МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России

Б.Н.Ельцина»

Д.Ю. Бирюков

РУКОВОДСТВО К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ ПО

МЕТОДАМ И СРЕДСТВАМ ИЗМЕРЕНИЙ, ИСПЫТАНИЙ И

КОНТРОЛЯ

Учебно-методическое пособие Научный редактор – проф. д-р техн. наук В.С. Кортов Екатеринбург 2012 УДК 620.179.16 ББК 30.607 Б 64 Авторы-составители: Д.Ю. Бирюков.

Рецензенты: кафедра общей и молекулярной физики УрГУ (зав. каф. проф. д-р физ.-мат. наук С.Ф. Борисов);

д-р физ.-мат. наук А.Б. Ринкевич (ИФМ УрО РАН).

Б 64 Руководство к выполнению курсовой работы по методам и средствам измерений, испытаний и контроля / Д.Ю. Бирюков.

Екатеринбург: ФГАОУ УрФУ, 2012. 28 с.

ISBN 5-321-00333- Учебно-методическое пособие по курсу «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» рассчитано на студентов специальности 072000 – Стандартизация и сертификация.

В настоящем пособии приводятся основные сведения по физическим принципам и явлениям, положенным в основу различных методов измерений, а также описание методов измерений и контроля изделий и материалов. В конце пособия приведен пример расчетов для курсовой работы.

Библиогр.: 4 назв. Табл. 2. Рис. 17.

УДК 620.179. ББК 30. Подготовлено кафедрой "Физические методы и приборы контроля качества"..

ФГАОУ "Уральский федеральный ISBN 5-321-00333- университет – УПИ",

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие……….……………………………………………………… 1 Основные параметры пьезопреобразователей (ПЭП)……………….. 1.1 Частота излучения…………………………………………………. 1.2 Коэффициент двойного преобразования….…………………….. 1.3 Мертвая зона……………………………………………………….. 2 Типы и поляризация упругих волн……………………………………. 3 Причины ослабления звуковых волн в среде……………………….. 3.1 Причины затухания……………...……………………………….. 3.2 Способы измерения скорости и коэффициенты затухания……. 4 Методы акустического контроля и толщинометрия………...……... 4.1 Ультразвуковая толщинометрия………………………………... 4.2 Акустический тракт……………………………………………… 4.3 Определение коэффициента двойного преобразования………. 4.4 Определение параметров дефектов…………………………….. 5 Примеры расчетов в курсовой работе….…………………………… Заключение…………………………………………………………….. Список литературы ……………………………………………………

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебно-методическое пособие содержит основные сведения по физическим принципам и явлениям, положенным в основу различных методов измерений, а также описание методов измерений и контроля изделий и материалов.

Учебно-методическое пособие рассчитано на студентов специальности 072000 – Стандартизация и сертификация, слушающих курс «Методы и средства измерений, испытаний и контроля».

В конце пособия приведен пример типовой курсовой работы.

Цель выполнения курсовых работ – закрепить и расширить теоретические сведения по физическим принципам и явлениям, положенным в основу различных методов измерений.

Для выполнения своего варианта курсовой работы студент должен знать принцип действия, структуру и особенности приборов контроля; четко представлять физику процессов, происходящих в преобразователях физических величин.

1 Основные параметры пьезопреобразователей (ПЭП) Технические параметры преобразователей регламентируются ГОСТ 14782-86 "Соединения сварные. Методы ультразвуковые" и ГОСТ 26266-90 "Преобразователи ультразвуковые. Общие технические требования". К основным параметрам относят следующие:

1.1 Частота излучения Частота излучения f зависит от частоты электрических колебаний, которые подаются на ПЭП и от толщины пьезоэлектрической пластины.

Формула (1) для вычисления толщины пьезопластины.

Формула (2) для вычисления длины волны.

1.2 Коэффициент двойного преобразования а) коэффициент излучения характеризует коэффициент полезного действия обратного пьезоэффекта.

где Рак- давление акустических волн, излученная акустическая мощность Uг – напряжение генератора б) коэффициент приема характеризует КПД прямого пьезоэффекта.

где Uп - напряжение принятого сигнала.

в) коэффициент двойного преобразования характеризует работу преобразователя в совмещенном режиме.

Параметр Uг определяется без акустической нагрузки.

