СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В МАТЕРИАЛЕ Российский патент 2007 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может найти применение при определении коэффициента затухания продольных ультразвуковых (УЗ) колебаний в материале, а также коэффициента отражения от границы материала и пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП), например, при расчете акустических параметров при реализации метода многократных отражений (ревербераций) УЗ колебаний в многослойных конструкциях.

Известен способ определения коэффициента затухания продольных ультразвуковых колебаний в материале путем измерения амплитуды многократно отраженных импульсов УЗ колебаний с применением акустической задержки из иммерсионной среды (жидкости) или твердого материала (Ермолов И.Н. Методики измерения затухания ультразвука (Обзор). // Заводская лаборатория. - 1992 - №6 - с.28-29).

К недостаткам способа относится следующее:

1. Большая погрешность измерения, обусловленная тем, что при вводе импульсов УЗ колебаний образуются многократно отраженные импульсы УЗ колебаний в материале задержки, которые при совпадении во времени с импульсами в исследуемом материале дают ложные значения измеряемых амплитуд за счет интерференции УЗ колебаний.

2. Невозможность определения коэффициента затухания в металле на больших частотах порядка 5...10 МГц, в связи со значительным затуханием УЗ колебаний в материале задержки.

Известен способ определения коэффициента затухания продольных ультразвуковых колебаний в материале путем измерения амплитуды многократно отраженных импульсов УЗ колебаний с применением балластного пьезоэлектрического преобразователя (Ермолов И.Н. Методики измерения затухания ультразвука (Обзор). // Заводская лаборатория. - 1992 - №6 - с.27).

В известном способе определяют коэффициент отражения от границы материала и пьезоэлектрического преобразователя по снижению амплитуды импульса, отраженного от дна, при установке на донной поверхности балластного преобразователя, аналогичного по конструкции рабочему. Затем, зная коэффициент отражения, определяют коэффициент затухания по отношению амплитуд многократно отраженных импульсов.

Недостатки способа - большая погрешность определения коэффициента отражения, а вследствие этого, и коэффициента затухания, из-за практической сложности одновременного обеспечения надежного акустического контакта рабочего и балластного ПЭП с материалом и совпадения их акустических осей, а также необходимость наличия балластного ПЭП с акустическими характеристиками, идентичными рабочему ПЭП.

Известен способ определения коэффициента затухания продольных ультразвуковых колебаний в материале на двух образцах материала различной толщины, взятый нами в качестве прототипа (Ермолов И.Н. Методики измерения затухания ультразвука (Обзор). // Заводская лаборатория. - 1992 - №6 - с.26-27). На каждом из образцов получают донный импульс УЗ колебаний от границы материал - воздух (дна образца), которые регистрируют на экране дефектоскопа в виде эхо-сигналов. Измеряют амплитуды эхо-сигналов донных импульсов на каждом образце, по соотношению которых определяют коэффициент затухания.

К недостаткам способа относится то, что для достижения точности определения затухания в стальных изделиях 10% необходимо применять образцы с существенной разностью их толщины (до 500 мм).

Технической задачей изобретения является определение коэффициента затухания на объектах, из которых возможно изготовить образцы с малой разностью толщины (до 8-15 мм), что требуется, например, на стальных трубопроводах с толщиной стенки до 20 мм.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения коэффициента затухания продольных ультразвуковых колебаний в материале на двух образцах материала различной толщины, включающем последовательное введение импульсов ультразвуковых колебаний с помощью ультразвукового дефектоскопа и прямого пьезоэлектрического преобразователя в образцы материала перпендикулярно их поверхности, прием импульсов отраженных от донной поверхности каждого из образцов, преобразование импульсов в эхо-сигналы, измерение амплитуды эхо-сигналов и расчет коэффициента затухания по отношению амплитуд эхо-сигналов, согласно изобретению измерение амплитуды эхо-сигналов ведут, регулируя диапазон развертки дефектоскопа и регистрируя многократно отраженные импульсы ультразвуковых колебаний, которым присваивают порядковые номера, расчет коэффициента затухания выполняют по двум эхо-сигналам, измеренным на каждом из образцов, отношение амплитуд которых составляет величину не более 2:3 на каждом из образцов, а минимальный по амплитуде эхо-сигнал не менее чем в 2 раза превышает амплитуду шумов в электроакустическом тракте дефектоскопа, решают систему уравнений и определяют коэффициент затухания продольных ультразвуковых колебаний в материале и коэффициент отражения ультразвуковых колебаний от границы материал - преобразователь:

