МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ

Цель работы: ознакомление с акустическими методами контроля качества строительных материалов и конструкций. Знакомство с современными ультразвуковыми приборами и формирование первичных навыков работы с ними.

Классификация и определение ультразвуковых

методов испытаний

Ультразвук – это упругие волны с частотой колебаний от 20 кГц до 1 ГГц. Высокая частота и малая длина ультразвуковой волны определяют специфические особенности ультразвука: возможность распространения направленными пучками и их фокусирования; возможность генерации мощных волн, переносящих значительную механическую энергию. Ультразвук нашел широкое применение в современной технике (ультразвуковая дефектоскопия, ультразвуковая обработка и т.д.). По параметрам колебаний этих упругих волн и условиям их распространения судят о физико-механических характеристиках и состоянии исследуемого материала. Акустические методы строятся на известных из физики зависимостях, определяющих характер распространения волн в сплошных средах.

Существует ряд методов использования ультразвука в строительной практике. Наибольшее распространение получили ультразвуковой импульсный метод, резонансный метод, импедансный метод и метод акустической эмиссии.

Ультразвуковой импульсный метод (УИМ) основан на использовании механических колебаний высокой частоты: от 20 до 200 кГц при исследовании бетона и древесины; от 300 кГц до 10 МГц при исследовании металлов и пластмасс. Характерной особенностью УИМ является возбуждение высокочастотных колебаний весьма малой амплитуды в ограниченном объеме материала. Поэтому принято считать, что образец или конструкция не меняют своей формы. Материал деформируется проходящей волной в некоторой локальной зоне по линии прозвучивания. УИМ решаются задачи дефектоскопии строительных конструкций и определяются физико-механические константы материалов (прочность, упругие характеристики, пористость).

Резонансный метод связан с воздействием на конструкции возмущений с изменяющейся частотой. При использовании ультразвука для проведения испытаний при стандартных возбудителях колебаний можно рассматривать в качестве исследуемых объектов лишь образцы, геометрические размеры которых достаточно невелики. Этот метод пользуется частотами от нескольких сотен до нескольких сотен герц. Этим методом решаются задачи по определению динамических модулей упругости и сдвига, по определению толщины изделия.

Импедансный метод основан на определении комплексного сопротивления, вводимого при рассмотрении колебаний акустических систем. Импедансный метод позволяет обнаруживать зоны нарушения жесткой связи между элементами слоистых конструкций: непроклеи, непропаи, расслоения, слабую адгезию, неполную полимеризацию и т. п. Этим методом можно контролировать изделия, как с плоскими, так и с криволинейными поверхностями.

Метод акустической эмиссии заключается в том, что на поверхности изучаемого объекта устанавливается ряд приемников, регистрирующих моменты прихода импульсов и их значения в процессе нагружения конструкции и ее эксплуатации. Интенсивная фиксация импульсов предопределяет процессы, связанные с развитием микро- и макротрещин в конструкции.

Ультразвуковой импульсный метод

Общие положения

Применение ультразвукового импульсного метода основано на зависимости между характеристиками высокочастотных колебаний, распространяющихся в среде, и свойствами этой среды. Из курса физики известно, что в общем случае зависимость между скоростью распространения упругих волн и физическими константами среды может быть выражена формулой

,

где Е_d – динамический модуль упругости; ρ – плотность материала; коэффициент К = 1 при определении скорости распространения продольных упругих волн в тонких стержнях (в одномерной среде), К = 1/(1 - μ²) в тонких пластинах (в двухмерной среде), K = (1 - μ) / (1 + μ) (1 - 2μ) в неограниченной среде, μ – коэффициент Пуассона.

Скорость распространения упругих волн функционально связана с упругими свойствами материала, следовательно, по скорости распространения волн можно судить о качестве строительного материала и его состоянии.

Любая ультразвуковая установка состоит из отдельных элементов аппаратурного обеспечения эксперимента. В этот комплекс входят излучатель и приемник колебаний. В отдельных случаях излучатель может одновременно выполнять и функции приемника. Имеется источник питания, усилители сигналов на входе и выходе, регистрирующая аппаратура (электронный осциллограф или цифровой индикатор). Для контроля качества бетона ГОСТ 17624 рекомендует применение следующих типов ультразвуковых приборов: Бетон – 12, УК–14П, УК–10ПМ, УФ–10Ф. Первые два прибора портативные, с цифровой индикацией, без ЭЛТ; тип 10ПМ – переносной, с цифровой индикацией, с ЭЛТ; прибор УФ–10П – стационарный, с ЭЛТ и цифровой индикацией. Все эти приборы предназначены для измерения времени распространения ультразвука в бетоне и до работы должны быть аттестованы (пройти метрологический контроль) в установленном порядке по ГОСТ 8.383–86.

Для работы по металлу применяются универсальные и специализированные дефектоскопы. Наибольшее распространение получили универсальные, сюда относятся типы УДМ, ДУК, ДСК.