Способ ультразвукового контроля изменения характеристик строительных конструкций Советский патент 1992 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано при контроле качества материалов бетонных и железобетонных конструкций с изменяющимися характеристиками с помощью ультразвуковых импульсных колебаний.

Известен способ ультразвукового контроля конструкций при испытаниях на изгиб, при котором пару преобразователей излучатель-приемник устанавливают в зоне максимального растяжения, фиксируют время прохождения продольной волны ti и строят зависимость изменения ti от изменения нагрузки Р. Начало изменения ti отмечается при нагрузках 10-30% от разрушающей, изменение времени ti в процессе микротрещи- нообразования около 5%.

На этом же принципе основан метод контроля и оценки трещиностойкости напорных железобетонных труб.

Известен способ контроля состояния жесткого аэродромного покрытия, использующий зависимость коэффициента затухания ультразвука в бетоне а от нагружения плиты.

Недостатком этого способа является низкая чувствительность информационного параметра а к изменению характеристик бетона под влиянием нагрузки.

При двустороннем доступе к конструкции возможно применение способа контроля железобетонных изделий на трещиностойкость, при котором измерение ведется двумя парами преобразователей,

Os Јь

ю

установленными на противоположных боковых поверхностях конструкций. По изменению разности времени ti между двумя парами фиксируют появление трещин.

Чувствительность этого метода не- сколько выше предыдущих, но также позволяет фиксировать изменение акустических характеристик только с начала активного микротрещинообразования.

Известен также метод контроля бетон- ных и железобетонных конструкций под нагрузкой на трехкратном измерении скорости ультразвуковых колебаний в опасном сечении конструкции в ненагруженном состоянии и при двух значениях нагрузки (20 и 60% от предполагаемой максимальной).

По изменениям скорости относительно первоначального значения и специальным графикам рассчитывается максимально допустимая нагрузка. В процессе всего цикла .измерений преобразователи приклеены к поверхности конструкции. В данном случае анализируется изменение одного параметра продольной волны - времени распространения ее в бетоне в пределах до 3%, таким образом ошибка измерений может быть достаточно высока.

Общим недостатком указанных мето- .дов является их низкая чувствительность к изменениям характеристик материалов вследствие использования в качестве информативного параметра единичной акустической характеристики акустического сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является ультразвуковой способ контроля изменения характеристик строительных материалов, использующий синфазное изменение двух составляющих характеристик (время рас- пространения ti и время нарастания переднего фронта TL продольной волны в импульсном сигнале) комплексного информационного параметра при изменении характеристик материала.

Чувствительность этого способа выше предыдущего, но информативные возможности акустического импульсного сигнала используются неполно.

Целью изобретения является повыше- ние чувствительности и точности неразрушающего контроля путем одновременного дополнительного измерения амплитудных характеристик принятого сигнала и использования в качестве информационного пара- метра, характеризующего изменение интегральных физико-механических и структурных характеристик материалов и конструкций комплексного коэффициента

относительной изменчивости импульсного сигнала Ки, определяемого из выражения

.ti.)(tNrtL)(td(-tMt}AMoA-,o Ui tofti7 o-t0)(M0-te)ftdo-tMo)Alv,;H1

где ti и to - время распространения ультразвуковых колебаний в конструкции в текущем и исходном состоянии соответственно;

tmi и tm0 время достижения первой полуволны принятых колебаний максимального значения в текущем и исходном состоянии соответственно;

tMi и tM0 время достижения огибающей амплитуд принятых импульсов колебаний максимального значения в текущем и исходном состоянии, соответственно;

tdo - момент времени, в который огибающая принятых импульсов колебаний в исходном состоянии достигает фиксированного уровня Ado,

Adi амплитуда огибающей принятых импульсов колебаний в текущем состоянии в момент времени tdi td + ti - to ;

AMI и Амд - максимум огибающей амплитуд принятых импульсов колебаний в те- кущем и исходном состоянии соответственно;

Ai| и AIO - амплитуда первой полуволны принятых колебаний в текущем и исходном состоянии, соответственно при нормировании максимума огибающей амплитуд принятых импульсов колебаний.

Такимхэбразом в коэффициенте Ки сочетаются параметры принимаемого сигнала, связанные со скоростью распространения колебаний в материале ti, с его спектральной характеристикой (tmi - ti) и с формой огибающей амплитуд принятых импульсов колебаний: (tMi-ti). AMI , Ац , Adi. При этом используется характер изменения временных и амплитудных параметров, скомпонованных в общий комплексный коэффициент относительной изменчивости параметров импульсного сигнала Китак, что при изменении физико-механических и структурных характеристик материала под воздействием нагрузки эти два вида единичных параметров импульсного сигнала изменяются одновременно в прртивофазе.

