Акустические методы контроля
Акустическими методы называются потому, что основаны на ис-пользовании звуковых и ультразвуковых колебаний, которые харак-теризуются длиной волны, частотой и скоростью. Длина волны может изменяться от нескольких километров до долей миллиметров.
Разница между звуком и ультразвуком определяется только частотой колебаний. Звуковые колебания лежат в пределах слышимости человеческого уха; их частота находится в пределах от 16 до 16000 Гц. Звук, частота которого выше 16000 Гц, уже ультразвук.
Как звук, так и ультразвук — упругие колебания (упругие волны).
Существуют два типа упругих волн: продольные и поперечные. В ч е м разница между ними? Если частицы при колебании движутся в направлении движения волны как волны в воде, то такая волна называ-ется продольной. Если движение частиц перпендикулярно распростране-нию волны, то волна называется поперечной. Скорость распространения продольных волн примерно в два раза выше, чем поперечных.
Ультразвук свободно может проникать через такие твердые тела, как металл и бетон. В настоящее время ультразвук широко применяется в науке, технике и медицине.
Ультразвук требуемой частоты можно получить при помощи ультра-звуковых – электронных генераторов, снабженных преобразователями для передачи и приема ультразвука. Электронный генератор — это при-бор, который преобразует колебания электрического тока промышлен-ной частоты в механические колебания высокой частоты. Название этих генераторов определяется типом включенных на выходе генератора преобразователей (излучателей) — пьезоэлектрических или магнитострикционных. Термин “пьезоэлектрический” происходит от свойств некоторых кристаллов, например кварца, сегнетовой соли, титаната бария. Это свойство заключается в том, что если пластинку, вырезанную определенным образом из этих кристаллов, сжимать или разжимать, то на ее гранях будут возникать электрические заряды, противоположные по знаку. Чем сильнее сжатие или растяжение, тем больше будет заряд. Возникновение электрических зарядов на гранях пластинки под влиянием давления называется прямым пьезоэлектрическим эффектом, или, сокращенно, прямым пьезоэффектом.
Но пьезоэффект обратим. Если к такой пластинке подвести электри-ческий заряд, то она будет колебаться в такт с изменением знаков приложенного напряжения. Значит, если напряжение изменяется с ультразвуковой частотой, то пластинка начнет колебаться с такой же частотой.
Если приложенное переменное электрическое напряжение изменяется с частотой, которая равна собственной частоте колебаний кристалла, то в пластинке возникнет явление резонанса, и она будет совершать механические колебания. Колебание кварцевой пластинки под действием электрических зарядов называют обратным пьезоэлектрическим эффектом, или, сокращенно, обратным пьезоэффектом. Кристаллы, обладающие пьезоэффектом, называют пьезокристаллами.
Для изучения ультразвука используют обратный пьезоэффект, для приема — прямой пьезоэффект.
Принцип работы пьезоэлектрического генератора заключается в следующем. К пьезоэлектрической пластинке присоединены электроды электронного генератора высокой частоты. В такт изменени-ям частоты будет колебаться пластинка и в окружающей среде (напри-мер, твердое тело) будут возникать ультразвуковые волны. Если на пути их распространения расположить приемную пластинку, то в ней возникнут электрические заряды.
Заряды затем усиливаются обычным радиоусилителем и регистриру-ются на индикаторном приборе.
Магнитострикционный генератор ультразвука отличается от пьезо-электрического генератора частотой и тем, что на его выходе вместо пьезоэлектрического преобразователя присоединен магнитострикционный преобразователь ультразвука. Если частота пьезоэлектрического генератора 100 кГц и выше, то частота магнитострикционного генера-тора от 12 до 150 кГц.
Термин магнитострикционный происходит от двух слов: греческого “магнит” и латинского “стриктус” — сжатый. Итак, “магнитострикция” — это явление, при котором ферромагнитные материалы, такие, как, например, никель и т.п., помещенные в магнитное поле, изменяют свои геометрические размеры по длине.
Если сжимать или растягивать стержень из ферромагнитного мате-риала, то его магнитные свойства будут изменяться. Если намотать на него обмотку и продолжать его сжимать и растягивать, то в результате деформаций стержня будет изменяться его магнитное поле, а в обмотке возникнет переменный ток. Если же по обмотке стержня пропустить переменный ток, то в ней возникает переменное магнитное поле и стержень в такт с колебаниями тока будет периодически сжиматься и расширяться, т.е. совершать механические колебания, преимущественно в продольном направлении. Торец стержня при таких колебаниях излучает ультразвуковые волны.
Магнитострикционный эффект аналогично пьезоэффекту обратим. На его принципе изготовляют магнитострикционные преобразователи (излучатели и приемники).
Контроль качества бетона. По принципу измерения акустические методы могут быть следующих видов: резонансный, ультразвуковой импульсный и ударный. Они основаны на косвенном определении проч-ности бетона в зависимости от скорости распространения в нем звука (ультразвука).
Как говорит само название, резонансный метод основан на явлении резонанса. Для использования его при контроле качества бетона был разработан прибор — резонансный моДулемер. Он позволяет опреде-лить резонансную частоту бетонного образца, по которой вычисляют динамический модуль упругости. Этот модуль и характеризует прочность бетона в испытуемом образце.
Как же устроен резонансный модулемер? На нем показаны и составные части модулемера и принцип его работы. Модулемер состоит из звукового генератора, электродинамического громкоговорителя (его в обиходе называют “динамиком”), звукоснимателя (адаптера) и электронного осциллографа.
Чтобы определить резонансную частоту бетона, берут образец в виде призмы (балочки) и помещают его на эластичную подставку. Перед одним концом балочки помещают “динамик”. На второй конец уста-навливают звукосниматель так, чтобы иголка упиралась в бетон. Адаптер преобразует механические колебания в электрические. “Динамик” включен на выход звукового генератора, а адаптер соединен со входом электронного осциллографа, служащего индикатором. Включим зву-ковой генератор и подадим в “динамик” звуковые колебания опре-деленной частоты. При этом механизм “динамика” будет колебаться в такт с колебаниями, поступающими со звукового генератора, преобразуя электрические колебания в механические, которые будут воздействовать на бетон. Эти механические колебания и возбудят колебания, в бетонном образце. Чтобы выявить эти механические колебания, необходимо их преобразовать в электрические. Эту задачу выполняет адаптер. Электрические колебания, преобразованные адаптером из механических, попадают на усилитель электронного осциллографа, усиливаются и поступают на вертикально-отклоняющие пластины электроннолучевой трубки осциллографа. Изменяя частоту звукового генератора, можно добиться того, чтобы какая-либо из частот, наконец, совпала бы с частотой собственных колебаний образца. Это будет зафиксировано на шкале звукового генератора в момент, когда на экране осциллографа амплитуда будет иметь максимальное значение, что будет свиде-тельствовать о наступлении резонанса. Так определится резонансная частота испытуемого бетонного образца.
А дальше что? Какая зависимость и связь между резонансной частотой и прочностью? Прямой зависимости нет. Но если проверить резонансную частоту у целого ряда образцов и определить их модуль упругости, а затем разрушить их, определить их прочность, можно установить косвенуто корреляционную связь между этими параметрами. И в дальнейшем можно определять только резонансную частоту, не разрушая образцы.
Определяя резонансную частоту других образцов или изделий, можно только определить, совпадет ли она с каким-либо значением полученной табличной зависимости и таким образом узнать, какая прочность соответствует этой частоте.
Недостатком метода является то, что период колебаний, соответст-вующий резонансу, зависит от размеров образца. Поэтому табличные данные пригодны только для образцов такого размера.
Ультразвуковой импульсный метод получил свое название от способа создания колебаний в испытуемом бетонном образце: при ультра-звуковом импульсном методе с помощью пьезоэлектрического или магнитострикционного генератора создаются ультразвуковые колебания, при ударном методе возбуждаются звуковые колебания. Принимают колебания соответственно пьезоэлектрическим или магнито- стрикционным преобразователем. Принцип действия этих приборов основан на измерении времени (а значит и скорости) распространения звука (или ультразвука) в бетоне. В высококачественном бетоне эта скорость составляет для ультразвука 4500 – 4800 м/с.
