Что называют трансформацией уз волны

Отражение, преломление и трансформация УЗ волн на границе двух сред

При наклонном падении (под углом β) продольной волны Сl из твердой среды 1 в твердую среду 2, например, оргстекло-металл, на границе раздела происходит отражение, преломление, трансформация (расщепление) волны (рис. 2.4). Закон, описывающий процесс преломления, называется законом Снеллиуса.

Рис. 2.4. Отражение, преломление и трансформация УЗ волн на границе двух сред

Закон Снеллиуса говорит о том, что отношение скоростей и синусов углов распространения этих волн есть величина постоянная. Математически это выглядит следующим образом:

(6)

Из данного закона следуют три замечательных, или критических, угла.

Первый критический угол.

Рис. 2.5 Первый критический угол

Как видно из рис. 2.4, увеличивая угол β, можно добиться ситуации, когда угол распространения продольной волны в металле (второй среде) , то есть продольная волна начинает распространяться вдоль поверхности (рис. 2.5).

Угол , при котором продольная волна в металле начинает распространяться вдоль поверхности пластины, называют первым критическим углом.

Определить значение можно следующим образом.

(7)

Пусть первая среда – плексиглас, а вторая – сталь, тогда

Первый критический угол является условием формирования головной волны.

Второй критический угол.

Рис. 2.6 Второй критический угол

Далее, увеличивая угол падения волны, возникает ситуация, когда и поперечная волна начинает распространяться вдоль поверхности (рис. 2.6).

Угол , при котором поперечная волна в металле начинает распространяться вдоль поверхности пластины, называют вторым критическим углом.

Определить значение можно следующим образом.

(8)

Пусть первая среда – плексиглас, а вторая – металл, тогда

Второй критический угол является условием формирования поверхностной волны (волны Рэлея).

Третий критический угол.

Существует еще один замечательный угол. Он относится к углу распространения поперечной волны в металле. Поперечна, распространяющаяся в металле, отражаясь от границы пластины, частично трансформируется в продольную (рис. 2.7. а). Но существует такой угол, при котором трансформированная продольная волна распространяется вдоль поверхности (головная волна) (рис. 2.7.б). Такой угол назвали третьим критическим углом.

Рис. 2.7 Третий критический угол

Определить значение можно следующим образом.

(9)

Для металла .

Кроме изменения угла распространения волн при прохождении волны через границу, волна претерпевает отражение, а значит только часть энергии падающей волны проникает через границу раздела сред. Соответственно, этот процесс характеризуется коэффициентом прозрачности (D) и коэффициентом отражения (R).

Коэффициент отражения по амплитуде ; по энергии , где А0 – амплитуда падающей волны; Аотр – амплитуда отраженной волны. При этом коэффициент прохождения (D) по амплитуде D = Aпр/A0, а по энергии (D = Aпр/A0)2.

Распределение энергии между отраженной волной, падающей и прошедшей, определяется соотношением удельных импедансов Z1 и Z2.

	(10)

где Z1 = ρ1С1 – импеданс среды из которой падает волна; Z2 = ρеС2 – импеданс среды, в которую волна входит. Если Z2 > Z1, то коэффициент отражения по амплитуде имеет отрицательный знак. Это означает, что фаза отраженной волны меняется на 1800.

При малой толщине несплошности доля отраженной от нее энергии определяется также величиной раскрытия в направлении распространения волны. Так, если в среде с акустическим сопротивлением z1 имеется тонкий слой включения из материала с акустическим сопротивлением z2, то коэффициент отражения по интенсивности при нормальном падении звуковой волны

(11)

где δ – толщина слоя; λ2 – длина волны в слое.

2.8 Коэффициенты прозрачности по интенсивности при падении продольной волны из оргстекла на границу со сталью

ЛЕКЦИЯ №3. ТИПЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН И ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Как было сказано выше, в упругой среде, которой является металл, имеют место быть продольные и поперечные колебания (волны). Анализ закона Снеллиуса показал, что при определенных условиях формируются и другие типы волн (головные и поверхностные). На самом деле, в упругой среде существует множество различных волн, которые подчиняются волновому уравнению и являются его частными решениями. Волновое уравнение приводиться не будет, а рассмотрим самые распространенные его решения, то есть основные типы волн.

