Акустика в интроскопии. Лекция 1

1.

Лекция 1
06.09.2021
Акустика в интроскопии
7 семестр
Мелешко Наталия Владимировна
shearwave.ru

2.

Используемые сокращения
АРД – амплитуда расстояние диаметр
АСД – автоматический сигнализатор дефектов
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
БЦО – блок цифровой обработки
ВРЧ – временная регулировка чувствительности
ГЗИ – генератор зондирующих импульсов
ГСИ – генератор стробирующих импульсов
НК – неразрушающий контроль
НТД – нормативно-техническая документация
ОК – объект контроля
ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь
СО – стандартный образец
СОП – стандартный образец предприятия
УЗ – ультразвук, ультразвуковой
УЗК – ультразвуковой контроль
ФАР – фазированная антенная решетка
ЦП – центральный процессор
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь
ЭМА – электромагнитно-акустический
ЭМАП – электромагнитно-акустический преобразователь
2

3.

Литература основная
1. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ. В 5 кн. Кн. 2
Акустические методы контроля:
Практическое пособие / И.Н. Ермолов,
Н.П. Алешин, А.И. Потапов. Под ред.
В.В. Сухорукова. - M.: Высш. шк., 1991.-283 с.
2. Неразрушающий контроль. Справочник. В 7
томах. Том 3. Под редакцией чл.-корр. РАН
В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2004.864 с.
3. Е.Ф. Кретов Ультразвуковая дефектоскопия в
машиностроении. Учебное пособие. СанктПетербург. Издательство «СВЕН», 2011.312 с.
4. И.Н. Ермолов, А.Х. Вопилкин, В.Г. Бадалян
Расчеты в ультразвуковой дефектоскопии
(краткий справочник). – М.: ООО НПЦ НК
“ЭХО+” 2000. – 110с.
3

4.

Литература дополнительная
1. В.Г. Щербинский Технология ультразвукового контроля сварных
соединений. Санкт-Петербург: Издательство «СВЕН», 2014. – 495 с.
2. Й. Крауткрамер, Г. Крауткрамер Ультразвуковой контроль материалов.
Справочник. М. «Металлургия», 1991.-752 с.
3. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОВ/ Н.П. Алешин,
В.Е. Белый, А. Х. Вопилкин и др.: Под ред. А. П. Алешина. - М.:
Машиностроение, 1989. - 456 с.; ил.
4. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля, М.:
Машиностроение, 1981. - 240 с.
5. Ермолов И.Н. Контроль ультразвуком: Краткий справочник. – М.: НПО
ЦНИИТМАШ, 1972. – 86 с.
6. И.Н. Ермолов, М.И. Ермолов Ультразвуковой контроль. Учебник для
специалистов первого и второго уровней квалификации. Издание
пятое - М.: 2006 – 208 с.
7. Г.С. Горелик Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и
оптику. Государственное издательство физико-математической
литературы, Москва 1959–572 с.
4

5.

История развития
1880 г. – Жак и Пьер Кюри обнаружили пьезоэффект
1880-1910 гг. – Рэлей разработал теорию
распространения звука в твердых телах
1928 г. - профессор С.Я. Соколов сформулировал
основные принципы УЗ дефектоскопии
1940-е - Floyd Firestone в США и Donald Sproule в Англии
применили принципы ультразвуковой эхолокации для
обнаружения несплошностей в сталях
5

6.

Первые дефектоскопы
1943 г. - выпущены первые эхо-импульсные
дефектоскопы фирмами «Сперри продактс инк.»
(Денбери, США) и «Кельвин энд Хьюз лтд.» (Лондон)
1949 г. - В Германии Josef и Herbert Krautkramer
выпустили эхо-импульсный дефектоскоп
50-е гг. - появление наклонных преобразователей
70-е гг. - предложен способ оценки размеров
несплошностей по амплитуде эхосигнала
2004 г. - выпущены первые ручные дефектоскопы,
работающие с фазированными антенными
решетками (ФАР)
6

7.

