Ультразвуковые методы

Побуждение и прием колебаний. Для возбуждения ультразвуко­вых волн на поверхности исследуемого материала устанавливают преобра­зователи переменного электрического тока, создающие колебания. Чаше всего применяются преобразователи, действующие по принципу пъезоэффекта. При этом для возбуждения колебаний используется так называемый «обратный», а в преобразователях для приема колебаний - «прямой» пьезоэффекты.

Поскольку воздушные прослойки препятствуют передаче и приему ультразвуковых колебаний, между преобразователями и исследуемым ма­териалом наносят контактирующую среду. Для металла применяют обыч­но минеральное масло, для бетона и других материалов с неровной поверх­ностью необходимы смазки более густой консистенции - солидол, техни­ческий вазелин, эпоксидные смолы и t.д.

Условия прохождения ультразвуковых волн. Ультразвуковые коле­бания могут быть введены в исследуемую среду узким направленным пуч­ком - «лучом» с малым углом расхождения. Колебания частиц происходят при этом лишь в локализованном объеме материала, ограниченном конту­рами пучка, а исследуемый же элемент в целом остается неподвижным. Эта возможность прозвучивания материала в заданных направлениях является весьма существенной при проведении исследований.

Ультразвуковые волны, переходя из одной среды в другую, пре­ломляются, а также отражаются от граней, разделяющих эти среды, что используется для определения их распространения при данном методе кон­троля. В воздушных прослойках ультразвуковые колебания затухают почти полностью, что позволяет выявлять и исследовать скрытые внутренние де­фекты: трещины, расслоения, пустоты и т.д.

Различают продольные и поперечные полны. В первом случае час­тицы материала колеблются по направлению ультразвукового луча, а во втором - перпендикулярно к нему. Используют также поверхностные вол­ны, как продольные, так и поперечные, распространяющиеся лишь в по­верхностном слое материала и позволяющие, например в металле, обнару­живать самые мелкие поверхностные повреждения. Скорость распростра­нения волн (своя для каждого из указанных видов материалов) является одним из основных показателей при оценке физико-механических характе­ристик и состояний бетона, древесины и других материалов с переменными плотностью и влажностью.

Способы прозвучивания. По направлению ультразвуковых волн различают два основных приема прозвучивания.

Сквозное - когда излучатель, возбуждающий колебания, и при­емник, воспринимающий их, расположены с противоположных сторон ис­следуемого объекта (рис.1а, б). Направление ультразвукового луча по отношению к поверхности материала может при этом быть как нормаль­ным, так и наклонным, а также с использованием отражения или «эхо-метода», когда излучатель и приемник располагаются на одной и той же стороне (рис. 1в), что особенно существенно при возможности лишь од­ностороннего доступа к объекту. Кроме того, эхо-метод удобен при ис­пользовании не двух, а одного приемо-передающего преобразователя, ко­торый последовательно посылает упругие волны и сам же принимает их отражения.

а

б

в

Рис.1. Способы прозвучивания:

а - сквозное прозвучивание нормально в поверхности элемента;

б - диагональное прозвучивание; в- эхо-метод;

1 - прозвучиваемый элемент; 2 - излучающая пьезоэлектрическая пластинка; 3 - пьезопластинка, воспринимающая колебания; 4 - призма из оргстекла; 5 - направление прозвучивания; 6 - выявляемый дефект, 7 - теневая зона

По характеру излучениянеобходимо различать:

1)метод непрерывного излучения с подачей к излучателю колеба­ний переменного тока постоянной частоты; по такому принципу были раз­работаны первые дефектоскопы (С.Я. Соколов, 1928г.) для выявления де­фектов в материале по направлению звуковой тени (рис. 1в);

2)импульсный метод, получивший сейчас самое широкое приме­нение как наиболее эффективный при исследованиях бетона, при дефекто­скопии сварных швов металлоконструкций и др. В этом случае к преобра­зователю через определенные достаточно малые промежутки времени, на­пример, 25 или 50 раз в 1 сек. подаются короткие серии («пакеты») колеба­ний высокой частоты.

