Menu

Акустические методы

Акустические методы основаны на регистрации параметров упругих колебаний, возбужденных в контролируемой конструкции. Колебания возбуждаются обычно в ультразвуковом диапазоне (что уменьшает помехи) с помощью пьезометрического или электромагнитного преобразователя, удара по конструкции, а также при изменении структуры самой конструкции вследствие приложения нагрузки.

[image]

 

Акустические методы применяют для контроля сплошности (выявления включений, раковин, трещин и др.), толщины, структуры, физико-механических свойств (прочности, плотности, модуля упругости, модуля сдвига, коэффициента Пуассона), изучения кинетики разрушения.

По частотному диапазону акустические методы делят на ультразвуковые и звуковые, по способу возбуждения упругих колебаний — на пьезоэлектрические, механические, электромагнитоакустические, самовозбуждения при деформациях. При неразрушаюЩем контроле акустическими методами регистрируют частоту, амплитуду, время, механический импеданс (затухание), спектральный состав колебаний. Применяют продольные, сдвиговые, поперечные, поверхностные и нормальные акустические волны. Режим излучения колебаний может быть непрерывным или импульсным.

В группу акустических методов входят теневой, резонансный, эхо-импульсный, акустической эмиссии (эмиссионный), велосимметрический, импедансный, свободных колебаний.

Теневой метод служит для дефектоскопии и основан на установлении акустической тени, образующейся за дефектом вследствие отражения и рассеяния акустического луча. Резонансный метод применяется для дефектоскопии и тол- щинометрии. При этом методе определяются частоты, вызывающие резонанс колебаний по толщине исследуемой конструкции.

Импульсный метод (эхо) используется для дефектоскопии и толщинометрии. Устанавливается отраженный от дефектов или поверхности акустический импульс. Эмиссионный метод (метод акустической эмиссии) основан на излучении волн упругих колебаний дефектами, а также участками конструкции при нагружении. Определяются наличие и место дефектов, уровень напряжений.

Велосимметрический метод основан на фиксации скоростей колебаний, влиянии дефектов на скорость распространения волн и длину пути волн в материале. Импедансный метод основан на анализе изменения затухания волн в зоне дефекта. В методе свободных колебаний анализируется спектр частот собственных колебаний конструкции после нанесения по ней удара.

При применении ультразвукового метода для возбуждения и приема ультразвуковых колебаний служат излучатели

[image]

Рис. 2.2. Конструкции'искателей и схемы их установки:

а — схема нормального искателя (излучателя или приемника колебаний); б — схема искателя для ввода ультразвуковых волн под углом к поверхности; в — схема двухэлементного искателя; г — соосное положение излучателей и приемников при сквозном прозвучивании; д — то же, диагональное; е — поверхностное прозвучивание; ж — комбинированное прозвучивание; 1 — пьезоэлемент; 2 — демпфер; 3 — протектор; 4 — смазка на контакте; 5 — исследуемый образец; 6 — корпус; 7 — выводы; 8 ■ - призма для ввода волн под углом; 9 — разделительный экран; 10 — излучатели и приемники ;

 

и приемники (или искатели). Они выполнены однотипно и представляют собой пьезопластину 1, помещенную в демпфере 2, который служит для гашения свободных колебаний и для защиты пьезопластины (рис. 2.2).

Ультразвуковые волны отражаются, преломляются и подвергаются дифракции по законам оптики. Эти свойства используют для улавливания колебаний во многих методах неразрушающего контроля. При этом для исследования материала в заданном направлении применяют узконаправленный пучок волн. Положение излучателя и приемника колебаний в зависимости от цели исследования может быть различным по отношению к изучаемой конструкции (рис. 2.2, г—ж).

Разработаны многочисленные приборы, в которых использованы перечисленные выше методы ультразвуковых колебаний. В практике строительных исследований используются приборы ГСП УК14П, Бетон-12, УФ-10 П, УЗД- МВТУ, ГСП УК-ЮП и др. Приборы «Бетон» и УК изготовлены на транзисторах и отличаются небольшой массой и габаритами. Приборы УК фиксируют скорость или время распространения волн.

