Акустические методы
УДК 620.179.16
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ КОНТРОЛЕ
В. Н. Данилов, И. Н. Ермолов, А. А. Щербаков
Сравниваются различные способы определения частоты колебаний, на которых выполняется у. з. контроль. Показано, что полученные значения довольно сильно различаются, поэтому важно установить единообразную методику измерений, наилучшим способом учитывающую условия контроля.
Определение рабочей (эффективной) частоты эхоимпульсов преобразователей имеет большое значение в у. з. контроле, поскольку ее величина используется при построении АРД-диаграмм преобразователей [1], оценке значения частотно-зависимого затухания упругих волн в контролируемых объектах [2], расчете амплитуд сигналов от различных моделей дефектов [2, 3] и т. п.
В работе [4] рассмотрены два подхода определения эффективной частоты для прямых преобразователей: по эхоимпульсу и по его спектру. Отмечалось, что для таких преобразователей частота эхоимпульсов может существенно отличаться для различных акустических нагрузок, при этом различие частот, определяемых по импульсу и по его спектру (в максимуме), также могут весьма заметно различаться. В статье было предложено введение понятия эффективной частоты эхоимпульса, полупериод колебания для которой принимается равным длине полуколебания эхорадиоимпульса с наибольшей амплитудой.
В данной статье для наклонных преобразователей обсуждаются возможности использования различных подходов к определению частоты импульса на основе экспериментальных исследований и компьютерного моделирования электроакустического тракта дефектоскопа с наклонным преобразователем.
Экспериментальные импульсы и спектры для стандартных преобразователей ПРИЗ-Д5 П121 -1,8-50°-002, П121 -2,5-50°-002 и П121-5,0-50°-002 получены на компьютерной установке "Авгур 4.4". Отражателем являлась цилиндрическая полость диаметром 40 мм, центр которой располагался на глубине 30 мм от поверхности контроля в стальном образце. Изображения экспериментальных импульсов 0Э и спектров 5Э (в относительных единицах) для преобразователей с номинальными частотами 1,8; 2,5 и 5,0 МГц приведены соответственно на рис. 1а, б, 2а, бяЗа,б (для импульсов на оси абсцисс приведены абсолютные времена положения импульсов относительно зондирующего, их различие объясняется различием задержек в призмах преобразователей).
По полученным результатам для рассматриваемых моделей преобразователей были определены рабочие частоты /р с использованием трех методов: 1) как максимальная частота спектра; 2) по европейскому стандарту [8] как корень квадратный из произведения минимальной и максимальной частот сечения спектра на уровне 0,5 от максимума; 3) по периоду колебаний импульсов между наибольшим и следующим положительным максимумом. Эти результаты вместе с некоторыми дополнительными сведениями приведены в табл. 1.
Из таблицы следует, что наибольшие отличия между результатами, полученными различными методиками, наблюдаются для преобразователя на 5 МГц. Значения, полученные по методике, рекомендованной в европейском стандарте занижены. Определение рабочих частот тех же преобразователей с использованием интерференционной схемы измерений, описанной в работе [4], дало следующие результаты: для преобразо-
вателя с номинальной частотой 1,8 МГц — 1,74 МГц, с частотой 2,5 МГц — 2,52 МГц, а с частотой 5,0 МГц — 4,93 МГц. При этом относительная погрешность измерений на частоте 5 МГц не превышала 3 %, а на меньших частотах пропорционально уменьшалась. Из сравнения этих результатов с приведенными в табл. 1 видно, что для частот 1,8 и 2,5 МГц они весьма хорошо совпадают с полученными 1-ми 3-м методами, а для 5 МГц полученное значение лежит между этими величинами и достаточно далеко от значения по евростандарту.
Эхосигнал
Рис. 1. Экспериментальный импульс из (а) и спектр 5Э (б) для преобразователя П121-1,8-50°-002.
Представляет интерес вопрос, как влияют на спектр частот преобразователя и рабочую частоту импульса, определяемую указанными выше методами, различные факторы, в частности, демпфирование пьезоплас-тины. С этой целью был использован способ компьютерного моделирования электроакустического тракта дефектоскопа с наклонным преобразователем [5, 6].
Расчеты проводились для моделей преобразователей с углом ввода 50°, номинальными рабочими частотами 1,8; 2,5 и 5,0 МГц (толщины пьезопла-стин из ЦТС-19 выбирались соответственно равными 1,0; 0,72 и 0,36 мм),
соответствующими радиусами пьезопластин — 9; 6 и 3 мм. Предполагалось, что пьезопластины с одной стороны нагружены на призму из оргстекла (путь в ней предполагался равным 10 мм), а с другой — на демпфер, импеданс которого менялся: 4,5-10б кг/(м2-с) — для слабого, 9,0-10б кг/ (м2-с) — для среднего и 13,5-Ю6 кг/(м2-с) — для сильного демпфирования. Моделью отражателя служила та же цилиндрическая полость. Затухание поперечной волны в образце рассчитывалось для оценочного размера зерна 0,05 мм. Схемы включения преобразователей в электрические цепи при возбуждении и приеме (совмещенный режим) упругих волн приведены в работе [7], при этом полагалось Ь = 0; Я, = 20 Ом; к2 = 1000 Ом.
Эхосигнал
Рис. 2. Экспериментальный импульс £/э (а) и спектр 5Э (б) для преобразователя П121-2,5-50°-002.
