книги / Применения ультразвука

Рис. 4.39. Типичная картина множественных эхо-сигналов, полученная ^-сканированием

4.6.3. Метод видимого затухания

Видимое затухание — это наблюдаемые потери ультразвуковой энергии. Согласно стандарту Е664-89 Американского общества специалистов по испытаниям и материалам (ASTM) [44], изме­ рения видимого затухания можно проводить с использованием установки для испытаний иммерсионным методом с детектиро­ ванием картины ^-сканирования в дефектоскопе. Измерения можно проводить, используя два эхо-сигнала от задней повер­ хности или множественные эхо-сигналы (рис. 4.39). Измерив амплитуды я эхо-сигналов, определяют затухание по формуле (4.32).

4.6.4. М етод, основанный на амплитудах первого

эхо-сигнала от задней поверхности

В этом методе [45] для измерения затухания нужны амплитуды только первых эхо-сигналов от задней поверхности. По этой при­ чине методу отдают предпочтение при измерении затухания в об­ ладающих большим затуханием и толстых образцах материалов. Так же как в методе сравнения, варьирование толщины, если та­ ковое имеется, не должно превышать ±1%. Среди всех имеющих­ ся образцов в качестве контрольного выбирается образец с наи­ меньшим затуханием. Соответственно, амплитуды эхо-сигналов этого образца тоже считаются контрольными, и с ними сравнива­ ются амплитуды других образцов для получения относительного затухания.

4.6.5. М етод поверхностной волны Рэлея

Измерение затухания поверхностных волн обычно осуществля­ ется с использованием двух преобразователей, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Один из них выступает в качестве передатчика, а другой — приемника. В импульсном эхо-режиме с использованием одного преобразователя хорошим отражателем ультразвуковой энергии может стать клин, располо­ женный на пути луча. В этом случае возможно измерить только одно эхо и, следовательно, можно проводить лишь сравнитель­ ные измерения. Если пойти традиционным путем и использовать два отражателя (клина) на пути луча, то можно измерять затуха­ ние поверхностных волн.

4.6.6. Автоматизация и измерения частотной зависимости

Автоматизированные измерения затухания стали реальностью благодаря появлению цифровой электроники и персональных компьютеров. Интерактивная схема автоматизированных изме­ рений затухания аналогична той, что используется для измерения скорости, и показана на рис. 4.25. Инструментарий, применяе­ мый в автоматизированных измерениях затухания [25], обозначен на рис. 4.26.

I

Время

а) Выбранныеэхо-сигналы

функция частоты

Рис. 4.40. Автоматизированное измерение затухания с использованием компьютера

Рис. 4.40 иллюстрирует различные этапы данного процесса. Сначала выбирают два эхо-сигнала Bt и В2 (рис. 4.40а). Потом производится быстрое преобразование Фурье FFT (рис. 4.40Ь), и с помощью компьютерной программы находится коэффициент затухания как функция частоты (рис. 4.40с). Используя данный метод, можно с помощью компьютера автоматически измерять величину затухания с высокой степенью разрешения.

4.7. Истинное затухание

Истинное или абсолютное затухание в материалах нельзя изме­ рить или получить из непосредственных измерений. Его можно вывести из значений затухания, полученных традиционным ме­ тодом. Измеренное затухание учитывает все потери, связанные с наличием прослойки между преобразователем и образцом, диф­ ракцией, непараллельностью поверхностей образца и т.д. Чтобы получить абсолютное затухание, необходимо оценить каждую из этих потерь по отдельности и вычесть их из величины затухания, полученной экспериментальным путем. Таким образом находят затухание, связанное только с рассеянием и поглощением волн.

Затухание [6, 46, 47] в твердом материале можно записать в следующем виде:

где аа— истинное или абсолютное затухание; аь —потери, связан­ ные с рассеянием; ас — потери, вызванные наличием прослойки; а , — дифракционные потери; а, и а2— константы. В некоторых случаях дополнительные потери, например, из-за непараллель­ ное™ поверхностей образца, шероховатости поверхности и т.д. также вносят свой вклад в общую величину затухания. Можно исключить из рассмотрения данные факторы, если исследовать ровный образец, грани которого параллельны с точностью до ±5 микрометров, а поверхность отшлифована. В большинстве изме­ рений толщина прослойки между образцом и преобразователем чрезвычайно мала, следовательно, вызванным ею поглощением тоже можно пренебречь по сравнению с потерями, связанными с дифракцией. Аналогично при корректировке связи из измерен­ ной величины затухания можно вычесть соответствующие поте­ ри, рассчитанные отдельно.

