Акустический контроль

Министерство  образования и науки РФ

ГОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Технологический институт

Кафедра «Физики  методов и диагностики»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа:

«Акустический контроль»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнили: ст.гр. ПМК-09

Овденко Т.А.                                                                                                                                         

Проверил: Казаков Р.Х.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тюмень 2013

Содержание

 

Введение…………………………………………….......................................стр. 2

Глава I Акустические волны и их распространение..……..……………….стр. 3

    1.1 Типы акустических волн………………...............................................стр. 3

    1.2 Преломление, отражение, дифракция,

          рефракция акустических волн………………………………………..стр. 6

    1.3 Прием и излучение ультразвука…………………………………….стр. 11

    1.4 Ультразвук в различных средах…………………………………….стр. 14

    1.5 Отражение и рассеяние ультразвука………………………………..стр. 15

Глава II. Основные методы акустического контроля.................................стр. 17

Глава III. Применение акустических методов.............................................стр. 22

Заключение……...………………………………………………..…………стр. 26

Список литературы...………… …………………………………….……...стр. 27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Акустические  методы занимают центральное место  среди методов неразрушающего контроля. Их отличает высокая чувствительность, способность к выявлению дефектов различных размеров и формы. С  помощью акустических методов проводят контроль самых разнообразных материалов и изделий. Выгодной отличительной особенностью акустических методов является возможность обнаружения дефектов, расположенных внутри изделия, на значительной глубине. Используя акустические методы, можно не только обнаружить дефект, но и определить его местоположение в изделии, указать, хотя бы приближенно, его размеры, сделать заключение о форме дефекта.

К настоящему времени  разработана целая группа методов  акустического контроля, использующих самые различные физические принципы и явления. Для правильного использования методов необходимо иметь представление о физических закономерностях, лежащих в их основе. Курсовая предназначена в первую очередь для специалистов в области неразрушающего контроля. Одной из главных целей было стремление показать связь теоретических представлений акустики и практических методов контроля. Учтены требования ГОСТов по ультразвуковому контролю и нормативной технической документации.

И, сделав вывод  о том, что данная тема актуальна  наше время, была поставлена следующая цель:

- полностью  раскрыть тему акустического  контроля.

Для достижения данной цели были поставлены следующие  задачи:

- изучить акустические волны и их распространение;

- рассмотреть  основные методы акустического контроля;

- узнать где  применяются данные акустические методы контроля.

 

 

 

 

Глава I. Акустические волны и их распространение

 

1.1 Типы  акустических волн

 

Методы акустического  контроля используют волны малой  амплитуды. Это область линейной акустики, где напряжение (или давление) пропорционально деформации. Область колебаний с большими амплитудами или интенсивностями, где такая пропорциональность отсутствует, относится к нелинейной акустике.

В неограниченной твердой среде существует два  типа волн, которые распространяются с разными скоростями: продольные и поперечные.

 

Рис. 1 - Схематическое  изображение продольных (а) и поперечных (б) волн

 

Волну ul называют продольной волной или волной расширения-сжатия (рис. 1. а), потому что направление  колебаний в волне совпадает  с направлением ее распространения.

Волну ut называют поперечной или волной сдвига (рис. 1. б). Направление колебаний в  ней перпендикулярно направлению  распространения волны, а деформации в ней сдвиговые. В жидкостях  и газах поперечных волн не существует, так как в этих средах отсутствует упругость формы. Продольные и поперечные волны (их обобщенное название - объемные волны) наиболее широко используют для контроля материалов. Эти волны лучше всего выявляют дефекты при нормальном падении на их поверхность.

Вдоль поверхности твердого тела распространяются поверхностные (волны Рэлея) и головные (ползущие, квазиоднородные) волны.

 

Рис. 2 - Схематическое  изображение волн на свободной поверхности  твердого тела: а - рэлеевский, б - головной

 

Поверхностную волну успешно применяют для выявления дефектов вблизи поверхности изделия. Она избирательно реагирует на дефекты в зависимости от глубины их залегания. Дефекты, расположенные на поверхности, дают максимальное отражение, а на глубине больше длины волны практически не выявляются.

Квазиоднородная (головная) волна почти не реагирует на поверхностные дефекты и неровности поверхности, в то же время с ее помощью можно обнаружить подповерхностные дефекты в слое, начиная от глубины порядка 1... 2 мм. Контролю тонких изделий такими волнами мешают боковые поперечные волны, которые отражаются от противоположной поверхности ОК и дают ложные сигналы.

Если между  собой граничат две твердые среды (рис. 3, в), модули упругости и плотности  которых не сильно отличаются, то вдоль  границы распространяется волна Стоунли (или Стонсли), Такие волны находят применение для контроля соединения биметаллов.

Поперечные  волны, распространяющиеся вдоль границы  раздела двух сред и имеющие горизонтальную поляризацию, называют волнами Лява. Они возникают, когда на поверхности твердого полупространства имеется слой из твердого материала скорость распространения в котором поперечных волн меньше, чем в полупространстве. Глубина проникновения волны в полупространство возрастает с уменьшением толщины слоя. В отсутствие слоя волна Лява в полупространстве превращается в объемную, т.е. в плоскую, горизонтально поляризованную, поперечную волну. Волны Лява находят применение для контроля качества покрытий (плакировок), наносимых на поверхность.

