Technologia badań nieniszczących i jej zastosowanie (4)

Charakterystyka dyfrakcji i rozpraszania ultradźwiękowego:

Kiedy fala ultradźwiękowa rozchodzi się w ośrodku, napotyka heterogeniczną granicę międzyfazową (taką jak defekt). Zgodnie z zasadą Huygensa na jej krawędzi zachodzi zjawisko dyfrakcyjne i generowana jest nowo wzbudzona fala dyfrakcyjna. z pozornego punktu widzenia pierwotna fala ultradźwiękowa może w dalszym ciągu przemieszczać się wokół wady, ale za defektem tworzy się cień akustyczny (przestrzeń bez fal ultradźwiękowych). Nową falę ugiętą można wykorzystać do oceny głębokości pęknięcia powierzchniowego lub wysokości pęknięcia wewnętrznego. W Chinach metoda ta nazywana jest metodą fali regeneracyjnej krawędzi, a w obcym kraju metodą fali dyfrakcyjnej końcówki. Zjawisko tworzenia cienia dźwiękowego wykorzystywane jest do wykrywania penetracji ultradźwiękowej, to znaczy, gdy fale ultradźwiękowe napotykają na swojej drodze defekty w wyniku odbicia, dyfrakcji, rozproszenia itp., a także ze względu na nieprawidłową mikrostrukturę materiału badanego przedmiotu, powoduje to osłabienie energii propagacji ultradźwiękowej, tak że energia akustyczna odbierana na drugim końcu ścieżki akustycznej jest niższa niż energia akustyczna odbierana w normalnych warunkach, a różnicę można odzwierciedlić za pomocą wyświetlacz defektoskopu ultradźwiękowego lub bezpośrednio za pomocą wskazania licznika elektrycznego. Służy jako podstawa do kontroli i oceny, Ultradźwiękowy miernik grubości może być stosowany do wykrywania defektów blachy, kompozytu lub konstrukcji klejonej, takich jak rozwarstwianie, odklejanie itp., A także może być stosowany do pękania końcówek małych przełączników elektrycznych. Dyfrakcja ultradźwiękowa (fala regeneracyjna) określa głębokość pęknięcia.

Kontrola jakości styków posrebrzanych i nie tylko. Zaletą jest to, że łatwo jest wdrożyć automatyczne wykrywanie, ale wadą jest to, że nie można poznać rozmiaru i lokalizacji defektu, a ponadto wymagane jest względne położenie dwóch sond. Kiedy fala ultradźwiękowa rozchodzi się w ośrodku, jej własna dyfuzja czoła fali spowoduje, że energia dźwiękowa przechodząca przez obszar jednostkowy prostopadle do kierunku wiązki dźwiękowej będzie się zmniejszać wraz ze wzrostem odległości propagacji, co nazywa się tłumieniem dyfuzji, czyli samym ultradźwiękiem. Charakterystyka związana jest z kątem rozproszenia wiązki 2θ (θ jest kątem półdyfuzji wiązki ultradźwiękowej). Dodatkowo fala ultradźwiękowa znajduje się na granicy ziaren materiału, w punkcie fazowym, czyli w impedancji akustycznej zawieszonych w ośrodku cząstek, zanieczyszczeń, pęcherzyków itp. (wartość jest równa iloczynowi prędkości dźwięku i gęstości) (nawet jeśli jest to niewielka różnica). Stan rozproszenia jest powiązany z długością fali fali ultradźwiękowej i wielkością cząstki rozpraszającej (średnią średnicą ziaren kryształu). W materiale metalowym stosunek długości fali λ do średniej średnicy ziaren kryształu można podzielić na trzy stany rozproszenia: Rozproszenie Rayleigha: „przy λ stopień rozproszenia jest proporcjonalny do czwartej potęgi częstotliwości, która stanowi większość metalu. Rozpraszanie losowe: ≈λ, stopień rozproszenia jest proporcjonalny do kwadratu częstotliwości, jak to zwykle ma miejsce w przypadku odlewów gruboziarnistych; rozproszone rozpraszanie: ≥ λ, stopień rozproszenia jest odwrotnie proporcjonalny do, co często wyraża się w W przypadku, gdy powierzchnia wykrytej powierzchni przedmiotu jest szorstka, powstaje rozproszona strata energii akustycznej padającej na powierzchnię styku. Podobną metaforą tej sytuacji może być sytuacja, gdy światła samochodu były rozproszone podczas mglistej pogody i nie mogły prześwitywać przez mgłę. Ze względu na istnienie zjawiska rozpraszania energia akustyczna w obszarze jednostki jest prostopadła do ścieżki dźwięku jest zmniejszona, to znaczy powoduje tłumienie rozpraszania. Chociaż występowanie tego zjawiska rozpraszania w metodzie wykrywania odbicia impulsu ultradźwiękowego nie tylko zmniejsza zdolność penetracji fali ultradźwiękowej, ale także zakłóca dyskryminację echa, może ono również powrócić do fali ultradźwiękowej poprzez nałożony pogłos rozproszonej fali ultradźwiękowej w materiale metalowym. Po odebraniu sondy jest ona wyświetlana na wyświetlaczu defektoskopu ultradźwiękowego w postaci echa chwastów. Oceniając poziom bałaganu, można ocenić i ocenić mikrostrukturę materiału metalowego. Szczególnie w przemyśle lotniczym ocena poziomu bałaganu stała się ważnym wskaźnikiem w kryteriach akceptacji badań ultradźwiękowych odkuwek ze stopów tytanu.