4.8. Заключение

Мы провели обзор методов измерения, начиная с основ обнару­ жения и измерения ультразвука, и описали достоинства и недо­ статки отдельных способов. Более подробно рассмотрены новые возможности, связанные с компьютерными системами измере­ ния ультразвука, резонансной ультразвуковой спектроскопией и

лазерной интерферометрией, что обусловлено их значимостью. Кроме того, уделено внимание различным методикам измерения затухания [48].

Рекомендуемая литература

1. Beyer R Т and Letcher S V, Physical Ultrasonics, Academic Press, (1969) 65.

2.Debye P and Sears F W, Proc. Nat. Acad. Sci., US, 18 (1932) 410.

3.Lucas R and Biquard R, Compt Rend, 194 (1932) 2132.

4.Lucas R and Biquard R, Compt Rend, 194 (1932) 75.

5.Pellam J R and Gait J K, J Chem Phys, 14 (1946) 608.

6. Papadakis E P, Physical Acoustics: Principles and Methods, Academic Press, New York, 12 (1976) 277-374.

7.Mcskimin H J, J Acoust Soc Amer, 33 (1961) 12 and 37 (1965) 864.

8. Mcskimin H J and Andreatch, P, J Acoust Soc Amer, 34 (1962) 609.

9.May J E, Jr, IRE Nat Conv Rec, 6 (1938) Pt.2,134.

10.Papadakis E P, J Appl Phy, 35 (1964) 1474.

11.Papadakis E P, J Acoust Soc Amer, 42 (1967) 1045.

12.Papadakis E P, Rev Sci Instrum, 47 (1976) 806.

13.McSkimin H J, J Acoust Soc Am, 33 (1961) 12.

14.McSkimin H J and Andreatch P, J Acoust Soc Am, 34 (1962) 609.

15.Johnson W C, transmission Lines and Networks, McGraw Hill, Singapore, (1963).

16.Godfrey L and Philip J, Acoustics Letters, 19 (1995) 11.

17.Hull D R, Kautz H E and Vary A, Mater Eval, 43 (1985)1455.

18.Rao B P C, Jayakumar T, Bhattacharya D К and Baldev Raj, J Acoust Soc

India, XX(l-4) (1992) 90.

19.Bendat J S and Piersol A G, Engineering Applications of Correlation and Spectral Analysis, Wiley, New-York, (1980).

20.Bracewell, R N, The Fourier transform and its Application, McGraw Hill, New York, (1978).

21.Sachse W and Pao, Y H, J Appl Phys, 49 (1978) 4320.

22.Jin C, Rev Sci Instrum, 67(1) (1996) 271.

23.Hu J, Zheng Y and Zhang Q, Proc Seventh Asian-Pacific Conf On NDt, APCNDT-93, Sanghai, China (1993)212.

24.Sarras A and Kabelka, H, Meas Sci Technol, 5 (1994) 1382.

25.Pathak L, Palanichamy P and Selva Solomon, J Non-Dest Eval, 14 (1994)

11.

26.TRW L S I Products, Video A/D Converter, Model TDC 1007 PCS. Data book 1978.

27.Advanced Micro Devices, Inc. CMOS Memory Products Data Book, (1991).

28.Richard A Qinnel, FIFO Memories, EDN Jan. (1991).

29.Migliori A, Visscher W M, Brown S E, Fisk Z, Cheong S W, Alien B, Ahrens E T, Kubat Martin К A, Maynard J D, Huang Y, Югк D R, Gillis K A, Kim H К and Chan MHW, Phys Rev B, 41 (1990) 2098.

30.Maynard J D, J Acoust. Soc Amer, 91 (1992) 1754.

31.Miliori A, Sarrao J L, Visscher W M, Bell T M, Ming Lei, Fisk Z and Leisure R G, Physica B, 183 (1993) 1.

32.Ehrlich M J and Wagner J W, Proc Con Hologram Interferometry and Speckle metrology, Baltimore, MD, Nov. 1990.

