Tecnologia dei controlli non distruttivi e sua applicazione (4)

Caratteristiche di diffrazione e diffusione degli ultrasuoni:

Quando l'onda ultrasonica si propaga attraverso il mezzo, incontra un'interfaccia eterogenea (come un difetto). Secondo il principio di Huygens, ai suoi bordi si verifica un fenomeno di diffrazione e viene generata un'onda di diffrazione nuovamente eccitata. dal punto di vista apparente, l'onda ultrasonica originaria può continuare ad avanzare attorno al difetto, ma dietro il difetto si forma un'ombra acustica (spazio senza onde ultrasoniche). La nuova onda diffratta può essere utilizzata per valutare la profondità della fessura superficiale o l'altezza della fessura interna. In Cina, questo metodo è chiamato metodo dell'onda rigenerativa del bordo, mentre all'estero è chiamato metodo dell'onda di diffrazione della punta. Il fenomeno della formazione dell'ombra sonora viene utilizzato per il rilevamento della penetrazione ultrasonica, ovvero quando le onde ultrasoniche incontrano difetti sul loro percorso sonoro, dovuti a riflessione, diffrazione, diffusione, ecc., e a causa della microstruttura anomala del materiale del pezzo da ispezionare, causerà l'attenuazione dell'energia di propagazione ultrasonica, in modo che l'energia acustica ricevuta all'altra estremità del percorso acustico sia inferiore all'energia acustica ricevuta in condizioni normali e la differenza può essere riflessa utilizzando il display del rilevatore di difetti ad ultrasuoni o utilizzando direttamente l'indicazione del contatore elettrico. Utilizzato come base per l'ispezione e la valutazione, il misuratore di spessore ad ultrasuoni può essere utilizzato per il rilevamento di difetti di lamiere, strutture composite o incollate, come delaminazione, distacco ecc., e può anche essere utilizzato per rompere le punte di piccoli interruttori elettrici. La diffrazione ultrasonica (onda rigenerativa) determina la profondità della fessura.

Ispezione di qualità dei contatti placcati in argento e altro ancora. Il vantaggio è che è facile implementare il rilevamento automatico, ma lo svantaggio è che non è possibile conoscere la dimensione e la posizione del difetto e sono strettamente necessarie le posizioni relative delle due sonde. Quando l'onda ultrasonica si propaga nel mezzo, la sua stessa diffusione del fronte d'onda farà sì che l'energia sonora che passa attraverso l'unità di area perpendicolare alla direzione del raggio sonoro diminuisca all'aumentare della distanza di propagazione, fenomeno chiamato attenuazione della diffusione, che è l'ultrasuono stesso. La caratteristica è relativa all'angolo di apertura del fascio 2θ (θ è l'angolo di semidiffusione del fascio ultrasonoro). Inoltre, l'onda ultrasonica si trova nel bordo della grana del materiale, nel punto di fase o nell'impedenza acustica delle particelle sospese, delle impurità, delle bolle, ecc. nel mezzo (il valore è uguale al prodotto della velocità del suono e della densità) (anche se si tratta di una leggera differenza). Lo stato di diffusione è correlato alla lunghezza d'onda dell'onda ultrasonica e alla grandezza della particella di diffusione (il diametro medio del grano del cristallo). Nel materiale metallico, il rapporto tra la lunghezza d'onda λ e il diametro medio dei grani del cristallo può essere diviso in tre stati di diffusione: scattering Rayleigh: 'con λ, il grado di diffusione è proporzionale alla quarta potenza della frequenza, che è la maggioranza del metallo. diffusione casuale: ≈λ, il grado di diffusione è proporzionale al quadrato della frequenza, come di solito avviene nelle fusioni a grana grossa; diffusione diffusa: ≥ λ, il grado di diffusione è inversamente proporzionale a, che è spesso espresso in Nel caso in cui la superficie rilevata del pezzo in lavorazione sia ruvida, si verifica la diffusa perdita di diffusione dell'energia acustica incidente all'interfaccia. Una metafora simile per questa situazione può essere come se le luci dell'auto fossero disperse in tempo nebbioso e non potessero brillare attraverso la nebbia, l'energia acustica attraverso l'area dell'unità è perpendicolare al percorso del suono è ridotta, cioè. Questo fenomeno provoca un'attenuazione della dispersione. Sebbene l'esistenza di questo fenomeno di dispersione nel metodo di rilevamento della riflessione dell'impulso a ultrasuoni non solo riduca la capacità di penetrazione dell'onda ultrasonica ma interferisca anche con la discriminazione dell'eco, può anche essere restituito all'onda ultrasonica dal riverbero sovrapposto dell'onda ultrasonica diffusa nel materiale metallico. Dopo aver ricevuto la sonda, viene visualizzato sul display del rilevatore di difetti a ultrasuoni sotto forma di eco di erbacce disordine, la microstruttura del materiale metallico può essere giudicata e valutata Soprattutto nel settore aerospaziale, la valutazione dei livelli di disordine è diventata un indicatore importante nei criteri di accettazione per i test ad ultrasuoni dei pezzi fucinati in lega di titanio.

