Краткие сведения из теории. Измерение скорости ультразвуковых колебаний или ультразвука в образцах из различных материалов производят эхо-импульсным методом

 

Измерение скорости ультразвуковых колебаний или ультразвука в образцах из различных материалов производят эхо-импульсным методом. Скорость ультразвука при различных типах волн можно рассчитать по упругим константам материала среды, а именно: по модулю упругости Е, Н/м, плотности r, кг/м, и коэффициенту Пуассона m (безразмерная величина).

Так, для продольных волн скорость ультразвука определяется по формуле:

, (1.1)

 

для поперечных волн –

 

. (1.2)

 

Однако определение скорости ультразвука по формулам (1.1) и (1.2) сводится к измерению значений Е, r и m, что требует больших трудозатрат и времени.

Эхо-импульсный метод позволяет определить скорости C _l и C_t экспериментальным путем. Волна, введенная в виде зондирующего импульса (ЗИ) ультразвуковых колебаний в какую-либо деталь, дойдя до внутренних отражателей (несплошности, грани поверхностей), в общем случае будет отражаться в виде эхо-импульса (ЭИ) колебаний. При глубине залегания отражателя Н и времени прохождения волны t от точки ввода в деталь до отражателя и обратно скорость продольной волны С _l (рис. 1.1) определится по формуле:

 

; (1.3)

 

поперечной волны С_t (рис. 1.2) –

 

, (1.4)

 

где 2t_п – время прохождения импульса ультразвука через призму ПЭП в обоих направлениях (акустическая задержка), с;

α – угол ввода луча в среду.

ОК

Y = H

x

a

Н

 

Формулы (1.3) и (1.4) положены в основу косвенного измерения скоростей C _l и C_t в различных образцах. Для определения скоростей C _l и C_t требуется измерить глубину Н, время t, знать или измерить значение времени 2t_п и угол a. Акустическая задержка 2t_п при измерении скорости C _l мала, поэтому ею можно пренебречь. Однако при некоторых способах измерения скорости C_t она может быть соизмерима со временем t и ею нельзя пренебрегать. Очевидно, что в любом случае косвенное определение скорости будет приближенным.

1.1.1. Способ косвенного измерения скорости продольной волны в образцах с плоскопараллельными гранями

Скорость C _l этим способом можно измерить с использованием многократного отражения от донной поверхности ультразвуковых волн, излучаемых прямым ПЭП, установленным на противоположную грань образца (рис. 1.3).

	Экран дефектоскопа

Донная поверхность

t2

t1

ДИ2

ДИ1

ЗИ

H

C l

ПЭП

 

Применяя формулу (1.3) для первого и второго донных импульсов (ДИ), получаем:

. (1.5)

 

Из уравнения (1.5) видно, что искомую величину можно получить, измеряя значения временных интервалов t₁ и t₂ от зондирующего импульса до первого и второго донных эхо-сигналов.

Указанные операции на дефектоскопе УД2-12 выполняются блоком цифрового отсчета (БЦО) в режиме «mS» с использованием строба автоматической сигнализации дефекта (АСД) и (или) ручного стробирования. Преобразования уравнения (1.5) показывают, что в данном случае определения времени 2t_п не требуется и регулятор «» («ушастый нуль») на блоке А6 при измерении t₁ и t₂ может находиться в любом положении (кроме крайних), удовлетворяющем условию t₁ > 2t_п. В противном случае БЦО не может определить интервал t₁ и иногда t₂. В случае, если t₁ > 2t_max = 30 – 35 мкс, указанное требование выполняется автоматически.

1.1.2. Способы косвенного измерения скорости поперечной волны

на различных образцах

Способ 1. Используются полукруглый образец СО-3 радиусом R и отражатель – вогнутая поверхность. Схема прозвучивания представлена на рис. 1.4, а.