33.Goto T and Anderson O L, Revi Sci Instrum., 59 (1988) 1405.

34.Kuokkala VT and Schwarz RB, Revi Sci Instrum, 63 (1992) 3136.

35.Maynard J D, Phys Today, 49(1) (1996) 26.

36.Lei M, Sarrao J L, Visscher W M, Bell T M, Thompson J D, Migliori A, Welp U Wand Veal B W, Phys Rev B, 47 (1993) 6154.

37.Whittingtom K R, Electrodynamic Probes-Principles, Performance and Applications, Bristish J NDT, (1981) 127.

38.Krautkramer J and Krautkramer H, Ultrasonic Testing of Materials, Narosa publishing House, Delhi (1993).

39.Szilard J (Ed), Ultrasonic Testing Non-Conventional Testing Techniques, John Willey and Sons, New York, (1982).

40.Birks A S, Green (Jr) R E and Mclntire P (Ed), Non-Dest Testing Hand Book, Vol 7, American Society for NDT, (1991).

41.Silk M G, Ultrasonic Transducers for Non-Destructive Testing, Adam HilgerLtd., Bristol, (1984).

42.Monchalin J P, IEEE Trans Ultrason Ferroelectric and fre Control, UFFC-33 (1986) 485; Wagner J W, Nondestructive Test Eval, 7 (1992) 107.

43.Philip J et al, Pico Laser Applications in Materials Science and Industry (LAMI-1997) Kalpakkam.

44.E 664-78 (Reapproved 1989), Annual Book of ASTM Standards, Vol 03.03, 1979, PP 273-275.

45.Palanichamy P, Joseph A and JayakumarT, Insight, 36(11) (1994) 87.

46.Rajendran V, Palanivelu N, Palanichamy P, Jayakumar T, Baldev Raj and Chaudhuri B K, J Non-Cryst Solids, 296 (2001) 39.

47.Truell R, Elbaum C and Chick В В, Ultrasonic methods in Solid State Physics. New York, Academic press (1969).

48.Palanichamy P, Subramanium С V and Baldev Raj, Brit J NDT, 31 (1989) 78.

ГЛАВА 5

ОБЩИЕ И ПРОГРЕССИВНЫЕ

СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ

УЛЬТРАЗВУКА

5.1.Введение

Впредыдущих главах рассматривались фундаментальные концеп­ ции, источники ультразвука, разнообразные принципы и инстру­ ментарий обнаружения наряду с различными типами преобразо­ вателей и материалов. Предыдущие главы позволяют вникнуть в суть обширной области науки и технологии ультраакустики.

Сравнительно с другими методами, существующими на сегод­ няшний день, ультраакустика широко применяется во всех облас­ тях. Это обусловлено ее широкими возможностями, появлением передовой электроники, инновациями в сенсорных технологиях, доступностью компьютеров, методиками обработки сигналов и изображений, улучшением чувствительности обнаружения, что позволяет получать количественную характеристику дефектов и оцениватьмикроструктурноестарение материала. Ультразвуковые методы уникальны. Они находят широкое применение и исполь­ зуются во всех областях [1-4].

Потенциал применения ультразвука обусловлен следующими свойствами ультразвуковой волны:

(I)Волна проходит короткое или длинное расстояние в среде при выборе соответствующей частоты и интенсивности.

(II)Она движется как вполне определенный звуковой луч. (III) Ее скорость постоянна в гомогенной среде.

(IV) Возможно множество режимов колебания, которые удов­

летворяют требованиям различных вариантов применения.

(V) Имеет место прямое взаимодействие волн с материалами, что играет важную роль в изучении молекулярного взаимодейс­ твия, характеристик материалов и т.д.

(VI) На высоких частотах длина волны мала, что приводит к более высокому разрешению в дефектоскопии.

(VII) Она подвергается отражению и рефракции на поверх­ ности, что помогает оценить упругие и физические характеристи­ ки среды.

Нижеприведенная схема (рис. 5.1) дает четкую картину потен­ циала применения ультразвука в различных областях.

5.2. Классификация применений ультразвука

Рис. 5.1. Применение ультразвука вразличных областях

Применение ультразвука классифицируется в соответствии с дву­ мя факторами: интенсивностью и частотой.