Источник

Что называют трансформацией уз волны

Физические основы и методы ультразвуковой дефектоскопии.

Ультразвуковой контроль (УЗК) относится к акустическому виду неразрушающего контроля, основанному на анализе результатов взаимодействия звуковых волн с объектом контроля (ОК) => УЗК относится к методам активного контроля (подразумевает воздействие на ОК и последующий анализ изменения первичного воздействия для характеристики дефектов).

Все многообразие акустических методов неразрушающего контроля основано на взаимодействии упругих сред (жидких, твердых и газообразных) с акустическими колебаниями и волнами. Они отличаются способами возбуждения колебаний и их регистрацией.

Из числа акустических методов чаще всего применяют ультразвуковую дефектоскопию (УЗД), ультразвуковую толщинометрию (УЗТ) и акустико-эмиссионный неразрушающий контроль. На УЗД в мировой практике приходится в настоящее время 60 % всего объема неразрушающего контроля.

Акустические колебания и волны

Акустические колебания характеризуются частотой, интенсивностью и видом. Виды колебаний в основном определяются свойствами упругой среды и способом их создания. В жидкостях и газах, обладающих упругостью объема, акустические колебания распространяются с одинаковой скоростью во всех направлениях. В твердых телах, характеризуемых помимо упругости объема еще и упругостью формы (сдвиговой упругостью) и неодинаковостью деформаций растяжение-сжатие по различным направлениям (для анизотропных тел), закономерности распространения акустических волн значительно сложнее.

Изменить длину ультразвуковой волны в конкретном материале можно только путем изменения частоты f возбуждаемых колебаний.

Направление колебаний частицы в твердых телах может быть различным по отношению к направлению распространения волны. По характеру смещения частиц и распространению колебаний волны бывают нескольких типов.

Характер деформации твердых тел при распространении в них упругих волн некоторых типов (величины деформации тела очень малы и измеряются долями процента от длины волны):

Продольными называют волны, когда частицы упругой среды колеблются в направлении распространения волны, подвергаясь при этом поочередно деформациям растяжения-сжатия.

Скорость продольной волны определяют по формуле

Если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения, испытывая деформации сдвига, такие волны называют поперечными или сдвиговыми. Поперечные волны могут возникать только в твердых средах, обладающих сдвиговой упругостью. Скорость поперечной волны

Среда распространения

Тип (название) волны

Характеристика волны

Скорость распространения

Периодические расширения и сжатия среды

Безграничное твердое тело (сталь)

Продольные (расширения-сжатия, безвихревые)

Частицы колеблются в направлении распространения волны

Поперечные (сдвига, эквиволюминальные)

Частицы колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны

При проведении УЗД и УЗТ металла и сварных соединений используют в основном поперечные и продольные волны.

Распространение ультразвуковой волны, вызванной колебательными движениями возбужденных частиц благодаря упругим силам между ними, сопровождается переносом энергии. Количество энергии, переносимое волной за 1 с через 1 см 2 площади, перпендикулярной направлению распространения, называют интенсивностью ультразвука. Интенсивность ультразвуковых колебаний частиц обычно невелика (энергия волны не более 100 Вт/см 2 и не выходит за пределы упругих деформаций, где напряжения и деформации связаны линейной зависимостью.

Интенсивность ультразвука J пропорциональна квадрату амплитуды упругого смещения и квадрату частоты колебаний

Из последнего выражения следует, что чем большим акустическим сопротивлением обладает среда, тем большая энергия требуется для возбуждения в ней волн заданной частоты и амплитуды. По мере прохождения волны от источника излучения амплитуда упругого смещения частиц уменьшается и интенсивность ультразвука падает. Затухание интенсивности происходит по двум основным причинам: поглощения и рассеяния. Коэффициент затухания соответственно состоит из двух слагаемых

Снижение интенсивности ультразвука вследствие его затухания в зависимости от пройденного в материале расстояния происходит по экспоненциальному закону

Чем больше коэффициент затухания, тем значительнее ослабление ультразвука, а следовательно, меньше глубина его проникновения. Поскольку амплитуда волны пропорциональна корню квадратному из интенсивности ультразвука (), влияние затухания на амплитуду описывается формулой

В практике УЗД, когда контролируется соотношение амплитуд колебаний, для определения дБ обычно используют вторую формулу.