Ультразвуковые колебания в твердых телах делятся на продольные, поперечные и поверхностные (рис. 2.3, а).

Существуют зависимости между параметрами колебаний

[image]

Рис. 2.3. Приборы и методы акустического контроля:

 

а — ультразвуковые продольные, поперечные и поверхностные волны; б, в — теневой метод (дефект вне зоны и в зоне прозвучивания); 1 — направление вибрации; 2 — волны; 3 — генератор; 4 — излучатель; 5 — приемник; 6 — усилитель; 7 — индикатор; 8 исследуемый образец} 9 — дефект

[image]

 

[image]

 

Таким образом, физико-механические свойства материала связаны с параметрами колебаний. В методах неразрушающего контроля используют эту взаимосвязь. Рассмотрим простые и широко применяющиеся методы ультразвукового контроля: теневой и эхо-метод.

Определение дефекта теневым методом происходит следующим образом (см. рис. 2.3, б): генератор 3 через излучатель 4 непрерывно излучает колебания в исследуемый материал 8, а через него — в приемник колебаний 5. В случае отсутствия дефекта 9 колебания воспринимаются приемником 5
[image] [image] [image]

Рис. 2.4. Методы акустического контроля:

а — эхо-метод без дефекта; 6 — то же, с дефектом; в определение глубины трещины; г — определение толщины; 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — отраженные сигналы; 4 — образец; 5 — посланный импульс;

6 — донный импульс; 7 дефект; 8 — средний импульс; 9 — трещина;

10 — полуволны

почти без затухания и фиксируются через усилитель 6 индикатором 7 (осциллографом, вольтметром). Дефект 9 отражает часть энергии колебаний, затеняя таким образом приемник 5. Принятый сигнал уменьшается, что свидетельствует о наличии дефекта. Теневой метод не позволяет определить глубину расположения дефекта и требует двустороннего доступа, что ограничивает его возможности.

Дефектоскопия и толщинометрия эхо-импульсным методом осуществляется так (рис. 2.4): генератор 1 через излучатель 2 посылает в образец 4 короткие импульсы, а ждущая развертка на экране осциллографа позволяет видеть посланный импульс 5. Вслед за посылкой импульса излучатель переключается на прием отраженных волн. Отраженный от противоположной стороны конструкции донный сигнал 6 наблюдают на экране. Если на пути волн находится дефект

  1. то отраженный от него сигнал поступает на приемник раньше, чем донный сигнал. Тогда на экране осциллографа виден еще один сигнал 8, свидетельствующий о дефекте в конструкции. По расстоянию между сигналами и по скорости распространения ультразвука судят о глубине расположения дефекта.

При определении глубины трещины в бетоне излучатель и приемник располагают в точках А и В симметрично относительно трещины (рис. 2.4, в). Колебания из точки А в точку В приходят по кратчайшему пути АСВ = V 4№ + а2;[image]

где V — скорость; 1Н — время, определяемое в опыте.

При дефектоскопии бетона с помощью ультразвукового импульсного метода используют сквозное прозвучивание и продольное профилирование. Оба метода позволяют обнаружить дефект за счет изменения значения скорости продольных волн ультразвука при прохождении через дефектный участок.

Метод сквозного прозвучивания можно применять и при наличии арматуры в бетоне, если удается избежать непосредственного пересечения трассой прозвучивания самого стержня. Последовательно прозвучивают участки конструкции и отмечают на координатной сетке точки, а затем и линии равных скоростей — изоспиды, или линии равного времени — изохоры, рассматривая которые можно выделить участок конструкции, на котором имеется дефектный бетон (зона пониженных скоростей).

Метод продольного профилирования позволяет вести дефектоскопию при расположении излучателя и приемника на одной поверхности (дефектоскопия дорожных и аэродром- н .IX покрытий, фундаментных плит, монолитных плит перекрытий и т. д.). Этим методом можно также определить глубину (от поверхности) поражения бетона коррозией.

