Определение оптимального размера и частоты пьезоэлектрического преобразователя для ультразвукового неразрушающего контроля бериллиевых слитков | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №16 (120) август-2 2016 г.

Дата публикации: 07.08.2016

Статья просмотрена: 139 раз

Библиографическое описание:

Асеев А. А. Определение оптимального размера и частоты пьезоэлектрического преобразователя для ультразвукового неразрушающего контроля бериллиевых слитков // Молодой ученый. — 2016. — №16. — С. 65-68. — URL https://moluch.ru/archive/120/33180/ (дата обращения: 20.08.2018).



При ультразвуковом неразрушающем контроле металлов необходимо руководствоваться заранее написанной методикой контроля, частью которой является определение оптимального размера и частоты пьезоэлектрического преобразователя. Для нахождения данных параметров было экспериментально получено значение коэффициента затухания ультразвука и его зависимость от частоты, произведен расчет уравнения ультразвукового тракта для различных размеров преобразователя. На основе полученных данных был выбран оптимальный размер и частота преобразователя, исходя из ряда стандартных датчиков.

Ключевые слова: дефект, пьезоэлектрический преобразователь, частота, уравнение акустического тракта

Е. Ф. Кретов в своей книге [3, с. 121] предложил уравнение акустического тракта для глухого отверстия с плоским дном, приняв за модель дефекта диск площадью s, при

)(1)

где: r – расстояние от излучателя до дефекта; – расстояние от излучателя до конца ближней зоны; – площадь излучателя; s – площадь отражателя; λ – длина волны; δ – коэффициент затухания; U – амплитуда зондирующего сигнала; – амплитуда сигнала, отраженного дефектом и принятого преобразователем.

(2)

и – амплитуды первого и второго донного импульса соответственно; h — толщина исследуемого образца; F — функция учитывающая дифракционные расхождения звукового пучка, зависящая от расстояния 2h, пройденного импульсом, и волнового размера преобразователя ka.

Для нахождения коэффициента затухания был проведен эксперимент, основываясь на методических указаниях [1, с. 17–25], [2, с. 11]. Цилиндрическая заготовка из бериллия с радиусом и толщиной равной 80 мм была прозвучена поочередно четырьмя прямыми преобразователями с частотой 1.25, 2.5, 5 и 10 МГц соответственно. Для более точного определения коэффициента затухания прозвучивание осуществлялось с торцевой поверхности в двух противоположных направлениях (рисунок 1).

dabff34b

Рис. 1. Схема прозвучивания экспериментальной заготовки

Для измерения затухания использовались преобразователи, параметры которых приведены в таблице 1.

Таблица 1

Диаметр ичастота преобразователей использованных вэксперименте

Преобразователь

Рабочая частота f, МГц

Диаметр пьезоэлемента, 2а, мм

П1

1.25

20

П2

2.5

12

П3

5.0

6

П4

10.0

6

При проведении расчетов значение скорости продольных волн вычислялось по формуле (3):

(3)

Где: H — толщина образца; t — время между первым и вторым донными отражениями.

Импульсный метод определения коэффициента затухания ультразвука основан на измерении изменения амплитуды импульса при прохождении некоторого расстояния. Чаще всего измеряются амплитуды сигналов, многократно отраженных от граней образца. На экране дефектоскопа будет наблюдаться экспоненциально уменьшающаяся последовательность импульсов (рисунок 2)

Рис. 2. Экспоненциально убывающая последовательность импульсов на экране дефектоскопа

Были измерены в децибелах амплитуды донных импульсов , а также время между первым и вторым донным отражением в 5 различных точках торцевой поверхности, аналогичная процедура была сделана и для противоположной поверхности.

По результатам измерения по формуле (2) были рассчитаны среднеарифметические значения коэффициентов затухания для различных частот ПЭП (таблица 2).

