теоретичний матеріал до теми 2

Акустичні методи побудовані на вивченні характеру розпов­сюдження звуку в конструктивних матеріалах.

Звук — коливаль­ ний рух часток пружного середовища, що поширюється у вигляді хвиль у газоподібному, рідкому та твердому середовищі. Пружні хвилі прийнято ділити на:

• інфразвукові з частотою до 20 Гц, звуко­ ві, частота яких лежить у межах від 20 Гц до 20 кГц,
• ультразвукові з частотою від 20 кГц до 1000 МГц
• гіперзвукові, частота котрих перевищує 1000 МГц.

При визначенні міцності й знаходженні дефектів у бетонних та керамічних конструкціях використовують коливання частотою від 20 до 200 кГц, а при дослідженні металів і пластмас — частотою від ЗО кГц до 10 МГц.

Існує ряд методів використання ультразвуку на практиці. Най­ більше поширення дістали такы методи:

• ультразвуковий імпульсний,
• резонансний,
• імпедансний методи
• метод акустичної емісії

. Акустичні методи базуються на відомих із фізики залежностях, що визначають характер розповсюдження хвиль у суцільних середовищах..

Хвилі, що пройшли в матеріал, дають змогу досліджувати його властивості одним із методів, що наведені нижче.

УЛЬТРАЗВУКОВІ МЕТОДИ

У металевих конструкціях за допомогою ультразвуку викону­ється контроль дефектів у металі та якість зварних швів. Під час використання тіньового методу (рис. 2) сигнал від випромінюва­ча  та приймача подається на екран осцилографа , причому за наявності дефектів  виникає зниження або повне зникнення сигналу, що відтворюється приймачем. Дає змогу визначити наявність порожнин у матеріалі. З різних боків конструкції встановлюють випромінювач і приймач. У процесі вимірювання їх пересувають по конструкції. Хвилі поширюються по тілу конструкції. У місці, де хвиля потрапляє в порожнину, хвилі не поширюються.На електронній променевій лампі з’являється тінь

Рис. 2 - Використання тіньового методу при виявленні дефектів.  – об’єкт дослідження не має дефекту; б – об’єкт має невеликий дефект, що спотворює рівень реєстрованого сигналу; в – утворення акустичної тіні під час великого дефекту; 1 – випромінювач ультразвукових хвиль; 2 – приймач ультразвукових хвиль; 3 – досліджуваний зразок; 4 – дефекти в зразку

Траси прозвучування конструкцій можуть мати довільний нап­рям. Так може використовуватись метод похилого прозвучування поздовжньою хвилею (рис.3, а) або поверхневе прозвучування поперечною хвилею (рис. 3, б).

Рисунок 3 - Види прозвучування: а — похиле, поздовжньою хвилею; б — поверхневе, поперечною хвилею

За неможливості розміщення головок випромінювача й прий­ мача на поверхні конструкції використовується луна-метод (рис. 4). У даному випадку перетворювач 1 виконує функції як випромінювача, так і приймача. Цей метод дозволяє як знаходити дефекти 2, так і визначати товщину виробу H  та відстань h до місця розташування дефекту. Якщо провести неодноразове прозвучуван­ ня поверхні, то на бездефектних ділянках (рис. 4, а) на екрані осцилографа буде реєструватись постійний проміжок , між момен­том посилання сигналу та моментом його отримання. В місцях, де мають місце дефекти (рис. 4), буде значна зміна цього часу. Для сталевих конструкцій швидкість по­ширення ультразвуку с є величиною стабільною.

Рис. 4 - Схема прозвучування луна-методом: а — визначення товщини матеріалу; б — визначення місця розташування дефекту; Н — товщина матеріалу; h— глибина залягання дефекту

Можна також відмітити існування дзеркально-тіньового мето­ду., коли випромінювач та приймач установлюються на одній і тій же поверхні виробу в безпосередній близькості один від одного.
Такий підхід дає можливість використовувати ту саму апаратуру, що випускається промисловістю.
При контролі якості зварних швів вищенаведеними методами знаходять шлакові включення, тріщини, раковини, газові чарунки та непровари. Для контролю стикових з’єднань використовують призматичні перетворювачі з різними кутами падіння ультразвуко­ вих хвиль. Оскільки в стикових з’єднаннях дефекти звичайно роз­ виваються вздовж поверхонь виробів, що з’єднуються, то в процесі контролю перетворювач переміщають уздовж шва по змієподібній ламаній лінії.

Резонансний метод використовується також для визначення прихованих дефектів, розташування арматури. Установлюється резонансний прилад, що випромінює хвилі певної довжини, які, доходячи до перешкоди, наприклад арматури, відбиваються від неї. Знаючи товщину конструкції в місці вимірювання й швидкість проходження хвилі в певному матеріалі, можна визначити наявність або відсутність дефекту, глибину розташування арматури, товщину захисного шару бетону.
При проведенні резонансних досліджень використовують зраз­ки: призми з розмірами 200x200x800; 150x150x600; 100x100x400; 7,07x7,07x28,3 мм, а також циліндри діаметром 150; 7,14 мм при висоті зразка відповідно 600 і 28,56 мм. Завданням випробувань є визначення динамічного модуля пружності та зсуву.

Імпедансний метод базується на реєстрації величини акустич­ного імпедансу (опору) ділянки виробу, що контролюється. Зміна вхідного імпедансу може бути виявлена за зміною амплітуди або фази сили, що діє на датчик та збуджує в ньому пружні коливання.
На рисунку 5 показана схема імпедансного методу. Датчиком 1 є стрижень, який має контакт із поверхнею і здійснює поздовжні коливання. Якщо об­шивка 2 жорстко склеє­на з основним матеріа­лом 4, то вся конструк­ція коливається як одне ціле й імпеданс системи „обшивка-клей-конструкція-датчик” ви­значається жорсткістю всієї конструкції. При цьому сила взаємодії датчика та конструкції буде суттєвою. Якщо стрижень попадає в зону, де відсутній клей 5, то ділянка обшивки коливається як тонкий елемент. Оскільки жорсткість обшивки суттєво нижча, ніж жорсткість системи в ціло­му, то сила взаємодії суттєво зменшиться.

Метод акустичної емісії оснований на реєстрації акустичних хвиль у твердих тілах при пластичному деформуванні та виник­ ненні і розвитку тріщин. Реєструючи швидкість руху хвиль емісії, можна знайти небезпечні дефекти й прогнозувати надійність еле­ ментів конструкцій: зон концентрації напружень у металевих, ево­ люцію розвитку тріщин у залізобетонних, появу розшарування в клеєних дерев’яних конструкціях і т.п.
Техніка реалізації акустичного методу полягає в тому, що на поверхні об’єкта, який вивчається, встановлюється ряд приймачів, що реєструють момент приходу імпульсу та його характеристики в процесі навантаження конструкції і її експлуатації. Інтенсивна фіксація імпульсів свідчить про процеси, що пов’язані з розвитком мікро- й макротріщин у конструкціях.