Аттестационный центр «Прометей»

Аттестационный центр «Прометей»

При ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»

Основы ультразвуковой толщинометрии

(сборник плакатов)

Г.Н.Трофимова

Санкт-Петербург

УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

АКУСТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ – механические колебания частиц упругой среды

Частица

р - давление, оно пропорционально смещению (закон Гука);

Р -амплитуда давления;

t – время,

Т - период колебаний – время полного цикла колебаний, с.

f – частота колебаний – число полных колебаний в единицу времени.

f = 1/Т

Одно колебание в секунду - один Герц 1Гц = 1/с

1000 Гц = 10³ Гц = 1 кГц

1000000Гц = 10⁶ Гц = 1 МГц

АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ – распространение в упругой среде механического возмущения (колебания)

Волна

 

r -расстояние по направлению движения волны (по лучу);

λ - длина волны – расстояние, на которое волна распространяется за один период колебаний частиц среды.

λ = С Т или λ = С/ f

С – скорость распространения волны, м/с (скорость звука)

С - скорость звука в изотропных твердых телах определяется модулями упругости вещества и их плотностью и не зависит от частоты и амплитуды колебаний.

2

Колебания и волны	Качественное определение	Диапазон частот
Инфразвук	Ниже диапазона слышимости	До 20 Гц (условно)
Звук	Диапазон слышимости	От 20 Гц до 16кГц
УЛЬТРАЗВУК	Выше диапазона слышимости	От 16 кГц до 1000МГц
Гиперзвук	Длина волны меньше длины свободного пробега молекул	Выше 109 Гц (выше 1000 МГц)

 

ТИПЫ ВОЛН

 

1. ПРОДОЛЬНЫЕ ВОЛНЫ (ℓ)

 

Продольной называется волна, в которой колебательное движение отдельных частиц происходит в том же направлении, в котором распространяется волна.

Сжатие – растяжение

 

Направление распространения волны

Направление колебания

частиц среды

 

 

Е (1 - ν)

Сℓ =

ρ (1 + ν) (1 - 2ν)

Е – модуль Юнга, ν -коэффициент Пуассона

ρ – плотность материала

Скорость продольной волны Сℓ зависит только от упругих параметров среды.

Продольная волна распространяется в любых средах, обладающих упругостью объема (твердых, жидких, газообразных). 4

2. СДВИГОВЫЕ ВОЛНЫ (t)

СДВИГОВЫЕ ВОЛНЫ – поперечные упругие волны, распространяющиеся только в твердых телах. Смещения частиц перпендикулярны направлению распространения волны

 

 

 

Направление распространения волны

 

Направление колебания

частиц среды

Е

С t =

2ρ (1 + ν)

Скорость поперечной волны Сt зависит только от упругих параметров среды

С t = 0,55 Сℓ

Акустические свойства некоторых сред

 

Среда	Скорость продольной волны Сl, м/c	Плотность ρ, 10³кг/м³	Волновое сопро- тивление Z, МПа с/м
Алюминий		2,7	17,2
Бериллий		1,8	23,3
Медь		8,9
Свинец	1960....2400	11,4	24,6
Сталь углеродистая	5900 - 5940	7,8	46,2 - 46,4
Сталь коррози- онностойкая (аустенитная)	5660 - 6140	8,03	45,5 – 49,3
Титан		4,5	27,5
Цинк		7,1	29,6
Чугун	3500-5600	7,2	25-40
Бетон	2100...5200	1,8 2,8	6,0...9,5
Кварц (монокристалл)	5600 (вдоль оси Х)
Кварц плавленый		2,2	13,1
Оргстекло		1,2	3,0
Глицерин		1,265	2,42
Масло трансф.		0,9	1,3
Вода		0,998	0,156
Воздух		0,0013	0,0004

* В воздухе акустические колебания ультразвуковых частот (МегаГерцового диапазона) из-за большого затухания практически не распространяются.

ПЬЕЗОМАТЕРИАЛЫ

Естественные минералы	Пьезокерамика
кварц, турмалин сульфат лития сегнетова соль	титанат бария (ВаТiO3 ) цирконат-титанат свинца (ЦТС) ниобат свинца

Точка Кюри (К°) – температура, при которой материал теряет пьезоэлектрические свойства.

Кварц К° = 570°С

ЦТС-23 К° = 280°С

ВаТiO₃ К° = 90°С

7

λ/2 d

λ – длина волны

D – толщина пьезопластины

С_{пл –} скорость продольной волны в материале пьезопластины

d = 0,5 λ = 0,5 С_пл / f f₀= C_пл/2d

f₀ -резонансная частота пластины

 

Толщина пьезоэлемента обратно пропорциональна частоте генерируемых ультразвуковых волн. Чем выше частота, тем тоньше должна быть пьезопластина.

