Принцип работы ультразвукового дефектоскопа

1. Принцип ультразвукового контроля

Ультразвуковой метод контроля относится к неразрушающим методам. Этот метод широко применяют для контроля сварных соединений из низколегированных и низкоуглеродистых сталей, алюминия, меди и их сплавов.

Распространяющиеся в упругом теле механические деформации называются акустическими или упругими волнами. Их подразделяют на инфразвуковые (частота колебания до 30Гц), звуковые (20 - 20•104Гц), ультразвуковые (от 2•104 до 109 Гц) и гиперзвуковые (свыше 109 Гц). При распространении акустической волны частицы среды, по которым они проходят, совершают колебания относительно точек равновесия. Если частицы колеблются вдоль, то такие волны называются продольными, если перпендикулярно – поперечными. В твердом теле могут возникать как продольные, так и поперечные волны. Различают также поверхностные волны, распространяющиеся только по поверхности тела. Для контроля сварных соединений при ультразвуковой дефектоскопии в основном используют поперечные и продольные ультразвуковые волны. Скорость ультразвуковых волн зависит от свойств материала или среды, в которой они распространяются.

Ультразвуковая волна несет в направлении своего движения определенную энергию, которая характеризуется интенсивностью ультразвука (количество энергии, которая переносится волной за 1с через 1 см2 площади, перпендикулярной направлению распространения). По мере распространения ультразвуковой волны интенсивность ее падает. О длине пути волны можно судить по величине коэффициента затухания. В твердых телах он складывается из коэффициента поглощения и рассеяния.

Для возбуждения ультразвуковых колебаний используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого заключается в том, что при растяжении и сжатии некоторых кристаллов в определенном направлении на их поверхности возникает электрический заряд. Электрические колебания от генератора высокой частоты при помощи пьезокристаллов превращаются в механические колебания частотой до 500 и 1000 МГц.

Если к поверхности детали приложить пьезопластину, которая подключена к генератору высокой частоты, то в металле начнут распространяться ультразвуковые волны, которые, попадая на другую пьезопластину, вызывают в ней пьезоэлектрические заряды. Эти заряды могут быть поданы на усилитель и воспроизведены индикатором.

Для ввода ультразвуковых колебаний и приема отраженных от дефектов, а также предохранения пьезопластины от механических повреждений и износа последнюю помещают в специальный устройства, называемые ультразвуковыми пьезоэлектрический преобразователями (ПЭП), щупами, искателями.

ПЭП делятся на несколько типов: совмещенный – излучатель и приемник ультразвуковых волн в одном корпусе ПЭП; раздельный – излучение и прием ультразвуковой волны выполняют два отдельных ПЭП; раздельно-совмещенный – излучение и прием ультразвуковой волны выполняют два отдельных кристалла, которые расположены в одном корпусе ПЭП. Волны могут распространяться непрерывно или в виде импульсов. Это зависит от режима работы генератора.

Для проведения ультразвукового контроля применяются специальные ультразвуковые дефектоскопы, которые обеспечивают излучение ультразвуковых колебаний, прием и регистрацию отраженных сигналов и определение координат обнаружения дефектов. Ультразвуковой дефектоскоп состоит из электронного блока (собственно дефектоскоп), набора ПЭП, соединительных кабелей и различных вспомогательных устройств.

2. Алгоритм работы ультразвукового дефектоскопа

С помощью ПЭП передается короткий ультразвуковой сигнал в контролируемый объект, получив на приемник отраженный сигнал, измеряется время прохождения звукового сигнала от ПЭП до отражающей поверхности и назад.

Это возможно только тогда, когда имеется четко определенное стартовое время и конечное время. Если скорость звука в объекте контроля известна, тогда, используя простые вычисления, можно определить расстояние до отражающей поверхности и таким образом точное положение несплошности в объекте контроля, рис. 1.

Принцип измерения времени и пути импульса

Рис. 1 Принцип измерения времени и пути импульса

Измерение времени начинается с подачей электрического импульса передачи - импульса возбуждения. Это очень короткий электрический разряд, вызывающий звуковой импульс в пьезоэлементе преобразователя. Звуковой импульс проходит через материал и при отражении от несплошности или противоположной поверхности материала возвращается назад к преобразователю. Полученные колебания преобразуются в электрический импульс, останавливающий измерение времени. Расстояние до отражающей поверхности можно тогда рассчитать по следующей формуле:

, где

s - путь, звукового импульса [мм]; с - скорость звука в материале [км/с]; t - время прохождения импульса [c].

Если теперь время прохождения и амплитуду импульса отобразить в графическом виде, получится упрощенная модель универсального Ультразвукового Дефектоскопа (Рис2).

Графическое отображение полученных ультразвуковых сигналов в модульном виде Рис. 2 Графическое отображение полученных ультразвуковых сигналов в модульном виде