Акустическими характеристиками

При прохождении ультразвуковой волны из одной среды в дру гую с разным акустическим сопротивлением рс происходит от ражение некоторого количества энергии от границы. Отражение растет при увеличении разности акустических сопротивлений обеих сред. При наличии воздушного зазора между излучателем и контролируемым металлом ультразвуковая волна почти вся отражается и в него не входит. Для проникновения волны в металл на поверхность изделия наносят контактную жидкость (воду или масло).

Поверхностные волны обусловлены колебанием частиц со значительной амплитудой на поверхности тела и постепенным ее уменьшением при удалении частиц от поверхности. Если продольная волна падает перпендикулярно на плоскую границу раздела двух сред, обладающих различным акустическим сопротивлением, то одна часть ее энергии переходит во вторую среду, а другая отражается в первую. Доля отраженной энергии тем больше, чем больше разность акустических сопротивлений сред. Если продольная волна попадает на границу раздела двух твердых сред под углом, то отраженная и прошедшая волны преломляются и трансформируются в продольные и сдвиговые, распространяющиеся в первой и второй средах под различными углами. Законы отражения и преломления волн аналогичны законам геометрической оптики.

Углы, при которых исчезают те или иные волны, называют критическими углами. По мере увеличения угла падения продольной волны р, начиная с некоторого Ркр1, исчезает продольная преломленная волна С[ (а( = 90°), и контроль может осуществляться только преломленной поперечной волной. При дальнейшем увеличении р исчезает и поперечная преломленная волна — С[ (а, = 90°), что соответствует второму критическому углу Р 2 (см. рис. 6.20). Контроль только поперечной преломленной волной для системы оргстекло-сталь может происходить при расчетных р j в диапазоне 27...56°, что облегчает методику его проведения. Коэффициенты отражения и прохождения ультразвука зависят от соотношения акустических сопротивлений. С увеличением разности акустических сопротивлений двух сред увеличивается коэффициент отражения (обычно дефекты имеют резко отличное акустическое сопротивление среды и поэтому отражают У ЗК).

При контроле изделий из пластмассы и композитных материалов (см. § 3.2) иногда применяют акустический контакт через слой воздуха: воздушно-акустическую связь. Такой способ связи не употребляют при контроле металлов из-за большой разницы акустических сопротивлений и малом коэффициенте прозрачности (см. задачу 1.3.1). Разница волновых сопротивлений для воздуха и пластмассы существенно меньше, поэтому доля прошедшей в ОК акустической энергии достаточна для выполнения контроля.

Углы, при которых исчезают те или иные волны, называют критическими углами. По мере увеличения угла падения продольной волны р, начиная с некоторого Ркр1, исчезает продольная преломленная волна Cj (а,= 90°), и контроль может осуществляться только преломленной поперечной волной. При дальнейшем увеличении р исчезает и поперечная преломленная волна — Q (oct = 90°), что соответствует второму критическому углу Р 2 (см. рис. 6.20). Контроль только поперечной преломленной волной для системы оргстекло-сталь может происходить при расчетных р t в диапазоне 27... 56°, что облегчает методику его проведения. Коэффициенты отражения и прохождения ультразвука зависят от соотношения акустических сопротивлений. С увеличением разности акустических сопротивлений двух сред увеличивается коэффициент отражения (обычно дефекты имеют резко отличное акустическое сопротивление среды и поэтому отражают УЗК) .

При равенстве акустических сопротивлений ультразвуковая волна беспрепятственно проникает во вторую среду, а отраженная отсутствует. Чем больше разность акустических сопротивлений, тем больше интенсивность отраженной волны. Например, при переходе из стали в воздух коэффициент отражения практически равен 1, т.е. ультразвук полностью отражается.

Технология гибки, вальцовки, горячей и холодной штамповки, механической обработки указанных биметаллов существенно не отличается от технологии обработки монолитных сталей. Существенное отличие имеет сварка биметаллов, связанная с применением различных технологических процессов для соединения основного и плакирующего слоев. Стали этих слоев отличаются по химическому составу, физическим и механическим свойствам. При сварке происходит неизбежное перемешивание металлов плакирующего и основного слоев с образованием малопластичных структур, склонных к образованию трещин. Кроме трещин в сварных соединениях биметаллов возникают также дефекты типа пор, шлаковых включений, непроваров и несплавлений. Для сварки биметаллов используют три-четыре электрода различных марок. Сварной шов аппаратуры из биметаллов имеет сложную структуру, поэтому методика его ультразвукового контроля отличается от методики контроля сварных швов монометаллов [13—151. С ростом разницы акустических сопротивлений основного и плакирующего слоев при ультразвуковом контроле приходится учитывать также явления преломления, отражение и трансформацию волн на границе слоев. Исследования показали, что для биметаллов,