где m, n, k, s - номера импульсов, причем m>n, k>s;

- отношение амплитуд донных импульсов на первом и втором образцах соответственно;

r₁ и r₂ - толщины первого и второго образцов соответственно;

ϕ(m·r₁), ϕ(k·r₂), ϕ(n·r₁), ϕ(s·r₂) - функция ослабления донного импульса в результате расширения акустического поля преобразователя для толщины m·r₁, k·r₂, n·r₁, s·r₂ соответственно;

R_м-пэп - коэффициент отражения от границы материал-преобразователь;

δ - коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в материале.

Затухание ультразвука в материале зависит от коэффициента затухания 5 и расстояния, которое проходит ультразвуковой импульс. При введении УЗ импульса в образец материала на экране дефектоскопа можно наблюдать серию затухающих эхо-сигналов. Первый эхо-сигнал является результатом введенного импульса, отразившегося от донной поверхности образца и прошедшего путь, равный удвоенной толщине образца (2r, где r - толщина образца). Второй эхо-сигнал - результат последовательного отражения части энергии импульса от границ материал-преобразователь и материал-воздух (путь - 4r), путь третьего - 6r и т.д. Скорость затухания амплитуд эхо-сигналов преимущественно будет зависеть от коэффициента затухания и толщины образца.

В известном способе (прототипе) рассчитывают коэффициент затухания по отношению амплитуды первых эхо-сигналов, полученных на образцах разной толщины, т.к. для этого не нужно знать коэффициент отражения от границы материал - преобразователь. Однако в связи с малым коэффициентом затухания ряда материалов (например, для стали δ=5...50 дБ/м) для того, чтобы получить разность амплитуд, превышающую погрешность самих измерений, необходимо обеспечить значительную разность пути пробега импульсов применением образцов существенно различной толщины.

С этой же целью можно использовать отношение амплитуд эхо-сигналов, полученных в результате приема многократно отраженных импульсов (аналог), при этом можно использовать даже один образец, рассчитывая коэффициент затухания, например, по отношению амплитуд первого и третьего эхо-сигналов. Однако в этом случае появляется второе неизвестное - коэффициент отражения от границы материал -преобразователь R_м-пэп, т.к. импульсы будут отражаться повторно именно от нее, при этом соотношение амплитуд n- и n+1-го эхо-сигналов описывается уравнением:

где Ф - коэффициент, учитывающий неравномерность акустического поля преобразователя.

Оба неизвестных: коэффициенты отражения R_м-пэп и затухания δ, для данного вида материала и преобразователя (характеризуемого в том числе и рабочей частотой) являются величиной постоянной.

В заявляемом способе последовательно получают два уравнения на двух образцах. При этом разность толщины образцов может составлять для стали 8-15 мм, т.к. расчет ведется по отношению амплитуд эхо-сигналов от многократно отраженных импульсов. Затем из системы двух уравнений определяют сразу два неизвестных. При определенной настройке чувствительности дефектоскопа первые эхо-сигналы будут иметь амплитуду, соответствующую высоте экрана дефектоскопа, последние будут сравнимы с амплитудой шумов в электроакустическом тракте дефектоскопа. Очевидно, что для получения большей точности заявляемого способа необходимо учитывать в уравнениях эхо-сигналы, амплитуды которых различны и отношение которых составляет порядка 0,3...0,6.

Но при этом не следует учитывать в качестве минимального эхо-сигнал, амплитуда которого менее чем в 2 раза превосходит уровень шумов в электроакустическом тракте дефектоскопа, вследствие возможного влияния интерференции и, соответственно, изменения его действительной амплитуды.

Способ поясняется фиг.1-2, где на фиг.1 изображен экран дефектоскопа, показывающий вариант индикации эхо-сигналов от многократно отраженных импульсов ультразвуковых колебаний на первом образце, а на фиг.2 - соответственно на втором образце.

Способ реализуют следующим образом.

