Уменьшение шума при взаимодействии колеса и рельса

 

 

I. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ

 

1.1. Краткие теоретические сведения

 

1.1.1. Физические основы

Ультразвуковые колебания являются одним из многочисленных примеров колебаний, имеющих место в природе (морские волны, ветровые импульсы и т. д.) и возникающих под действием одного или, что гораздо чаще, нескольких непрерывно действующих импульсов.

Ультразвуковые волны получили широкое применение в народном хозяйстве, в механических, физических, химических процессах, в медицине. Ультразвуковые колебания широко применяются для контроля качества материала, сварных соединений и др. Для этих целей пьезоэлектрическим преобразователем возбуждаются ультразвуковые колебания. Возбуждение их происходит в результате так называемого пьезоэффекта - электрические колебания, поданные на пластину, преобразуются в механические. Это имеет место в пластинах из кварца, титаната бария и других материалов вследствие перестройки в них положения кристаллов, оси которых под действием проходящего тока поворачиваются в металле, и в результате этого поворота изменяется и суммарная длина пластины. Эти удлинения, следующие непрерывно друг за другом, создают волну.

Частота колебаний, возбуждаемая ультразвуком, может варьироваться в широких пределах - от 0,5 - 1,0 Гц до 20 МГц.

Между изделием и ультразвуковым преобразователем акустический контакт создают путем введения слоя воды или незамерзающей магнитной жидкости. Если акустический контакт невозможен, то применяют бесконтактный ввод ультразвуковых колебаний с помощью электромагнитных акустических преобразователей (ЭМА), чувствительность которых ниже, чем у пьезоэлектрических.

Волны передают механическую энергию, а скорость их перемещения определяется лишь свойствами колеблющейся среды:

 (1.1)                                           

где - длина волны;

- частота.

Приближенно скорость распространения  продольной волны определяется по формуле:

 (1.2)

где Е - модуль упругости;

р—плотность среды, подверженной колебаниям.

Скорость распространения поперечной волны определяется по формуле:

 (1.3)

где G - модуль поперечной упругости,

-коэффициент поперечного сокращения  Пуассона, для стали  - 0,3.

 

1.1.2. Аппаратура ультразвукового  (УЗ) контроля

Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех трактах дефектоскопа:

- электроакустический  тракт, где электрические колебания  преобразуются в ультразвуковые и обратно, состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора;

- электрический тракт  состоит из генератора, усилителя  и определяет амплитуду зондирующего импульса;

- акустический тракт  определяет путь от излучателя  до отражателя в металле и обратно - от отражателя до приемника.

Ультразвуковые дефектоскопы предназначены для излучения  УЗ-колебаний, приема эхо-сигналов, установления положения и размеров дефектов. Аппаратура УЗ-контроля включает в себя пьезопреобразователь, электронный блок и вспомогательные устройства.

Основной частью пьезопреобразователя является пьезоэлемент, например пластина кварца или титаната бария в виде диска толщиной, равной половине длины волны ультракоротких (УК) колебаний. Преобразователи разделяются на прямые (вводят продольную волну перпендикулярно контролируемой поверхности); наклонные (вводят поперечную волну под углом к поверхности); раздельно-смещенные (вводят продольную волну под углом 5 - 10° к плоскости, перпендикулярной поверхности ввода).

Прямой УЗ-преобразователь  состоит из корпуса, пьезопластины, окруженной с одной стороны демпфером, сокращающим длительность свободных колебаний, а с другой - защитным донышком , предохраняющим ее от механических повреждений.

Наклонный преобразователь  имеет  пьезопластину , приклеенную к призмам из полимеров (оргстекло, полистирол и др.). Малая скорость распространения волн в полимерах позволяет при малых углах падения волн на объект вводить поперечные волны под большим углом. Когда ультразвуковой импульс достигает противоположной стороны образца, он отражается от нее и продолжает зигзагообразный путь между двумя поверхностями.

 

Прямые и наклонные  преобразователи работают по совмещенной  схеме: один и тот же пьезоэлемент служит в качестве излучателя и приемника. Выпускают также раздельно-совмещенные преобразователи (рис. 1.1, в), у которых имеются две пьезопластины: одна подключается к генератору излучения (Г), другая - к приемнику (П). Между ними устанавливается акустический экран.

 

 

 
 б в

Рис. 1.1. Ультразвуковые преобразователи:

а - прямой; б - наклонный (призматический); в - раздельно-совмещенный (PC); 1 - корпус; 2 - демпфер; 3 - пьезопластина; 4 - защитное донышко (протектор); 5 - призма; 6 — токоподвод; 7 - акустический экран

 

Электронный блок генерирует импульсы с высокой степенью частоты, усиливает и преобразует эхо-сигналы, отраженные от объекта, и отображает указанные эхо-сигналы на телевизионной трубке.

Дефектоскопы работают по следующей схеме. От блока синхронизатора тактовые импульсы поступают в генератор зондирующих импульсов и запускают его. При подаче запускающего импульса в контуре, состоящем из индуктивности, емкости накопительного конденсатора, возникают радиочастотные колебания, называемые зондирующими импульсами. Последние возбуждают в пьезопластине ультразвуковые колебания. Одновременно тактовые импульсы с синхронизатора подаются и на генератор развертки электронно-лучевой трубки. Скорость развертки регулируется в зависимости от толщины прозвучивае-мого металла.

