Акустические методы контроля строительных конструкций. Область применения, особенности методов, преимущества и недостатки

Вопрос 23.

 

Акустические методы основаны на возбуждении упругих механических колебаний. По параметрам этих колебаний и условиям их распространения судят о физико-механических характеристиках и состоянии исследуемого материала.

В зависимости от частоты колебаний акустические методы делятся на ультразвуковые (при частотах от 20 тыс. Гц и выше) и методы, основанные на использовании колебаний звуковой (до 20 тыс. Гц) и инфразвуковой (до 20 Гц) частот.

Акустические методы контроля строительных конструкций:

1. Ультразвуковой импульсный метод

2. Низкочастотный звуковой (ударный метод)

3. Резонансный виброакустический метод

4. Метод акустической эмиссии

 

 

1. Ультразвуковой импульсный метод (УИМ) – при частотах от 20 тыс. Гц и выше.

Фи зическая основа метода – наличие зависимости между скоростью распространения ультразвука и свойствами материалов.

Применяемые частоты:

Для бетона – 40лГц-200 кГц

Для металла – 1МГц-5МГц

Для бетона применение УИМ позволяет:

-определить прочность бетона

-проверить однородность бетона

-определить модуль упругости, модуль сдвига, коэффициент Пуассона

-определить наличие дефектов

-определить глубину развития трещин в конструкциях

-проконтролировать процесс трещинообразования (при научных исследованиях)

Сущность метода состоит в том, что измеряют скорость распространения через бетон или др. материал переднего фронта продольной ультразвуковой волны v. Исходя из зависимости R=f(v), по измеренной Vскорости определяют прочность R. Для измерения v необходимо знать время прохождения ультразвука на участке определенной длины, называемой базой прозвучивания, L. Поскольку скорость ультразвука в бетоне может достигать до 5 км/с, при обычных значениях L=до 1,5 м, приходится определять очень малые интервалы времени (в мк сек).

 

Возбуждение и прием колебаний

Для возбуждения ультразвуковых волн на поверхности исследуемого материала устанавливают преобразователи переменного электрического тока, создающие колебания. Чаще всего применяются преобразователи, действующие по принципу пьезоэффекта -эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля. Пьезоэффектом обладают кристаллы – пьезоэлектрики.

Приемник и излучатель (также может быть магнитостриктор – устройство, состоящее из тонких никелевых пластин, обладающих способностью сжиматься или растягиваться под действием магнитного поля).

Излучатель – пластинки находятся в катушке, через которую пропускается электрический ток.

Приемник – при механическом воздействии в катушке с пластинками возникает эл. ток.

Область применения:

-контроль качества сварных швов

-толщинометрия

-определение динамического модуля упругости материалов(бетон, гипс, кирпич) и др. Скорость распространения упругих колебаний v связана с динамическим модулем упругости E_дин и плотностью проверяемого материала соотношением:

ЖБК:

-контроль однородности бетона

-выявление и исследование дефектов в бетоне

-определение толщины верхнего ослабленного слоя бетона

ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ПЛАСТМАССЫ:

-проверка физико-механических характеристик

-проверка качества и дефектоскопия основного материала

-дефектоскопия клееных соединений и стыков

 

Недостатки:

-на скорость распространения ультразвука в бетоне оказывает влияние множество факторов: количество связующего, температура, наличие арматуры, напряженного состояния бетона и др.

-для каждого конкретного случая строится своя градуировочная зависимость «прочность R – скорость v»

 

Преимущества:

-простота эксплуатации

-получение довольно точных результатов при небольших размерах исследуемого объекта

2. Низкочастотный звуковой (ударный) метод.

Основан на изменении скорости распространения единичных импульсов, возбуждаемых ударом легкого молотка или специального приспособления для нанесения небольших ударов заданной силы. Единичный импульс (единичная импульсная функция) - позволяет записать пространственную плотность физической величины (масса, заряд, интенсивность источника тепла, сила и т. п.), сосредоточенной или приложенной в одной точке.

Для приема и регистрации сигналов может быть использована та же аппаратура, что и при УИМ.

Область применения:

Используется для контроля асфальтового и цементного бетонов в дорожных и аэродромных покрытиях, а также для испытания длинномерных (до 30м) бетонных и жб элементов.

Преимущества:

Возможность использования для обследования массивных конструкций

Недостатки:

Неточен для исследования больших образцов

 

3. Резонансный виброакустический метод.

Основан на использовании колебаний звуковой частоты и применяется при испытаниях образцов бетона.

О характеристиках материала судят по частотам, соответствующим резкому увеличению измеряемых амплитуд при наступлении явления резонанса. Резонанс - явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы.

Область применения:

-полезен для сооружения дорожных и аэродромных покрытий

-для получения быстрой и надежной информации о ходе технологического процесса и может также быть положен в основу автоматического управления.

-толщинометрия

 

4. Метод акустической эмиссии.

Акустическая эмиссия – это процесс выхода(испускания, возникновения) звука из твердых или жидких тел под влиянием внешних воздействий (механические, температурные, световые и др.)

Метод основан на регистрации акустических волн в твердых телах при пластическом деформировании и при возникновении трещин. Регистрируя скорость движения волн эмиссии, можно обнаружить опасные дефекты и прогнозировать работоспособность элементов конструкции: зон концентрации напряжений в металлических конструкциях, эволюцию развития трещин в жбк, появление расслоев в клееных деревянных конструкциях.

Сущность метода: 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.