Персоналии
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Игорь Николаевич Ермолов
Виктор Григорьевич Щербинский
Анатолий Константинович Гурвич
Николай Павлович Алёшин
Евгений Федорович Кретов
Алексей Харитонович Вопилкин
Владимир Владимирович Клюев
Василий Васильевич Сухоруков
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Евгений Геннадьевич Базулин
Андрей Анатольевич Самокрутов
Виктор Гаврилович Шевалдыкин
Владимир Григорьевич Бадалян
Любовь Владимировна Воронкова
Другие
7

8.

Журналы
1. Дефектоскопия
2. Контроль. Диагностика
3. В мире НК
Сайты
1. https://defektoskopist.ru/
Компании
1.
2.
3.
4.
5.
6.
НПЦ «Эхо+»
ООО «АКС»
НПЦ «Кропус»
ООО «НПЦ «Луч»
Алтек
Др.
Научные школы
ЛЭТИ (С.Я. Соколов, Л.Г. Меркулов)
ЦНИИТМАШ (А.С. Матвеев, И.Н. Ермолов, В.Г.
Щербинский)
ВИАМ (Д.С. Шрайбер, Ю.В. Ланге)
НИИ мостов (А.К. Гурвич)
МГТУ им. Н.Э. Баумана (Н.П. Алешин, М.В. Григорьев)
НИИХИММАШ (Н.В. Химченко, В.А. Бобров)
ВНИИНК (В.Н. Соседов, В.Т. Бобров)
НИИИН (П.К. Ощепков, Ю.М. Шкарлет, М.В. Королев,
В.Г. Шевалдыкин, А.А. Самокрутов, В.Н. Козлов)
8

9.

Виды контроля (ГОСТ 18353-79)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Магнитный
Электрический
Вихретоковый
Радиоволновой
Тепловой
Оптический
Радиационный
Акустический
Проникающими веществами (капиллярный и
течеисканием)
9

10.

Термины и определения
Качество продукции
совокупность свойств продукции, обуславливающих ее
способность удовлетворять определенные потребности в
соответствии с ее назначением
Контроль (технический контроль)
проверка соответствия объекта установленным
техническим требованиям
Вид контроля
классификационная группировка контроля по
определенному признаку
Метод контроля
правила применения определенных принципов и средств
контроля
10

11.

Термины и определения
Метод неразрушающего контроля (НК)
Метод контроля, при котором не должна быть нарушена
пригодность объекта к применению
Система контроля
Совокупность средств контроля, исполнителей и
определенных объектов контроля, взаимодействующих по
правилам, установленным соответствующей нормативной
документацией
Средство контроля
Техническое устройство, вещество и (или) материал для
проведения контроля
Контролепригодность
Свойство изделия, обеспечивающее возможность,
удобство и надежность его контроля при изготовлении,
испытаниях, техническом обслуживании и ремонте
11

12.

Термины и определения
Входной контроль
Контроль продукции поставщика, поступившей к
потребителю или заказчику, и предназначенный для
использовании при изготовлении, ремонте или
эксплуатации продукции
Операционный контроль
Контроль продукции или процесса во время выполнения
или после завершения технологической операции
Приемочный контроль
Контроль продукции, по результатам которого принимается
решение о ее пригодности к поставкам и (или)
использованию
12

13.

Термины и определения
Эксплуатационный контроль
Контроль, осуществляемый на стадии эксплуатации
•входной
•профилактический (необязательный)
•текущий (обязательный)
По характеру воздействия на технологический процесс:
•активный (корректировка изготовления продукции)
•пассивный
По полноте охвата продукции:
•сплошной (для продукции ответственного назначения)
•выборочный (могут применяться разрушающие виды
испытаний)
13

14.