Отраженные от дефекта импульсы упругих колебаний подаются па пье-зопластину и преобразуются в ней в электросигналы. Эти колебания усиливаются в усилителе, затем подаются на экран электронно-лучевой трубки. При развертке расстояние от зондирующего импульса до принятого сигнала пропорционально времени прохождения импульса от пьезопластины до дефекта и обратно. По числовым значениям скорости и времени прохождения ультразвука можно определить координаты дефекта. Отклонение луча на электроннолучевой трубке в вертикальном направлении характеризует амплитуду сигнала и пропорционально значению размера дефекта.

Амплитуда измеряется градуированными приборами - аттенюаторами, имеющимися в дефектоскопах. Дефектоскоп также содержит автоматизированный сигнализатор для звуковой и световой индикации дефектов.

 

1.1.3. Ультразвуковой  дефектоскоп   ДУК-13ИМ

Дефектоскоп предназначен для выявления  внутренних дефектов в изделиях из металлов (трещин, пор, расслоений, непроваров, шлаковых включений и т. д.), определения их координат в сварных и клепаных соединениях.

Прибор является переносным и используется в цеховых и полевых условиях в интервале температуры О-40°С и относительной влажности не более 80 % при 20°С. Работает он на частотах 1,8 и 2,5 МГц как с прямыми, так и с наклонными искательными головками.

Чувствительность прибора регулируется в широких пределах и на частоте 2,5 МГц обеспечивает выявление дефектов, эквивалентных отверстиям в эталоне № 1 при температуре 20°С:

для искательных  головок с углами 30 и 40° - отверстия  45 мм;

для искательных головок с углами 50° - отверстия 5 мм.

Минимальная глубина выявления дефектов (мертвая  зона прибора) - не более 3 мм для искательных головок с углом падения 50°.

Максимальная  глубина прозвучивания - 600 мм (для стали) в режиме «контроль по слоям».

Прибор позволяет вести контроль объекта в двух режимах работы:

контроль по слоям;

контроль от поверхности.

При контроле по слоям задержка развертки  по времени плавно регулируется в пределах от 12 до 100 мкс. Длительность развертки регулируется в пределах от 20 до 100 мкс.

В приборе ДУК-13ИМ имеется электронный  глубиномер со шкалами прямого отсчета координат залегания дефектов и шкалой отсчета времени прохождения ультразвука в микросекундах. Шкала «МКС» используется для определения координат дефектов при контроле изделий из материалов со скоростью ультразвука, отличной от скорости ультразвука в стали СтЗ.

Прибор комплектуется прямой искательной  головкой для прозвучивания объектов продольными волнами на частоте 2,5 МГц и призматическими головками с углами падения УЗК 30, 40 и 50° - для прозвучивания объекта питания прибора является сеть переменного тока напряжением 220 В частотой поперечными волнами на частотах 1,8 и 2,5 МГц.

Индикация дефектов производится при  появлении сигналов в телефоне и  импульса на экране электронно-лучевой  трубки (ЭЛТ).

Источником 50 - 60 Гц.

 

Для получения  ультра звуковых волн используют механические и электромеханические приборы. К механическим можно отнести  воздушные и жидкостные сирены и  свистки. Многие вещества могут генерировать ультразвук при помещении их в  высокочастотное электрическое  поле, к таким веществам относят  кварц, сегнетовую соль, титанат бария.

Ультразвук  используют во многих областях знаний, науке и технике.Его используют для изучения свойств и строения вещества. С его помощью получают информацию о строении морского дна, его глубине, находят косяки рыб в океане. Ультра звуковые волны могут проникать через металлические изделия толщиной около 10 метров. Это их свойство положено в основу принципа работы ультра звукового дефектоскопа, который помогает находить дефекты и трещиныв твердых телах. В медицине это свойство ультразвука положено в основу работы приборов ультразвуковой диагностики, которые позволяют визуализировать внутренние органы, диагностировать болезни на ранних стадиях.

Действие  ультразвуковых колебаний непосредственно  на расплавы дает возможность получить более однородную структуру металлов. Ультразвуковая кавитация применяется  для очищения от грязи поверхностей деталей (часовое производство, приборостроение, электронная техника и др.). На основе кавитации осуществляется металлизация тел и пайка, дегазация жидкостей. Кавитационные ударные волны могут диспергировать твердые тела и жидкости, образовывая эмульсии и суспензии.

Физика  тесно связана и с техникой, причем эта связь имеет двусторонний характер. Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних  греков, например, было вызвано запросами  строительной и военной техники  того времени), и техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (например, в свое время задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей вызвала бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физика — база для создания новых отраслей техники (электронная техника, ядерная техника и др.).

Бурный  темп развития физики, растущие связи  ее с техникой указывают на значительную роль курса физики во втузе: это фундаментальная база для теоретической подготовки инженера, без которой его успешная деятельность невозможна.