т — отношение акустических сопротивлений сред, т. е. ^~-Отсутствие отражения определяется выражением

Полную акустическую прозрачность пластинки, помещенной в среду с отличным от волнового сопротивления пластинки своим волновым сопротивлением Zcpi, согласно [1], [3], [4] и [5], [6], обеспечивает возникновение резонанса в исследуемом слое при условии (7) или (8). При этом резко уменьшается количество энергии, требующееся от генератора колебаний, что без особого труда можно зарегистрировать известными методами. Коэффициент отражения по интенсивности ультразвуковой волны R, согласно выводам Ре-лея [1], зависит как от акустических сопротивлений сред, так и от их геометрических размеров

При падении ультразвуковой волны на границу раздела двух сред в общем случае часть энергии ультразвуковой волны отражается, а часть — преломляется, проходит во вторую среду. Степень преломления падающей волны во второй среде определяется соотношением акустических сопротивлений сред (акустическое сопротивление представляет произведение плотности среды на скорость распространения ультразвука в ней). Чем больше разница акустических сопротивлений, тем больше интенсивность отраженной волны. Для отражения ультразвуковой волны от не-сплошностей в контролируемом металле необходимо, чтобы размеры несплошности были соизмеримы с длиной волны или больше ее. Если размеры дефекта меньше длины волны, то ультразвуковая волна огибает его.

где L, - P2c2/Pici - отношение удельных акустических сопротивлений сред. Коэффициент прохождения волны по амплитуде D^ равен

гии переходит во вторую среду, а часть энергии отражается в первую. При этом проходящая и отраженная волны будут того же вида, что и падающая. Отраженная энергия тем больше, чем больше разница акустических сопротивлений сред. При неровной поверхности раздела с неровностями более 0,1 мм наблюдается диффузное отражение (рис. 4.9).

Контроль физико-механических свойств материалов акустическими методами — одно из важнейших направлений неразрушающего контроля качества материалов, деталей, изделий и конструкций. Контроль основан на установлении взаимосвязи физико-механических, технологических, структурных характеристик материалов и изделий с акустическими характеристиками.

свойств материалов (величины зерна, модулей упругости, твердости, текстуры, прочности и т. п.) основано на связи этих свойств с акустическими характеристиками материалов (скоростями распространения и коэффициентами затухания упругих волн, характеристическими импедан-сами и т. п.).

Абсолютную чувствительность дефектоскопа с конкретным преобразователем можно определить по образцу из материала . известными акустическими характеристиками, в котором выполнен искусственный отражатель. На образце находят положение преобразователя, соответствующее максимальной амплитуде эхо-сигнала от отражателя, и по аттенюатору определяют резерв

Данные методы основаны на корреляционной зависимости между структурой и механическими свойствами материалов, с одной стороны, и их магнитными и акустическими характеристиками, с другой. Такова, например, связь между твердостью углеродистых и низколегированных сталей и их коэрцитивной силой ас. Чем больше содержание углерода в сплаве, тем выше коэрцитивная сила. Но в различных структурных составляющих углерод в разной степени способствует увеличению коэрцитивной силы сплава: в меньшей степени, когда он находится в форме графита, сильнее — в перлите и мартенсите и наиболее сильно — в цементите. Зависимость между коэрцитивной силой и твердостью сталей 30X13 и 20Х17Н2 показана на рис. 1.62, а зависимость коэрцитивной силы и твердости стали ШХ15 от температуры отпуска —на рис. 1.63 159, 60].

Однако если случайные колебания давления совпадут с собственными частотами системы подачи или акустическими характеристиками камеры сгорания, то могут возникнуть периодические колебания с частотами, характерными для системы. Возникнув, они могут затухнуть, стабилизироваться или усилиться под влиянием процесса горения. Постоянное наличие колебаний внутрикамерного процесса обычно характеризуется как неустойчивое горение. Случайные пульсации могут налагаться на периодические колебания, как показано на рис. 92. Отсутствие периодических колебаний рассматривается как устойчивое горение.

Периодические колебания горения классифицируются в соответствии с поддерживающими их элементами конструкции двигателя. Частоты в диапазоне 10—200 Гц (низкочастотная неустойчивость) возникают в результате взаимодействия процесса горения и системы подачи топлива. Высокочастотная неустойчивость (выше 1000 Гц, за исключением очень больших камер сгорания) ассоциируется с акустическими характеристиками объема камеры. Промежуточные частоты обычно обусловлены гидравлическими и тепловыми явлениями в системе впрыска или механическими вибрациями двигателя. Сильные колебания (случайные или периодические) в камере сгорания обычно рассматриваются как нежелательные, поскольку они могут привести к возрастанию тепловых нагрузок на элементы двигателя и, таким образом, уменьшить его ресурс. По аналогии с классическими видами акустических колебаний в цилиндрическом объеме высокочастотная неустойчивость подразделяется на продольную, радиальную и тангенциальную. Случается и сочетание двух или трех видов. Тангенциальные высокочастотные колебания являются самыми разрушительными. Зачастую размах таких колебаний достигает величины среднего давления в камере, а тепловой поток в стенку возрастает при этом больше чем на порядок. Сохранение таких колебаний в течение 0,3 с обычно приводит к разрушению камеры сгорания.

