yandex rtb 1
ГоловнаЗворотній зв'язок
yande share
Главная->Різні конспекти лекцій->Содержание->1.2. Розповсюдження ультразвукових коливань

Ультразвукові дифекти

1.2. Розповсюдження ультразвукових коливань

1.2.1. Ближня та дальня зони поля випромінювання ультразвукових хвиль. Направленість поля, його діаграми

На рис. 1 показані графіки поля на акустичній осі. У нім є дві області: ближня (от 0 до гб) і дальня (г>гб) зони.

Рисунок 1 - Графік акустичного поля на осі перетворювача:

а і б - зони відповідно ближня і дальня

 

Ближня зона - це область, прилегла до поверхні, в якій мають місце максимуми і мінімуми акустичного сигналу. У ближній зоні більше 80% енергії, що випромінює, знаходиться в межах циліндра, обмеженого краями перетворювача.

Дальня зона - це область, в якій акустичне поле монотонно зменшується із збільшенням відстані від перетворювача до точки А уздовж акустичної осі.

1.2.2. Віддзеркалення і заломлення. Коефіцієнт відбиття подовжньої хвилі при її падінні перпендикулярно межі розділу середовища

Подібно до звуку і світла, ультразвукові хвилі демонструють такі явища, як віддзеркалення, рефракція і дифракція. Під час розповсюдження хвиль в речовині відбувається швидке стиснення і розрідження. Коли ультразвукова енергія потрапляє на плоску межу, що розділяє два матеріали, частина енергії проходить через межу в тому ж напрямі, а частина її відбивається назад.

Інтенсивність ультразвукової енергії при віддзеркаленні/проходженні залежить від падаючої хвилі, питомого акустичного імпедансу обох матеріалів і кута падіння хвилі.

Щоб зміряти інтенсивності віддзеркалення/проходження хвиль, вводяться дві величини: коефіцієнт віддзеркалення і коефіцієнт проходження.

   (11) і

          (12)

Кількісне трактування вимірювання ультразвукової енергії при віддзеркаленні/проходженні хвиль на межах двох матеріалів в умовах нормального падіння приведене нижче.

Хай А і В - два матеріали, р1 і р2, Ul і U2 - відповідно щільності і швидкості хвиль в цих матеріалах.

Тоді коефіцієнт віддзеркалення виглядає так:

 або                   (13)

де Z](=р1U1) і Z2(=p2U2) - відповідно хвилеві, опори матеріалів А і В.

Знаючи , можна вивести коефіцієнт = 1 -

Аналогічно обчислюються коефіцієнти віддзеркалення і проходження ультразвукових хвиль в умовах нормального падіння.

Залежно від значень  і  можна отримати наступну інформацію.

Ситуація 1. Якщо Z1<Z2, коефіцієнт віддзеркалення  приймає позитивне значення. Позитивне значення  показує, що відбиті хвилі, що проходять, знаходяться в одній фазі. Наприклад, на межі води і сталі  більше нуля і менше одиниці. Це означає, що тиск у відбитій хвилі має ту ж фазу, що і в падаючій.

Ситуація 2. Якщо Z1>Z2, коефіцієнт віддзеркалення  негативний. Це означає, що різниця фаз у відбитій і падаючій хвилях складає 180°.

Ситуація 3. Якщо Z1=Z2 коефіцієнт віддзеркалення рівний нулю, а коефіцієнт проходження - одиниці. Це свідчить про те, що падаюча хвиля повністю проходить в другий матеріал. У даних обставинах два різні матеріали міцно сполучено або добре акустично узгоджені один з одним.

У ситуаціях 1 і 2 матеріали не сполучені належним чином, і, отже, має місце часткове віддзеркалення і проходження, що визначається хвилевими опорами матеріалів.

