Разновидность адеструктивных методов. Акустический метод испытаний — резонансный, ультразвуковой, ударный— наиболее развиты и внедрены в практику строительства. Акустические методы испытаний основаны на определении косвенных акустических характеристик объекта испытания, которые связаны с его физико-механическими свойствами.
Резонансный метод
Резонансный (вибрационный) метод позволяет определять динамический модуль упругости образцов по частоте собственных изгибных или продольных колебаний, динамический модуль сдвига по частоте собственных крутильных колебаний, коэффициент затухания.
Резонансный метод применяется гл. обр. в лабораторных условиях. Для определения собственной частоты изгибных колебаний образец (прямоугольная балка, плита или цилиндр) укладывается на две опоры, отстоящие от концов образца на 0,224. (Рис. 1а)
1а) -установка образца для измерения собственных частот изгибных колебаний
Против середины образца устанавливается возбудитель колебаний — электромагнитный вибратор, механически соединенный с образцом, или громкоговоритель, имеющий с образцом акустическую связь. К возбудителю подводится напряжение от генератора звуковых частот. Конец образца связывается с датчиком (электромагнитным или пьезоэлектрическим), который подключается ко входу электронного усилителя. Выход усилителя соединяется с вертикальными отклоняющими пластинами электронного осциллографа, на горизонтальные отклоняющие пластины подается напряжение от звукового генератора. (Рис. 1б)
1б) -блок схема прибора для определения резонансных частот
С помощью генератора и возбудителя в образце возбуждаются изгибные колебания. Меняя частоту генератора, добиваются максимального размера изображения на экране по вертикали, что соответствует совпадению частот (резонансу) вынужденных и собственных колебаний образца. Для каждого образца по резонансной частоте (отсчитываемой по шкале генератора) определяется по формуле динамический модуль упругости.
При определении собственной частоты продольных колебаний в образцах обычно применяют схему установки (Рис. 1в), в которой возбудитель и датчик располагаются по торцам испытываемого образца, имеющего крепление в центре.
1в) — установка образца для измерения собственных частот продольных колебаний
В момент резонанса в образце возникают продольные стоячие волны. Собственные частоты крутильных колебаний измеряются по схеме (Рис. 1г). Возбудитель и датчик устанавливаются по концам образца на максимальном расстоянии от продольной оси образца.
1г) — установка образца для измерения собственных частот крутильных колебаний
При резонансе крутильных колебаний концы образца имеют максим, амплитуду колебаний, а узловая точка (с амплитудой, равной нулю) лежит в середине образца.
Коэффициент затухания, являющийся показателем вязкопластических свойств материала, определяется при резонансном методе путем измерения амплитуд изгибных колебаний образца (по экрану осциллографа или шкале вольтметра) на нескольких близких к резонансной частотах. По этим данным строится резонансная кривая (Рис. 1д), ширина которой на высоте 0,5 от амплитуды точки резонанса характеризует коэффициент затухания. Погрешность определения коэффициента затухания этим способом 3—5%.
1д) -резонансная кривая и способ определения коэффициента затухания
Для автоматизации процесса измерения собственных частот и снижения погрешности измерений применяется аппаратура, основанная на возбуждении в образце автоколебаний (Рис. 2).
Рис.2 Блок-схема установки для возбуждения автоколебаний
Возбудитель подключается к выводу усилителя датчика, благодаря чему в системе датчик-образец-возбудитель-усилитель возникают автоколебания с частотой, равной собственной частоте испытываемого образца.
Для измерения частоты применяется электронная счетная схема, считающая число периодов автоколебаний за время, регламентируемое электронным или механическим секундомером. На подобных установках определяют динамические модули упругости с погрешностью менее ±0,01%.
- Резонансный метод позволяет следить за измерениями свойств образцов, подвергаемых внешним воздействиям или находящимся в стадии твердения, исследовать кинетику твердения бетонов, структурные изменения при испытаниях на морозостойкость. По динамическому модулю упругости можно определять предел прочности бетона.
Ультразвуковой метод
Ультразвуковой импульсный метод основан на измерении скорости распространения ультразвуковых импульсов, с помощью которого можно определить динамический модуль упругости, являющийся характеристикой прочности. Определение скорости ультразвука производится измерением времени его распространения по всей толщине испытываемого объекта или на некотором его участке. Для измерения времени распространения ультразвука применяются специальные электронные приборы. Наиболее распространенная блок-схема прибора показана на (Рис.3)
Рис.3 Блок-схема прибора для определения скорости распространения ультразвука
Генератор зондирующих импульсов вырабатывает кратковременные (длительностью 0,1—15 мксек) электрические импульсы (обычно 50—500 импульсов в секунду). К выходу генератора подключен возбудитель (пьезоэлектрический или магнитострикционный), плотно прижимаемый к объекту испытаний.