Charakterystyka tłumienia ultradźwiękowego Oprócz tłumienia rozpraszania opisanego w poprzedniej sekcji, inną ważną przyczyną tłumienia energii podczas przenoszenia fal ultradźwiękowych przez materiał jest tłumienie spowodowane absorpcją wewnętrzną, które jest związane z lepkością materiału, przewodzeniem ciepła, tarciem brzegowym. Zjawisko relaksacji jest związane z utratą energii ultradźwiękowej w postaci ciepła i migracji atomów substancji rozpuszczonej, oprócz ruchu dyslokacyjnego (takiego jak gęstość dyslokacji, zmiana długości, obecność dziur i zanieczyszczeń) oraz ruch ścian domeny magnetycznej, Naprężenia szczątkowe powodują zakłócenia pola dźwiękowego...etc. Mogą powodować tłumienie energii ultradźwiękowej, co odpowiada tłumieniu rozpraszania w górnej części. Tłumienie energii ultradźwiękowej spowodowane tymi przyczynami nazywamy absorpcją absorpcyjną. Można zauważyć, że mechanizm tłumienia fal ultradźwiękowych w materiale jest bardzo skomplikowany. Rozważamy kompleksowe tłumienie. Załóżmy, że amplituda ciśnienia akustycznego u źródła odległości X=0 wynosi P0, a amplituda ciśnienia akustycznego po odległości X wynosi PX, wówczas: PX =P0·e-αx, gdzie α nazywa się współczynnikiem tłumienia, który można podzielić na dwie części, mianowicie: α=αs+αa, gdzie αs jest współczynnikiem tłumienia rozproszenia, a αa jest współczynnikiem tłumienia absorpcji. Dlatego współczynnik tłumienia wyrażony w α jest kompleksowym parametrem materiału, który na ogół wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości ultradźwiękowej. W badaniach ultradźwiękowych możliwe jest określenie stopnia redukcji energii akustycznej po przejściu fali ultradźwiękowej przez materiał (przykładowo ocena stopnia redukcji amplitudy echa dolnej powierzchni przedmiotu obrabianego metodą odbicia impulsu ultradźwiękowego) nazywa się oceną strat fali dolnej lub tłumieniem odbicia od dna, czyli falą ultradźwiękową. Metoda penetracyjna może być stosowana do oceny charakteru, morfologii i rozkładu mikrostruktury materiału, np. do wykrywania gruboziarnistych kryształów materiałów metalowych, przegrzania i przepalenia, (przegrzana struktura w odkuwkach metalowych), węglików. Jednorodność, szybkość sferoidyzacji węglika żeliwa sferoidalnego, wytrzymałość stali węglowej na rozciąganie w temperaturze pokojowej, pomiar naprężeń i tym podobne. 

