Типы и скорость ультразвуковых волн

В зависимости от направления колебания частиц раз­личают несколько типов волн. Если частицы среды ко­леблются вдоль распространения волны, то такие волны называются продольными (волнами растяжения-сжатия). В случае, если частицы среды ко­леблются перпендикулярно к направлению распростра­нения волны, то это волны - поперечные (волны сдвига). Поперечные волны могут возникать лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвига. Поэтому в жидкой и газообразной средах образуются только про­дольные волны. В твердой среде могут возникать как продольные, так и поперечные волны.

Скорость Ci продольных волн в среде плотностью определяется модулем нормальной упругости Е и коэффициентом Пуассона :

Скорость Ct поперечных волн в среде плотностью р определяется модулем сдвига G:

Учитывая, что из уравнений (1.2) и (1.3) можно определить отношение скоростей поперечных и продольных волн:

Поскольку для металлов то .

Распространение ультразвука

Пространство, в котором распространяются УЗ-волны, называют ультразвуковым полем. УЗ-волна в направлении своего движения несет определенную энергию. Количество энергии, переносимое УЗ-волной за 1 с через 1 см² площади, перпендикулярной к направле­нию распространения, называется интенсивностью ультразвука I. Для плоской волны при амплитуде смещения А

Произведение скорости С ультразвука на плотность среды называется удельным акустическим сопротивлением.

 

Свойства ультразвука

УЗ-колебания от генерато­ра-излучателя ИП распространяются в материале изде­лия. При наличии дефекта Д образуется отраженное поле. За дефектом при его значительных размерах имеется акустическая тень. Регистрируя с помощью приемника-преобразователя П ослабление УЗ-волны или с помощью преобразователя П2 (или ИП) эхо, т. е. отра­женную УЗ-волну, можно судить о наличии дефектов в материале. Это является основой двух наиболее распро­страненных методов УЗ-контроля: теневого и эхо-метода.

Рис. 1.1. Структура ультразвукового поля излучателя:

а — акустическое поле; б — изменение интенсивности вдоль луча; в — диаграмма направленности.

Рассмотрим наиболее важные дефектоскопические свойства УЗК: направленность УЗК, ближняя и дальняя зоны преобразователей, отражение УЗК от несплошностей, затухание, трансформация УЗК.

Направленность УЗК. При излучении пьезоэлементом (рис. 1.1, а) импульса УЗК в среде возникает УЗ-поле, которое имеет вполне определенные пространственные границы. Угол расхождения зависит от соот­ношения длины волны и диаметра излучателя 2а:

Для малых углов . Как видно из выражения (1.5), направленность УЗ-поля тем выше (угол мень­ше), чем больше произведение af.

Направленность УЗ-поля удобно представлять в виде графика в полярных координатах, называемого диаграммой направленности (рис. 1.1, в). Диаграмма характеризует угловую зависимость амплитуды поля в дальней зоне. Полярный угол отсчитывают от полярной оси, совпадающей с направлением излучения максимальной амплитуды.

Диаграмму направленности прямого преобразователя выражают через цилиндрическую функцию Бесселя (пер­вого рода и первого порядка):

Анализ этого выражения показывает, что с увеличе­нием . или af направленность поля возрастает. При >0,6 в диаграмме, кроме основного, возникают боко­вые лепестки. Однако в них обычно сосредоточена малая часть (до 20 %) излучаемой энергии.

Ближняя и дальняя зоны. Приведенная выше фор­мула (1.5) показывает направленность УЗ-пучка в так называемой дальней зоне или зоне Фраунгофера. В ближ­ней зоне, называемой зоной Френеля, амплитуда поля осциллирует (изменяется) как вдоль оси (рис. 1.1, б), так и по сечению пучка, а УЗ-волна при этом распростра­няется почти без расхождения.

Протяженность ближней зоны для цилиндрического излучателя

Из формулы (1.7) видно, что увеличение диаметра излучателя, сужая направленность пучка, увеличивает ближнюю зону преобразователя.

Отражение от несплошностей. Это свойство УЗ-волн служит основой для их использования в эхо-импульсном методе дефектоскопии материалов. При падении волны на поверхность раздела двух сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается в первую. Если УЗ-волна перпендикулярна к границе двух сред, то проходящая и отраженная волны будут тако­го же типа, что и падающая. Коэффициент отраже­ния R как отношение интенсивностей отраженной и па­дающей волн зависит от соотношения удельных акусти­ческих сопротивлений первой и вто­рой сред:

Из формулы (1.11) видно, что Rне зависит от направ­ления УЗК через границу раздела сред

Коэффициент прохождения волны D=1-R.Чем боль­ше разница в акустических сопротивлениях, тем больше интенсивность отраженной волны.

Раскрытие несплошности также влияет на отражение УЗ-волн. Однако заполненные воздухом трещины раскрытием мм отражают около 90 % падаю­щей энергии УЗК. Можно считать, что пределом выявляемости трещин служат несплошности раскрытием

Если размеры дефектов малы, то УЗ-волны огибают небольшую несплошность без существенных отражений.

Свойство отражения УЗ-волн служит основой для вы­явления несплошностей в металлах, поскольку акустиче­ские свойства таких дефектов, как поры, шлаки, непровары, существенно отличаются от свойств основного ме­талла. Коэффициент отражения от трещин, несплавлений и пор близок к единице, если величина их раскрытия бо­лее 10^-4 мм, а поперечный размер соизмерим с длиной волны. Для шлаков R= 0,35 — 0,65 в зависимости от мар­ки флюса.