Например, при определении изменения характеристик конструкции поверхностным прозвучиванием в растягиваемой зоне в процессе роста напряжения растяжения и количества микротрещин происходит увеличение времени прохождения поверхностной волны в слое материала ti, времени достижения максимума огибающей TMI и

длительности нарастания переднего фронта импульса tmi - ti за счет смещения частотного спектра импульсного сигнала в более низкочастотную область. Одновременно с этим происходит изменение в ревербераци- онном процессе, соответствующее расползание огибающей амплитуд импульсов, т.е. увеличение величин (twi - ti) и уменьшение амплитуд AI и AM, особенно заметное при нормировании максимума огибающей AM к первоначальному значению. Это, в свою очередь, приводит к повышению чувствительности и точности предлагаемого информационного параметра к изменению характеристик материала по сравнению с другими акустическими способами контроля.

При контроле изменения характеристик материала, связанных с его твердением или уплотнением, используются преимущественно импульсы продольных волн.

При контроле изменения характеристик строительных конструкций под нагрузкой в качестве возбуждаемых и принимаемых импульсов ультразвуковых колебаний используют преимущественно импульсы поверхностных волн, а измерения проводят на участке конструкции в области максимальных напряжений.

В случае возможности двустороннего доступа к конструкции, находящейся в напряженном состоянии, измерения проводят на двух участках, напряжения в которых противоположны по знаку и максимальны по величине, а изменение характеристик, строительных конструкций определяют по изменению соотношения значений комплексных коэффициентов Ки, полученных на обоих участках.

Преимущество предлагаемого способа заключается в более полном использовании параметров импульсов ультразвукового сиг- нала, причем изменение временных и амплитудных параметров при изменении структурных характеристик материала обычно противофазной Кроме того, в качестве источника информации используются па- раметры поверхностных волн, распространяющихся в поверхностных слоях бетона толщиной до полутора длин волн. Таким образом, при установке пары преобразователей излучатель-приемник на конструкцию в зонах максимальных напряжений эТи волны распространяются именно в тех слоях материала, которые наиболее чувствительны к сжатию или растяжению,.т.е. к влиянию нагрузки.

Кроме того, при таком расположении преобразователей интенсивность поверхностных волн значительно выше, чем у про0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

дольных, что позволяет при неизменной мощности ультразвуковых приборов увеличить базу измерений относительно базы при измерении параметров продольных волн и, соответственно, объем вовлеченного в процесс измерений материала с изменяющимися характеристиками, что, в свою очередь, повышает чувствительность параметра, так как увеличивает вероятность изменения микроструктуры материала на трассе сигнала.

В случае возможности установки на противоположных поверхностях конструкции в зонах максимального растяжения и сжатия двух пар преобразователей с желательно одинаковыми базами измерений, возможно еще больше повысить чувствительность предлагаемого комплексного коэффициента относительной изменчивости к изменению характеристик материала. Для этого измеряют коэффициенты изменчивости Ки в каждой из этих зон, находят их t соотношение и по его изменению судят об изменении характеристик материала. Чувствительность повышается за счет противофазного изменения Ки в этих зонах под влиянием нагрузки,

На чертеже представлена осциллограмма принимаемого импульса колебаний и его измеряемые параметры.

Пример. Контроль конструкции под нагрузкой при одностороннем доступе.

- Пару ультразвуковых преобразователей излучатель-приемник закрепляют на поверхности исследуемой конструкции в зоне максимального растяжения или сжатия так, чтобы между преобразователями не было видимых нарушений структуры л не изменялись контактные условия преобразователей с поверхностью в процессе испытаний. При этом на электронно-лучевой трубке ультразвукового прибора формируется осциллограмма, приведенная на чертеже, со всеми характерными параметрами: ti - время прихода продольной волны ;tr-время прихода попереч- ной волны; ts -. время прихода поверхностной волны; tsm время достижения первого полупериода поверхностной волны максимального значения; tsj - время достижения заднего фронта огибающей амплитуд принятых импульсов фиксированного уровня от максимального значения; ISM - время достижения огибающей амплитуд принятых импульсов поверхностной волны, максимального значения; Ам - амплитуда огибающей принятых импульсов поверхностной волны; Am - амплитуда первого полупериода поверхностной волны; Ad - фиксированный уровень затухания огибающей принятых импульсов (например

.ЗАм.

Далее через определенное время действия нагрузки или после достижения нагрузки заданных уровней производят измерения всех вышеперечисленных параметров, определяют необходимые величины ( ts ml - tS| ) , (Ц Ml t Si ). ОТНОСЯТ ИХ К

исходным значениям, определяют комплексный коэффициент относительной изменчивости поверхностной волны в импульсном сигнале КИ| и по характеру его изменения судят об изменении характеристик материала конструкции. В данном примере при измерениях параметров сигнала необходимо учитывать ряд особенностей.

