Методическое пособие на тему “Физические основы ультразвукового метода НК” Специальность: дефектоскописты вагонных, локомотивных депо (стр. 2 )

Дифракция проявляется в очень сильной степени, если разме­ры преграды невелики по сравнению с длиной звуковой волны. Если размеры препятствия равны длине волны или меньше ее, то лучи оги­бают препятствие, несколько рассеиваются и значительного отраже­ния в этом случае не наблюдается.

К пояснению понятия дифракции

А - прохождение ультразвуковых колебаний через малое отверстие; Б - огибание волнами препятствий с заходом волн в область геомет­рической тени.

А	Б

 

В современной УЗ дефектоскопии под дифракцией понима­ют такие особенности распространения УЗ волн и их взаимо­действия с границами разделов, которые не могут быть объяс­нены законами ГО (геометрическая акустика)

Для практической дефектоскопии наибольшее значение имеют 4 случая или 4 типа дифракции.

12.

1. Дифракция первого типа возникает при взаимодействии УЗ волны с острыми краями несплошностей в частности, с краями трещин. В этом случае край трещины становится вторичным излуча­телем, работает как точечный источник и возбуждает сферическую УЗ волну.

Вследствие этого трещина, даже неблагоприятно ориентирован­ная по отношению к УЗ лучу, при достаточной чувствительности может быть выявлена при УЗ контроле.

2.  Второй тип дифракции имеет место в тех зонах объектов, где УЗ лучи касаются гладких поверхностей. В этом случае формируются волны, огибающие поверхности тел, которые в свою очередь порождают дифракционные волны соскальзывания.

3.  Третьим типом дифракции называют явления, возникающие при падении волн на границу раздела двух сред или на свободную границу среды под первым, вторым или третьим критическим угла­ми. При этом образуются головные волны, которые в свою очередь порождают семейство дифракционных боковых волн в
обеих средах.

4. Четвертый тип дифракции возникает в тех случаях, когда в среде имеются слои с различными скоростями УЗ волны. При наклонном падении УЗ волны на границы раздела таких слоев лучи отклоняются от прямолинейного направления распространения. Это явление известно под названием рефракции. Этот
тип дифракции нашел практическое применение для измерения тол­щины поверхностно –закаленных слоев металла, например, в валках холодной прокатки, где в поверхностном слое имеет место изменение скорости звука в зависимости от глубины слоя.

 

Дифракция первого типа Дифракция второго типа

головная волна

граница

боковые волны

Дифракция третьего типа Дифракция четвёртого типа

Волны дифракции в контролируемом объекте присутствуют всег­да. При отражении от плоскостных либо объемных дефектов возни­кают краевые волны, или волны обегания-соскальзывания, или го­ловные и боковые волны. Чаще всего возникает совокупность дифра­гированных волн нескольких типов.

13.

12. Затухание ультразвука в твердых средах

По мере удаления УЗ волны от излучателя ее интенсивность падает. Уменьшение интенсивности сферической волны обуславли­вается ее расхождением и затуханием колебаний, а плоской – только затуханием. Затуханием УЗ колебаний называют явление умень­шения амплитуды колебаний частиц в звуковой волне, вызван­ное процессами рассеяния и поглощения.

Рассеяние связано с тем, что среда не является строго гомогенной.

Она содержит кристаллы, на границах которых акустичес­кое сопротивление изменяется, так как кристаллы или отдельные со­ставляющие вещества имеют различную плотность или разную ско­рость в направлении падающего УЗ луча. Для некоторых материалов (например, для чугуна) это связано с тем, что он представляет собой сплав зерен различных компонентов (для чугуна – феррита и графита).

Для других материалов – с наличием пор или инородных включений. Для третьих – различной ориентацией анизотропных кристаллов.

Последнее обстоятельство бывает особенно заметным в крупнозернистых аустенитных материалах, а также в аустенитных сварных швах. При переходе УЗ луча из одного кристалла в другой возникают частичное отражение, преломление и трансформация волн, что и определяет механизм рассеяния.

Очень большое влияние на величину коэффициента рассеяния в металлах оказывает соотношение средней величины зерна и длины волны ультразвука .

 

Рассеяние ультразвуковой волны на кристаллах

При звук поглощается в каждом зерне, как в одном боль­шом кристалле и затухание определяется в основном поглощением. При , происходит рассеяние волны мелкими частицами. При рассеяние очень велико, ультразвук как бы проникает, диффундирует между отдельными кристаллами подобно свету в мутной среде. Этот механизм называют диффузным рассеянием.

Коэффициент затухания ультразвуковых колебаний зависит от их частоты.

Зависимость коэффициента зату­хания ультразвуковых колебаний в стали от частоты:

14.

Для дефектоскопии обычно применяют такие частоты (0,5-10 МГц), чтобы была больше В этом интервале ульт­развук слабо рассеивается и, как правило, не возникает помех, свя­занных с рассеянием на кристаллах.

