13.) Велосимметрический метод контроля. Основы методов, аппаратура, возможности и область применения.

В велосиметрическом методе используется зависимость скорости распространения например изгибных волн в пластине от толщины этой пластины. Наличие расслоения внутри какого-либо слоя или наличие зоны нарушения склейки между слоями может рассматриваться как резкое уменьшение толщины изделия. В таком месте скорость распространения изгибных волн, возбужденных вибратором, уменьшается, что отмечается приемником по изменению фазы волны в точке приема. При этом с увеличением толщины изделия фазовая скорость с возрастает, стремясь к скорости c_R рэлеевской волны (при f=const) (рисунок 20). Таким образом, велосиметрический метод по существу является фазовым методом. Работа ведется на частотах 20..70 кГц, посредством сухого контакта.

Излучатель и приемник могут располагаться на одной поверхности изделия на расстоянии l в несколько десятков мм друг от друга. Метод позволяет выявить дефекты площадью от 2 10^-4 до 15 10^-4 м² до максимальной глубины залегания 0,025 м.

Недостатком контроля при одностороннем доступе является наличие мертвой зоны, прилегающей к поверхности, противоположной поверхности ввода колебаний и составляющей 20..40% толщины изделия. В связи с этим целесообразно по возможности применять раздельные излучатель и приемник

Рисунок 20 – Зависимость скорости распространения волн от толщины пластины

продольных волн, располагая их соосно по обе стороны изделия (рисунок 21). Волна, встречая на своем пути дефект, огибает его и, проходя при этом больший путь, приходит к приемнику колебаний с отставанием по фазе по отношению к волне, прошедшей через бездефектный участок. Мертвая зона в этом случае отсутствует.

а)

б)

Рисунок 21 – Схемы реализации велосиметрического метода контрля

По сравнению с методом свободных колебаний велосиметрический метод более чувствителен и показания приборов более стабильны.

Для реализации велосиметрического метода серийно выпускаются приборы: УВФД-1, АД-10У и др.

Данный метод широко используется для контроля многослойных конструкций, в которых отдельные слои выполнены из неметаллических материалов (слоистых пластиков), обладающих гигроскопичностью и высоким значением .

14.) Акустический контроль физико-механических характеристик материалов (твёрдость и прочность материалов). Особенности методики и аппаратуры.

Акустические методы широко применяются для контроля таких физико-механических параметров, как: твердость материалов, прочность, модули упругости, степень текстурированности, структура (величина зерна) и т.д. Их применение основано на связи этих параметров с акустическими характеристиками материалов: скоростью распространения и коэффициентом затухания упругих волн, характеристическим импедансом и т.д.

Контроль твердости материалов:

Контроль и измерение твердости материалов выполняют посредством датчика в виде продольно колеблющегося стержня 1 (рисунок 23) с алмазным индентером на конце, который прижимают к объекту с постоянной силой. Глубина внедрения индентера с увеличением твердости уменьшается. При этом уменьшается площадь зоны контакта с объектом и, следовательно, увеличивается контактная гибкость K_K. При большом модуле механического импеданса z_H изделия в зоне контакта нагрузка на стержень определяется практически только упругим сопротивлением контактной зоны, т.е.

(20)

При этом собственная частота нагруженного стержня однозначно связана с z_K и, следовательно, с твердостью измеряемого объекта.

Рисунок 23 – Схема измерения твердости материала

Например, фирма «Даве инструмент» выпускает ультразвуковой твердомер «Сонодур». Он измеряет собственную частоту колебательной системы, приведенной в контакт с объектом. Колебательная система состоит из никелевого стержня с алмазной пирамидой на конце. Датчик включен в цепь измерительной части прибора, которая преобразует изменение частоты в электрический сигнал, по которому судят о твердости. Индикатор проградуирован в единицах твердости по Роквеллу с пределом HRC 20..70. Частота рабочая - 40 кГц.

По такому же принципу работает отечественный прибор АМ-311. Более точный прибор ПКН-66, к которому приложены образцы с заданной твердостью. Прибор может работать в автоматическом режиме.

Существуют методы контроля твердости по резонансной частоте образца и скорости распространения упругих волн в нем. При этом строится эмпирическая зависимость твердость - резонансная частота, по которой определяется искомый параметр.

Контроль прочности материалов:

Ультразвуковые методы контроля прочности основаны на зависимости прочности от акустических параметров материалов.

Рассмотрим, например, метод контроля прочности стеклопластиков.

Стеклопластики являются ортотропными материалами, прочность и упругие свойства которых зависят от направления армирующих волокон. Прочность стеклопластиков, применяемых для изготовления конструкций, проверяют импульсным методом на частотах 100..150 кГц. При этом измеряют два параметра материала - скорость звука с и коэффициент затухания . Искомую прочность определяют по формуле

(23)

где  - предел прочности; А и В - постоянные коэффициенты.

Способ реализуется следующим образом. Излучающий 1 (рисунок 25) и приемный 2 преобразователи устанавливают на поверхность стеклопластика. При этом расстояние между ними обычно составляет l₀=200 мм. Определяют скорость звука c=l₀/t. Для измерения затухания один из преобразователей устанавливают на расстоянии l₁=l₀/2. Измеряя с помощью аттенюатора изменение амплитуды принятого сигнала находят значение .

Рисунок 25 – Схема измерения прочности стеклопластика

По полученным значениям с и плотности  вычисляют модуль Юнга. Значение модуля находят по особой методике с учетом ортотропности стеклопластика. Коэффициенты А и В определяют на образце из этого же материала. Образцы разрушают, испытывая на прочность, и определяют ₁ и ₂ для направлений основы и утка.