Принцип действия типового импульсного УЗ-дефектоскопа
Блок-схема типового импульсного УЗ-дефектоскопа приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Блок-схема типового УЗ-дефектоскопа
К дополнительным устройствам относятся глубиномер, аттенюатор, электронная лупа, автоматический сигнализатор дефектов и т.д.
Алгоритм работы дефектоскопа:
- Задающий генератор запускает УЗЧ-генератор и генератор развертки. Импульсы посылают один за другим через определенное время.
- Общий период 
, где пауза t больше продолжительности серии импульсовt, чтобы отраженные импульсы не попали
на преобразователь при излучении.
- Одновременно с запуском генератора на экране ЭЛТ появляется начальный (зондирующий) импульс. В период t отраженные
УЗ-колебания формируют сигналы на экране ЭЛТ.
При пропорциональности времени прохождения луча и пройденного пути для данного материала на экране трубки наблюдается диаграмма, по горизонтальной оси которой отложено время, пропорциональное глубине залегания дефекта, а по вертикальной – интенсивность отраженных от дефектов импульсов, зависящая от их размеров, глубины залегания и пространственного расположения.
Описание лабораторной установки
1. Лабораторная установка состоит из комплекта пьезопреобразователей, штангенциркуля и набора образцов исследуемых материалов.
2. В комплект пьезопреобразователей входят совмещенные прямые и наклонные пьезопреобразователи П-111-2,5-КН, П-121-1,25-40°-Н, П-121-5-400-H.
3. В качестве исследуемого образца (акустической нагрузки) используются стальной образец в форме параллелепипеда.
Программа работы
1. Ознакомиться с различными методами измерения скорости распространения продольных и поперечных волн в образцах.
2. Определить скорость распространения продольных волн.
2.1. Определить толщину образцаD с помощью штангенциркуля. Результаты пяти измерений занести в табл.1.
2.2. Измерить временной интервал t между первым
и вторым донными эхо-сигналами на экране дефектоскопа
с использованием преобразователей разной частоты.
Результаты пяти измерений t занести в табл.1.
2.3. Рассчитать по формуле (10) и занести в табл.1 значение скорости распространения продольных волн.
.(10)
3. Оценить суммарную погрешность определения скорости распространения продольных волн в образце.
4. Определить скорость распространения поперечных волн 2-мя способами для одного пьезопреобразователя и определить наилучший.
4.1. Способ 1. Измерить время распространения импульса в призме преобразователя с помощью стандартного образца.
. (11)
4.2. Определить расстояние, проходимое ультразвуком в образце используя формулу.
. (12)
где D – толщина образца;
l1 – расстояния от точки ввода излучения в образец в положении 1 преобразователя до поперечной грани образца.
4.3. Рассчитать по формуле (13) скорость распространения поперечных волн в исследуемом образце:
. (13)
4.4. Способ 2. Определить расстояния, проходимые ультразвуком
в образце, используя формулы (14) и (15).
, (14)
, (15)
где D – толщина образца;
l1, l2 – расстояния от точки ввода излучения в образец в положении 1 и 2 преобразователя до поперечной грани образца.
4.5. Измерить время распространения импульса в призме
преобразователя и образце (t1 и t2) для разных положений датчика
с использованием пьезопреобразователей разной частоты. Результаты измерений занести в таблицу.
4.6. Рассчитать по формуле (16) скорость распространения поперечных волн в исследуемых материалах:
, (16)
5. Определить скорость распространения поперечных волн в исследуемом образце наилучшим способом с помощью пьезопреобразователей различной частоты.
6. Оценить погрешность определения скорости распространения поперечных волн в образце.
7. Вычислить динамические упругие модули исследуемых
материалов по формулам (17), (18), (19)
, (17)
, (18)
(19)
где G – модуль сдвига, Па;
E – модуль Юнга, Па;
n – коэффициент Пуассона;
r – плотность материала, кг/м3.
Экспериментальная часть
Измерение скорости распространения продольных волн
Таблица 1. Результаты измерения скорости распространения продольных волн.
| Тип преобразователя | Номер измерения | t, 10-6 с | Толщина D, м | Сl, м/с | |
| Сталь | П-111-1,25-КН | 0,03 | |||
| 9,5 | 0,03 | ||||
| 9,89 | 0,03 | ||||
| П-111-10-КН | 9,89 | 0,03 | |||
| 10,5 | 0,03 | ||||
| 10,5 | 0,03 |
Скорость распространения продольной волны в стали равна 5850 м/с. Расчет проводим по приведенной формуле
.