Dostępne dane wprowadzają wykorzystanie wskaźnika bałaganu spowodowanego rozproszeniem oraz ocenę tłumienia amplitudy echa do oceny rozmieszczenia warstwy cementytu w strukturze perlitu koła lokomotywy (stal perlitowa o zawartości węgla 0,53~0,61%). Określ granicę plastyczności i odporność koła na zużycie. Istnieją również doniesienia dotyczące wykorzystania charakterystyk tłumienia ultradźwiękowego w badaniach zmęczeniowych materiałów (w badaniu zmęczeniowym tarcie wewnętrzne i odkształcenie siatki wewnątrz próbki może powodować rozpraszanie ultradźwięków, a lokalne odkształcenie plastyczne powierzchni pękniętej może powodować absorpcję energii ultradźwiękowej). Stosowany do oceny odporności stali na pękanie. Łącząc charakterystykę tłumienia ultradźwiękowego z charakterystyką prędkości dźwięku, można np. określić zawartość wodoru w stopach tytanu (zmniejszając ryzyko pojawienia się wodoru w stopach tytanu) oraz ocenić jakość starzenia stopów aluminium. Charakterystyki prędkości fal ultradźwiękowych tego samego typu mają różne prędkości propagacji w różnych materiałach, a w tym samym materiale fale ultradźwiękowe różnych typów fal mają również różne prędkości propagacji. Kiedy skład, mikrostruktura, gęstość, stopień włączenia, stężenie, współczynnik konwersji polimeru, wytrzymałość, temperatura, wilgotność, ciśnienie (naprężenie), natężenie przepływu materiału zmieniają się lub zmieniają, prędkość dźwięku również będzie się zmieniać. Przy użyciu specjalnego testera prędkości dźwięku lub konwencjonalnego defektoskopu ultradźwiękowego typu odbicia impulsowego lub miernika grubości w celu porównania materiału o nieznanej prędkości dźwięku ze standardową próbką o znanej prędkości dźwięku, tak aby można było zmierzyć prędkość dźwięku lub prędkość dźwięku materiału i zastosować: (1) Określenie właściwości fizycznych stałe materiałów, takie jak: zgodnie z zależnością w fizyce, ogólnie: prędkość dźwięku C = (E / ρ) 1/2, gdzie ρ to gęstość materiału, E to moduł sprężystości materiału. Ponieważ na prędkość dźwięku wpływa anizotropia, kształt i powierzchnia styku materiału, a odpowiednie moduły sprężystości są stosowane w zależności od postaci drgań fali ultradźwiękowej, prędkość fali podłużnej w gazie i cieczy (tylko w gazie i cieczy) Fala podłużna ma: CL = (K / ρ0) 1/2, gdzie K jest pojemnościowym modułem sprężystości (objętościowym modułem sprężystości) materiału, a ρ0 jest oryginałem gęstość statyczna ośrodka w obecności fali akustycznej. W ciałach stałych: prędkość fali podłużnej ultradźwiękowej rozchodzącej się osiowo w cienkim pręcie o średnicy mniejszej niż długość fali ultradźwiękowej wynosi: Cl = (E/ρ) 1/2, gdzie E jest modułem Younga materiału, a ρ jest średnicą gęstości materiału. Propagacja fali ultradźwiękowej podłużnej w kierunku osiowym grubego pręta jest większa niż długość fali ultradźwiękowej. CL={[K+(4/3)G]/ρ}1/2={[E(1-σ)]/ρ(1+σ) (1-2σ)} K we wzorze 1/2 to pojemnościowy moduł sprężystości (objętościowy moduł sprężystości) materiału, G to moduł sprężystości materiału przy ścinaniu, a σ to współczynnik Poissona materiału (materiał znajduje się pod wpływem siły, Kiedy w kierunku występuje odkształcenie podłużne, w kierunku pionowym powstają także odkształcenia boczne, a stosunek między nimi nazywany jest współczynnikiem Poissona, który jest jedną z właściwości fizycznych materiału). Prędkość dźwięku fali poprzecznej wynosi: Cs=(G/ρ)1/2={E/[ρ·2(1+σ)]}1/2 Prędkość dźwięku fali Rayleigha wynosi: CR=[(0,87+1,12σ)/(1 +σ)]·(G/ρ)1/2. gdy mierzy się prędkość dźwięku i znany jest inny parametr, można obliczyć inne parametry.