Толщину конструкции при одностороннем доступе можно определить резонансным методом с использованием серийно выпускаемых ультразвуковых толщинометров. В конструкцию с одной из сторон непрерывно излучают продольные ультразвуковые колебания (рис. 2.4, г). Отраженная от противоположной грани волна 10 идет в обратном направлении. При равенстве толщины Н и длины полуволн (или при кратности этих величин) прямые и отраженные волны совпадают, что ведет к резонансу. Толщина определяется по формуле

[image]

 

где V — скорость распространения волн; / — резонансная частота.

 

[image]

Рис. 2.5. Приборы для контроля резонансным методом:

а — общий вид измерителя амплитудного затухания; б — схема определения частоты собственных продольных колебаний балки; в — схема определения частоты собственных изгибных колебаний балки; г — схема для испытания ударным методом; 1 — образец; 2, 3 — излучатель (возбудитель) и приемник колебаний; 4 — генератор; 5 —усилитель; 6 — блок регистрации частоты собственных колебаний; 7 — пусковая система с генератором счетных импульсов и микросекундомером; 8 — ударная волна

 

Прочность бетона можно определить при помощи измерителя амплитудного затухания ИАЗ (рис. 2.5, а), работающего с использованием резонансного метода. Колебания конструкции возбуждаются мощным динамиком, располагаемым на расстоянии 10—15 мм от конструкции. Приемник преобразует колебания конструкции в электрические, показываемые на экране осциллографа. Частоту вынужденных колебаний плавно меняют до совпадения с частотой собственных колебаний и получения резонанса. Частота резонанса регистрируется на шкале генератора. Предварительно строят калибровочную кривую для бетона испытываемой конструкции, по которой и определяют прочность бетона. Одновременно можно определить динамический модуль упругости Ел и коэффициент Пуассона [л: Ея = 4Рр& ^ ==/С('^г)2

где I — длина образца; р — акустическая плотность; /„ — частота собственных продольных колебаний; К — коэффициент, зависящий от формы образца (К = 0,5 — для ци

линдрического образца; К = 0,423 — для призмы с квадратным сечением); /пр, /кр — частоты собственных продольных и крутильных колебаний.

При определении частот изгибных, продольных и крутильных колебаний образец 1, возбудитель 2 и приемник колебаний 3 устанавливают в соответствии со схемами на рис. 2.5, б, е. При этом образец должен быть установлен на опоры стенда, частота собственных колебаний которого больше в 12—15 раз, чем частота собственных колебаний испытываемого элемента.[image]

Прочность бетона может быть определена ударным методом (рис. 2.5, г). Метод применяется при достаточно большой длине конструкции, так как низкая частота колебаний не позволяет получить большую точность измерений. На конструкцию устанавливают два приемника колебаний с достаточно большим расстоянием между ними (базой). Приемники через усилители связаны с пусковой системой, счетчиком и микросекундомером. После нанесения удара по торцу конструкции ударная волна достигает первого приемника 2, который через усилитель 5 включает счетчик времени 7. При достижении волной второго приемника 3 счет времени прекращается. Скорость V рассчитывается по формуле

V = — где а — база; I— время прохождения базы.

Прочность бетона определяется по градуировочному графику или по таблицам в зависимости от скорости V.

Весьма перспективным в дефектоскопии является метод акустической эмиссии (АЭ) (рис. 2.6). Основой этого метода является улавливание и усиление звуковых колебаний, излучаемых дефектами, а также смещающимися дислокациями при нагружении конструкции. О наличии дефекта судят по появлению сигналов акустической эмиссии, об уровне напряженного состояния — по интенсивности сигналов акустической эмиссии (число сигналов в 1 с). Аппаратура для акустической эмиссии включает приемник колебаний 1, систему усилителей и фильтров

  1. 3, отсекающих слабые сигналы, и регистрирующие приборы: динамик 5, осциллограф 6, счетчик сигналов в единицу времени 7, графопостроитель 9. Устанавливают определенный минимальный уровень сигнала (порог), выше которого аппаратура учитывает сигналы. Сигналы акустической эмиссии регистрируются слудующими способа-

[image]

Рис. 2.6. Метод акустической эмиссии:

а — принципиальная схема установки; б — график зависимости между уровнем напряжений а, скоростью V и количеством сигналов АЭ; в —- схема определения расположения дефекта методом АЭ; г — график зависимости между уровнем напряжений о в стали и интенсивностью п АЭ; 1 — приемник колебаний; 2 — предусилитель с фильтром; 3 — усилитель с фильтром; 4 — звуковой монитор; 5 — динамик; 6 — осциллограф; 7 — счетчик; 8 — преобразователь; 9 — координатный самописец (графопостроитель).

 

ми: записью на магнитную ленту, выводом числа сигналов на цифровое табло, выводом на динамик 5, в котором слышны характерные щелчки, интенсивность которых нарастает при развитии дефектов и приближении пластического состояния материала, на экран осциллографа 6, графопостроитель 9.

На рис. 2.6, б, г показаны зависимости между интенсивностью акустической эмиссии и уровнем напряжений. Метод акустической эмиссии позволяет с большой точностью определять координаты дефекта. Для этого устанавливаются несколько приемников колебаний. Координаты определяются на основании анализа разницы времени поступления сигнала акустической эмиссии на разные приемники (см. рис. 2.6, е). В современных приборах этот анализ выполняет ЭВМ, она же показывает через графопостроитель 9 места дефектов.

Радиационный метод неразрушающего контроля базируется на использовании проникающих излучений (рентгеновского, гамма-, бета-, нейтронного, позитронного) в контролируемом материале. Радиационный метод неразрушающего контроля применяется для определения ряда параметров (влажности, плотности, прочности материалов), для дефектоскопии и толщинометрии (табл. 2.2). Радиационный метод основан на использовании источника радиации и регистрирующего устройства, которое фиксирует наличие и места ослабления потока гамма-лучей или других излучений. Источником радиации для исследований строительных конструкций, как правило, являются гамма-лучи и поток нейтронов. Источник радиации помещается в свинцовыи контейнер с толщиной стенок не менее 5 см (рис. 2.7, а). При этом с целью выполнения требований охраны труда радиоактивность использованного изотопа должна быть не более 20 милликюри. Устройства для радиационного неразрушающего контроля имеют знак радиоактивной опасности.

[image]

[image]

Рис. 2.7. Приборы на основе ионизирующих излучений: а — схемы контроля плотности свежеуложенного бетона гамма-плотномерами; б — схема сквозного просвечивания; в — схема рассеянного излучения ири одностороннем доступе к объекту; 1 — излучатель; 2 — приемник излу- чеиии; - лучи; 4 — исследуемый материал; 5 — радиометр; 6 — индикатор

Применение приборов основано на ослаблении потока лучей при прохождении через материал, при этом металл ослабляет поток значительно сильнее, чем бетон. При определении влажности используется взаимодействие нейтронов с ядрами водорода, входящего в состав воды. Радиационные изображения могут быть зафиксированы многочисленными методами. Наибольшее применение в практике строительства нашли фотографический и ионизационный методы. Иногда применяется визуальный способ.

Для определения плотности свежеуложенного бетона применяются ручные гаммаплотномеры различной формы

[image]

Рис. 2.8. Применение радиационного метода:

а — дефектоскопия сварных швов; 6 — определение глубины расположения. дефекта; в — влияние ориентации тонкого дефекта; г — определение положения арматуры в бетоне; 1 — источник излучения; 2 — изучаемый материал; 3 — фотопленка в кассете; 4 — эталон чувствительности; 5 — дефект; 6 — арматура; 7,8 — последовательные отпечатки на пленке; 5; 5'; 5" — изменение ориентации дефекта; 1' — изменение положения источника излучения

 

(рис. 2.7, а). Гамма-излучение 3 от источника 1 проходит через бетонную смесь 4 и поступает на приемник 2, затем сигнал преобразуется и может быть прочитан на циферблате, градуированном в единицах плотности.

Плотность бетона в готовой конструкции может быть определена радиометром при сквозном просвечивании или при рассеянном излучении (рис. 2.7, б, е). Гамма-лучи 3, прошедшие через бетон 4, воздействуют на газовый катодный счетчик 5, 6. Сквозное просвечивание используется только при толщине бетона до 80 см. До испытаний необходимо построить проверочную кривую для определения плотности бетона. Для этого изготавливают 10—15 бетонных образцов размерами 15 X 40 X 70 см, имеющих разную плотность, взвешивают их, затем определяют интенсивность рассеянного излучения и строят кривую.

Рентгеновское и гамма-излучение успешно применяют для дефектоскопии сварных соединений (рис. 2. 8). Источник излучения / помещают на некотором расстоянии от сварного шва. По другую сторону шва устанавливают фотопленку в кассете 3. Рядом со швом устанавливают эталонную стальную пластинку 4 с проточками разной глубины, причем ее отпечаток также должен быть виден на фотопленке.

Наличие, форму и размеры дефекта 5 в плане устанавливают по затемненному участку на фотопленке. Толщина дефекта выявляется путем сравнения интенсивности затемнения изображения дефекта и эталонной пластинки (дефектометра). Глубина расположения дефекта определяется двойной экспозицией на одной фотопленке при смещении источника излучения (рис. 2.8, б):

[image]

 

где с, с', Р — см. на рис. 2.8, б.

Следует подчеркнуть, что ориентация дефектов (5, 5', 5") при их одинаковом размере оказывает большое влияние на интенсивность затемнения изображения. Тонкие дефекты, перпендикулярные направлению излучения, могут быть пропущены при радиационном контроле (рис. 2.8, в). Поэтому рекомендуется производить просвечивание в двух разных направлениях или дополнительно использовать ультразвуковой контроль.

Радиационный метод используют также для определения наличия, положения и диаметра арматуры в железобетоне (рис. 2.8, г). Для этого производят двойную экспозицию на фотопленку при измерении положения источника излучения. Зная величины Р, с, с, а', можно определить толщину защитного слоя Ь. Наличие и диаметр арматуры определяются аналогично выявлению дефекта в сварном шве при однократной экспозиции.

Интенсивное излучение используется в исследованиях для определения упругой составляющей деформированного металла, однако, погрешность этого метода сравнительно велика (порядка 10—20 МПа для стали).

    Оставьте свой комментарий

    Оставить комментарий от имени гостя

    0
    • Комментарии не найдены

    Последние материалы

    Заключение (Грунты)

    При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

    25-08-2013 Просмотров:3422 Грунты и основания гидротехнических сооружений

    Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

    На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

    25-08-2013 Просмотров:6484 Грунты и основания гидротехнических сооружений

    Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

    Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

    25-08-2013 Просмотров:3564 Грунты и основания гидротехнических сооружений

    Еще материалы

    Основные представления о фазовых превращ…

    Природные жидкости — это практически всегда растворы. Однако даже для чистых жидкостей до сих пор не создана достаточно полная физическая теория, подобная, например кинетической теории газов или зонной теории твердого...

    27-09-2011 Просмотров:4729 Электрические и упругие свойства криогенных пород

    Погрешности приближенных вычислений.

    Практически ни одно измерение не может быть произведено абсолютно точно; результаты геодезических измерений всегда будут содержать погрешности, т. е. являться приближенными значениями, которые используются как аргументы при вычислениях по соответствующим...

    12-08-2010 Просмотров:12609 Постоянное планово-высотное съемочное обоснование

    Приобщение

    Дорога петляет, постоянно поворачивая, неимоверно изгибаясь, при этом то набирая высоту – то снова скатываясь вниз, к просторам небольших болотец. Эта дорога словно бы и не была никогда построена, придумана...

    03-03-2011 Просмотров:3767 Комплексные географические характеристики