Высокочастотная неустойчивость обычно зависит только от характеристик камеры и параметров внутрикамерного процесса, так как она возникает в результате взаимосвязи между процессом горения и акустическими характеристиками камеры. Таким образом, на нее влияют и свойства компонентов топлива, и геометрические параметры камеры сгорания. К свойствам топлива, играющим важную роль, относятся те, что связывают динамическую реакцию процесса горения с возмущениями в камере сгорания. Эта реакция определяется чувствительным к давлению временем запаздывания [30], которое зависит от летучести и самовоспламеняемости компонентов топлива, степени распыления, давления в камере сгорания и соотношения компонентов. Конструкция камеры сгорания не только определяет характерные акустические частоты, но и оказывает значительное влияние на разность АУ скоростей газа и капель компонентов топлива, определяющую скорости испарения. Наиболее чувствительной к возникновению высокочастотной неустойчивости является зона, где величина АУ минимальна, т. е. пространство вблизи смесительной головки шириной в несколько сантиметров [9]. Типичные кривые скоростей испарения приведены на рис.93.

Однако если случайные колебания давления совпадут с собственными частотами системы подачи или акустическими характеристиками камеры сгорания, то могут возникнуть периодические колебания с частотами, характерными для системы. Возникнув, они могут затухнуть, стабилизироваться или усилиться под влиянием процесса горения. Постоянное наличие колебаний внутрикамерного процесса обычно характеризуется как неустойчивое горение. Случайные пульсации могут налагаться на периодические колебания, как показано на рис. 92. Отсутствие периодических колебаний рассматривается как устойчивое горение.

Периодические колебания горения классифицируются в соответствии с поддерживающими их элементами конструкции двигателя. Частоты в диапазоне 10—200 Гц (низкочастотная неустойчивость) возникают в результате взаимодействия процесса горения и системы подачи топлива. Высокочастотная неустойчивость (выше 1000 Гц, за исключением очень больших камер сгорания) ассоциируется с акустическими характеристиками объема камеры. Промежуточные частоты обычно обусловлены гидравлическими и тепловыми явлениями в системе впрыска или механическими вибрациями двигателя. Сильные колебания (случайные или периодические) в камере сгорания обычно рассматриваются как нежелательные, поскольку они могут привести к возрастанию тепловых нагрузок на элементы двигателя и, таким образом, уменьшить его ресурс. По аналогии с классическими видами акустических колебаний в цилиндрическом объеме высокочастотная неустойчивость подразделяется на продольную, радиальную и тангенциальную. Случается и сочетание двух или трех видов. Тангенциальные высокочастотные колебания являются самыми разрушительными. Зачастую размах таких колебаний достигает величины среднего давления в камере, а тепловой поток в стенку возрастает при этом больше чем на порядок. Сохранение таких колебаний в течение 0,3 с обычно приводит к разрушению камеры сгорания.

Высокочастотная неустойчивость обычно зависит только от характеристик камеры и параметров внутрикамерного процесса, так как она возникает в результате взаимосвязи между процессом горения и акустическими характеристиками камеры. Таким образом, на нее влияют и свойства компонентов топлива, и геометрические параметры камеры сгорания. К свойствам топлива, играющим важную роль, относятся те, что связывают динамическую реакцию процесса горения с возмущениями в камере сгорания. Эта реакция определяется чувствительным к давлению временем запаздывания [30], которое зависит от летучести и самовоспламеняемости компонентов топлива, степени распыления, давления в камере сгорания и соотношения компонентов. Конструкция камеры сгорания не только определяет характерные акустические частоты, но и оказывает значительное влияние на разность АУ скоростей газа и капель компонентов топлива, определяющую скорости испарения. Наиболее чувствительной к возникновению высокочастотной неустойчивости является зона, где величина АУ минимальна, т. е. пространство вблизи смесительной головки шириной в несколько сантиметров [9]. Типичные кривые скоростей испарения приведены на рис.93.

Контроль физико-механических свойств материалов - одно из важных направлений неразрушающего контроля качества материалов, деталей, изделий и конструкций. Неразрушающий контроль позволяет перейти от выборочной проверки этих свойств на специально изготовленных образцах к их стопроцентному контролю на готовых изделиях без их разрушения или повреждения. Это повышает достоверность оценки качества продукции и сокращает расходы. Контроль акустическими методами основан на установлении взаимосвязи физико-механических, технологических, структурных характеристик материалов и изделий с акустическими характеристиками.