ЛЕКЦИЯ 11. НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ (продолжение)

Акустические методы

Акустические методы основаны на возбуждении упругих механических колебаний. По параметрам этих колебаний и условиям их распространения судят о физико-механических характеристиках и состоянии исследуемого материала.

В зависимости от частоты колебаний акустические методы делятся на ультразвуковые (при частотах от 20 тыс. Гц и выше) и методы, основанные на использовании колебаний звуковой (до 20 тыс. Гц) и инфразвуковой (до 20 Гц) частот.

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.

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 излучения необходимо 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_дини 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»).

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.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