Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине "Физика металлов" Волгоград 2008 - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Исследование распределения элементов в матрице на 1 174.81kb.
Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Математика»... 6 280.28kb.
Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине... 3 502.52kb.
Методические указания к лабораторной работе №2 по дисциплине «Сопротивление... 1 162.32kb.
Методические рекомендации по выполнению семестрового задания. 7 813.98kb.
Методические указания по выполнению лабораторной работы №5 для студентов... 1 67.79kb.
Методические указания к выполнению лабораторной работы №8 1 122.7kb.
Методические указания по ее выполнению, образцы решения основных... 3 447.97kb.
Методические указания к лабораторным работам Волгоград 2008 (07) 1 290.06kb.
Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине... 1 389.19kb.
Методические указания к выполнению лабораторной работы №8 для студентов... 1 80.95kb.
Ооо «тб «солвекс-трэвэл» 1 32.8kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине "Физика металлов" - страница №1/3



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА




Кафедра «Высшая математика»

УЛЬТРAЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИКА ОБЪЕКТОВ



Методические указания к выполнению лабораторной работы


по дисциплине "Физика металлов"


Волгоград

2008

УДК 539.2


У 51
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИКА ОБЪЕКТОВ: методические указания к выполнению лабораторной рабо­ты по дисциплине «Физика металлов» / Сост. В. Ф. Казак, В. Д. Рогозин, С. П. Писарев, Н. П. Петров; Волгоград, гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2008. – 46 с.
Предоставлены краткие сведения по теории физических процессов при распространении звуковых волн в твердых телах, описан принцип действия приборов и методы исследований, позволяющих использовать эти процессы в практических целях. Приведены контрольные вопросы и образец оформления отчета.

Предназначены в помощь студентам ВПО всех форм обучения.

Ил. 14. Табл. 2. Библиогр.: 2 назв.
Рецензент: д. т. н. Я. Н. Отений

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета


© Волгоградский

государственный

технический

университет, 2008

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление с физическими процессами при распространении звуковых волн в твердых телах, изучение устройства и принципа действия ультразвукового дефектоскопа.
1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

1.1. АКУСТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ.

Акустические волны - это распространяющиеся в упругой среде механические возмущения (деформации), которые могут возникать в любой материальной среде: твёрдой жидкой и газообразной. Основное свойство упругих волн состоит в том, что в волне осуществляется перенос энергии без переноса вещества.

В неограниченной изотропной среде распространение упругих волн имеет пространственный характер и форма фронта волны (геометрическое место точек среды в которых в данный момент времени фаза волны имеет одно и то же значение) может быть плоской, сферической или цилиндрической.

Ультразвуковые волны впервые получил в 1889 г. K. Konig с помощью вибрации миниатюрных сверхзвуковых камертонов. В последствии ультразвуковые колебания были воспроизведены в 1906г. П.Н. Лебедевым при электрическом разряде искры. Современная техника позволяет получать ультразвуковые колебания различной частоты и интенсивности, используя кристаллы с пьезоэлектрическими свойствами.

Ультразвук широко применяется в промышленности. С помощью отраженных ультразвуковых волн удается обнаружить внутренние дефекты в металлических конструкциях и определить глубину их залегания. Развитие ультразвуковой дефектоскопии связано с именем советского ученого С.Я.Соколова (1928). В последнее время стало возможным изучение отраженных акустических волн от различных биологических объектов (печени, мозга, сердца и др.). Ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологи-ческие процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазометрия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда. К ультразвуку относятся колебания с частотой свыше 20 000 Гц, которые не воспринимаются органами чувств. Нижняя граница области ультразвуковых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница ультразвуковых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. В газах при нормальном давлении верхняя граница частот УЗ составляет  109 Гц, в жидкостях и твердых телах граничная частота достигает 1012-1013 Гц.

