/
Автор: Ланге Ю.В. Клюев В.В. Ермолов И.Н.
Теги: испытания материалов товароведение силовые станции общая энергетика техника и технические науки в целом машиностроение ультразвук неразрушающий контроль
ISBN: 5-217-03224-3
Год: 2004
Текст
НЕРАЗРУШАЮЩИИ
КОНТРОЛЬ
СПРАВОЧНИК
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ
КОНТРОЛЬ
Справочник в 7 томах
под редакцией чл.-корр. РАН
В.В. КЛЮЕВА
ТомЗ
И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ
УДК [681.2+620](035)
ББК 30.82
Н 54
Н54
Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева.
Т. 3: Ультразвуковой контроль I И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. - М.: Маши-
построение, 2004. - 864 с.: ил.
Ультразвуковой контроль - один из наиболее эффективных и универсальных видов неразру-
шающего контроля и диагностики ответственных изделий нз различных металлических и неметалли-
ческих материалов, в том числе оценки их фнзнко-механических характеристик - постоянных упруго-
сти, прочности, твердости и т.п. Методы ультразвукового контроля очень многообразны. Онн приме-
няются для решения широкого круга задач во многих отраслях промышленности, а также в научных
исследованиях.
В справочнике рассмотрены физические основы высокочастотных н низкочастотных акустиче-
ских методов, их классификация, области применения, эксплуатационные возможности н особенности.
Даны сведения об аппаратуре и методиках контроля типовых изделий. Приведены рекомендации по
выбору метода для решения конкретных задач. Описаны не только широкое известные, но и мало
знакомые в России, но уже давно применяемые на Западе методы. Главное внимание уделено описа-
нию физических явлений. Приведены требования к техническим знаниям персонала неразрушающего
контроля; Рекомендации ICNDT WN 16-85 изм. 01 и Европейские стандарты по ультразвуковому
контролю.
Справочник представляет собой наиболее полное пособие, отражающее не только современное
состояние, но и новейшие тенденции развития ультразвукового контроля. Для широкого круга читате-
лей: инженерно-технических и научных работников, преподавателей, студентов, аспирантов втузов,
заводских работников служб контроля, а также для специалистов, готовящихся к сдаче экзаменов на II
и III уровни квалификации по ультразвуковому контролю.
ISBN 5-217-03224-3 (Т. 3)
ISBN 5-217-03185-9
© НИИИН МНПО «Спектр», 2004
© «Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 2004
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................ 9
СПИСОК ОБЩИХ СОКРАЩЕНИЙ
И АББРЕВИАТУР...................... 11
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
АКУСТИЧЕСКОГО КОНТ-
РОЛЯ ............................ 12
1.1. Упругие колебания и вол-
ны 12
1.1.1. Основные понятия.. 12
1.1.2. Типы волн. Области
применения................... 20
1.1.3. Акустические свойства
сред 29
1.1.4. Отражение и преломле-
ние волн на границах сред. 40
1.1.5. Дифракция на препятст-
виях и рефракция.......... 51
1.2. Излучение и прием упру-
гих колебаний и волн...... 53
1.2.1. Пьезоэффект. Пьезопре-
образователи................. 54
1.2.2. Согласование высоко-
частотного пьезопреобразова-
теля с дефектоскопом...... 62
1.2.3. Основные характеристи-
ки высокочастотных преобра-
зователей ................... 64
1.2.4. Другие типы электроаку-
стических преобразователей ... 68
1.3. Акустическое поле высо-
кочастотного преобразователя 81
1.3.1. Поле прямого контакт-
ного преобразователя...... 81
1.3.2. Поле преобразователя с
акустической задержкой.... 90
1.3.3. Поле фокусирующего
преобразователя.............. 95
1.3.4. Поле фазированной ре-
шетки .................... 99
1.4. Простейшие колебатель-
ные системы................. 103
1.4.1. Основные понятия.. 103
1.4.2. Продольные колебания
стержней.................... 107
1.4.3. Поперечные колебания
стержней..................... НО
1.4.4. Поперечные колебания
пластин..................... 111
1.4.5. Электромеханические
аналогии................... 116
1.5. Нелинейные методы и АК 124
1.5.1. Измерение нелинейных
модулей упругости............. 125
1.5.2. Пространственное рас-
пределение нелинейности... 126
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕС-
КОГО КОНТРОЛЯ.................... 129
2.1. Классификация методов.
Способы акустического кон-
такта ........................ 129
2.1.1. Классификация методов . 129
2.1.2. Методы отражения... 130
2.1.3. Методы прохождения .... 133
2.1.4. Комбинированные методы 136
2.1.5. Методы собственных ко-
лебаний ...................... 137
2.1.6. Импедансные методы. 138
2.1.7. Пассивные методы кон-
троля ........................ 138
2.1.8. Классификация прибо-
ров НК по назначению...... 140
2.1.9. Способы акустического
контакта...................... 140
2.1.10. Преимущества и недос-
татки АК по сравнению с дру-
гими методами................. 141
2.2. Дефектоскопия методами
отражения..................... 143
2.2.1. Аппаратура для контроля
методами отражения............ 143
2.2.1.1. Импульсный дефекто-
скоп 143
2.2.1.2. Преобразователи для
контроля методами отражения 156
2.2.1.3. Стандартные образцы
и пронерка дефектоскопа... 168
2.2.2. Расчет амплитуд эхосиг-
налов......................... 176
2.2.2.1. Формулы эхосигналов
для прямого преобразователя 177
2.2.2.2. Расчет эхосигналов по
диаграммам и графикам..... 181
2.2.2.3. Угловые отражатели ... 188
2.2.2.4. Особенности отраже-
ния от реальных дефектов.. 191
2.2.2.5. Огибающие эхосигна-
лов 194
2.2.3. Помехи эхометода и спо-
собы борьбы с ними............ 194
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
2.2.3Л. Внешние шумы....... 195
2.2.3.2. Помехи дефектоскопа .. 195
2.2.3.3. Помехи преобразователя 196
2.2.3.4. Ложные сигналы.... 196
2.2.3.5. Структурные помехи ... 201
2.2.4. Основные параметры и
характеристики эхометода,
способы их оптимизации и
проверки....................... 203
2.2.4.1. Основные характери-
стики и параметры эхометода 203
2.2.4.2. Длина волны и рабочая
частота колебаний.............. 204
2.2.4.3. Угол ввода луча при
контроле эхометодом........ 206
2.2.4.4. Точность измерения ко-
ординат дефектов............... 213
2.2.4.5. Чувствительность.. 219
2.2.4.6. Мертвая зона...... 233
2.2.4.7. Разрешающая способ-
ность 235
2.2.4.8. Плотность сканирова-
ния 240
2.2.4.9. Стабильность акусти-
ческого контакта............... 241
2.2.5. Другие методы отраже-
ния 245
2.2.5.1. Эхозеркальный метод .. 245
2.2.5.2. Дельта-метод...... 251
2.2.5.3. Дифракционно-времен-
ной метод...................... 252
2.2.5.4. Реверберационный ме-
тод 259
2.2.5.5. Акустическая микро-
скопия ........................ 260
2.2.5.6. Когерентные методы ... 263
2.3. Методы прохождения и
комбинированные методы..... 267
2.3.1. Амплитудный метод про-
хождения (амплитудный тене-
вой метод)..................... 267
2.3.2. Временной метод про-
хождения ...................... 271
2.3.3. Зеркально-теневой метод 272
2.3.4. Метод многократной те-
ни 275
2.3.5. Велосиметрический ме-
тод 275
2.3.6. Эхосквозной метод.. 283
2.3.7. Фотоакустическая мик-
роскопия ................. 284
2.3.8. Реверберационно-сквоз-
ной метод................. 287
2.3.9. Метод лазерного детек-
тирования ................ 289
2.4. Методы собственных ко-
лебаний .................. 291
2.4.1. Общие сведения..... 291
2.4.2. Методы вынужденных
колебаний................. 292
2.4.2.1. Интегральный метод
вынужденных колебаний..... 292
2.4.2.2. Локальный метод вы-
нужденных колебаний....... 292
2.4.3. Методы свободных ко-
лебаний .................. 296
2.4.3.1. Интегральный метод
свободных колебаний....... 296
2.4.3.2. Локальный метод сво-
бодных колебаний (МСК).... 297
2.4.4. Акустико-топографичес-
кий метод................. 302
2.5. Импедансные методы... 303
2.5.1. Свойства сухого точеч-
ного контакта............. 304
2.5.2. Импедансный метод с
применением изгибных волн ... 307
2.5.3. Импедансный метод с
применением продольных
волн...................... 326
2.5.4. Метод контактного им-
педанса .................. 327
Глава 3. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОН-
ТРОЛЬ МЕТАЛЛОВ............ 330
3.1. Общие рекомендации... 330
ОГЛАВЛЕНИЕ
5
3.1.1. Общие положения раз-
работки методики контроля .... 330
3.1.2. Выбор схемы контроля ... 330
3.1.3. Подготовка к контролю .. 335
3.1.4. Проведение контроля .... 342
3.1.5. Оценка качества..... 342
3.1.6. Оформление результатов
контроля....................... 343
3.1.7. Условия выполнения кон-
троля, требования техники бе-
зопасности и промышленной
санитарии...................... 344
3.1.8. Контроль при повышен-
ной температуре................ 344
3.1.9. Ультразвуковой кон-
троль в процессе эксплуатации 345
3.2. Измеряемые характери-
стики н признаки дефектов .... 346
3.2.1. Измерение координат
дефекта........................ 346
3.2.2. Измерение максималь-
ной амплитуды эхосигнала и
эквивалентной площади де-
фекта 350
3.2.3. Условные размеры де-
фекта и способы их измерения 353
3.2.4. Признаки дефектов на
основе их условных размеров .. 359
3.2.5. Число дефектов; разре-
шающая способность......... 361
3.2.6. Расстояние между де-
фектами ....................... 363
3.2.7. Оценка конфигурации
дефектов....................... 363
3.2.7.1. Постановка задачи. 363
3.2.7.2. Обзор способов опре-
деления формы несплошно-
стей 364
3.2.7.3. Методика распознава-
ния дефектов по коэффициен-
ту формы....................... 367
3.2.7.4. Методика исследова-
ния несплошностей при изме-
нении угла озвучивания..... 369
3.2.7.5. Методика исследова-
ния несплошностей дифракци-
онно-временным методом..... 371
3.2.7.6. Применение систем
акустической голографии.... 373
3.3. Контроль изделий раз-
личного типа................... 375
3.3.1. Контроль поковок и литья 375
3.3.1.1. Аппаратура и образцы 376
3.3.1.2. Подготовка к контролю 380
3.3.1.3. Проведение контроля .. 382
3.3.1.4. Обработка и оценка
результатов контроля....... 385
3.3.1.5. Особенности контроля
литья 392
3.3.1.6. Контроль поковок и
отливок различного типа.... 393
3.3.1.6.1. Контроль дисков
турбин, компрессоров и дру-
гих поковок авиационной про-
мышленности ............... 393
3.3.1.6.2. Контроль дисков
паровых турбин, роторов и
других крупногабаритных по-
ковок ........................... 399
3.3.1.6.3. Контроль лопаток
турбин и компрессоров.......... 402
3.3.1.6.4. Контроль ребристых
панелей 405
3.3.1.6.5. Контроль емкостей
на дефекты поверхности......... 405
3.3.1.6.6. Контроль поршней
двигателей внутреннего сгора-
ния 406
3.3.1.6.7. Контроль зубчатых
колес и канавок роторов........ 407
3.3.1.6.8. Контроль дисков
трения........................... 408
3.3.1.6.9. Контроль арматуры
изоляторов....................... 408
3.3.1.6.10. Контроль адаптеров
арматуры скважин................. 409
3.3.1.6.11. Контроль крюков
подъемных кранов................. 410
6
ОГЛАВЛЕНИЕ
3.3.1.6.12. Контроль осей ло-
комотивов и вагонов.............. 411
3.3.1.6.13. Контроль колес же-
лезнодорожного транспорта... 415
3.3.2. Контроль проката........ 417
З.З.2.1. Контроль листов....... 417
3.3.2.2. Контроль труб......... 432
3.3.2.3. Контроль прутков и
проволоки........................ 456
3.3.2.4. Контроль рельсов...... 460
Глава 4. КОНТРОЛЬ МНОГОСЛОЙ-
НЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИЗ-
ДЕЛИЙ ИЗ НЕМЕТАЛЛИ-
ЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.... 473
4.1. Общие сведения о много- 473
слойных конструкциях и поли-
мерных материалах........
4.2. Преобразователи для кон-
троля методом прохождения и
эхометодом............... 478
4.3. Контроль сотовых панелей
и тонких листов из ПКМ..... 482
4.3.1. Контроль преобразовате-
лями с сухим и жидкостным
контактом................... 483
4.3.2. Контроль бесконтактными
и комбинированными преобразо-
вателями ................... 495
4.4. Контроль крупногабарит-
ных изделий из ПКМ простой и
сложной формы............... 502
4.5. Контроль специальных ком-
позиционных материалов..... 512
4.6. Контроль неметаллических
покрытий на силовых каркасах 514
4.7. Контроль соединений в
многослойных листовых конст-
рукциях .................... 517
4.8. Контроль пенопластов и
трехслойных панелей с пено-
пластовым заполнителем..... 519
4.9. Контроль соединений труб
из неармированных и армиро-
ванных пластиков............ 522
4.10. Контроль воздушных вин-
тов из композиционных мате-
риалов ..................... 524
4.11. Контроль резиновых шин .. 524
4.12. Высокопроизводительный
контроль небольших изделий
интегральными методами соб-
ственных частот............ 525
4.13. Контроль фарфора, стекла
и керамики................. 526
4.14. Дефектоскопия и толщи-
нометрия изделий из бетона и
железобетона............... 529
4.14.1. Общие сведения..... 529
4.14.2. Дефектоскопия и толщи-
нометрия................... 530
4.15. Контроль изделий из ПКМ
больших толщин со специаль-
ной обработкой информации ... 542
Глава 5. КОНТРОЛЬ СОЕДИНЕ-
НИЙ ........................ 555
5.1. Контроль сварных соедине-
ний ....................... 555
5.1.1. Общие рекомендации при
контроле сварки плавлением .... 555
5.1.1.1. Средства контроля. 556
5.1.1.2. Схема контроля.... 556
5.1.1.3. Подготовка к контролю 559
5.1.1.4. Проведение контроля .. 565
5.1.1.5. Оценка качества свар-
ных соединений............. 568
5.1.2. Контроль различных ти-
пов сварных соединений из уг-
леродистых сталей.......... 571
5.1.2.1. Контроль стыковых швов 571
5.1.2.2. Контроль стыковых
сварных соединений, выполнен-
ных на подкладках или в замок 580
5.1.2.3. Контроль тавровых, уг-
ловых и нахлесточных соеди-
нений 583
5.1.2.4. Контроль стыковых про-
дольных сварных соединений
цилиндрических конструкций... 591
5.1.2.5. Контроль сварных со-
единений сферических изделий 594
ОГЛАВЛЕНИЕ
7
5.1.2.6. Контроль швов, выпол-
ненных электронно-лучевой
сваркой.................... 596
5.1.3. Контроль сварных соеди-
нений и покрытий не из углеро-
дистых сталей.............. 597
5.1.3.1. Контроль аустенитных
сварных соединений......... 597
5.1.3.2. Контроль биметалличе-
ских материалов, покрытий,
наплавки, плакировки и сварных
соединений с наплавкой...... 607
5.1.3.3. Особенности контроля
сварных соединений некоторых
металлов.................... 618
5.1.3.4. Контроль сварных со-
единений труб из неармирован-
ных и армированных пластиков 620
5.1.4. Контроль соединений,
выполненных сваркой, давлени-
ем ........................ 624
5.1.5. Нестандартные варианты
контроля сварных соединений 631
5.1.6. Сопоставление россий-
ских нормативных документов
по контролю сварных соедине-
ний и антикоррозионных напла-
вок с нормативными докумен-
тами других стран........... 641
5.1.7. Автоматизация и механи-
зация контроля сварных соеди-
нений ...................... 642
5.1.7.1. Особенности автомати-
зации и механизации контроля 642
5.1.7.2. Перемещение преобра-
зователей .................. 643
5.1.7.3. Обеспечение стабильно-
го акустического контакта 644
5.1.7.4. Автоматическая регист-
рация результатов контроля .... 644
5.1.7.5. Схемы автоматического
контроля.................... 645
5.1.7.6. Установки автоматиче-
ского контроля.............. 646
5.1.7.7. Средства механизации
контроля.................... 651
5.1.8. Сопоставление и совме-
щение ультразвукового и радиа-
ционного методов контроля
сварных соединений.......... 657
5.2. Контроль паяных соедине-
ний ........................ 663
5.3. Контроль заливки....... 671
5.4. Контроль резьбовых соеди-
нений ...................... 672
5.5. Контроль напрессовки... 682
5.6. Контроль заклепочных со-
единений ................... 685
5.7. Контроль клеевых соедине-
ний ........................ 687
Глава 6. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗМЕРОВ 689
6.1. Ультразвуковая толщино-
метрия...................... 689
6.1.1. Задачи и методы измере-
ния 689
6.1.2. Погрешности измерения 693
6.1.3. Ограничивающие пара-
метры объекта контроля..... 698
6.1.4. Аппаратура для толщино-
метрии...................... 699
6.1.5. Методики измерения тол-
щины ....................... 708
6.1.5.1. Основные положения 708
6.1.5.2. Измерение толщины в
атомной энергетике и судо-
строении ................... 710
6.1.5.3. Измерение толщины
антикоррозионной наплавки ... 715
6.1.5.4. Измерение толщины сте-
нок литых лопаток авиадвигате-
лей ........................ 719
6.1.5.5. Контроль труб на ло-
кальные утонения............ 721
6.2. Измерение деформаций .... 721
6.3. Измерение диаметра и длины 722
6.4. Контроль шероховатости
поверхности................. 727
6.5. Контроль толщины слоя
осадков и нагара............ 729
6.6. Измерение вибраций.... 731
8
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 7. КОНТРОЛЬ ФИЗИКО-
МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙ-
СТВ МАТЕРИАЛОВ................... 732
7.1. Общие сведения...... 732
7.2. Способы измерения скоро-
сти и коэффициента затухания
ультразвука............... 733
7.3. Контроль упругих свойств
материалов................ 737
7.4. Акустическая тензометрия 742
7.5. Контроль прочности.. 751
7.5.1. Общие сведения.... 751
7.5.2. Контроль прочности ме-
таллов ................... 752
7.5.3. Контроль прочности свар-
ных соединений............ 754
7.5.4. Контроль прочности по-
лимерных композиционных ма-
териалов и пенопластов... 755
7.5.5. Контроль прочности стро-
ительных материалов...... 762
7.5.6. Контроль процесса отвер-
ждения бетона............. 772
7.5.7. Контроль прочности клее-
вых соединений............ 773
7.6. Контроль твердости мате-
риалов ................... 776
7.7. Контроль состава и плотно-
сти материалов............ 780
7.8. Контроль структуры металлов 781
7.9. Контроль структуры и
свойств чугуна............ 793
7.10. Контроль структуры и
свойств спеченных порошковых
и термореактивных материалов 796
7.11. Контроль межкристаллит-
ной коррозии и коррозии под
напряжением............... 799
7.12. Контроль поверхностно
упрочненных слоев......... 801
7.13. Контроль покрытий из
неметаллических материалов 804
7.14. Контроль физико-механи-
ческих свойств абразивных ин-
струментов, огнеупоров, кера-
мики и металлокерамики.... 804
7.15. Контроль физико-механи-
ческих характеристик древеси-
ны и ее производных....... 810
7.16. Контроль степени полиме-
ризации пластиков и пропитки
связующими армирующих во-
локон .................... 812
7.17. Контроль замерзания и от-
таивания жидкости......... 816
7.18. Контроль физико-механи-
ческих теплофизических свойств
материалов в ядерной энергетике .. 816
7.19. Использование ультразву-
ка в физических измерениях .... 825
ПРИЛОЖЕНИЯ...................... 828
1. Требования к техническим
знаниям персонала неразру-
шающего контроля. Ультразву-
ковой контроль. Рекомендации
ICNDT WH 16-85 изм. 01 ... 828
2. Европейские стандарты по
ультразвуковому контролю 836
3. Перечень Государственных
стандартов по акустическому
контролю.................. 838
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............... 840
ультразвуковой контроль
введение
Развитие и применение акустических
методов контроля в науке и технике под-
робно рассмотрены в [246]. Основной тип
акустических колебаний и волн, исполь-
зуемых в неразрушающем контроле, -
ультразвуковые колебания и волны. Об-
щепризнанным первооткрывателем ульт-
развуковой дефектоскопии является круп-
ный российский ученый, профессор, член-
корреспондент Академии наук Сергей
Яковлевич Соколов.
Исторически первыми для целей не-
разрушающего контроля были использо-
ваны упругие волны ультразвуковых час-
тот (> 20 кГц). Поэтому естественно поя-
вились термины "ультразвуковой метод" и
их производные. Однако в дальнейшем
были разработаны и широко внедрены
методы, основанные на применении более
низких частот звукового диапазона (метод
собственных колебаний, импедансный
метод и др.), которые не охватываются
термином "ультразвуковой контроль". Для
устранения этого противоречия в приня-
том в 1979 г. ГОСТ 18353-79, регламенти-
рующем классификацию видов и методов
неразрушающего контроля, термин "ульт-
развуковой контроль" и его производные
заменены более общим термином "акусти-
ческий контроль", включающим в себя
упругие колебания любых частот. При
этом термин "ультразвуковой контроль"
сохранен, но имеет уже более узкий
смысл, распространяясь на случаи исполь-
зования частот только ультразвукового
диапазона. Принятая в ГОСТ 18353-79
терминология широко использована во
всех последующих отечественных публи-
кациях.
Однако в Европе, США и других
странах продолжают пользоваться терми-
ном "ультразвуковой контроль" (Ultrasonic
Testing), входящим во все международные
документы. Поэтому в последние годы, в
связи с необходимостью гармонизации
документации с европейскими и междуна-
родными организациями возникло проти-
воречие в терминологии. Для исключения
этого уже в процессе редактирования кни-
ги ее первоначальное название "Акустиче-
ский контроль", было изменено на "Ульт-
развуковой контроль". Однако изложение
материала в книге сохранено прежним, т.е.
базируется на терминологии ГОСТ 18353—
79.
Ультразвуковые колебания и волны
широко применяются в практике. Под
воздействием мощных ультразвуковых
колебаний успешно реализуются многие
технологические процессы, такие как рез-
ка хрупких материалов, сварка пластмасс,
очистка поверхностей, коагуляция взве-
шенных частиц и многие другие. Широкое
применение находят ультразвуковые вол-
ны как средство измерений, контроля и
диагностики, например в гидролокации,
медицинских исследованиях [27].
В этой книге рассмотрено примене-
ние акустических колебаний и волн в ка-
честве средства контроля материалов. В
этот том вошли все методы контроля ма-
териалов и изделий с помощью акустиче-
ских (упругих) колебаний и волн, за ис-
ключением акустико-эмиссионного, виб-
ро- и шумодиагностических, описанных в
других томах. Эти методы упомянуты
лишь в общей классификации методов
акустического контроля. Наиболее полно
10
ВВЕДЕНИЕ
изложены виды контроля, получившие
широкое практическое применение. Ма-
лоприменимые в настоящее время виды
контроля (например, резонансный метод)
изложены в сокращенном виде. В книгу
включены многие оригинальные разра-
ботки российских и иностранных ученых.
Авторы стремились сделать содержа-
ние предельно полезным для практиче-
ских работников и разработчиков аппара-
туры. Даны только простые алгебраиче-
ские формулы, нужные для практических
расчетов, выводы формул не представле-
ны. Их можно найти в учебнике [247] и
приведенных в библиографии оригиналь-
ных работах. Сводка справочных данных
содержится в [135]. Сложные формулы и
номограммы сопровождаются примерами
применения.
Значительное место отведено новым
способам и областям применения акусти-
ческих методов для решения широкого
круга практических задач, а также мето-
дам, малоизвестным в России, но широко
применяемым на Западе, например ди-
фракционному временному (TOFD), ре-
верберационно-сквозному (или акустико-
ультразвуковому).
Авторы излагали материал в логиче-
ской последовательности, обращали осо-
бое внимание на физическую сущность
рассматриваемых явлений. Приведены
структурные схемы основных типов при-
боров, но конструкции конкретных при-
боров, как правило, не приводятся, по-
скольку эти сведения быстро устаревают.
Авторы выражают благодарность
всем специалистам, оказавшим помощь в
написании книги и давшим полезные со-
веты. Такие ученые и инженеры, как
Н.П. Алешин, А.С. Анненков, В.Г. Бада-
лян, В.М. Баранов, В.Е. Белый, В.А. Боб-
ров, В.Т. Бобров, Г.А. Буденков, В.М. Ве-
ревкин, А.Х. Вопилкин, В.А. Воронков,
Л.В. Воронкова, Г.А. Тиллер, М.Б. Гитис,
С.Я. Гмырин, А.С. Голубев, А.К. Гурвич,
В.Н. Данилов, Д.Б. Дианов, В.И. Домаркас,
Г.Я. Дымкин, В.В. Залесский, В.А. Ильин,
Р. Кажис, В.К. Качанов, М.В. Королев,
Е.Ф. Кретов, И.И. Крюков, В.Г Лупачев,
А.С. Матвеев, Л.Г. Меркулов, И.Б. Мос-
ковенко, С.К. Паврос, С.Х. Пасси, В.С. По-
пов, В.Т Пронякин, Н.П. Разыграев, Ю.М. Рап-
попорт, А.Л. Ремизов, М.В. Розина,
О.В. Руденко, В.И. Рыжов-Никонов, А.А. Са-
мокрутов, И.В. Соколов, В.В. Сухоруков,
М.П. Уральский, В.М. Ушаков, Н.В. Хим-
ченко, В.Г. Шевалдыкин, Ю.М. Шкарлет,
И.Э. Школьник, Н.Г. Шмелев, Д.А. Шпа-
гин, О.Н. Щербаков, В.Г. Щербинский,
В.В. Юнникова, Л.А. Яковлев и др., фак-
тически являются соавторами данного
тома, поскольку в него включены значи-
тельные фрагменты из их трудов или с их
помощью написаны разделы книги.
СПИСОК ОБЩИХ СОКРАЩЕНИЙ И АББРЕВИАТУР
АК- акустический контроль;
АРД (диаг- рамма) - диаграмма амплитуда - расстояние - диаметр;
АСД- автоматический сигнализатор дефектов;
АЭ- акустическая эмиссия;
БЦО- блок цифровой обработки;
ДВМ- дифракционно-временной метод;
ЗТ- зеркально-теневой (метод);
МИС- Международный институт сварки;
МСК- МСК- дефек- тоскоп - метод свободных колебаний; дефектоскоп, основанный на методе свободных колебаний;
нтд- нормативно-технический документ (документация);
ОК- объект контроля;
РС- раздельно-совмещенный (преобразователь);
РСкв - реверберационно-сквозной (метод);
СО- стандартный образец;
СОП- стандартный образец предприятия;
ПАВ- поверхностно-активное вещество;
ПКМ- полимерный композиционнный материал;
ПЭП- пьезоэлектрический преобразователь;
РШХ- реверберационно-шумовая характеристика;
СТК- сухой точечный контакт;
УЗ- ультразвук, ультразвуковой;
УЗД- ультразвуковая дефектоскопия, ультразвуковой дефектоскоп;
ФР- фазированная решетка;
ЭАП- электроакустический преобразователь;
ЭМА- электромагнитно-акустический (преобразователь).
Глава 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
1.1. УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ
И ВОЛНЫ
1.1.1. Основные понятия
Колебание - движение вокруг неко-
торого среднего положения, обладающее
повторяемостью, например колебание ма-
ятника. В акустике обычно рассматривают
колебания точки среды относительно по-
ложения, в котором точка находилась в
покое. Волны - колебательные движения,
распространяющиеся в пространстве: ко-
лебания одной точки передаются соседней
и т.д. В большинстве видов неразрушаю-
щего контроля (радиационном, оптиче-
ском, тепловом, радиоволновом) исполь-
зуются электромагнитные колебания и
волны. В отличие от них в акустических
видах используются упругие колебания и
волны.
Упругость - свойство точек среды
возвращаться к первоначальному состоя-
нию после прекращения воздействия си-
лы. Жидкие, газообразные и твердые сре-
ды восстанавливают свой объем после
сжатия или разрежения, но под действием
сил инерции точки продолжают двигаться
после достижения первоначального со-
стояния. В результате сжатие переходит в
растяжение, а потом опять в сжатие - воз-
никают упругие колебания. Такой процесс
распространяется в пространстве и обра-
зует упругую волну (рис. 1.1, а, б).
Обычно акустические колебания
происходят в области, где механическое
напряжение пропорционально деформа-
ции для твердого тела или давление про-
порционально смещению для жидкости,
газа. Это область упругого взаимодейст-
вия, ей соответствует линейная акустика.
Однако при больших отклонениях от по-
ложения равновесия пропорциональность
нарушается. Это область нелинейной аку-
стики. Неразрушающему акустическому
контролю, как правило, соответствует
только область линейной акустики. Неко-
торые вопросы, связанные с применением
нелинейной акустики, будут рассмотрены
в разд. 1.5.
Колебательный процесс характеризу-
ется двумя основными величинами: часто-
той и амплитудой колебаний.
Частота - количество колебаний в
секунду (с). Ее обозначают буквой f. Одно
колебание в секунду - 1 герц (Гц). При
УЗ-контроле обычно частоту колебаний
измеряют в мегагерцах (МГц) - миллио-
нах колебаний в секунду или килогерцах
(кГц) - тысячах Гц. В зависимости от час-
тоты fупругие колебания и волны назы-
вают по-разному (табл. 1.1). При высоко-
частотном акустическом контроле обычно
применяют колебания частотой 0,5 ... 100
МГц, а при низкочастотном - частотой
0,015 ... 0,1 МГц.
Время одного колебания называют
периодом Т. Его измеряют в секундах или
микросекундах (мкс):
f = i/T.
Колебания от точки к точке среды
передаются с определенной скоростью -
скоростью распространения звука с. Рас-
стояние, пробегаемое волной за один пе-
риод колебаний, называют длиной волны X,
X = сТ -с/f.
Скорость звука во многих металлах
~6000 м/с = 6 мм/мкс. При частоте 6 МГц
длина волны равна 1 мм. Волны длиной
~1 мм (точнее, 0,2 ... 10 мм) обычно упот-
ребляются при высокочастотном УЗ-кон-
троле металлов. Небольшая длина волны
по сравнению с размером преобразователя
позволяет создать направленно-распро-
страняющуюся волну, которую рассмат-
ривают как пучок лучей.
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
13
Рис. 1.1. Волны продольная (а) и поперечная (в) и волновой процесс {б)
Часто применяют понятия "круговая
{циклическая, угловая) частота"
со = 2тс/
и "волновое число"
к = и/с = 2 л/Л .
Амплитуда. Амплитуда колебаний -
это наибольшее отклонение от положения
равновесия (см. рис. 1.1, б). Упругие коле-
бания характеризуют разными физиче-
скими величинами. Для жидкостей и газов
чаще всего используют следующие вели-
чины: смещение и частиц из положения
равновесия, скорость движения частиц
{колебательную скорость) и акустическое
давление р.
Для твердых тел обычно используют
вектор смещения й и тензор акустиче-
ских напряжений (см. далее). В дальней-
шем для упрощения формул колебания в
твердом теле будем, как правило, характе-
ризовать их акустическим давлением, что
не вполне правомерно, но существенно
упрощает математический аппарат. Там,
где возникает необходимость, учитывают-
ся особенности твердого тела.