1.3 Мертвая зона Мертвая зона – участки вблизи поверхности ввода и донной поверхности, дефекты в которых не могут быть выявлены эхоимпульсным методом при данных параметрах контроля.

Эхо-импульс от отражателя, расположенного в мертвой зоне вблизи поверхности ввода, попадает в область зондирующего сигнала и последующих шумовых и реверберационных сигналов. Размер мертвой зоны зависит от длительности зондирующего импульса tu и длительности переходных процессов tс, происходящих из-за недостаточного демпфирования и отражений в призме.

Время прохождения волны до дефекта и обратно вычисляется по формуле:

hв – глубина залегания дефекта.

Дефект не регистрируется, если и + в tв, и – время импульса, в – время восстановления.

Если и + в = tв, то hв=Hм- размер мертвой зоны.

Часть мертвой зоны наклонного ПЭП приходится на призму. С увеличением угла призмы наклонного ПЭП мертвая зона уменьшается. Для уменьшения мертвой зоны нужно повышать частоту У3В, что дает возможность сократить длительность зондирующего импульса при том же числе периодов колебаний в импульсе.

Мертвая зона вблизи донной поверхности образуется ввиду того, что сильный донный сигнал мешает выявлению относительно слабого отражения от дефекта. Для наклонного преобразователя мертвая зона вблизи донной поверхности, как правило, не возникает.

2 Типы и поляризация упругих волн Все упругие волны различаются по типу на объемные, то есть распространяющиеся в объеме тела, поверхностные, бегущие вдоль поверхности раздела двух сред, и водны в ограниченных телах.

Поляризацией волны называется траектория и направление движения частиц упругой среды по отношению к направлению распространения. В общем случае монохроматическая волна имеет эллиптическую поляризацию. Это означает, что частицы совершают движение по эллипсу. В частном случае эллипс вырождается в линию, см. рисунок 2.1.

Рисунок 2.1- Эллиптическая и линейная поляризация Говорят, что такие волны имеют линейную поляризацию, они относятся к объемным волнам. Среди объемных различают продольные и поперечные волны.

Продольной называется такая волна, у которой направление движения частиц происходит в том же направлении, в котором распространяется волна. При распространении продольной волны в среде образуются области растяжения и сжатия. Продольные волны могут распространяться как в твердых телах, так и в жидкостях и газах. Значения скоростей продольных волн приведены в Таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Скорости продольных и поперечных волн Плотность, Скорости упругих Характеристический Длина волны при углеродистая ностойкая Рисунок 2.2- Продольные (а) и поперечные (б) волны Скорость продольной волны в изотропной среде можно рассчитать, если известны плотность материала r, модуль Юнга Е и коэффициент Пуассонаn. Модуль Юнга - это отношение плотности силы к вызываемой этой силой деформации. Коэффициент Пуассона v -это отношение изменения ширины стержня к изменению его длины, если растяжение производится по длине, см. рисунок 2.2 а.

Для металлов v » 0,3. Скорость распространения продольной волны Сl определяется выражением Рисунок 2.3- Деформации растяжения (а) и сдвига (б) Поперечной называют такую волну, направление колебания частиц в которой перпендикулярно направлению распространения (рисунок 2.2 б). Поперечную волну также называют сдвиговой, поскольку в ней осуществляются деформации сдвига, см. рисунок 2.2б. Поперечные волны могут распространяться в твердых телах, а в жидкостях и газах они очень быстро затухают. Скорость поперечной волны Сt, определяется модулем сдвига G и плотностью r :

Для металлов коэффициент Пуассона v » 0,3, поэтому Значения скоростей поперечных волн приведены в Таблице 2.1.

Пусть поперечная волна распространяется под некоторым углом к поверхности тела. Если направление колебаний (поляризация волны) параллельно этой поверхности, то волну называют горизонтально поляризованной или SH-волной. Если волна поляризована в плоскости, перпендикулярной поверхности, то волну называют вертикально поляризованной или SV-волной. При возбуждении наклонным пьезоэлектрическим преобразователем в объекте контроля возникает SV - волна. SH -волны возбуждают электромагнитно-акустическим преобразователем или кварцевыми пьезопластинами.

3 Причины ослабления звуковых волн в среде Амплитуда и интенсивность упругих волн уменьшается по мере их распространения. Существуют следующие основные причины ослабления волн: расхождение лучей и затухание. Ослабление из-за расхождения лучей происходит потому, что часть лучей пучка не достигает приемника. Ослабление из-за расхождения лучей увеличивается с пройденным волной расстоянием. Уменьшение амплитуды сферических волн пропорционально, где Z Z пройденное расстояние, цилиндрических - пропорционально.В плоских волнах расхождения лучей нет.