В диагностических целях используют ультразвуковые колебания с частотой 2 - 10 МГц. Интенсивность колебаний обычно невелика, не превышает 1 кВт/м². Такие колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

Ультразвуковая волна – это сочетание упругих компрессий и разрежений (одна компрессия и одно разрежение представляет собой цикл волны). Длина волны – это расстояние от пика одного цикла до пика следующего цикла. Частота ультразвуковой волны f - число циклов в определенный промежуток времени (1сек).

(1)

Скорость с, с которой ультразвук проходит через определенную среду, зависит от ее плотности, упругих свойств и температуры.

Распространение ультразвука подчиняется основным законам, общими для акустических волн любого диапазона частот. К основным законам распространения относятся законы отражения звука и преломления звука на границах различных сред, дифракции звука и рассеяния звука при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неровностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных участках среды. Существенную роль при этом играет соотношение между длиной волны звука и геометрическим размером D – размером источника звука или препятствия на пути волны, размером неоднородностей среды. При D распространение звука вблизи препятствий происходит в основном по законам геометрической акустики (можно пользоваться законами отражения и преломления). Степень отклонения от геометрической картины распространения и необходимость учета дифракционных явлений определяются параметром:



(2)

где r – расстояние от точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.

Ультразвуковая волна может быть направлена в виде луча в определенном направлении, который подчиняется законам преломления, отражения и поглощения, отражается объектами малого радиуса При прохождении через гомогенную среду с одной акустической плотностью ультразвуковой луч распространяется по прямой линии, но на границе со средой с другим акустическим сопротивлением ультразвуковой луч подвергается преломлению и отражению, т.е. ультразвуковая волна на границе двух сред частично преломляется, частично отражается и продолжает свой путь. Степень отражения зависит от величины разности плотностей двух сред: чем больше эта разность, тем больше степень отражения. Например, отражение на поверхности между металлом и воздухом будет значительно больше, чем отражение на поверхности между и металлом жидкостью при условии одинакового угла падения. Добавим, что угол падения луча на границе двух сред тоже влияет на величину отраженного луча: чем ближе угол падения к прямому (углу), тем меньше величина отраженного луча.

Ультразвуковой луч способен отражаться от объектов при условии, что их величина составляет не менее ¼ длины волны. Таким образом, чем больше частота излучаемого ультразвука (т.е. чем меньше длина волны), тем больше разрешающая способность ультразвукового аппарата. Наиболее часто используемая частота ультразвукового луча 2–3 МГц. Ультразвуковой луч с частотой 3 МГЦ позволяет зарегистрировать отстоящие друг от друга предметы на расстоянии 1мм. Однако при использовании высокой частоты с большой разрешающей способностью значительная часть посылаемой энергии тратится на отражение от многих малых неоднородностей, и только небольшая оставшаяся часть проникает дальше, в глубь. Таким образом, чем больше частота ультразвукового луча и, следовательно, чем больше разрешающая способность, тем меньше глубина проникновения.

Амплитуда акустических волн в идеальной среде (жидкостях и газах) характеризуется одним из следующих параметров:

-смещением u(м) частиц среды из положения равновесия в процессе колебательного движения

-скоростью v (м/с) колебательного движения частиц среды

(3)

где t время.



-акустическим давлением p(Па) или изменением давления относительно среднего значения давления в среде:

(4)

где c – скорость распространения акустических волн;



– плотность среды; – колебательная скорость.

Акустические волны в твердых телах характеризуются либо смещением, либо колебательными скоростями, либо тензорами напряжения.

Плоская волна, распространяющаяся вдоль оси X, описывается формулой:

(5)

Знак Re (действительная часть) обычно опускают.

Здесь: ;

A – амплитуда колебаний (амплитуды обозначаем большими буквами);

ω = 2πf – круговая частота; f – частота; t – время;

k = 2π/ =ω/с – волновое число; = с/f – длина волны;

с – скорость распространения волны.

В акустической дефектоскопии чаще применяют не непрерывные (монохроматические) колебания, а радиочастотные импульсы, форму огибающей которых можно приблизительно полагать колоколообразной. Такой импульс описывается формулой:

(6)

Изменение по координате здесь опущено.

Здесь: γ – показатель длительности импульса;

n = 0,483γ – число периодов колебаний с амплитудами, превышающими 0,1А.

Формулы показывают, что величина а периодически изменяется во времени и пространстве. В качестве меняющейся величины а будем использовать смещение u и акустическое давление p. Для твердого тела вместо давления правильнее применять напряжение, однако для упрощения формул использовано давление, а особенности твердого тела там, где это необходимо, специально оговорены.

1.2. ТИПЫ ВОЛН.

Для контроля твёрдых применяют разные типы (моды ) волн, отличающиеся направлением колебаний частиц, скоростью распространения и другими признаками. Кроме упругости по объему, в твёрдом теле в отличии от жидкостей и газов существует упругость по форме, поэтому в твердом теле могут распространяться волны других типов: поперечные, нормальные, поверхностные и крутильные.

В продольной волне L колебательные скорости частиц среды совпадают с направлением распространения волны, в поперечной – перпендикулярны ему. Поперечные волны S и Т, распространяющиеся наклонно к какой-либо поверхности (например, поверхности ввода, на которой расположен преобразователь), разделяют на волны с направлением колебаний, параллельным этой поверхности (их называют горизонтально-поляризованными, SH, TH), с направлением колебаний в плоскости падения (вертикально-поляризованные, SV, TV). Они по разному отражаются от поверхностей из структурных неоднородностей.

Вдоль поверхности твердого тела распространяются рэлеевские (поверхностные) и головные (продольные, подповерхностные, ползущие) волны. Амплитуда рэлеевской поверхностной волны имеет максимум на поверхности и уменьшается в 10 раз на глубине около s – длины поверхностной волны. Осцилляции отраженного сигнала объясняются интерференцией импульсов, отраженных от граней и кончика риски. Рэлеевская волна распространяется на большие расстояния, следуя изгибам поверхности. На выпуклой поверхности скорость ее увеличивается, а на вогнутой – уменьшается, но одновременно растет затухание.

Головную волну можно представить как пучок лучей продольных волн. Максимальную амплитуду имеет луч под углом скольжения (угол к поверхности) 12…15о. Амплитуда луча, идущего вдоль поверхности, очень мала и быстро убывает с расстоянием вследствие порождения поперечной волны, распространяющейся под углом, равному третьему критическому (33о для стали). Достигая нижней поверхности, она порождает там головную волну, которую также используют для контроля.

В соответствии с этим изменяется чувствительность к дефектам. Головная волна практически не чувствительна к поверхностным дефектам (на глубине 0,5 мм и менее) и имеет максимум чувствительности на глубине 4…10 мм в зависимости от расстояния от преобразователя (l=10…50 мм).

В результате волноводного эффекта в пластинах и стержнях возникют нормальные волны. Колебания охватывают все сечение пластины или стержня. Разные виды этих волн отличаются распределением колебаний по толщине.

Рис.1. Деформация пластины при распространении

симметричных и антисимметричных волн.
1.3. ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН.

Законы отражения и преломления ультразвуковых волн анало­гичны законам геометрической оптики.

Граница двух протяженных сред.

Если продольная волна, распространяющаяся в некоторой сре­де I, встречает на своем пути среду II с другими акустическими свойствами, то часть энергии отражается от границы сред, а остав­шаяся часть входит в новую среду. При этом отраженные волны распространяются от границы раздела в первой среде, а прошед­шие – во второй.

Пусть плоская упругая продольная волна, распространяясь со ско­ростью cll в однородной среде с плотностью ρl, доходит до границы со второй средой с плотностью ρll и скоростью распространения вол­ны в ней clll. Условимся углом падения α, ультразвукового луча на­зывать угол, образованный лучом и нормалью к поверхности в точке падения луча.

Если упругая волна падает перпендикулярно на плоскую границу раздела двух сред (α = 0), то часть её энергии переходит во вторую среду, а часть отражается в первую, причем проходящая и отра­женная волны будут того же вида, что и волна падающая, и направ­лены также перпендикулярно к границе раздела (рис. 2, а). Рас­пределение энергии между отраженной и прошедшей волнами опре­деляется коэффициентами отражения (прозрачности) и прохождения. Амплитуды каждой отраженной или прошедшей волны определяются коэффициентами отражения или прозрачности R или D:



(7)

(8)

Эти коэффициенты могут быть по амплитудам смещения, акустического давления или других переменных величин. Часто используют коэффициенты по потокам энергии, перпендикулярным границе раздела (будем называть "по энергии"). Для этих коэффициентов справедливы общие закономерности:

1. Сумма всех коэффициентов, отражения и прозрачности по энергии равна 1 (закон сохранения энергии):

Řll ll + Řll tl +Dll lll +Dll tll = 1 (9)

2. Коэффициенты отражения по амплитуде однотипной волны с двух сторон от границы равны по модулю и обратны по знаку:

Rll ll = Rlll lll; Rtl tl =- Rtll tll (10)

3. Коэффициент прозрачности по энергии равен произведению коэффициентов по амплитуде в двух направлениях. Например:

Ďll tll = Dll tll Dtll ll = Ďtll ll (11)

То же относится к коэффициентам отражения разнотипных волн:
Řll tl = Rll tl R tl ll = Ř tl ll (12)
Эта закономерность (в части прохождения) важна для дефектоскопии, поскольку границу изделия волна проходит дважды.

Таблица 1. Отражение от слоёв в стали


Толщина слоя, мм



Коэфициент

отражения по энергии, %% для слоя



воздуха

воды

1х10-6

86,67

2,67х10-6

1х10-5

99,85

2,67х10-4

1х10-4

99,998

2,67х10-2

1х10-3

99,998

2,6



99,998

88

Таблица 1 показывает практически полное отражение от тончайшего воздушного зазора (0,00001мм), заполнение его жидкостью многократно улучшает прохождение волн.

Если продольная упругая волна L падает на границу раздела двух твердых сред под углом, отличным от прямого, то отраженная и прошедшая волны преломляются и трансформируются на продоль­ные L' L" и сдвиговые Т' Т" волны, распространяющиеся в первой и второй средах под различными углами (рис. 2, б; здесь для просто­ты показан всего один луч из пучка лучей). На практике для обес­печения падения продольных волн под углом между пьезоэлементом и контролируемой деталью располагают призму из органического стекла.



Рис. 2. Схема отражения и прохождения упругих волн на плоской границе

двух сред при перпендикулярном (а) и наклонном (б–г) па­дения лучей:

П– пьезоэлемент; / – первая среда; // –вторая среда.

В этом случае угол α между падающим лучом и перпендикуляром N к поверхности раздела в точке О называется углом падения; углы β' и γ' – углами отражения; углы β" и γ" углами пре­ломления.

Законы отражения и преломления упругих волн по аналогии с законами геометрической оптики формулируются так:

1. Отраженные и преломленные лучи лежат в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности раздела сред, проведен­ной в точке падения.

2. Угол отражения продольной волны равен углу падения.

3. При ρlcl < ρllcll углы падения, отражения и преломления свя­заны соотношением:



sin α/сll =sin γ'/сtl =sin β"/сlll =sin γ"/сtll (13)

где: сll , сlll , сll и сtll – скорости распространения продоль­ных и сдвиговых волн в I и II средах соответственно.

При увеличении угла падения α продольной волны L углы β и γ также увеличиваются и при некотором значении α = αкрl (первый критический угол) преломленные продольные волны распространя­ются по поверхности, не проникая в глубь среды II (рис. 2, в):

αкрl = arcsinll / с) (14)

При дальнейшем увеличении угла падения до αкрll (второй крити­ческий угол) по поверхности распространяются преломленные сдви­говые волны (рис. 2, г):



(15)

Для лучей упругих волн в полной мере справедлив закон обра­тимости или взаимности: если луч падает из среды I на границу со средой II под углом α, преломляется и входит в среду II под углом β, то луч, падающий из среды II на границу с первой под углом β , после преломления войдет в среду


следующая страница >>



Чем больше человек любит самого себя, тем больше он зависит от чужого мнения. Марк Аврелий
ещё >>