ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы ВОЗБУЖДЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ УПРУГИХ ВОЛН В ОБЪЕКТАХ КОНТРОЛЯ из "Акустическая диагностика и контроль на предприятиях ТЭК" Типы возбудителей и регистраторов упругих колебаний и волн весьма разнообразны. Даже при исследовании одного и того же объекта в разных условиях может оказаться целесообразным применение различных типов или конструкций преобразователей. [c.80] Используют следующие основные методы возбуждения колебаний механические, радиационные, лазерные, магнитные, магнитострикционные и пьезоэлектрические. Регистрацию колебаний осуществляют с помощью емкостных, лазерных, электромагнитных, магнитострикционных и пьезоэлектрических методов. Магнитострикционные и пьезоэлектрические методы позволяют создать обратимые преобразователи. Емкостный метод измерения колебаний имеет электростатический аналог их возбуждения, однако последний практически не применяется из-за низкой эффективности преобразования энергии электрического поля в энергию механических колебаний. [c.80] Механические возбудители колебаний известны давно и продолжают успешно использоваться в технике акустического контроля. Например, возбудители ударного типа применяют для изучения вибрационных характеристик элементов конструкций ядерных энергетических установок. Для калибровки акустико-эмиссионных преобразователей Национальным бюро стандартов США разработан метод, использующий упругие волны, возникающие за счет механического разрушения (раздавливания) стеклянного капилляра. [c.80] Общий принцип действия механических возбудителей заключается в том, что тело небольших размеров (шарик, ударник) однократно или периодически ударяет по поверхности объекта исследования. Возникающие при ударе упругие деформации распространяются от места удара в виде упругих волн с широким частотным спектром. [c.80] Для возбуждения упругих колебаний в активной зоне исследовательского ядерного реактора успешно использовали шарики, сбрасываемые на поверхность образца с некоторой высоты. Преимущества такого метода простота, возбуждение широкого спектра колебаний большой амплитуды, малое время контакта возбудителя (шарика) с исследуемым образцом (порядка долей миллисекунд), в результате чего даже при очень высокой температуре объекта шарик не успевает заметно нагреться. [c.80] Спектр динамических ударных напряжений приведен на рис. 4.1. Из него следует, что наиболее эффективно в данном случае возбуждаются колебания с частотами примерно до 100 кГц. Максимальная амплитуда смещений в точке возбуждения достигает 0,08 мм, что позволяет легко зарегистрировать колебания. Импульс, передаваемый образцу, с учетом потерь энергии на пластическую деформацию составляет немного менее 2mvo =0,98 10 Н с, т.е. является весьма значительным и легко может быть зарегистрирован преобразователями и устройствами интегрирующего типа, фиксирующими результат воздействия на образец. [c.81] В возбудителях подобного вида можно использовать периодические удары, а при очень большой частоте таких ударов может быть возбужден непрерывный акустический шум в широкой полосе частот. Для этого применяют в качестве ударяющих частиц песчинки или частицы порошка. Из формул (4.1)-(4.4) видно, что значение а близко к верхней граничной частоте возбуждаемых колебаний, до которой их спектральную плотность можно считать постоянной. Из (4.3) следует, что а 2(о,.д/ р) / К и увеличивается при уменьшении размера и плотности шарика р. Последнее достигается использованием песка или мелкодисперсного порошка. Например, при исследовании характера распространеьшя упругих волн в стенке корпуса реактора применяли источник, в котором мелкодисперсный порошок увлекался струей воздуха и поток частиц с силой разбивался о поверхность объекта исследования, создавая упругие волны с частотами до 1,5 МГц. Ясно, однако, что песчинки или частицы порошка имеют неправильную форму и различаются размерами, поэтому приведенные соотношения могут служить лишь для оценок с использованием среднестатистических размеров частиц. [c.81] Соотношения (4.9)-(4.11) могут быть использованы для вычисления параметров импульсов при образовании трека от одной частицы или потока частиц. В последнем случае вычисления существенно усложняются и становятся труднообозримыми. Характер сигнала качественно иллюстрирует рис. 4.3. [c.84] К его недостаткам следует отнести зависимость параметров упругих импульсов от состояния поверхности и термоупругих характеристик среды, низкую частоту следования импульсов, громоздкость и недостаточный ресурс работы оборудования. Часть этих недостатков может быть устранена, поэтому лазерный метод возбуждения в сочетании с бесконтактными методами регистрации колебаний (лазерной интерферометрией, электромагнитно-акустическим методом с регистрацией колебаний через воздух) считают перспективным для исследования высокотемпературных и труднодоступных объектов. [c.84] При генерации звука по термооптическому механизму возникающие упругие импульсы сходны с рассмотренными для радиационного возбуждения, однако поглощение энергии в оптически непрозрачных средах сосредоточено в очень тонком поверхностном слое. Чтобы избежать повреждения поверхности, плотность энерговыделения уменьшают расфокусировкой лазерного луча [52]. [c.85] Искровой метод возбуждения упругих волн в твердых телах обладает преимуществами, заключающимися в простоте оборудования и возможности получения мощных акустических импульсов с широким частотным спектром. [c.85] Электромагнитно-акустический метод основан на взаимодействии магнитного поля возбуждающего