Устанавливают пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) последовательно на образцы материала различной толщины. Регистрируют на экране 1 дефектоскопа эхо-сигналы от многократно отраженных импульсов УЗ колебаний 2, которым присваивают порядковые номера и определяют отношение амплитуды двух эхо-сигналов на каждом из образцов. При этом эхо-сигналы выбирают таким образом, чтобы отношение их амплитуды составляло не менее чем 2:3, амплитуда минимального из этих эхо-сигналов не менее чем в 2 раза превышала уровень шумов в электроакустическом тракте дефектоскопа.

Коэффициент затухания материала и коэффициент отражения от границы пьезоэлектрический преобразователь - материал являются постоянными для образцов материала и определяют из системы двух уравнений:

где m, n, k, s - номера импульсов, причем m>n, k>s;

- отношение амплитуд донных импульсов на первом и

втором образцах соответственно;

r₁ и r₂ - толщины первого и второго образцов соответственно;

ϕ(m·r₁), ϕ(k·r₂), ϕ(n·r₁), ϕ(s·r₂) - функция ослабления донного импульса в результате расширения акустического поля преобразователя для толщины m·r₁, k·r₂, n·r₁, s·r₂ соответственно;

R_м-пэп - коэффициент отражения ультразвуковых колебаний от границы материал - преобразователь;

δ - коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в материале.

Пример.

Для контроля качества соединения полиэтиленового покрытия и стальной трубы методом многократных отражений (реверберации) УЗ колебаний, вводимых со стороны трубы, необходимо определить коэффициент затухания стали и коэффициент отражения от границы пьезоэлектрический преобразователь - сталь. Образцы изготавливают из труб толщиной 20 мм, размеры образцов 50×50×12 мм и 50×50×20 мм.

Применяют серийный УЗ дефектоскоп общего назначения УД2-12 и ПЭП П111-2,5-12-002. Устанавливают ПЭП на образец толщиной 12 мм через слой контактной жидкости (воды). Регистрируют многократно отраженные от поверхности металла эхо-сигналы 2 (фиг.1). Перемещением и вращением ПЭП находят такое его положение, при котором амплитуда первого эхо-сигнала максимальна. Корректируют чувствительность дефектоскопа регуляторами «АМПЛ» и «Ослабление dB», выставляя амплитуду первого эхо-сигнала на экране 1 на заданный уровень 3 - семь клеток разметки экрана. Регуляторами «Длительность развертки» и «Задержка развертки» устанавливают эхо-сигналы от многократно отраженных импульсов в пределах экрана 1. Присваивают порядковые номера эхо-сигналам 2. По показаниям экрана дефектоскопа определяют, что, например, отношение амплитуд эхо-сигналов №1 и №3 составляет величину не более чем 2:3, при этом амплитуда эхо-сигнала №3 более чем в 2 раза превышает уровень шумов 4 в электроакустическом тракте дефектоскопа, составляющий 0,6-0,8 клетки разметки экрана 1.

Эхо-сигналы №1 и №3, полученные на образце толщиной 12 мм, используют для определения коэффициента затухания, следовательно, m=3, n=1.

По показаниям экрана дефектоскопа определяют амплитуду эхо-сигналов и вычисляют их отношение:

Устанавливают ПЭП на образец толщиной 20 мм через слой контактной жидкости (воды). Регистрируют многократно отраженные от поверхности металла эхо-сигналы 2 (фиг.2). Перемещением и вращением ПЭП находят такое его положение, при котором амплитуда первого эхо-сигнала максимальна. Корректируют чувствительность дефектоскопа регуляторами «АМПЛ» и «Ослабление dB», выставляя амплитуду первого эхо-сигнала на экране 1 на заданный уровень 3 - семь клеток разметки экрана. Регуляторами «Длительность развертки» и «Задержка развертки» устанавливают все эхо-сигналы от многократно отраженных импульсов в пределах экрана 1. Присваивают порядковые номера эхо-сигналам 2. По показаниям экрана дефектоскопа определяют, что, например, отношение амплитуд эхо-сигналов №1 и №2 составляет величину не более чем 2:3, при этом амплитуда эхо-сигнала №2 более чем в 2 раза превышает уровень шумов 4 в электроакустическом тракте дефектоскопа, составляющий 0,6-0,8 клетки разметки экрана 1.