Теоретически полученные на компьютерной модели импульсы Щ, для преобразователя с номинальной частотой 1,8 МГц приведены на рис. 4а—в соответственно для демпфера с импедансом 2,х = 4,5 • 106, 9,0-106 и 13,5-10б кг/(м2-с); для преобразователя с номинальной частотой 2,5 МГц — на рис. 6а—в; для преобразователя с номинальной частотой 5,0 МГц — на рис. 8а—в (для тех же значений импеданса демпфера).
Рис. 8г соответствует случаю среднего уровня демпфирования {2А = = 9,0 • 106 кг/(м2-с)) для преобразователя на 5 МГц и повышенного затухания поперечных волн в объекте (средний размер зерна принимался равным 0,075 мм вместо 0,05 мм в остальных случаях). Теоретические спектры для преобразователей с номинальными частотами 1,8; 2,5 и 5,0 МГц приведены соответственно на рис. 5; 7 и 9, где кривые 1 построены для слабого уровня демпфирования пьезопластины, 2 — для среднего, а 3 — для сильного; спектр 4 на рис. 9 соответствует импульсу на рис. 8г (среднее демпфирование с повышенным затуханием).
Эхосигнал
Рис. 3. Экспериментальный импульс иэ (а) и спектр 5Э (б) для преобразователя П121-5,0-50°-002.
Рабочие частоты /р, определенные с использованием трех указанных выше методик, приведены в табл. 2, из которой видно, что значения рабочей частоты преобразователя зависят от номинальной частоты, уровня демпфирования пьезопластины и методики определения, причем в целом результаты, полученные первой и третьей методиками, более близки, чем полученные по евростандарту (за исключением случая сильного демпфирования для пятимегагерцевого преобразователя). Затухание упругих волн в объектах вследствие поглощения и рассеяния, приводящее к преимущественному ослаблению высокочастотных составляющих спе-
ктра и деформации последнего, может значительно уменьшать рабочую частоту импульса, что следует учитывать при выборе параметров у. з. контроля.
Таблица 1
Рабочие частоты наклонных преобразователей, определенные различными методиками по результатам эксперимента на компьютерной установке "Авгур 4.4"
Номинальная частота преобразователя, МГц Рабочая частота/р, МГц, определенная:
1) по макс, спектра 2) по евростандарту 3) по 1 и 2 макс, импульса
1,8 1,75 1,64 1,78
2,5 2,50 2,38 2,53
5,0 4,80 4,56 5,33
В процессе анализа теоретически вычисленных импульсов было установлено, что видимая частота колебаний может меняться от начала к концу импульса, что особенно заметно для 5 МГц импульсов со средним и
-14,1
1,74
3,48 /, мкс
Рис. 4. Теоретический импульс и" для преобразователя с номинальной частотой 1,8 МГц и демпфера с импедансом: а — = 4,5 ■ 106; 6 — 9,0-106; в — 13,5-106 кг/(м2-с).
0,00
1,74
3,48
мкс
сильным демпфированием. Так, определение рабочих частот по временным интервалам, соответствующим 1-му, 2-му и 3-му периодам видимых колебаний для модели пятимегагерцового преобразователя при слабом демпфировании (между максимумами 1—2, 1—3 и 1—4, см. рис. 8а) дало значения 4,98, 4,97 и 4,85 МГц соответственно, а для модели с той же номинальной частотой при среднем демпфировании (см. рис. 8б) — 5,39; 5,17 и 5,11 МГц соответственно по 1-му, 2-му и 3-му периодам. Еще большее
различие имеют частоты, определенные по периодам колебаний, отсчитываемых между соседними нулевыми значениями в областях максимума им-
Рис. 5. Теоретические спектры Б/ для преобразователя с номинальной частотой 1,8 МГц и демпфера с импедансом: / — 2, = 4,5 • 1О6; 2 — 9,0-106; 3 — 13,5-106 кг/(мг с).
пульса и перед ним (см. рис. 8б, отмеченные точки а, б и в на нулевой оси). В этом случае рабочая частота, определенная по периоду видимых коле-
баний а—б составляет 3,80 МГц, а по периоду б—в — 4,92 МГц, то есть различие превышает 1 МГц (свыше 20 % от номинала).
Для экспериментальных импульсов определение частот по периодам колебаний, отсчитываемым между соседними нулевыми значениями в
1,62 г
1,35
1,08 -
& 0,81 0,54 0,27
0,00 0,20
1,80 3,40 /МГц
Рис. 7. Теоретические спектры для преобразователя с номинальной частотой 2,5 МГц и демпфера с импедансом: / — г„ = 4,5 ■ 106; 2 — 9,0-106; 3 — 13,5-106 кг/(мг с).
областях максимума импульса и перед ним (см. рис. За, отмеченные точки а, б и в на нулевой оси) показало, что частота, определенная по пери-
1,36 0,91 0,46 Ь 0,01 ^ -0,44
-в,89 "
2
3
<
-1,34 0,00
7,89 г
5,08
1,03
2,05
I, мкс
2,27 -0,54
2:1-
^ -3,36 -6,17
-8,98
щ
г, мкс
5,92 -
Дл-—
3,17 0,42 ^ -2,33
-5,08 -
0,00
1,03
2,05
-7,84
0,00
1,03
2,05 !, мкс
Рис. 8. Теоретический импульс и" для преобразователя с номинальной частотой 5,0 МГц
и демпфера с импедансом:
а — г„ = 4,5 ■ 106; б — 9,0-Ю6; в — 13,5-106; г — 9,0-Ю6 кг/(м2-с), повышенное затухание.
оду видимых колебаний а—-б, составляет 3,85 МГц, а по периоду б—в — 5,00 МГц, что весьма близко к полученным теоретическим путем.
Поскольку измеренные разными способами значения частот зн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.