электромагнита с наводимым магнитным полем (в случае ферромагнитного объекта) или с магнитным полем вихревых токов (в случае электропроводящего неферромагнитного материала объекта). [c.85] Метод возбуждения колебаний через воздух малоэффективен из-за больших потерь акустической энергии при распространении звука по воздуху, низ -кой эффективности излучения колебаний в воздух, малого коэффициента прохождения звуковой энергии из воздуха в твердое тело. В связи с разработкой сравнительно эффективных излучателей и приемников, работающих на изгибных колебаниях, метод может оказаться перспективным при исследованиях и контроле тонколистовых материалов (фольг, бумаги и др.). [c.85] Бесконтактные методы регистрации упругих колебаний. К числу бесконтактных методов можно отнести емкостный, электромагнитно-акустический. [c.85] Емкостный метод целесообразно использовать в некоторых исследовательских работах, где необходимо точно измерить амплитуду колебаний от -дельных участков поверхности. Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, один электрод которого неподвижен, другой является поверхностью колеблющегося тела. Изменение зазора при колебаниях приводит к изменению емкости конденсатора, регистрируемому хорошо известными в радиотехнике методами. Простейшая схема включения емкостного преобразователя предусматривает наличие источника смещения Е и нагрузочного сопротивления, а также разделительного конденсатора, предотвращающего появление высокого потенциала на выходе схемы. Заряд на емкости С преобразователя равный Q = СЕ остается постоянным при не слишком медленных колебаниях емкости. [c.86] Оптические методы регистрации колебаний привлекательны в силу их бес-контактности и безынерционности, что позволяет дистанционно регистрировать сигналы с частотами до 10 Гц. Основной проблемой до сих пор остается сравнительно низкая чувствительность оптических методов, обычно на 4...6 порядков уступающая чувствительности пьезопреобразователей. Хотя предельная чувствительность лазерно-интерферометрических систем может дос -тигать 10 м, в обычных условиях измерение колебаний с их помощью становится невозможным при амплитудах внешних вибраций порядка 0,1 мкм, характерных для обычных лабораторных условий. Применением специальных мер удается снизить амплитуду вибраций на два порядка, однако с учетом подверженности интерферометрических систем воздействию внешних акустических шумов и атмосферных флуктуаций следует признать, что реальная чувствительность подобных систем существенно уступает чувствительности пьезоэлектрических и составляет около 10 м на частотах до 30 МГц. [c.87] Звуковые поля могут быть зарегистрированы с помощью фазо-и амплитудо-чувствительных волоконно-оптических датчиков. Такие датчики содержат источник света (лазер), оптико-волоконную систему, частично или полностью подвергаемую воздействию звукового поля, оптический детектор и схему обработки сигналов. Расщепленный луч лазера направляется на опорный и регистрирующий волоконно-оптические элементы. Звуковая волна изменяет фазу света в регистрирующем элементе, поэтому сдвиг фаз в двух элементах после сложения их выходных световых пучков приводит к изменению амплитуды. Сдвиг фазы обусловлен изменением длины элемента и показателя преломления волокна. При больших длинах чувствительного волокна (свиваемого в плоскую катушку) чувствительность подобных преобразователей в воде намного превосходит чувствительность пьезоэлектрических гидрофонов (рис. 4.5). Можно надеяться на эффективное использование волоконно-оптических преобразователей для регистрации акустических волн через воздух. [c.88] Положив в первом уравнении (4.12) dB = О (В = onst), получим Е = = (dT/ dS)e, т.е. Е имеет смысл модуля упругости при постоянной магнитной индукции в. Аналогично, при dS = О (S = onst) из второго уравнения следует 1 = dB / dH)s, т.е. д - магнитная проницаемость материала при постоянной деформации. Из первого уравнения следует, что = dTI dS)s, т.е. Xs характеризует приращение механического напряжения при увеличении индукции на единицу, величину Xs называют константой магнитострикции. [c.89] Магнитная проницаемость и константа магнитострикции зависят от намагниченности материала. Поэтому для более эффективной работы магнитострикционных излучателей задают постоянное смещающее магнитное поле, создаваемое пропусканием постоянного электрического тока через вспомога -тельную катушку или наложением постоянной составляющей тока на переменную составляющую в одной катушке возбуждения. Смещающее поле выполняет и другую функцию. При отсутствии смещения частота колебаний равна удвоенной частоте возбуждающего тока, так как магнитострикционный эффект не зависит от направления магнитного поля. При наложении смещающего поля результирующее поле меняется в некоторых пределах от максимального до минимального значения, не меняя направления. Поэтому результирующая деформация пульсирует около некоторого среднего значения с частотой, равной частоте возбуждающего тока. [c.89] Пьезомагнитные свойства материалов зависят от температуры, исчезая при достижении точки Кюри. Максимальные рабочие температуры пьезомагнитных сердечников должны быть на 100...200° ниже ее. Три металла, обладающие четко выраженными пьезомагнитными свойствами, имеют следующие точки Кюри железо - 768°С, никель - 358°С, кобальт - 1131°С. Из этих металлов в чистом виде для изготовления магнитострикторов используют только никель - мягкий технологичный материал. Для уменьшения вихревых токов сердечники из никеля изготавливают из тонкой ленты, пластин или труб. [c.89] Вернуться к основной статье