Термины и определения
Дефект (ГОСТ 15467-79)
каждое отдельное несоответствие объекта установленным
требованиям
Несплошность
нарушение однородности материала, вызывающее
скачкообразное изменение одной или нескольких его
физических характеристик (плотности, магнитной
проницаемости, скорости звука, волнового сопротивления
и проч.)
В ультразвуковом контроле дефектом является
несплошность, не удовлетворяющая требованиям НТД
14

15.

Термины и определения
Дефектное изделие
изделие, имеющее хотя бы один дефект
Критический дефект
дефект, при наличии которого использование продукции по
назначению практически невозможно или недопустимо
Значительный дефект
дефект, который существенно влияет на использование
продукции по назначению и (или) на ее долговечность, но
не является критическим
Малозначительный дефект
дефект, который существенно не влияет на использование
продукции по назначению и ее долговечность
15

16.

Термины и определения
Достоверность контроля
характеристика (качественная или количественная)
контроля, показывающая на основе предварительно
установленных критериев близость к ситуации,
исключающей как перебраковку, так и недобраковку
Перебраковка
отсутствие дефектов хотя бы в одном из забракованных по
результатам контроля объектов
Недобраковка
наличие дефекта хотя бы в одном из объектов,
признанных годными по результатам контроля
16

17.

Методы контроля
•по характеру взаимодействия физических полей или
проникающих веществ с ОК
взаимодействие должно быть таким, чтобы контролируемый признак объекта
вызывал определенные изменения физического поля или состояния вещества
•по первичному информативному параметру
конкретный параметр поля или вещества (амплитуда поля, время его
распространения, количество вещества и т. д.), изменение которого
используют для характеристики контролируемого объекта
•по способу получения первичной информации
конкретный тип датчика или вещества, которые используют для измерения и
фиксации упомянутого информационного параметра
17

18.

Методы акустического контроля
Активные
основаны на излучение в ОК УЗ волн от внешнего
источника и последующем их приеме
Пассивные
основаны на приеме УЗ волн, возникающих в самом ОК
18

19.

Классификация
Методы
Активные
Бегущих волн
Собственных
колебаний
Пассивные
Импедансные
АЭ
ВД
ШД

20.

Пассивные методы
Акустико-эмиссионный (АЭ)
регистрация упругих волн, возникающих в результате
акустической эмиссии (излучение упругих волн в
результате внутренней динамической локальной
перестройки структуры материала ОК)
Вибрационно-диагностический (ВД)
измерение вибрации какого-либо узла или детали
Шумодиагностический (ШД)
анализ спектра шумов работающего механизма

21.

Активные методы
Методы бегущих волн (отражения, прохождения,
комбинированные)
основаны на свойствах бегущих волн направленно
распространяться в средах в виде лучей и отражаться от
границ сред или несплошностей, обладающих другими
акустическими свойствами
Методы собственных колебаний (свободных и
вынужденных)
основаны на возбуждении в ОК вынужденных или
свободных колебаний и измерении их параметров:
собственных частот и величины потерь
Импедансные
информативный параметр – механический импеданс ОК в
зоне его контакта с преобразователем

22.

Бегущих
волн
Прохождения
Отражения
Амплитуднотеневой
Временнотеневой
Эхо-метод
Эхозеркальный
Комбинированны
е
Дельта
Дифракционновременной
Реверберационный
Зеркальнотеневой
Эхо- теневой

23.

Методы бегущих волн
Отражения
анализ отражения импульсов упругих волн от
неоднородностей или границ ОК
Прохождения
анализ влияние параметров ОК на характеристики
прошедших через него волн
Комбинированные
оценка влияния параметров ОК как на отражение, так и на
прохождение упругих волн

24.

Методы отражения
Эхо – метод
прозвучивание ОК короткими импульсами и прием
отраженных от несплошности эхосигналов
Эхо – зеркальный метод
прозвучивание шва двумя идентичными наклонными ПЭП,
расположенными с одной стороны шва и синхронно
перемещающимися
Дельта – метод
регистрация дифрагированных волн, переизлученных
краями несплошности
Дифракционно - временной метод
прием волн, возникающих в результате рассеяния на
верхнем и нижнем кончиках несплошности
Реверберационный метод
оценка времени объемной реверберации в ОК

25.