 

Рис. 3 - Волны на границе  двух сред: а - затухающая рэлеевского типа на границе твердое тело - жидкость, б - слабозатухающая на той же границе, в - волна Стоунли на границе двух твердых тел

 

Если твердое тело имеет  две свободные поверхности (пластина), то в нем могут существовать специфические типы упругих волн. Их называют волнами в пластинах или волнами Лэмба и относят к нормальным волнам, т. е. волнам, бегущим (переносящим энергию) вдоль пластины, слоя или стержня, и стоячим (не переносящим энергии) в перпендикулярном направлении. Нормальные волны распространяются в пластине, как в волноводе, на большие расстояния. Их успешно применяют для контроля листов, оболочек, труб толщиной 3... 5 мм и менее.

Также выделяют особый вид  волн – ультразвуковые волны. Они  по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Отражение, преломление и возможность фокусировки ультразвука используется в ультразвуковой дефектоскопии, в ультразвуковых акустических микроскопах, в медицинской диагностике, для изучения макронеоднородностей вещества. Наличие неоднородностей и их координаты определяются по отражённым сигналам или по структуре тени.

 

1.2 Преломление, отражение, дифракция,

рефракция акустических волн

 

Преломле́ние - явление изменения  пути следования светового луча (или  других волн), возникающее на границе  раздела двух прозрачных (проницаемых  для этих волн) сред или в толще  среды с непрерывно изменяющимися свойствами.

Преломление звука - изменение направления распространения звуковой волны при её прохождении через границу раздела двух сред.

При падении на границу  раздела двух однородных сред (воздух – стена, воздух – водная поверхность  и т.д.) плоская звуковая волна может частично отражаться и частично преломляться (проходить во вторую среду.

Необходимым условием для  преломления является различие скоростей  распространения звука в обеих  средах.

По закону преломления, преломленный луч (OL") лежит в одной плоскости с падающим лучом (OL) и нормалью к поверхности раздела сред, проведенной в точке падения O. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления равно отношению скоростей звуковых волн в первой и второй средах C₁ и C₂ (закон Снеллиуса):

 

 

Из закона преломления  следует, что чем выше скорость звука  в той или иной среде, тем больше угол преломления.

Если скорость звука во второй среде меньше, чем в первой, то угол преломления будет меньше угла падения, если же скорость во второй среде больше, то угол преломления будет больше угла падения. Если удельное акустическое сопротивление обеих сред близки друг к другу, то почти вся энергия перейдёт из одной среды в другую.

Важной характеристикой  среды является удельный акустический импеданс, определяющей условия преломления звука на ее границе. При нормальном падении плоской волны на плоскую границу раздела двух сред величина коэффициента преломления определяется только отношением акустических импедансов этих сред. Если акустические импедансы сред равны, то волна проходит границу без отражения. При нормальном падение волны на границу двух сред коэффициент прохождения W волны определяются только акустическими импедансами данных сред Z₁=ρ₁С₁ и Z₂=ρ₂С₂. Формула Френеля (для нормального падения) имеет вид:

 

W=2Z₂/(Z₂+Z₁).

 

Формула Френеля  для волны падающей на границу  раздела под углом:

 

W=2Z₂cos /(Z₂cos +Z₁cosα).

 

Отражение звука - явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в ту же среду, из которой пришла падающая волна. Как правило, отражение звука сопровождается образованием преломлённых волн во второй среде. Частный случай отражения звука - отражение от свободной поверхности. Обычно рассматривается отражение на плоских границах раздела, однако можно говорить об отражении звука от препятствий произвольной формы, если размеры препятствия значительно больше длины звуковой волны. В противном случае имеет место рассеяние звука или дифракция звука.

Измерив амплитуду  отраженной волны, мы можем оценить  размер отражающего объекта.

Амплитуды (энергии) отраженной от границы двух сред и  прошедшей в другую среду зависит от характеристик этих сред. Эта характеристика называется акустическим сопротивлением (характеристическим импедансом) и для каждой среды описывается выражением

 

Z =

 

где r - плотность  материала, а C - скорость упругой волны в этом материале.

Амплитуда (энергия) отраженной волны зависит также  от формы отражающего тела и его  расположения относительно распространяющейся волны. Параметры отраженной волны  определяются формой и расположением  отражающего тела. Исследуя параметры отраженной волны, мы сможем определить форму дефекта. Это очень важно для оценки степени его опасности (обычно плоскостные дефекты типа трещин более опасны, чем округлые дефекты - поры).

В твердых телах  картина отражения и прохождения  упругих волн более сложная. Волны не только отражаются от границы раздела, но и преломляются и трансформируются (преобразуются из одного типа в другой). Что под этим понимается? На рис. 4 показана схема падения луча продольной волны под углом на границу раздела двух твердых сред.

 

Рис. 4 - Преобразование (трансформация) упругих волн при  падении на границу раздела двух материалов

 

Видно, что от границы раздела отражается не одна, а две волны. Одна продольная, а  другая сдвиговая (поперечная). Причем угол отражения продольной волны, как и в оптике, равен углу падения продольной волны.

Во вторую среду  проходят также две волны. Продольная – с углом, отличным от угла падения, и сдвиговая, угол которой также  отличается от угла отражения сдвиговой  волны в первом твердом теле. Углы падения, отражения и преломления подчиняются закону Снеллиуса (закон синусов)

 

 

Из выражения  следует, что угол равен углу , так как скорость распространения в первой среде для продольной волны одинакова. Мы ранее установили, что скорости упругих волн зависят от упругих характеристик материалов и плотностей. Значит, углы отражения и преломления также зависят от упругих свойств материалов и их плотностей. При угле падения равном 900 трансформации упругих волн не происходит. В то же время, замечательное свойство упругих волн отражаться от находящихся внутри материала неоднородностей, отличающихся по акустическим (упругим) характеристикам, используется для обнаружения дефектов. На этом принципе построена вся ультразвуковая дефектоскопия, дефектометрия, толщинометрия и т.д.