(2) Pomiar temperatury: Prędkość dźwięku w ośrodku jest powiązana z temperaturą ośrodka. Cechę tę można wykorzystać do pomiaru temperatury ośrodka bezkontaktowego. Można go ponadto wykorzystać do wskazania temperatury topnienia, temperatury wrzenia i zmiany fazowej ośrodka oraz do pomiaru ciepła właściwego ośrodka. Mierzy się ciepło topnienia, czyli ciepło reakcji i ciepło spalania, a także mierzy się czystość i masę cząsteczkową ośrodka.

(3) Pomiar natężenia przepływu: Gdy fale ultradźwiękowe rozchodzą się w przepływającym ośrodku (takim jak rury przesyłające gaz, ciecz lub płyn zawierające pewną proporcję cząstek stałych lub kanały wodne), prędkość propagacji różni się od prędkości propagacji w warunkach statycznych w odniesieniu do stałego układu współrzędnych. Jest to związane z natężeniem przepływu medium, zatem natężenie przepływu można określić na podstawie zmiany prędkości dźwięku, a natężenie przepływu (pole przekroju poprzecznego płynu x natężenie przepływu) można dalej określić. (4) Pomiar lepkości cieczy η: Zgodnie z impedancją akustyczną ścinania Z i (η·ρ) 1/2 (η to lepkość cieczy, ρ to gęstość cieczy) i impedancją akustyczną Z=ρ·C, zatem mierząc prędkość dźwięku i wyznaczając gęstość cieczy, można wyznaczyć gęstość cieczy. (5) Pomiar naprężeń: Prędkość propagacji fal ultradźwiękowych w materiale zmienia się w przybliżeniu liniowo wraz z przyłożonym naprężeniem (tzw. efekt naprężenia ultradźwiękowego), dlatego można go stosować do pomiaru wytrzymałości betonu sprężonego, wytrzymałości i naprężenia szczątkowego metalu oraz mocowania. Naprężenie rozciągające działające na element (np. śrubę mocującą). (6) Pomiar twardości: Twardość warstwy utwardzonej na powierzchni metalu można określić, wykorzystując charakterystykę zmiany prędkości fali w utwardzonej warstwie powierzchni metalu.

(7) Określanie głębokości pęknięcia na powierzchni metalu: różnica pomiędzy czasem, w którym fala przechodzi bezpośrednio wzdłuż powierzchni metalu, a czasem, w którym występuje pęknięcie powierzchniowe i fala jest omijana przez pęknięcie. Zależnie od prędkości propagacji fali Rayleigha można ją obliczyć na podstawie głębokości pęknięcia. Metoda ta nazywana jest metodą opóźnienia czasowego lub metodą czasu przejścia, metodą Δt.

(8) Pomiar grubości: Zgodnie z zależnością odległości propagacji ultradźwięków X i prędkości dźwięku C oraz czasu transmisji t: X=C·t, np. przy pomiarze grubości metodą odbicia impulsu ultradźwiękowego, grubość przedmiotu obrabianego d=C·t/2. Powodem użycia mianownika 2 jest to, że sonda ultradźwiękowa emituje impuls ultradźwiękowy do dolnej powierzchni przedmiotu obrabianego, a odblaskowa sonda powrotna jest odbierana, dzięki czemu droga dźwięku przechodzi przez dwukrotnie większą grubość przedmiotu obrabianego.

Wykorzystując charakterystykę prędkości fal ultradźwiękowych, można ją również zastosować do pomiaru wytrzymałości żeliwa z grafitem sferoidalnym i stopnia sferoidyzacji grafitu, określenia wilgotności adobe ceramicznego w celu określenia czasu wypalania w piecu oraz analizy właściwości ośrodka gazowego (np. czystości przemysłowego tlenu i azotu). na tempo metabolizmu oddychania zwierząt wpływa zmiana zawartości składnika w gazie itp., a także gęstość frakcji naftowej, lateksu neoprenowego.