Caratteristiche di attenuazione ultrasonica Oltre all'attenuazione di diffusione descritta nella sezione precedente, un'altra importante causa di attenuazione dell'energia quando le onde ultrasoniche vengono trasmesse attraverso il materiale è l'attenuazione dovuta all'assorbimento interno, che è correlato alla viscosità del materiale, alla conduzione del calore, all'attrito limite. Il fenomeno di rilassamento è correlato alla perdita di energia ultrasonica sotto forma di calore e migrazione degli atomi di soluto, oltre al movimento di dislocazione (come densità di dislocazione, cambiamento di lunghezza, presenza di buchi e impurità) e il movimento delle pareti del dominio magnetico, lo stress residuo causa disturbi del campo sonoro... ecc. Possono causare l'attenuazione dell'energia ultrasonica, che corrisponde all'attenuazione dello scattering nella sezione superiore. Chiamiamo assorbimento l'attenuazione dell'energia ultrasonica causata da questi motivi. Si può vedere che il meccanismo di attenuazione delle onde ultrasoniche nel materiale è molto complicato. Consideriamo un'attenuazione globale. Supponiamo che l'ampiezza della pressione sonora alla sorgente a distanza X=0 sia P0, e l'ampiezza della pressione sonora dopo la distanza X sia PX, quindi: PX =P0·e-αx, dove α è chiamato coefficiente di attenuazione, che può essere diviso in due parti, vale a dire: α=αs+αa, dove αs è il coefficiente di attenuazione dello scattering e αa è il coefficiente di attenuazione dell'assorbimento. Pertanto il coefficiente di attenuazione espresso in α è un parametro complessivo di un materiale, che generalmente aumenta all'aumentare della frequenza ultrasonica. Nel test ad ultrasuoni, è possibile determinare il grado di riduzione dell'energia acustica dopo che l'onda ultrasonica ha attraversato il materiale (ad esempio, la valutazione del grado di riduzione dell'ampiezza dell'eco della superficie inferiore del pezzo nel metodo di riflessione dell'impulso ultrasonico) è chiamata valutazione della perdita dell'onda del fondo o perdita di riflessione del fondo, o onda ultrasonica. Il metodo di penetrazione può essere utilizzato per valutare la natura, la morfologia e la distribuzione della microstruttura del materiale, come il rilevamento di cristalli grossolani di materiali metallici, surriscaldamento e combustione eccessiva (struttura surriscaldata nei pezzi fucinati di metalli), carburi. Uniformità, velocità di sferoidizzazione del carburo del ferro duttile, resistenza alla trazione a temperatura ambiente dell'acciaio al carbonio, misurazione dello stress e simili. 