1.1. Диапазон частот упругих колебаний
Название колебаний и волн Качественное определение Диапазон частот, Гц
физический условный
Инфразвук Ниже границы слыши- мости человека < 16 ... 25 <20
Звук Диапазон слышимости человека От 16 ... 25 до (15 ... 20)103 20 ... 20 000
Ультразвук Выше границы слы- шимости человека От(15 ... 20)103 до 109 (20-103)... 109
Гиперзвук Длина волны меньше длины свободного про- бега молекул воздуха > 109
14
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Шкала децибелов
ш
п
_ Децибелы +
60 Зв Я ST 66 5554 S3 5Z S1 5043686766 4566636261 40 406162 63 44 456647 68 49 50 5152 53 54 55565758 S3 60
40 ММ 37 33 5536 33 32 31 30 23 №27 26 2524 23 22 » 20 20 2122 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 № 37 38 33 М
20 15 10 5 оо - “
го
5
60 5ft 6,0 7,0 8fl9,0 10
600
so ' во too
soo soo то
I, 0,1
II' 0,01
III 0,001
0,002
0,4 0J5 Ofi 0,7 OfiOJ 1 1
о,Об 0,06 а,ов Ц1 io го
о,оо</ о,оов цооо ofii юо zoo
Отношение амплитуд
Рис. 1.2. Шкалы перевода относительных величии в децибелы.
Попарно используют шкалы I-Г, П-1Г, Ш-Ш’
Будем обозначать амплитудные зна-
чения соответствующими большими бук-
вами, а в общем случае - буквой А. В УЗ-
дефектоскопии обычно применяют коле-
бания с амплитудой смещения 10‘" ... 10‘4
мм. Акустическое напряжение, возни-
кающее при этом в стали на частоте
2 МГц, достигает 10 ... 108 Па (паскаль).
Энергия акустической (звуковой) -
волны это добавочная энергия, обуслов-
ленная наличием этой волны. Энергия
акустической волны в единице объема
среды называется плотностью звуковой
энергии. Она состоит из кинетической и
потенциальной частей. Для плоской бегу-
щей звуковой волны кинетическая и по-
тенциальная части энергии равны и плот-
ность полной энергии, выраженная через
амплитуду давления Р, равна
£ = Р2Дрс2),
где р - плотность среды.
Интенсивность (сила) звука J - сред-
няя по времени энергия, переносимая зву-
ковой волной через единичную площадку,
перпендикулярную к направлению рас-
пространения волны, за единицу времени.
Для периодической звуковой волны ус-
реднение проводится либо за промежуток
времени, намного больший по сравнению
с периодом, либо за целое число периодов.
Для плоской синусоидальной бегущей
волны интенсивность, выраженная через
амплитуды давления Р и смещения U,
равна
J = P2/(2pc) = 0,5pcco2t/2.
Интенсивность используемых при
контроле волн обычно весьма мала:
<10"5 Вт/м2 в месте излучения УЗ. При УЗ-
контроле, как правило, регистрируют не
интенсивность, а амплитуду волн.
В УЗ-контроле обычно измеряют ос-
лабление амплитуды А’ относительно ам-
плитуды возбужденных в ОК колебаний
Aq. Для этого применяют логарифмиче-
ские единицы - децибелы (дБ). Выражения
в дБ, когда это необходимо подчеркнуть,
будем выделять угловыми скобками ( :
(HH) = 201g(^) = 101gUp0).
Поскольку А'<А0, децибелы будут
отрицательными, однако в УЗ-дефекто-
скопии знак принято опускать. На
рис. 1.2 приведена шкала перевода отно-
сительных единиц в положительные и от-
рицательные дБ.
Пример 1.1. Как отношение амплитуд
А'! Ао = 0,045 выражается в дБ?
Находим деление 0,045 на шкале 1Г
(см. рис. 1.2). Против него на шкале II находим:
(А / До) = 26,9 дБ со знаком но его не указы-
ваем.
Если потери невелики, то возбужден-
ный колебательный процесс продолжается
очень долго. При отсутствии потерь воз-
никают непрерывные гармонические коле-
бания, т.е. изменяющиеся по синусои-
дальному закону. В УЗ-контроле обычно
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
15
колебания возбуждают и тут же стараются
погасить. В результате наблюдается крат-
ковременный волновой процесс - импульс.
Одним из параметров колебаний и
волн является их фаза. Она характеризует
состояние колебательного процесса в оп-
ределенный момент времени. Если коле-
бания непрерывные, то фаза колебаний
повторяется через каждый период. Для
импульсов строгая повторяемость пара-
метров колебаний через период отсутству-
ет. Говорят, что две непрерывные гармо-
нические волны находятся в противофазе,
если их фазы отличаются на полпериода.
Если на какую-либо точку действуют две
такие волны с одинаковыми амплитудами,
точка не колеблется, а если фазы этих
волн совпадают, амплитуда колебаний
увеличивается в 2 раза. Явление сложения
волн с учетом их фазы называют интер-
ференцией волн.
Волновое уравнение. Здесь приво-
дится упрощенное изложение теории вол-
нового процесса. Рассматривается распро-
странение волны только вдоль одной ко-
ординаты х [219].
Как частично отмечалось ранее, уп-
ругие колебания в жидкостях и газах ха-
рактеризуются одной из следующих вели-
чин: изменением давления р или плотно-
сти, смещением частиц из положения
равновесия и, скоростью колебательного
движения (колебательной скоростью) v,
потенциалом смещения или колебатель-
ной скорости. Все перечисленные величи-
ны взаимосвязаны. Следует отличать из-
менение давления или плотности, связан-
ное с распространением акустических
волн, от их статистического (среднего)
значения.
В твердых телах акустическое поле
имеет гораздо более сложный вид, чем в
жидкостях и газах, потому что твердым
телам присуща не только упругость объе-
ма, как жидкостям и газам, но и упругость
формы (сдвиговая упругость). Вместо
давления для твердых тел вводят понятие
"напряжение", т.е. "сила, отнесенная к
единице поверхности".
Рис. 1.3. Тензор напряжения
Различают нормальные (растягиваю-
щие или сжимающие) напряжения стхх,
<5уу, стzz, касательные или тангенциаль-
ные (сдвиговые) напряжения ст^, ст^ и
др. Напряженное состояние твердого тела,
таким образом, характеризуют тензором
третьего ранга ст(7 - таблицей из девяти
чисел-компонентов. Индексы i и / прини-
мают значения осей координат х, у, z. Пер-
вый индекс указывает координату, в на-
правлении которой действует сила, а вто-
рой - площадку (грань элементарного ку-
ба), перпендикулярную к направлению
указанной в нем координаты, к которой
эта сила приложена (рис. 1.3). Тензор этот
симметричный: в нем ст,7 = ст;,, а значит,
шесть независимых величин.
В жидкостях и газах, где не сущест-
вует упругости формы, тангенциальные
компоненты тензора напряжения отсутст-
вуют, а нормальные компоненты равны
друг другу и давлению с обратным зна-
ком. Давление имеет знак потому что
напряжение считают положительным, ко-
гда оно растягивающее, а давление отно-
16
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
сят к положительным, если оно сжимаю-
щее.
Колебания в твердом теле характери-
зуются, как отмечалось, изменением на-
пряжения, вектора смещения частиц и, и
потенциала смещения. Понятием "колеба-
тельная скорость" для твердого тела поль-
зуются редко. Часто колебания характери-
зуют деформацией - изменением взаимно-
го расположения ди точек тела. Это изме-
нение относят к первоначальному рас-
стоянию между точками, в результате чего
деформация становится безразмерной ве-
личиной. Если точки сдвинулись вдоль
отрезка, их соединяющего, то это дефор-
мация растяжения-сжатия (рис. 1.4, а),
Если точки сдвинулись перпендикулярно
к этому отрезку, то это деформация сдвига
(рис. 1.4, б). В результате деформацию
записывают в виде тензора ег/, аналогич-
ного тензору напряжений. В нем
еи = дих/дх -деформация растяжения-сжа-
тия вдоль оси х и аналогично для других
осей. Чтобы сделать тензор деформаций
симметричным, компонент запи-
сывают в форме c = [дих /ду + диу1дх)/2
(рис. 1.4, в) и также для других сдвиговых
компонентов деформации. Величина
£ = означает изменение объ-
ема dxdydz элементарного куба. Для жид-
костей и газов деформации сдвига отсут-
ствуют, а деформации растяжения-сжатия
по всем направлениям одинаковы.
В этой главе рассматриваются изо-
тропные среды. Изотропия - независи-
мость физических свойств среды от на-
правления в ней. Среды, в которых свой-
ства зависят от направления, называют
анизотропными. Более подробно такие
среды будут рассмотрены в разд. 7.2.
Пропорциональную зависимость ме-
жду напряжениями и деформациями на-
зывают законом Гука. В обобщенном виде
его записывают в виде [219, 220]
ст,/ = 8,/Ле„ + 2цс;/,
где 5lZ = 1, когда i = /, и 5lZ = 0, когда i Ф I.
Лиц- константы Ламэ. В технике вме-
сто последних используют модули нор-
мальной упругости Е и сдвига G:
Е = ц(ЗЛ + 2ц)/(Л + ц); G = ц .
Важная упругая константа - коэффи-
циент Пуассона v, равный отношению
сжатия к удлинению растягиваемого
стержня:
Л £
V 2(A + p)-2G’
Во всех случаях упругие свойства
изотропного твердого тела характеризуют
парой независимых упругих констант.
Волновое уравнение для твердого те-
ла выводят [219, 220] путем применения
второго закона Ньютона к элементарному
объему dxdydz. Разность сил, приложен-
ных к противоположным его граням, при-
равнивают к произведению массы на ус-
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
17
корение. В результате получают для оси х:
d2u daxx
л А _ ЛЛ AL
dt2 дх ду dz
Аналогично можно записать уравне-
ния для осей у и z. Здесь t - время.
Подставляя вместо напряжений де-
формации по закону Гука, получают урав-
нение распространения волн в упругой
среде:
р—-f--(A + p)-—pV их =0,
dt ox
^2 82 д2 д2 _
дх2 ду2 dz2
ласа. Это волновое уравнение. Его харак-
терная особенность заключается в том, что
в него входят с разными знаками вторые
производные по времени и координатам
от некоторой переменной величины.
Если положить р = 0 и считать сме-
щения их = иу — uz = и одинаковыми по
всем направлениям (скаляр), то волновое
уравнение для твердого тела переходит в
волновое уравнение для жидкости или
газа:
d2u/dt2 =c2V2u,
где с = д/л/р - скорость распространения
акустических волн.
Такие же уравнения справедливы и
для других упругих величин: давления,
плотности и т.д. Будем обозначать эти
переменные величины литерой а.
Из теории дифференциальных урав-
нений в частных производных известно,
что решение волнового уравнения имеет
вид
а = at (х - ct)+a2 (х + с/),
где а, и а2 - произвольные дважды диф-
ференцируемые функции от аргументов,
приведенных в скобках. Первое слагаемое -
это волна, распространяющаяся вдоль
оси х в положительном направлении, а
второе - волна, распространяющаяся в
обратном направлении. Здесь, как прави-
ло, будем иметь дело с прямой волной и
опускать слагаемое а2, поэтому в аргумен-
те перед х должен стоять знак если
перед / стоит Если распространяю-
щаяся в направлении оси х волна гармо-
ническая (т.е. непрерывные колебания
происходят на одной частоте), то она за-
писывается формулой
а = A cos[- к(х - с/)] = A cos(co/ - кх) =
= ЛКе[е'(ш'-^], (1 Л)
где А - исходная амплитуда волны;
j = 4-1 ; kx-cat - фаза колебаний; Re -
действительная (реальная) часть ком-
плексного числа, которую при записи
обычно опускают. Непрерывные гармо-
нические колебания записывают форму-
лой, где фигурирует только время t:
а = A cos(2n/?) = A cos(on) = A Re[e/m/ ] .
(1-2)
Спектральный анализ. Любой им-
пульс можно представить как сумму (или
интеграл) непрерывных (гармонических)
колебаний разной частоты, имеющих раз-
ные амплитуды и начальные фазы (анализ
Фурье). Набор таких гармонических коле-
баний называют спектром импульса. Он
зависит от формы и длительности импуль-
са. Чем короче импульс, тем в его спектре
больше разных частот (спектр шире) за
счет увеличения амплитуд высокочастот-
ных (по сравнению с основной частотой)
составляющих. Это хорошо видно из срав-
нения импульсов, показанных на рис. 1.5,
а, б, и их спектров (см. в и г). Спектр им-
пульса, приведенный на рис. 1.5, г, значи-
тельно уже.
Для непрерывных колебаний спектр -
одна частота. Наиболее короткий импульс
с наиболее узким спектром - колоколооб-
разный, подобный импульсу на рис. 1.5, б,
но симметричный, т.е. с одинаковыми
фронтом и хвостовой частью. При недос-
таточно широкой полосе пропускания
системы (например, усилителя УЗ-преоб-
18
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.5. Импульсы: ударный (а), отраженный от дефекта, близкий к
колоколообразному (б) и их спектры (в, г)
разователя) короткий широкополосный
импульс растягивается и приближается по
форме к колоколообразному.
При высокочастотном УЗ-контроле
электрические импульсы (см. рис. 1.5, а)
обычно возбуждают ударным генерато-
ром. В процессе преобразования электри-
ческих колебаний в акустические и обрат-
но форма импульса искажается и стано-
вится близкой к колоколообразной (см.
рис. 1.5, б).
Колоколообразный импульс описы-
вается формулой
а = Aexp{-[v2co2(/-/0)2]+ jco(z-/0)|, (1.3)
где 1о ~ время, соответствующее максиму-
му амплитуды; v - показатель длительно-
сти импульса. Иногда вместо него приме-
няют число п колебаний с амплитудами,
превышающими 0,1 (20 дБ) от максималь-
ного значения:
я = 0,483/v.
Величину т = пТ называют длитель-
ностью импульса, а ст - его пространст-
венной длительностью. В дальнейшем
используются понятия "тонкий слой" и
"протяженная среда". Среду называют
протяженной, если путь импульса в ней
больше ст. Среду, толщина которой
й < ст/2 , называют тонким слоем. В нем
происходит интерференция в результате
многократного отражения импульса от
границ.
Ослабление волн. При распростра-
нении волны ее амплитуда уменьшается -
происходит ослабление волны. Главные
причины ослабления: расхождение лучей
(точнее, дифракционное расхождение) и
затухание волн в среде.
Распространяющуюся в пространстве
волну в виде, более полном, чем в (1.1),
можно записать так:
А
a = ±eJ^e-v
гь
где г - расстояние, проходимое волной;
у = 8 + jk - комплексная постоянная рас-
пространения (к - введенное ранее волно-
вое число; 8 - коэффициент затухания',
который рассматривается позднее); Ь -
показатель, зависящий от формы фронта
волны (поверхности, на которой фаза вол-
ны одинакова).
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
19
В сферической волне, излучаемой во
все стороны сферическим источником
(рис. 1.6, б), расхождение лучей происхо-
дит в двух плоскостях, поэтому ослабле-
ние с увеличением расстояния г идет наи-
более быстро: обратно пропорционально
расстоянию по закону 1/r (b = 1). На
рис. 1.6 направления лучей показаны
сплошными линиями, а фронты волн -
штриховыми. Для сферической волны
фронты - сферы.
В плоской волне, например, излучае-
мой большой пластиной (рис. 1.6, а), фрон-
ты - плоскости, лучи не расходятся
(Ь = 0). Такая волна ослабевает только под
действием затухания. Получить на значи-
тельном расстоянии от пластины ограни-
ченную плоскую волну в виде пучка па-
раллельных лучей не удается. Например,
применяя большую пластину или вырезая
часть фронта излучаемой пластиной вол-
ны с помощью диафрагмы, в действитель-
ности получают сложное волновое поле,
подобное рассмотренному в разд. 1.3.1.
В практике, однако, используют слаборас-
ходящиеся пучки лучей, называя их пло-
ской волной.
В цилиндрической волне, т.е. волне с
цилиндрическим фронтом (например, из-
лучаемой боковой поверхностью длинного
стержня, рис. 1.6, в), расхождение проис-
ходит в одной плоскости (перпендикуляр-
ной к оси стержня), поэтому ее амплитуда
медленнее ослабевает с расстоянием, чем
амплитуда сферической, а именно: обрат-
но пропорционально квадратному корню
из расстояния: 1/Vr (Ь = 0,5). При рас-
смотрении далее волн, локализованных в
слое (волн Рэлея и Лэмба), ослабление
амплитуды вследствие расхождения в од-
ной плоскости происходит как для цилин-
дрических волн, т.е. b = 0,5.
Волну с произвольным фронтом
можно представить в виде совокупности
плоских волн путем разложения в инте-
грал Фурье по волновому числу (точнее,
волновому вектору) к. Для достаточно
длительного акустического импульса,
распространяющегося в виде слаборасхо-
Рис. 1.6. Волны с различной
формой фронта:
а - плоская; б - сферическая;
в - цилиндрическая
дящегося пучка лучей, используют фор-
мулу (1.1), но уже как приближенную.
Предыдущую формулу можно также
записать следующим образом:
гь
Такая запись аналогична (1.1), но
появился множитель, учитывающий зату-
хание волны, вызываемое потерями энер-
гии. Уменьшение амплитуды волны под
действием затухания пропорционально
е-8г, где е = 2,7183... - число Непера (ос-
нование натуральных логарифмов).
Коэффициент затухания 8 измеряют в
неперах на метр (Нп/м) или неперах на
миллиметр пути (Нп/мм). Иногда Нп
опускают и пишут 1/мм. Чем больше ве-
личина 8, тем больше затухание и тем
меньше множитель е-8г. Когда отноше-
ние амплитуд измеряют в дБ, затухание
(8) удобно также выражать в дБ:
(8) = 8,68 8.
20
Глава!. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Тогда к ослаблению (по различным
причинам) амплитуды в децибелах добав-
ляют ослабление от затухания, т.е. вели-
чину (Л7Л0) = (8)г.
Волну, фронт которой перемещается
с постоянной скоростью (в случае одно-
родной среды), называют бегущей. Она
вызывает перенос энергии. Две одинако-
вые бегущие волны, распространяющиеся
в противоположных направлениях, обра-
зуют стоячую волну - периодическое во
времени колебание с чередованием в про-
странстве узлов (нулей) и пучностей (мак-
симумов) амплитуды. В ней перенос энер-
гии не происходит. Стоячая волна соот-
ветствует условиям установления собст-
венных колебаний в объекте. Если ампли-
туды встречных волн неодинаковы, воз-
никает частично бегущая волна.
1.1.2. Типы волн. Области применения
В акустическом контроле (АК) ис-
пользуются различные типы колебаний и
волн, отличающихся направлением коле-
баний, распределением амплитуд колеба-
ний и волн в среде, скоростью распро-
странения волн. В акустике различные
типы колебаний и волн принято называть
модами.
В твердых, жидких и газообразных
средах существует упругость объема, т.е.
среда стремится сохранить свой объем.
В твердом теле также существует упру-
гость формы, т.е. твердое тело стремится
сохранить не только свой объем, но и
свою форму. Это свойство твердого тела
связано со сдвиговой упругостью. Напри-
мер, два слоя жидкости можно легко
сдвинуть друг относительно друга, а две
плоскости в твердом теле сопротивляются
сдвигу. Попытка расширить или сжать
объем, сдвинуть соседние слои ударом
или переменной по направлению силой
приведет к возникновению упругих коле-
баний.
Таким образом, во всех средах (кроме
вакуума) могут существовать колебания
растяжения-сжатия. Волны с такими коле-
баниями - это продольные волны, или вол-
ны растяжения-сжатия. При распро-
странении в твердом теле колебания час-
тиц среды в продольной волне в основном
происходят вдоль направления распро-
странения волны (см. рис. 1.1, а).
В твердом теле существуют также
волны сдвига. Частицы в них колеблются
поперек направления распространения
волны. Их поэтому называют поперечными
или сдвиговыми волнами (см. рис. 1.1, в). На
рисунке показаны колебания границ слоя,
в котором распространяется поперечная
волна, но в действительности среда счита-
ется безграничной.
Существование двух независимых
типов волн (продольной и поперечной) с
разными скоростями следует из волнового
уравнения [219, 220]. Сводка основных
типов волн в твердом теле и формулы для
расчета их скоростей (через скорость про-
дольной волны) приведены в табл. 1.2.
Скорость распространения попереч-
ной волны приблизительно в 2 раза (точ-
нее, в 1,8 ... 1,9 раза) меньше, чем про-
дольной. Например, в стали скорость про-
дольной волны с, = 5,92 мм/мкс, а попе-
речной с, = 3,23 мм/мкс. Скорость волны
(конечно, продольной) в жидкости значи-
тельно меньше. Например, в воде при
комнатной температуре с = 1,49 мм/мкс.
Поперечные волны, распространяю-
щиеся наклонно к какой-либо поверхности
(например, к поверхности ввода колеба-
ний) или вдоль нее, разделяют на волны с
направлением колебаний, параллельным
поверхности (их называют горизонтально-
поляризованными, SH, TH), и волны с на-
правлением колебаний, Перпендикуляр-
ным к этой поверхности (их называют
вертикально-поляризованными, SV, TV).
Они по-разному отражаются от поверхно-
стей и структурных неоднородностей. На
практике обычно применяют SV-волны,
однако по отношению к поверхности от-
ражателя они могут быть SH-волной или
иметь SV- и SH-составляющие. Общее
название продольных и обоих типов попе-
1.2. Типы волн в твердом теле
Среда Тип, название волны Характеристика колебаний Скорость Способ возбуждения Основное применение
Безгра- ничное твердое тело Продольная В направлении распространения Cl Прямым или на- клонным ПЭП с Р<Р' Все виды контроля
Поперечная Перпендикулярно к направлению распространения 1 l-2v ct ~ с,, —г \ ~ 0,55с, 1 1 Наклонным ПЭП с Р-<Р<Р” Дефектоскопия сварных соединений
Поверх- ность тела Поверхност- ная (Рэлея) Эллиптические у поверхности 0,87 + l,12v ... cs = ct ~ ~ 0,5 iCj 1+v Наклонным ПЭП с Р>Р" Контрольна поверхно- сти
Головная То же; порождает поперечную Cl Наклонным ПЭП с Р = Р' Контроль под поверхно- стью
Пласти- на тол- щиной Л Нормальная в пластине (Лэмба) Изгиб со сдвигом Cpa0 0 ПРИ 0 Наклонным ПЭП Контроль листов, труб, оболочек толщиной до 3 ... 5 мм
Продольные с изме- нением поперечных размеров CpsO - ~~ ~ ^Cl ПРИ <<: 1 1-v
Стержень диамет- ром d Нормальная стержневая Изгиб со сдвигом cbaO 0 ПРИ 0 Прямым или наклон- ным ПЭП Контроль проволоки, стержней, труб, рельсов
Продольные с изме- нением поперечных размеров /(l+vXl-2v) Cm=CiJ ,a ® 0,86cz V 1-v при d/A «1
Примечание. Р', Р" - первый и второй критические углы (см. разд. 1.1.4).
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
22
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.7. Амплитуды эхо- (кривая 7) и
теневого (кривая 2) сигналов рэлеевских
воли в зависимости от глубины риски h
(в длинах волн X,)
речных волн - объемные волны.
Продольную волну возбуждают с по-
мощью прямого преобразователя (см. 1.2).
Поперечную волну, перпендикулярную к
поверхности, можно возбудить прямым
пьезопреобразователем, если снабдить его
пьезопластиной, совершающей сдвиговые
колебания. Такие преобразователи в Рос-
сии не выпускают. Пластину лучше всего
приклеить к поверхности ОК, например
воском, так как поперечная волна практи-
чески не распространяется в жидкости.
Для передачи поперечной волны можно
также применить очень вязкие жидкости,
например неотвержденную эпоксидную
смолу [7].
Наклонную к поверхности попереч-
ную волну SV-типа возбуждают с помо-
щью наклонного преобразователя. Попе-
речную волну SH-типа ПЭП возбудить
трудно, однако можно [422, с. 3160]. Чаще
всего волну SH-типа возбуждают элек-
тромагнитно-акустическим (ЭМА) преоб-
разователем (см. разд. 1.2.4). ЭМА-преоб-
разователи позволяют возбуждать волны
всех типов.
В [422, с. 3160)] сообщается о разра-
ботке ПЭП для излучения и приема наклон-
ных горизонтально поляризованных попе-
речных волн. Они имеют частоту 2... 5 МГц,
размер пластины 5x5 или 10 х 10 мм,
угол преломления 90 и 70°. Волны излу-
чаются в призму, а затем проходят в ме-
талл ОК через специальную контактную
смазку Sonicoat SHN-30.
Продольная и вертикально-поляризо-
ванная поперечная волны - основные ти-
пы волн, используемых для УЗ-контроля
материалов. Ими можно выявлять как объ-
емные, так и поверхностные дефекты (см.
табл. 1.2 и разд. 3.1.2).
В твердом теле кроме объемных су-
ществуют также специфические волны,
распространяющиеся вдоль поверхности, -
поверхностные и головные. Поверхност-
ная волна (волна Рэлея) представляет ли-
нейную комбинацию продольной и попе-
речной волн [64]. Такая комбинация дает
возможность удовлетворить условие ра-
венства нулю напряжений на свободной
поверхности, вдоль которой распростра-
няется волна. В жидкости поверхностных
волн нет. Волны, наблюдаемые на поверх-
ности воды, например, связаны в основ-
ном с гравитационными, а не упругими
силами.
Скорость рэлеевской волны cs при-
близительно равна 0,93 скорости попереч-
ных волн (для стали - 3,01 мм/мкс). Тра-
ектория колебаний частиц ОК - эллипсы с
большой осью, перпендикулярной к по-
верхности. Вытянутость эллипсов увели-
чивается с увеличением глубины от по-
верхности.
Амплитуда рэлеевской волны имеет
максимум на поверхности и уменьшается
в 10 раз на глубине - длины поверхно-
стной волны. Это видно из рис. 1.7 по
кривой ослабления сквозного (т.е. про-
шедшего между излучателем и приемни-
ком) сигнала риской (пазом) различной
глубины. Осцилляции отраженного сигна-
ла объясняются интерференцией сигналов,
отраженных от грани и кончика риски.
Рэлеевская волна распространяется
на большие расстояния (порядка 1 ... 2 м),
следуя изгибам поверхности, как бы "об-
лизывая" плавные выпуклости и впадины
на поверхности ОК. На выпуклой поверх-
ности скорость ее увеличивается, а на во-
гнутой уменьшается и одновременно рас-
тет затухание.
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
23
При резком изменении профиля по-
верхности рэлеевская волна частично от-
ражается, частично проходит через пре-
пятствие, а частично трансформируется в
объемные волны. Например, при падении
на прямой двугранный угол коэффициент
отражения (по амплитуде) 0,3; коэффици-
ент прохождения 0,7; доля трансформиро-
ванной энергии ~20 % [64].
Рэлеевские волны рассеиваются на
неровностях поверхности и хорошо выяв-
ляют дефекты на самой поверхности. Чув-
ствительность быстро убывает с глубиной
залегания дефектов. Дефекты на глубине,
большей длины рэлеевской волны, прак-
тически не выявляются. Рэлеевские волны
иногда применяют для контроля изделий
на поверхностные дефекты вместо маг-
нитного или капиллярного метода контро-
ля. Если нажать на поверхность перед от-
ражателем УЗ пальцем, смоченным в мас-
ле, амплитуда эхосигнала рэлеевской вол-
ны уменьшится. Так определяют место,
где расположен дефект.
Следует отметить, что поверхностная
горизонтально поляризованная попереч-
ная волна не является волной Рэлея, по-
скольку последняя - комбинация верти-
кально поляризованной поперечной волны
и продольной волны, которые в рассмат-
риваемом случае отсутствуют. В [422,
с. 3160], как отмечалось ранее, сообщается
о разработке ПЭП для излучения и приема
наклонных горизонтально поляризован-
ных поперечных волн, в том числе с углом
преломления 90°.
При нагружении поверхности твер-
дого тела жидкой или твердой средой воз-
никают специфические типы волн. Если
твердое тело граничит с жидкостью, ско-
рость звука в которой сж меньше с„ то в
твердом теле вдоль границы распростра-
няется волна рэлеевского типа со скоро-
стью, близкой к cs. Она порождает в жид-
кости волну, которая распространяется
под углом arcsin cjcs, отсчитываемым от
нормали к поверхности. Волну такого ти-
па называют боковой. Это явление вызы-
Рис. 1.8. Система волн в металле,
возникающих при падении продольной
волны из пластмассовой призмы
преобразователя на границу с металлом
(сталью) под первым критическим углом
вает повышенное затухание рэлеевской
волны. Для границы вода - сталь ее ам-
плитуда уменьшается в е = 2,72... раза на
расстоянии 10Xs.
Когда слой жидкости тонкий, рас-
смотренное явление усложняется [64].
Жидкий слой улучшает прохождение вол-
ны через неровную поверхность ОК, когда
толщина слоя составляет 0,75 ... 1 длины
волны [425, с. 663/727].
Вдоль границы твердое тело - жид-
кость распространяется также волна со
скоростью, меньшей сж [64]. В твердом
теле она локализована в тонком слое тол-
щиной Хж/2л, а в жидкости - в слое тол-
щиной, значительно большей Хж. Подобно
рэлеевской волне, она медленно затухает с
увеличением расстояния вдоль границы.
Волну используют для контроля поверх-
ности твердых материалов иммерсионным
способом, поскольку рэлеевская волна в
этом случае довольно быстро затухает,
особенно если контролируемый материал
обладает большим коэффициентом зату-
хания.
Если между собой граничат две твер-
дые среды, модули упругости и плотности
которых несильно отличаются, то вдоль
границы распространяется волна Стоунли
[64]. Она состоит как бы из двух рэлеев-
ских волн, существующих каждая в своей
среде и имеющих одинаковую скорость
распространения, меньшую скоростей
объемных волн в обеих средах. В каждой
среде волна локализована в слое толщи-
24
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
е)
Рис. 1.9. Возбуждение и прием головной
волны по схемам тандем (а) и дуэт (б).
Отражение (для схемы тандем) от
плоскодонного отверстия в зависимости
от глубины залегания h
ной около длины волны и имеет верти-
кальную поляризацию. Такие волны при-
меняют для контроля соединений биме-
таллов, упрочненных слоев [315].
Головные волны - это продольные
волны вдоль поверхности. Название "го-
ловная" получило распространение только
среди дефектоскопистов в России. Аку-
стики относят ее к одному из типов выте-
кающих волн [64]. Сейсмоакустики и де-
фектоскописты за границей ее называют
ползущей волной (creep wave), или боковой
волной (lateral wave). Использовать голов-
ные волны для дефектоскопии предложил
Н.П. Разыграев (ЦНИИТмаш) в 1974 г.
[138].
На рис. 1.8 показана система волн,
возникающих при падении продольной
волны из пластмассовой призмы преобра-
зователя П на границу с металлом (ста-
лью) под первым критическим углом (см.
разд. 1.1.4) [422, с. 649]. Наибольшую ско-
рость имеет продольная волна Р. От точки
ввода наклонного преобразователя эта
продольная волна (в том числе головная
вдоль поверхности) распространяется в
виде расходящегося пучка лучей. Этим
объясняется зависимость амплитуды эхо-
сигнала, получаемого от плоскодонных
отверстий при разной глубине их залега-
ния h и разном расстоянии I преобразова-
тель - отражатель, показанная на рис. 1.9.
Когда продольная волна распростра-
няется вдоль поверхности, она одна не
может удовлетворить граничное условие
на свободной поверхности: напряжения
равны нулю. Поэтому в каждой точке по-
верхности она порождает поперечную
волну S (см. рис. 1.8), распространяю-
щуюся под углом к нормали к поверхно-
сти ан - arcsin(cz/cz). Этот угол равен
третьему критическому (см. разд. 1.1.4).
Благодаря этой поперечной волне удовле-
творяется условие равенства нулю напря-
жений на свободной поверхности, вдоль
которой распространяется волна. Попе-
речная волна уносит энергию, в результате
чего головная волна быстро ослабляется.
Фронт поперечных волн Н - наклонная
плоскость.
В акустике и иностранной дефекто-
скопической литературе именно эта волна
называется головной, а в кругах россий-
ских дефектоскопистов данную попереч-
ную волну называют боковой. Поперечная
волна порождает продольную волну Р,
отстающую по времени от волны Р, упо-
мянутой ранее.
Для возбуждения и приема головной
волны обычно применяют наклонные РС-
преобразователи с углом падения, равным
первому критическому. Разделение излу-
чателя и приемника (см. рис. 1.9) необхо-
димо ввиду высокого уровня помех. Схема
тандем (преобразователи один за другим)
позволяет осуществлять контроль на
100 ... 150 мм вдоль поверхности. Схема
дуэт (излучатель и приемник рядом) лока-
лизует область чувствительности фокаль-
ной областью, но обеспечивает лучшее
выявление дефектов [278]. Обычно при-
меняются частоты ~2 МГц. Такие преоб-
разователи выпускают ЦНИИТмаш в Рос-
сии и институт ВАМ в Германии. В [422,
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
25
с. 3064] сообщается о разработке совме-
щенного преобразователя головных волн
на частоту 5 МГц. Конструкция преобра-
зователя не приводится.