При измерении времени распространения ультразвука (звука) в бетоне нам приходится иметь дело с очень малыми промежутками времени – микросекундами, т.е. миллионными долями секунды. Этот промежуток времени очень мал: представьте себе, что автомобиль, мчащийся со скоростью 120 км/ч, успевает пройти за одну микросекунду путь, равный всего лишь 0,03 миллиметра, т.е. толщине тончайшей папиросной бумаги!
Как же измерить микросекунды. Ведь обычные часы для этого не подойдут. И поэтому в качестве “часов” применяют электронно-лучевую трубку, такую же, как в телевизоре. Широкое дно баллона служит экраном, на котором возникают изображения переданного и принятого ультразвуковых импульсов, а также шкалой электронного циферблата. В узкой части трубки помещена так называемая “электронная пушка”, создающая электронный луч, который ударяется об экран. Но летящие электроны невидимы. Однако существуют вещества, которые светятся под ударами электронов. Таким веществом является, например, сернистый цинк; он дает зеленое свечение. Им и покрыто дно трубки. Поэтому там, где оканчивается электронный луч, образуется маленькое светящееся пятнышко.
Электронным лучом можно управлять с помощью двух пар электрически заряженных пластин. Одна пара расположена вертикально, а другая — горизонтально. Благодаря им можно заставлять электронный луч отклоняться влево или вправо, вверх или вниз. При перемещении электронного луча световой “зайчик” на экране тоже будет передвигаться. Так как электроны очень подвижны, то они реагируют на необычно короткие и быстро следующие друг за другом электрические импульсы. В этом и заключаются исключительные свойства электронно-лучевой трубки! Раз мы имеем возможность управлять движением электронного луча, то можно заставить его двигаться по экрану слева направо в течение определенного времени, например 1000 микросекунд, а затем возвращаться в исходное положение за 1 микросекунду. Затем снова он начнет плавно двигаться слева направо в течение того же времени и вновь возвратится в исходное положение и тд. Таким образом, электронный луч и его кончик — светлое пятно на экране – будет много раз проходить по одному и тому же пути наподобие стрелки часов. Только в отличие от “настоящих часов” электронный луч движется не по кругу, а по прямой линии вдоль шкалы циферблата, снабженного метками времени. С их помощью можно непосредственно отсчитать время между переданным и принятым ультразвуковым импульсами, изображения которых возникают над циферблатом. Но в ультразвуковой импульсный прибор кроме электронного микросекундомера входят еще генератор ультразвуковых импульсов, усилитель и передающий и приемный пьезоэлектрические преобразователи — передающий и при-емный щупы. Ультразвуковой генератор создает ультразвуковые колебания, которые через передающий щуп А подаются в бетон в виде механических колебаний. Пройдя через толщу бетона, эти колебания достигают приемного щупа Б, преобразующего механические колебания в электрические. Затем колебания подаются в усилитель, усиливаются и поступают на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. Одновременно с посылкой импульса в щуп А такой же импульс через специальное устройство поступает на горизонтальные пластины электронно-лучевой трубки. На экране этой трубки появится изображение двух импульсов: переданного непосредственно на ее отклоняющие пластины и прошедшего через бетон и принятого приемным щупом. Эти оба импульса будут находиться над шкалой наших электронных “часов”. Благодаря меткам времени на циферблате мы можем непосредственно отсчитать время прохождения ультразвуковых импульсов с одного конца изделия до другого конца.
В отличие от ультразвукового импульсного метода при ударном методе импульс создается электрическим молотком. Удар о поверхность бетона вызывает два вида звуковых волн — продольные и поперечные. Они могут быть восприняты приемниками звуковых колебаний. Чаще всего используют для этого магнитострикционные преобразователи. Время, в течение которого вызванный ударом импульс пробегает определенное расстояние, определяют по электронным “часам” — индикатору. Далее скорость распространения звука находят расчетным путем. В зависимости от того, испытывается ли конструкция по длине или по отдельным участкам, приемный и передающие щупы можно располагать по длине, толщине и по поверхности.
Итак, мы умеем определить скорость звука (или ультразвука) в бетоне. А нам нужно знать прочность!