I dati disponibili introducono l'uso della visualizzazione del disordine causato dallo scattering e la valutazione dell'attenuazione dell'ampiezza dell'eco per giudicare la spaziatura dello strato di cementite nella struttura perlite della ruota della locomotiva (l'acciaio perlite con un contenuto di carbonio di 0,53~0,61%). Determinare il limite di snervamento e la resistenza all'usura della ruota. Esistono anche rapporti sull'uso delle caratteristiche di attenuazione ultrasonica nelle prove di fatica dei materiali (nella prova di fatica, l'attrito interno e la distorsione del reticolo all'interno del campione possono causare la diffusione ultrasonica e la deformazione plastica locale della superficie fratturata può causare l'assorbimento dell'energia ultrasonica). Utilizzato per la valutazione della tenacità alla frattura dell'acciaio. La combinazione delle caratteristiche di attenuazione degli ultrasuoni con le caratteristiche di velocità del suono può essere utilizzata per determinare, ad esempio, il contenuto di idrogeno nelle leghe di titanio (riducendo il rischio di idrogeno nelle leghe di titanio) e per valutare la qualità di invecchiamento delle leghe di alluminio. Le caratteristiche di velocità delle onde ultrasoniche dello stesso tipo d'onda hanno velocità di propagazione diverse nei diversi materiali e, nello stesso materiale, anche le onde ultrasoniche di tipi d'onda diversi hanno velocità di propagazione diverse. Quando la composizione, la microstruttura, la densità, il rapporto di inclusione, la concentrazione, il tasso di conversione del polimero, la resistenza, la temperatura, l'umidità, la pressione (stress), la portata del materiale variano o cambiano, anche la velocità del suono varierà. Utilizzando uno speciale tester della velocità del suono o un convenzionale rilevatore di difetti a riflessione di impulsi a ultrasuoni o uno spessimetro per confrontare il materiale di velocità del suono sconosciuta con un campione standard di velocità del suono nota, in modo che la velocità del suono o la velocità del suono del materiale possa essere misurata e possa essere applicata: (1) Determinazione delle costanti fisiche dei materiali, come ad esempio: secondo la relazione fisica, generalmente: velocità del suono C = (E / ρ) 1/2, dove ρ è la densità del materiale, E è il modulo elastico del materiale. Poiché la velocità del suono è influenzata dall'anisotropia, dalla forma e dall'interfaccia del materiale, e i rispettivi moduli elastici vengono utilizzati a seconda della forma di vibrazione dell'onda ultrasonica, la velocità dell'onda longitudinale in gas e liquido (solo in gas e liquido) L'onda longitudinale ha: CL = (K / ρ0) 1/2, dove K è il modulo elastico capacitivo (modulo elastico volumetrico) del materiale, e ρ0 è la densità statica originaria del mezzo in presenza dell'acustica onda. Nei solidi: la velocità dell'onda ultrasonica longitudinale che si propaga assialmente in un'asta sottile avente un diametro inferiore alla lunghezza d'onda ultrasonica è: Cl = (E / ρ) 1/2, dove E è il modulo di Young del materiale e ρ è il diametro della densità del materiale. Propagazione dell'onda longitudinale ultrasonica nella direzione assiale di un'asta spessa più grande della lunghezza d'onda ultrasonica. CL={[K+(4/3)G]/ρ}1/2={[E(1-σ)]/ρ(1+σ) (1-2σ)} K nella formula 1/2 è il modulo elastico capacitivo (modulo elastico volumetrico) del materiale, G è il modulo elastico di taglio del materiale e σ è il rapporto di Poisson del materiale (il materiale è nella forza, quando si verifica la deformazione longitudinale nel direzione, la deformazione laterale viene generata anche nella direzione verticale e il rapporto tra loro è chiamato rapporto di Poisson, che è una delle proprietà fisiche del materiale). La velocità del suono dell'onda di taglio è: Cs=(G/ρ)1/2={E/[ρ·2(1+σ)]}1/2 La velocità del suono dell'onda di Rayleigh è: CR=[(0,87+1,12σ)/(1 +σ)]·(G/ρ)1/2. quando viene misurata la velocità del suono e si conosce un altro parametro, è possibile calcolare altri parametri.