Так, существуют (I) низкочастотные методы, связанные с вы­ сокой интенсивностью, (И) высокочастотные, связанные с низ­ кой интенсивностью. Для конкретного применения очень важен выбор частоты и интенсивности ультразвуковых волн. К примеру, для испытаний бетона, очистки, сварки, напыления, терапии, хи­ рургии частота ультразвуковых волн должна быть низкой, порядка килогерц, а интенсивность —очень высокой, порядка киловатт. Аналогично для таких исследований, как характеристика матери­

алов, дефектоскопия, подводная передача сигналов и т.п., требу­ ются ультразвуковые волны высокой частоты, порядка мегагерц, и в то же самое время очень низкой интенсивности, от нескольких микроватт до нескольких десятков милливатт.

Более того, ультразвук низкой интенсивности можно исполь­ зовать как инструмент для исследования свойств материалов или метод контроля. К прочим способам применения ультразвука от­ носятся измерения физических величин (положение, расстояние, скорость и т.д.), высоты уровня, температуры, давления, плотнос­ ти, состава.

Применение ультразвука в исследованиях молекулярного взаимодействия, характеристик материалов, неразрушающих ис­ пытаниях (NDT), медицинской и подводной акустике подробно обсуждается в главах с 6-й по 10-ю. Там же вы найдете краткое описание каждой из перечисленных областей. Однако специфи­ ческое и прогрессивное применение ультразвука в промышлен­ ности еще только развивается. Чтобы дать полную картину пер­ спектив применения ультразвука в различных областях, вкратце обсуждаются важные способы его использования.

(I) Низкая частота — использование ультразвука высокой ин­ тенсивности:

•Сварка;

•Очистка;

•Расходомеры;

•Пищевая промышленность;

•Испытания бетона;

•Измерения температуры и давления;

•Эхолот;

•Измерения длины.

(Н)Высокая частота: применение ультразвука низкой интен­ сивности:

•Индикатор уровня;

•Измерения толщины;

•Ультразвуковая микроскопия;

•Голография;

•Интеллектуальная обработка материалов;

•Измерение остаточного напряжения.

Применение ультразвука на различных уровнях промышлен­ ности, а также в других областях кратко рассматривается в следу­ ющих разделах.

5.3. Низкая частота — применение высокой интенсивности

Характер распространения ультразвуковой волны полностью за­ висит от природы среды. Затухание ультразвуковой волны опре­ деляется состоянием среды. Затухание также сильно зависит от частоты. Следовательно, применение высокой интенсивности возможно только при низких частотах (20—100 кГц). Некоторые способы применения ультразвука низкой интенсивности и высо­ кой частоты обсуждаются ниже.

5.3.1. Сварка

Ультразвуковая сварка (USW) [5—9] — это явление образования прочной металлургической связи между материалами, находя­ щимися в твердом состоянии, без их расплавления. Связь воз­ никает благодаря местному воздействию высокочастотной энер­ гии колебаний при соединении рабочих деталей под давлением. Ультразвуковая сварка используется для того, чтобы соединять внахлест металлические листы или фольгу, проволоки или лен­ ты и плоские поверхности, пересекающиеся или параллельные провода, а также производить другие виды соединений, которые можно выполнять на наковальне. В настоящее время ультразву­ ковая сварка снискала признание практически во всех областях: электронике, автомобильной и аэрокосмической промышлен­ ности и т.д. В следующих подразделах рассматриваются принцип работы, применение, достоинства и недостатки USW.

Принцип работы

Типичные компоненты, используемые в системе USW, показа­ ны на рис. 5.2. Система состоит из преобразователя частот, связки «преобразователь —сонотрод (связующая система)» и опор нако­ вальни. Электрическая энергия, необходимая для генерации час­ тоты, подается на преобразователь с помощью преобразователя частот. Преобразователь производит ультразвуковые колебания, которые передаются в обрабатываемое изделие через сонотрод.

Сонотрод — это акустический аналог термина «электрод», ис­ пользуемый в сварке. Сонотрод состоит из клина и якоря, как по­ казано на рис. 5.2. Наконечник сонотрода контактирует с одной из обрабатываемых деталей и передает ей энергию колебаний. Сжимающее усилие передается через якорь, который являет­