Регистрация ультразвуковых колебании производится с помощью специальной аппаратуры. Наиболее распространенной является передача электрических колебаний от приемного преобразователя через усилитель на экран электроннолучевой трубки катодного осциллографа. С большой точностью при этом могут быть определены скорость прохождения ультра­звуковых колебаний через исследуемый материал, интенсивность их зату­хания, а также другие показатели, используемые при оценке результатов измерений.

Область применения ультразвуковых методов

Определение динамического модули упругости. Скорость распро­странения упругих колебаний связана с динамическим модулем упруго­сти Е_дин и плотностью проверяемого материала соотношением

справедливым для случая продольных колебаний в стержне (одномерная задача).

Определив экспериментально скорость распространения волны ко­лебаний в элементе, длина которого велика по сравнению сего поперечны­ми размерами, находим. E_дин=v² , если плотность материала известна.

В массивных и плитных конструкциях, т. е. для случаев трехмер­ной (пространственной) н двухмерной задач, а также для поперечных коле­баний зависимость между E_дин и v определяется более сложными соотно­шениями, в которые кроме входит также коэффициент Пуассона μ рассматриваемого материала.

Для одновременного нахождения всех трех параметров (Е_дин, и μ) необходимо сопоставление по крайней мере трех экспериментов по опре­делению v, произведенных в разных условиях с применением продольных и поперечных колебаний и в конструкциях разной размерности - простран­ственных, плитных и стержневых.

Определение толщины элемента при одностороннем доступе.

В серийно выпускаемых для этой цепи толщиномерах используется непре­рывное излучение продольных ультразвуковых волн регулируемой часто­ты. На рис. 2 показан график распространения колебаний (условно на­правленных не вдоль, а поперек направления луча) по толщине стенки. Дойдя до противоположной ее грани, волна отражается и идет в обратном направлении. Если проверяемый размер h точно равен длине полуволны (или кратен этой величине), а противоположная грань соприкасается с ме­нее плотной средой, то прямые и отраженные волны совпадают. Амплиту­ды колебании самой пьезопластинки при этом резко возрастают (явление резонанса), что сопровождается соответствующим увеличением разности потенциалов на ее поверхностях.

Рис. 2. Схема измерения толщины резонансным методом; 1 - исследуемая деталь; 2 - пьезоэлемент; 3 - совпадающие амплитуды прямой и обратной «стоячей» волны; h - толщина детали

Замерив соответствующую резонансную частоту f и зная скорость распространения волн по длине 2h (суммарный ход прямого и отраженного лучей), находим проверяемую толщину по формуле:

Для стали скорость продольных ультразвуковых волн практически постоянна ( =5,7∙10⁵ см/сек), что даст возможность, меняя частоту в преде­лах от 20 до 100 тыс. гц надежно измерять толщину стенок от долей мил­лиметра до нескольких сантиметров.

Определение глубины трещин в бетоне. Излучающий и прием­ный преобразователи А и В располагаются симметрично относительно кра­ев трещины на расстоянии а друг от друга (рис.3). Колебания, возбуж­денные в точке А. попадут в точку В по кратчайшему пути:

АСВ = ,

где а - глубина трещины.

При скорости на это потребуется время

,

определяемое экспериментально.

Глубину трещины находим из соотношения

,

где скорость определяется обычно на неповрежденных участках поверх­ности.

По указанному методу могут бить исследованы трещины глубиной до нескольких метров.

Рис. 3. Определение глубины поверхностной трещины в бетоне:

1 -бетонный массив; 2 - трещина;

А - изучающий и В - приемный преобразователи

Следует, однако, иметь в виду следующее

1) значения v на поверхности и в глубине массива могут несколько отличаться;

2) длина пути АСВ немного возрастет в случае невертикальности трещины и, наоборот, может существенно уменьшиться при наличии в тре­щине воды, являющейся хорошим проводником ультразвуковых волн.