Различные методы ультразвукового контроля отличаются схемами установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, их положением относительно объекта контроля. Применяют:

Наиболее широкое распространение получил импульсный эхо-метод, основанный на отражении УЗ колебаний от несплошности и приеме отраженных эхо-сигналов. Амплитуда эхо-сигнала на экране дефектоскопа при этом будет пропорциональна размерам дефекта.

Источник

Что называют трансформацией уз волны

Ультразвуковая дефектоскопия относится к неразрушающим методам контроля.

Звуком называют упругие колебания мельчайших частиц среды около положения своего равновесия, происходящие с частотой от 16 Гц до 20000 Гц. Частоты 16 и 20000 Гц считают пределами слышимости звуков человеческим ухом. Упругие колебания с частотой более 20000 Гц называют ультразвуком.

Ультразвуковой (УЗ) волной называется процесс распространения упругих колебаний ультразвуковой частоты в материальной среде.

Физические основы ультразвуковой дефектоскопии.

Ультразвуковая дефектоскопия основана на явлениях, происходящих на границе раздела двух сред, имеющих разные акустические сопротивления.

В общем случае на границе раздела могут происходить три явления: отражение, преломление и трансформация волн.

Отражением называют изменение направления УЗ волны на границе раздела, при котором волна не переходит в другую среду.

Преломлением называют изменение направления УЗ волны на границе раздела, при котором волна переходит в другую среду.

Трансформацией называют преобразование волн одного типа в волны другого типа, происходящее на границе раздела двух сред.

Чем больше отличаются акустические сопротивления сред, тем большая часть энергии звуковой волны отразится от границы раздела двух сред. Этим условием определяется как возможность, так и эффективность выявления нарушений сплошности материала (включений среды с акустическим сопротивлением, отличающимся от сопротивления контролируемого материала).

Коэффициенты отражения продольной волны на границе между сталью и некоторыми средами, заполняющими полости дефектов сварки, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Коэффициент отражения границы стали с другим материалом

Из таблицы видно, что шлаковые включения будут выявляться гораздо хуже дефектов таких же размеров, но с воздушным заполнением. Приведенные значения справедливы для несплошностей, размеры которых намного больше длины волны. Если же размеры несплошности в направлении, перпендикулярном УЗ лучу, значительно меньше длины волны, то волны, огибают ее без существенного отражения. Для полученения заметного отражения достаточно, чтобы размеры несплошности были соизмеримы с длиной волны.

Классификация ультразвуковых дефектоскопов.

В зависимости от области применения дефектоскопы делят (ГОСТ 23049) на приборы общего назначения и специализированные. В зависимости or функционального назначения дефектоскопы подразделяют на следующие группы:

По конструктивному исполнению дефектоскопы делятся на стационарные, переносные и портативные. По степени участия дефектоскописта в процессе контроля различают ручные, механизированные и автоматизированные дефектоскопы.

Функциональная схема ультразвукового дефектоскопа общего назначения.

Принцип работы современного УЗ эхо-импульсного дефектоскопа можно представить на основе схемы (рис.1). Генератор синхронизируюших испульсов (ГСИ) через определенные промежутки времени вырабатывает импульсы, которые проходят через делитель частоты и запускают различные блоки прибора.

Рис.1. Функциональная схема ультразвукового эхо-импульсного дефектоскопа общего назначения [1].