Таблица 2. Расчет погрешности измерения.
| Номер измерения | Сl, м/с | Clср. | (Сl – Clср.)2 | Погрешность |
Расчет погрешности измерения проводим по формуле
при 
.
Определение относительных погрешностей:
Скорость распространения продольных волн в образце:
Измерение скорости распространения поперечных волн
Выбор наиболее точного способа измерения поперечных волн при помощи пьезопреобразователя П-121-2,5-400-H.
Способ 1.
Ct= 
tпр = 
L1= 
L1= 
= 0,043 м
t1= 37,6 мкс, t2= 112,12 мкс;
tпр = 
= 0,5 мкс;
Ct = 
= 3173,3 м/с
Способ 2.
Сt= 
L2 = 0,086 мм, L1 = 0,043 мм;
t1 = 55,56 мкс, t2 = 27,96 мкс;
Сt = 
= 3075,8 м/с
Табличное значение Сt =3220 м/с
Таким образом способ 1 оказался более точным. Измерения для остальных датчиков проводились 1-ым способом.
Таблица 3. Результаты измерения скорости распространения поперечных волн.
| Материал | |||||||||
| Сталь | № | t1, 10-6 c | t2, 10-6 c | tпр, 10-6 c | l,м | D,м | L,м | Ct, м/с | |
| П-121-1,25-400-H | |||||||||
| 52,53 | 129,28 | 14,1 | 0,03 | 0,03 | 0,042 | 3876,0 | |||
| П-121-2,5-400-H | |||||||||
| 37,6 | 112,12 | 0,5 | 0,032 | 0,03 | 0,044 | 3173,4 | |||
| П-121-5-400-H | |||||||||
| 40,40 | 114,48 | 3,36 | 0,035 | 0,03 | 0,046 | 2685,1 | |||
Определение относительных погрешностей:
;
;
;
Оценивая относительную погрешность выявили, что наиболее достоверные измерения получаются при использования датчика с частотой 2.5 МГц.
Суммарная погрешность определяется по формуле
при .
Таблица 4. Расчет погрешности значения поперечной скорости
| Номер измерения | Сt, м/с | Ctср. | (Сt – Ctср.)2 | Погрешность |
Известно, что плотность материала
ρсталь = 7800 кг/м3
Динамические упругие модули для исследуемых материалов вычисляются по формулам:
где G – модуль сдвига;
Е – модуль Юнга;
ν – коэффициент Пуассона;
ρ – плотность материала.
Таблица 5. Результаты расчета динамических упругих модулей
| Материал | П-121-1,25-400-H | ||
| Сталь | G, ГПа | E, ГПа | ν |
| 117,18 | 274,32 | 0,34 |
Таблица 6. Справочные значения динамических упругих модулей
| Материал | П-121-1,25-400-H | ||
| Сталь | G, ГПа | E, ГПа | ν |
| 0,30 |
Для определения наличия дисперсии построим график скорости поперечных волн в образце от частоты пьезопреобразователя.
Рисунок 5 – График скорости поперечных волн в образце от частоты преобразователя
На графике наблюдаем, что измеренная скорость поперечных волн в образце линейно зависит от частоты пьезопреобразователя, следовательно существует дисперсия.
Вывод
В ходе первой части лабораторной работы с помощью пьезоэлектрических преобразователей П-111-1,25-КН и П-111-10-КН был измерен временной интервал между первым и вторым донными эхо-сигналами. По формуле (10) рассчитано значение скорости распространения продольных волн в стальном образце. Полученное экспериментально значение скорости в пределах погрешности совпадает с табличным и является константой для данного метала.
В ходе второй части лабораторной работы мы измеряли скорость распространения поперечных волн двумя способами с помощью пьезоэлектрических преобразователей П-121-1,25-400-H, П-121-2,5-400-H П-121-10-400-H. Для проведения измерений был выбран первый способ, так как имел наименьшую погрешность. Для определения времени прохождения в призме был использован стандартный образец. При помощи датчика с частотой 2,5МГц получены наиболее точные значения скорости 
. Также были рассчитаны динамические упругие модули для исследуемого стального образца. Они отличаются от справочных значений, поскольку зависят от режима термообработки, а в справочнике приведены усредненные значения. Так же получили зависимость значения скорости поперечной волны от частоты датчика. Зависимость линейна, значит присутствует дисперсия, что является неудовлетворительным результатом, поскольку скорость распространения не должна зависеть от датчика, она зависит от материала.