Методы прохождения
Теневой метод (амплитудно-теневой)
регистрация уменьшения амплитуды прошедшей волны
(сквозного сигнала) под влиянием несплошности
Временной теневой метод
измерение запаздывания импульса, вызванного огибанием
несплошности

26.

Комбинированные методы
Зеркально – теневой
признак обнаружения несплошности – ослабление
амплитуды сигнала, отраженного от противоположной
поверхности
Эхо – теневой
анализ как прошедших, так и отраженных волн

27.

Эхо-импульсный метод
ОК
ЗИ
Н
Н
ЗИ - Зондирующий импульс
Н - Сигнал от несплошности
Д - Донный сигнал
0
4
8
Д
12
16
20

28.

Эхо-импульсный метод
Излучаемые в изделие импульсы УЗ волн называют зондирующими.
Дефектоскоп посылает их через определенные промежутки времени.
Зондирующий импульс ультразвуковых колебаний отражается от
противоположной (донной) поверхности изделия и, возвращаясь, частично
попадает на приемный пьезоэлемент преобразователя.
а экране дефектоскопа возникает донный сигнал.
При наличии несплошности импульс ультразвуковых колебаний отразится от
него раньше, чем от донной поверхности.
Между зондирующим и донным сигналами возникает промежуточный –
импульс от несплошности, который и является признаком наличия
несплошности.

29.

Принцип эхо-импульсного метода
Положение 1
Положение 2
Положение 1
ЗИ
Д
ОК
0
4
8
12
20
Положение 2
ЗИ
Н
ЗИ - Зондирующий импульс
Н - Сигнал от несплошности
Д - Донный сигнал
16
Н
0
4
8
12
16
20

30.

Принцип эхо-импульсного метода
ОК
ЗИ
Н
ЗИ - Зондирующий импульс
Н - Сигнал от несплошности
Д - Донный сигнал
Н
0
4
8
Д
12
16
20

31.

Принцип эхо-импульсного метода
Положение 1
Положение 2
Положение 1
ЗИ
Д
ОК
0
4
8
12
16
20
Положение 2
ЗИ
Н
Н
Д
ЗИ - Зондирующий импульс
Н - Сигнал от несплошности
Д - Донный сигнал
0
4
8
12
16
20

32.

Эхо-импульсный метод
ОК

33.

Эхо-импульсный метод
ОК

34.

Эхо-импульсный метод
ОК

35.

Эхо-импульсный метод
ОК

36.

Эхо-импульсный метод
ОК
трещина
Угловое отражение

37.

Эхо-импульсный метод
ОК
Вертикальная близко расположенная
к поверхности трещина

38.

Эхо-импульсный метод
ОК
Плохо выявляемые
несплошности

39.

Эхо-импульсный метод
ОК
Плохо выявляемые несплошности

40.

Эхо-импульсный метод
ОК
Плохо выявляемые несплошности

41.

Эхо-зеркальный метод
Основан на анализе акустических
импульсов, зеркально отраженных
от донной поверхности и
несплошности
ОК

42.

Тандем
Вариант эхо-зеркального метода,
рассчитанного на выявление вертикальных
несплошностей
Для выявления
несплошностей в
сечении EF
поддерживают
постоянным
значение
E
LD
LA
LA LD 2 H tg
Для выявления
максимального
(зеркального)
отражения от
невертикальных
несплошностей
меняют значение
LA LD
A
ОК
D
α
H
B
F
C

43.

Тандем
A2
A1
0
ОК
[1]
4
[2]
8
12
16
20
В случае
плоскостной
несплошности
коэффициент
формы
K ф A1 A2 0

44.

Тандем
A1
A2
0
ОК
[1]
4
[2]
8
12
16
20
В случае
объемной
несплошности
коэффициент
формы
K ф A1 A2 0

45.