Под действием электрического импульса, преобразованного возбудителем в механический импульс, в объекте испытания возникают ультразвуковые колебания с частотой 20— 200 кгц. Пройдя через объект испытания, ультразвуковые колебания воздействуют на датчик, который ставится на противоположной стороне испытываемого изделия или на некотором расстоянии от возбудителя, именуемом базой измерения.
Электрический сигнал, получаемый на выходе датчика, усиливается и подводится к вертикальным пластинам электроннолучевой трубки, на которой появляется изображение воспринятого датчиком сигнала. Выход генератора зондирующих импульсов также соединен с вертикальными пластинами трубки, поэтому на экране трубки появляется изображение двух сигналов — зондирующего импульса и сигнала, принятого датчиком. Зондирующий импульс также запускает т. н. «ждущую развертку», перемещающую луч по экрану трубки с определенной скоростью в горизонтальном направлении, благодаря чему изображения сигналов появляются на определенном расстоянии.
При постоянной скорости развертки расстояние между зондирующим и принятым импульсом характеризует время прохождения ультразвуковых колебаний через объект испытания. Измерение времени осуществляется путем сравнения расстояния между сигналами со специальными метками времени, появление которых на экране трубки чередуется с изображением сигналов. Поскольку частота следования изображений сигнала и частота следования разверток с метками времени достаточно велика (50—500 гц), глаз оператора воспринимает эти изображения как одно.
Метки времени вырабатываются специальным стабилизированным генератором и позволяют изменять интервалы времени до 0,1 мксек. По скорости распространения ультразвука определяется предел прочности бетона. Однако на скорость ультразвука влияют возраст и условия твердения бетона, гранулометрический состав заполнителя и его количество, водоцементное отношение, влажность бетона и др. Поэтому для каждого вида бетона составляются тарировочные зависимости— «предел прочности—скорость ультразвука» — путем прозвучивания и последующего механического определения предела прочности (раздавливанием на прессе) образцов.
Погрешность определения предела прочности с помощью тарировочных зависимостей обычно не более±10%. Испытание бетона неизвестного состава может привести к недопустимым погрешностям в определении предела прочности. Повышение точности определения предела прочности бетона и уменьшение степени влияния его состава может быть получено путем измерения скорости, затухания и рассеяния ультразвука.
Ультразвуковой импульсный метод может применяться для контроля прочности и однородности изделий, нарастания прочности бетона в процессе термовлажностной обработки. При испытании строительных конструкций определяют минимальную и максимальную скорости ультразвукового импульса. При отсутствии тарировочной зависимости в участках с максимальными, минимальными и средними скоростями вырезают контрольные кубики (не менее 5—8 шт.), по которым определяют зависимость между прочностью и скоростью ультразвука для данного состава бетона. Погрешность определения предела прочности таким способом лежит в пределах ±15—25%.
Основными достоинствами ультразвукового метода испытаний являются:
- Возможность испытания изделий и конструкций любой формы и любых размеров.
- Возможность исследования материалов в любом фазовом состоянии (твердом, жидком, газообразном).
- Возможность проводить испытания в широком диапазоне температур (от-200 до 10005 с) и давлений.
Кроме оценки упругих и низкопластических свойств ультразвуковой метод позволяет:
- Анализировать процесс трещинообразования.
- Определять дефекты конструкций.
- Проверять работу конструкций под нагрузкой.
- Наблюдать кинетику структурообразования и разрушения структур в различных фазах.
- Измерять давления и напряжения в материалах со слабой структурой (песок, грунт).
Ударный метод
Ударный метод нашел широкое применение для испытания дорожных и аэродромных покрытий. Сущность ударного метода испытаний состоит в измерении скорости распространения звуковых волн объекта испытаний. На поверхности объекта испытания устанавливаются два датчика, выводы которых соединяются с электронным микросекундомером.
По торцу объекта исследования производятся одиночные или периодические удары (обычно от 1-10 ударов в сек.) ручным или электромеханическим молотом. Дойдя до первого датчика, звуковая волна возбуждает в нем электрический сигнал. Усиленный сигнал включает пусковое устройство микросекундомера, который начинает отсчитывать время. Когда волна доходит до второго датчика, сигнал последнего выключает пусковое устройство микросекундомера и счет времени прекращается.
Показания микросекундомера будут соответствовать времени распространения ударной волны между двумя датчиками. По времени распространения волны и по расстоянию между датчиками определяется скорость распространения ударной волны в объекте испытаний. По тарировочной зависимости между скоростью и пределом прочности устанавливается предел прочности испытываемого объекта.
- Погрешность результатов ударного метода испытаний имеет тот же порядок, что и погрешность ультразвукового метода. Достоинствами ударного метода испытаний является возможность испытания сооружений большой длины, имеющих свободный доступ только с одной стороны.
Источник: РАСЭ 3