Ultradźwiękową metodę opóźnienia czasowego stosuje się do określenia gęstości cieczy na głębokości pęknięć powierzchniowych i tym podobnych. Podsumowując, zastosowanie ultradźwiękowych charakterystyk prędkości, zwłaszcza w przemysłowej technologii pomiarowej, jest liczne. Ultradźwięki to rodzaj mechanicznej fali wibracyjnej. Za pomocą rezonatora ultradźwiękowego możemy wprowadzić falę ultradźwiękową o regulowanej częstotliwości (głównie za pomocą fali podłużnej) do kontrolowanego przedmiotu. Kiedy fala ultradźwiękowa rezonuje z częstotliwością naturalną przedmiotu obrabianego, fala padająca rozchodzi się w przeciwnym kierunku. Odbite fale nakładają się na siebie, tworząc falę stojącą, która jest rezonansem grubości fali podłużnej padającej prostopadle. Dzięki tej charakterystyce rezonansowej można ją zastosować w następujących aspektach:

(1) Pomiar grubości:
Grubość przetwornikiem piezoceramicznym jest d, a długość fali propagującej się w nim fali ultradźwiękowej wynosi λ, którą uzyskuje się w przypadku wystąpienia rezonansu: d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=...=n·λn/2, gdzie n jest dowolną dodatnią liczbą całkowitą, to znaczy, że grubość kontrolowanego w tym momencie przedmiotu jest równa całkowitej wielokrotności połowy długości fali rezonansowej fali ultradźwiękowej. Znając prędkość ultradźwiękową C materiału próbki, na podstawie zależności pomiędzy prędkością dźwięku, długością fali i częstotliwością: C = λ · f, można otrzymać częstotliwość ultradźwiękową w momencie rezonansu grubości: fn = C / λn = n · C / 2d Gdy n=1, f1=C/2d, która jest częstotliwością podstawową rezonansu grubości. Ponieważ różnica częstotliwości dwóch sąsiednich harmonicznych jest równa częstotliwości podstawowej, to wynosi: fn-fn-1=nf1-(N-1) f1=f1, zatem częstotliwość dwóch sąsiednich harmonicznych w rezonansie grubości może zostać wyznaczona przez rezonator, a grubość przedmiotu obrabianego wynosi: d=C/[2(fn-fn-1)], gdy częstotliwości harmonicznych niesąsiadujących ze sobą wynoszą fm i fn, odpowiednio, ponieważ: fm-fn=(mn)f1.

(2) Wykrywanie wad:
W przypadku wystąpienia wady w kontrolowanym przedmiocie, częstotliwość krajowa zmieni się w porównaniu z tym samym przedmiotem bez wad, a stan rezonansu również ulegnie zmianie (zmiany częstotliwości rezonansowej), tak że można odpowiednio wykryć istnienie wady. Na przykład służy do pomiaru twardości metali, do kontroli jakości zgrzewania punktowego blach, szczególnie pod kątem wad spajania materiałów kompozytowych i spajanych struktur (takich jak niezwiązanie, odspojenie, słaby żel itp.) oraz do wykrywania siły wiązania. Metoda detekcji drgań akustycznych ma na celu sprawdzenie jakości połączeń klejowych.

Typowym zastosowaniem charakterystyk rezonansu ultradźwiękowego jest twardościomierz ultradźwiękowy, który mierzy twardość poprzez zmianę częstotliwości rezonansowej czujnika ultradźwiękowego. Służy głównie do określania twardości metalu, ale może być również stosowany do innych pomiarów metodą porównawczą. Ultradźwiękowy pomiar twardości ma zalety minimalnego uszkodzenia powierzchni badanego przedmiotu, dużej szybkości pomiaru i prostej procedury obsługi. Jest szczególnie odpowiedni do 100% kontroli gotowych przedmiotów i może bezpośrednio wykryć przedmiot obrabiany, trzymając sondę, szczególnie odpowiedni w przypadku dużych wag, które są trudne do poruszania. Części obrabiane, które nie są łatwo demontowane, które są mierzone. Poniżej znajduje się przykład ultradźwiękowego testera twardości, który został wyprodukowany. Przy równomiernym nacisku kontaktowym końcówka czujnika styka się z powierzchnią badanego elementu, a częstotliwość rezonansowa czujnika będzie podążać za badanym elementem. Twardość badanego elementu określa się poprzez pomiar zmiany częstotliwości rezonansowej czujnika.