Наблюдая за изменением скорости распространения ультразвука (звука) в бетоне, строители обнаружили одну важную особенность: чем больше прочность бетона, тем выше скорость распространения ультразвука (звука) в нем. Значит, скорость может быть критерием качества бетона! А как же ее связать с прочностью? В простейшем случае достаточно провести замеры скорости звука (ультразвука) в бетонах различных марок и составить таблицу приблизительной оценки качества бетона. Например, бетон, в котором скорость звука (ультразвука) выше 4500 м/с, признается отличным, т.е. высокопрочным; если эта скорость оказывается ниже 2000 м/с, то бетон считается плохим, т.е. имеющим низкую прочность. Можно, подвергая механическому испытанию кубики, предварительно испытанные ультразвуковыми методами, составить приближенную таблицу соответствия каждого значения скорости прохождения в бетоне звука (или ультразвука) его прочности. Конечно, такая классификация сугубо ориентировочная. Но тем не менее она может помочь предварительно установить, к какому диапазону прочностей можно отнести подлежащий испытанию бетон, не разрушая его.
Однако можно определить зависимость “скорость — прочность” не вообще для бетона, а для конкретных условий изготовления изделий и конструкций. Кривую такой зависимости можно построить по результатам ультразвуковых и механических испытаний контрольных образцов из бетона того же состава, изготовленного по той же технологии и при том же режиме тепловлажностной обработки, что и изделия или конструкции, подлежащие контролю. Затем образцы хранят до момента испытания в таких условиях, как сами изделия. Когда кубики-образцы готовы к испытаниям, то прежде чем раздавить на гидравлическом прессе, их “прозвучивают” с помошью ультразвукового импульсного аппарата и измеряют скорость распространения ультразвука в бетоне. После ультразвуковых испытаний акустическими методами кубики-образцы подвергают разрушению на прессе, а затем строят кривую “скорость—прочность”. По этой кривой возможно по измеренной скорости определить прочность бетона в контролируемых участках изделий и конструкций, измеряя скорость распространения ультразвука на этих участках. Значит, в условиях завода, сочетая ме-ханические методы с акустическими, можно производить сплошной контроль изделий и конструкций по “кубиковой” прочности. Совместное использование обоих методов контроля прочности бетона сделало контроль качества бетонных изделий и конструкций более надежным и не причиняющим вреда испытуемому изделию и конструкции. Их надо только “выслушать”, и испытание закончено.
А как быть с готовыми сооружениями, когда никаких кубиков нет! Можно ли непосредственно контролировать их прочность акустическими методами? Да, можно. В этом и заключается преимущество неразрушающих методов. В этом случае прочность в сооружениях определяют по скорости распространения звука, вычисляя динамический модуль упругости и учитывая объемную массу и возраст бетона. Точность таких измерений составляет ±18%.
Дефектоскопия бетона. Акустическими методами можно также выявить наличие трещин и пустот в бетоне исследуемых изделий и конструкций.
Для этого передающий и приемный щупы надо поставить на обе стороны испытуемого объекта. Переданный ультразвуковым генератором импульс будет распространяться по телу бетона с определенной скоростью. Если на своем , пути он не встретит препятствия в виде трещины или раковины, то он с той же скоростью дойдет до приемного пункта. Это будет зафиксировано индикатором времени. Если же на пути следования импульса окажутся препятствия, то импульс вынужден будет его обойти, а значит затратит больше времени! Увеличение времени распространения импульса будет сигналом наличия дефекта.
Чтобы определить однородности испытуемого изделия, т.е. нарушение сплошности, изделие разбивают на участки и устанавливают щупы по поверхности или с обеих сторон изделия. Затем измеряют время распространения звука (ультразвука) на этих участках. Большая продолжительность прохождения волн будет характеризовать плохое качество бетона в тех участках, которые мы измеряем. Резкие изменения результатов измерений времени и скорости позволяют судить о неоднородности, а постоянство показателей скорости — о равномерном качестве испытуемого бетона.
Бетон - Акустические методы контроля
Остались вопросы по теме - "Акустические методы контроля", задайте их на