Эхо-сигналы №1 и №2, полученные на образце толщиной 20 мм, используют для определения коэффициента затухания, следовательно, k=2, s=1.

Рассчитывают ослабление донного сигнала ϕ(r) для толщины (в мм): m·r₁=3·12=36; n₁·r₁=1·12=12; k·r₂=2·20=40; s·r₂=1·20=20, при протяженности ближней зоны ПЭП П111-2,5-12-002 r_б=10,5 мм по известной методике [(Ермолов И.Н. Методики измерения затухания ультразвука (Обзор). // Заводская лаборатория. - 1992 - №6 - с.26):

ϕ(36)=0,42; ϕ(12)=0,75; ϕ(40)=0,4; ϕ(20)=0,67.

Подставляют полученные значения и решают систему двух уравнений с двумя неизвестными:

Определяют, что коэффициент затухания δ=5,83 дБ/м, коэффициент отражения R_м-пэп=0,95.

Способ позволяет производить определение коэффициента затухания на двух стальных образцах при небольшой разности толщины 8-15 мм и рассчитывать коэффициент отражения ультразвуковых колебаний от границы материал - преобразователь без проведения дополнительных измерений.

Использование: для определения коэффициента затухания продольных ультразвуковых колебаний в материале. Сущность: заключается в том, что осуществляют последовательное введение импульсов ультразвуковых колебаний с помощью ультразвукового дефектоскопа и прямого пьезоэлектрического преобразователя в образцы материала перпендикулярно их поверхности, прием импульсов, отраженных от донной поверхности каждого из образцов, регистрируют многократно отраженные импульсы ультразвуковых колебаний, которым присваивают порядковые номера, расчет коэффициента затухания выполняют по двум эхо-сигналам, измеренным на каждом из образцов, отношение амплитуд которых составляет величину не более 2:3 на каждом из образцов, а минимальный по амплитуде эхо-сигнал не менее чем в 2 раза превышает амплитуду шумов в электроакустическом тракте дефектоскопа, решают систему уравнений и определяют коэффициент затухания продольных ультразвуковых колебаний в материале и коэффициент отражения УЗ колебаний от границы материал - преобразователь. Технический результат: определение коэффициента затухания на двух образцах при небольшой разности их толщин, а также возможность определения коэффициента отражения ультразвуковых колебаний от границы материал - преобразователь без проведения дополнительных измерений. 2 ил.

Способ определения коэффициента затухания продольных ультразвуковых колебаний в материале на двух образцах материала различной толщины, включающий последовательное введение импульсов ультразвуковых колебаний с помощью ультразвукового дефектоскопа и прямого пьезоэлектрического преобразователя в образцы материала перпендикулярно их поверхности, прием импульсов, отраженных от донной поверхности каждого из образцов, преобразование импульсов в эхо-сигналы, измерение амплитуды эхо-сигналов и расчет коэффициента затухания по отношению амплитуд эхо-сигналов, отличающийся тем, что измерение амплитуды эхо-сигналов ведут, регулируя диапазон развертки дефектоскопа и регистрируя многократно отраженные импульсы ультразвуковых колебаний, которым присваивают порядковые номера, расчет коэффициента затухания выполняют по двум эхо-сигналам, измеренным на каждом из образцов, отношение амплитуд которых составляет величину не более 2:3 на каждом из образцов, а минимальный по амплитуде эхо-сигнал не менее чем в 2 раза превышает амплитуду шумов в электроакустическом тракте дефектоскопа, решают систему уравнений и определяют коэффициент затухания продольных ультразвуковых колебаний в материале и коэффициент отражения ультразвуковых колебаний от границы материал-преобразователь:

где m, n, k, s - номера импульсов, причем m>n, k>s;

- отношение амплитуд донных импульсов на первом и втором образцах соответственно;

r₁ и r₂ - толщины первого и второго образцов соответственно;

ϕ(m·r₁), ϕ(k·r₂), ϕ(n·r₁), ϕ(s·r₂) - функция ослабления донного импульса в результате расширения акустического поля преобразователя для толщины m·r₁, k·r₂, n·r₁, s·r₂, соответственно;

R_M-пэп - коэффициент отражения ультразвуковых колебаний от границы материал - преобразователь;

δ - коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в материале.