Таблица 2

Численные значения коэффициентов затухания иих случайных погрешностей при различных частотах ПЭП

Частота ПЭП, МГц

Затухание, Дб/м

1.25

3.0±0.6 ( = 13 %)

2.5

4.5±0.4 ( = 11 %)

5

6.1±0.6 ( = 9 %)

10

9.7±0.7 ( = 7 %)

Была оценена случайная погрешность:

(4)

Где коэффициент Стьюдента , при 10 измерениях и доверительной вероятности α = 0.95, равен 2.26.

Вычисления были произведены в программе Excel.

Рис. 3. График зависимости коэффициента затухания от частоты

Данная зависимость была использована в уравнении акустического тракта для определения оптимального размера и частоты преобразователя. С учетом того, что дефект находится на максимальном расстоянии от преобразователя — 80мм и является плоскодонным отверстием с диаметром 2 мм.

Рис. 4. Расчет уравнения акустического тракта для различных диаметров пьезоэлектрического преобразователя

На рисунке 4 для семейства кривых, соответствующих диаметру преобразователя 6, 10, 12 и 20 мм соответственно, максимум чувствительности достигается при частоте f = 8 МГц. Однако российский ряд стандартных датчиков имеет частоту f = 5 МГц или f = 10 МГц. Точками обозначены значения чувствительности для датчиков входящих в стандартный список.

Несмотря на то, что максимальная чувствительность достигается при диаметре преобразователя равным 20 мм, целесообразно взять размер меньше — для уменьшения размера ближней зоны и улучшения качества контроля.

Стоит отметить, что исходя из ГОСТ 20415–82 «Контроль неразрушающий. Методы акустические. Общие положения» [4, с.3] следует, что изделия с мелкозернистой структурой следует контролировать на частотах 2–5 МГц, следовательно, был выбран датчик с частотой 5 МГц и диаметром 12 мм. (П111–5-К12).

В данной статье был произведен расчет коэффициента затухания звуковых волн в бериллии, была определена его зависимость от частоты. На основе этого, используя уравнение акустического тракта, были получены значения чувствительности, которые были использованы для определения оптимальной частоты и диаметра пьезоэлектрического преобразователя.

Литература:

  1. Аббакумов К. Е. Ультразвуковой контроль полуфабрикатов и изделий из металлов: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Неразрушающий контроль в производстве и его организация» / К. Е. Аббакумов. СПБ.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001. — 36 с.
  2. Аббакумов К. Е. Ультразвуковые методы измерений и контроля: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Акустические методы и аппаратура неразрушающего контроля» / К.Е Аббакумов, СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000. — 28 с.
  3. Кретов Е. Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении. — 3 изд. — М.: СВЕН, 2007. — 296 с.
  4. ГОСТ 20415–82 «Контроль неразрушающий. Методы акустические. Общие положения» — Москва: Изд-во стандартов, 1982. — 5 с.
Основные термины (генерируются автоматически): акустический тракт, пьезоэлектрический преобразователь, частота, оптимальный размер, МГц, значение чувствительности, коэффициент затухания, диаметр преобразователя, ближняя зона, торцевая поверхность.


Ключевые слова

частота, дефект, пьезоэлектрический преобразователь, уравнение акустического тракта

Похожие статьи

Использование ультразвуковых волн для измерения расстояния до...

...преобразователи, которые преобразуют колебания электрического переменного напряжения или тока с заданной частотой в механические колебания пьезоэлемента (пьезоэлектрик). К числу материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом...

Разработка стандартного образца предприятия для...

Контроль производится прямым ультразвуковым преобразователем с частотой 5 МГц и диаметром 12 мм.

Где: с — скорость продольных волн в металле; f — частота ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя.

Влияние длительности возбуждающего сигнала на форму...

Улучшаются эксплуатационные характеристики приборов на основе пьезоэлектрических преобразователей: снижается мертвая зона, уменьшаются шумы, возрастает разрешающая способность, увеличивается мощность излучения.

Анализ применения метода акустической эмиссии для...

Для измерения акустических импульсов, Бокзар [6] использовал пьезоэлектрический широкополосный электроконтактный преобразователь серии WD

Карта оснащена датчиком с эталонной максимальной частотой, регулируемой в диапазоне от 8 до 21 байта и 100 МГц.

