Акустические методы и средства контроля

НК

 

01

 

Акустические методы и средства  контроля

 

АКУСТИКА (от греческого akusticos -    слуховой) - раздел физики, исследующий   закономерности излучения и      распространения упругих волн в различных средах, а также взаимодействия их со средой.

Звук – упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания.

Как любая волна, звук характеризуется амплитудой и частотой. Человек слышит звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 20 000 Гц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком, выше до 1 ГГц — ультразвуком, от 1 ГГц до 10 ТГц — гиперзвуком.

НК

 

02

 

Акустические методы и средства  контроля

 

Вызываемые звуком колебания  нарушают состояние системы, что  выражается в отклонении ее  характеристик от равновесных  значений. Степень воздействия характеризуется звуковым давлением.

Уровень звукового давления (англ. SPL, Sound Pressure Level) — измеренное по относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению pSPL = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой

1 кГц: SPL=20lg(P/20мкПа), дБ.

НК

 

03

 

Акустические методы и средства  контроля

 

Свойство среды проводить акустическую  энергию, в том числе ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Оно выражается отношением плотности  звуковой энергии к объемной  скорости звуковых волн. Удельное  акустическое сопротивление среды (Z) устанавливается отношением амплитуды P к амплитуде колебательной скорости  ее частиц. Чем больше Z, тем выше  степень сжатия и разряжения  среды при данной амплитуде  колебания частиц среды. Z=ρ•c, где ρ - плотность среды, с - скорость распространения звуковых волн. Z измеряется в Па•с/м или в г/с•см².

НК

 

04

 

Акустические методы и средства  контроля

 

• В газах скорость звука меньше, чем в жидкостях.
• В жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах.
• В воздухе при нормальных условиях скорость звука составляет 331,46 м/с.
• В воде скорость звука составляет 1485 м/с.
• В твёрдых телах скорость звука составляет 2000—6000 м/с.

НК

 

05

 

Акустические методы и средства  контроля

 

Уда́рная волна́ — скачок уплотнения, распространяющийся в среде со сверхзвуковой скоростью. Микроскопически, ударная волна представляет собой тонкую переходную область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и других параметров среды. Ударная волна - это пример гидродинамического разрыва, через который течёт поток вещества. Обычно – это волна сжатия.

НК

 

06

 

Акустические методы и средства  контроля

 

Акустические волны в твердых  телах делят на объемные (ОАВ), поверхностные (ПАВ), волноводные и  канализированные. ОАВ распространяются  во всем объеме твердого тела. Одним из признаков, по которым  их различают, является форма  фронта волны: плоские, сферические, цилиндрические и т. д. Другой  признак -  направление вектора  смещения колеблющихся частиц. ОАВ  могут быть продольными, квазипродольными, поперечными и квазипоперечными. ПАВ распространяются вблизи  поверхности. Вектор их фазо-вой  скорости параллелен поверхности, а интенсивность быстро убывает  с глубиной. Волноводные волны  могут существовать в стержнях  и тонких слоях, как в волноводах, а канализированные - в выступах  или канавках на поверхности  твердого тела - как в каналах.

НК

 

07

 

Акустические методы и средства  контроля

 

Ценным свойством ОАВ является  отсутствие дисперсии, т. е. зависимости  фазовой скорости от частоты  вплоть до оптического диапазона. Это свойство ОАВ облегчает  создание широкополосных акустических  и акустооптических устройств  обработки радиосигналов, а также  их применение для целей акустической  диагностики.

Для контроля свойств поверхности  применяют ПАВ. Насчитывают много  разновидностей ПАВ, основными являются  волны Релея, головные (продольные, подповерхностные, ползущие), Стоунли (на границе раздела двух сред), Гуляева-Блюштейна (только в пьезоэлектрических кристаллах), Марфельда-Турнуа (на границе раздела пьезоэлектриков), Лява (распространяются  в тонком слое на подложке).

НК

 

08

 

Акустические методы и средства  контроля

 

Головную волну можно представить  как пучок лучей продольных  волн, идущих от излучателя под  разными углами к поверхности. Параллельная поверхности волна  быстро затухает из-за перерождения  ее в поперечную моду. Ее тоже  можно использовать для диагностических  целей при небольшой толщине  испытуемой детали. Максимальную  амплитуду имеет волна, идущая  под т.н. углом скольжения, составляющим, как правило, 12-15^о. Эта волна практически не чувствительна к поверхностным дефектам глубиной до 0,5 мм, лучше всего она подходит для выявления неоднородностей на глубинах 4-10 мм и на расстояниях до 50 мм от приемника.

НК

 

09

 

Акустические методы и средства  контроля

 

В протяженных деталях с ограниченными  размерами сечения возникает  волноводный акустический эффект, ведущий к образованию т.н. нормальных  волн. В пластинах такие волны  называют волнами Лэмба, а в  стержнях – волнами Похгаммера. Надо отметить, что в таких  волнах образуются узловые поверхности  с нулевой амплитудой колебаний (за исключением нулевой моды), в области которых дефекты  не обнаруживаются.

НК

 

10

 

Акустические методы и средства  контроля

 

     Впервые применить звуковые волны для целей неразрушающего контроля предложил советский физик Сергей Яковлевич Соколов, который получил авторское свидетельство № 23246 с приоритетом от 2 февраля 1928 года на изобретение: «Способ и устройство для испытания металлов». Суть изобретения состояла в том, что в жидкости возбуждают упругие колебания высокой частоты и по степени поглощения этих колебаний находящимся в жидкости или в соприкосновении с нею испытуемым металлическим образцом судят о его свойствах, например, о степени его закалки, о химической однородности, о наличии в нем раковин или трещин и т. д.