Головные волны почти нечувстви-
тельны к поверхностным дефектам и не
реагируют на неровности поверхности, но
хорошо выявляют дефекты на глубине
2 ... 8 мм (см. рис. 1.9). Нечувствительны
они и к нажатию на поверхность пальцем.
Эти волны применяют для контроля свар-
ных швов на дефекты под валиком усиле-
ния, выявления дефектов под наплавкой,
резьбой. Они не "облизывают" искривлен-
ную поверхность, подобно рэлеевской
волне.
Боковые волны, сопровождающие
головную волну, достигают противопо-
ложной поверхности ОК, если он имеет
вид плоскопараллельной пластины, и вы-
зывают появление на ней головной волны.
Та, в свою очередь, порождает боковые
волны. Таким образом, возникают помехи,
которые препятствуют применению го-
ловных волн для контроля тонких изде-
лий.
Комбинация из головной и боковой
волн (ползущей и головной волн по более
правильной терминологии) распространя-
ется вдоль плоскопараллельной пластины
на значительные расстояния. Достаточная
чувствительность к дефектам сохраняется
на расстоянии порядка 1 м (для стали,
алюминия).
Когда продольная волна распростра-
няется вдоль поверхности полого дефек-
та, она становится головной. Возникают
боковые волны, уносящие энергию. Бла-
годаря этому явлению, в частности, верти-
кальная трещина при контроле прямым
преобразователем ослабляет донный сиг-
нал, в то время как эхосигнал от нее очень
слабый.
В [428, докл. 1.28] М.В. Асадчая и др.
сообщают о существовании и возможно-
сти использования подповерхностных
вертикально поляризованных сдвиговых
волн.
Рис. 1.10 . Дисперсионные кривые для
фазовых (а) и групповых (б) скоростей волн
в пластинах
Их скорость почти в 2 раза меньше, чем
скорость подповерхностных продольных
(головных) волн, поэтому соответствую-
щим образом уменьшается глубина кон-
тролируемого слоя. Наиболее эффектив-
ный способ возбуждения волн при кон-
троле металлов - использование пьезопре-
образователей с призмами из плексигласа,
расположенных по схеме дуэт, а для кон-
троля пластмасс - с призмами на основе
магнитной жидкости. Анализ эксперимен-
тальных диаграмм направленности обоих
типов подповерхностных волн показал,
что максимум направленности сдвиговых
волн достигается при углах 87 ... 89°, а
угол раскрытия для поперечной волны
более узкий, чем для продольных волн.
У авторов книги возникает сомнение в
26
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.11. Схематическое изображение
симметричных (а) и антисимметричных (б)
волн; х - направление распространения
волн; стрелками показаны направления
смещений по оси/
справедливости этих результатов.
Скорость всех перечисленных типов
волн не зависит от частоты. В ограничен-
ных твердых телах (пластинах, стержнях)
существуют волны в пластинах {волны
Лэмба) и волны в стержнях {волны Порх-
гаммера). Их общее название - нормаль-
ные волны. В направлении, перпендику-
лярном к поверхности пластины или
стержня, нормальные волны как бы обра-
зуют стоячую волну. В пластине или
стержне определенной толщины могут
распространяться различные типы {моды)
нормальных волн с различным распреде-
лением колебаний по толщине.
Волны в пластинах применяют для
УЗ-контроля тонких листов, труб, оболо-
чек, а волны в стержнях - для контроля
проволок, стержней, труб (при распро-
странении вдоль оси трубы). Скорость
распространения этих волн изменяется в
зависимости от частоты (явление диспер-
сии скорости), упругих свойств материала
и поперечных размеров пластины или
стержня.
Скорость конкретной моды опреде-
ляют по графикам. На рис. 1.10, а показа-
на система дисперсионных кривых для
фазовых скоростей ср в пластине. Фазовая
скорость - это скорость изменения фазы в
направлении распространения волны, в
данном случае вдоль пластины. Если вся
пластина колеблется по толщине (фаза
волны на всей поверхности одинакова),
фазовая скорость вдоль пластины будет
бесконечно большой.
Сплошные кривые а соответствуют
антисимметричным модам (типам) волн.
При этом происходят изгибные колебания
пластины с элементом сдвига (рис. 1.11,
б). Штриховые кривые 5 соответствуют
симметричным модам. При этом наблю-
дается расширение-сжатие пластины
(рис. 1.11, а). Индекс около букв а и л по-
казывает, сколько половин длины про-
дольной или поперечной волны укладыва-
ется по толщине пластины при распро-
странении данной моды нормально к по-
верхности.
Величина на оси абсцисс - произве-
дение частоты f на толщину пластины h,
деленное на скорость ct поперечных волн
в пластине. При увеличении значения
fti/ct нулевые моды переходят в поверх-
ностную волну, остальные - в попереч-
ную. Параметр кривых - коэффициент
Пуассона v, зависящий от отношения ско-
ростей поперечных и продольных волн,
v 0,5-(сг/с;)2
1-(с(/С/)2
Для стали v = 0,288, для дуралюмина
0,34.
Фазовая скорость позволяет рассчи-
тать длину волны 'k.p~cvjf и определить
условия возбуждения волны. Обычно вол-
ну возбуждают с помощью наклонного
падения продольной волны из какой-либо
внешней среды со скоростью звука с (жид-
кости или пластмассовой призмы). Угол
падения р рассчитывают по формуле
р = arcsin(c/cp). (1.4)
Другой способ возбуждения - ЭМА
(см. разд. 1.2.4)
Скорость распространения импульса
вдоль пластины определяет групповая
скорость cg (см. рис. 1.10, б), которая свя-
зана с фазовой скоростью формулой
_L = J__Z^L.
cg ср 4 df ’
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
27
При fti/ ct —> 0 для моды .sn диффе-
ренциал dc^df = 0 и cg =ср. Дисперси-
онные кривые, подобные показанным на
рис. 1.10, построены также для волн в
стержнях.
Пример 1.2. Найти углы наклона призмы
преобразователя (оргстекло, с = 2,7 мм/мкс) для
возбуждения всех возможных типов волн в листе
из стали толщиной 1 мм на частоте 2,5 МГц.
Коэффициент Пуассона в стали v =
= 0,288 я 0,29. Кривые для v = 0,29 лежат между
кривыми с v = 0,27 и 0,31 на рис. 1.10, а. Значение
параметра, отложенного на оси абсцисс,
fli/c, = 2,5-1/3,23 = 0,574 .
Этому значению соответствуют три моды.
Для каждой из них находим сначала c^lct , за-
тем ср, потом по формуле (1.4) угол призмы Р:
Моды Ср/с( СР- мм/мкс ₽°
Нулевая анти- симметричная 0,85 276 76,2
Нулевая сим- метричная 1,5 4,85 33,8
Первая анти- симметричная 2,4 7,75 20,4
Волны нулевых мод а0 и s0 сущест-
вуют в тонких пластинах. При стремлении
толщины пластины к нулю фазовая и
групповая скорости симметричной нуле-
вой модЫ50 стремятся к одинаковой ве-
личине (см. табл. 1.2), а фазовая скорость
антисимметричной нулевой моды стре-
мится к нулю по закону
I--- I £
где Е - модуль нормальной упругости;
р - плотность материала. Область приме-
нения указанного выражения определяет-
ся соотношением
fti < 0,0723
(1-6)
Эту моду называют изгибной волной.
Рис. 1.12. Переход рэлеевской волны в волну в
пластине (а), продольной волны в стержневую (б),
наклонной поперечной в волну в пластине или
стержне (в)
Волны в пластинах позволяют обна-
руживать дефекты, расположенные как
поперек, так и вдоль пластины (типа рас-
слоения). При выборе моды волны Лэмба
для контроля пластин следуют таким ре-
комендациям. Используют волны нулево-
го или первого порядка, которые легче
возбудить. Выбирают участки дисперси-
онных кривых волн Лэмба, где минималь-
но изменение фазовой скорости. Этим
участкам соответствует максимум группо-
вой скорости. Возбужденные при этих
условиях волны Лэмба реализуются в виде
наиболее коротких импульсов, поскольку
импульс может содержать широкий
спектр частот.
Для возбуждения волны Лэмба на-
клонным преобразователем необходимо,
чтобы возникала интерференция прямой
волны и волны, отраженной от донной
поверхности пластины. Этот вопрос будет
рассмотрен далее.
В пластине возможно также возбуж-
дение мод, обусловленных интерференци-
ей горизонтально поляризованных попе-
28
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
речных волн. Они являются частным слу-
чаем волн Лява. В общем случае волнами
Лява называют поперечные волны с гори-
зонтальной поляризацией, распростра-
няющиеся в пластине, граничащей с дру-
гими средами. При отражении от поверх-
ностей пластины такие волны сохраняют
свою поляризацию (не трансформируют-
ся), поэтому дисперсионные кривые для
горизонтально поляризованных (SH) волн
Лява в пластине со свободными поверхно-
стями аналогичны кривым для волн в
жидком слое.
Не рассматривая подробно волны в
стержнях, отметим, что в них могут суще-
ствовать симметричные и антисимметрич-
ные моды, во многом сходные с волнами в
пластинах. Кроме того, в стержне могут
распространяться крутильные {торсион-
ные) волны. Сущность их в повороте сече-
ния стержня вокруг его оси. Поскольку
появляется сдвиг, скорость этих волн рав-
на скорости поперечной волны.
Проследим, как преобразуется один
тип волн в другой. Преобразование волны
Рэлея в волну Лэмба с уменьшением тол-
щины пластины происходит следующим
образом [64]. Предположим, что в пласти-
не толщиной h волна Рэлея возбуждается
на верхней поверхности. Оказывается,
что, пройдя путь L » 0,463A.se2’35/l/Xs , вол-
на перейдет на нижнюю поверхность пла-
стины. Переход совершается постепенно.
Затем через интервал 2L волна вновь воз-
вратится на верхнюю поверхность и т.д.
(рис. 1.12, а).
Такая волна называется псевдорэле-
евской. Длина интервала L уменьшается с
уменьшением h, и для тонкой пластины
можно считать, что две волны Рэлея одно-
временно распространяются по верхней и
нижней поверхностям.
Природа этого явления заключается в
том [63], что на верхней и нижней поверх-
ностях достаточно толстой пластины од-
новременно возникают волны а0 и s0,
близкие по скорости к волне Рэлея. На
верхней поверхности фазы волн совпада-
ют и они взаимно усиливаются. На ниж-
ней поверхности пластины фазы противо-
положны и волны взаимно погашаются.
Но скорости мод йо и л’о немного отлича-
ются, и на пути L волна а0 отстает от вол-
ны sg на половину длины волны. Это при-
водит к тому, что волны взаимно погаша-
ются на верхней поверхности и усилива-
ются на нижней. При уменьшении толщи-
ны пластины волны а0 и .s0 разделяются.
Рассмотренное явление следует учи-
тывать при контроле рэлеевскими волна-
ми пластин толщиной 0,5 ... 2 мм; при
контроле деталей, в которых тонкая пла-
стина сочетается с массивным участ-
ком, например тонкостенная труба прива-
рена к массивной втулке (рис. 1.12, а). Для
контроля массивного участка и, в частно-
сти, сварного шва (с удаленным валиком)
волну Рэлея в стенке трубы следует воз-
буждать с таким расчетом, чтобы перед
массивным участком она вышла на по-
верхность. В этом случае мешающего кон-
тролю отражения от границы тонкого и
толстого участков не возникнет.
Проследим, как совершается переход
от объемных волн к нормальным при
уменьшении поперечного сечения стержня
(или пластины). Если импульс продольной
волны излучается и принимается со сто-
роны торца толстого стержня (рис. 1.12,
б), то первый отраженный донный сигнал
соответствует продольной волне. После
этого сигнала приходят сигналы-спутники.
Они возникают в результате частичной
трансформации расходящегося пучка лу-
чей продольной волны, падающих под
большим углом на боковую грань стерж-
ня, в поперечную волну. Эта волна пере-
секает стержень поперек и опять частично
трансформируется в продольную волну.
Такие трансформации волна может испы-
тывать несколько раз. В результате [27]
после донного сигнала, соответствующего
продольной волне, наблюдаются импуль-
сы, отстоящие друг от друга на интервал
времени t - d/(ct cos р)- d tg p/c; . Для
стали p = 31° (см. разд. 1.1.4).
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
29
С уменьшением толщины пластины
или диаметра стержня d эти импульсы
сближаются и растут по амплитуде. Мак-
симальным является уже не соответст-
вующий продольной волне сигнал, а сиг-
нал одного из спутников. При дальнейшем
сужении стержня донный сигнал будет
очень маленьким, все сигналы-спутники
сольются в один импульс, максимум ам-
плитуды которого будет соответствовать
нулевой симметричной моде для данного
стержня или пластины.
Применительно к пластине просле-
дим трансформацию наклонной попереч-
ной волны в нормальную. Излучателем-
приемником будет наклонный преобразо-
ватель с переменным углом ввода р, уста-
новленный на боковой поверхности пла-
стины. От углов А и В пластины толщиной
1... 2 мм (рис. 1.12, в) будет наблюдаться
группа эхосигналов, соответствующих
разным путям, проходимым лучами из
расходящегося пучка. Их амплитуды бу-
дут сравнительно небольшими.
При изменении угла наклонного пре-
образователя эти импульсы будут пере-
мещаться по линии развертки. Когда угол
падения совпадет со значением, соответ-
ствующим возбуждению одной из мод
нормальной волны, прямая волна и волна,
отраженная от донной поверхности пла-
стины, совпадут по фазе и в результате их
интерференции сигналы группы сольются
в один сигнал с большой амплитудой.
Время прихода максимума амплитуды
этого сигнала будет отвечать групповой
скорости для соответствующей моды.
Рис. 1.12, в поясняет понятия фазовой
ср/, = c2/cosa и групповой cg=c2cosa
скоростей; где с2 - скорость объемной
волны в материале пластины.
Таким образом, волны в пластинах и
стержнях можно рассматривать как ре-
зультат интерференции продольных и по-
перечных волн, распространяющихся
внутри ОК и отражающихся от его стенок.
Для возбуждения путем падения вол-
ны из внешней среды необходимо, чтобы
УЗ-импульс имел достаточно большую
длительность, а падающая волна - доста-
точно протяженный фронт (т.е. чтобы пу-
чок лучей был большей ширины). Для это-
го пьезоэлемент преобразователя должен
иметь большие поперечные размеры.
Только тогда происходит интерференция.
Требования к величине этих характери-
стик увеличиваются по мере возрастания
размеров (толщины или диаметра) ОК. По
этой причине размеры ОК обычно не пре-
восходят 2 ... 3 мм при частотах ультра-
звука 1 ... 5 МГц.
1.1.3. Акустические свойства сред
Такие физико-механические свойства
материала, как плотность, упругость,
структурное строение, определяют посто-
янные, характеризующие распространение
в среде упругих волн, т.е. акустические
свойства среды. Здесь рассматриваются
изотропные среды, свойства которых оди-
наковы во всех направлениях. К акустиче-
ским свойствам сред относятся скорость
распространения волны, коэффициент
затухания и удельное волновое сопротив-
ление (характеристический акустический
импеданс). В твердом теле эти величины
определяют для продольных и попереч-
ных волн (табл. 1.3).
Скорость продольной волны в жид-
костях и газах
где L - модуль всестороннего сжатия (мо-
дуль всестороннего сжатия в литературе
принято обозначать буквой К, но эта лите-
ра очень часто используется в дальнейшем
для обозначения гибкости). Скорость про-
дольной волны в твердом теле, размеры
которого в направлении, перпендикуляр-
ном к направлению распространения вол-
ны, много больше длины волны,
с = гюз
1 v рО+vX' -2v) ’
где Е - модуль нормальной упругости.
30
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
1.3. Акустические свойства веществ
Вещество Скорость волн с, МО3 м/с Плотность Волновое сопротивле- ние Z, 106 Па с/м Коэффициент затухания на 2,5 МГц 8, Нп/м
продольных поперечных р, МО3 кг/м3
Алюминий 6,36 Me т 3,13 ал л ы 2,7 17,2 0,1 ... 1
Бериллий 12,8 8,6 1,82 23,3 —
Бронза 3,5 ... 3,8 2,3 ... 2,5 8...9 30 ... 34 -
Вольфрам 5,32 2,77 19,3 102,7 -
Дуралюмин 6,2... 6,4 3 ... 3,2 2,7... 2,8 19... 20 0,1 ... 1
Железо 5,92 3,23 7,8 46,3 0,2... 5
Латунь 4,3 ... 4,7 3,1 ...3,5 8,4.. .8,5 36 ...40 —
Магний 5,74 3,1 1,74 9,98 0,1 ...2
Медь 4,72 2,4 8,9 42 2,5 ... 20
Никель 5,7 3,0 8,9 50,7 —
Олово 3,32 1,65 7,3 24,2 —
Ртуть 1,45 — 13,6 19,7 0,34
Свинец 2,16 0,87 11,4 24,6 —
Серебро 3,65 1,65 10,5 38,3 —
Сталь: углеродистая аустенитная 5,90 ... 5,94 5,77 ...6,14 3,22... 3,25 3,2 ... 3,31 7,7 ... 7,9 7,6 ... 8 45,9 ... 46,3 44... 48 0,1 ... 10 0,3 ... 40
Титан 6,1 3,13 4,5 27,5 —
Титановые сплавы ВТ,ОТ 6,05 ... 6,3 3,1 ... 3,3 4,5 ... 4,7 27 ... 29 -
Цинк 4,17 2,41 7,1 29,6 —
Чугун 3,5 ... 5,6 2,2... 3,2 7,2 ... 7,6 26... 42 0,3 ... 50
Бетон 2,1 ... 5,2 Нем е т ал л ы 1,8 ...2,8 6... 9,5 —
Кварц плавленый 5,95 3,75 2,2 13,1 0,31
Полистирол 2,35 1,13 1,06 2,5 10... 13
Резина 1,4 ...2,3 — 0,9 ... 1,6 2... 3 30 ... 60
Стекло оконное 5,1 ... 6,2 3,1 ... 3,6 2,1 ... 2,6 11 ... 15 0,4... 0,7
Стекло органиче- ское 2,7 ... 2,75 1,12... 1,13 1,17...1,19 3,0... 3,3 20 ...30
Текстолит 2,4... 2,8 1,1 ... 1,4 2,3 ... 2,5 6 ... 6,4 80... 120
Фарфор 5,2 ... 6,8 3,1 ...4 2,3 ... 2,6 15 ...20 0,1 ... 0,4
Фторопласт 1,35 — 2,2 30 160
Эбонит 2,4 — 1,2 2,9 90
ЭД-5 2,3 1,15 1,2 2,8 100
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
31
Скорость поперечной волны
где G - модуль сдвига. Таким образом,
скорости объемных волн пропорциональ-
ны квадратному корню из отношения мо-
дуля упругости к плотности, т.е. они воз-
растают с увеличением упругости среды
(которая показывает величину деформа-
ции при заданной нагрузке) и уменьшают-
ся с увеличением плотности. Важно отме-
тить, что скорость определяется физиче-
скими свойствами среды и не зависит от
частоты или амплитуды волн (при не-
больших величинах амплитуд).
Изменение скорости с с температу-
рой t определяется по формуле
c = CQ+Kc(t-to),
где с0 - скорость при исходной темпера-
туре /о- Температурный коэффициент
скорости Кс [в м/(с-град)] у газов положи-
тельный (например, у воздуха +0,6), у
жидкостей отрицательный (например, у
спирта -3,6), однако у воды аномальный
(+2,5); у твердых тел отрицательный [для
продольных и поперечных волн в метал-
лах - (0,4 ... 2), у органического стекла -
3], т.е. в твердых телах скорость уменьша-
ется с повышением температуры.
Удельное волновое сопротивление
среды (называемое также характеристи-
ческим импедансом среды) представляет
собой отношение акустического давления
к колебательной скорости в бегущей
волне:
z = p/v.
Для сред с большими потерями аку-
стической энергии величина z имеет ком-
плексный характер (см. разд. 1.4) , однако
в большинстве случаев ее можно считать
действительной и численно равной произ-
ведению плотности р на скорость звука с:
Z = рс.
Размерность z в Па с/м.
Удельное волновое сопротивление
среды в литературе (в том числе ино-
странной) часто не вполне правильно на-
зывают акустическим импедансом (сопро-
тивлением), причем существуют два раз-
личных определения последнего.
В воздушной акустике акустический
импеданс определен как отношение зву-
кового давления к объемной колебатель-
ной скорости [317] и имеет размерность
Па-с/м3. В таком понимании этот термин в
нашей книге не применяется.
Акустическим импедансом называют
также отношение звукового давления к
колебательной скорости в наиболее общем
случае, когда в системе существуют как
бегущие, так и стоячие волны (в том числе
резонансы). При этом акустический импе-
данс зависит не только от волнового со-
противления среды, но и от размеров и
формы колеблющейся системы. Этой ве-
личиной здесь будем пользоваться, но не-
обходимо отличать ее от волнового сопро-
тивления. Очевидно, что акустический
импеданс имеет ту же размерность, что и
удельное волновое сопротивление среды.
Отметим, что в иностранной литературе
акустический импеданс и волновое сопро-
тивление среды выражают в рэлеях
(Rayls). Это в России пока не принято.
В отличие от механического импе-
данса (см. разд. 1.4) акустический импе-
данс и волновое сопротивление среды яв-
ляются удельными (отнесенными к еди-
нице площади) величинами. В дальней-
шем, там, где не возникает опасность ино-
го толкования, будем пользоваться терми-
ном "волновое сопротивление среды", или
просто "волновое сопротивление".
Величина волнового сопротивления
применяется в расчетах по прохождению
и отражению волн на границах различных
сред, а также по излучению и приему УЗ-
волн. Волновое сопротивление определя-
ется только свойствами среды в отличие
от механического импеданса, который
зависит от размеров, формы, материала и
других параметров конструкции, в кото-
32
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
1.4. Затухание УЗ в некоторых жидкостях и газах
Вещество Температура t, °C Частота/ МГц 5', 1 1015Нп-с2/м = = 1 • 10‘6Нп/(МГн2-мм) К6, 1/град
Вода 20 0,1 .. 250 25 -0,031
Глицерин 20 ... 27 0,15 ... 4 2500 -0,069
Трансформаторное 20 1 .. . 5 1300 -0,035
масло
Ртуть 20 ... 25 0,5 ... 1000 61 -0,015
Воздух 20 1,1 .. • 1,4 17 500 -
рой возбуждают колебания (см. разд. 1.4).
Волновое сопротивление для изгибной
волны выражается более сложным образом.
Коэффициент затухания 5 характе-
ризует ослабление волны вследствие не-
обратимых потерь при ее распространении
в среде (см. разд. 1.1.1). Коэффициент за-
тухания складывается из коэффициента
поглощения и' коэффициента рассеяния'.
<5 = <5П + 5р. При поглощении акустическая
энергия переходит в тепловую в результа-
те действия теплопроводности (отвод
энергии от элементарного объема, испы-
тывающего расширение и сжатие), упруго-
го гистерезиса (зависимость напряжение -
деформация описывается разными кривы-
ми при расширении и сжатии) и вязкости
(в жидкости). При рассеянии энергия ос-
тается акустической, но уходит из направ-
ленно-распространяющейся волны. По-
скольку
-(sn+Sn)r -3 г
е ' рЛ =е п е ,
действие поглощения и рассеяния опреде-
ляется двумя независимыми множителя-
ми.
Изменение коэффициента затухания
с температурой описывается формулой
5 = 50[l + Kg(/-/0)],
где 50 - коэффициент затухания при ис-
ходной температуре t0; - температур-
ный коэффициент затухания. Изменение
коэффициента затухания с температурой
обусловлено вариацией коэффициента
поглощения [27].
Для газов и большинства жидкостей,
не засоренных пылью, пузырьками, рас-
сеяние отсутствует, а коэффициент по-
глощения пропорционален квадрату час-
тоты:
5 = 5'/2.
Значения 5' приведены в табл. 1.4.
В ней также дан температурный коэффи-
циент.
Для твердых материалов температур-
ный коэффициент затухания обычно по-
ложителен. Для углеродистой стали он
равен ~0,04 дБ/град. Коэффициент погло-
щения, как правило, пропорционален час-
тоте. Коэффициент рассеяния равен нулю
для аморфных тел (стекла, однородной
пластмассы). Для поликристаллических
веществ, в частности металлов, рассеяние
увеличивается с ростом упругой анизо-
тропии, которая проявляется в изменении
скорости звука по разным направлениям в
кристалле.
Распространяющаяся в твердом теле
волна встречает на своем пути различно
ориентированные кристаллы (точнее, кри-
сталлиты, или зерна, - кристаллы с пра-
вильной решеткой, но неправильной
внешней формой). Скорость звука в со-
седних кристаллах может быть разной, в
результате чего возникает локальное от-
ражение волны.
Чем больше упругая анизотропия в
материале, тем больше рассеяние в нем
УЗ. Перечислим некоторые металлы по
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
33
мере возрастания в них упругой анизотро-
пии: вольфрам (упругая анизотропия от-
сутствует), алюминий, альфа-титан, аль-
фа-железо (углеродистая сталь), гамма-
железо (нержавеющая сталь), бета-титан,
медь.
Коэффициент рассеяния зависит так-
же от среднего размера кристаллитов D и
частоты f Например, в малоуглеродистой
стали при длине волны Л > 10D для про-
дольных и поперечных волн
5; «0,12/ + 20Д3/4;
<5, ® 0,1/ + 105£>3/4,
где D в мм,/ в МГц, 5 - в Нп/м. Первый
член определяет поглощение, а второй -
рассеяние. Отметим, что коэффициент
затухания всегда возрастает с ростом час-
тоты. Значения коэффициентов затухания
в зависимости от частоты для низкоугле-
родистой стали приведены на рис. 1.13, а
для волн в жидкости и продольных волн в
некоторых твердых телах на частоте
2,5 МГц - в табл. 1.3.
Рассмотрим особенности затухания
УЗ-волн в железе и его сплаве с углеродом -
стали [192]. Железо имеет несколько кри-
сталлических модификаций, в том числе
низкотемпературную альфа-железо с объ-
емно-центрированной кубической кри-
сталлической решеткой и высокотемпера-
турную гамма-железо с гранецентриро-
ванной кубической решеткой. Гамма-
железо в сплаве с углеродом называют
аустенитом. Как следует из приведенного
выше перечня, последняя модификация
имеет большее затухание.
Аллотропическое превращение одно-
го типа железа в другой происходит при
температуре ~1000 °C. Введением леги-
рующих элементов высокотемпературную
модификацию (аустенитную сталь) можно
сохранить при комнатной температуре.
Так получают коррозионно-стойкую
сталь. Она не обладает ферромагнитными
свойствами.
Как отмечалось выше, на затухание
большое влияние оказывают средняя ве-
Рис. 1.13. Коэффициент затухания
продольных (---) и поперечных (-) волн
в низкоуглеродистом железе; указан
средний размер зерна в мм
личина зерна металла и ее отношение к
длине волны УЗ. Чем мельче зерно, тем
лучше контролируется металл УЗ. Из-
мельчение структуры и уменьшение зату-
хания происходят при обработке давлени-
ем (ковке, прокатке).
Для обычной углеродистой стали на
основе альфа-железа измельчение зерен
происходит также при термообработке
типа закалки или нормализации. Металл
нагреванием переводят в состояние аусте-
нита, а затем быстро охлаждают. Чем бы-
стрее охлаждение, тем мельче кристалли-
ты (зерна) в образовавшемся альфа-
железе. В гамма-железе таким образом
измельчить зерна нельзя, этого можно
добиться только путем обработки давле-
нием.
В углеродистой стали в зернах, ос-
тавшихся после зерен аустенита (первич-
ных зернах), образуются более мелкие
вторичные зерна (обычно в форме пла-
стин) альфа-железа и цементита (химиче-
ского соединения железа с углеродом). На
коэффициент затухания влияют размеры
как первичных, так и вторичных зерен.
Измерение скорости. Ниже рассмот-
рены способы измерения скорости звука с
помощью универсального УЗД или (толь-
ко для продольных волн) толщиномера.
Измерение скорости с помощью специ-
альных приборов описано в разд. 7.1. Если
дефектоскоп (например, УД2-12) содер-
жит блок измерения времени пробега УЗ-
34
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
импульса в микросекундах, желательно
иметь образец с известным временем про-
бега УЗ на определенной базе. Если в де-
фектоскопе такого блока нет, то необхо-
дим образец с известными толщиной и
скоростью звука.
Скорость продольных волн.
1. Измерить штангенциркулем или
микрометром толщину h или путь г УЗ в
ОК.
2. Настроить прибор (не имеющий
блока измерения времени) на правильное
измерение толщины h0 образца с извест-
ной толщиной и скоростью звука с0.
3. Прибором, настроенным на изме-
рение скорости звука с0, измерить толщи-
ну ОК г. Эта величина может отличаться
от истинной толщины ОК, поскольку
прибор настроен не на скорость звука в
ОК.
4. Рассчитать искомую скорость зву-
ка в ОК по формуле
с = г It = сог /го. (1-7)
Если прибор имеет блок измерения
времени, то действия по пп. 2-4 заменя-
ют на следующие:
2') настроить прибор на правильное
измерение времени пробега; для этого
регулировать начало отсчета времени,
добиваясь правильного значения времени
пробега УЗ через заданную базу, например
использовать СО-2, в котором при толщи-
не 59 мм время прохождения продольных
волн 20 мкс;
3') измерить время пробега t УЗ через
ОК;
4') рассчитать искомую скорость зву-
ка в ОК: с = r/t. Если измерение выполня-
ют по донному сигналу ОК толщиной h,
то с = 2h!t.
Для повышения точности измерения
скорости звука рекомендуются такие пути:
а. Использовать для измерений ин-
тервал не между зондирующим импуль-
сом и донным сигналом, а между эхосиг-
налами от двух отражателей, находящихся
на разном расстоянии, принимаемыми при
неизменном положении преобразователя,
например интервал между первым и вто-
рым донными сигналами. Благодаря это-
му исключается погрешность от пробега
УЗ в протекторе ПЭП и слое контактной
жидкости.
При невозможности выполнить эту
рекомендацию следует принять меры к
стабилизации акустического контакта,
использовать способ измерения прибором
с блоком измерения времени, применять
преобразователь без протектора. Если из-
мерение выполняется по двум эхосигна-
лам, отпадает необходимость в образце с
известным временем пробега как базы для
настройки прибора с блоком измерения
времени. В этом случае за t принимается
разность времен пробега до двух отража-
телей.
б. Измерения выполнять на возможно
более высокой частоте, высоту эхосигна-
лов, по которым проводятся измерения,
поддерживать постоянной в пределах
10 %, измерения вести по переднему
фронту на одинаковой высоте (5 ... 10 мм)
от линии развертки.
в. Длину базы выбирать возможно
большей, например целесообразно ис-
пользовать интервал между первым и
третьим или четвертым донными сигнала-
ми, а не между первым и вторым. Изме-
рять длину базы с погрешностью < 0,1 %,
шероховатость поверхности ввода должна
быть не хуже Ra 2 мкм, непараллельность
поверхностей не хуже 0,05.
г. Выбрать базы для ОК и образца та-
кими, чтобы времена пробега в них УЗ
были близкими. Это уменьшит погреш-
ность от неточности глубиномера.
При соблюдении указанных реко-
мендаций погрешность может быть сни-
жена с 2 ... 5 до 0,5 ... 1 % при толщине
ОК > 50 мм.
Пример 1.3. Измерить скорость продольных
волн в пластмассе с помощью толщиномера. Оце-
нить погрешность измерения.
Измерение штангенциркулем толщины ОК
дало г = 5,6 мм. Поскольку толщина ОК невелика,
в качестве средства измерения выбираем толщи-
номер, а как образец с известной скоростью звука -
стальной образец толщиной (измерена штанген-
циркулем) 12,1 мм, для которого отсчет толщины
(без предварительной настройки прибора) близок
к отсчету для пластмассового ОК. Скорость звука
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
35
в стальном образце (измеренная лазерным спосо-
бом) со = 5,926 мм/мкс.