Вторая часть затухания - поглощение, означает прямое преоб­разование звуковой энергии в тепловую. Понятно, что поглощение будет тем больше, чем быстрее будут совершаться колебания, то есть, чем выше частота ультразвука. Поглощение возрастает примерно пропорционально увеличению час­тоты, то есть медленнее, чем рассеяние.

Поглощение поперечных волн меньше, чем продольных, так как они не связаны с адиабатическими изменениями объема, при которых появляются потери на теплопроводность. Потери на тепло­проводность пропорциональны квадрату частоты.

Обе составляющие затухания создают определенные труднос­ти при УЗ контроле. Поглощение уменьшает амплитуду проходящих УЗ сигналов. Для его компенсации следует создавать более мощный зондирующий импульс, а также увеличивать усиление.

Гораздо не­приятнее рассеяние, так как при эхо-методе оно не только уменьша­ет уровень сигналов, отраженных от дна и дефектов, но и создает многочисленные шумовые импульсы на экране дефектоскопа, свя­занные с отражениями от граней кристаллов.

Эти шумовые сигналы называют иногда "травой". В высокой "траве" может быть потерян полезный сигнал от дефекта. В борьбе с рассеянием не помогут уве­личение мощности зондирующего импульса или усиления дефекто­скопа, которые повлекут рост "травы". Помогает лишь переход к более низким частотам. Однако при этом из-за увеличивающейся ширины пучка и растущей длительности импульсов ухудшаются воз­можности выявления маленьких дефектов. Затухание поперечных волн выше, чем продольных.

Уменьшение интенсивности звука при прохождении отрезка r, связанное с влиянием затухания, может быть записано в виде:

; где

-2 - коэффициент затухания, учитывающий рассеяние и поглощение;

. - расстояние пройденное звуковой волной

Амплитуда УЗ волны:

 

Изменение интенсивности звука с расстоянием

под влиянием затухания

В общем случае под амплитудой УЗ волны может пониматься амплитуда одной из величин: смещения U, звукового давления Р, ко­лебательной скорости V.

Коэффициент затухания показывает, на сколько уменьша­ется амплитуда УЗ колебаний под влиянием затухания при про­хождении единицы длины пути. Коэффициент затухания выражает­ся либо в неперах на метр (Нп/м), либо в децибелах на метр (дБ/м). В последнем случае формула для интенсивности приобретает вид:

Величина, обратная коэффициенту затухания, пока­зывает, на каком пути амплитуда волны уменьшается в раз ( = 2,73 - число Непера). Поэтому размерность затухания1/м. Иногда используют внесистемную еди­ницу Непер на метр (Нп/м).

15.

Часто коэффициент затуха­ния выражают числом N отрицательных децибелов, на которое уменьшается амплитуда волны на единичном уча­стке пути

1 /м = 1 Нтп/м = 8,686 дБ/м.

Коэффициент затухания ультразвука частотой 2,5 МГц для некоторых металлов

Таблица 1.

	Коэффициент затухания, дБ/мм
Металл	Продольные волны	Поперечные волны
Сталь перлитная
Отливки	0- 0,018	-
Литые заготовки	0- 0,013	-
Прокат, поковки	0- 0,009	-
Сварные соединения	0 – 0,009	0,009- 0,018
Сталь аустенитная
Литье	0,018 – 0,9	-
Мелкие поковки и прокат	0 – 0,018	-
Крупные поковки	0 – 0,09	-
Сварные соединения	0,13 – 0,18	0,13 – 0,26
Титан
Слитки с	0,009 – 0,054	-
Поковки	0,009 – 0,045
Сварные соединения	0,018 – 0,045	0,045 – 0,063
Алюминий
Литье	0,009 – 0,072	-
Поковки	0 – 0,009	-
Сварные соединения	0 – 0,009	0,009
Бронза
Литье	0,045 – 0,9	-
Поковки	0,018 – 0,045	-

В практике УЗ контроля коэффициент затухания часто измеряют в Неперах на сантиметр (или, что то же самое, в см –1), а также в децибелах на миллиметр (дБ/мм).

Важно отметить, что уменьшение амплитуды в, следствии затухания описывается законом экспоненты, т. е. если источником возбуждена волна с начальной амплитудой А0, которая прошла расстояние r в материале с коэффициентом затухания, то её амплитуда Ur точке наблюдения:

;

Затухание ультразвука в воздухе очень велико. В воде в тысячи раз меньше. В пластмассах затухание также велико и определяется в основном поглощением. В стали затухание небольшое, и ультразвуковые колебания с частотой 2,5 МГц могут в ней распространятся на расстояние до 5-6 м.

13. Преломление и трансформация ультразвуковых колебаний (при наклонном падении).

При наклоном падении продольной волны из твёрдой среды 1 в твёрдую среду 2 на границе этих двух сред происходит:

-  отражение

-  преломление

-  трансформация, расщепление (перерождение одного типа волн в другой тип волны).

