Возбуждение и регистрация ультразвуковых колебаний сообщение
Обновлено: 08.07.2024
Поскольку воздушные прослойки препятствуют передаче и приему ультразвуковых колебаний, между преобразователями и исследуемым материалом наносят контактирующую среду. Для металла применяют обычно минеральное масло, для бетона и других материалов с неровной поверхностью необходимы смазки более густой консистенции - солидол, технический вазелин, эпоксидные смолы и t.д.
Ультразвуковые волны, переходя из одной среды в другую, преломляются, а также отражаются от граней, разделяющих эти среды, что используется для определения их распространения при данном методе контроля. В воздушных прослойках ультразвуковые колебания затухают почти полностью, что позволяет выявлять и исследовать скрытые внутренние дефекты: трещины, расслоения, пустоты и т.д.
Различают продольные и поперечные полны. В первом случае частицы материала колеблются по направлению ультразвукового луча, а во втором - перпендикулярно к нему. Используют также поверхностные волны, как продольные, так и поперечные, распространяющиеся лишь в поверхностном слое материала и позволяющие, например в металле, обнаруживать самые мелкие поверхностные повреждения. Скорость распространения волн (своя для каждого из указанных видов материалов) является одним из основных показателей при оценке физико-механических характеристик и состояний бетона, древесины и других материалов с переменными плотностью и влажностью.
Способы прозвучивания. По направлению ультразвуковых волн различают два основных приема прозвучивания.
Рис.1. Способы прозвучивания:
а - сквозное прозвучивание нормально в поверхности элемента;
б - диагональное прозвучивание; в - эхо-метод;
1 - прозвучиваемый элемент; 2 - излучающая пьезоэлектрическая пластинка; 3 - пьезопластинка, воспринимающая колебания; 4 - призма из оргстекла; 5 - направление прозвучивания; 6 - выявляемый дефект, 7 - теневая зона
По характеру излучения необходимо различать:
1)метод непрерывного излучения с подачей к излучателю колебаний переменного тока постоянной частоты; по такому принципу были разработаны первые дефектоскопы (С.Я. Соколов, 1928г.) для выявления дефектов в материале по направлению звуковой тени (рис. 1в);
Найди готовую курсовую работу выполненное домашнее задание решённую задачу готовую лабораторную работу написанный реферат подготовленный доклад готовую ВКР готовую диссертацию готовую НИР готовый отчёт по практике готовые ответы полные лекции полные семинары заполненную рабочую тетрадь подготовленную презентацию переведённый текст написанное изложение написанное сочинение готовую статью
Вариант 17 - ДЗ №1 - Задачи 1-2 "Динамика материальной точки" и 2-3 "Динамика вращательного движения"
3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Вопрос 10. Способы возбуждения ультразвуковых колебаний
Наибольшее распространение получил способ, основанный на явлении пьезоэлектрического эффекта. В 1880 г. французские ученые братья Пьер и Жак Кюри заметили, что деформация пластинки кварца вызывает появление на ее гранях электрических зарядов. Если на пластинку кварца нанести электроды и с помощью проводников подсоединить их к чувствительному прибору, то окажется, что при сжатии пластинки возникает электрическое напряжение. При растяжении пластинки также получается напряжение, причем той же величины, но противоположного знака.
Явление возникновения электрических зарядов на поверхностях пластинки при ее деформации называется прямым пьезоэлектрическим эффектом.
Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.
При сжатии пластины отрицательные группы 2 и 6 выдвигаются к плоскости А, и на этой поверхности появляется избыточный отрицательный заряд. У поверхности Б по такой же причине возникнет избыточный положительный заряд. При изменении направления деформации полярность заряда поверхностей А и Б меняется на противоположную.
Пьезоэффект является свойством кристаллов и связан с наличием одной или многих осей. Естественный кристалл кварца представляет собой весьма стабильный материал, как с химической, так и с физической точки зрения, и имеет высокую степень твердости. Кристалл кварца имеет форму шестигранной призмы, оканчивающейся пирамидоподобными сужениями на концах (рис. 5.17). Если провести линию, параллельную граням призмы, то эта линия определит оптическую ось кристалла (ось Z). Электрическая ось определяется линией, соединяющей противоположные углы шестигранной призмы - ось х, поэтому имеется три оси х в каждом естественном кристалле кварца (рис. 5.18). Ось у направлена перпендикулярно к каждой площадке призмы, этих осей в кристалле также три. Оси х и у перпендикулярны оси z.