В ответственных случаях возможно получить данные для глубоких трещин. Отметим также другие практически наиболее важные области применения ультразвуковых методов.

В бетонных и железобетонных конструкциях производится:

- определение прочности бетона по корреляционным зависимо­стям между скоростью распространения ультразвуковых волн и прочно­стью бетона на сжатие, устанавливаемым путем параллельных ультразву­ковых и прочностных испытаний образцов бетона заданного состава и ре­
жима изготовления (при контроле вновь изготовляемых конструкций и де­талей) или образцов, извлеченных из возведенных сооружений. В случае невозможности отбора образцов из уже эксплуатируемых конструкций ориентировочное определение прочности бетона возможно по тарировочной зависимости;

- контроль однородности бетона в сооружениях;

выявление и исследование дефектов в бетоне сквозным прозвучиванием (возможным и при значительных толщинах бетона - до 10м и более) и путем измерений на поверхности конструкций. О наличии и харак­тере дефектов и повреждений судят при этом по изменениям скорости прохождения ультразвуковых волн в пределах отдельных участков поверхно­сти (так называемый метод годографа, т. е. графика скоростей);

- определение толщины верхнего ослабленного слоя бетона, распо­ложения слоев разной плотности и т.п.

Наличие арматуры в железобетонных конструкциях не мешает применению ультразвуковых методов, если направление прозвучивания не пересекает арматурные стержни и не совпадает с ними.

В металлических конструкциях:

- импульсная дефектоскопия швов сварных соединений в стальных и алюминиевых конструкциях;

- дефектоскопия основного материала;

- толщинометрия (определение толщин защитных металлических покрытий; выявление ослабления сечений коррозией).

В деревянных конструкциях и конструкциях с применением пластмасс:

- проверка физико-механических характеристик.

- проверка качества и дефектоскопия основного материала;

- дефектоскопия клеевых соединений и стыков.

Импульсные звуковые методы

Метод «ударной волны». Он основан на изменении скорости рас­пространения единичных импульсов, возбуждаемых ударом легкого молот­ка или специальными приспособлениями, например электрического дейст­вия, для нанесения небольших ударов заданной силы. Для приема и регист­рации сигналов может быть использована та же аппаратура, что и при ультразвуковом импульсном методе.

Этот метод используется для контроля асфальтового и цементного бетонов в дорожных и аэродромных покрытиях и может быть применен также для испытания длинномерных (до 30 м) бетонных и железобетонных элементов.

Вибрационный метод. Данный метод основан на использовании колебаний звуковой частоты и применяется при испытаниях образцов бе­тона (рис. 4).

Рассматриваемый метод полезен при сооружении дорожных и аэ­родромных покрытий для получения быстрой и надежной информации о ходе технологического процесса и может также быть положен в основу автоматического управления.

При этом о характеристиках материала судят по частотам, соответ­ствующим резкому увеличению измеряемых амплитуд при наступлении явления резонанса (откуда и другое наименование метода - «резонанс­ный»).

а

б

в

Рис.4. Испытание образцов бетона резонансным методом:

а - возбуждение продольных: б и в - изгибных колебаний;

1 - испытуемый образец; 2 - пьезопреобразователи

Метод «бегущей волны». При этом оригинальном методе к реги­стрирующему прибору, помимо сигналов, воспринимаемых приемным пре­образователем, подводятся также сигналы генератора, возбуждающего не­прерывные колебания. В результате сложения этих сигналов на экране электронно-лучевой трубки появляются характерные изображения фигур Лиссажу. Меняя частоту в пределах ультразвукового и звукового диапазо­нов, а также положение и тип приемных преобразователей, можно наблю­дать изображения, соответствующие продольным, поперечным и поверхно­стным волнам и по ним оценивать характеристики материала на разной глубине его нахождения.