Регулируя параметр "скорость" толщиноме-
ра, добиваемся точного измерения толщины
стального образца: 12,1 ± 0,1 мм. Измерения на
ОК дали отсчет толщины го = 13,1 ±0,1 мм. По
формуле (1.7) рассчитываем скорость звука в ОК:
с = 5,926 -5,6/13,1 = 2,53 мм/мкс .
Оценим максимальную погрешность изме-
рения. Из (1.7) следует
Ас Дс0 Аг Аг 0,1 0,1 0,1
— = —2- + — + —- = —— + — +-----= 3,4% •
с с0 г го 12,1 5,6 13,1
Здесь учтено, что погрешность от вариации
значения скорости звука в стали определяется не
точностью измерения ее лазерным или другим
способом, а точностью настройки толщиномера
на эту скорость. Погрешность можно уменьшить
увеличением толщины образца пластмассы.
Скорость поперечных волн. При на-
личии прямых преобразователей попереч-
ных волн можно применять способ изме-
рения, описанный в предыдущем случае,
но такие преобразователи в комплект де-
фектоскопа обычно не входят. Рекомен-
дуемый здесь способ рассчитан на исполь-
зование наклонных ПЭП и дефектоскопа
без блока измерения времени.
1. С помощью прямого преобразова-
теля настроить дефектоскоп по образцу с
известной скоростью звука с0, как в п. 2
для продольных волн.
2. Подключить к дефектоскопу два
одинаковых наклонных преобразователя
для излучения и приема поперечных волн
с углом ввода а ® 44 ... 50°.
3. Смазать рабочие поверхности пре-
образователей контактирующей жидко-
стью (маслом) и сложить (рис. 1.14, а)
таким образом, чтобы получить макси-
мальную амплитуду прошедшего сигнала.
4. Измерить дефектоскопом, настро-
енным на скорость звука с0, путь в приз-
мах гп.
5. С помощью одного или обоих на-
клонных преобразователей получить мак-
симальный эхосигнал от какого-либо от-
ражателя в ОК. При работе по совмещен-
ной схеме это может быть отражение от
двугранного угла (рис. 1.14, в) или от ци-
Рис. 1.14. Способы измерения скорости
и затухания упругих воли
линдрического отверстия (рис. 1.14, г).
При контроле двумя преобразователями
это отражение от дна ОК (рис. 1.14, Э).
Измерениями и расчетами опреде-
лить путь г УЗ в ОК. Например, для схемы
контроля, показанной на рис 1.14, в, по-
ложению 1, преобразователя соответству-
ет путь
г = -Jh2 + Г2 =h! cos а ,
где h - глубина расположения отражателя;
I - расстояние от преобразователя до от-
ражателя вдоль поверхности; а - угол вво-
да; Z и а нужно брать для положения
преобразователя, соответствующего мак-
симуму эхосигнала.
6. Измерить дефектоскопом, настро-
енным на скорость звука с0, путь УЗ г0 в
контролируемом материале.
7. Рассчитать искомую скорость зву-
ка по формуле
с = сог/(го-гп)-
При контроле прибором, имеющим
блок измерения времени, используют об-
разец, в котором известно время пробега
УЗ, например образец с вогнутой цилинд-
рической отражающей поверхностью типа
CO-3, V-1 или V-2 (см. разд. 2.2.4). В по-
ложении преобразователя, соответствую-
щем максимуму эхосигнала, путь УЗ ра-
вен удвоенному радиусу образца 2R, а
36
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.15. Дифракционное ослабление
донного сигнала
время пробега t-2R!ct. Измерения вы-
полняют по пп. 2' - 4' (из измерения ско-
рости продольных волн) вместо пп. 2-4.
Контроль ведут одним совмещенным на-
клонным преобразователем. В качестве
отражателя используют двугранный угол
или боковое цилиндрическое отверстие.
Погрешность измерения прибором
без блока измерения времени 3 ... 5 %, а с
таким блоком 1 ... 2 %. Для повышения
точности измерений до 0,5 ... 1 % нужно
выполнять рекомендации "а", "г" (см. вы-
ше). Чтобы выполнить п. "б", желательно
иметь два отражателя, которые дают эхо-
сигналы при одном постоянном положе-
нии преобразователя. При таком положе-
нии их амплитуды могут не достигать
максимума, но следует возможно более
точно измерить штангенциркулем рас-
стояния от точки ввода преобразователя
до отражателей г, и Г2, а затем определить
их разность: г = /2 - ri-
Пример 1.4. Измерить скорость попе-
речных волн в образце из неизвестного материала
толщиной h ~ 30 мм. Дефектоскоп имеет блок
измерения времени.
Включим наклонный преобразователь иа
частоту 2,5 МГц с углом ввода (для стали) 50°.
Рассчитаем время пробега в CO-3 (R = 55 мм):
t = 2R/c, ~ 2 • 55/3,23 = = 34,06 мкс. Получим мак-
симальный эхосигнал от СО-3. Регулируем за-
держку начала отсчета времени дефектоскопа так,
чтобы время пробега в СО-3 равнялось 34,1 мкс.
Получим максимальный эхосигнал от дву-
гранного угла образца. Измерим дефектоскопом
время t пробега в образце (например, 28,6 мкс) и
штангенциркулем расстояние / (рис. 1.14, в).
Пусть оно равно 33,2 мм. Рассчитаем путь УЗ в
образце: г - 7 Л" +/2 = \/з02 +ЗЗД2 = 44,7 мм.
Импульс проходит этот путь в прямом и обратном
направлениях. Скорость распространения попе-
речных волн равна с, = 2r/t - 2 • 44,7/28,6 = 3,12
мм/мкс. Скорость близка к значению для алюминия.
Измерение коэффициента затуха-
ния. Ослабление УЗ под действием зату-
хания в материалах, обычно подвергаемых
контролю, на небольших расстояниях не-
велико, поэтому при измерениях коэф-
фициента затухания необходимо учиты-
вать поправки, также вызывающие ослаб-
ление. Ниже рассмотрены способы изме-
рения с применением универсального де-
фектоскопа, причем учитываются поправ-
ки на дифракционное ослабление и непол-
ное отражение от поверхности. Измерение
затухания с помощью специальных при-
боров будет рассмотрено в разд, в 7.1.
Дифракционное ослабление (ср) - это
такое ослабление сигнала, которое суще-
ствует при прохождении того же пути в
отсутствие затухания. В дальнейшем ре-
комендуется выполнять измерение зату-
хания по донному сигналу ОК. В ближней
и переходной зонах преобразователя ди-
фракционное ослабление учитывают с
помощью кривой (рис. 1.15), зависящей от
приведенного расстояния: толщины ОК г,
деленной на протяженность ближней зоны
преобразователя (см. разд. 1.3) N = а2/к,
где а - радиус пьезопластины ПЭП; к -
длина волны в ОК, а также от волнового
размера пьезопластины ка , где к - волно-
вое число.
Затухание продольных волн.
Способ 1. Предлагаемый способ тре-
бует применения акустической задержки в
виде цилиндра из оргстекла или полисти-
рола (рис. 1.14, б) диаметром не менее
диаметра преобразователя и высотой
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
37
h = 10... 100 мм - такой, чтобы импульсы
многократных отражений в цилиндре не
совпадали с первыми двумя донными сиг-
налами в ОК.
1. Измерить скорости звука в ОК с и
задержке с3, а также их толщины г и h.
2. Подключить к дефектоскопу пря-
мой преобразователь требуемой частоты.
3. Смазать контактирующей жидко-
стью поверхности ввода ОК.
4. Стабильно соединить преобразова-
тель с задержкой и, не прижимая задержку
к ОК, измерить амплитуду сигнала от про-
тивоположного торца задержки (а^.
5. Плотно поставить задержку с при-
жатым преобразователем на ОК (см.
рис. 1.14, б). Зафиксировать всю систему
так, чтобы все сигналы на экране дефекто-
скопа сохраняли свою амплитуду.
6. Измерить амплитуды трех эхосиг-
налов (в дБ): - сигнал от границы
задержка - ОК; и (Л2^ - первый и
второй донные сигналы.
7. Рассчитать приведенные пути в ОК
и задержке:
h'= hcJ(cN); г/ = (г/N) + h';
r2 = (2г/N) + h'.
8. По графику на рис. 1.15 опреде-
лить дифракционное ослабление и
<^р2^ для первого и второго донных сигна-
лов по значениям приведенных расстоя-
ний. В зависимости от волнового размера
пьезоэлемента преобразователя ка = Inaf/c
используют верхнюю, нижнюю кривую
или интерполируют интервал между кри-
выми. Если приведенное расстояние пре-
вышает значения, показанные на рис. 1.15,
то рассчитать дифракционное ослабление
по формуле
(ф) = (тг/(2г')), (1.8)
где г* = г/ или Г2 .
9. Рассчитать разности
(А') = {4)-{А3)-, (а) = {А2)-{А}).(1.9)
Эти разности удобно измерять атте-
нюатором дефектоскопа попарно. Их ве-
личина обычно не превосходит 7 ... 12 дБ.
10. Рассчитать коэффициент затуха-
ния по формуле
<5> = [<Л>-<Л'>-<(р2> + <Ф1>]/2г. (1.10)
Коэффициент затухания 5 выражает-
ся в дБ/мм или дБ/м в зависимости от то-
го, в каких единицах измерено г.
Для реализации этого способа необ-
ходимо, чтобы дефектоскоп имел усили-
тель с двухполупериодным выпрямлением
принимаемых импульсов (прибор УД2-12
этого не имеет, и использовать его не сле-
дует), иначе разность (А'') будет измерена
неправильно и может даже оказаться от-
рицательной величиной.
Для повышения точности измерения
рекомендуется:
а) увеличить толщину ОК, т.е. базу
измерений;
б) обеспечить, чтобы поверхности
ввода и донная ОК были плоскими с непа-
раллельностью < 0,01, ширина ОК была
> г/2 для устранения влияния отражения
от боковых поверхностей; ось преобразо-
вателя была направлена строго пер-
пендикулярно к поверхности ввода ОК.
При этом достигаются максимумы ампли-
туд эхосигналов от поверхности ввода и
донных;
в) на границах преобразователь - за-
держка и задержка - ОК обеспечить ста-
бильность акустического контакта по всей
площади;
г) для материалов, обычно контроли-
руемых УЗ, нужно измерять амплитуды
эхосигналов с погрешностью < 0,2 дБ. Ес-
ли аттенюатор дефектоскопа имеет цену
делений 1 или 2 дБ, следует выполнять
разметку экрана в долях дБ.
Пример 1.5. Определить коэффициент
затухания продольных волн в образце из стали
толщиной г = 50 мм. Акустическая задержка из
органического стекла толщиной h = 50 мм. Изме-
рения амплитуд дали значения: (А3) = 61,8 ;
(А3) = 60,9; (л,) = 83,9; (д2) = 90,7 дБ. Частота
38
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
f= 2,5 МГц, диаметр преобразователя 2а = 12 мм,
скорости звука в материале ОК и задержке соот-
ветственно 5,92 и 2,72 мм/мкс.
Рассчитаем приведенные расстояния:
У = a2f/c = 6 2 -2,5/5,92 = 15,2 мм;
й'= hc3 /(cN)= 50 2,72 /(5,92 15,2) = 1,51 ;
= r/N + h’= 50/15,2 + 1,51 = 4,8 ;
ri =2r/N + h'= 250/15,2 + 1,51 = 8,1 -
Определим дифракционное ослабление.
Рассчитаем волновой размер ка = 2nfa/c =
= 2л 2,5 6/5,9 = 15,9 . Следует пользоваться
верхней кривой на рис. 1.15, впрочем, для най-
денных приведенных расстояний кривая не рас-
щепляется. Для первого донного сигнала исполь-
зуем рис. 1.15, а для второго - формулу (1.8):
(<Р1> = 9,8; (ф2) = (7С/(2-8,1)) = 14,2.
Выполняем расчет по формулам (1.7) и
(1-8):
61,8-60,9 = 0,9; 90,7-83,9 = 6,8;
(6,8 - 0,9 - 14,2 + 9,8)/2-50 = 0,015 дБ/мм.
Способ 2. Между преобразователем и
ОК вводится задержка из жидкости (им-
мерсионный контакт) или эластичного
материала с небольшим затуханием и вол-
новым сопротивлением, близким к кон-
тактной жидкости, например из животного
сала. Последний вариант предпочтитель-
нее, так как не требует мер для предот-
вращения вытекания жидкости. Как и в
способе 1, выполняется измерение первого
и второго донных сигналов в плоскопа-
раллельном ОК, а коэффициент затухания
рассчитывается по формуле
Обозначения те же, что и в способе 1.
Способ 2 удобен тем, что при иммер-
сионном контакте между задержкой и ОК
отсутствует тонкий контактный слой не-
определенной толщины. В случае контак-
та через животное сало контактный слой
также практически отсутствует ввиду бли-
зости волновых сопротивлений сала и
контактной жидкости (воды, масла).
С учетом этого коэффициент отражения
от границы задержка - ОК рассчитывается
по формуле
R = |(Z3 ~Z)/(Z3 + z)| ,
где z и z3 - волновые сопротивления мате-
риалов ОК и задержки.
Меры по повышению точности те же,
что для способа 1, однако гораздо легче
обеспечить стабильность акустического
контакта. Отсутствие контакта в отдель-
ных точках границы задержка - ОК не
приводит к большим погрешностям. При
реализации этого способа дефектоскоп
может не иметь усилитель с двухполупе-
риодным выпрямлением принимаемых
импульсов.
Пример 1.6. Определить коэффициент
затухания продольных волн в образце из стали
толщиной г = 30 мм. Акустическая задержка из
сала толщиной h = 30 мм со скоростью звука с3 =
= 1,43 мм/мкс, плотностью р3 =О,911О3кг/м3 ,
волновое сопротивление z3 = 1,3 • 106 Па с/м. От-
метим, что волновое сопротивление контактной
жидкости типа воды 1,49, а типа машинного мас-
ла 1,3 ... 1,6 (в одинаковых единицах), т.е. близки
KZ,.
Установим преобразователь с акустической
задержкой на поверхность ОК, смазанную мас-
лом. Примем меры к тому, чтобы направить ось
преобразователя перпендикулярно к поверхности
ОК. При этом одновременно достигаются макси-
мумы эхосигнала от поверхности ввода ОК, пер-
вого и второго донных эхосигналов. Предполо-
жим, что измерения амплитуд дали значения
Ц) =53,2 и (Л2) = 61,5.
Рассчитаем коэффициент отражения
1,3-46,3
1,3 + 46,3
= 0,945; (й) = 0,49 « 0,5.
Выполним расчет приведенных расстояний:
N = аг/1с = 6 2 • 2,5/5,92 = 15,2 мм;
А' = he, /(сУ)= 30 1,43/(5,92 15,2)= 0,48;
r'l = r/N + h'= 30/15,2 + 0,48 = 2,45;
r'2 = 2г/У + A'= 2-30/15,2 + 0,48 = 4,4 -
Определим дифракционное ослабление по
кривой, показанной на рис. 1.15:
(ф1) = 4,6, (<р2) = 9,0.
Рассчитаем коэффициент затухания
8 = [б 1,5 - 53,2 - 9,0 + 4,6 - 0,5]/(2 30) = 0,057 дБ/мм.
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
39
Затухание поперечных волн. Как и
в случае измерения скорости, рекоменду-
ется способ, основанный на применении
наклонных ПЭП.
1. Подключить к дефектоскопу один
или два ПЭП с углами ввода а ® 45°. Оп-
ределить угол ввода (см. разд. 2.2.4.3).
2. Получить максимальный эхосиг-
нал, применяя схемы, как на рис. 1.14, в
или д, поз. 7, и измерить его амплитуду
3. Переместить ПЭП в поз. 2 (для
схемы рис. 1.14, д переместить только
один ПЭП), получить максимальный эхо-
сигнал, а затем сдвинуть ПЭП в положе-
ние, которое должно соответствовать
максимуму эхосигнала для угла ввода
данного ПЭП, определенного по поз. 7,
например для схемы рис. 1.14, в поместить
на расстояние 27 от края образца. Для ОК с
большим затуханием расстояние 27 будет
соответствовать несколько большему рас-
стоянию от отражателя, чем соответст-
вующее максимуму эхосигнала, а для ОК с
небольшим затуханием оба положения
будут совпадать. Измерить амплитуду
эхосигнала (л2) •
Такая рекомендация объясняется
следующим. Если бы отражение от угла
происходило строго по геометрическим
законам, то максимум отражения от верх-
него двугранного угла достигался при
отодвигании преобразователя на удвоен-
ное расстояние от боковой грани по срав-
нению с расстоянием для отражения от
нижнего угла. При большом затухании УЗ
в материале это не так: максимум достига-
ется, когда преобразователь расположен
немного ближе к боковой грани. При этом
соответствующий боковой луч проходит
несколько меньший путь и в итоге дает
большую амплитуду.
Для измерения затухания нужно,
чтобы путь удвоился по сравнению с рас-
стоянием для отражения от нижнего угла,
т.е. измерять амплитуду следует, когда от
верхнего двугранного угла отражается
акустическая ось, а не боковой луч. Чтобы
не ошибиться, рекомендуется находить
максимум, а потом отодвигать преобразо-
ватель в правильное положение.
4. Измерить и рассчитать пути УЗ-
излучатель - отражатель - приемник гх и
г2 для поз. 7 и 2 (7?) ПЭП. Для
рис. 1.14, в и д расчет ведут по формулам
соответственно
Г] = h/cos а , г2 = 2г],
где h - толщина ОК; а - угол ввода пре-
образователя.
5. Рассчитать приведенные пути
где гр - средний путь в призме преобразо-
вателя; п = Ср/с, - отношение скорости
продольных волн в призме преобразовате-
ля к скорости поперечных волн в ОК;
Р - угол призмы (угол падения); N - про-
тяженность ближней зоны для наклонного
преобразователя (см. разд. 1.3.2):
яс.
где S - площадь пьезопластины преобра-
зователя.
6. Определить дифракционное ослаб-
ление ср, и <р2 для первого и второго сиг-
налов по формуле (1.8) или по рис. 1.15.
7. Рассчитать коэффициент затухания
5, по формуле
<5г > = [<Л2 > - > - <Ф2 > + <Ф1 >] / [2(г2 - ч )].
(1.П)
Основная погрешность измерения
описанным способом (1 ... 2 дБ) связана с
изменением качества акустического кон-
такта в поз. 7 и 2 ПЭП (см. рис. 1.14), по-
этому необходимо принять все меры для
его стабилизации: обработать поверхность
ввода с чистотой не хуже Rz 20 мкм, при-
40
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
жимать к ней ПЭП с постоянной силой,
усреднять результаты многократных из-
мерений.
Пример 1.7. Определить затухание по-
перечных волн в образце из стали толщиной
h = 40 мм. Пятикратные измерения преобразова-
телем на 2,5 МГц с углом ввода 50° из комплекта
"Приз Д5" дали средние значения амплитуд эхо-
сигналов от нижнего и верхнего двугранных уг-
лов ОК = 13 и (Л2) = 27.
Для указанного преобразователя площадь
пьезопластины 12 х 16 мм2, средний путь в приз-
ме гр= 12 мм, угол призмы р = 39°. Эти значения
измерены и рассчитаны, исходя из того, что приз-
ма сделана из капролона со скоростью продоль-
ных воли ср = 2,64 мм/мкс. Угол р рассчитан по
формуле
Р = arcsin(cp sin а / с, )=
= arcsin(2,64sin50° /3,2з)= 39°.
Путь в призме гр определен по измерению
времени пробега в призме. Две одинаковые приз-
мы включались по раздельной схеме и складыва-
лись, как показано на рнс. 1.14, а, таким образом,
чтобы достигалась максимальная амплитуда
сквозного сигнала. Измеренное время пробега
равнялось t„ = 9,1 мкс, отсюда гр = сп t„/2 = 2,64 х
х 9,1/2 = 12 мм.
Протяженность ближней зоны равна
N = 12 • 16 • 2,5/3,23л = 47,3 мм.
Отношение скоростей звука п = сп /с, =
= 2,64/3,23 = 0,82. Пути УЗ в ОК равны и = й/cosa =
= 40cos50° = 62 мм; гг = 2л = 124 мм. Приведен-
ные пути
г{ = 7(62 + 0,82 • 12 )(б2 + 0,82 • 0,83 • 12)/47,3 = 1,5;
= 7(124 + 0,82 • 12)(124 + 0,82 • 0,83 • 12) /
/47,3 = 2,8.
Соответствующие этим путям значения ди-
фракционного ослабления, согласно рис. 1.15,
Ч>1 = 2,1 и q>2 = 5,6 дБ. Рассчитываем затухание по
формуле (1.11):
3, =(27-13-5,6+ 2,1)/(2-62) =0,085 дБ/мм.
1.1.4. Отражение и преломление волн
на границах сред
Коэффициенты отражения и про-
зрачности. При падении упругих волн на
границу раздела двух сред волны частично
проходят во вторую среду, а частично от-
ражаются. Коэффициент отражения R
определяется как отношение амплитуды
Лотр отраженной волны к амплитуде Апад
падающей волны:
р = я / л
д\. -^отр' ^пад-
Коэффициент прозрачности D — это
отношение амплитуд прошедшей Апр и
падающей волн:
Г9 Дпр/Дпад*
Подобными формулами определяют-
ся также коэффициенты отражения и про-
зрачности по энергии. Вместо амплитуд в
формулы входят значения энергий или
интенсивностей волн.
При нормальном падении волны
(рис. 1.16, а) коэффициенты отражения и
прозрачности (для амплитуд колебаний)
равны
R = (z'- z)(z'+ z); D = 2z'/(z' + z)
(1-12)
где z! и z' - волновые сопротивления пер-
вой и второй сред, чаще всего - акустиче-
ской задержки (призмы, иммерсионной
жидкости) и изделия. При УЗ-контроле
обычно передают волны из задержки в
изделие, а затем (в ходе приема) - из изде-
лия в задержку. В результате волна пере-
ходит границу задержка - изделие дваж-
ды: в прямом и обратном направлениях.
Коэффициент прозрачности в прямом и
обратном направлениях
D = 4zz' l(z + z')2.
Именно этот коэффициент прозрач-
ности важен для УЗ-контроля. Он же -
коэффициент прозрачности по энергии.
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
41
Рис. 1.16. Отражение, преломление и трансформация волн
при падении продольной волны на границу оргстекло - сталь:
сплошные линии - продольная волна, штриховые - поперечная волна,
волнистая - поверхностная волна
Заметим, что У?2 - коэффициент отражения
по энергии и в соответствии с законом
сохранения энергии 7?2 + D = 1.
Чем больше разница (или отношение)
волновых сопротивлений сред, тем мень-
ше доля прошедшей энергии и больше
отраженной. Например, при нормальном
падении продольной волны на границу
сталь - воздух (или воздух - сталь) прохо-
дит только 0,002 % энергии, через границу
вода - сталь ~12 % энергии, а через грани-
цу оргстекло - сталь проходит 25 % (от-
ражается 75 %). Это объясняется тем, что
волновое сопротивление воды больше,
чем воздуха, а у оргстекла еще больше.
Они последовательно приближаются к
волновому сопротивлению стали.
При нормальном падении волны из
среды с большим волновым сопротивле-
нием на границу со средой с малым вол-
новым сопротивлением коэффициент от-
ражения, согласно формуле (1.12), отрица-
телен. Это означает, что фаза волны изме-
няется на обратное значение. Например,на
границе твердое тело - воздух (вакуум)
R = -1. Фаза отраженной волны обратна
по отношению к фазе падающей волны, и
в результате сложения волн выполняется
условие равенства нулю напряжений на
свободной поверхности. Это можно заме-
тить по изменению фазы первого полупе-
риода.
Величины коэффициентов отражения
и прозрачности при наклонном падении
выражаются более сложными формулами,
чем при нормальном. Для границ оргстек-
ло - сталь графики коэффициентов про-
зрачности приведены на рис. 1.17, а вода -
сталь - на рис. 1.18.
Направление распространения
волн. Если нижняя и верхняя среды -
твердое тело, то в них при падении упру-
гой волны на границу возникает сразу две
42
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.17. Углы (в) и коэффициенты прозрачности по энергии (б)
при падении продольной волны на границу оргстекло - тонкий слой жидкости - сталь
(8 - толщина слоя жидкости в длинах волны). Штрихпуиктириая линия - эксперимент
волны: продольная и поперечная (см. рис.
1.16, б). Явление превращения одного ти-
па волн в другой называют трансформа-
цией волн. Если какая-либо среда -
жидкость или газ, то поперечные волны в
ней отсутствуют. Направление отражен-
ных и преломленных, продольных и попе-
речных волн определяется законом сину-
сов (законом Снеллиуса):
sinp _ siny; _ sin у, _ sina; _ sina, _ cQnst
c ct c, С/ c\
(1-13)
Обозначения углов показаны на
рис. 1.16, б; с, с;, ct, c't, c’t - скорости волн
падающей, отраженной продольной, от-
раженной поперечной, преломленной про-
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
43
Рис. 1.18. Углы (в) и коэффициенты прозрачности по энергии (б)
для границы вода - сталь
дольной, преломленной поперечной. Та-
ким образом, для всех волн отношение
синуса угла (между направлением волны и
нормалью к поверхности раздела) к скоро-
сти волны будет постоянной величиной.
При УЗ-контроле чаще всего встре-
чается случай, когда падает продольная
волна, а в результате преломления и
трансформации возникают продольная и
поперечная волны, причем скорости обеих
волн больше, чем скорость с падающей
волны (см. рис. 1.16, б). Возникают также
отраженные волны: продольная, если
верхняя среда жидкая; продольная и попе-
речная, если верхняя среда твердая.
Если увеличивать угол падения, то
при некотором его значении угол прелом-
ления для продольной волны будет равен
90° (см. рис. 1.16, в). Преломленная про-
дольная волна будет распространяться
44
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.19. Углы (а) и коэффициенты (б)
отражения по амплитуде от границ сталь -
воздух (--) и алюминий-воздух (-) при
падении продольной волны
вдоль поверхности (в акустике такую вол-
ну называют неоднородной). Она как бы
станет головной волной. Этот угол паде-
ния называют первым критическим. При
еще больших углах падения (см. рис. 1.16,
г) во второй среде останется только попе-
речная волна. При втором критическом
угле (см. рис. 1.16, А) поперечная волна
пойдет вдоль поверхности, т.е. обе пре-
ломленные волны испытают полное внут-
реннее отражение. Критические углы рас-
считывают по формуле
0 = arcsin(c / с'),
где с' - скорость продольной или попе-
речной преломленной волны.
Как отмечалось в разд. 1.1.3, наибо-
лее распространенный способ возбужде-
ния поперечных волн в изделии - с помо-
щью преобразователя с призмой, угол ко-
торой лежит между первым и вторым кри-
тическими углами (см. табл. 1.2). Для гра-
ницы органическое стекло (плексиглас) -
сталь первый критический угол падения
продольной волны в плексигласе равен
27,5°. При этом угол преломления для
продольной волны 90°, а для поперечной
а, = 32°. Второй критический угол 0 = 0" =
= 57,5°. При этом угле падения возбужда-
ется поперечная головная волна, но заме-
тить ее крайне трудно. При угле, несколь-
ко большем второго критического (см.
рис. 1.16, е),
0S = arcsin(c / cs)
возникает поверхностная рэлеевская волна
со скоростью cs. Для границы оргстекло -
сталь угол падения, при котором возбуж-
дается эта волна, равен 0, = 65°. Подоб-
ным способом возбуждаются также нор-
мальные волны (см. разд. 1.1.2).
Графики изменения углов преломле-
ния и коэффициентов прозрачности в за-
висимости от угла падения для границ
оргстекло - сталь и вода - сталь показаны
на рис. 1.17 и 1.18. В табл. 1.5 примени-
тельно к некоторым парам сред приведе-
ны углы 0', 0" и 0, (в градусах), макси-
мальные значения коэффициентов про-
зрачности (по энергии) при образовании
продольных DlVmm и поперечных
волн, углы 0zfmax (в градусах), при кото-
рых достигается максимальная величина
коэффициента прозрачности для попереч-
ных волн.
Колебания частиц в поперечных вол-
нах, возникающих в результате трансфор-
мации из продольной волны, происходят в
той же плоскости, что и в продольной
волне, - в плоскости падения, т.е. в плос-
кости, показанной на рис. 1.16. Как отме-
чалось, такую поперечную волну называ-
ют волной с вертикальной поляризацией.
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
45
1.5. Параметры прохождения
Пара сред ₽’ Р” ₽5 Dll'max Dlfmax P/r'max
Оргстекло - сталь 27,4 57,4 64,9 0,25 0,31 31
Полистирол - сталь 23,4 46,7 51,5 0,2 0,22 27
Вода - сталь 14,6 27,5 29,7 0,12 0,18 16,5
Оргстекло - дюраль 25,6 61,3 70,6 0,54 0,70 32
Вода - дуралюмин 13,7 28,7 31,1 0,29 0,47 16,5
Поперечную волну с горизонтальной по-
ляризацией можно возбудить преобразо-
вателями специального типа, например
ЭМА.
Граница твердого тела. Когда рас-
пространяющаяся в твердом теле про-
дольная или поперечная вертикально по-
ляризованная волна падает на его поверх-
ность, возникают две отраженные волны:
продольная и поперечная. Рассчитанные
значения углов и коэффициентов отраже-
ния (по амплитуде) для продольной волны
в стали и алюминии показаны на рис. 1.19,
а для вертикально поляризованной попе-
речной волны - на рис. 1.20. При падении
на поверхность поперечной волны суще-
ствует третий критический угол. При нем
продольная отраженная волна сливается с
поверхностью (становится неоднородной)
и отражается одна поперечная волна. Для
стали этот угол (3 = <р'=33°, для дуралю-
мина-29,5°.
Угол, соответствующий наибольшей
трансформации (точнее, минимальному
коэффициенту отражения без трансфор-
мации), называется квазиобменный. При
нем большая часть энергии волны транс-
формируется в волну другого типа. Тер-
мин "обменный угол" (без "квази") ис-
пользуется, если трансформация мод про-
исходит полностью. Для стали при паде-
нии продольной волны квазиобменный
угол р; = 68°. При нем амплитуда отра-
женной продольной волны минимальна.
Амплитуда отраженной трансформиро-
ванной поперечной волны достигает мак-
симума при меньшем угле падения (46°).
При падении поперечной волны (см.
рис. 1.19, б) квазиобменный угол 0, = 33°.
Для дуралюмина квазиобменные углы
Рис. 1.20. Углы (в) и коэффициенты (б)
отражения по амплитуде от границ сталь -
воздух (----) и алюминий-воздух (-)
при падении поперечной волны
46
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.21. Схема отражения от
двугранного угла с плоскими гранями (в) и
от двугранного угла с одной плоской и
одной цилиндрической гранями (б);
коэффициент двойного отражения в
стали для продольных (--) и поперечных
(---) волн
При отражении горизонтально поля-
ризованной поперечной волны трансфор-
мация не возникает, если отражающая
плоскость совпадает с плоскостью поля-
ризации, т.е. горизонтальна. Если отра-
жающая плоскость не совпадает с плоско-
стью поляризации горизонтально поляри-
зованной волны или она не перпендику-
лярна к плоскости поляризации попереч-
ной волны, то в отраженной волне будут
как вертикальная, так и горизонтальная
составляющие, причем каждая состав-
ляющая отражается по присущим ей зако-
нам [350]. Подобная ситуация иногда воз-
никает при контроле способом тандем-
дуэт (см. разд. 2.2.5.1).
На рис. 1.21, а, б, в показаны двойное
отражение от прямого двугранного угла и
коэффициент такого отражения:
Д2 = Я(Р)Я(90о-Р).
В результате двойного отражения не-
трансформированный эхосигнал возвра-
щается к излучающему преобразователю
(угловой эффект). На практике двойное
отражение часто встречается для попереч-
ных волн. При углах 0, в интервале между
(р' и (90° - <р') (для стали 33 ... 57°, для
дуралюмина 29,5 ... 60,5°) такая волна
отражается без трансформации, поскольку
для обеих граней углы падения больше
третьего критического.