 

Пример

Кварц. Спл.= 5600 м/с = 5600 000 мм/с

f = 5,0 МГц = 5 000000 Гц (1/с)

 

d = 0,5 С_пл / f = 0,5 х 5600 000/ 5 000000 =

= 0,55 мм

 

8

Схема электромагнитно-акустического преобразователя (ЭМА)

магнит

N S

Катушка

+++++++ вихревые токи

упругие волны

 

ЭМА – преобразователи возбуждают продольные или поперечные волны непосредственно в изделии

Контактная смазка не требуется.

 

 

11

 

Влияние демпфера

 

τ - длительность импульса (временная протяженность импульса).

От нее во многомзависит минимальный диапазон контролируемых толщин.

Для уменьшения τ применяют демпфирование колебаний. Но при этом уменьшается их амплитуда

 

 

t время

 

τ_имп.1

 

t t

 

τ_имп.3

τ_имп.2

 

12

Акустическое поле ПЭП

 

 

Ближняя зона

размером r_{бл -}

- область вблизи ПЭП, в

которой давление

изменяется немонотонно.

При импульсном излучении

невозможно рассчитать

поле однозначно.

 

Дальняя зона –

Θmax

область монотонного

изменения поля. Расчет поля

в этой области хорошо

совпадает с экспериментом.

 

 

 

Θ_{max – полуширина основного лепестка диаграммы направленности}

 

 

13

ЗАТУХАНИЕ

Затухание -способность среды гасить акустические волны.

Коэффициент затухания δ складывается из коэффициента поглощения δп и коэффициента рассеяния δр.

δ = δп + δр

При поглощении акустическая энергия переходит в тепловую, а при рассеянии энергия остается акустической, но она уходит из направленно распространяющейся волны.

 

Для жидкостей и газов δп ≡ f², δр=0

Для аморфных материалов (стекло, однородные пластмассы) δп ≡ f, δр=0.

 

Для металлов δп ≡ f.

δр зависит от соотношения среднего размера зерна D и длины волны ультразвука λ (или частоты). Рассеяние очень сильно сказывается в сталях аустенитного класса, бронзах, некоторых марках сплавов на медной основе, чугунах.

В сплавах на основе алюминия рассеяние мало.

 

ЗЕРКАЛЬНОЕ ОТРАЖЕНИЕ

 

 

ДИФФУЗНОЕ ОТРАЖЕНИЕ

 

 

 

 

Преломление - изменение направления распространения волны при переходе из одной среды в другую.

 

 

 

ГРАНИЦА РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД

 

Волновое сопротивление - Z = ρ C

ρ– плотность материала, С – скорость волны

 

сталь Z₁ сталь Z₁

 

 

Медь Z₂ воздух Z₂

Донная поверхность (она же

Донная поверхность граница раздела двух сред)

Граница раздела двух сред

 

R - коэффициент отражения (по энергии)

 

D – коэффициент прозрачности (по энергии)

R = { (Z₁ - Z₂) / (Z₁ + Z₂) } ²

Z _стали = 46

Z_меди = 42

Z_{воздуха} = 0,0004

D = 1 – R

16

Материалы сред	Доля отраженной энергии, R,%
Сталь – воздух (воздух-сталь)	99,8
Сталь – вода (вода-сталь)	88,0
Сталь- медь (медь-сталь)_	0,26
Сталь-алюминий (алюминий-сталь)
Оргстекло-сталь

 

 

17

 

Эхо-импульсный метод

( Измерение времени по первому пришедшему сигналу)

И П

 

 

 

 

 

 

 

Н

 

 

 

Зондирующий импульс

Донный сигнал

Порог срабатывания

 

t пр t пр.

t изд.

t

 

t изд. = t - 2 tпр.

 

Н = С х tизд. / 2

 

 

 

Эхо-импульсный метод

( Измерение времени по двум донным сигналам)

И,П

 

 

 

 

Зондир. импульс

Донные сигналы

1 2 3

3

4

 

Время t

t₁ изд. (расстояние)

t₂ изд

 

 

Н = С х t₁ изд. / 2

Н = С х t₂ изд. / 4 19

Теневой метод

И

\

 

Н

 

П

 

 

Зондирующий

сигнал Прошедший

сигнал

порог срабатывания

 

t

t изд.

 

Н = С х tизд.

20

Резонансный метод

 

При введении в изделие непрерывных колебаний в пространстве между его стенками происходит интерференция прямых и отраженных волн. В случае совпадения частоты внешней возмущающей силы с собственной резонансной частотой колебаний изделия (условие резонанса) образуются стоячие волны.

Условие образования стоячих волн:

Н = n λ / 2

n – целое число полуволн, укладывающихся в стенке толщиной Н.

λ – длина волны λ = C/ f

Следовательно,

Н = n C / 2f

Аттестационный центр «Прометей»

При ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»