 4 типа дифракции:
– на краю трещины (1 рода);
– на выпуклых поверхностях (2 рода);
– на границе раздела двух сред (3 рода);
– рефракция в слоисто - неоднородных средах (4 рода).
Дифракция на краю трещины
При попадании УЗВ на краю трещины происходит частичное рассеяние волн с углом рассеяния в 2 раза больше угла падения.
α = 2β β = 900, α = 1800
Свойства дифрагированных волн
1 Амплитуда рассеянных волн на 20…30 дБ меньше амплитуды падающей волны;
2 Фронт дифракционных волн близок к
сферическому и затухает обратно
пропорционально корню из расстояния
(
);
3 Амплитуда рассеянных волн практически не зависит от частоты и угла падения, незначительно увеличиваясь при приближении к βкр.3.
4 Явление применяется для оценки остроты кромок дефекта, формы и размеров.
Дифракция на выпуклых поверхностях
При попадании волны по касательной на выпуклую поверхность, возникают волны обегания (распространяются вокруг выпуклой поверхности, на подобие головной волны) и соскальзывания (трансформированная дифрагированная волна).
Существует 6 типов обегания соскальзывания:
1 – падающая волна; 2 – волна огибания; 3 – волна соскальзывания.
1 (T; R; T);
2
(T; L; T);
3 (T; T; T);
4 (L; L; L;);
5 (L; T; L);
6 (L; R; T).
Свойства дифрагированных волн:
1 Амплитуда дифрагированных волн на 30…30 дБ меньше, чем падающей, кроме схемы (T; R; T), имеющая максимальную амплитуду дифрагированных волн на 15…20 дБ меньше падающей (Nд = N0 – 15-20 дБ);
2 Схемы (T; R; T) и (T; T; T) существуют одновременно;
3 Затухание волн пропорционально e-δr (А/А0 ~ e-δr) и соответствует затуханию объемных волн;
4 (T; R; T) используется для оценки формы (выпуклости) дефекта.
Дифракция на границе раздела двух сред
При определении критических углов падения волны на границу раздела двух твердых сред, вдоль обеих поверхностей одновременно бежит головная волна, непрерывно излучающая трансформированные волны.
Существует 4 критических угла и 12 схем дифракции. Частный случай при отсутствии первой среды, 1, 2 и 3 критические углы.
1 – падающая волна; 2 – волна, бегущая вдоль поверхности; 3 – трансформированная волна во вторую среду; 4 – трансформированная волна в первую среду.
(L; L; T; T)
(L; L; T; L)
Свойства дифрагированных волн:
1 Скорость распространения волн в обеих средах одинакова и равна скорости в первой сред.
2 Если в первой среде является жидкость, то в жидкости распространяются только продольные волны. Если же во второй среде бежит Рэлеевская волна, а первая среда – жидкость, то она ведет себя как головная волна.
3 Головную волну можно возбудить, установив прямой ПЭП в торец изделия, близко к внешнему периметру.
П
ри
смещении от внешнего периметра в центр,
явление трансформации резко уменьшается
и исчезает.
Рефракция в слоисто-неоднородных средах
В
материалах, имеющих поверхностную
закалку или механическое упрочнение
поверхности, изменение акустических
свойств определяется прочностными
свойствами материала. И чем больше
твердость материала, тем меньше скорость
ультразвуковых волн.
I – закаленный слой (HBmax, C ~ const); II – переходной слой (HB↓, C↑); III – основной незакаленный слой (HBmin,Cmax = const).
Т
ак
как с увеличением скорости УЗВ, угол
ввода увеличивается, то в переходном
слое наблюдается явление изменения
направления волны с образование зон
каустики.
1 – зона каустики, к которой распространяется УЗВ (зона представляет собой форму изогнутой трубы); 2 – зона отсутствия УЗ; 3 – точки выхода рефрагированных волн.
Для возбуждения УЗВ и получения зон
каустики применяются преобразователя
с углами призмы
.