Для продольных волн такой случай
отражения сравнительно редок. Если про-
дольная волна распространяется вдоль
свободной поверхности, она является го-
ловной, порождает поперечную волну и
быстро ослабляется. Поэтому при 0 = 0 и
90° коэффициент отражения R = 1, как
показано на рис. 1.21, а, только тогда, ко-
гда грань угла, вблизи которой распро-
страняется продольная волна, имеет кри-
волинейную форму (рис. 1.21, б). Такая
ситуация возникает при контроле объек-
тов с цилиндрической внутренней по-
верхностью, например толстостенной тру-
бы или вала с центральным каналом.
На рис. 1.22, а для поперечной волны
в стали в декартовых координатах показа-
ны модуль коэффициента отражения по-
перечной волны и коэффициент двойного
отражения от прямого двугранного угла
(повторно), а на рис. 1.22, б - изменение
фазы отраженной волны при однократном
и двойном отражении. Как видно, вблизи
третьего критического угла <р' (больше
его) фаза отраженной волны изменяется
на значительную величину, не кратную л.
Это вызывает явление незеркалъного
отражения: происходит смещение отра-
женных лучей вдоль поверхности (рис.
1.23, а). Точка отражения луча не совпада-
ет с точкой падения. Это тем заметнее,
чем угол падения <р = 0 ближе к <р' и чем
ниже частота. Оно подробнее будет рас-
смотрено ниже. На рис. 1.23, б показано,
что лучи, которые по законам геометриче-
ского отражения не должны были отра-
зиться от дефекта D, в результате незер-
кального отражения испытают отражение
от него.
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
47
Рис. 1.22. Отражение поперечной волны от свободной поверхности в стали:
однократное (—) и двукратное (от двугранного угла) (-); а - по модулю; б - по фазе
При <р —> <р' величина смещения А
возрастает до бесконечности. Это соответ-
ствует возникновению головной волны.
Явления нарушения геометрических зако-
нов отражения и преломления наблюда-
ются не только на свободной поверхности,
но и на границе двух протяженных сред
при углах падения, близких к критиче-
ским.
Граница сред, разделенных тонким
слоем. Если волны проходят из одной
протяженной твердой среды в другую че-
рез зазор, заполненный воздухом, то про-
хождение очень плохое, потому что вол-
новое сопротивление газа в тысячи раз
меньше, чем твердых тел. Это способству-
ет хорошему обнаружению очень тонких
несплошностей (дефектов) в твердом теле:
УЗ-волны от них практически полностью
отражаются. Но это же затрудняет переда-
чу УЗ-волны от преобразователя в ОК,
поэтому промежуток между ними запол-
няют контактной жидкостью.
Очень тонкий промежуточный слой
контактной жидкости слабо влияет на ко-
эффициенты отражения и прозрачности.
Значения коэффициентов прозрачно-
сти, показанные на рис. 1.17 сплошными
кривыми, а также приведенные в табл. 1.4,
соответствуют варианту, когда между
призмой преобразователя и ОК имеется
очень тонкий слой контактной жидкости:
8 = /г/лс —> 0 , где h - толщина слоя, а лс -
длина волны в нем. Такой слой позволяет
ввести граничное условие, чтотангенци-
Рис. 1.23. Незеркальное отражение
поперечных волн от свободной поверхности
(а) и его влияние на отражение от
поверхностного дефекта (б)
48
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.24. Зависимость коэффициента
отражения продольных воли от толщины
слоя воздуха:
1 - теоретическая; 2,3- экспериментальные [411]
альные напряжения на поверхностях
призмы преобразователя и ОК равны ну-
лю. Увеличение толщины слоя (при со-
блюдении условия 8 «1) ухудшает про-
хождение (см. рис. 1.17).
При увеличении толщины слоя, со-
измеримом с длиной волны, амплитуды
прошедших и отраженных волн имеют
максимумы и минимумы. При нормаль-
ном падении, если волновое сопротивле-
ние слоя zc меньше (или больше), чем обе-
их протяженных сред z и z', то коэффици-
ент отражения больше или равен R в от-
сутствие слоя. Однако прохождение
улучшается, если zc лежит в интервале
между z и z'. Это явление называют про-
светлением границы. Максимальная про-
зрачность, т.е. D = 1, достигается при ус-
ловиях
А = Хс/4; zc=Vzz7.
Строго говоря, приведенное соотно-
шение справедливо для гармонических
колебаний, причем значение D = 1 дости-
гается, если просветляющий слой не имеет
потерь. Уменьшение числа периодов УЗ-
импульса и увеличение потерь в слое
ухудшают согласование (уменьшают зна-
чение £)), однако и в этом случае наблю-
дается максимум прозрачности слоя.
Если обе протяженные среды одина-
ковы, а слой тонкий (h « Хс), то коэффи-
циент отражения по энергии при нормаль-
ном падении
R2
zh J
(Е14)
В табл. 1.6 сведены рассчитанные по
формулам (1.12) и (1.14) значения R2 для
слоев в стали, частота 2,5 МГц. Таблица
показывает практически полное отраже-
ние от тончайшего воздушного зазора
(0,00001 мм), имитирующего дефект.
Заполнение зазора жидкостью резко улуч-
шает прохождение.
Экспериментальные исследования
(рис. 1.24) не подтверждают расчетных
результатов по отражению от тонкого воз-
1.6. Отражение от слоев в стали
Толщина слоя йс, мм Коэффициенты отражения по энергии, %
для слоя воздуха для слоя воды
1-Ю’6 86,67 2,67-1О'6
1 • 10 5 99,85 2,67-10'4
1-Ю’4 99,998 2,67-10'2
1-Ю’3 2,60
00 87,84
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
49
душного зазора [350]. Коэффициенты от-
ражения начинают заметно уменьшаться
по сравнению с единицей (а прозрачность
увеличиваться) при hc = 2 • 1(Г* ... 1 • 10'2 мм
по измерениям, проведенным разными
авторами.
Отражение и преломление импуль-
сов и пучков лучей. Приведенные выше
сведения об отражении и прохождении
волн относятся к непрерывным колебани-
ям и волне с плоским фронтом. Далее рас-
сматриваются изменения, происходящие
при отражении импульсов, и варианты
отражения пучка параллельных лучей
(плоская ограниченная волна) и веерооб-
разно расходящегося от излучателя пучка
лучей (квазисферическая волна). При этом
амплитуда лучей в пределах пучка может
изменяться. Первый вариант приближенно
реализуется в непосредственной близости
от плоского излучателя, а второй - в его
дальней зоне (см. разд. 1.3).
Конечная длительность импульса
уменьшает осцилляции коэффициентов R
и D для границ, разделенных слоем. Сгла-
живанию осцилляций способствуют также
затухание УЗ в слое и уход волн из зоны
соприкосновения сред при наклонном па-
дении. По всем этим причинам для про-
светления оптимален слой толщиной в 1/4
длины волны, а, например, не в 3/4 длины
волны.
Рассмотренное выше явление незер-
кального отражения теоретически обосно-
вано [38, 39] для пучка параллельных лу-
чей, падающих на границу (рис. 1.25).
Точнее, в случае падения ограниченного
пучка поперечных волн на свободную по-
верхность твердого тела под углом <р,
близким к третьему критическому углу ф'
(для стали <р' = 33°), отраженная продоль-
ная волна вырождается в неоднородную
волну, обусловливающую быстрое изме-
нение фазы колебаний, что эквивалентно
смещению пучка вдоль поверхности. От-
ражение пучка как бы происходит от
мнимой границы (показана штриховой
линией) на расстоянии h от действитель-
Рис. 1.25. Незеркальное отражение
пучка параллельных лучей
ной. Набег фазы на пути 2tt/cos(p равен
изменению фазы при отражении.
Кроме этого явления для поперечной
волны происходит при угле падения на
свободную поверхность, отличающемся от
45°, смещение отраженных лучей вследст-
вие изменения фазы, которое показано на
рис. 1.22, б. Смещение идет в двух на-
правлениях. Для лучей с углом, меньшим
45°, пучок сдвигается вперед так же, как
на рис. 1.25, а для лучей с углом, большим
45°, пучок смещается назад к преобразо-
вателю. Предложена [161] приближенная
формула для расчета смещения:
* 32о
А — I—1-------v *
W-2A:,2)
Здесь о - отклонение угла падения (в
радианах) от 45°, к/ и kt - волновые числа
для продольной и поперечной волн.
Отметим, что в формуле нет зависи-
мости смещения от близости к критиче-
скому углу, так как это явление при выво-
де формулы не учитывалось. Оценки по-
казывают, что в стали на частоте 2,5 МГц
отклонение угла на +20° вызовет при от-
ражении смещение пучка на 2,55 мм, а на
частоте 1,8 МГц - на 3,55 мм.
Явление смещения пучка лучей как
при отклонении угла падения от 45°, так и
в результате приближения угла падения к
третьему критическому углу эксперимен-
тально исследовано В.С. Гончаровым [91,
92]. Им продемонстрировано изменение
смещения при вариации угла ф и частоты
(рис. 1.26). Смещение А вперед тем боль-
ше, чем угол <р ближе к критическому и
50
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
а)
Рис. 1.26. Схема (а) и результаты
экспериментов по смещению пучка лучей
при отражении от свободной поверхности
стального ОК:
------расчет по [38]; •, о - эксперимент на
частотах 2,5 и 1,8 МГц; б - угол падения < 45°;
в - угол падения > 45° к генератору Г и
приемнику П
чем ниже частота. Например, доя преобра-
зователя на частоту 2,5 МГц с углом паде-
ния на границу (равным углу преломле-
ния) 37° смещение вперед составляет
~3 мм, а для угла падения 45° смещение
А = 0. Для угла падения 65° (> 45°) смеще-
ние назад ~2 мм. Это близко к приведен-
ному выше теоретическому значению
смещения назад для угла преломления 65°,
но не соответствует смещению вперед в
области критического угла.
Отражение и преломление расходя-
щегося пучка для каждого луча происхо-
дят так же, как для плоской волны. В ре-
зультате амплитуды лучей изменяются
пропорционально значениям R и D для
данного угла падения. Как для плоской
волны, для каждого луча происходит сме-
щение вдоль границы (см. рис. 1.23).
Изменение коэффициентов отраже-
ния и прозрачности в зависимости от угла
заметно влияет на положение максимума
при отражении и прохождении расходя-
щегося пучка лучей. На рис. 1.27 показано
экспериментальное изменение углов пре-
ломления для продольных а/ и попереч-
ных а, волн для границы оргстекло (приз-
ма преобразователя) - сталь и угла отра-
жения у/ продольных волн для границы
сталь - воздух в результате изменения
амплитуд лучей пропорционально значе-
ниям R и D.
Рис. 1.27. Изменение направления
лучей с максимальными амплитудами
преломленной и отраженной волн при
падении продольной волны на границу
плексигласовая призма - сталь:
а(, а, - углы преломления продольной и
поперечной волн; у| - угол отражения
продольной волны от свободной поверхности
в стали; расчет по закону синусов (—) и
эксперимент (--------------)
УПРУГИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
51
Рис. 1.28. Дифракция волн на объемном (в) и плоском (б) дефектах
При экспериментах произведение
диаметра пьезопластины на частоту соста-
вило 30 мм-МГц. Видно, что значения уг-
лов отражения и преломления отклоняют-
ся от найденных по формуле синусов
(1.13) в сторону максимумов значений R и
D. Явление тем сильнее, чем шире диа-
грамма направленности преобразователя.
Экспериментально полученная кри-
вая зависимости коэффициента прозрачно-
сти от угла падения волны (см. рис. 1.17)
удовлетворительно совпадает с теоретиче-
ской. Исключение составляет область
вблизи угла Р', где, согласно эксперимен-
тальным измерениям, сглаживается выте-
кающий из теории минимум коэффициен-
та прозрачности Dlt (экспериментальное
значение - штрихпунктирная линия на
рис. 1.17). Это явление также объясняется
отличием падающей волны от плоской и
импульсным характером излучения.
1.1.5. Дифракция на препятствиях и
рефракция
Дифракция - это отклонения волн от
геометрических законов распространения.
Она, в частности, возникает при излуче-
нии и отражении волн. Звуковые поля,
созданные дифракцией исходной волны на
препятствиях, называют дифракционными,
или рассеянными, волнами. При УЗ-
дефектоскопии различают дифракцию на
объемных и плоских препятствиях - реаль-
ных или искусственных дефектах.
При дифракции на объемных дефек-
тах, которые удобно имитировать цилин-
дром (рис. 1.28, а), дифракционные волны
обегают дефект и соскальзывают. Особен-
но хорошо волны обегания и соскальзыва-
ния наблюдаются при падении на дефект
поперечной волны с колебаниями в плос-
кости рисунка. На рис. 1.29 показано из-
меренное А.Х. Вопилкиным [232] отно-
шение (в дБ) амплитуд зеркально отра-
женного сигнала и первой волны обега-
ния-соскальзывания. Это отношение умень-
шается с увеличением радиуса цилиндра
R. Амплитуда волн обегания-соскальзы-
вания при падении продольной волны в
~ 10 раз меньше, чем при падении попе-
речной волны.
В случае падения поперечной волны
при диаметре цилиндра порядка длины
волны основной тип волн обегания Os (см.
рис. 1.28) рэлеевская, а волн соскальзыва-
ния С поперечная, направленная по каса-
тельной к поверхности отражателя. Соот-
ношение амплитуд для этого варианта
показано на рис. 1.29. При диаметре ци-
линдра, значительно большем длины вол-
ны, хорошо заметна также обегающая го-
ловная волна О/. Волна соскальзывания С'
при этом также поперечная, распространяю-
щаяся под углом к поверхности, равным
52
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.29. Зависимость отношения амплитуд зеркально отраженного и
дифрагированного сигналов от радиуса цилиндра Л при совмещенной схеме контроля
(сталь 45, частота 2,5 МГц)
третьему критическом углу <р' = 33° (см.
рис. 1.28, а).
При дифракции на плоских (плоско-
стных) дефектах (см. рис. 1.28, б) диф-
ракционные волны имеют вид расходя-
щихся лучей от каждой точки края или
ребра Д и Д'дефекта. Это и продольные, и
поперечные волны. Точки Д и Д' называ-
ют блестящими точками. Например, та-
кие волны наблюдают от края трещины.
Амплитуды эхосигналов от обоих ребер
приблизительно равны.
На рис. 1.30 представлены результа-
ты расчетов дифракции продольных волн
Рис. 1.30. Дифракционное рассеяние
продольных волн на конце разреза
(вертикальной трещины) при нормальном
(в) и наклонном (б) падении. Стрелки
указывают направления излучении и
отражения
на конце трещины [193]. Вертикальная
трещина имитирована разрезом. Показано
сравнительное распределение амплитуд
дифрагированных волн по разным направ-
лениям при контроле прямым (а) и на-
клонным (б) преобразователями. Видно,
что дифракционный сигнал от ребра раз-
реза, полученный при использовании сов-
вмещенного наклонного преобразователя
продольных волн с углом 45° (рис. 1.30,
б), будет в 7 раз больше, чем при исполь-
зовании прямого совмещенного преобра-
зователя (рис. 1.30, а). Фактический выиг-
рыш будет не так велик, учитывая потери
энергии в призме преобразователя и уве-
личение пути УЗ.
Дифракционные волны слагаются
между собой и с волнами 3, образовав-
шимися в соответствии с геометрически-
ми законами (см. рис. 1.28). Происходит
сложение волн с учетом их фаз - интерфе-
ренция. В результате совпадения или не-
совпадения фаз этих волн возникают мак-
симумы или минимумы суммарного сиг-
нала.
Переходный тип дифракции между
объемным и плоским отражателями на-
блюдают на моделях дефектов эллиптиче-
ской формы. Эллиптический цилиндр в
предельных случаях совпадает с круговым
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
53
цилиндром (а = Ъ) и полосой (b —> 0);
b - малая, а а - большая полуоси эллипса.
В теории прочности при оценке влияния
дефекта на работоспособность конструк-
ции используют понятия "коэффициент
концентрации" и "коэффициент формы"
дефекта. При этом дефект вписывают в
эллипс и величина указанных коэффици-
ентов определяется соотношением полу-
осей эллипса q = b/la. По этим причинам
изучение дифракции на эллипсе имеет
важное значение.
По измерениям А.Х. Вопилкина [232]
при уменьшении величины q тип дифрак-
ции, отвечающий объемному дефекту,
переходит в тип дифракции, соответст-
вующий плоскостному дефекту. На
рис. 1.31 показана зависимость отношения
амплитуд первых двух эхосигналов А4 на
излучателе-приемнике от величины q.
Сплошная линия - среднее значение экс-
периментальных данных, штриховые -
среднее квадратическое отклонение зна-
чений.
Область I соответствует типу ди-
фракции на объемном дефекте. Амплитуда
волны обегания-соскальзывания значи-
тельно меньше зеркального отражения.
Область III соответствует дифракции на
плоскостном дефекте: сигналы от обеих
блестящих точек близки по амплитуде.
Область II - промежуточная.
Рефракция — это преломление волн.
Применительно к УЗ-волнам под рефрак-
цией понимают непрерывное изменение
направления акустического луча в среде,
скорость в которой изменяется. Рефрак-
цию наблюдают, например, в аустенитном
сварном шве (см. разд. 5.1.3.1) и при рас-
пространении волн в поверхностно зака-
ленном слое (см. разд. 7.12). В последнем
случае твердость материала с глубиной
уменьшается, а скорость звука увеличива-
ется. В результате наклонные к поверхно-
сти УЗ-лучи искривляются и даже выхо-
дят на поверхность ввода. Это явление
используют для измерения глубины по-
верхностно закаленного слоя.
Рис. 1.31. Зависимость отношения
амплитуд первых двух принятых сигналов,
дифрагированных на эллиптических
отражателях, от коэффициента формы q
1.2. ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ
УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
Для излучения и приема упругих ко-
лебаний и волн применяют различные
способы. Все они основаны на преобразо-
вании энергии. В простейшем случае та-
кое преобразование может происходить
без изменения вида энергии: например,
возбуждение акустических импульсов в
бетоне - ударом молотка. При этом кине-
тическая механическая энергия молотка
преобразуется в механическую же энер-
гию упругой волны.
Однако чаще возбуждение и прием
упругих колебаний сопровождается изме-
нением вида энергии, например из элек-
трической в механическую, и наоборот. В
некоторых случаях используют много-
кратные преобразования видов энергии.
Так, при лазерном способе возбуждения
УЗ электрическая энергия генератора им-
пульсов преобразуется сначала в свето-
вую, затем в тепловую и, наконец, в меха-
ническую энергию упругих волн.
Устройства, служащие для возбужде-
ния и приема упругих волн, называют
преобразователями. Различают обрати-
54
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
а)
Рнс. 1.32. Деформации пьезопластины
под действием обратного пьезоэффекта
мые и необратимые преобразователи. Об-
ратимые преобразователи могут как излу-
чать, так и принимать упругие волны
(пример - пьезоэлемент), необратимые -
только излучать или только принимать
(пример - возбуждение звука механиче-
ским ударом).
Одни преобразователи (например,
пьезоэлектрические) требуют наличия
между ними и ОК промежуточной мате-
риальной среды (жидкости, слоя мягкого
пластика, газа). Другие (лазерные излуча-
тели и приемники УЗ, ЭМА-преобразова-
тели) в такой среде не нуждаются и могут
работать даже в вакууме. Классификация
преобразователей по способам связи с ОК
приведена в разд. 2.1.9.
В отечественной литературе термин
"преобразователь" имеет двоякий смысл.
Наряду с рассмотренным активным эле-
ментом, в котором происходит сам про-
цесс возбуждения или приема упругих
колебаний, этот же термин применяют для
обозначения законченного конструктив-
ного узла аппаратуры, включающего в
себя также дополнительные детали (кор-
пус, провода, крепежные и монтажные
детали и т.п.).
Отметим, что в англоязычной литера-
туре для обозначения собственно преобра-
зователя обычно пользуются термином
"transducer" или "crystal" (последнее отно-
сится только к пьезоэлементу), а содер-
жащего его конструктивного узла -
"probe" (пробник, зонд, искатель). Впро-
чем, понятия "transducer" и "probe" тоже
часто путают. Поэтому и здесь следует
исходить из контекста.
Далее будут рассмотрены основные
типы преобразователей, применяемых для
излучения и приема упругих колебаний в
акустических методах контроля и диагно-
стики.
1.2.1. Пьезоэффект.
Пьезопреобразователи
Основные понятия. Наибольшее
распространение в акустических методах
неразрушающего контроля и диагностики
получили пьезоэлектрические преобразо-
ватели. Они обратимы, т.е. используются
как для излучения, так и для приема упру-
гих колебаний и волн. Активным элемен-
том преобразователя служит пьезоэле-
мент. В общем случае преобразователь
может содержать один или несколько пье-
зоэлементов различной формы.
Преобразователь как самостоятель-
ный функциональный узел прибора обыч-
но соединяют с электронным блоком гиб-
ким коаксиальным кабелем. В простейшем
случае используют один пьезоэлемент,
выполняемый в виде пластины из пьезо-
электрического материала. Для излучения
упругих волн пьезоэлемент возбуждают
электрическим напряжением генератора.
Электрические сигналы, появляющиеся на
пьезоэлементе при приеме упругих коле-
баний, подают на вход усилителя прибора.
Обычно при УЗ-контроле применяют
пьезопреобразователи с пьезоэлементом в
форме пластины (пьезопластины). Она
имеет токопроводящие электроды на
больших поверхностях. На электроды по-
дают напряжение от генератора электри-
ческих колебаний или снимают сигналы,
подаваемые на усилитель.
Под действием электрических коле-
баний генератора пластина расширяется и
сжимается по толщине (рис. 1.32, а). При-
ем происходит за счет обратного преобра-
зования механических колебаний в элек-
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
55
трические. Смещения граней пластины,
показанные на рисунке, преувеличены.
В действительности смещение не превос-
ходит 0,0001 мм. Обычно преобразователь
с такой пластиной прижимают к поверх-
ности изделия через слой контактной
жидкости. В результате в изделии возни-
кают продольные волны, направленные
под прямым углом к поверхности, поэто-
му такой преобразователь называют пря-
мым.
Прямой пьезоэффект состоит в по-
явлении электрических зарядов при де-
формации пьезоэлемента, а обратный - в
его деформации под действием электриче-
ского поля. Таким образом, пластина из-
лучает благодаря обратному пьезоэффек-
ту, а принимает - благодаря прямому.
Чтобы возбудить поперечные волны,
можно заставить поверхности специально
изготовленной пьезопластины колебаться
в направлениях, перпендикулярных к ее
толщине, т.е. совершать сдвиговые коле-
бания (рис. 1.32, б). Но такие колебания
трудно передать в ОК: поверхность пла-
стины будет проскальзывать относительно
поверхности ОК и обычная контактная
жидкость передать колебания не поможет.
Преобразователь с такой пластиной при-
клеивают к поверхности ОК или исполь-
зуют очень вязкую контактную жидкость.
В высокочастотной УЗ-дефектоско-
пии применяют более удобный способ
возбуждения поперечных волн. Продоль-
ную волну возбуждают в промежуточной
среде - призме (чаще всего из плексигласа
или другой пластмассы) и направляют на
поверхность ОК наклонно. Угол падения
выбирают между первым и вторым крити-
ческими значениями (см. разд. 1.1.4). В
результате в изделии распространяется
наклонная к поверхности вертикально по-
ляризованная поперечная волна. Такой
преобразователь называют наклонным.
Пьезоматериалы. Свойства наибо-
лее часто используемых или перспектив-
ных пьезоматериалов приведены в
табл. 1.7. Постоянные, характеризующие
работу пьезопластины, будут рассмотрены
также в разд. 1.4.5.
Дадим определения указанным в
табл. 1.7 свойствам и поясним область их
применения.
Скорость звука (продольных
волн) в направлении толщины пластины с,
требуется для расчета толщины h<. пьезо-
пластины, при которой пластина обладает
резонансными свойствами. Если колеба-
ния в ненагруженной пластине возбудить
коротким электрическим воздействием, а
затем предоставить ей возможность коле-
баться свободно, то колебания будут про-
исходить на собственных частотах, ко-
торые часто не вполне правильно назы-
вают резонансными.
Низшая (основная) собственная час-
тота f0 колеблющейся по толщине сво-
бодной пластины соответствует полувол-
новой толщине /?!, т.е. равной половине
длины волны в ее материале:
/?! = А.Д = С1/2/о. (1.15)
При колебаниях с частотой, большей
основной собственной частоты, в пьезо-
элементе могут возбудиться свободные
колебания на высших гармониках, крат-
ных основной частоте. При таких колеба-
ниях в пьезоэлементе будут возникать
одновременно зоны растяжения и зоны
сжатия, а внешнее электрическое поле
станет создавать во всем объеме напряже-
ния одного знака. Поэтому в одних зонах
оно будет усиливать, в других ослаблять
колебания. Следовательно, в свободном
пьезоэлементе под влиянием поля с часто-
той, равной четной собственной частоте,
колебания не возникают и он остается не-
подвижным, как будто заторможены его
обе главные грани. Собственные частоты с
четными номерами называют частотами
динамического торможения [141]. Таким
образом, в свободном пьезоэлементе воз-
буждаются только нечетные гармоники,
т.е. частоты /= (2и - 1 )/^.
Из (1.15) видно, что чем выше собст-
венная частота, тем тоньше должна быть
пластина. Например, в пластине из цирко-
56
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
1.7. Свойства пьезоматериалов
Свойства Пьезоматериал
Кварц, А-срез ЦТС-19 Метаниобат свинца ПВДФ* Ниобат лития
Скорость звука о, 1 103 м/с 5,76 3 ... 3,6 3,3 1,5 ...2,5 7,32
Плотность pi, 1 • 103 кг/м3 2,65 7,4 6,2 1,3...1,8 4,64
Волновое сопротивление zb 1 • 106Пас/м 15,3 22 ... 27 20,5 2...4,5 34
Диэлектрическая проницае- мость £ 4,5 1400... 2050 300 11 ... 13 30
Пьезоэлектрическая постоян- ная е, Кл/м2 0,175 13 ... 19 5,1 0,1 ...0,13 1,9
Коэффициент электромехани- ческой связи р 0,095 0,4 ... 0,5 0,38 0,1 ...0,14 0,22
Допустимая температура t, °C 550 200 300 150 1160
Механическая добротность £м - 50 15 < 15 > 1000
*Поливинилденфторид.
ната-титаната свинца (ЦТС) скорость
с, = 3,3 мм/мкс, поэтому для работы на
частоте 2,5 МГц пластина должна иметь
толщину = 3,32 • 2,5 = 0,66 мм, а на час-
тоте 10 МГц - толщину 0,165 мм.
Под влиянием контактирующих с
пластиной элементов эта частота немного
изменяется. Частоту, которую возбуждает
преобразователь, называют его рабочей
частотой. Пьезоматериалы обладают
анизотропией свойств, поэтому в других
направлениях скорость продольных волн
может отличаться от ct.
Для свободной (акустически нена-
груженной) пластины в формулу входит
скорость при постоянной электрической
индукции, а в табл. 1.7 указаны значения
скоростей при постоянной напряженности
электрического поля: они меньше в
д/1 + р2 раз и соответствуют сильно на-
груженной пластине (понятие "коэффици-
ент электромеханической связи" р будет
определено ниже).
Плотность р! и вычисляемое через
нее волновое сопротивление = p,C] ис-
пользуют в расчетах по согласованию пье-
зопластины со средой, куда излучается
УЗ. Например, акустическую доброт-
ность (она определяет длительность коле-
баний после возбуждения) пластины вы-
числяют по приближенной формуле [27]
л Z]
2 z0 + z2 ’
где z0 и Z2 - волновые сопротивления сред,
контактирующих с пластиной без проме-
жуточных слоев. Добротность пропорцио-
нальна отношению полного запаса энер-
гии в колеблющейся системе к потерям
энергии за период колебаний (см. разд.
1.4.1).
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
57
Диэлектрическая проницае-
мость е (точнее, относительная диэлек-
трическая проницаемость) нужна для рас-
чета емкости пьезопластины как плоского
конденсатора:
С = sosS//i] , (1-17)
где е0 = 8,85 • 10~12 Ф/м - диэлектрическая
проницаемость вакуума; S - площадь пье-
зопластины. При расчете преобразовате-
лей нужно использовать значение к' для
пластины с закрепленными гранями, счи-
тая, что деформация постоянна (см. разд.
1.4.5).
Коэффициент электромехани-
ческой связи р - наиболее общая энер-
гетическая характеристика пьезоэлектри-
ка. Полная энергия W деформированного
пьезоэлектрика определяется суммой W =
= WE + где WE - энергия электрическо-
го поля; - энергия, запасенная в меха-
нической форме. Коэффициент Р показы-
вает, какая часть общей энергии пьезо-
электрика преобразуется в механическую
(1ЕМ) или электрическую (WE) форму:
Значение Р зависит от материала и моды
колебаний пьезопреобразователя.
Пьезоэлектрическая постоян-
ная е связывает электрическое напряже-
ние генератора с механическим напряже-
нием в пьезоматериале. Коэффициент
электромеханической связи р через е и
другие величины для колебаний по тол-
щине рассчитывается по формуле
Р = е/^Z^EqE .
Величина р2 характеризует роль пье-
зоматериала при определении чувстви-
тельности совмещенного преобразователя,
т.е. работающего как излучатель и как
приемник. Если преобразователь раздель-
ный, а излучающий и приемный элементы
изготовлены из разных пьезоматериалов,
то вместо р2 войдет величина
CiZj Е' Е0
где штрихом отмечены значения, относя-
щиеся к приемнику; d и h' - пьезокон-
станты, часто используемые вместо е при
расчетах излучателя и приемника.
Недостатки некоторых пьезомате-
риалов (например, ЦТС) - большое значе-
ние е и, соответственно, большая емкость
пьезопластины. Это уменьшает чувстви-
тельность во время приема сигналов уси-
лителем напряжения с высоким входным
импедансом. Однако амплитуду сигнала
можно существенно повысить применени-
ем усилителя тока с низким входным им-
педансом [185].
Если преобразователь раздельный, то
пьезопластину приемника можно сделать
из материала с малым е (например, суль-
фата лития, как это рекомендуется в
США), а чувствительность увеличить пу-
тем использования предусилителя напря-
жения с очень высоким входным импе-
дансом, расположенного как можно ближе
к пьезоэлементу. Это исключает шунтиро-
вание малой емкости пьезоэлемента суще-
ственно большей емкостью кабеля и мон-
тажа, что резко снижает уровень прини-
маемого сигнала.
Допустимая температура - это
температура, при которой может надежно
работать преобразователь. В табл. 1.6 ука-
зана следующая допустимая температура:
на 20 ... 50° ниже температуры аллотро-
пического превращения для кварца (при
аллотропическом превращении кварц те-
ряет пьезосвойства), точек Кюри для пье-
зокерамик (выше этой точки происходит
располяризация), температуры размягче-
ния для ПВДФ.
Механическая добротность QK
характеризует потери энергии в свободно
колеблющейся пластине (см. разд. 1.4.1).
Для получения коротких УЗ-импульсов
преимущество имеют материалы с низкой
механической добротностью. В преобра-
58
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.33. Композиционный пьезоэлемент
зователях, предназначенных для получе-
ния длительных колебаний, - наоборот.
Максимальное электрическое
напряжение (7тах, которое может быть
подано на пластину от генератора, зависит
от электрической прочности пьезомате-
риала, которая определяется напряженно-
стью максимально допустимого электри-
ческого поля Етг№ (в таблице не указано)
^шах ~ ^Лпах /^1 '
Для ЦТС-19 Emix = 3000 В/мм, однако
уже при 0,ЗЕтах наблюдается непропор-
циональный, замедленный рост амплиту-
ды акустического сигнала с ростом на-
пряжения генератора.
Пример 1.8. Рассчитать полуволновую
толщину, электрическую емкость и акустическую
добротность пьезопластины из ЦТС-19 на частоту
/= 2,5 МГц, диаметром 2а = 12 мм, излучающую в
воду и в сталь. Демпфер с волновым сопротивле-
нием z0 = 6 -106 Па с/м • Какое максимальное
напряжение от генератора можно подавать на
такую пластину?
Толщина пластины согласно (1.15)
ht = 3,3/(2 2,25) = 0,66 мм = 0,00066 м.
Электрическая емкость, исходя из (1.17),
С = еоела2/й1 = 8,85 10’12 • 1725л 0,0062/0,00066 =
= 2,6 10“9Ф .
Акустическая добротность для воды [см.
(1-16)]
п =Е _...24'.106____5.
1/а - £ a D
2 1,49 • 10° + 6 • 10°
Для стали расчет дает Qa = 0,8. Волновые
сопротивления ЦТС и стали ближе, чем ЦТС и
воды, в сталь уходит больше энергии, поэтому
говорят, что пластина нагружена сильнее. Это
привело к снижению добротности Максимальное
напряжение генератора определяем по формуле:
Птах =0,ЗЕтахй| =0,3 3 106 0,66 10‘3 =600В.
Из пьезоматериалов наибольшее
применение получил цирконат-титанат
свинца. Существуют различные марки
ЦТС, отличающиеся химическим соста-
вом и свойствами. В табл. 1.7 даны свой-
ства марки ЦТС-19 по государственному
стандарту, а остальных материалов - по
литературным источникам, в частности
[330].
ЦТС - это синтетическая, спеченная
из массы определенного химического со-
става пьезокерамика. На поверхности из
Рис. 1.34. Изменение скорости продольных
волн (а) и волнового сопротивления (б)
от процентного содержания ЦТС в
композиционном пьезоэлементе
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
59
готовленных таким образом пластин нано-
сят (краской, вжиганием или напылением)
металлические (обычно серебряные или
никелевые) электроды. Далее пластины
выдерживают длительное время под
большим постоянным напряжением (поля-
ризуют), чтобы материал приобрел пье-
зосвойства. Если температура пьезопла-
стины из ЦТС-19 поднимется > 290 °C
(точка Кюри), пластина располяризуется,
ее приходится поляризовать повторно.
ЦТС обладает высокими пьезосвой-
ствами, но у него очень большая электри-
ческая емкость. Это уменьшает чувстви-
тельность в ходе приема колебаний. Се-
рийно изготовленные пьезопластины ино-
гда имеют неравномерные свойства по
площади.
Кварц — это кристалл. Из него под
определенными углами к оптическим осям
вырезают пластины, способные деформи-
роваться различным образом. В табл. 1.7
указаны данные для пластины Х-среза,
совершающей колебания по толщине.
Кварц имеет небольшой коэффициент
электромеханической связи, однако обла-
дает очень высокой добротностью и ста-
бильностью свойств. Поэтому его приме-
няют в случаях, когда надо обеспечить
высокостабильные измерения с постоян-
ными свойствами по всей поверхности
пластины.
Метаниобат свинца имеет низкую
механическую добротность, с его помо-
щью легче получать короткие импульсы.
Кроме того, у него очень малы радиаль-
ные колебания, вносящие помехи. Ниоба-
ту лития свойственна высокая температу-
ра точки Кюри (1210 °C). Оба этих материа-
ла - пьезокерамика.
ПВДФ - эластичная полимерная
пленка. Ей можно придать практически
любую форму. Ее небольшое волновое
сопротивление облегчает акустическое
согласование с иммерсионной жидкостью.
Радиальные колебания близки к нулю,
механическая добротность очень низкая.
Есть пленки на очень высокие частоты (до
100 МГц), так как их эластичность предо-
храняет от разрушения, свойственного
тонким пластинам из других (хрупких)
материалов.
Перспективно применение компози-
ционных пьезопластин. Такая пластина
(рис. 1.33) представляет собой разрезан-
ную на части пластину из пьезокерамики
(например, ЦТС). Промежутки между
элементами заливаются компаундом
(эпоксидной смолой). В зависимости от
процентного содержания ЦТС и эпоксид-
ной смолы, согласно [116], изменяются
скорость звука, волновое сопротивление
материала пластины (рис. 1.34) и диэлек-
трическая проницаемость.
Уменьшение волнового сопротивле-
ния повышает прозрачность границы пла-
стины в определенных условиях, а имен-
но: позволяет лучше согласовать пьезо-
пластину с материалом призмы в наклон-
ных преобразователях или материалом
изделия в прямых преобразователях, пред-
назначенных для контроля пластических
материалов. Уменьшение емкости пьезо-
пластины оказывает положительное дей-
ствие при приеме импульсов усилите-
лями напряжения. В результате компози-
ционный элемент часто обеспечивает бо-
лее высокую чувствительность преобразо-
вателя по сравнению с пьезоэлементом из
мономатериала.
Классификация пьезоэлектриче-
ских преобразователей (ПЭП) дана ниже
по назначению и другим признакам.
Высоко- и низкочастотные
ПЭП. Высокочастотные ПЭП рассчитаны
на получение колебаний частотой > 0,5 МГц.
Они обычно предназначены для формиро-
вания направленных пучков УЗ-волн и
возбуждают колебания с длиной волны,
значительно меньшей поперечных разме-
ров пьезопластины. Низкочастотные ПЭП
обычно служат для работы на частотах
< 0,1 МГц. Их также используют для фор-
мирования направленных пучков, а в дру-
гих приборах - для формирования изгиб-
ных волн, возбуждения колебаний всего
ОК или его части и анализа этих колебаний.
60
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Основные типы высокочастот-
ных преобразователей (рис. 1.35): а-
прямые; б - наклонные', в - раздельно-
совмещенные (PC). Их основные конст-
руктивные элементы: 1 - пьезопластина;
2 - демпфер, к которому приклеивается
неизлучающая в ОК сторона пьезопласти-
ны и который способствует гашению
(демпфированию) колебаний для получе-
ния короткого импульса; 3 - протектор,
предохраняющий пьезопластину от по-
вреждений; 4 - преломляющая призма; 5,
6 - призмы РС-преобразователя; 7 - элек-
троакустический экран. Более подробно
назначение и конструкция преобразовате-
лей рассмотрены в разд. 2.2,1.2.
Способы соединения с элек-
трической схемой. Совмещенные пре-
образователи, в которых пьезоэлемент
соединен одновременно с генератором и
усилителем прибора, служат как для из-
лучения, так и для приема УЗ. В раздель-
ных преобразователях излучают и прини-
мают УЗ разные элементы, соединенные
один с генератором, а другой с усилите-
лем прибора.
Раздельные ПЭП предназначены для
контроля теневым или эхо-методом с из-
лучателем и приемником, размещенные в
разных корпусах. РС-преобразователи
состоят из излучающего и приемного эле-
ментов, объединенных в одном корпусе,
но разделенных электрическим и акусти-
ческим экранами (рис. 1.35, в).
Направление излучения. Прямые
преобразователи излучают под прямым
углом, а наклонные - наклонно к поверх-
ности ввода ОК. Иногда угол наклона де-
лают переменным.
Тип излучаемых и принимае-
мых волн. Высокочастотные прямые
преобразователи излучают, как правило,
продольные волны, наклонные - все типы
волн в зависимости от угла наклона: попе-
речные, продольные (редко), рэлеевские,
головные (для последних обычно приме-
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
61
няют PC-преобразователи), нормальные
волны в пластинах и стержнях.
Наклонный преобразователь с углом
призмы между первым и вторым критиче-
скими значениями излучает в основном
вертикально поляризованную поперечную
волну. Если считать, что продольная вол-
на в призме плоская, то в ОК должна воз-
будиться поперечная волна с вертикаль-
ной поляризацией, поскольку в падающей
продольной волне в плоскости падения
колебания происходят только в этой плос-
кости. Однако волна в призме - не иде-
ально плоская, в ней наблюдается расхож-
дение лучей. В результате в ОК кроме по-
перечной наблюдается также продольная
волна, тем более интенсивная, чем угол
призмы ближе к первому критическому.
В расходящемся пучке лучей, па-
дающем на границу призма - ОК, лучи, не
лежащие в плоскости падения акустиче-
ской оси, преломляются и трансформиру-
ются в своих плоскостях. Последние не
совпадают с плоскостью падения акусти-
ческой оси, и колебания, происходящие в
них, будут иметь горизонтальную состав-
ляющую по отношению к плоскости аку-
стической оси. Таким образом, в попереч-
ной волне, излучаемой наклонным преоб-
разователем, будет также содержаться
горизонтальная составляющая. Экспери-
ментальные измерения показали, что в
естественно поляризованном поле на-
клонного преобразователя доля горизон-
тальной составляющей как минимум в 30
раз меньше вертикально поляризованной
составляющей.
Низкочастотные ПЭП, применяе-
мые для контроля эхометодом и методом
прохождения, отличаются от высокочас-
тотных в основном большими размерами
и толщинами пьезоэлементов. Последние
часто используют в пакетах из нескольких
пьезопластин, электрически соединенных
параллельно. Это повышает эффектив-
ность излучения, так как при тех же тол-
щине излучателя и величине напряжения
на нем напряженность электрического
поля в пьезоэлементах увеличивается.
Для дефектоскопии бетона и оценки
его прочностных свойств в России разра-
ботаны оригинальные широкополосные
ПЭП с сухим точечным контактом (см.
разд. 4.2). Они могут работать с исполь-
зованием как продольных, так и попереч-
ных волн. Коммутация типа волн выпол-
няется электронным путем. Эти ПЭП ис-
пользуются и самостоятельно (например,
для нахождения всех трех упругих посто-
янных по измеренным скоростям распро-
странения продольных и поперечных
волн), и в качестве элементов так назы-
ваемой антенной решетки (композиции
из чувствительных элементов) при нераз-
рушающем контроле бетона эхометодом и
методом прохождения.
Преобразователи низкочастотных
акустических дефектоскопов, использую-
щих изгибные колебания, существенно
отличаются от высокочастотных ПЭП (см.
разд. 2.4; 2.5 и 4.1). Они обычно имеют с
ОК сухой точечный контакт, через кото-
рый продольные колебания преобразуют-
ся в изгибные колебания ОК. Контактные
наконечники преобразователей имеют
сферические рабочие поверхности с ра-
диусами кривизны 5 ... 30 мм и выполня-
ются из твердых, износостойких материа-
лов (например, корунда, корундовой ке-
рамики).
В импедансных дефектоскопах (см.
разд. 2.5) используют совмещенные и РС-
преобразователи. Взаимодействующие с
ОК рабочие элементы преобразователей
называют вибраторами. Последние пред-
ставляют собой составные колебательные
системы из пьезопластин и пассивных
элементов (волноводов, накладок), при-
дающих вибраторам нужную собст-
венную частоту.
Совмещенный преобразователь им-
педансного дефектоскопа содержит один
вибратор, излучающий и приемный пьезо-
элементы которого разделены волново-
дом. При этом совмещенность понимается
в том смысле, что вибратор имеет одну
зону контакта с ОК. В РС-преобразо-
62
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
вателях, как и в высокочастотных ПЭП,
функции излучения и приема разделены,
причем излучающий и приемный вибра-
торы электрически и акустически изоли-
рованы друг от друга.
В некоторых преобразователях пье-
зоэлементы выполняют в виде длинных
брусков с электродами на боковых гранях.
Небольшая толщина этих пьезоэлементов
по сравнению с их длиной позволяет соз-
давать в пьезоэлектрике достаточно боль-
шую напряженность поля. Такие пьезо-
элементы совершают продольные колеба-
ния по длине (поперечный пьезоэффект).
1.2.2. Согласование высокочастотного
пьезопреобразователя с дефектоскопом
Ниже рассмотрена наиболее простая
схема соединения пьезоэлемента с генерато-
ром и усилителем прибора (рис. 1.36, а),
имеющая электрический колебательный
контур. Сигнал генератора считается си-
нусоидальным. Рассматривается преобра-
зователь, состоящий из пьезопластины,
нагруженной на протяженные среды без
переходных слоев. Одна из сред - демп-
фер, другая - рабочая нагрузка: ОК, им-
мерсионная жидкость или призма преоб-
разователя. Обычно между ПЭП и протя-
женной средой имеются промежуточные
тонкие слои: протектор, клей, контактная
жидкость. Их параметры также входят в
расчетные формулы для ПЭП, но здесь
они не рассматриваются.
Комплексное электрическое сопро-
тивление ПЭП нужно знать для оптималь-
ного согласования преобразователя с ге-
нератором U и усилителем дефектоскопа.
На рис. 1.36, б ПЭП представлен в виде
эквивалентного комплексного электриче-
ского сопротивления:
Zn = ZAB =ZC+ Zp-
Оно состоит из последовательно
включенных емкостного сопротивления
пьезопластины Zc и пьезосопротивления
Zp, обусловленного пьезосвойствами. Воз-
можна также параллельная схема включе-
ния этих двух сопротивлений (рис. 1.36,
в), но тогда Zp будет иным. Емкостное со-
противление
Zc=l//®C, (1.18)
где С определяется по формуле (1.17).
Комплексное пьезосопротивление можно
разбить на две составляющие: активную и
реактивную, как показано на рис. 1.34, г:
1____1_ _1_
Zp ^р Кр
(1.19)
При нагрузке на протяженные среды
приближенные значения этих составляю-
щих
р (oCkihi zq + z2
Здесь =2л/=<»)/<:! - волновое
число в материале пластины; z2 и zq - вол-
новые сопротивления рабочей нагрузки и
демпфера.
Формулы (1.20) и (1.21) справедливы
вблизи значений частоты ш = ша = лс, .
Для ненагруженной пластины (z2 = z0 = 0)
справедливы точные формулы:
*р = о;
х Р2 tg(0,5^i/?i)
р jcoC 0,5^
(1-22)
Эквивалентное сопротивление стано-
вится чисто реактивным:
Zn = ZC + Кр .
На антирезонансной частоте ш = ша
(соответствует полуволновой толщине
пластины) оно обращается в оо, причем
при меньших значениях частоты сопро-
тивление индуктивное, а при больших -
емкостное. На резонансной частоте
®Р »®0[1-(2₽/’1)2]
Zn = 0. Значения резонансной и антирезо-
нансной частот довольно близки, напри-
мер для кварца /р =0,996/о, а для ЦТС-19
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
63
/р = 0,935fa . Подобные соотношения час-
тот характерны для ненагруженной пьезо-
пластины.
Пример 1.9. Для условий, указанных в
примере 1.8, рассчитать активное электрическое
сопротивление.
Согласно (1.20) для излучения в воду
Я ; Р2 2г1 °’452
Р zr2/C z2+zo тг2 2,5-106 • 2,6-10-9
6 106 +1,49106
Для излучения в сталь найдем яр = 3,6 Ом ;
сопротивление уменьшилось, и при том же на-
пряжении генератора отдаваемая им мощность
возросла.
На рис. 1.36, г показана схема после-
довательного включения пьезопластины с
электрическим контуром генератора. Ком-
плексное сопротивление Zh (см. рис. 1.36,
а) представлено, емкостью Сь включаю-
щей емкость кабеля, соединяющего ПЭП с
дефектоскопом. Комплексное сопротивле-
ние Za представлено в виде индуктивности
Са и активного сопротивления Аа. При со-
вмещенной схеме включения с 7?а снимают
сигнал на усилитель дефектоскопа (клем-
мы EmF).
Индуктивность £а обычно подбирают
так, чтобы скомпенсировать все реактив-
ные сопротивления на некоторой частоте
ш0 = соа . При этом достигается наибольшее
электрическое напряжение на эквивалент-
ном сопротивлении 7?р. Если £а подобрана
неверно или если компенсация наруши-
лась из-за изменения пьезосопротивления
Zp под влиянием изменившейся акустиче-
ской нагрузки (например, за счет качества
акустического контакта), то условия оп-
тимальности достигаются автоматически:
смещается рабочая частота генератора от
fiKfp (уменьшается на несколько процен-
тов). Это вызывает изменение Хр и авто-
компенсацию реактивных сопротивлений.
Амплитуда излучаемого сигнала при этом
несколько уменьшается.
Рис. 1.36. Электрические схемы
для расчета ПЭП
Сопротивления потерь, показанные
на рис. 1.36, б штриховыми линиями, оп-
ределяют внутреннее активное сопротив-
ление пластины, из-за которого Zp не мо-
жет стать чисто реактивным. Различают
диэлектрические 7?д и механические RM
потери:
Ra =l/(coCtgS); 7?м=4Р26м/(л3/с),
(1-23)
где tg8 - тангенс угла потерь; QM - меха-
ническая добротность, указанная в табл. 1.7.
Пример 1.10. Для условий, сформулиро-
ванных в примерах 1.8 и 1.9, рассчитать сопро-
тивления потерь. Для ЦТС-19 tg5 = 0,035.
Согласно (1.23)
Яд = 1/(2л• 2,5 106 -2,6-Ю"9 -0,35)=7000м;
64
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Ям = 4 0,452 • 5О/(тг3 2,6 1 (Г9) = 190 Ом .
Механические потери сильнее шун-
тируют пьезосопротивление, чем диэлек-
трические емкостные.
1.2.3. Основные характеристики
высокочастотных преобразователей
В наиболее общем виде характери-
стики высокочастотных преобразователей
рассмотрены в работах А.Ф. Мельканови-
ча, в частности [230]. Ниже в общих чер-
тах опишем две основные характеристики
преобразователя: его чувствительность,
определяемую коэффициентом преобразо-
вания, и широкополосность. Коэффици-
ент преобразования при излучении
КИ = P/U - отношение амплитуд возбуж-
даемых акустических к возбуждающим
электрическим колебаниям. Его характе-
ризует пьезоэлектрическая постоянная е
или <7.
Коэффициент преобразования при
приеме К,, = U'/P' - отношение амплитуд
возбуждаемых на входе усилителя прибо-
ра электрических колебаний к акустиче-
ским колебаниям принимаемой волны.
Его характеризует пьезоэлектрическая
постоянная g или /г ® е/ в . Здесь Р и Р' -
акустическое давление или компонента
тензора напряжения; U и 17 - электриче-
ские напряжения.
Коэффициенты преобразования ино-
гда определяют через отношения других
величин. Например, если амплитуда уп-
ругой волны измеряется по смещению
частиц, то в коэффициентах преобразова-
ния вместо давления используется смеще-
ние.
Для УЗ-контроля наиболее важен ко-
эффициент двойного преобразования
7ГД = ЗД, = U'/U - отношение амплиту-
ды электрического напряжения принятого
сигнала к напряжению возбуждающего
преобразователь электрического генерато-
ра без учета промежуточного ослабления
УЗ в результате затухания и расхождения
лучей (Р/Р'=1). Именно эта величина
определяет чувствительность преобразо-
вателя, работающего как излучатель и
приемник, или раздельных, но одинаковых
преобразователей. Она пропорциональна
квадрату коэффициента электромеханиче-
ской связи Р, который определяется про-
изведением eh.
Коэффициент двойного преобразова-
ния зависит не только от свойств материа-
ла пьезопластины, но и от соотношения
волновых сопротивлений пьезопластины,
демпфера и среды, в которую излучается
УЗ, частоты и добротности электрическо-
го колебательного контура, соединенного
с пьезопластиной. Максимальное значение
коэффициента преобразования при излу-
чении достигается на резонансной часто-
те, а коэффициента преобразования при
приеме - на антирезонансной частоте.
Для полуволновой пьезопластины,
граничащей с протяженными средами (см.
рис. 1.36, а), на резонансной частоте элек-
трического контура коэффициент двойно-
го преобразования определяется прибли-
женной формулой [132, 247]
|^д| = 4₽2-т-----—------(1-24)
z‘ [1+4рш^
у л J
Здесь 2а и бэ_ акустическая и элек-
трическая добротности. Первая из них
определяется формулой (1.16), а вторая
для схемы, показанной на рис. 1.34, г,
равна
& = «гЛС ’
В режиме приема считают, что гене-
ратор отсутствует (его импеданс равен
нулю), а напряжение снимают с активного
сопротивления (выводыE nF).
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
65
1.8. Чувствительность способов возбуждения и приема
Способ Чувствительность преобразования
Название Схема излучения приема двойного
Контактный пьезоэлектрический 1 2 ' j 1 1 1
Иммерсионный пьезоэлектрический 2 0,3 0,3 0,1
Воздушно- акустический । : 11 2 1-104 1-104 1-Ю’8
Электростатический 3 KwxMJ | 2 | ЗЮ4 3-10^ 1107
ЭМА 2 1-10’2 1-Ю’2 1-10-4
Оптический (лазерный) 1 X7 ) 2 ) 1 МО’4 но4
Условные обозначения: 1 - пьезоэлемент; 2 - объект контроля; 3 - электрод; 4 - элек-
трет; 5 - полюс магнита; 6 - катушка; 7 - лазер; 8 - полупрозрачное зеркало; 9 - зеркало;
10 - фотоумножитель.
Примечание. Для оптического способа показана только схема приема.
Из формулы (1.24) видно что |л?д|
растет с увеличением р2, Q3 и Q„ пока
произведение этих величин < 1. При
больших значениях этих величин |л?д|
уменьшается. Здесь проявляется обратное
действие пьезоэффекта. Например, при
возбуждении колебаний пьезопластина
становится как бы вторичным генерато-
ром, противодействующим основному
генератору.
Максимального значения \к„ =А?тя„
। д । max
л2
достигает при О,пп| =—=—, тогда
Р 8р2ба
Р’’
лтах
0,5z2
2г + zo '
66
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.37. Амплитудно-частотные
характеристики для коэффициента
двойного преобразования пьезопластины из
ЦТС, излучающей в призму из оргстекла.
На нижней кривой - полоса пропускания
Это значение не зависит от пьезо-
электрических констант пьезопластины.
При отсутствии демпфера (z0 = 0)
Ктах = 0,5. Значение Ктах можно увели-
чить введением между пьезопластиной и
протяженной средой согласующего про-
тектора. При определении импеданса пла-
стины для выполнения условий согласо-
вания учитывают влияние ее пьезосвойств
(см. описание воздушно-акустической
связи в разд. 1.2.4)
На рис. 1.37 в качестве примера пока-
зано изменение коэффициента двойного
преобразования от частоты для конкрет-
ного преобразователя [132]. Эту зависи-
мость называют амплитудно-частотной
характеристикой (АЧХ). Рассмотрен слу-
чай: преобразователь из ЦТС имеет демп-
фер с z0=6-106 Па-с/м и излучает в
призму из оргстекла. Кривые соответст-
вуют разным добротностям электриче-
ского колебательного контура Q3.
Ширина полосы пропускания частот
определяется как где Д/=/ГПах -/mm -
разница частот, больших и меньших f0, на
которых коэффициент двойного преобра-
зования уменьшается в 2 раза; f0 - рабочая
частота. Она всегда близка к резонансной
(точнее, к собственной) частоте колебаний
пьезопластины по толщине.
Обычно понятие "ширина полосы
пропускания" применяют к колебатель-
ным системам с четко выраженным мак-
симумом, как показано на рис. 1.37 внизу.
В этом случае рабочая частота соответст-
вует максимуму коэффициента двойного
преобразования. Это понятие также рас-
пространяют на более сложные системы.
Форма АЧХ с минимумом при
///о = 1 характерна для двух сильносвя-
занных колебательных систем. В данном
случае это электрический контур с боль-
шим Q3 и пьезопластина из ЦТС с боль-
шими значениями |32 и Qa [132, 247]. Когда
Q. становится < 1, электрический контур
перестает быть колебательным, в этом
случае минимум отсутствует и система
имеет один максимум. На АЧХ с пьезо-
пластиной из кварца система также имеет
один максимум, что объясняется слабой
связью колебательных систем: малым зна-
чением р2.
Как отмечалось в разд. 1.1.1, чем ши-
ре полоса пропускания, тем более корот-
кие импульсы может излучать и прини-
мать преобразователь (из этого общего
правила возможны исключения). Искаже-
ние формы электрического зондирующего
импульса при образовании эхосигнала,
показанное на рис. 1.5, связано именно с
недостаточной полосой пропускания ПЭП,
равной ~0,2. В случае, показанном на
рис. 1.37, широкополосность достигается
согласованием параметров преобразовате-
ля и электрического колебательного кон-
тура. Максимальная широкополосность
получается, когда два максимума слива-
ются и образуют плато. На рис. 1.37 это
наблюдается при добротности электриче-
ского контура Q, = 3,5.
Широкополосность также увеличи-
вают путем подбора волнового сопротив-
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
67
ления материала демпфера (оно должно
быть близким к волновому сопротивле-
нию пьезопластины), применением про-
светляющего протектора и пьезопластины
с низкой добротностью. При этом макси-
мальная широкополосность может увели-
читься не очень сильно, но введение этих
элементов полезно, поскольку расширяет-
ся диапазон Q3 при которых достигается
широкополосность.
Применение в наклонном преобразо-
вателе композиционной пьезопластины
обеспечивает одновременно повышение
коэффициента преобразования и расшире-
ние полосы пропускания частот за счет
лучшего согласования (лучшего перехода
энергии) пьезопластины с материалом
призмы. В этом случае даже отпадает не-
обходимость в демпфере.
В.Н. Даниловым (ЦНИИТмаш) раз-
работана компьютерная программа, по-
зволяющая рассчитать амплитуду и форму
импульса при излучении и приеме с уче-
том сложных электрических связей ПЭП с
прибором и наличия промежуточных сло-
ев между пьезопластиной, ОК и демпфе-
ром [114, 115, 118]. Рассматривается так-
же распространение импульса в акустиче-
ском тракте дефектоскопа, включая приз-
му наклонного преобразователя. Сопос-
тавление экспериментальных и расчетных
импульсов, полученных от отверстия диа-
метром 6 мм в СО-2 наклонным преобра-
зователем на частоту 2,5 МГц, с дефекто-
скопом УД2-12 показало, что результаты
совпадают с погрешностью ~10 %.
Компьютерная модель позволяет из-
менять размеры и конструкцию преобра-
зователя, вводить дополнительные слои
между пластиной и ОК, варьировать па-
раметры демпфера. Моделирование с по-
мощью компьютерной программы - опти-
мальный способ выбора наилучшей кон-
струкции высокочастотного преобразова-
теля и оптимального электрического со-
гласования его с генератором, усилителем
и ОК, поэтому другие методики расчета
преобразователя здесь не рассматриваются.
Рис. 1.38. Особоширокополосные ПЭП:
а - плосковогнутый; б - апериодический
Особоширокополосными называют
высокочастотные преобразователи с от-
ношением максимальной частоты к мини-
мальной > 2. На рис. 1.38 показано два
варианта таких преобразователей. В вари-
анте а (разработан А.Х. Вопилкиным [69])
пьезопластина имеет переменную толщи-
ну. ПЭП с таким пьезоэлементом факти-
чески излучает каждую частоту отдельной
зоной, где толщина равна нечетному чис-
лу полуволн. Пьезопластину делают осе-
симметричной, чтобы обеспечить излуче-
ние в направлении оси, например плоско-
вогнутой, как на рис. 1.38, а. Ширина по-
лосы частот такого преобразователя дос-
тигает величины /max//mm= 3... 4, на-
пример 1,5 ... 5 МГц. Двойной коэффици-
ент преобразования на порядок меньше,
чем у резонансного преобразователя.
Вариант б широкополосного преоб-
разователя разработан М.В. Королевым
[187], его называют апериодическим. Дан-
ный преобразователь имеет демпфер с
таким же волновым сопротивлением, как у
пьзопластины. Подобрать материал такого
демпфера - трудная задача, поэтому для
этой цели применяют очень толстый пье-
зоэлемент, нижняя часть которого 2 слу-
жит источником и приемником колебаний,
а верхняя 1 - демпфером. Ему придают
конусообразную форму, чтобы не возни-
кало мешающих отражений от верхнего
конца демпфера.
В варианте, показанном на рис. 1.38,
б, электрод 3 разделен на две части проре-
зью. Фактически активным излучателем-
приемником является область вблизи про-
рези. Полоса частот такого преобразовате-
68
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
ля 0,5 ... 300 МГц, однако коэффициент
двойного преобразования на два-три по-
рядка меньше, чем у обычного резонанс-
ного преобразователя.
1.2.4. Другие типы электроакустических
преобразователей
Кроме пьезоэффекта для возбужде-
ния и приема акустических волн исполь-
зуют также другие явления (табл. 1.8), на
которых основаны различные типы элек-
троакустических преобразователей (ЭАП).
Преимущество их перед ПЭП в бескон-
тактности, т.е. они не требуют контактной
жидкости. В большинстве из них электри-
ческая или тепловая энергия преобразует-
ся в упругие колебания поверхности изде-
лия в самом изделии.
В воздушно-акустическом способе
связи контактной средой между ПЭП 1 и
изделием является воздух. Такой способ
контакта приводит к потере чувствитель-
ности. Основные причины этого - плохое
согласование ПЭП с воздухом, большой
коэффициент отражения от границы воз-
дух - твердое тело (см. табл. 1.5), большое
затухание УЗ в воздухе.
Способ используют главным образом
для контроля амплитудным методом про-
хождения (теневым) ОК из материалов с
низкими волновыми сопротивлениями
типа ПКМ, резин, пластмасс и др., в кото-
рых отражения от границы с воздухом
меньше, чем для металлов. Затухание УЗ-
волн в воздухе велико и резко возрастает с
ростом частоты (см. табл. 1.4), поэтому
рассматриваемые преобразователи ис-
пользуют на относительно низких часто-
тах (обычно до 0,5 МГц).
В воздушно-акустическом способе
применяют два типа ПЭП: с продольными
и с изгибными колебаниями [418]. При
использовании ПЭП с продольными коле-
баниями для увеличения передачи энергии
через границу пьезоэлемента с воздухом
используют просветляющие слои, назна-
чение которых - согласование элементов с
различными волновыми сопротивлениями.
Согласование резко улучшает прохо-
ждение упругих колебаний через границу
пьезоэлемента с воздухом как при излуче-
нии, так и при приеме.
Как показано в разд. 1.1.4, согласова-
ние волновых сопротивлений протяжен-
ных сред (исключение возникновения от-
раженных сигналов) достигается приме-
нением слоя толщиной h = А./4 с волно-
вым сопротивлением
где zi= piC] и Z2 = Р2С2- волновые сопро-
тивления согласуемых протяженных сред.
При излучении в среду с низким вол-
новым сопротивлением (например, в воз-
дух) пьезоэлемент обычно работает на
основной резонансной частоте. Поэтому
его удельный (на единицу площади) вход-
ной импеданс Z\ чисто активный, причем
Z, много меньше волнового сопротивле-
ния z„ пьезоэлектрика. Показано, что Z\ =
= Л2п/2(2п, где Q„ - добротность пьезоэле-
мента. Поэтому при согласовании пьезо-
элемента с протяженной средой опти-
мальное волновое сопротивление zonT чет-
вертьволнового согласующего слоя наво-
дят по формуле [379]
7 = |лРпспг2
Зопт
2бп
справедливой только для гармонических
колебаний.
Влияние отклонения волнового со-
противления z и толщины h согласующе-
го слоя от оптимальных значений на эф-
фективность согласования показано
рис. 1.39. Расчет выполнен для свободного
с тыльной стороны полуволнового пьезо-
элемента из ЦТС (рпсп= 35 МПа-с/м, доб-
ротность 2„=50) излучающего в воздух
(z2 = 430 Па-с/м) через согласующий слой.
Эффективность согласования выражена
отношением Р/Ро, где Р - амплитуда зву-
кового давления в воздухе при наличии
согласующего слоя; Ро - то же, в его от-
сутствие. Видно, что толщина согласую-
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
69
Рис. 1.39. Влияние параметров согласующего слоя на эффективность
излучения пьезоэлемента в воздух:
а - зависимость параметра Р/Ро от отношения z/zonT; б - зависимость Р/Ро
от отношения h/ hom (/гопт = V4). Q - добротность материала слоя
щего слоя более критична, чем его волно-
вое сопротивление. Приведенные расчет-
ные данные при оптимальных параметрах
согласующего слоя следует рассматривать
как предельно достижимые для данного
случая.
Для согласования пьезоэлемента с
воздухом расчетные значения z очень ма-
лы, поэтому согласующие слои изготов-
ляют из легких материалов: пробки
(z = 0,15 МПа-с/м), древесины бальсы
(0,08 МПа-с/м), силикагеля (0,01 МПа-с/м),
70
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
пенопласта и т.п. Эти материалы должны
иметь также малое затухание. Кроме того,
волновые сопротивления реальных мате-
риалов дискретны, поэтому точный под-
бор их оптимального значения затрудни-
телен. Задачу создания материалов для
согласующих слоев пока нельзя считать
решенной, и поиски в этом направлении
продолжаются.
Так как действие согласующих слоев
основано на интерференции звука в них, с
укорочением длительности УЗ-импульсов
эффективность согласования уменьшает-
ся. Рассматриваемые преобразователи
обычно применяют без демпфера. Они
имеют узкую полосу частот и работают
длинными импульсами. Это приближает
рассмотренный идеализированный случай
к реальности.