Для нормальної передачі ультразвуковій енергії необхідний хороший контакт двох матеріалів. Якщо між двома матеріалами не утворена оптично плоска поверхня, контакт матиме місце лише в окремих точках. У такому разі передача ультразвуковій енергії буде вельми неістотною. Проте її можна значно збільшити, використовуючи прошарок між двома матеріалами. Як такий прошарок може служити рідина, товщина шару якій менше довжини хвилі, а її хвилевий опір повинен відповідати хвилевому опору твердих матеріалів. При виконанні даних умов і встановленні хорошого контакту перетворювача і початкового матеріалу коефіцієнт проходження практично наближається за своїм значенням до одиниці. З іншого боку, якщо контактним середовищем є повітря/газ, коефіцієнт проходження практично рівний нулю.

1.2.3. Трансформація ультразвукової хвилі. Вираз Снеліуса

Розглянемо падіння ультразвукової хвилі на межу двох середовищ з різними хвилевими опорами під будь-яким кутом, окрім прямого. В результаті цього відзеркалена і заломлена хвилі мають складніший характер, ніж при нормальному падінні. Так, при проходженні ультразвукової хвилі під косим кутом з одного середовища в іншу може спостерігатися явище заломлення (зміна напряму руху хвилі) і конверсії (зміна характеру руху, типу хвилі). Заломлення відбувається при перетині ультразвуковою хвилею межі двох середовищ із-за змін в її швидкості і напрямі. Як віддзеркалення, так і заломлення аналогічні явищам, спостережуваним в дослідах зі світловими променями.

Співвідношення між кутами падіння і заломлення визначає закон Снеліуса:

,                                                    (14)

де  і  - відповідно кут падіння і кут заломлення;

     UA і UВ - швидкість ультразвукових хвиль в середовищах А і В.

Конверсія хвиль. Допустимо, що обидва дотичні середовища тверді. Коли ультразвукова хвиля падає на межу, утворюються два критичні кути: один для подовжніх хвиль, інший - для поперечних. Це явище називається хвилевою конверсією, трансформацією хвиль.

1.2.4 Критичні кути та їх значення для різних середовищ

Кут, при якому зникає заломлена подовжня хвиля (=90°), називають першим критичним кутом  .

При великих кутах падіння в другому середовищі залишиться тільки поперечна хвиля. При другому критичному куті поперечна хвиля пройде уздовж поверхні, тобто обидві заломлені хвилі випробують повне внутрішньо віддзеркалення.

Кут, при якому зникає заломлена, поперечна хвиля пройде уподовж поверхні, тобто буде повне внутрішнє віддзеркалення (αL=90°), називають другим критичним кутом  .

Найбільш розповсюджиний спосіб збудження поперечних хвиль у виробі - за допомогою перетворювача з призмою, кут якої лежить між першим і другим критичними кутами.

Для межі органічне скло - сталь перший критичний кут падіння подовжньої хвилі в оргсклі = 27,5°С. При цьому кут заломлення для подовжньої хвилі = 90°С, а для поперечної = 33°С. Другий критичний кут = 57,5°С.

1.3. Випромінювання та приймання ультразвукових коливань

1.3.1. Спосіб збудження ультразвукових коливань

П'єзоелектричний. У ультразвуковій дефектоскопії як випромінювачі і приймачі ультразвуку найчастіше використовують круглі, прямокутні або квадратні п’єзопластини з п’єзокераміки типу ЦТС-19 або п'єзокварцу. При подачі на п’єзопластину електричної напруги вона змінює свою товщину унаслідок так званого зворотного п'єзоелектричного ефекту. Якщо напруга знакозмінна, то пластина коливається в такт з цими змінами, створюючи в навколишньому середовищі пружні коливання. При цьому пластина працює як випромінювач (рис. 2, а). І навпаки, якщо п'єзоелектрична пластина сприйме імпульс тиску, то на її обкладаннях унаслідок прямого п'єзоелектричного ефекту появляється електричні заряди, величина яких може бути зміряна. В цьому випадку п’єзопластина працює як приймач (рис. 2, б). Для додатку і знімання електричного поля на протиставлених поверхнях п’єзопластини нанесені срібні електроди.

До переваг цього способу відносяться висока чутливість і малогабаритність п’єзоперетворювачів. Основним недоліком, істотне обмежуючим застосування даного способу, є необхідність рідкого контактуючого середовища для передачі ультразвукових коливань від перетворювача до виробу і назад. Крім того, наявність тонкого рідкого прошарку приводить до нестабільності акустичного контакту і, як наслідок, зниження достовірності результатів ультразвукового контролю.

Напрям дії сили

 

Рисунок 2 - Схема роботи п’єзопластини:

а - при збудженні ультразвуку; б - при прийомі ультразвуку

 

Для виключення впливу стабільності акустичного контакту на результати ультразвукового контролю застосовують щілинний імерсійний варіант контролю, В першому випадку відстань між поверхнею п’єзоперетворювача і поверхнею контрольованого виробу приблизно рівна , а в другому випадку - значно більше . Слід зазначити, що ці способи можуть застосовуватися тільки для певного виду виробів, коли контроль здійснюють в горизонтальній площині. Крім того, при їх застосуванні виникають додаткові перешкоди, які ускладнюють розшифровку прийнятих луно-сигналів. У зв'язку з цим останнім часом знаходять застосування безконтактні способи введення ультразвукових коливань.

Електромагнітоакустичний (ЕМА). Принцип збудження і реєстрації ультразвукової здвигової хвилі пояснюється на рис. 3. При подачі на високоякісну котушку змінного струму виникаюче змінне магнітне поле наводитиме вихровий струм в поверхневому шарі. В результаті взаємодії змінного вихрового струму з постійним або змінним магнітним полем частинки металу здійснюватимуть коливальний рух в площині, паралельній площині об'єкту, порушуючи поперечну хвилю, що розповсюджується перпендикулярно до цієї площини. Відбита від неоднорідності або протилежної сторони поверхні ультразвукова хвиля повертається до поверхні сканування, викликає коливальний рух частинок середовища в магнітному полі і приводить до виникнення вихрових струмів. Електромагнітне поле цих струмів, перетинаючи високочастотну котушку, наводитиме в ній змінну ЕДС, яка перетворює в електричний сигнал, посилюється і реєструється індикатором.

Рисунок 3 - Схема збудження ультразвуку ЕМА - методом:1 - контрольований виріб; 2 - постійний магніт; 3 - високочастотна котушка; 4 - контур вихрового струму; 5 - електродинамічна сила, що діє на частинки металу; 6 - збуджена поперечна хвиля

 

 

Описаний електродинамічний ефект дозволяє порушувати як поперечні, так і подовжні хвилі в будь-яких струмопровідних матеріалах. У феромагнітних матеріалах ефективність збудження подовжніх хвиль гірше порівняно з поперечними, унаслідок великої магнітної проникності цих матеріалів. Для збудження хвиль під кутом до поверхні, хвиль Релея і Лемба застосовують котушки з протилежним напрямом струмів, в яких провідники розташовані на відстані,  де Ср - фазова швидкість.

За допомогою ЕМА - методу вдається порушити нормальні поперечні хвилі, що украй важко зробити іншим способом. Одним з важливих достоїнств методу є стабільність амплітуди сигналу за наявності нерівностей поверхні, окалини або фарби. До достоїнств методу слід також віднести можливість контролю при високих температурах (до 1300ºС), виборчу можливість прийому такого типу хвиль, який нас особливо цікавить. Останній чинник особливо важливий при вивченні типу хвиль від джерел акустичної емісії. Недоліками слід вважати громіздкість перетворювачів і різке зменшення чутливості із збільшенням величини зазору.

Встановлено, що чутливість методу при  = 0,1…0,2мм в 2…3 разу нижче в порівнянні з п'єзоелектричним методом збудження УЗ-коливань. В даний час метод знайшов застосування при контролі рейок, труб і так далі.

Лазерне збудження. При опромінюванні енергією світлового потоку якої-небудь ділянки тіла інші ділянки цього тіла набувають підвищеної температури не відразу, а лише через деякий час. Нерівномірний розподіл температура приводить до нерівномірного теплового розширення тіла, до появи термомеханічної напруги. Оскільки ця напруга змінюється в часі, то в результаті виникають акустичні хвилі, що випромінюються шаром з температурою, що змінюється. Амплітуда акустичного імпульсу лінійно залежить від енергії лазерного імпульсу. Необхідно відзначити, що тривалість і спектральний склад акустичного імпульсу не залежить від щільності потоку енергії, а визначається тільки пружними і тепловими характеристиками матеріалу, а саме відношенням , де  - коефіцієнт температуропровідності.

Крім термомеханічного ефекту для виробів невеликих розмірів поява акустичних хвиль обумовлена імпульсом віддачі, що виникає при виборі частини матеріалу з поверхні зразка. Акустичний імпульс може збудитися також унаслідок ефекту світлового тиску. Проте інтенсивність порушуваних коливань від цієї дії украй низка і їх важко зареєструвати звичайною апаратурою.

Рисунок 4 - Схема збудження ультразвуку лазером: 1 -твердотілий лазер; 2 - об'єкту контролю; 3 - напівпрозоре скло;

4- інтерферометра; 5 - підсилювача;                      6 - реєстратора; 7- гелієвий лазер

 

Проте одна з складних завдань при даному способі збудження пов'язані з прийомом ультразвукових коливань, наприклад, застосування інтерферометрів (рис. 4). Промінь від гелієвого лазера розщеплюється напівпрозорим склом на два проміння. Один з них проходить на виріб, що коливається від ультразвукової хвилі, а другий в інтерферометр. Відбитий від виробу промінь також поступає в інтерферометр, порівнюється з опорним, посилюється і поступає на осцилограф. Діапазон частот сигналів, що приймаються, 0,05 - 10МГц.

Проте інтерферометри володіють рядом недоліків: наявність шумів фотопомножувача, чутливість до вібрацій, складність і громіздкість.

Чутливість приведеної схеми контролю значно нижче в порівнянні із звичайним способом контролю. Основні причини, стримуючі застосування лазерного збудження, - це невирішена проблема прийому сигналів і відсутність твердотільних лазерів, що відповідають необхідним по частоті посиланих імпульсів і їх надійності. Проте лазерний спосіб збудження ультразвукових коливань вельми перспективний, враховуючи велику амплітуду (у 500…1000 разів більше, ніж п’єзоперетворювачем), малу тривалість зондуючого імпульсу, практично відсутністю мертвої зони.

Радіаційні збудження. При опромінюванні твердого тіла потоками частинок-прискорювачів в нім генеруються акустичні хвилі унаслідок термомеханічної напруги, динамічного удару і живцевого випромінювання заряджених частинок.

В даний час як джерело електронів використовуються установки типу МИРА-2Д з двохелектродною трубкою ИМАЗ-150Э з холодним катодом (рис. 5). Виведення електронного пучка в атмосферу здійснюють через тонке берилієве вікно завтовшки 0,1 - 0,2мм, яке забезпечує надійну герметизацію, пропускання електронів з малим поглинанням і високу температуру плавлення.

У сильноточном пучку при великій концентрації іонів середня щільність потоку електронів в пучку залишається практично на значній відстані від джерела. При малих концентраціях іонів розходимість пучка дуже сильна. Встановлено, що максимальна відстань, на якій добре збуджується УЗ-імпульси, рівна  60мм.

Рисунок 5 - Схема збудження ультразвуку пучком електронів:                       1 - прискорювач електронів; 2 - мішень;         3 - об'єкт контролю; 4 - ЕМА - перетворювач; 5 - підсилювач; 6 - осцилограф.

 

Тривалість УЗ-імпульса незначна і складає 25…30нс, а амплітуда 20мВ, акустичний тиск, що виникає в зразку, приблизно таке ж, як і при лазерному збудженні, і складає 5Па. При лазерному і радіаційному опромінюванні матеріалу в металі збуджується тільки подовжня хвиля. Даному способу збудження властиві ті ж переваги і недоліки, що і лазерному. Відомі і інші безконтактні способи збудження ультразвукових коливань - магнітострикційний, повітряно-акустичний, ємкісною, електроіськровий, які не застосовуються для виявлення дефектів і тому тут не розглядаються.

 

6