НК

 

11

 

Акустические методы и средства  контроля

 

     Открытие С. Я. Соколова оказалось чрезвычайно плодотворным. Это объясняется тем, что в основе предложенного им способа лежало наблюдение за распространением акустических волн, которое определяется упругими свойствами материала, а с ними, как известно, тесно связаны прочностные характеристики. Именно поэтому акустические методы в настоящее время широко применяются не только для выявления тончайших трещин и других дефектов. Они используются также для неразрушающего контроля физико-механических свойств материалов, измерения геометрических размеров изделий, контроля качества поверхности деталей и других целей.

НК

 

12

 

Акустические методы и средства  контроля

 

     В 1935 г. С.Я.Соколов защищает докторскую диссертацию на тему «Ультраакустические колебания и их применение». 
В 1942 г. ему присуждается Государственная премия II степени за «Изобретение метода ультраакустической дефектоскопии», а в 1951 г. – Государственная премия I степени за «Изобретение ультразвукового микроскопа, усовершенствование и промышленное освоение методов ультразвуковой дефектоскопии».

    Член-корреспондент АН СССР с 1953 г.

     Его изобретение – редкий случай не оспариваемого приоритета.

НК

 

13

 

Акустические методы и средства  контроля

НК

 

14

 

Акустические методы и средства  контроля

 

     Ультразвуковой метод не имеет равных при обнаружении тонких трещин. Если радиационные методы при самых благоприятных условиях позволяют обнаруживать трещины шириной 0,1 мм, а магнитный и электромагнитный контроль — шириной 0,001—0,01 мм, то ультразвук «замечает» трещины шириной 0,00001 мм, практически полностью отражаясь от них.

     Акустические методы контроля не универсальны, они имеют свои области эффективного применения. В других случаях необходимо применять и другие способы контроля.

НК

 

15

 

Акустические методы и средства  контроля

 

Классификация акустических методов  контроля

 

     По ГОСТ 23829-79 акустические методы делят на активные, использующие излучение и приём акустических волн, и пассивные, основанные только на приёме. Активные акустические методы делят на две подгруппы, использующие прохождение и отражение волн. Применяют непрерывное и импульсное излучение.

НК

 

16

 

Акустические методы и средства  контроля

 

К методам прохождения относятся  следующие:

• Теневой метод, основанный на уменьшении амплитуды прошедшей волны под влиянием дефекта.
• Временной теневой метод, основанный на запаздывании импульса, вызванном огибанием волной дефекта.
• Зеркально-теневой метод, основанный на ослаблении сигнала, отраженного от противоположной поверхности изделия (донного сигнала).
• Велосиметрический метод, основанный на изменении скорости упругих волн при наличии дефекта.

НК

 

17

 

Акустические методы и средства  контроля

 

В методах отражения применяют, как правило, импульсное излучение. К этой подгруппе относятся  следующие методы дефектоскопии:

• Эхо-метод. Регистрирует эхо-сигналы от дефектов.
• Зеркальный эхо-метод основан на зеркальном отражении импульсов от дефектов, ориентированных вертикально к поверхности, с которой ведётся контроль.
• Реверберационный метод предназначен для контроля слоистых конструкций типа металл-пластик. Он основан на анализе длительности реверберации ультразвуковых импульсов в одном из слоёв.

НК

 

18

 

Акустические методы и средства  контроля

 

     От рассмотренных акустических методов неразрушающего контроля существенно отличается импедансный метод, основанный на анализе изменения механического импеданса участка поверхности контролируемого объекта, с которым взаимодействует преобразователь.

     Механическим импедансом называют отношение величин упругой силы к скорости обратимой деформации при гармоническом воздействии на деформируемую поверхность.

НК

 

19

 

Акустические методы и средства  контроля

 

     Стоячие звуковые волны используются в методах:

• Локальный метод свободных колебаний. Он основан на анализе спектра волн, возбуждённых в части контролируемого объекта с помощью ударов молоточка-вибратора.
• Интегральный метод свободных колебаний. Механическим ударом возбуждаются вибрации во всём изделии или в значительной его части.
• Локальный резонансный метод. Применяется в толщиномерии.
• Интегральный резонансный метод. Применяют для определения модулей упругости материала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебаний изделий простой геометрической формы.

НК

 

20

 

Акустические методы и средства  контроля

НК

 

21

 

Акустические методы и средства  контроля

 

Эхо-импульсный метод ультразвуковой  дефектоскопии

    

     Одним из наиболее распространённых методов акустической диагностики является эхо-импульсный метод ультразвукового неразрушающего контроля. Этот метод – в отличии от других – применим при одностороннем доступе к исследуемому объекту.

         В эхо-импульсном методе ультразвуковой дефектоскопии используются те же принципы, что и в радио- и акустической локации.

     Современный эхо-метод основан на излучении в контролируемое изделие коротких импульсов упругих колебаний длительностью 0,5–10 мкс и регистрации интенсивности (амплитуды) и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов отражателей.

НК

 

22

 

Акустические методы и средства  контроля

 

Импульсный эхо-метод позволяет  решать следующие задачи дефектоскопии: