View
60
Download
1
Category
Preview:
DESCRIPTION
Defektoskopia za pomocą fal ultradźwiękowych. Propagacja fal Ośrodek nieograniczony. Fale podłużne. Fale poprzeczne. Propagacja fal Ośrodek ograniczony. W miejscach zgęszczenia następuje spęcznienie przekroju a w miejscach rozrzedzenia – zwężenie F ale podłużne w cienkich prętach. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Defektoskopia za pomocą fal ultradźwiękowych
1. Propagacja fal dźwiękowych 2. Przetworniki i sondy 3. Defektoskop ultradźwiękowy 4. Ocena wielkości wad - nomogramy OWR 5. Metodyka szukania wad
Propagacja falOśrodek nieograniczony
Fale podłużne
Fale poprzeczne
Propagacja falOśrodek ograniczony
W miejscach zgęszczenia następuje spęcznienie przekroju a w miejscach rozrzedzenia – zwężenie
Fale podłużne w cienkich prętach
Fala powierzchniowa (fala Rayleigha) Cząstki ośrodka poruszają się po torach eliptycznych. Podłużna składowa przemieszczenia maleje do zera na głębokości 0,2 λ,
Składowa poprzeczna (w płaszczyźnie pionowej) maleje do zera na głębokości 2λ.
Tor cząstek jest:
- eliptyczny ze zmianą kierunku obiegania
dla h <0,2 λ
liniowy (tylko poprzeczna polaryzacja) dla h = λ.
Fale Lamba (fale płytowe)
ośrodek ograniczony dwiema równoległymi płaszczyznami.
Fale Rayleigha rozchodzą się po obu powierzchniach i oddziaływają na siebie dla grubości h λ .
Dwie postacie przemieszczania: fale symetryczne, antysymetryczne
Generacja fal Lamba
Fala podłużna pada pod kątem α na powierzchnię płyty a fala Lamba powstaje przy odpowiednio dobranej wartości kąta padania, grubości płyty i częstotliwości fal
Fale Love’a
Fale poprzeczne, rozchodzące się w warstwie znajdującej się na podłożu o innych właściwościach akustycznych.
Są spolaryzowane w płaszczyźnie warstwy, w której się rozchodzą.
Prędkość fal poprzecznych w warstwie musi być mniejsza od prędkości fal w podłożu.
Prędkość fal ultradźwiękowych w ośrodkach
izotropowych Współczynniki sprężystości
Cij
λ, μ - stałe Lamego
E - moduł sprężystości podłużnej,
G – moduł sprężystości poprzecznej,
K – moduł sprężystości objętościowej,
ν – współczynnik Poissona.
0,2 < ν < 0,5
Prędkość fal ultradźwiękowych w ośrodkach
izotropowych
ρ – gęstość ośrodka
c
EL
2 1
1 1 2
cE
T
2 1
prędkość fal podłużnych:
prędkość fal poprzecznych
Prędkości fal w ośrodkach ograniczonych przestrzennie O ś r o d e k , k t ó r e g o j e d e n l u b d w a w y m i a r y a , b p r o s t o p a d ł e d o k i e r u n k u r o z c h o d z e n i a s i ę f a l i s ą o g r a n i c z o n e : f a l e p o d ł u ż n e , p ł y t a a > , b < p r ę t a < , b < f a l e p o w i e r z c h n i o w e j e s t z a w s z e m n i e j s z a o d p r ę d k o ś c i f a l p o p r z e c z n y c h
cE
L 1 2
cE
L
c cR T
0 8 7 1 1 2
1
, ,
Prędkości fal w ośrodkach ograniczonych przestrzennie fale płytowe prędkość zależy od częstości i od grubości płyty oraz od modu drgań; zbliżają się asymptotycznie do prędkości fal powierzchniowych Prędkości fal ultradźwiękowych są niezależne od częstotliwości w zakresie od 20 kHz do 20 MHz UWAGA: dla ośrodków izotropowych i nieograniczonych
jest zależny tylko od współczynnika Poissona υ
c
cT
L
1 2
2 1
Tłumienie fal ultradźwiękowych
P r z y c z y n y o s ł a b i e n i a n a t ę ż e n i a f a l i u t r a d ź w i ę k o w e j : 1 - p o c h ł a n i a n i e e n e r g i i z a m i a n a e n e r g i i d r g a ń n a c i e p ł o ( t a r c i e w e w n ę t r z n e c z ą s t e k ) 2 - o d b i c i e , z a ł a m a n i e , d y f r a k c j a - r o z p r a s z a n i e w y s t ę p u j e w o ś r o d k a c h n i e j e d n o r o d n y c h i p o l i k r y s t a l i c z n y c h f a l a o d b i j a s i ę o d p o s z c z e g ó l n y c h g r a n i c z i a r n a . N a t ę ż e n i e d ź w i ę k u j e s t p r o p o r c j o n a l n e d o k w a d r a t u a m p l i t u d y c i ś n i e n i a a k u s t y c z n e g o :
z m i a n a n a t ę ż e n i a z d ł u g o ś c i ą d r o g i x
= 1 +
2
I I ex ox 2
Tłumienie fal ultradźwiękowych
1 - współczynnik pochłaniania (proporcjonalny do częstotliwości)
2 - współczynnik rozpraszania (zależy głównie od średnicy ziarna D i od częstotliwości f
2π D > >> D - rozpraszanie Rayleigha
= 1 f + 2f 4 , 2 ~D 3
dla ~D - rozpraszanie stochastyczne, straty rosną proporcjonalnie do D = 1 f + 2f
2 dla >> D pochłanianie w każdym ziarnie oraz odbicie - stosuje się średni współczynnik odbicia R = 1 f + 2f
2 + R/D,
Odbicie i załamanie fal ultradźwiękowych
p - ciśnienie akustyczne I = p2/ (ρ u ) P1 - padająca fala, P2 - fala przechodząca, P3 - fala odbita
p = ρ c u , ρ - gęstość, c - prędkość
fali, u - prędkość średnia molekuł
r = ρ c - oporność falowa , m = r1 / r2
1 2
P1 P2 P3 ρ1, c1 ρ2, c2
Odbicie i załamanie fal ultradźwiękowych
Współczynnik odbicia dla ciśnienia Współczynnik przenikania dla ciśnienia
Rm
m
1
1
Dm
2
1
Odbicie i załamanie fal ultradźwiękowych faza ciśnienia akustycznego fali jest przeciwna fazie ciśnienia fali padającej Odbicie i przenikanie fali przy prostopadłym padaniu fali na granicy ośrodków stal-woda i woda - stal a) - energia fali, b) - ciśnienie fali
Odbicie fal dźwiękowych przy ukośnym padaniu
- kat padania względem normalnej do powierzchni, β - kąt fali przechodzącej w drugim ośrodku
Odbicie fal dźwiękowych przy ukośnym padaniu powstają dwie fale odbite (poprzeczna i podłużna) i dwie fale przechodzące (poprzeczna i podłużna) Wzór Snelliusa: UWAGA: występuje kąt 'krytyczny' padania przy którym powstaje tylko
fala powierzchniowa fala podłużna
dla układu woda-stal = 27o PMM-stal = 64o
fala poprzeczna PMM-stal = 570
sin
sin
c
c
Odbicie fal dźwiękowych przy ukośnym padaniu
Odbicie fal dźwiękowych przy ukośnym padaniu
Przetworniki fal ultradźwiękowych Metody wytwarzania fal ultradźwiękowych
Zjawisko piezo-elektryczne: odkształcenie s pod wpływem pola eletrycznego o natężeniu E (oraz zjawisko odwrotne)
Kryształ kwarcu – 3 osie: X - osie drgań podłużnych
dla E !! do X Y – osie drgań poprzecznych dla E !! do Y. Dla drgań podłużnych
Fig. 1
ε = k E [V/m]
[k] = C N-1
Przetworniki fal ultradźwiękowych Metody wytwarzania fal ultradźwiękowych kwarc k = 2,15 · 10-12
ferroelektryki tytanian baru BaTiO3 k = 190 10-12 cyrkonian baru (PZT) k = 239 10-12 niobian litu LiNbO3 k = 6 10-12 Przykład: płytka PZT o grubości d = 10 mm ε = δ/d, E = U/d - odkształcenie bezwzględne zależy tylko od napięcia
U U = 1000 V -> δ = 23910-9 0,2 μm i ε = 2010-6. Moduł Younga E = 80 GPa – naprężenie równoważne: σ = E ε 1,6 MPa Drgania rezonansowe: podłużne o częstotliwości fn dla c = 5 000 m/s fn = (2n-1)/2π c/2d
50 kHz
Przetworniki fal ultradźwiękowych Przetwornik elektro-magnetyczny (EMAT)
wytwarzanie fal podłużnych, ,wektor indukcji jest równoległy do powierzchni
Przetworniki fal ultradźwiękowych wytwarzanie fal poprzecznych, wektor indukcji jest skierowany prostopadle do powierzchni a siła Lorentza równolegle do powierzchni
Przetworniki fal ultradźwiękowych Przetworniki magnetostrykcyjne Efekt:
W ydłużenie ferromagnetyka podczas namagnesowania. względne w ydłużenie λ zależy od namagnesowania B ( B = f(H ) ) λ B 2 i nasyca się (?λs) λs 10 10 -6 dla typowej stali
(dla niklu λ jest zawsze ujemne, materiał kurczy się)
-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000
0
2
4
6
8
10
H [ A /m ]
Przetworniki fal ultradźwiękowych Przetworniki magnetostrykcyjne
Uwaga – efekt "parzysty " w funkcji pola H. Przetwornik: rdzeń z blach (prądy wirowe !) magnesowany za pomocą
solenoidu Nałożone pole stałe Ho (podmagnesowanie) i pole zmienne Hi aby uniknąć zniekształceń wynikłych z parzystości. pręt stalowy o długości l = 10 cm, dla λ 5 10-6: δ 0,5 μm, naprężenie σ = ε E (ε = λ) ? σ 1 MPa Zalety – brak ograniczeń na moc przetwornika (duże przekroje) Wady – ograniczona częstotliwość wzbudzanych drgań do około 100 kHz.