Пьезоэффект наблюдается лучше всего в случае, когда пластинки вырезаны в плоскости, параллельной оси z и одной из осей у и перпендикулярны оси х. Такую пластинку называют х-срезом. Если пластинку, вырезанную таким способом, деформировать в направлении оси х, то на ее поверхности возникнут электрические заряды. Если пластину поместить в переменное электрическое поле, направленное вдоль оси Х то пластина будет совершать толщинные колебания (рис. 5.19)
Рекомендуемые материалы
ДМ1519 - Проектирование привода цепного транспортера с двухступенчатым цилиндрическим редуктором выполненным по развернутой схеме
РИС. 5.16. Пьезоэлектрический эффект: а - пластина свободна; б - пластина сжата;
в - пластина растянута
РИС. 5.17. Кристалл кварца
5.18. Изготовление пластины Х-среза
РИС. 5.19. Колебания пьезоэлектрической пластинки в переменном электрическом поле: а - х-срез; б - у-срез
В некоторых случаях изготавливают пластины Y-среза, то есть такие, которые вырезаны перпендикулярно оси Y и параллельно осям х и z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колебания (рис. 5.19). Пластинки Х-среза служат для возбуждения продольных, а Y-среза – поперечных волн.
Пластинки для преобразователей выполняют толщиной в половину длины волны в пьезоматериале.
Термоакустический эффект. Известно, что если нагреть поверхностный участок какого-либо тела, то другие участки этого тела приобретут повышенную температуру не сразу, а лишь спустя некоторое время. Неравномерное распределение температуры приводит к неравномерному тепловому расширению тела, к появлению термомеханических напряжений. Поскольку эти напряжения изменяются во времени, то в результате возникают акустические волны, формируемые слоем с изменяющейся температурой. В этом и заключается суть термоакустического эффекта.
Нагрев может осуществляться бесконтактно (индукционный нагрев) и даже дистанционно (нагрев лучом лазера), что дает возможность для бесконтактного возбуждения акустических колебаний в объекте контроля.
Электромагнитно-акустические (ЭМА) методы возбуждения и приема ультразвуковых колебаний основаны на явлениях магнитострикции, магнитного и электродинамического взаимодействия.
Магнитострикцией называется явление изменения геометрических размеров ферромагнитных материалов под воздействием изменяющегося внешнего магнитного поля. Обратный эффект называется магнитоупругостью.
Бесплатная лекция: "3 Некроз " также доступна.
РИС. 5.20. Схема простейшего ЭМА-преобразователя: 1 - магнит; 2 - катушка с переменным током; 3 - изделие
Бесконтактное возбуждение и прием ультразвуковых колебаний осуществляется за счет магнитострикционного и магнитоупругого эффектов, наблюдаемых непосредственно в контролируемом изделии. Схема ЭМА-преобразователя (ЭМАП) изображена на рис. 5.20. Магнитное взаимодействие заключается во взаимном притяжении и отталкивании ферромагнитного материала и проводника (катушки) с переменным электрическим током. Например, под действием постоянного магнитного поля изделие намагнитится. Катушка с переменным током будет притягиваться и отталкиваться от него в зависимости от направления образовавшегося в ней магнитного поля. Притяжение и отталкивание катушки будет оказывать обратное механическое воздействие на изделие, что приведет к возбуждению упругих колебаний на его поверхности. Возникающие при этом силы будут поверхностными, поскольку магнитный полюс образуется на поверхности изделия. Прием упругих колебаний будет происходить в результате того, что поверхность изделия будет приближаться и удаляться от катушки, изменяя в ней магнитное поле, что в свою очередь приведет к возникновению электрического тока в катушке.