(2) Misurazione della temperatura: la velocità del suono nel mezzo è correlata alla temperatura del mezzo. Questa caratteristica può essere utilizzata per misurare la temperatura del mezzo senza contatto. Può inoltre essere utilizzato per indicare il punto di fusione, il punto di ebollizione e il cambiamento di fase del mezzo e per misurare il calore specifico del mezzo. Il calore di fusione è il calore di reazione e vengono misurati il ​​calore di combustione e vengono misurati la purezza e il peso molecolare del mezzo.

(3) Misurazione della portata: quando le onde ultrasoniche si propagano in un mezzo fluido (come tubi di trasferimento di gas, liquidi o fluidi contenenti una certa proporzione di particelle solide o canali d'acqua), la velocità di propagazione è diversa da quella in condizioni statiche rispetto a un sistema di coordinate fisse. È correlato alla portata del mezzo, in modo che la portata possa essere determinata in base alla variazione della velocità del suono e la portata (area della sezione trasversale del fluido x portata) possa essere ulteriormente determinata. (4) Misurazione della viscosità del liquido η: Secondo l'impedenza acustica di taglio Z e (η·ρ) 1/2 (η è la viscosità del liquido, ρ è la densità del liquido) e l'impedenza acustica Z=ρ·C, quindi misurando la velocità del suono e determinando la densità del liquido, è possibile determinare la densità del liquido. (5) Misurazione dello stress: la velocità di propagazione delle onde ultrasoniche nel materiale ha una variazione approssimativamente lineare con lo stress applicato (chiamato effetto dello stress ultrasonico), quindi può essere utilizzata per misurare la resistenza del calcestruzzo precompresso, la resistenza e lo stress residuo del metallo e il fissaggio. Sollecitazione di trazione su un pezzo (come un bullone di fissaggio). (6) Misurazione della durezza: la durezza dello strato indurito della superficie metallica può essere determinata utilizzando la caratteristica di cambiamento di velocità dell'onda nello strato indurito della superficie metallica.

(7) Determinazione della profondità della fessura sulla superficie del metallo: la differenza tra il momento in cui l'onda viene trasmessa direttamente lungo la superficie del metallo e il momento in cui è presente la fessura superficiale e l'onda viene aggirata dalla fessura. La velocità di propagazione dell'onda di Rayleigh può essere calcolata in base alla profondità della fessura. Questo metodo è chiamato metodo del ritardo temporale o metodo del tempo di transito, metodo Δt.

(8) Spessore di misurazione: in base alla relazione tra la distanza di propagazione degli ultrasuoni X e la velocità del suono C e il tempo di trasmissione t: X=C·t, ad esempio, quando si misura lo spessore con il metodo di riflessione degli impulsi ultrasonici, lo spessore del pezzo d=C·t/2. Il motivo per utilizzare qui il denominatore 2 è che la sonda a ultrasuoni emette un impulso ultrasonico sulla superficie inferiore del pezzo e viene ricevuta la sonda di ritorno riflettente, in modo che i passaggi del percorso del suono siano due volte lo spessore del pezzo.

Utilizzando le caratteristiche di velocità delle onde ultrasoniche, può anche essere applicato alla misurazione della resistenza della ghisa a grafite sferoidale e del grado di sferoidizzazione della grafite, alla determinazione dell'umidità dell'adobe ceramico per determinare i tempi di cottura nel forno e all'analisi delle caratteristiche del mezzo gassoso (ad esempio, la purezza dell'ossigeno e dell'azoto industriali). il tasso metabolico della respirazione animale dipende dalla variazione del contenuto di un componente nel gas, ecc., nonché dalla densità della frazione petrolifera, il lattice di neoprene.