Głowice ultradźwiękowe
Głowice ultradźwiękowe
Głowice ultradźwiękowe
Głowice ultradźwiękowe
Defektoskop ultradźwiękowy
Pomiar prędkości fal
Pomiar prędkości fal
Zasady detekcji wady
Zasady detekcji wady
Metody wykrywania wad1. Spawy podłużne
Metody wykrywania wad1. Spawy podłużne
Metody wykrywania wad1. Rury
Metody wykrywania wad1. Rury
Metody wykrywania wad1. Blachy
Metody wykrywania wad1. Blachy
Wzorce wad Wzorzec W1
Wzorce wad Wzorzec W1
Określanie wielkości wady za pomocą wysokości echametoda OWR
O – odległość, W – wzmocnienie, R - rozmiar
Wysokość echa wady w funkcji odległości od przetwornika.1. Wada o nieskończonych wymiarach (reflektor dna)w polu bliskim – echo nie zmienia sięw polu dalekim – echo maleje proporcjonalnie do odległości 1/l2. Wada o wymiarach mniejszych od średnicy wiązkiw polu bliskim – echo wzrasta (niejednoznaczność)w polu dalekim – echo maleje proporcjonalnie do kwadratu odległości 1/l2
k-krotny wzrost powierzchni wady reflektora powoduje k-krotny wzrost wysokości echa wady.
Wykres OWR
Założenia: - materiał próbki nie tłumi
fal - materiał jest bez wad - powierzchnie są gładkie i
płaska - echo wady o wysokości
ho=0,4H jest poziomem odniesienia.
Procedura Badanie ech od dna (wada nieskończona) i ech od otworów płaskodennych o różnych średnicach 'd' w różnej odległości 'l' od
Wykres OWR
W trakcie badania elementu o grubości 180 mm znaleziono płaską wadę na głębokości l = 80 mm. Jaki jest rozmiar wady? Ustalono wzmocnienie dla echa dna, tak, aby wynosiło 0,4H →WD = 19 dB; dla
echa wady ustalono wzmocnienie dla 0,4H → WW = 41 dB. Wzrost
wzmocnienia W = -22 dB. Z wykresu OWR (dla danej sondy):
Wykres OWR - znajduje się dla wady nieskończonej przecięcie dla l = 180 mm i linię
poniżej pomniejszoną o 22 dB. - na tej linii odczytuje się wielkość wady w odległości l = 80 mm?
d = 1,5 mm. Wykres unormowany OWR
Odległość i rozmiary reflektorów wyróżniane są liczbami niemianowanymi (unormowanymi). Unormowana odległość (A) l – odległość rzeczywista reflektora [mm] N – długość pola bliskiego głowicy [mm]
Unormowana średnica równoważna (R) d – średnica równoważna reflektora [mm] Dsk – średnica skuteczna przetwornika głowicy [mm]
N
lA
skD
dR
Wykres OWR
Zadanie: ustalić wzmocnienie przy którym będzie widziana wada o średnicy równoważnej d = 1,5 mm w odległości L = 150 mm.Dane: głowica fal podłużnych typ 2LN25. Materiał badany: stal (cL = 5,94
mm/s).Rozwiązanie: średnica skuteczna przetwornika Dsk = 0.970 25 = 24,25 mm,
długość pola bliskiego: N = Dsk 2 /4c = 49,5 mm.
unormowana odległość dna dla wzorca W1: LD = 100 mm
A = ID / N = 2,02.
wzmocnienie dla punktu odniesienia z OWR : -WD = 4 dB.
unormowany rozmiar i odległość wady: RW = d / Dsk = 1,5/ 24,25 = 0,06
AW = IW / N = 150/ 49,5 = 3,03.
z OWR wzmocnienie dla punku odpowiadającej wadzie –WW = 49 dB.
Wzmocnienie konieczne do ustawienia echa dna wzorca W1 na wysokość 0,4 H należy zatem zwiększyć o różnice wzmocnień odczytanych z wykresu OWR dla punktu odniesienia i wady: W = WW – WD = 49-4 = 45 dB
Recommended