Дельта метод
Часть падающей на
несплошность
поперечной волны от
излучателя рассеивается
во все стороны на краях
несплошности, причем
частично превращается
в продольную волну.
[1] – волна,
трансформированная в
продольную на верхнем
краю несплошности
[2] – волна,
трансформированная на
нижнем краю и
отразившаяся от дна
изделия
Основан на дифракции волн на
несплошности
[2]
[1]
ОК

46.

Дельта метод
A1
A2
0
[2]
4
8
[1]
ОК
12
16
20
В случае плоскостной
несплошности оба
сигнала возникают в
результате дифракции
волн на краях, но
A2>A1, поскольку для
второго сигнала
направление на
приемник ближе к
максимуму дифракции

47.

Дельта метод
A1
A2
0
[2]
4
8
12
16
20
В случае объемной
несплошности A1>A2, т.к.
А1 возникает в результате
отражения, а не
дифракции, а А2 меньше,
поскольку он связан с
соскальзованием
обегающей несплошность
волны
[1]
ОК

48.

Дифракционно-временной метод
Основан на приеме волн,
возникающих в результате
рассеяния на верхнем и нижнем
краях несплошности
ОК
Обычно излучаются и принимаются продольные волны, т.к. соответствующие
импульсы приходят раньше, чем для поперечных волн. Главная информационная
характеристика – время прихода сигнала. Этот метод также называют
времяпролетным (TOFD).

49.

Реверберационный метод
Основан на анализе времени объемной
реверберации – процесса постепенного
затухания звука в некотором объеме
0
2
4
6
8
10
0
2
4
6
8
10

50.

Реверберационный метод
При контроле двухслойной конструкции время реверберации в слое, с
которым контактирует преобразователь, будет меньше в случае
доброкачественного соединения слоев, т.к. часть энергии будет
переходить в другой слой.
К примеру, УЗ импульсы вводят в металлический слой, в котором
наблюдаются многократно отраженные эхосигналы. Дефект соединения
увеличивает коэффициент отражения ультразвука на границе раздела
металл – пластик, что уменьшает скорость затухания амплитуд
эхосигналов (увеличивает время реверберации) в слое металла.

51.

Амплитудно-теневой метод
Основан на регистрации уменьшения
амплитуды прошедшей волны под
влиянием несплошности
ОК
0
4
8
12
16
20

52.

Принцип амплитудно-теневого метода
Положение 1
Положение 1
Положение 2
0
4
8
12
16
20
Положение 2
ОК
0
4
8
12
16
20

53.

Временно-теневой метод
Основан на измерении запаздывая
импульса, вызванного огибанием
несплошности
ОК
0
4
8
12
16
20

54.

Принцип временно-теневого метода
Положение 1
Положение 2
Положение 1
0
4
8
12
16
20
Положение 2
ОК
0
4
8
12
16
20

55.

Зеркально-теневой метод
Основан на измерении амплитуды
донного сигнала
ОК
0
4
8
12
16
20

56.

Принцип зеркально-теневого метода
По технике выполнения (фиксируется эхосигнал) – это метод отражения, а по
физической сущности контроля (измеряют ослабления сигнала, дважды
прошедшего ОК в зоне несплошности) - близок к теневому методу. Зеркально –
теневой метод часто применяют одновременно с эхо-методом. Наблюдают за
появлением эхосигналов и за возможным ослаблением донного сигнала
несплошностями, которые не дают четких эхосигналов и плохо выявляются эхометодом. Это может быть скопление очень мелких несплошность или
несплошность, расположенный так, что отраженный от него сигнал уходит в
сторону и не попадает на приемный преобразователь.

57.

Принцип зеркально-теневого метода
Положение 1
Положение 1
Положение 2
0
4
8
12
16
20
Положение 2
ОК
0
4
8
12
16
20

58.

Эхо-теневой метод
Основан на анализе как прошедших,
так и отраженных волн
ОК