На практике нет смысла жестко разделять поверхностные волны на виды или вы- делять поперечные волны. В импульсном режиме все они находятся практически в одном временном диапазоне и, накладыва- ясь одна на другую, дают суммарный сигнал, который условно и принимается за сигнал поверхностной волны, т.е. приход поверхностной волны ts определяется по характерному излому кривой и резкому увеличению амплитуды части общей осциллограммы принятого сигнала и далее все точки осциллограммы считаются принадлежащими поверхностной волне, как превалирующей по интенсивности над остальными.

При проведении повторных определений изменившихся параметров необходимо обратить внимание на следующее обстоятельство. Под влиянием нагрузки и соответствен ного изменения напряженного состояния и микроструктуры поверхностных слоев материала конструкции изменяется форма огибающей сигнала поверхностной волны, поэтому для корректного определения амплитудных параметров сигнала амплитуда огибающей нормируется по первоначальному значению (при этом отмечается отношение амплитудных значений огибающей Ам(/Ам0 )

Дальнейшее увеличение числа временных и амплитудных параметров нецелесообразно, так как это приводит к значительному увеличению трудоемкости испытаний, не приводя к значительному росту чувствительности и точности измерений. Так, например, можно ввести в комплексный коэффициент временные и амплитудные параметры продольной волны L, но вследствие ее малой интенсивности и большого затухания при поверхностном прозву- чивании велика ошибка определения этих параметров.

Способы определения параметров и получение частной информации об изменении каждого параметра в относительной к исходному значению виде доступно для

оператора любой квалификации. Кроме того, в зависимости от вида материала, конструкции и условий испытаний количество единичных параметров может быть уменьшено после предварительного определения

чувствительности каждого из них к изменению характеристик материала в конструкции.

Формула изобретения

1. Способ ультразвукового контроля изменения характеристик строительных конструкций, заключающийся в том, что в исследуемой конструкции возбуждают импульсы ультразвуковых колебаний, принимают прошедшие через заданную базу

конструкции импульсы колебаний, измеряют временные параметры принятых импульсов колебаний и по комплексному параметру, включающему измеренные в исходном состоянии и в текущем состоянии

временные параметры импульсов колебаний, определяют изменения характеристик строительных конструкций, отличаю щ и й- с я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности контроля, дополнительно измеряют амплитудные параметры принятых импульсов колебаний, а изменение характеристик строительных конструкций определяют по изменению комплексного коэффициента Кит относительной изменчивости,

рассчитываемому из выражения

1 :Шм;--МА„0..А4с

ш

Mtmo-toHWle).AM;-A4;..Ad;- .

где ti, to - время распространения ультра- звуковых колебаний в конструкции в текущем ив исходном состоянии соответственно;

tmi и tm0 .- время достижения первой полуволны принятых импульсов колебаний максимального значения в текущем и в исходном состоянии соответственно;

Ш| и tM0 время достижения огибающей амплитуд принятых импульсов колебаний максимального значения в текущем и в исходном состоянии соответственно;

AMI и АМО максимум огибающей амплитуд принятых импульсов колебаний в те- кущем ив исходном состоянии

соответственно;

Ai| и Ai0 - амплитуда первой полуволны принятых импульсов колебаний, приведенная к АМО 1 в текущем и в исходном состоянии соответственно;

Adi - амплитуда огибающей принятых импульсов колебаний в текущем состоянии в момент времени td| td + ti. -10 ;

tdo - момент времени, в который огибающая принятых импульсов колебаний в исходном состоянии достигает фиксированного уровня Ado.

2. Способ по п.1, о т л имеющийся тем, что. с целью повышения чувствительности и точности контроля строительных конструкций под нагрузкой, в качестве возбуждаемых и принимаемых импульсов ультразвуковых колебаний используют преимущественно импульсы поверхностных ко0

5

лебаний, а измерения проводят на участке конструкции в области максимальных напряжений.

3. Способ по п,2. отличающийся тем, что дополнительно проводят измерения на втором участке конструкции, напряжения в котором противоположны по знаку напряжениям в первом участке и максимальны по величине, а изменение характеристик строительных конструкций определяют по соотношению значений комплексных коэффициентов относительно изменчивости Ки1, полученных на первом и на втором участках конструкции.

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего исследования материалов. Целью изобретения является повышение чувствительности и точности контроля строительных конструкций.В исследуемой конструкции возбуждают импульсы ультразвуковых колебаний. Прошедшие через заданную базу конструкции импульсы колебаний принимают и измеряют их временные и амплитудные параметры. Рассчитывают комплексный коэффициент относительной изменчивости, в который входят измеренные параметры, и по его величине определяют измене ние характеристик строительных конструкций. 2 з.п. ф-лы, 1 ил. Ё

ffnD

А, |

-

5М0