Эффекты магнитострикции и магнитного взаимодействия позволяют возбуждать продольные ультразвуковые волны как в ферромагнитных металлах, так и в магнитодиэлектриках. При определенной взаимной ориентации поля подмагничивания и переменного поля эффект магнитострикции может обеспечить возбуждение поперечных волн. Электродинамический эффект обуславливает возбуждение волн разных типов в любых токопроводящих материалах. В ферромагнитных металлах, например в железе, наблюдаются одновременно все три эффекта, поэтому работу ЭМАП, использующих все три эффекта, рассматривают в целом. Благодаря указанным особенностям ЭМАП позволяют возбуждать в объекте контроля волны практически любых типов, в том числе и такие, которые невозможно создать ПЭП, например, поперечные волны SH-поляризации.
При использовании ЭМАП не требуется применение контактной жидкости, поэтому при таком способе легче автоматизировать процесс контроля. Недостатками способа долгое время считались большие габариты ЭМАП и меньшая чувствительность, чем при использовании ПЭП. Однако в последние годы благодаря применению метода когерентного накопления полезного сигнала ЭМА-средства контроля практически достигли чувствительности методов с использованием ПЭП. Благодаря этому и указанным ранее особенностям область применения ЭМА-метода существенно расширилась.
Для излучения и приема упругих колебаний и волн применяют различные способы. Все они основаны на преобразовании энергии. В простейшем случае такое преобразование может происходить без изменения вида энергии( удар молотка) Однако чаще возбуждение и прием упругих колебаний сопровождается изменением вида энергии ( из электрической в механическую и наоборот).
Существует несколько способов получения ультразвуковых колебаний. Рассмотрим некоторые из них:
Механический способ
Если необходимо возбуждать ультразвуковые колебания в воздухе или газах, то обычно применяют механический способ. К механическим способам относят свистки, сирены и т.д.
Доступная эффективность. Универсальный ультразвуковой сканер, компактный дизайн и инновационные возможности.
Основные принципы метода и физические характеристики
Ультразвук - высокочастотные колебания, лежащие в диапазоне выше полосы частот, воспринимаемых человеческим ухом (более 20 000 Гц). Излученные в тело пациента, ультразвуковые колебания отражаются от исследуемых тканей, крови, а также поверхностей, таких как границы между органами, и, возвращаясь в ультразвуковой сканер, обрабатываются и измеряются после их предварительной задержки для получения фокусированного изображения. Результирующие данные поступают на экран монитора, позволяя производить оценку состояния внутренних органов. Даже несмотря на то, что ультразвук не может эффективно проникать через такие среды как воздух или другие газы, а также кости, он находит широкое применение при исследовании мягких тканей. Использование ультразвуковых гелей и других жидкостей одновременно с улучшением характеристик датчиков, увеличивает области применения ультразвуковых сканеров для различных медицинских обследований.
Скорость ультразвуковых волн в мягких тканях тела человека в среднем составляет 1,540 м/сек и практически не зависит от частоты. Датчик является одним из основных компонентов диагностических систем, который конвертирует электрические сигналы в ультразвуковые колебания и производит электрические сигналы, получая отраженное эхо от внутренних тканей пациента. Идеальный датчик должен быть эффективен как излучатель и чувствителен как приемник, иметь хорошие характеристики излучаемых им импульсов со строго определенными показателями, а также принимать широкий диапазон частот, отраженных от исследуемых тканей.
В электронных датчиках ультразвуковые колебания возбуждаются благодаря подаче высоковольтных импульсов на пьезо-кристалы, из которых состоит датчик (пьезоэлектрический эффект был открыт Пьером и Марией Кьюри в 1880 году). Количество раз, сколько кристалл вибрирует за секунду, определяет частоту датчика. С увеличением частоты уменьшается длина волны генерируемых колебаний, что отражается на улучшении разрешения, однако, поглощение ультразвуковых колебаний тканями тела пропорционально возрастанию частоты, что влечет за собой уменьшение глубины проникновения. Поэтому датчики с высокой частотой колебаний обеспечивают лучшее разрешение изображения при исследовании не глубоко расположенных тканей, так же как низкочастотные датчики позволяют обследовать более глубоко расположенные органы, уступая высокочастотным качеством изображения. Это разногласие является основным определяющим фактором при использовании датчиков.
В ежедневной клинической практике применяются различные конструкции датчиков, представляющие собой диски с одним элементом, а также объединяющие несколько элементов, расположенных по окружности или вдоль длины датчика, производящие различные форматы изображения, которые необходимы или предпочтительны при проведении диагностики различных органов.
Читайте также: