Акустический вид неразрушающего контроля (Программа «Планеты»)

Ультразвук. Типы волн и их характеристики

Ультразвук представляет собой процесс распространения механических колебаний частиц среды с частотой от 20 кГц до 1000 МГц, сопровождающийся переносом энергии и не сопровождающийся переносом вещества. Отдельные частицы вещества при этом совершают колебания с некоторой амплитудой А (максимальное отклонение от положения равновесия) около своих положений равновесия. Время, за которое совершается полный цикл колебаний называется периодом (Т). Колебательное движение отдельных частиц передается и вызывает ультразвуковые (акустические) волны, благодаря наличию упругих связей между соседними частицами.

В общем случае колебания частиц среды около положения равновесия могут происходить вдоль направления распространения волны, перпендикулярно направлению распространению волны или более сложно.

Волну, в которой колебания отдельных частиц происходят в том же направлении, в котором распространяется волна, называют продольной.. Продольные волны могут распространяться в твердых телах, жидкостях и газах, то есть в любых средах.

Волну, в которой колебания отдельных частиц происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения, называют поперечной или сдвиговой. Поперечные волны могут распространяться только в твердых средах.

Продольные и поперечные волны носят общее название объемных, поскольку могут распространяться внутри (в объеме) вещества.

В твердом теле, кроме продольных и поперечных (объемных), существуют также специфические волны, которые могут распространяться вдоль поверхности – поверхностные волны (волны Рэлея).

Основными характеристиками ультразвука являются скорость распространения (С), длина волны (), интенсивность (I), частота (f) и тип волны. Частота это величина обратная периоду (Т) и она показывает, сколько колебаний совершается в единицу времени (секунду). Скорость ультразвуковой волны зависит от физических свойств среды, в которой она распространяется и различна для разных типов волн. Для металлов скорость продольной ультразвуковой волны примерно в два раза больше скорости поперечной ультразвуковой волны.

Длина волны – это минимальное расстояние между областями, в которых частицы находятся в одинаковом колебательном состоянии (в одной фазе). Длина волны связана с частотой и скоростью соотношением:  = C/f = СТ. Таким образом, можно сказать, что длина волны это расстояние, которое волна проходит за один период.

От длины волны зависит минимальный размер обнаруживаемых дефектов. Основной способ обнаружения дефектов в ультразвуковой дефектоскопии основан на регистрации сигналов, отраженных от дефектов. Если размер дефекта меньше длины волны, то такой дефект волна огибает, отраженного сигнала не возникнет и дефект не обнаруживается. Так для частоты f=2,5 МГц (основная частота используемая в дефектоскопии) при скорости поперечной волны в стали С_t=3260 м/с длина волны составит _t= С_t/f=1,28 мм, а продольной _l =2,36 мм при скорости С_l =5900 м/с.

Количество энергии, переносимое волной за единицу времени через единичную площадку перпендикулярную к направлению ее распространения, называют интенсивностью волны (I). Интенсивность волны I пропорциональна квадрату амплитуды колебаний частиц (IА²).:

Нормальное падение УЗ волн на границу раздела сред. Коэффициенты отражения и прозрачности. Затухание ультразвука

При нормальном падении ультразвуковой волны на границу раздела двух сред часть энергии волны отражается от поверхности раздела, а другая часть проходит сквозь нее. Распределение энергии отраженной и прошедшей волн зависят от механических характеристик граничащих материалов: скоростей волны и плотностей сред.

Сталь Сталь Медь

Воздух Вода Сталь

Интенсивность отраженной волны _отр определяется коэффициентом отражения R: R=_отр /_пад, или _отр =R _пад , где _пад – интенсивность падающей волны. Коэффициент отражения зависит от характеристик сред:

R=(₁С₁–₂С₂ / ₁С₁+₂С₂)² .

Аналогично, интенсивность прошедшей волны _прош тоже является долей интенсивности падающей волны и величину этой доли можно определить с помощью коэффициента D – коэффициента прозрачности (прохождения).

D =_прош /_пад или _прош = D _пад . При этом R+ D=1 или R+ D=100% .

Как видно из формулы, чем больше разница между акустическими сопротивлениями сред, тем больше коэффициент отражения R и меньше, соответственно, коэффициент прозрачности D.

Например, граница сталь-воздух имеет большую разницу удельных акустических сопротивлений и, как следствие, коэффициент отражения R практически равен 1 (отражается 100% энергии волны), а коэффициент прозрачности соответственно будет равен нулю: D  0. Поэтому при падении ультразвуковой волны из стали или другого материала на границу с воздухом волна не сможет пройти сквозь нее, а будет полностью отражаться. Для прохождения ультразвуковых колебаний из пьезопреобразователя в контролируемое изделие и обратно необходимо между ними обязательно вводить жидкостную прослойку, которая вытесняет воздух и т. о. исчезает граница воздух-материал.

С другой стороны, свойство ультразвуковых волн отражаться от границ сред с различными акустическими характеристиками используется для обнаружения дефектов типа нарушение сплошности: поры, трещины, заполненные газом (R = 1) или шлаковые и другие включения (0  R  1). Таким образом, пора, заполненная воздухом, будет давать больший эхо-сигнал, чем пора, заполненная шлаком.

По мере распространения волны, даже в строго определенном направлении без какого-либо расхождения, интенсивность ее падает. Уменьшение интенсивности волны называется затуханием ультразвука и характеризуют коэффициентом затухания  .

Затухание ультразвуковых колебаний обусловлено двумя физическими процессами: поглощением и рассеянием. Поэтому коэффициент затухания можно записать:  = _погл. + _расс .

При поглощении механическая энергия колебаний частиц переходит в тепловую.

Рассеяние ультразвука может быть вызвано наличием в материале зерен различных компонентов (например, феррит, графит), различной ориентацией кристаллических зерен, а также наличием пор или инородных включений.

Излучение и прием ультразвука. Конструкция пезопреобразователей

В настоящее время наибольшее применение для излучения и приема ультразвука в дефектоскопии находит пьезоэлектрический эффект. Эффект заключается в том, что деформация кристаллов некоторых материалов (пъзоэлектриков) вызывает появление на его гранях электрических зарядов. Если на пластинку из такого материала нанести электроды и с помощью проводников подсоединить их к чувствительному прибору, то окажется, что при сжатии пластины между электродами возникает электрическое напряжение определенной величины и знака. При растяжении пластины также возникает напряжение, но противоположного знака.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхностях пластины при ее деформации называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Существует также обратное явление, заключающееся в том, что если к электродам пластины подвести электрическое напряжение, размеры ее уменьшатся или увеличатся в зависимости от полярности приложенного напряжения. При изменении с определенной частотой знака приложенного напряжения пластина сжимается и растягивается с такой же частотой. Это явление изменения размеров пластины под действием электрического поля называют обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Таким образом, оказывается возможным при помощи пьезопластины преобразовывать электрические колебания в ультразвуковые (обратный пьезоэффект – для излучения ультразвука) и, наоборот, ультразвуковые в электрические (прямой пьезоэффект – для приема ультразвуковых колебаний).

Для возбуждения и регистрации (излучения и приема) ультразвуковых колебаний применяют пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) в которых активными являются пьезоэлементы – пластины, выполненные из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами с нанесенными на их поверхности металлическими электродами

Пьезоэлемент: 1 – пьезоэлектрик, 2 – металлические электроды, 3 – подводящие провода

Для излучения и приема ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрические преобразователи.

Пьезоэлемент (1) служит для преобразования электрических колебаний в акустические при возбуждении ультразвука и (или) обратно при его приеме. У прямого ПЭП (и в некоторых конструкциях раздельно-совмещенных (РС) ПЭП он отделен от контролируемого изделия (8) протектором (6), который служит для защиты пьзоэлемента от истирания и механических повреждений. В наклонных и некоторых конструкциях РС ПЭП роль протектора выполняет призма (7), которая одновременно задает угол падения, то есть определяет угол ввода ультразвука в изделие. Пьезоэлемент соединен с разъемом (4) подводящими проводами (3). Демпфер (2) служит для создания коротких импульсов. Кроме того, вместе с заливной массой он придает преобразователю дополнительную механическую прочность. Все элементы ПЭП обычно помещаются в корпус (5).

а5 б в

4

3 l 9

2 n 7

1

6 7

8

Конструкция прямого (а), наклонного (б), и раздельно-совмещенного (в) ПЭП

Прямые ПЭП служат для ввода в изделие продольных волн, а наклонные как продольных (при углах призмы до первого критического), но чаще поперечных или поверхностных волн. В комбинированных ПЭП имеется более двух пьезоэлементов с различными углами ввода УЗ.

Методы УЗ дефектоскопии: теневой, зеркально-теневой, эхо-метод

Большинство ультразвуковых дефектоскопов являются импульсными. Принцип действия их основан на посылке ультразвуковых импульсов в изделие и приеме их отражений от несплошностей или конструктивных элементов изделий.

Генератор импульсов возбуждения (зондирующих импульсов) формирует короткий электрический зондирующий импульс, который с выхода дефектоскопа подается на преобразователь для его возбуждения. Отраженный от противоположного торца изделия (донный) или от дефекта эхо-сигнал принимается тем же (совмещенная схема включения) или другим (раздельная схема) преобразователем, который подключаются к входу приемника дефектоскопа.

Через заданный промежуток времени (период следования зондирующих импульсов Т_ЗИ) процесс повторяется.

Теневой метод контроля предполагает доступ к изделию с двух сторон и реализуется при раздельной схеме включения ПЭП. В этом случае ультразвук излучается одним ПЭП (И), проходит через контролируемое изделие и принимается другим ПЭП (П) на другой стороне. Признаком дефекта при теневом методе является уменьшение ниже порогового уровня или пропадание сигнала прошедшего через контролируемое изделие. Метод обладает высокой чувствительностью, но не дает информации о глубине залегания дефекта. О величине дефекта можно судить по степени ослабления прошедшего сигнала. На уменьшение амплитуды сигнала при теневом прозвучивании влияют кроме того и другие факторы: шероховатость поверхности, затухание ультразвука, расхождение пучка, нарушение соосности преобразователей.

При зеркально-теневом методе излучатель посылает импульс, который отражается от противоположной (донной) стороны изделия и регистрируется приемником. Полученный сигнал называют «донным» сигналом. Ультразвук проходит изделие два раза, что повышает чувствительность контроля. В отличие от теневого метода ЗТМ не требует двухстороннего доступа к изделию, но необходимо наличие двух плоско-параллельных поверхностей. ЗТМ также не дает информации о глубине залегания дефекта.

Признаком дефекта при ЗТМ контроля является пропадание донного сигнала или его ослабление ниже порогового уровня. О величине дефекта можно судить по степени ослабления донного сигнала. Выявляемость дефекта не сильно зависит от его ориентации по отношению к акустической оси.

Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии основан на посылке в изделие коротких ультразвуковых сигналов (зондирующих импульсов) и регистрации сигналов (эхо-сигналов), отраженных от выявляемых дефектов.

При контроле прямым преобразователем наряду с эхо-сигналом от дефекта на экране может присутствовать донный сигнал

Признаком дефекта при эхо-методе контроля является появление в зоне контроля эхо-сигнала с амплитудой выше порога срабатывания сигнализации при заданной чувствительности дефектоскопа.

Эхо-метод контроля прямым ПЭП при наличии донной поверхности обычно совмещают с зеркально-теневым методом, т.е. анализируют как пропадание или уменьшение донного сигнала, так и появление эхо-сигналов от дефектов.

К достоинства эхо- метода можно отнести: односторонний доступ к контролируемому изделию, достаточно высокую чувствительность к дефектам и высокая точность определения координат дефектов.

Основные измеряемые характеристики дефекта при импульсном эхо методе: амплитуда сигнала, координаты дефекта

Амплитуда эхо-сигнала сложным образом зависит от многих факторов, например, диффузную или зеркальную отражающую поверхность имеет дефект. Диффузное отражение происходит от шероховатой поверхности с неровностями h больше или порядка 0,1 . Отражение происходит во всех направлениях, в том числе и назад. Если неровности поверхности много меньше 0,1 , то отражение будет зеркальным, т.е. все лучи отразятся под углом падения и будут направлены в одну сторону.

Для любой поверхности амплитуда эхо-сигнала уменьшается с увеличением расстояния до дефекта и растет при увеличении размера до тех пор, пока дефект не перекроет весь ультразвуковой пучок.

На заданной глубине величина отраженной энергии определяется размерами неоднородностей, ее формой, характером отражающей поверхности и ее ориентацией.

Наибольшую амплитуду будет иметь сигнал, отраженный от вогнутой цилиндрической поверхности, далее следуют отражения от угла и нормально ориентированной плоскости

Принцип измерения координат отражателя при эхо-методе УЗК заключается в измерении времени прихода эхо-сигнала – t после зондирующего импульса и пересчете его в соответствующую координату.

При работе с прямым ПЭП определяется только глубина залегания отражающей поверхности дефекта – Н . Она рассчитывается по времени t прихода эхо-сигнала.

Для наклонного ПЭП определяют две координаты: H – глубину залегания отражающей поверхности дефекта и L – расстояние от точки выхода луча до проекции отражающей поверхности дефекта на поверхность изделия, по которой производится сканирование.

Значение глубины залегания Н и расстояние L определяются при положении ПЭП, в котором эхо-сигнал имеет наибольшее значение.