ГСИ – генератор синхронизирующих импульсов

ДЧ – делитель частоты;

ГИВ – генератор импульсов возбуждения;

ПЭП1, ПЭП2 – преобразователи;

Генератор импульсов возбуждения (ГИВ) вырабатывает короткий электрический импульс, который через разъем Р1 подается на пьезоэлемент ПЭП1. Вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта пьезоэлемент ПЭП1 преобразовывает электрический импульс в упругое колебание, которое излучается в объект контроля ( OK ) в виде УЗ волны. УЗ колебания, отраженные от противоположной поверхности объекта контроля или o т дефектов, возвращаются к поверхности контроля. Вследствие явления прямого пьезоэлектрического эффекта упругое колебание пьезоэлементом ПЭП2 преобразуется в электрический импульс, который через разъем Р2 поступает на аттенюатор (А). Аттенюатор служит для калиброванного ослабления и измерения отношений (дБ) принятых сигналов. Далее сигнал усиливается и преобразовывается в блоке усилителя (У), а затем подается на вертикально-отклоняющую пластину электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или на другой индикатор. Блок развертки (БР) вырабатывает пилообразные импульсы и прямоугольные импульсы подсветки. Пилообразные импульсы подаются на горизонтально-отклоняющие пластины ЭЛТ. Напряжение подсветки обеспечивает испускание электронного пучка только на прямолинейном участке пилообразного напряжения.

Блок временной регулировки чувствительности (ВРЧ) позволяет скомпенсировать уменьшение эхо-сигналов с увеличением глубины, связанное с геометрическим расхождением пучка и затуханием звука в материале.

Блок автоматической сигнализации дефектов (АСД) предназначен для установления зоны контроля и формирования сигнала для подачи на звуковой, световой или другой сигнализатор при наличии зхо-имлульсов в зоне контроля.

Блок измерений (БИ) предназначен для измерения координат дефектов с выдачей информации на индикатор (И), а также дли измерения длительности задержки развертки, временных параметров АСД и системы ВРЧ

Источник питания (ИП) служит для преобразования питающего электрического напряжения и его распределения по блокам дефектоскопа.

Измеряемые характеристики дефектов.

Основным параметром, по которому в эхо-импульсном методе судят о величине обнаруженной несплошности, является амплитуда отраженного от нее сигнала. Эхо-импульс на экране дефектоскопа, возникший при прохождении этого сигнала, сравнивают с эхо-импульсом от искусственного отражателя заданной геометрической формы, условно помещенного в ту же точку изделия, где находится дефект.

Реальные дефекты отличаются от идеальных геометрических моделей. Вследствие этого при одинаковой амплитуде эхо-импульсов от несплошности и искусственного отражателя их геометрические размеры, как правило, отличаются. Поэтому в УЗ дефектоскопии для характеристики геометрических размеров выявленной несплошности используют понятие эквивалентного размера.

Акустическое поле, формируемое преобразователем в изделии, представляет собой пучок, ширина которого меняется с глубиной. При перемещении ПЭП слева направо эхо-импульс возникает, когда дефект озвучивается правой частью пучка. При пересечении акустической осью ПЭП центра дефекта эхо-импульс максимален. Таким образом, при перемещении ПЭП над компактным (точечным) дефектом, эхо-импульс от него наблюдается не в точке, а на некотором участке. Поскольку ширина пучка зависит оттого, на каком уровне она определяется, то и протяженность изменяется в некоторых пределах при изменении усиления дефектоскопа.

Источник

Физические основы ультразвуковой дефектоскопии

Ультразвук распространяется в среде в виде направленной волны, которая подчиняется законам, полученным для световой оптики, т.е. она отражается, преломляется на границе разнородных сред, испытывает интерференцию и дифракцию.

При импедансном методе регистрируется характер затухания УЗ волны.

Рис 1. Схема прозвучивания отливки при зеркально-теневом методе в случае отсутствия дефекта (а) и при наличии дефекта (б): И – источник УЗ волны; П – приемник УЗ волны; I – отливка; 2 – дефект

Теневой метод УЗК

При теневом методе УЗК признаком обнаружения дефекта является уменьшение интенсивности (амплитуды) ультразвуковой волны, прошедшей через изделие от излучающего преобразователя И к приёмному Л (рис.2).