Акустическое согласование преобра-
зователя решает лишь часть проблемы, так
как потери энергии при прохождении гра-
ниц ОК с воздухом остаются очень значи-
тельными. Поэтому в аппаратуре, исполь-
зующей преобразователи с воздушной
связью, применяют повышенные напря-
жения возбуждения излучающих преобра-
зователей и высокочувствительные узко-
полосные усилители с низким уровнем
шумов.
Эффективность работы преобразова-
телей с воздушной связью можно сущест-
венно улучшить повышением давления
воздуха. Это увеличивает его волновое
сопротивление, пропорциональное y/pL
(р - плотность; L - модуль всестороннего
сжатия) и, следовательно, улучшает согла-
сование преобразователя и ОК с газовой
средой. Экспериментально показано [408],
что при работе прямым совмещенным
преобразователем с воздушной связью на
частоте 2,25 МГц избыточное давление
газа (азота) 7 МПа ® 70 атм увеличивает
амплитуду донного сигнала в плоском
стальном образце на ~70 дБ. Эффект со-
гласования проявляется здесь 4 раза: дваж-
ды при прохождении УЗ-импульсом гра-
ницы пьезоэлемента с газом (излучение и
прием) и дважды - границы газа со ста-
лью.
Таким образом, улучшение согласо-
вания газа достигается не только с пьезо-
элементом, но и с материалом ОК. По-
следнее резко увеличивает амплитуду
принятого сигнала, так как потери при
прохождении упругой волной границы
газа со сталью больше, чем границы с пье-
зоэлементом.
Зависимость амплитуды сигнала от
давления существенно нелинейна. Так,
превышение давления над атмосферным
на 1 МПа увеличивает амплитуду донного
сигнала на ~ 50 дБ, а с 1 до 7 МПа - всего
на 20 дБ. Авторам работы [408] удавалось
обнаруживать вертикальный надрез в об-
разце поперечной волной, возбуждаемой
при наклонном падении продольной вол-
ны на поверхность образца. Описанный
эффект предполагается использовать при
создании бесконтактного УЗ-снаряда-
дефектоскопа для контроля действующих
магистральных газопроводов, работающих
при давлениях до 7 ... 8 МПа.
Изгибными колебаниями работают
биморфные пьезоэлектрические преобра-
зователи. Они представляют собой пакет
из двух одинаковых тонких пьезопластин,
склеенных между собой [43 - 45, 51, 318,
394]. Электрически пластины соединены
параллельно так, что при подаче напря-
жения одна из них расширяется, другая
сжимается. В результате пакет совершает
изгибные колебания как свободная пла-
стина (см. разд. 1.4).
Иногда для повышения прочности
между двумя пьезоэлементами помещают
металлическую пластину [318]. Собствен-
ная частота преобразователя может быть
повышена расположением двух пассивных
(например, стальных) пластин по обе сто-
роны от биморфного преобразователя из
двух пьезопластин. Это объясняется тем,
что модуль Юнга стали много больше, чем
у пьезокерамики, а изгибная жесткость
конструкции определяется в основном ее
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
71
внешними слоями. Биморфные преобразо-
ватели работают на частотах до 50 ... 60
кГц без согласующих слоев.
Как отмечалось, потери энергии при
прохождении границ ОК с воздухом очень
значительны, однако существуют уста-
новки с воздушно-акустической связью, в
которых акустические колебания не вво-
дятся в ОК. Для измерения толщины лис-
тов, диаметров труб по времени пробега
УЗ в воздушных слоях по обе стороны от
ОК измеряют толщину этих слоев. Вычи-
тая найденные значения из расстояния
между преобразователями, измеряют тре-
буемые величины (см. гл. 6).
Электростатический способ бес-
контактного возбуждения упругих коле-
баний реализуется в двух вариантах.
В первом из них - преобразователе мик-
рофонного типа он работает как конден-
саторный микрофон. Подвижным элемен-
том в нем служит тонкая фольга, натяну-
тая над плоским основанием и отделенная
от него очень малым зазором. Фольга с
основанием образуют конденсатор. При
подаче на обкладки конденсатора пере-
менного возбуждающего электрического
напряжения фольга притягивается к осно-
ванию. Колебания от фольги к ОК пере-
даются по воздуху, т.е. используется воз-
душно-акустическая связь.
Во втором (конденсаторном) вариан-
те одной из обкладок конденсатора слу-
жит сам ОК (см. табл. 1.8). Используется
пондеромоторное взаимодействие внеш-
ней пластины с электродом - ОК.
На электростатический преобразова-
тель подают поляризующее напряжение
порядка 100 ... 200 В, создающее постоян-
ное электрическое поле. Переменное на-
пряжение выбирают меньше напряжения
этого поля. Благодаря поляризующему
полю частота возбуждаемых упругих ко-
лебаний совпадает с частотой переменно-
го электрического напряжения. В отсутст-
вие такого поля частота упругих колеба-
ний удваивается, так как притяжение об-
кладок конденсатора происходит при лю-
бом направлении поля.
Иногда в качестве источника поляри-
зующего электрического поля применяют
электреты. Например, в электростатиче-
ском преобразователе микрофонного типа
используют металлизированную фольгу из
электретов. Электретами называют спе-
циально обработанные диэлектрические
материалы (например, парафин, фторо-
пласт), длительно сохраняющие наэлек-
тризованное состояние и создающие элек-
трическое поле в окружающем простран-
стве. В этом смысле электреты подобны
постоянным магнитам.
Электростатический преобразователь
является обратимым и работает также в
качестве приемника упругих колебаний. В
преобразователе микрофонного типа тон-
кая мембрана преобразователя обладает
малым акустическим импедансом, поэто-
му электростатические преобразователи
лучше согласуются с волновым сопротив-
лением воздуха, чем пьезоэлектрические.
Часто электростатические преобразо-
ватели конденсаторного типа применяют
для исследования колебаний поверхности
ОК или другого объекта. Конструкция и
расчет таких емкостных преобразователей
рассмотрены в [176]. Чувствительность
разработанного преобразователя 100 В/мкм,
диапазон частот 1 ... 70 МГц.
Возбуждение колебаний воздушной
ударной волной. Известен также способ
бесконтактного возбуждения упругих ко-
лебаний, основанный на создании в возду-
хе ударной волны [385; 425, с. 108/055].
Путем электрического разряда высо-
ковольтного конденсатора в узком горле
расширяющегося рупора получают корот-
кий (< 5 мкс) акустический импульс со
сферическим фронтом. На выходе из ру-
пора этот фронт приближается к плоскому
и возбуждает практически одновременно
значительный по площади участок ОК.
Способ используют для контроля много-
слойных конструкций и изделий из ПКМ
модифицированным методом свободных
колебаний (см. разд. 4.1.4).
72
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Электромагнитно-акустический
(ЭМА) способ использует эффекты маг-
нитострикции, лоренцевского и магнит-
ного взаимодействий катушки с перемен-
ным током 2 и токопроводящего изделия в
поле электромагнита 5 (см. табл. 1.8)
[339]. Более подробно схема ЭМА-преоб-
разователя показана на рис. 1.40, а. Эф-
фект лоренцевского (электродинамическо-
го) вза-имодействия состоит в следую-
щем. Переменный ток I или Ц в катушках
(в преобразователе делается только одна
из этих катушек) индуцирует в электро-
проводящем ОК вихревые токи (токи Фу-
ко). Они взаимодействуют с постоянным
полем магнита, создающего индукцию В.
В результате в ОК возбуждаются уп-
ругие колебания. Направление последних
(направления смещения частиц ОК) пока-
зано стрелками. Оно перпендикулярно к
направлениям тока и магнитного поля.
Если преобразователь имеет катушку с
током I, которая размещена под полюсом
магнита, где индуктивность магнитного
поля В направлена перпендикулярно к
поверхности, то возбуждается поперечная
Г-волна. Если катушка с током // разме-
щена между полюсами магнита, где ин-
дуктивность направлена вдоль поверхно-
сти, то возбудится продольная Z-волна.
Рассматриваемые эффекты обратимы, их
используют также для приема УЗ.
Важное достоинство ЭМА-преобра-
зователей - возможность излучения волн
любых типов, как поясняется ниже. На-
клонные к поверхности волны возбудятся,
если витки катушки с одинаковым на-
правлением тока расположить на некото-
ром расстоянии т друг друга (рис. 1.40, б).
Угол ввода волны а зависит от расстоя-
ния т:
т sin а = X,
где X - длина возбуждаемой волны. Элек-
трический возбуждающий импульс пода-
ют так, чтобы раньше начал излучать пер-
вый виток слева, а последним - виток
справа. В результате на поверхности ОК
обеспечивается распределение фаз источ-
ников колебаний, требуемое для создания
фронта наклонной поперечной волны с
поляризацией в плоскости падения (верти-
кально поляризованной волны). Ее фронт
TV показан тонкой сплошной линией.
На рис. 1.40, в представлена одна из
возможных схем ЭАП для возбуждения
наклонной поперечной горизонтально по-
ляризованной (TH или SH) волны, в кото-
рой колебания совершаются в плоскости,
перпендикулярной к плоскости падения.
По проводнику (части катушки) идет ток I.
Одинаковые полюса нескольких магнитов
расположены на расстоянии т друг от
друга. Третье направление, в котором
происходят колебания, перпендикулярно к
плоскости рисунка. Фронт TH волны по-
казан тонкой сплошной линией.
Кроме электродинамического взаи-
модействия в ЭМА-преобразователях су-
ществуют магнитное взаимодействие
полюсов (катушка с переменным током I
на рис. 1.40, а взаимодействует с ОК, на-
магниченным постоянным магнитом) и
магнитострикция (под действием пере-
менного магнитного поля катушки с током
область вблизи поверхности ОК расширя-
ется и сжимается, т.е. колеблется). Эти два
эффекта возникают только в ферромаг-
нитных материалах. В некоторых конст-
рукциях преобразователей магнитострик-
ция используется как основной эффект
для возбуждения и приема упругих коле-
баний, например волн SH-типа. Возбуж-
дение колебаний в ферритах, обладающих
очень слабой электропроводностью, про-
исходит за счет анизотропной магнитост-
рикции [151].
Обычно при использовании ЭМА-
преобразователей чувствительность убы-
вает с увеличением зазора между ним и
ОК. Однако в ферромагнитных металлах
возможна взаимокомпенсация электроди-
намического и магнитострикционного вза-
имодействий, так что при увеличении за-
зора чувствительность остается почти по-
стоянной [12]. Это достигается при опре-
деленной величине поля подмагничива-
ния.
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
73
Рис. 1.40. ЭМА-преобразователи. Ток /и смещение частиц направлены:
• - на читателя; + - от читателя
74
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Ввиду недостаточно высокой чувст-
вительности ЭМА-преобразователей этот
способ применяют на практике в случаях,
когда не нужна высокая чувствительность,
например для слежения за донным сигна-
лом (ЗТ-метод дефектоскопии) и измере-
ния толщины.
В работах Г.М. Сучкова и др. [310]
описаны ЭМА-преобразователи для воз-
буждения продольных, поперечных и по-
верхностных волн и аппаратура с мало-
шумящим усилителем. Авторы утвержда-
ют, что чувствительность прибора близка
к чувствительности эхометода с пьезопре-
образователями. Например, объемными
волнами выявляются боковые цилиндри-
ческие отверстия диаметром 1 мм на глу-
бине 30 мм (отношение сигнал/помеха
23 дБ) и диаметром 2,5 мм на глубине 8 ...
115 мм (отношение сигнал/помеха > 11 дБ).
Российская фирма "Нординкрафт"
(г. Череповец) на основе ЭМА-преобра-
зователей разрабатывает и выпускает ус-
тановки для контроля листов, плит и труб,
рассмотренные в разд. 3.3.1.1.
ЭМА-способ возбуждения и приема
применяют в случае работы преобразова-
теля при высоких температурах. Подбор
материалов для катушек и держателей
[195] позволил создать преобразователь,
способный работать при температурах до
1000 °C на воздухе без потери чувстви-
тельности. Контроль можно вести без уда-
ления окалины.
Этот способ используют для контро-
ля коррозионного повреждения и износа
трубопроводов. Контроль ведут, не снимая
изоляции, с довольно высокой скоростью.
ЭМА-способ находит применение
также, когда при УЗ-контроле недопусти-
мо использовать контактные жидкости.
Такая ситуация возникает при контроле
сварных швов многослойных свертных
труб, поскольку имеется опасность попа-
дания контактной жидкости между слоя-
ми.
Оптический (лазерный) способ
применяют как для излучения, так и для
приема упругих колебаний. Излучение
происходит под действием нескольких
эффектов [109]. При небольших значениях
интенсивности падающего светового по-
тока имеет место импульсное локальное
расширение объема вблизи поверхности
ОК. Эти деформации передаются сосед-
ним зонам, порождая упругие волны. При
этом амплитуда УЗ-колебаний пропор-
циональна повышению температуры ме-
талла и достигает наибольшего значения
при температуре плавления. В этой облас-
ти реализуется термоупругий механизм
генерации УЗ.
При увеличении энергии лазерного
излучения начинается интенсивное плав-
ление поверхностного слоя металла и к
термоупругому механизму добавляется
гидродинамический. Амплитуда УЗ при
этом резко возрастает по линейному зако-
ну. Действие гидродинамического меха-
низма в дюралюминии начинается с ин-
тенсивности лазерного излучения 30
МВт/см2.
По мере увеличения интенсивности
падающего светового потока разрушается
поверхность металла, и в действие вступа-
ет испарительный механизм. При этом
формируется мощная струя ионизирован-
ного пара и возникает плазменное облако.
Так как эффективность испарительного
механизма невелика, амплитуда УЗ хотя и
увеличивается, но темп ее роста постепен-
но уменьшается. При смене механизмов
генерации УЗ изменяются форма и дли-
тельность регистрируемых импульсов.
По данным работ [335, 394], при
плотности энергии в импульсе >20 ... 30
МВт/см2 (для алюминия) происходит унос
(испарение, абляция) вещества с поверх-
ности. При этом на ОК действует реак-
тивная сила.
Согласно обоим толкованиям, при
интенсивностях лазерного излучения, пре-
вышающих термоупругий механизм гене-
рации, амплитуда УЗ-колебаний усилива-
ется и приближается к возбуждаемым
ПЭП. Но это сопровождается поврежде-
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
75
материал
Рис. 1.41. Три типа взаимодействия оптического излучения
с материалом ОК (слева) и диаграммы направленности волны, излучаемые при этом
точечным источником (справа):
а - лазерный луч падает на свободную поверхность ОК; б - луч лазера падает на поверхность ОК
через прозрачный слой; в - энергии лазерного луча в зоне нагрева превышает порог абляции
нием поверхности ОК, т.е. при большей
плотности энергии происходит разруше-
ние поверхностного слоя ОК.
Для возбуждения в ОК упругих коле-
баний используют твердотельные и газо-
вые лазеры, генерирующие оптические
импульсы длительностью 5 ... 30 нс. Луч
лазера с изначально малым сечением час-
то дополнительно фокусируют на поверх-
ность ОК для уменьшения площади облу-
чаемой зоны. Диаметр последней может
составлять всего 10 мкм [394], поэтому
концентрация энергии в облучаемой зоне
может быть очень большой.
Рассматривая в более общем плане
процесс излучения, отметим, что возмож-
ны три случая взаимодействия оптическо-
го излучения с материалом ОК [394]. В
первом случае лазерный луч падает на
свободную поверхность ОК (рис. 1.41, а
слева). Удельная мощность излучения не
превышает порога, за которым происходит
абляция, сопровождающаяся повреждени-
ем поверхности ОК. Для алюминиевых
сплавов этот порог составляет ~105 Вт/мм2.
Со стороны наружной поверхности
расширение материала в зоне нагрева ни-
чем не ограничено (волновым сопротив-
лением воздуха пренебрегаем). В резуль-
тате происходит выпучивание этой зоны.
Экспериментальная диаграмма направ-
ленности возбуждаемых продольных волн
с длиной волны, большей размеров нагре-
ваемой зоны, приведена на рис. 1.41, а
справа. Кроме продольной в материал из-
лучаются также поперечная и поверхност-
ная (рэлеевская) волны, которые на ри-
сунке не показаны.
Во втором случае луч лазера падает
на поверхность ОК через прозрачный
слой, например приклеенную стеклянную
пластинку, тонкую пленку масла или воды
(рис. 1.41, б слева). Данный слой пред-
ставляет собой инерционное сопротивле-
ние, препятствующее свободному расши-
рению нагреваемой зоны. От этого повы-
шается эффективность излучения в ОК и
меняется характер диаграммы направлен-
ности продольных волн (рис. 1.41, б спра-
ва), максимум которой совпадает с норма-
лью к поверхности ОК. Прозрачный слой
увеличивает амплитуды излучаемых про-
76
Глава!. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.42. Расчетные кривые и
экспериментальные точки продольных (а)
и поперечных (б) волн, возбуждаемых
лазером МПТЛ в термоупругом режиме
в алюминиевом ОК по [677]
дольных и поперечных волн до 30 дБ, в
зависимости от материала ОК и парамет-
ров слоя.
В третьем случае плотность энергии
лазерного луча в зоне нагрева превышает
порог абляции (рис. 1.41, в, слева). Выбра-
сываемый в результате абляции материал,
подобно реактивной струе, увеличивает
действующую на поверхность нормаль-
ную силу. Это увеличивает амплитуду
излучаемых упругих волн и меняет диа-
грамму направленности продольной вол-
ны, которая становится подобной таковой
для второго случая. Этот способ позволяет
излучать наиболее интенсивные упругие
волны, сравнимые с получаемыми с по-
мощью ПЭП, поэтому, несмотря на по-
вреждение поверхности, его применяют,
когда эти повреждения несущественны
или если поверхностный слой удаляют
дальнейшей механической обработкой.
Отметим, что на рис. 1.41 приведены
диаграммы направленности только для
продольных волн, хотя возбуждаются
также поперечные и поверхностные (рэле-
евские) волны. Поверхностные волны рас-
пространяются во все стороны ненаправ-
ленно.
В.Е. Чабановым [336] теоретически и
экспериментально уточнены рассмотрен-
ные выше диаграммы направленности.
Если на свободную поверхность ОК дей-
ствует тонкий лазерный луч, то при тер-
моупругом взаимодействии излучается
поперечная волна под углом ~30° к нор-
мали к поверхности и продольная волна
под углом -60° к ней (рис. 1.42).
Нормальные к поверхности объем-
ные волны практически не возбуждаются,
как на рис. 1.41, а. Это объясняется тем,
что нагретый участок поверхности имеет
конечную толщину (~ 0,1 мкм), причем
продольные волны от наружной и внут-
ренней поверхностей этого слоя противо-
положны по фазе и гасят друг друга. По-
перечная нормальная к поверхности волна
также не возбуждается. Это устраняется
нанесением на поверхность ОК тонкого
слоя воды или масла, как рассмотрено ра-
нее.
При лазерном возбуждении в ОК из-
лучается короткий акустический импульс.
Его спектр определяется в основном дли-
тельностью г импульса лазера и лежит в
пределах частот до = 1/т. Так, при
Т = 10 НС импульс /пах = Ю0 МГц, что
превышает обычный частотный диапазон
УЗ-дефектоскопов. Поэтому используются
только те составляющие спектра, которые
могут распространяться в материале ОК
на достаточные для его контроля расстоя-
ния. Рассмотренным способом в ОК воз-
буждают короткие (наносекундные) им-
пульсы продольных, поперечных и по-
верхностных волн, а при определенных
условиях также волн Лэмба.
Чтобы короткими лазерными им-
пульсами возбуждать импульсы поверхно-
стных волн определенных частоты, формы
и длительности лазерный луч разделяют
на п (и > 2) узких параллельных полос,
расстояния между которыми выбирают
равными желаемой длине волны X. В ос-
вещенных полосах материал ОК, одно-
временно расширяясь, создает поверхно-
стную волну длиной X, направленную в
обе стороны перпендикулярно к освещен-
ным линиям. Количество периодов им-
пульса этой волны будет п + 1, централь-
ная частота f = скА. Меняя интенсивность
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
77
освещения полос, можно управлять фор-
мой огибающей генерируемого импульса.
Для получения импульса поверхно-
стных волн колоколообразной формы ин-
тенсивность освещенных полос должна
плавно убывать от середины зоны возбу-
ждения к ее краям. Способ пригоден так-
же для возбуждения определенных мод
волн Лэмба, если при выбранной длине
волны параметры листа (слоя) удовлетво-
ряют условиям распространения данной
моды.
Особенностью лазерного возбужде-
ния, полезной при контроле изделий
сложной формы, является постоянство
диаграммы направленности излучаемых
волн при значительном отклонении угла
падения лазерного луча от нормали к по-
верхности ОК. Лазерные преобразователи
даже при падении луча под острыми угла-
ми к поверхности излучают УЗ перпенди-
кулярно к ней.
Оптическая сканирующая система
может быть расположена на расстоянии
1 ... 2 м от ОК. С одной позиции можно
сканировать площадь 1 ...2м2.
Оптический (лазерный) прием упру-
гих волн. С помощью лазеров можно при-
нимать упругие волны широкого диапазо-
на частот, имеющие нормальные состав-
ляющие смещений. К ним относятся про-
дольные, поверхностные, поперечные
(с вертикальной поляризацией), а также
волны в пластинах (волны Лэмба) и
стержнях. В отличие, например, от ПЭП и
электростатического преобразователя,
способных как излучать, так и принимать
упругие волны, лазерные системы излуче-
ния и приема не являются обратимыми и
имеют различное устройство.
На рис. 1.43 показана одна из воз-
можных структурных схем аппаратуры
для лазерного УЗ-контроля методом про-
хождения. Система излучения (слева от
ОК 5) имеет измеритель мощности излу-
чения 4.
Для приема применяют лазерный ин-
терферометрический приемник, показан-
Рис. 1.43. Лазерный способ возбуждения
(слева) и приема (справа) УЗ-волн:
/ - мощный лазерный источник;
2 и 8 - полупрозрачные зеркала; 3 и
10 - фокусирующие линзы; 4 - измеритель
мощности излучения; 5 - ОК; 6 - перемещае-
мое зеркало; 7 - усилитель; 9 - маломощный
лазер; И - ФЭУ; 12 - фильтр
ный на рис. 1.43 справа. Луч от маломощ-
ного лазера 9 раздваивается полупрозрач-
ным зеркалом 8. Эти лучи отражаются от
неподвижного зеркала 6 и поверхности
ОК 5, которая колеблется под действием
падающей УЗ-волны. Оба луча приходят
на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)
11, который показывает результат интер-
ференции.
Движение поверхности ОК изменяет
соотношение фаз интерферирующих све-
товых лучей, а следовательно, амплитуду
суммарного колебания. Таким же образом
колеблется ток ФЭУ.
Разность хода лучей в плечах интер-
ферометра выставлена так, чтобы она бы-
ла равна нечетному числу четвертей све-
товой волны. Длина этой волны выбирает-
ся довольно большой, например 0,6328 мкм
для гелий-неонового лазера. Тогда при
незначительных колебаниях поверхности
ОК косинусоидальный закон изменения
интенсивности интерферирующих лучей
аппроксимируется линейной зависимо-
стью при амплитуде до 3 • 10‘8 мм.
Чувствительность такого приемника
в тысячи раз меньше, чем ПЭП. Это объ-
ясняется большими помехами в ФЭУ. На
приемную систему также сильно влияют
внешние вибрации. Для отстройки от них
78
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
зеркало 6 делают перемещающимся. Из
сигнала на ФЭУ фильтром 12 выделяют
низкочастотную составляющую, которая
соответствует низкочастотным вибраци-
ям; усиливают ее усилителем 7 и управ-
ляют перемещениями зеркала 6, укреп-
ленного на компенсирующем его движе-
ния пьезоэлементе.
Второй метод оптического приема
упругих колебаний основан на эффекте
Доплера [394]. При отражении от колеб-
лющейся поверхности ОК монохромати-
ческого лазерного луча происходит час-
тотная модуляция отраженного света по
закону
Ссв
где f0 - частота лазерного излучения; v -
нормальная к поверхности составляющая
колебательной скорости ОК; ф - угол па-
дения светового луча на эту поверхность;
ссв - скорость света.
При частотном детектировании в
приемном устройстве отраженной от ОК
световой волны колебания частоты преоб-
разуются в изменения амплитуды, исполь-
зуемые для оценки и представления ре-
зультатов. Рассмотренный способ приема
применен, в частности, в аппаратуре для
контроля многослойных конструкций и
изделий из ПКМ (см. разд. 4.1.4).
Интенсивность упругих колебаний
пропорциональна квадрату амплитуды
колебательной скорости J -V2. Но V =
= соС/, где U — амплитуда смещения. По-
этому при J = const с увеличением частоты
колебательная скорость не меняется, а
смещение уменьшается по закону
U /го. В результате чувствитель-
ность интерферометра, основанного на
регистрации смещений, с ростом частоты
падает, а метода, использующего эффект
Доплера, от частоты не зависит. Это опре-
деляет область применения рассматривае-
мых лазерных способов приема, один из
которых эффективен в области низких
частот, другой - при высоких частотах.
Оптические методы приема можно
разделить на две группы [394]: методы
приема в точке или небольшой зоне по-
верхности ОК в реальном масштабе вре-
мени и методы, позволяющие наблюдать
распределение возмущений на значитель-
ной площади в определенный момент
времени. Применение методов второй
группы ограничено их еще меньшей чув-
ствительностью, поэтому для неразру-
шающего контроля применяют преиму-
щественно методы первой группы.
Тем не менее, методы второй группы
используют при исследованиях. В [425,
с. 480/504] оптическим методом с помо-
щью лазерного интерферометра наблюда-
ют за смещениями точек поверхности,
вдоль которой распространяется УЗ-волна
(метод лазерного детектирования, см.
разд. 2.3.7).
Недостатки лазерного способа воз-
буждения и приема, мешающие его про-
мышленному применению, - громозд-
кость аппаратуры, малая частота следова-
ния импульсов, недостаточно большой
ресурс работы лазера, малая чувствитель-
ность при приеме. Возможно сочетание
лазерного возбуждения с неоптическими
способами приема [249]. Рекомендовано
[45] для контроля алюминиевых сплавов
применять лазерный пучок с диаметром на
поверхности ОК 1,8 ... 3 мм и средней
поверхностной плотностью тепловой
мощности лазерного излучения
240 ... 300 МВт/см2. Излучение происхо-
дит в результате действия эффекта абля-
ции, т.е. при некотором повреждении по-
верхности.
Оптический способ . излучения и
приема УЗ используют для очень точного
измерения скорости и коэффициента зату-
хания, для абсолютной градуировки пье-
зопреобразователей [175] и контроля не-
металлических материалов.
Лазерное возбуждение применяют
для контроля при высоких температурах
ОК, например для исследования измене-
ния упругих свойств, слежения за процес-
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН
79
сом синтеза керамики, дефектоскопии
слоистых материалов, в том числе для
контроля отслоения пленок толщиной все-
го 100 А, применяя лазерные импульсы
длительностью 0,1 нс.
Один из основных недостатков ла-
зерного способа - низкая чувствитель-
ность при приеме УЗ-колебаний. Выпол-
ненные ранее [132] оценки давали значе-
ние минимальной амплитуды регистри-
руемых колебаний 10'8 мм. В [422, с. 2951]
сообщалось о повышении чувствительно-
сти на порядок: до 10'6 нм/-/Гц, что на
частоте 2 МГц дает минимальную ампли-
туду регистрируемых колебаний 1 нм.
В рассматриваемой работе для излучения
применяется лазер с длиной волны
1,064 мкм с полушириной импульса 15 нс.
Лазерный пучок фокусируется цилиндри-
ческой линзой, но оптическая плотность
излучения такова, что поверхность объек-
та контроля не повреждается, т.е. оптико-
акустическое преобразование происходит
в термоупругой области. Для приема слу-
жит гетеродинный интерферометр.
Частотный диапазон работы лазерно-
го излучателя-приемника 20 кГц
30 МГц. Установку использовали в экспе-
риментах по контролю глубины проплав-
ления сварных соединений полых цилинд-
ров из золотых и титановых сплавов с
толщиной стенки 2,5 мм. Валик шва не
удалялся. Наблюдалось отражение от ис-
кусственных рисок и непроваров глубиной
> 0,5 мм.
В [422, с. 2134] также сообщалось о
возможности повышения чувствительно-
сти лазерного приема УЗ благодаря ис-
пользованию конфокального интерферо-
метра Фабри-Перо.
В [428, докл. 1.21] С.Ю. Гуревичем и
др. установлено, что в ферромагнетиках
магнитный фазовый переход приводит к
увеличению амплитуды и скорости волн
Рэлея, если лазерное возбуждение проис-
ходит только за счет термоупругого эф-
фекта, чтобы температура ферромагнетика
не превышала точки Кюри.
Промышленные системы, исполь-
зующие лазерный способ возбуждения и
приема упругих колебаний, см. в гл. 4 на-
шей книги.
А.В. Каргапольцев и др. [160] реали-
зовали способ возбуждения УЗ-колебаний
с помощью пучка электронов. Для этой
цели использовалась рентгеновская уста-
новка МИРА-2Д с ускоряющим напряже-
нием 200 кВ, длительностью импульса
10 нс. Ток в пучке достигал 400 А. Пучок
выводился в воздух через тонкое берил-
лиевое окно. На расстоянии 10 мм в алю-
миниевой пластине возбуждались УЗ-им-
импульсы длительностью 20 нс, амплиту-
дой 2-107 Па. Как и в лазерном способе,
возникают трудности с приемом УЗ-волн.
Для бесконтактного приема использовали
ЭМА-преобразователь.
Сопоставление бесконтактных пре-
образователей. В табл. 1.8 перечислены
применяемые в производственных или
лабораторных условиях способы контакт-
ного и бесконтактного возбуждения аку-
стических колебаний в ОК и указаны их
ориентировочные чувствительности при
возбуждении, приеме и возбуждении-при-
еме (двойное преобразование).
Для сравнения приведен контактный
способ возбуждения и приема колебаний с
помощью обычного ПЭП. Соответствую-
щие ему значения чувствительности при-
няты за 1. Все цифры приведены для ста-
ли, их следует рассматривать как сугубо
ориентировочные. Указано также, что при
иммерсионном способе акустического
контакта, когда между ПЭП и ОК поме-
щается толстый слой контактной жидко-
сти, относительная чувствительность
двойного преобразования по сравнению с
контактным <0,1.
В справочнике [394] сопоставлены
три основных типа бесконтактных преоб-
разователей. Обзор бесконтактных спосо-
бов возбуждения и приема УЗ-волн имеет-
ся в [45]. Особенно подробно рассмотрен
ЭМА-способ.
80
Глава!. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
1.9. Сравнение трех бесконтактных способов излучения и приема УЗ
Параметр Способ
лазерный ЭМА воздушно-акустический
Расстояние от излучателя- приемника до ОК Большое, возможно не- сколько метров Для продоль- ных волн не- сколько мил- лиметров, для других типов возможности быстро ухуд- шаются с рас- стоянием Для частот > 1 МГц воз- можности быстро ухуд- шаются с расстоянием; для низких частот (50 кГц) < 1 м
Частотный диапазон Очень большой при ге- нерации, зависит от оп- тического устройства при приеме Обычно 0,5 ... 10МГц Обычно < 1 МГц, возмож- ности ухудшаются с рас- стоянием
Типы волн Продольные, попереч- ные с вертикальной по- ляризацией, нормальные Все возмож- ные типы Продольные, другие ти- пы - за счет трансформа- ции
Ориентация преобразова- теля к ОК Произвольная, чувстви- тельность может уменьшаться при откло- нении от нормальной Необходимо слежение за поверхностью Как при контроле кон- тактным способом
Материал Любой, но интенсивное излучение может по- вреждать поверхность одних материалов боль- ше, чем других Токопроводя- щие (метал- лы) Работает лучше с мате- риалами с низким волно- вым сопротивлением (мяг- кими, пористыми)
Степень раз- работанности Разрабатывается, пер- вые применения в про- мышленности Применяется в промыш- ленности Разрабатывается
Стоимость Высокая Средняя
Безопасность Может потребоваться ограждение зоны кон- троля Полная
Другие качества Применяется при иссле- дованиях Применяется при снятии диаграмм направленно- сти Возможно применение при низком давлении
АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
81
В [425, с. 225/786] приведено сопос-
тавление трех бесконтактных способов
УЗ-контроля (табл. 1.9): термоупругого
(лазерного), ЭМА и воздушно-акус-
тического. Рекомендовано применять тер-
моупругий, ЭМА и воздушно-акусти-
ческий способы на частотах соответствен-
но 0,5 ... 0,6; 0,5 и 0,1 МГц. Известно, од-
нако, что практически эти способы ис-
пользуют также в более широких диапазо-
нах частот.