L
– рефрагированная волна
I – зона приема L головной волны; II – зона приема рефрагированных волн.
L волна имеет неявно выраженную зону каустики и определения точки выхода затруднено, поэтому для УЗВ она на применяется.
Т – рефрагированная волна
О
бладает
несколькими явно выраженными зонами
каустики по расстоянию, между которыми
судят о толщине закаленного слоя и его
прочностных свойствах.
I – поскольку поперечная головная волна не существует в жидком слое (в контактном), то сигнал в ней отсутствует; II – зона рефракции, измеряемые характеристики в точке выхода лучей r1, r2, r3, r4 и расстояние между точками (Δr1 = r2 – r1; Δr2 = r3 – r2; Δr3 = r4 – r3).
Поперечная рефрагированная волна
Обладает несколькими явно выраженными зонами каустики, по расстоянию между которыми судят о толщине закаленного слоя и его прочностных свойствах.
I 
–
поскольку поперечная головная волна
не существует в жидком слое (в контактном),
то сигнал в ней отсутствует;
II – зона рефракции, измеряемой
характеристики точки выходов лучей
и расстояния между точками
;
.
Методы УЗК
1 Активные методы – на объект оказывается воздействие результатом которого является воздействие, результатом которого является звуковая или ультразвуковая волна и измеряются характеристики описывающие состояние объекта.
2 Пассивные методы – измеряются только параметры акустических волн без воздействия на объект, по которому судят о его состоянии.
Активные методы
1 Теневой – уменьшение амплитуды прошедшего через объект сигнала.
1.1 Временно-теневой – основан на измерении прохождения через объект, связанного с ослаблением дефекта.
t1
t2
1
.2
Вело-симметрический – основан на
измерений времени пройденной волной,
в тонкой пластине, применяемое (время)
следствие наличия трещины типа расслоения.
где
– скорость волн в пластине;
– скорость в слое между трещиной и
поверхностью.
На разность времен влияет длина трещины и глубина залегания.
2 Активный метод отражения:
2.1 Эхо-метод
3 Активный комбинированный метод:
3.1 Зеркально-теневой метод – основан на анализе ослабления амплитуды прошедшей через объект и отраженной на изделие.
3.2 Эхо-зеркальный метод – анализируется сигнал, отраженный на изделие или от дефекта.
3
.3
Эхо-сквозной – анализируются сигналы,
отраженные на поверхность ввода сигнала
дефекта.
Наличие сигнала II и III свидетельствуют о либо развивающейся трещине, либо полупрозрачной.
4 Активные методы колебания – основаны на возбуждении в объекте звуковой и ультразвуковой волны (ударом) анализируется спектр полученных сигналов, различают локальный метод, когда возбуждается часть объекта и интегральный, когда возбуждается весь объект.
5 Активный акустотопографический метод, когда на поверхность наносится тонкий слой порошка, выполняются механические воздействия на пластину, т.е. упорная вибрация и в месте нахождения трещины, порошок расходится. Вследствие большей амплитуды колебания металла в районе трещины.
Пассивные методы
1 Шумодиагностика – анализируется спектр шумов излучаемых объектов.
2 Вибродиагностика
3 Акустикоэмиссионный – анализируются сигналы излученные трещиной при нагружении объекта механически.
При проведении неразрушающего контроля на железнодорожном транспорте используется более 90% всех объектов, которые контролируются эхо-методом, ЗТМ – применяется как дополнительный к эхо-методу, так же применяются эхо-зеркальный, акустикоэмиссионный, вибро- и шумо- диагностики применяются для контроля узлов (например: буксовый узел).
1 Эхо-метод
О
снован
на измерении амплитуды отраженной от
дефектоскопа и времени пройденного
сигнала.
складывается из времени в призме
преобразователя и времени пройденного
внутри объекта (задержки):
.
Пример: дано изделие, где
;
.
Определить общее время, пройденное
волной для преобразователя
,
,
,
для которой
;
;
;
;
.
Найти
.
Если
увеличить в два раза, а именно
,
то
.