Так как преобразователи в процессе контроля располагают­ся на противоположных поверхностях изделия (рис.2)‚ то метод используют только при наличия двухстороннего доступа к изделию. Работа с двумя преобразователями сразу с противоположных сторон контролируемого участка требует повышенной квалификаций контролера. Теневой метод используют для обнаружений раковин, трещин, расслоений, включений в отливках несложной конструкции типа плит‚ крышек‚ дисков‚ кронштейнов‚ а также в цилиндрических отливках (гильзах, втулках‚ трубах). Метод весьма эффективен при выявлении несплошностей в биметаллических и армированных отлив­ках. Чувствительность теневого метода, как правило меньше чем эхоимпульсного, и зависит от размеров и глубины залегания дефекта.

Эхоимпульсный метод

При эхоимпульсном методе контроля признаком обнаружения де­фекта является приём дефектоскопом импульса, отражённого отса­мого дефекта /рис.3./.

Данная схема (рис. З) успешно применяется для контроля вну­тренних дефектов. Метод может быть использован для контроля как простых, так и сложных фасонных отливок.

Рис.3. Схема прозвучивания изделия при эхоимпульсном методе УЗК:

Для контроля поверхностных и приповерхностных дефектов, а также для УЗК тонкостенных отливок с переменным сечением и переменной кривизной рабочей поверхности эффективен эхоимпульсный метод с использованием У3 поверхностных волн (рис.4).

ТЕХНОЛОГИЯ УЗ КОНТРОЛЯ

Контролируемая поверхность должна быть очищена от загрязнений. Перед проведением УЗК контролируемую поверхность покрывают слоем контактной смазки. В качестве контактной смазки наи­более часто используют водный раствор из технического полиакриламида и нитрида натрия. Реже используют различные сорта масел, глицерин и керосин. Слой контактной смазки между изделием и УЗ преобразователем является обязательным условием надежного акус­тического контакта. При этом возможен контактный, щелевой и иммерсионный способы ввода УЗ колебаний в изделие. Контактный спо­соб /рис. 5./ используют при шероховатости поверхности отливок . При контактном способе ввода УЗ колебаний преобразователь перемещают по отливке, придавливая его легким усилием к поверхности.

Рис. 5. Схема контактного способа ввода УЗ колебаний: I – УЗ преобразователь (щуп); 2 – слой контактной смазки; 3 – отливка

В случае криволинейной контролируемой поверхности при тех же требованиях к шероховатости поверхности, что и при контактном способе используют щелевой способ ввода УЗ колебаний (рис 6.). При щелевом методе между преобразователем и контролируемой поверхностью с помощью специальных ограничителей выдерживается контролируемый зазор, примерноравный длине УЗволны.

Для контроля отливок, с шероховатостью поверхности более , используют иммерсионный способ передачи колебаний от преобразователя к отливке (рис.7).

Рис.7. Схема иммерсионного способа ввода УЗ колебаний: I – УЗ преобразователь; 2 – емкость, заполненная контактной жидкостью; 3 – отливка

Рекомендуемые частоты прозвучивания и глубина проникновения волн при УЗ дефектоскопии отливок из различных материалов приведены в таблице.

Частота прозвучивания и глубина проникновения УЗ волн при дефектоскопии отливок

Рекомендуемые частоты прозвучивания и глубина проникновения волн

3. ОБОРУДОВАНИЕ‚ МАТЕРИАЛЫ

3.2. Эталонные образцы.

3.3. Контактная смазка.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

4.1. Изучать теоретические сведения.

4.2. Изучить методику включения‚ настройки и работы УЗ дефектоскопа по его техническому паспорту.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

5.1. Провести контроль эталонного образца теневым методом.

5.2. Провести контроль эталонного образца эхоимпульсным методом.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Область применения УЗК и выявляемые дефекты.

6.3. Область применения и технология теневого метода УЗК.

6.4. Область применения и технология эхоимпульсного метода

Источник