Нуль глубиномера

ДИ2

а б

2tп

2R

C l

a

t2

t1

ДИ1

ЗИ

Экран дефектоскопа

 

	Рис. 1.4. Схема прозвучивания образца СО-3

 

Скорость C_t можно определить, измеряя временные интервалы t₁ и t₂ до первого и второго отраженных (эхо) сигналов (эхо-сигналов). Соотношение для определения C_t, полученное на основе формулы (1.4), имеет вид:

. (1.6)

 

Процедура определения скорости С _l аналогична процедуре, изложенной в подразд. 1.1.

Способ 2. Используются образец с плоскопараллельными гранями и отражатель – двугранный угол. Схема прозвучивания приведена на рис. 1.5, а.

В этом случае время (t – 2t_п) соответствует времени прохождения импульса ультразвуковых колебаний непосредственно в образце, где t – время прохождения волны от пьезопластины до отражателя и обратно, измеряется оно дефектоскопом и включает в себя акустическую задержку 2t_п, обусловленную материалом призмы ПЭП. Акустическую задержку необходимо знать заранее. Дефектоскоп УД2-12 позволяет компенсировать ее путем сдвига нуля глубиномера относительно зондирующего импульса с помощью регулятора «» на блоке А6 верхней панели ПЭП. Для определения значения 2t_п необходимо выполнить последовательно следующие операции.

U2

U1

H

a

a

Нуль глубиномера

2tп

ЗИ

Экран дефектоскопа

 

 

1) Установить ПЭП на поверхность полукруглого образца СО-3 так, чтобы отражение ультразвуковых колебаний осуществлялось от вогнутой поверхности и первый отраженный сигнал достигал максимального значения.

2) Довести амплитуду сигнала до определенного уровня, например до середины экрана, но не менее двух больших клеток на экране ЭЛТ (выполняется с помощью кнопки «Ослабление dB» и (если требуется) регулятора «» на блоке А8).

3) Застробировать сигнал стробом АСД (регуляторы «» и «» – на блоке А10) или ручным стробированием (регулятор «» – на передней панели).

4) Регулятором «» на блоке А6 выставить на БЦО в режиме «mS» время распространения ультразвуковых колебаний 33,7 мкс, если радиус вогнутой поверхности СО-3 составляет 55 мм, или 36,8 мкс, если радиус равен 60 мм.

1.1.3. Таблица способов косвенного измерения скоростей C_l и C_t

Рассмотренные в данной лабораторной работе способы измерения скоростей C _l и C_t являются основными и приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Способы косвенного измерения скоростей C _l и C_t

Волна	Продольная	Поперечная
Метод отражения	Эхо-импульсный
Принцип измерения	По двум донным сигналам в образце с плоскопараллельными поверхностями	По двум эхо-сигналам в полукруглом образце СО-3 радиусом R	По эхо-сигналу от углового отражателя на глубине Н
Расчетная формула
Настройка нуля глубиномера	Не требуется, но важно, чтобы выполнялось условие t1 > 2tп	По стандартному образцу СО-3 или СО-3Р
Порядок измерения скорости	Сенсорным переключателем установите на БЦО режим «mS»
Установите ПЭП на образец и получите последовательность донных импульсов	Установите ПЭП на горизонтальную поверхность и получите последовательность эхо-сиг-налов	Установите ПЭП на образец и получите максимум эхо-сигнала от углового отражателя
Аттенюатором, а также регуляторами «» (на блоке А8) и «АМПЛ» (на блоке А7) подведите к заранее выбранному уровню вершину сигнала
первого донного сигнала	первого эхо-сигнала	эхо-сигнала
Застробируйте сигнал регуляторами «» и «» (на блоке А10) или ручным стробированием «» (на передней панели)
По БЦО определите значение
t1	t1	t
Подведите строб к выбранному уровню вершины второго донного сигнала	¾
Застробируйте сигнал	¾
По БЦО определите значение t2	¾
С учетом полученных значений по расчетной формуле определите искомую скорость распространения ультразвуковых колебаний