Если продольная упругая волна l со скоростью Сl падает на границу раздела двух твердых сред под углом, отличным от прямого, то отраженная и прошедшая вол­ны преломляются и трансформируются на продольные 11 12 и сдвиговые t1, t2 волны, распространяющиеся в пер­вой и второй средах под различными углами. На практике для обеспечения падения продольных волн под углом между пьезоэлементом и контролируе­мой деталью располагают призму из органического стекла

16.

М

N

При этом угол b между падающим лучом Сl и перпендикуляром МN к поверхности – называется углом падения; углы bl, и bt — углами отра­жения; углы l, и t - углами преломления (или углами ввода соответственно продольной и сдвиговой волн).

Угол ввода луча это - угол между нормалью к поверхности, на которой установлен преобразователь, и линией, соединяю­щей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода, при установке преобразователя в положение, при котором амплиту­да эхо-сигнала наибольшая.

Законы отражения и преломления упругих волн по аналогии с законами геометрической оптики формули­руются так:

Отраженные и преломленные лучи лежат в одной
плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности
раздела сред, проведённой в точке падения. Угол отражения продольной волны равен углу паде­ния. Углы падения, отражения и преломления связаны
соотношением, называемым законом Снеллиуса:

;

где скорости распространения про­дольных и сдвиговых волн в 1-й и 2-й средах соответ­ственно.

Примечание: Следует отметить, что в определенном диапазоне углов теоретические значения коэффициентов прохождения отличаются от экспериментальных. Это приводит к несоот­ветствию закону Снеллиуса. Например, при b = 30° ; = 37°, э = 39°; при b = 53° ; = 76°,

э = 72°, где ,- угол ввода, рассчитанный по закону Снеллиуса; э - экспериментальный угол ввода. Указанное обстоятельство объясняется тем, что закон Снеллиуса и полученные выражения для расчета коэффициентов отражения и прохождения справедливы в случае плоской волны.

У реальных преобразовате­лей, как правило, пучок расходящийся, и у каждого из лучей пучка свой коэффициент прохождения. Установлено также, что центральный луч отклоняется от направления акустической оси, рассчитанного по закону Снеллиуса, в зависимости от произведе­ния радиуса пьезоэлемента на частоту f. Отклонение тем меньше, чем больше это произведение.

При увеличении угла падения b продольной волны l углы 12 и также увеличиваются и при некотором значении b = bкр1 (первый критический угол) преломленные продольные волны распространяются по поверхности, не проникая в глубь среды 2.

17.

При дальней­шем увеличении угла падения до bкр 2 (второй критичес­кий угол) по поверхности распространяются преломлен­ные сдвиговые волны.

Для лучей упругих волн в полной мере справедлив закон обратимости: если, луч падает из среды 1 на грани­цу со средой 2 под углом b, преломляется и входит в среду 2 под углом то луч, падающий из среды 2 на границу с первой под углом после преломления вой­дет в среду 1 под углом b.

 

Свойства упругих волн используют при конструиро­вании наклонных преобразователей для контроля изде­лий сдвиговыми и продольными волнами. В таких пре­образователях ультразвуковые колебания преломляются с помощью клинообразной призмы, изготовленной из органического стекла (или из другого материала) и иг­рающей роль среды 1, а средой 2 является контролируе­мое изделие.

При углах падения меньших, чем второй критичес­кий угол bкр 2, и больших, чем первый bкр во второй сре­де возникает лишь поперечная волна со скоростью Сt Для системы оргстекло - сталь расчетные критические углы составляют:

-  первый критический угол bкр1 ~ 27°;

-  второй критический угол bкр2 ~ 56°.

Отмеченное свойство имеет большое практическое значение. В частности если пьезопластину разместить на призме из органического стекла с углом b в пределах 30-55°, то в стальном изделии будет распространяться только поперечная волна.

Наименьший угол падения продольной волны, при котором преломленная продоль­ная волна, не будет проникать во вторую среду, называется первым критическим углом.

При дальнейшем увеличении угла падения преломленная по­перечная волна также начнет скользить по границе раздела.

Наимень­ший угол падения продольной волны, при котором преломленная поперечная волна не будет проникать во вторую среду, на­зывается вторым критическим углом.

При углах падения, меньших, чем второй критический угол, и больших, чем первый, во второй среде возникает лишь поперечная волна.

Рассмотрим падение поперечной волны на границу металл-воз­дух из металла. При увеличении угла падения наступает та­кой момент, когда отраженная продольная волна начинает скользить по границе раздела двух сред.

Наименьший угол падения поперечной вол­ны, при котором еще отсутствует отраженная продольная волна, которая скользит, по границе радела двух сред, называется третьим критическим углом.

Падение поперечной волны на границу металл-воздух под третьим критическим углом.