Il metodo di ritardo ultrasonico viene utilizzato per determinare la densità del liquido con profondità di fessura superficiale e simili. In sintesi, le applicazioni delle caratteristiche di velocità ultrasonica, soprattutto nella tecnologia di misurazione industriale, sono numerose. Gli ultrasuoni sono una sorta di onda di vibrazione meccanica. Possiamo utilizzare il risonatore ad ultrasuoni per iniettare l'onda ultrasonica con frequenza regolabile (principalmente utilizzando l'onda longitudinale) nel pezzo da ispezionare. Quando l'onda ultrasonica risuona con la frequenza naturale del pezzo, si propaga l'onda incidente della direzione opposta. Le onde riflesse si sovrappongono tra loro per formare un'onda stazionaria, che è la risonanza di spessore dell'onda longitudinale incidente perpendicolarmente. Con questa caratteristica di risonanza, può essere applicato ai seguenti aspetti:

(1) Misurazione dello spessore:
lo spessore di Il trasduttore piezoelettrico a disco ceramico è d e la lunghezza d'onda dell'onda ultrasonica che si propaga al suo interno è λ, che si ottiene quando si verifica la risonanza: d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=...=n·λn/2, dove n è qualsiasi numero intero positivo, ovvero lo spessore del pezzo da ispezionare in questo momento è uguale a un multiplo integrale della mezza lunghezza d'onda dell'onda ultrasonica risonante. Nota la velocità ultrasonica C del materiale del provino, in base alla relazione tra la velocità del suono, la lunghezza d'onda e la frequenza: C = λ · f, si può ottenere la frequenza ultrasonica al momento della risonanza di spessore: fn = C / λn = n · C / 2d Quando n=1, f1=C/2d, che è la frequenza fondamentale della risonanza di spessore. Poiché la differenza tra le frequenze di due armoniche adiacenti qualsiasi è uguale alla frequenza fondamentale, ci sono: fn-fn-1=nf1-( N-1) f1=f1, quindi la frequenza di due armoniche adiacenti nella risonanza dello spessore può essere determinata dal risonatore e lo spessore del pezzo è: d=C/[2(fn-fn-1)], Quando le frequenze delle armoniche non adiacenti sono fm e fn, rispettivamente, poiché: fm-fn=(mn)f1.

(2) Rilevamento di difetti:
quando è presente un difetto nel pezzo da ispezionare, la frequenza nazionale cambierà rispetto allo stesso pezzo senza difetti e cambierà anche lo stato di risonanza (cambia la frequenza di risonanza), in modo che l'esistenza del difetto possa essere rilevata di conseguenza. Ad esempio, viene utilizzato per misurare la durezza dei metalli, per ispezionare la qualità della saldatura a punti delle lamiere, in particolare per i difetti di incollaggio di materiali compositi e strutture incollate (come non incollati, staccati, con gel scadente, ecc.) e per rilevare la forza di adesione. Il metodo di rilevamento delle vibrazioni acustiche è progettato per verificare la qualità dei giunti di colla.

Un'applicazione tipica delle caratteristiche di risonanza ultrasonica è un durometro ad ultrasuoni, che misura la durezza mediante una variazione della frequenza di risonanza della barra del sensore ad ultrasuoni. Viene utilizzato principalmente per determinare la durezza di un metallo e può essere utilizzato anche per altre misurazioni mediante un metodo di confronto. La misurazione della durezza ad ultrasuoni presenta i vantaggi di un danno minimo alla superficie del pezzo da testare, di una velocità di misurazione rapida e di una procedura operativa semplice. È particolarmente adatto per l'ispezione al 100% dei pezzi finiti e può rilevare direttamente il pezzo tenendo la sonda, particolarmente adatto per scale di grandi dimensioni difficili da spostare. Parti di pezzi che non sono facilmente smontabili, che vengono misurate. Quello che segue è un esempio del durometro a ultrasuoni prodotto. Sotto la pressione di contatto uniforme, la punta del sensore è in contatto con la superficie del pezzo da testare e la frequenza di risonanza del sensore seguirà il pezzo da testare. La durezza del provino viene determinata misurando la variazione della frequenza di risonanza del sensore.