Ослабление амплитуды волн из-за затухания пропорционально e, где число е » 2,73, a - коэффициент затухания. Коэффициент затухания складывается из коэффициента поглощения a n и коэффициента рассеяния a p : a = a n + a p.

Поглощение - это преобразование энергии упругих волн в другие виды энергии, в первую очередь в тепло. Рассеяние связано процессами преломления, отражения волн на границах кристаллов, зерен или включений в неоднородных материалов, а также огибанием волнами этих внутренних неоднородностей. Коэффициенты a, a n и a p измеряются в [ Нп/м и Нп/см]. В технике часто используют единицы [дБ/м и дБ/см]:

В таблице 3.1 сведены формулы для расчета амплитуды A(z) и мощности P(z) волны, прошедшей расстояние z. A0 и Р0 - начальные амплитуда и мощность.

Таблица 3.1 – Формулы для расчета амплитуды и мощности волны 3.1 Причины затухания Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере её распространения в среде. Основными причинами затухания являются:

· убывание амплитуды волны с удалением от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника (расхождение волны);

· рассеяние звука на неоднородностях среды, которое приводит к уменьшению потока звуковой волны в первоначальном · необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло, т.е. поглощение звука.

Первая из этих причин связана с тем, что звуковая энергия точечного источника (или любого источника конечных размеров) распределяется при расхождении волны на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта, что приводит к уменьшению интенсивности звука.

Волновой фронт – граничная область между средой пространства, вовлеченной в звуковые колебания и средой пространства, находящейся в состоянии покоя.

В области волнового фронта частицы среды колеблются в одинаковой фазе.

Расхождение зависит от формы волнового фронта.

Для сферической волны расхождение происходит в трех измерениях, что обуславливает максимальное ослабление волны.

А0~1/х, где х – расстояние от волнового фронта до источника звуковых волн.

В случае цилиндрической волны расхождение происходит в двух измерениях, что обуславливает меньшее ослабление волны, чем в случае сферической волны.

Плоский волновой фронт – расхождение не происходит, ослабление за счет расхождением отсутствует.

Рассеяние звука происходит на границах неоднородностей среды (например, микровключения, кристаллиты в поликристалле), что особенно заметно в случае неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны (область Релеевского рассеяния). Здесь затухание ультразвука при неизменной частоте оказывается пропорционально четвертой степени dср (статистический размер зерна). Эта закономерность положена в основу определения структуры поликристаллических металлов и изделий из них. Кроме того, чем больше упругая анизотропия вещества (упругая анизотропия – это различие в скоростях распространения звука в кристалле вдоль различных кристаллографических направлений), тем больше частичное отражение, преломление, трансформация типов волн на границах кристаллит-кристаллит и, следовательно, больше рассеяние.

Так ультразвук сильно затухает в меди, аустенитной коррозионно-стойкой стали. Малой упругой анизотропией характеризуются вольфрам и алюминий. Альфа-железо и углеродистая сталь относятся к промежуточным материалам в отношении величины упругой анизотропии и рассеяния. Материалы, состоящие из разнородных частиц (бетон, гранит, чугун), характеризуются большим рассеянием.

В однородных жидкостях и газах рассеяние отсутствует, а коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. В аморфных твердых телах (например, стекле) и монокристаллах рассеяние тоже отсутствует. В поликристаллических телах присутствует как поглощение, так и рассеяние.

В большинстве поликристаллических твердых тел основную роль в затухании играет рассеяние. Среда содержит зерна или включения, плотность и акустический импеданс которых отличается от окружения. Так, в чугунах содержатся включения графита. В стали зерна сохраняют кристаллическое строение. Скорость УЗВ зависит от направления падающей волны по отношению к осям кристалла. Чем сильнее эта зависимость, то есть упругая анизотропия, тем сильнее влияние рассеяния. Так анизотропия (и рассеяние) велики в медных сплавах (латуни), но значительно меньше в алюминиевых. В сталях рассеяние сильно сказывается на распространении волн в нержавеющей аустенитной стали, в аустенитных сварных швах.

l >>d – рассеяние отсутствует.

l ~ d – происходит рассеяние.