Ультразвуковой контроль

1. Ультразвуковой контроль

Часть первая
Основы контроля

2.

Звуковые волны это колебания частиц в твёрдых или
газообразных веществах
Частицы колеблются около положения равновесия
Для колебания им необходима масса и упругость
Период колебаний

3. Характеристики звуковой волны

Скорость
Как быстро
проходит
звуковая волна
Длина волны расстояние,
пробегаемое
волной за один
период колебаний
Частота
Сколько колебаний
в секунду

4.

Длина волны
Скорость
V
f
Частота

5. Высокочастотный звук

V
f
Преобразователь с
продольными волнами
частотой 5 МГц в стали
5,900,000
1.18mm
5,000,000

6. Акустический спектр

Человек
16Hz - 20kHz
Ультразвуковой
диапазон
+ 20kHz
0
10
100
1K
10K 100K 1M 10M 100m
Область контроля
0.5MHz - 50MHz

7. Интенсивность звука

Сравнение интенсивности
двух сигналов
I 0 P0
I1 P1
Интенсивность ультразвуковой волны
пропорциональна квадрату амплитуды
смещения
P0 Ао
P1 А1
следовательно
I 0 Ао
I1 А1
2

8. Интенсивность звука

2
I 0 (V0 )
2
I1 (V1 )
Ао
А1
Это приведёт к
следующим
соотношениям
Поэтому
2
А – амплитуда колебательного
смещения
2
I0
(V0 )
Log..10 Log..10 2
I1
(V1 )
I0
V0
Log..10 2Log..10 Белл
I1
V1
I0
V0
Log..10 20Log..10 Дб
I1
V1

9.

2 сигнала при 20% и 40% ПВЭ*.
Какая разница между ними в Дб?
H0
dB 20Log..10
H1
40
dB 20 Log..10 20 Log..102
20
dB 20 0.3010
dB 6dB
*полная высота экрана

10.

2 сигнала при 10% и 100% ПВЭ.
Какая разница между ними в Дб ?
H0
dB 20Log..10
H1
100
dB 20 Log..10
20 Log..1010
10
dB 20 1
dB 20dB

11. Соотношение амплитуд в Дб

2
:1 =
4 : 1
=
5 : 1
=
10 : 1 =
100 : 1=
6dB
12dB
14dB
20dB
40dB

12. Основные 3 типа волн используемые в УЗК

Продольные
Поперечные
Поверхностные

13. Продольные волны

Колебания частиц совпадают с
направлением распространения волн
Распространяется в твёрдых, жидких
и газообразных веществах
направление
Колебания частиц

14. Поперечные волны

Колебание под прямым углом относительно направления
распространения
Распространяется только в твёрдых веществах
Скорость 1/2 продольной (в таком же материале)
Колебания частиц
распространение

15. Продольные и поперечные

Частота
0.5MHz
1 MHz
2MHz
4MHz
6MHZ
Продольная Поперечная
11.8
6.5
5.9
3.2
2.95
1.6
1.48
0.8
0.98
0.54
Чем меньше длина волны , тем выше
чувствительность

16. Поверхностные волны

Эллиптические колебания
Скорость на 8% меньше чем поперечных
Глубина проникновения около длины волны

17. Волны Лэмба

Распространяется
в тонких
материалах с толщиной пластины
сопоставимой с длиной волны
Частицы колеблются по
эллиптической траектории
Скорость зависит от толщины листа
и длины волны

18. Распространение звуков в материалах

Скорость
зависит от материала
Продольные волны
Поперечные волны
•Сталь
3245m/sec
• Сталь
5960m/sec
• Вода
NA
• Вода
1490m/sec
• Воздух
NA
• Воздух
344m/sec
• Медь
2330m/sec
• Медь
4700m/sec

19. Проникновение звука в материал

Потеря
интенсивности
вследствие
Рассеяние пучка
• Звуковой пучок
сопоставим со световым
пучком
•Уменьшение зависит от
размера отражателя
Затухание
• Потеря энергии
зависит от материала
•Затухание
определяется
поглощением и
рассеиванием

20. Рассеяние

Чем больше
размер зерна ,
тем хуже
проблема
Чем выше
частота датчика,
тем хуже
проблема

21. Уменьшение сигнала вследствие совместного влияния расхождения пучка и затухания

Уменьшение амплитуды
80%
вследствие расхождения и
ПВЭ
затухания пучка на величину
более чем 6Дб
40%
ПВЭ
80%
ПВЭ
36%
ПВЭ
Уменьшение амплитуды
колебания на 6 Дб только
вследствие расхождения пучка,
затухание отсутствует

22. Звук на границе раздела двух сред

Звук либо проникнет через границу раздела
в другую среду, либо отразится от неё
Отраженный
Граница
раздела
Прошедший
Количество отраженных и
прошедших волн зависит от
относительного акустического
импеданса двух сред

23. Акустическое сопротивление

Определяется
сопротивлением
материала
звуковым волнам
Измерено в
kg / m2 x sec
формула
Z V
Сталь
Вода
Воздух
Люцит
46.7 x 106
1.48 x 106
0.0041 x 106
3.2 x 106

24. % звука отраженного от границы раздела

2
Z1 Z 2
100 % отраженный
Z1 Z 2
% звука отраженного+ % звука прошедшего =
100%
следовательно
% звука прошедшего = 100% - % звука
отраженного

25. Сколько звука отражается о стали при водяной границе раздела ?

Z1 (сталь) = 46.7 x
106
Z2 (вода) =1.48 x 106
46.7 1.48
46.7 1.48 100 % отражения
2
2
45.22
48.18 100 % отражения
0.93856 100 0.8809% отражения
2

26. Образование звука

Ударный
эффект
Магнитострикция
Лазерные источники излучения
Пьезо-электрический эффект

27. Пьезо-электрический эффект

Под действием переменного
электрического поля, кристалл
расширяется или сужается в зависимости
от полярности
Преобразование электрической
энергии в механическую
-
+
+
-
-
+

28. Пьезо- электрические материалы

КВАРЦ
Нерастворимый в
воде
Устойчивость
старению
Слабое
преобразование
энергии
Необходимость в
относительно
высоком источнике
напряжения
СУЛЬФАТ ЛИТИЯ
Эффективный
приёмник
Низкий
электрический
импеданс
Работоспособность
при низком
напряжении
Растворимость в воде
Низкая механическая
прочность
Работоспособность
только до + 30ºC

29. Поляризация кристаллов

Нагревание
порошка до
высоких
температур
Прессование в
форме
Охлаждение в
очень сильных
электрических
полях
Образцы
Титанат бария (Ba Ti
O3)
Свинцовый сплав (Pb
Nb O6)
Цирконат титанат
свинца(Pb Ti O3 or Pb
Zr O3)

30. Конструкция преобразователя

Продольная волна
Корпус
Электрические
контакты
Демпфер
Пьезо пластина

31. Конструкция преобразователя

Поперечные
волны
Демпфер
Пьзе элемент
Призма

32. Конструкция датчика

Преимущества
Может быть сфокусирован
Измерение тонкой
Приёмник
пластины
Малая величина мёртвой
зоны
Определение маленьких
дефектов
Двойной кристалл
Генератор
Изолятор
Недостатки
Тяжело использовать на
изогнутых поверхностях
Фокусирую Амплитуда
сигнала/Нестабильное
щая линза фокусное расстояние