Построение АРД-диаграммы в программе Mathcad | Молодой ученый

Коэффициент затухания звука на заданной частоте равен 6 Дб/м.

Для начала необходимо задать ряд размеров выявляемых дефектов (d1-d8) и диаметр пьезоэлектрического преобразователя d.

Согласование на тракте измерительной установки с открытым...

0.1 Вт (среднее значение). Размеры волновода.

Р2М-18А. Диапазон рабочих частот. 10 МГц... 20 ГГц. Дискретность установки частоты, Гц.

±1,0. Примечание: А — измеренные значения модуля коэффициента передачи.

Бесконтактные методы контроля толщины стенки изделия...

Использование пьезоэлектрических преобразователей требует подготовки поверхности для ввода

Действие электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМА) основано на

Работа в режиме отображения результатов измерений в виде цифровых значений или в...

Аэродинамическая труба АТ-11 СПбГУ: измерение...

Пьезоэлектрические датчики давления. Краткие обзоры по параметрам и анализу конструкций пьезоэлектрических преобразователей давления содержатся в работах [1, 9, 11, 12]. ФГУП НИИФИ [2], предлагает серию датчиков акустических давлений...

Возможность повышения чувствительности волоконного датчика...

Выражение (6.1) позволяет найти спектральный коэффициент поглощения путем либо измерения мгновенных значений интенсивности генерации на частотах γ1, γ2, γ3, во времена t1, t2 (при этом t = t2 — t1 должно быть меньше времени непрерывной генерации моды Тн)...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Использование ультразвуковых волн для измерения расстояния до...

...преобразователи, которые преобразуют колебания электрического переменного напряжения или тока с заданной частотой в механические колебания пьезоэлемента (пьезоэлектрик). К числу материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом...

Разработка стандартного образца предприятия для...

Контроль производится прямым ультразвуковым преобразователем с частотой 5 МГц и диаметром 12 мм.

Где: с — скорость продольных волн в металле; f — частота ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя.

Влияние длительности возбуждающего сигнала на форму...

Улучшаются эксплуатационные характеристики приборов на основе пьезоэлектрических преобразователей: снижается мертвая зона, уменьшаются шумы, возрастает разрешающая способность, увеличивается мощность излучения.

Анализ применения метода акустической эмиссии для...

Для измерения акустических импульсов, Бокзар [6] использовал пьезоэлектрический широкополосный электроконтактный преобразователь серии WD

Карта оснащена датчиком с эталонной максимальной частотой, регулируемой в диапазоне от 8 до 21 байта и 100 МГц.

Построение АРД-диаграммы в программе Mathcad | Молодой ученый

Коэффициент затухания звука на заданной частоте равен 6 Дб/м.

Для начала необходимо задать ряд размеров выявляемых дефектов (d1-d8) и диаметр пьезоэлектрического преобразователя d.

Согласование на тракте измерительной установки с открытым...

0.1 Вт (среднее значение). Размеры волновода.

Р2М-18А. Диапазон рабочих частот. 10 МГц... 20 ГГц. Дискретность установки частоты, Гц.

±1,0. Примечание: А — измеренные значения модуля коэффициента передачи.

Бесконтактные методы контроля толщины стенки изделия...

Использование пьезоэлектрических преобразователей требует подготовки поверхности для ввода

Действие электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМА) основано на

Работа в режиме отображения результатов измерений в виде цифровых значений или в...

Аэродинамическая труба АТ-11 СПбГУ: измерение...

Пьезоэлектрические датчики давления. Краткие обзоры по параметрам и анализу конструкций пьезоэлектрических преобразователей давления содержатся в работах [1, 9, 11, 12]. ФГУП НИИФИ [2], предлагает серию датчиков акустических давлений...

Возможность повышения чувствительности волоконного датчика...

Выражение (6.1) позволяет найти спектральный коэффициент поглощения путем либо измерения мгновенных значений интенсивности генерации на частотах γ1, γ2, γ3, во времена t1, t2 (при этом t = t2 — t1 должно быть меньше времени непрерывной генерации моды Тн)...

Задать вопрос