Оксидные плены, особенно в сварных швах алюмини­евых сплавов или при контактной сварке, выявляются плохо, несмотря на их достаточно большое раскрытие и протяженность. Причиной этого является близость акус­тических свойств дефекта и металла.

Стандартная УЗ-аппаратура позволяет уверенно вы­являть несплошности площадью S>1 мм². При увеличе­нии частоты УЗК можно выявлять несплошности и с мень­шей площадью, но при этом значительно повышается затухание УЗК.

Затухание. Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты не линейно, ав повышенной степени. Причем ко­эффициент затухания различен для различных материа­лов и складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния

Поглощенная звуковая энергия переходит в теплоту. Рассеянная энергия остается по форме звуковой, но ухо­дит из направленного пучка, отражаясь от неоднородной среды. В однородных средах (пластмасса, стекло) зату­хание определяется главным образом поглощением уль­тразвука: Причем пропорционально либо f (стекло), либо f (пластмассы).

В металлах рассеяние преобладает над поглощением: б_р>б_п, причем б_п пропорционально f, а б_р пропорциональ­но Р или р. Коэффициент рассеяния в металлах зависит от соотношения средней величины зерен D и длины l

УЗ-волны. Увеличение размера зерен приводит к росту затухания УЗК, при этом

Для того чтобы рассеяние УЗК на зернах не искажа­ло результаты дефектоскопии, практически необходимо иметь l>(10...100) D. Если это условие выполняется по верхнему пределу (l>100 D), то можно обычно контроли­ровать металл на глубину вплоть до 8 — 10 м и даже более.

При распространении УЗ-волн в металлах возможна реверберация — постепенное затухание колебаний, обусловленное повторными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от поверхностей, ограничивающих контроли­руемое изделие) и структурной (из-за многократного от­ражения и рассеяния колебаний границами зерен ме­талла).

Рассеяние УЗК значительно зависит от анизотропии кристаллов. При этом скорость по одной из осей кристал­ла или зерна существенно отличается от скорости вдоль его другой оси. У алюминиевых сплавов и у сталей упругая межзеренная анизотропия кристаллов обычно мала. У нержавеющих (аустенитных) сталей и чугуна явления межзеренной анизотропии резко выражены, что приводит к рассеянию УЗК и плохой прозвучиваемости этих ма­териалов.

Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют для измерения размеров зерна. При этом принимают диапазон волн примерно в области l=(4-10) D.

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м). Зату­хание 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1 м амплитуда волны уменьшается в е раз (е=2,718 — основание натуральных логарифмов, или число Непера). Эти единицы связаны соотношением 1 Нп/м = 8, 68 дБ/м.

В практике УЗ-дефектоскопии коэффициент затухания часто измеряют в Нп/см или, что то же самое, в см^-1.

Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент имеет весьма большие колебания в тех из­делиях, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.

С ростом частоты коэффициент затухания увеличива­ется, поэтому крупнозернистые металлы прозвучивают обычно на более низких частотах 0,5—1,8 МГц.

Трансформация УЗК. Рассмотренные выше процессы отражения УЗ-волн относились к нормальному их па­дению на границу раздела сред. При контроле сварных швов применяют, как правило, наклонные преобразова­тели с вводом УЗК под некоторым углом к вертикали. В общем случае при падении продольной волны наклон­но под углом Р к границе двух твердых сред происходит

Рис. 1.2. Отражение и преломление продольной волны на гра­нице раздела двух твердых сред.

 

трансформация (расщепление) этой волны (рис. 2.6, а). Возникают две преломленные волны (продольная и поперечная ) и две отраженные и . Углы прелом­ления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах. Эту зависимость называют зако­ном Снеллиуса. Записанный только для преломле­ния волн этот закон имеет вид

При увеличении угла падения , который соответст­вует углу плексигласовой призмы в наклонных преобра­зователях, углы ввода УЗК в металл и также ме­няются и вся диаграмма как бы поворачивается против часовой стрелки вокруг точки 0 (рис. 1.2, б, в). При этом сначала возможно исчезновение в прозвучиваемом ме­талле луча , а потом — луча . Углы , соответствующие исчезновению продольной, а затем поперечной волн в металле, называют соответственно первым и вторым критическими углами. Значению отвечает угол , а значению угол

При УЗ-дефектоскопии сварных швов во многих слу­чаях целесообразно вводить в металл только поперечную волну. Поэтому угол призмы наклонных преобразовате­лей выбирают обычно в интервале между двумя найден­ными выше критическими значениями:

Поправку на 2—5° вводят для большей помехозащи­щенности контроля: в первом случае от продольной, а во втором — от поверхностной волны.

Акустический тракт. Процессы преобразования энер­гии УЗ-колебаний происходят в трех так называемых трактах УЗ-дефектоскопа: электроакустическом, электри­ческом и акустическом.

Электроакустический тракт — это участок схемы дефектоскопа, который состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора на входе приемника.

В электроакустическом тракте электрические колеба­ния преобразуются в ультразвуковые и обратно, поэтому он определяет резонансную частоту УЗК, длительность зондирующего импульса и коэффициенты преобразования электрической энергии в акустическую.

Электрический тракт, определяющий амплиту­ду зондирующего импульса и коэффициент усиления, со­стоит из генератора и усилителя.

Акустическим трактом называют путь ультра­звука от излучателя до отражателя в материале и от этого отражателя до приемника. Важная задача мето­дики УЗ-контроля — расчет акустического тракта, т. е. оценка ослабления амплитуды эхо-сигнала в зависимос­ти от акустических и геометрических параметров тракта.