1.3. АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
ВЫСОКОЧАСТОТНОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Область пространства, в которое пре-
образователь излучает и из которого мо-
жет принимать волны, называют акусти-
ческим полем. Поле излучения преобразо-
вателя - зависимость амплитуды излуче-
ния от положения исследуемой точки В в
пространстве. Поле приема — зависимость
амплитуды принятого преобразователем
сигнала от положения в пространстве то-
чечного источника В излучения. Поле из-
лучения-приема - зависимость амплитуды
принятого сигнала от положения в про-
странстве точечного отражателя В, рас-
сеивающего одинаково по всем направле-
ниям и облучаемого тем же преобразова-
телем. Обычно оно пропорционально
квадрату поля излучения, поэтому далее
часто говорится только о поле излучения с
учетом его идентичности с полем
приема.
Акустическое поле преобразователя
чаще всего рассчитывают, считая, что
преобразователь состоит из большого
числа элементарных излучателей-при-
емников, а затем их действие суммируют
(интегрируют). Поле излучения отдельно-
го точечного элемента в твердое тело
(сталь) показано на рис. 1.44. Централь-
ный лепесток соответствует продольной
волне L, а боковые - поперечной волне Т.
Направленность центрального лепестка,
который используется для формирования
поля, приближенно описывается функцией
X(0) = cos0. (1.25)
Рис. 1.44. Продольные (—) и поперечные
(-----) волны, излучаемые точечным
источником напряжения
Направленность при излучении в
жидкость описывается функцией /(0) = 1
(ненаправленный сферический излуча-
тель) либо х(0) = cos 0 (дипольный излу-
чатель) в зависимости от условий работы.
В области малых углов 0 можно считать,
что диаграмма направленности каждого
излучателя и приемника сферическая, т.е.
/(б) = 1. В поле приема преобразователя
множитель, характеризующий направлен-
ность точечного источника, может отли-
чаться от формулы (1.25), но всегда при
углах 0 < 20° х ® 1.
1.3.1. Поле прямого контактного
преобразователя
Ближняя и дальняя зоны. Здесь
рассматривается не только преобразова-
тель, излучающий непосредственно в ОК,
но и любой преобразователь, излучающий
в однородную среду, например в жид-
кость. Поле в среде описывается сущест-
венно разными закономерностями на
близком и далеком расстояниях от преоб-
разователя. Это различие особенно четко
выражено для круглого преобразователя.
В непосредственной близости от него УЗ
распространяется в виде параллельного
пучка лучей (прожекторная зона), но
чуть дальше картина резко изменяется.
Энергия по-прежнему остается в пределах
нерасходящегося пучка, но появляются
82
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рнс. 1.45. Поле излучения на оси
круглой пьезопластины (а) и схематическое
изображение поля (ff):
(----------) - непрерывное излучение;
(---) - излучается колоколообразный импульс
Р N
с показателем длительности у = 0,25; М =-
а х
максимумы и минимумы амплитуды. Вся
эта область называется ближней зоной,
ближним полем или зоной Френеля.
В дальней зоне (дальнем поле, зоне
Фраунгофера) формируется расходящийся
пучок лучей. Излучается как бы сфериче-
ская волна, но распространяющаяся не
равномерно во все стороны от источника,
а в пределах конуса - основного лепестка.
Максимум амплитуды соответствует оси
преобразователя (акустическая ось или
центральный луч). С увеличением угла
между направлением какого-либо луча и
осью амплитуда уменьшается, появляются
боковые лепестки. Зависимость амплиту-
ды излучения от направления луча назы-
вается диаграммой направленности.
При некотором угле (угле раскры-
тия) амплитуда излучения равна нулю для
непрерывного излучения, а для импульс-
ного наблюдается минимум). Угол рас-
крытия определяет основной лепесток. За
его пределами обычно появляются боко-
вые лепестки, которые являются источни-
ками помех.
В дальней зоне амплитуда плавно
уменьшается с увеличением расстояния от
преобразователя. В ближней зоне ампли-
туда изменяется от положения в простран-
стве сложным образом.
Граница между ближней и дальней
зонами приближенно определяется фор-
мулой:
У = 5/(лА.) = а2 Д, (1.26)
где N - расстояние вдоль оси х; совпа-
дающей с акустической осью преобразо-
вателя', S — площадь пьезоэлемента; X -
длина волны. Последняя часть формулы
соответствует круглому пьезоэлементу
радиусом а. Первая часть приближенно
пригодна также для квадратного пьезо-
элемента.
При конструировании преобразова-
теля обычно стремятся уменьшить осцил-
ляции амплитуды в ближней зоне и повы-
сить направленность в дальней зоне, т.е.
уменьшить угол раскрытия и боковые ле-
пестки. Исследования показывают, что
решить одновременно все задачи не уда-
ется. Некоторые практические условия
контроля требуют, наоборот применения
преобразователя с широкой диаграммой
направленности.
Дискообразный преобразователь.
Ближняя и дальняя зоны хорошо выраже-
ны в поле преобразователя с дискообраз-
ной (круглой) пьезопластиной, как отме-
чалось ранее. На рис. 1.45, б схематически
изображено поле излучения в ближней и
дальней зонах, а на рис. 1.45, а - измене-
ние амплитуды излучения на оси х, совпа-
дающей с геометрической осью диска. На
рис. 1.46 показан общий вид поля излуче-
ния-приема круглого преобразователя в
безразмерных координатах x/N и p/а2 (р -
расстояние точки В от оси х).
Как отмечалось, в ближней зоне ам-
плитуда очень резко изменяется в зависи-
мости от положения точки в пространстве,
а в дальней зоне она плавно уменьшается
с увеличением расстояния от преобразова-
теля. Так же будет изменяться амплитуда
сигнала, отраженного от небольшого де-
фекта. Чем крупнее дефект, тем больше
сглаживаются изменения амплитуды эхо-
сигнала в ближней зоне. Например, ам-
АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
83
плитуда отражения от перпендикулярной
к оси плоскости в ближней зоне сохраня-
ется постоянной с точностью в 20 %. Это
соответствует очень слабому расхожде-
нию энергии излучения в ближней зоне.
При излучении коротких импульсов
сглаживаются максимумы и минимумы.
Это хорошо видно для поля излучения-
приема на рис. 1.46. Кривые справа соот-
ветствуют длинному импульсу с показате-
лем длительности v = 0,05, а слева - ко-
роткому с v = 0,17. На рис. 1.47, а и б по-
казаны линии равного ослабления ампли-
туды излучения соответственно для
v = 0,014 и v = 0,17.
Поле излучения вдоль оси х круглого
преобразователя (см. рис. 1.45, а) без уче-
та импульсного характера излучения опи-
сывается формулой
где Р - акустическое давление в точке В
поля; Ро - давление на поверхности излу-
а)
Рис. 1.47. Поле излучения круглой
пьезопластины в виде линий равного
ослабления амплитуды давления для
колоколообразных высокочастотных
импульсов
,2
(1-27)
«2
84
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.48. Диаграмма направленности поля излучения круглой
пьезопластины при отношении диаметра к длине волны 2а/л = 5:
а - в относительных единицах; б - в децибелах
чателя; 8 - коэффициент затухания (в даль-
дальнейших формулах затухание не учи-
тывается); волновое число.
Приближенная часть формулы пред-
полагает выполнение условия а « х. Наи-
более удаленный от излучателя максимум
определяет границу ближней зоны. Он
соответствует равенству л/2 аргумента
синуса. Из этого следует
7.V2+a2 -N = Х/2;
N = а2/Х-Х/4. (1.28)
Если радиус а круглого преобразова-
теля (точнее, его пьезопластины) значи-
тельно больше длины волны (что обычно
выполняется), то N вычисляется с доста-
точной точностью по формуле (1.26).
Возникновение максимумов и мини-
мумов акустического поля в ближней зоне
преобразователя объясняется интерферен-
цией сигналов, приходящих от различных
точек преобразователя и проходящих путь
разной длины до точки В. Пьезопластину
можно представить состоящей из большо-
го количества маленьких излучателей.
Расстояния от разных излучателей до не-
которой точки В в ближней зоне могут
сильно различаться. Соответственно, бу-
дут разными фазы приходящих сигналов.
При их совпадении амплитуда увеличива-
ется, если фазы противоположны (т.е. от
одних излучателей поступают волны, тре-
бующие растяжения объема около точки
В, а от других - требующие его сжатия),
амплитуда уменьшается [319].
Экранируя зоны пьезопластины, от
которых сигнал приходит в противофазе,
или сдвигая фазу на л/2 (путем переклю-
чения электродов), добиваются сущест-
венного увеличения амплитуды в точке В.
На этом основана фазовая фокусировка.
Оценивать дефекты, находящиеся в
ближней зоне, по амплитудам отраженных
сигналов трудно: можно ошибиться в оп-
ределении местоположения и числа де-
фектов. Например, на расстоянии х = N/2
от преобразователя (в середине ближней
зоны, см. рис. 1.46) поле имеет минимум
на оси ПЭП, а в стороне - максимум. При
поиске и оценке дефектов по максимумам
эхосигналов дефектоскопист, найдя в дей-
ствительности один дефект, решит, что
найдено два дефекта, расположенных по
сторонам от истинного положения дефекта.
Исходя из сказанного, в России вы-
пускают преобразователи с небольшой
длиной ближней зоны. Например, прямой
преобразователь на частоту f= 2,5 МГц с
АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
85
диаметром 2а = 12 мм имеет длину ближ-
ней зоны в стали N = а2/с = 62 • 2,5/5,9 ®
® 15 мм. В других странах считают вполне
возможным вести контроль в ближней
зоне. Считают, что дефектоскопист дол-
жен знать особенности ближней зоны,
учитывать их. Например, широко приме-
няют преобразователь с/= 4 МГц и 2а =
= 24 мм, для которого /V» 100 мм.
В дальней зоне появление максиму-
мов и минимумов акустического поля под
влиянием разности фаз приходящих волн
происходит только, когда точка В нахо-
дится в стороне от оси преобразователя.
Основная часть поля имеет вид расходя-
щихся конусом лучей из центра преобра-
зователя. Амплитуда поля излучения
вдоль оси х уменьшается по закону
5/(и).
Для некоторого расстояния х = г
примем амплитуду излучения на оси рав-
ной 1. Для луча под углом 0 к оси ампли-
туда будет меньше, она в этом случае
описывается некоторой функцией Ф(0) -
диаграммой направленности. Таким обра-
зом, поле излучения выражается форму-
лами
Р = РтФ(0); Pm=P0S/{kr). (1.29)
На рис. 1.48 дан пример диаграммы
направленности в относительных едини-
цах и децибелах. Сравнение графиков де-
монстрирует различие масштабов в пред-
ставлении результатов: в относительных
единицах лепестки едва заметны, а в де-
цибелах хорошо видна их структура, но
они кажутся преувеличенно большими.
Показанный на рисунке вид лепестки
имеют в сечении пространственного аку-
стического поля плоскостью рисунка.
В действительности каждый лепесток ог-
раничивается двумя коническими поверх-
ностями с большим и меньшим углами
при вершине.
Угол 0 = 0о ограничивает основной
лепесток диаграммы направленности. При
нем Ф обращается в нуль. В основном ле-
пестке сосредоточено ~80 % энергии поля.
Существующие за его пределами боковые
лепестки являются источниками помех.
Наибольший их уровень дает первый бо-
ковой лепесток.
Угол 0о называют углом раскрытия
диаграммы направленности. Его рассчи-
тывают по формуле
sin0o=«A./a; (1.30)
здесь п - численный коэффициент, равный
для круглого преобразователя 0,61. Обыч-
но считают, что, когда амплитуда поля
излучения-приема уменьшается в 10 раз
(Ф2 = 0,1; Ф = 5/OJ), акустическое поле
практически отсутствует. Для этого уров-
ня угол раскрытия будем обозначать 0o,i,
для него коэффициент п = 0,45 ® 0,5. Для
характеристики раскрытия акустического
поля на других уровнях вычисляют соот-
ветствующие значения коэффициента п.
На рис. 1.49 сплошными линиями по-
казаны диаграммы направленности полей
излучения и излучения-приема круглого
преобразователя, которые определяются
формулами
ф(%) = |2Д,(%)/%|;
Ф2(АГ) = |2Д1(АГ)/АГ|2; Х = акып$,
где J\ — функция Бесселя первого порядка;
к - волновое число в среде. Хорошо видны
минимумы и боковые лепестки.
Диаграммы направленности, пока-
занные сплошными линиями, соответст-
вуют непрерывному излучению или им-
пульсам очень большой длительности.
Диаграммы направленности для реально
применяемых коротких импульсов пред-
ставлены штриховыми линиями. Расчет
сделан для импульсов колоколообразной
формы, показатели их длительности равны
v = 0,13 для нижней кривой и 0,19 для
верхней. При импульсном излучении нули
отсутствуют, форма кривых в нижней час-
ти меняется. По этой причине ширину
86
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.49. Диаграммы направленности
излучения и излучения-приема круглого и
прямоугольного преобразователей в
относительных единицах:
(---------) - непрерывное излучение;
(—) - излучение колоколообразных
импульсов с показателем длительности
v = 0,13 (иижняя) и 0,19 (верхняя) кривые
диаграммы направленности лучше оцени-
вать на уровне д/дТ, где этих изменений
практически нет.
В табл. 1.10 приведены более полные
данные о дальней зоне преобразователей с
пьезопластинами различной формы. Пер-
вая строка соответствует дискообразному
преобразователю. Ввиду того что диа-
граммы направленности при излучении и
излучении-приеме для круглого и прямо-
угольного преобразователей часто исполь-
зуют в расчетах, они приведены на
рис. 1.49 и 1.50 в относительных единицах
и децибелах в функции от безразмерного
параметра X.
Поле излучения круглого преобразо-
вателя в пределах основного лепестка
можно описать аналитически приближен-
ными формулами [350]
ф==е-о,142Х2 . ф = 1Д2-0’5у2 ; (1.31)
здесь как и ранее, X = afcsin0. Формулы
особенно хорошо совпадают с кривыми
для излучения коротких импульсов.
При больших значениях углов 0 вво-
дят множитель х(0), учитывающий транс-
формацию продольных волн в поперечные
при излучении [120]:
х(е)=__________fcjWo-t,2)2 ,
(д/с2 sin2 0-А:2)2 + 4i;3 sin2 OcosO^/:,2 -к, sin2 0
где kt и kt - волновые числа для продоль-
ных и поперечных волн.
Рис. 1.50. Диаграммы направленности
излучения и излучения-приема круглого
и прямоугольного преобразователей
в децибелах
АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
87
График функции /(0) для различных
отношений скоростей продольных и попе-
речных волн с; /с( показан на рис. 1.51. В
результате вместо (1.29) записывают
р«ртФ(0)х(е), (1.32)
где Ф - определенная выше диаграмма
направленности. При углах 0 < 20° функ-
ция х(0) ® 1 и справедливы формулы
(1.29).
Ранее были даны значения длины
ближней зоны для двух типичных преоб-
разователей. Приведем для них же значе-
ния углов раскрытия. Для преобразовате-
ля, часто применяемого в России,
<р0>1 = arcsin(o,45c//а) =
= arcsin(0,45-5,9/2,5.6) = 11,3°,
а для часто используемого в других стра-
нах, <po,i = 3,5°. Расхождение лучей гораз-
до меньше, что, как правило, удобно для
контроля.
Кольцеобразный преобразователь.
В таком преобразователе пьезоэлемент
имеет форму кольца с наружным и внут-
ренним диаметрами 2ан и 2ав. Иногда пье-
зоэлемент делают дискообразным, а фор-
му кольца придают электродам. Амплиту-
да поля излучения на оси кольцеобразного
преобразователя приближенно определя-
ется формулой
Р = Р0/;
|/|» 2е"2&
Формула для протяженности ближ-
ней зоны
У®
,2 2
ан ав
лХ X
5
Поле излучения в дальней зоне
л 2 2Jl(kaH sin0) 2 2J\(кав sin0)
Xr н (Хан sin 0) в (fajB sin 0)
В табл. 1.10 представлена формула
для предельного случая бесконечно тонко-
го кольца. Угол раскрытия 0, при котором
Рис. 1.51. Функция х(0), учитывающая
трансформацию продольных волн в
поперечные при излучении в зависимости
от угла 0 к оси преобразователя для
отношений скоростей продольных и
поперечных волн в ОК:
1-3 - соответственно Cijct = 2; 1,85 и 1,7
использованная в ней функция Бесселя
нулевого порядка Jo обращается в нуль,
рассчитывают по формуле
sin0o = 0,39Х/а .
Уменьшение коэффициента п по
сравнению с дискообразным преобразова-
телем показывает, что кольцеобразный
пьезоэлемент имеет более узкую диаграм-
му направленности, чем дискообразный.
Одновременно с этим увеличились боко-
вые лепестки.
Преобразователи с кольцеобразным
пьезоэлементом редко применяют в де-
фектоскопии, так как уменьшение полез-
ной площади излучателя-приемника сни-
жает чувствительность.
Прямоугольный преобразователь.
Пьезопластину прямоугольной формы
применяют в наклонных и РС-преобразо-
вателях. Здесь рассмотрено поле такой
пластины без акустической задержки.
Согласно EN 12668-2, граница ближней
зоны (как положение последнего макси-
мума) преобразователя с прямоугольной
пластиной определяется следующим спо-
собом. Рассчитывают отношение сторон
88
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
1.10. Диаграммы направленности пьезопластин различной формы
Форма пьезопластины Диаграмма направлен- ности Ф(А) Аргумент X Коэффициент n для раскрытия основного лепестка на уровне |Ф|, равном Максимум бокового лепестка
0 0,1 Tv 0,5
Диск, диаметр 2а |2У,(Х)/2Г| ак sin 0 0,61 0,55 0,45 0,35 0,26 0,14
Эллипс, полу- оси ау и az (a2 cos2 <р + +a2 sir? <p)'2 x xk sin 0
Тонкое коль- цо, диаметр 2а 1 Л(*)| ak sin 0 0,39 0,35 0,28 0,24 0,18 0,40
Прямоуголь- ник, стороны 2a^,, 2а, sinY^, sinA, a^./csinO ,.; axfcsin0x 0,50 0,45 0,38 0,30 0,22 0,21
ху xz
Примечание. Угол <р в формуле таблицы для эллиптического преобразователя
определяет плоскость, в которой требуется рассчитать диаграмму направленности. Для
плоскостей, проходящих через оси эллипса ср = 0 и 90°, имеем X = аук sin 0,. и
X = azk sin 0Z.
а = ах1а2, где а2>а]. По нему находят
фактор к по рис. 1.52. Тогда протяжен-
ность ближней зоны прямоугольного пре-
образователя равна N = {kctf )/(4л).
Сравнение результата, полученного
по этой формуле, с прямым вычислением
поля на оси показало, что они совпадают с
точностью до 10 %. Например, для квад-
ратной пластины положение последнего
максимума приближенно определяется
формулой
N = S)nk,
что на 7 % меньше, чем по EN 12668-2.
Сравнение с полем круглого преобра-
зователя показывает, что в ближней зоне
максимумы и минимумы сглажены. До-
полнительное их сглаживание наблюдает-
ся для импульсного излучения.
Расхождение лучей (диаграмму на-
правленности поля излучения прямо-
угольного преобразователя) описывает
формула табл. 1.10. Из нее следует, что
направленность разная в двух взаимно
перпендикулярных плоскостях и зависит
от волнового размера пластины в каждой
плоскости. Диаграмма направленности
поля излучения-приема получается возве-
дением в квадрат формул табл. 1.10, как
показано на рис. 1.49 и 1.50.
Пример 1.11. Сравнить преобразователи с
пластинами разной формы с позиций наилучшей
направленности полей излучения-приема в стали.
Частота f = 2,5 МГц, максимальный размер пла-
стины 2а = 20 мм.
АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
89
Направленность поля излучения-приема оп-
ределяет функция Ф2. Найдем углы раскрытия
основного лепестка на уровне Ф2 = 0,1 или
|ф| = ^0Д по формуле (1.30) и данным табл. 1.10
для круглой, кольцеобразной и прямоугольной
пластин:
0'= arcsin[o,45c/(/a)] = arcsin[o,45 -5,92 /(2,5 -1 о)] = 6,1° ;
9'=arcsin[0,28 5,92/(2,5 10)]= 3,8°;
O'=arcsin[o,38 5,92/(2,5 ю)] = 5,2°.
Строго говоря, максимальным размером
прямоугольной пластины является не сторона, а
диагональ. Для квадратной пластины с диагона-
лью 20 мм [полусторона а = 20/(25/2)= 7,07 мм]
получим
0'= arcsin[o,38 5,92/(2,5-7,07)]= 7,3° .
Таким образом, квадратная пластина обес-
печивает наихудшую, а кольцеобразная - наи-
лучшую направленность. Но кольцеобразная пла-
стина имеет меньшую полезную площадь (а сле-
довательно, и меньшую чувствительность), чем
круглая такого же диаметра; для нее уровень бо-
ковых лепестков в 0,4/0,14 = 2,9 раза выше, по-
этому обычно применяют круглые пластины.
Преобразователи с сильно вытянутой
пьезопластиной представляют интерес в
отношении увеличения полосы изделия
(например, листа), контролируемого за
один проход. Такие преобразователи на-
зывают широкозахватными. Недостаток
таких преобразователей заключается в
неравномерности чувствительности вдоль
большей стороны пластины из-за интер-
ференции в ближней зоне. Для выравни-
вания чувствительности предложен ряд
способов, например ширина пластины в
центральной части сужается.
Эффективный размер пьезопластины
часто неизвестен. Например, иногда на ее
края не наносят электродов и остается
неизвестным, какую площадь пьезопла-
стины 5 следует использовать: общую или
только площадь, покрытую электродом,
поэтому затруднительно использовать
простые формулы для расчета протяжен-
ности ближней зоны N. Как отмечалось
ранее, максимум в ближней зоне часто
выражен нечетко, например для прямо-
угольугольного преобразователя при им-
Рис. 1.52. Корректирующий фактор к для
расчета протяженности ближней зоны
прямоугольного преобразователя:
а - отношение сторон
пульсном характере излучения.
С учетом этого EN 12668-2 предлагает
определять границу ближней зоны преобра-
зователя по расхождению лучей в дальней
зоне. Например, для преобразователя с пря-
моугольной пластиной измеряют угол
раскрытия у2, параллельный большей сто-
роне. Для акустического поля излучения
этот угол соответствует ослаблению ам-
плитуды на 3 дБ, а для поля излучения-
приема он соответствует ослаблению ам-
плитуды на 6 дБ. Предполагается извест-
ной центральная частота f0. Тогда эффек-
тивное значение стороны a2eff прямо-
угольного преобразователя рассчитывает-
ся по формуле
a2eff =(О,442с)/(/ояп[У2]).
Аналогичным образом определяется
эффективное значение для другой стороны
и, далее, выполняется процедура расчета
протяженности ближней зоны, рассмот-
ренная выше.
90
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.53. Мнимые пьезоэлементы для преобразователей с
плоскопараллельной (а) и наклонной (б) задержками
1.3.2. Поле преобразователя с
акустической задержкой
Акустическая задержка - протяжен-
ная среда со свойствами, отличающимися
от ОК, помещаемая между ним и преобра-
зователем. Это жидкость в иммерсионном
преобразователе, призма из пластика в
наклонном или РС-преобразователе
(рис. 1.53). Среда задерживает фронт вол-
ны на одинаковые (плоскопараллельная
задержка) или разные промежутки време-
ни. В последнем случае протяженная сре-
да является призмой,' обеспечивающей
наклонный ввод различных типов воли.
Обычно скорость звука в задержке мень-
ше, чем в ОК.
Определим некоторые понятия. Аку-
стической осью прямого преобразователя
называют геометрическую ось пьезопла-
стины OaON (см. рис. 1.53, а). Для на-
клонного преобразователя так же имену-
ется продолжение геометрической оси в
призме ОАО в изделие ON после ее пре-
ломления на границе призма - ОК (см.
рис. 1.53, б). Точка выхода О-точка пере-
сечения геометрической оси ОАО с кон-
тактной (контактирующей с ОК) поверх-
ностью призмы преобразователя. При
малой толщине слоя контактной жидкости
она практически совпадает с точкой ввода
О, где акустическая ось в изделии ON пе-
ресекается с поверхностью ОК (поверхно-
стью ввода). Углом наклона акустической
оси а называют угол между нею и перпен-
дикуляром к поверхности ввода. Угол ме-
жду перпендикуляром к контактной по-
верхности преобразователя и геометриче-
ской осью в призме - это угол призмы р.
Центральный туч - направление мак-
симума излучения. Он может не совпадать
с акустической осью, как будет показано в
разд. 2.2.4.3. Понятие "угол ввода" также
будет определено в разд. 2.2.4.3. Он
меньше или равен углу наклона акустиче-
ской оси. Основная плоскость - плоскость
преломления акустической оси; дополни-
тельная (азимутальная) плоскость пер-
пендикулярна к основной (перпендику-
лярна к плоскости рисунка) и также про-
ходит через акустическую ось. Некоторые
приведенные определения и понятия не-
сколько отличаются от рекомендованных
в ГОСТ 23829-85, однако они точнее со-
ответствуют физике явления.
Акустическое поле прямого преоб-
разователя, т.е. преобразователя с плос-
копараллельной задержкой, рассчитыва-
АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
91
ют, используя понятие "мнимая пьезопла-
стина", что показано на рис. 1.53, а штри-
ховыми линиями. Расстояние мнимой пла-
стины от поверхности ОК равно пх3, где
х3 - толщина акустической задержки;
n = c-Jc - отношение скоростей звука в
задержке и ОК (коэффициент преломле-
ния). Продолжения преломленных лучей в
направлении задержки приблизительно
пересекаются на мнимой пьезопластине
(например, для лучей вблизи оси - в точке
О'), а изменение фазы волн одинаково для
всех точек при переходе от действитель-
ной пластины к мнимой, поэтому его
можно не учитывать.
Для дискообразного ПЭП с плоско-
параллельной задержкой поле излучения
вдоль оси
Р ® 2Pod| sin[o,25/ca2/(x'+nx3)]|x
хехр[-(8х'+83х3)].
Границу ближней зоны определяют
из условия
2
2 / <2
х'+пх, = а к; х' =-----------их,. (1.33 а)
3 / 7 П1аХ 3 X /
Здесь Ра- давление на пьезопластине;
х' — расстояние вдоль оси в объекте кон-
троля; лЗТ1ах - расстояние от преобразова-
теля до наиболее удаленного максимума
ближней зоны; D - коэффициент прозрач-
ности при излучении; к , к - волновое
число и длина волны в ОК; 8 и 8, - коэффи-
циенты затухания в ОК и задержке.
В практике контроля применяют пре-
образователи с длинными акустическими
задержками - волноводами, например при
иммерсионном контроле - через струю
жидкости (струйный контакт), при кон-
троле горячего металла - через теплостой-
кие стержни. Акустическое поле на торце
волновода определяется полем преобразо-
вателя и влиянием отражений от боковых
поверхностей волновода
Акустическое поле наклонного
преобразователя имеет разный вид в ос-
новной и дополнительной плоскостях. В
плоскости падения (основной) размер
мнимого пьезоэлемента считают умень-
шенным в cosa/cosp раз по сравнению с
действительным, расстояние вдоль пре-
ломленной оси от него до поверхности
ввода (т.е. расстояние от центра мнимой
пластины О' до точки выхода О)
= r3ncosa/cosp, где г3 - средний путь в
задержке-призме ОАО (см. рис. 1.53, б).
Такое построение мнимого пьезоэлемента
обеспечивает достаточно точное пред-
ставление поля в дальней зоне. В допол-
нительной плоскости поле формируется
так же, как для случая плоской задержки.
Максимумы и минимумы в ближней
зоне определяются интерференцией волн в
дополнительной плоскости, где пластина
имеет размер 2а2- Положение последнего
(наиболее удаленного от преобразователя)
максимума определяется приближенной
формулой, следующей из (1.33 а):
^'max=V“ri’ (]-336)
А
где Гщах - путь вдоль акустической оси от
точки ввода О до максимума.
В основной плоскости максимумы и
минимумы практически не образуются
вследствие того, что преломленные лучи
от симметричных точек пластины, распо-
ложенных выше и ниже акустической оси,
дают колебания, не совпадающие в точке
В по фазе.
В соответствии с описанным пред-
ставлением в дальней зоне наклонного
преобразователя (см. рис. 1.53, б) поле
излучения в основной плоскости описыва-
ется формулой:
„ „ 5cosa /. хcosa , . п ]
Р = Р0~у------а-------------^Sln0x Х
кг0,А cos р cos р )
X ехр[- (8г' + 8' г3) ]« Рт -C0S - Ф X
л г cos a
х | a C°Sa A: sin |exp(- 8 r’\ (1-34)
cosfl J
92
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.54. Диаграммы направленности излучателей с призмами
из оргстекла и углами призмы р = 40 и 30° (соответственно а я б)
В дополнительной плоскости поле
описывается формулой
С
Р = Р0 ----Г>(р)ф(а£ sin 9Z )х
Ч/в
X ехр[- (8г'+83г3)]» Рт ф(ак sin 9 г )х
Аг
xexp(-8r')- (1.35)
Здесь ro,s ^rx+r'=r - расстояние
между центром мнимого излучателя О' и
точкой В; г’ - путь ОВ в изделии; р и а -
углы падения и преломления для акусти-
ческой оси; 9! - угол падения луча ОАС,
соответствующего лучу О’В; 9Г ® 9' и 9Z -
углы между лучом О'В и акустической
осью в основной и дополнительной плос-
костях; Рт = Р0о(р)ехр(-83г3) - постоян-
ный множитель, примерно равный ампли-
туде поля на границе призма-изделие;
ф(х) - функция, характеризующая диа-
грамму направленности. Она зависит от
формы пьезопластины (круглая, прямо-
угольная).
Приближенные части формул (1-34) и
(1.35) верны при r'»t\ и £>(9])® Z)(p).
Формула (1.34) справедлива для углов р,
отличающихся от критических значений
на > 3°.
Построение мнимых пьезопластин в
основной и дополнительной плоскостях
наклонного преобразователя основано на
тех же принципах, что и для преобразова-
теля с плоскопараллельной задержкой:
продолжения преломленных лучей в на-
правлении задержки приблизительно пе-
ресекаются на мнимой пьезопластине (на-
пример, в точке О'), а изменение фазы
волн одинаково для всех точек при пере-
АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
93
ходе от действительной пластины к мни-
мой.
Пример 1.12. Построить диаграмму на-
правленности в плоскости падения в стали для
наклонного излучателя с призмой 0 = 40°, диа-
метр пьезопластнны 2а = 17,4 мм, частота /= 1,8
МГц, скорости волн: продольной в оргстекле
с, = 2,72 мм/мкс, поперечной в стали с = 3,25
мм/мкс (взяты фактические данные из экспери-
ментальных исследований)
Находим угол преломления по формуле
(Г13):
а = arcsin(c sin 0/с2) =
= arcsin(3,25sin40°/2,72)= 50,2°.
С учетом уменьшения размеров мнимой
пьезопластины множитель в аргументе функции
Ф в формуле (1.34) будет равен
ка' = 2 nfacosa/(c cos0) =
= 2я • 1,8 8,7 cos 50,2° /(3,25 cos 40°) = 25,3.
По кривой 2JX (Х)/Х (рис. 1.49, штриховая
линия) строим диаграмму направленности излу-
чателя. Поскольку множитель £>(б]) в формуле
(1.34) в данном случае практически не меняется
при изменении угла (см. рис. 1.17), воспользуемся
приближенной частью этой формулы. Для угла
0 = 40° находим Dy по рис. 1.17, извлекая
квадратный корень из значения Dy, слой жидко-
сти отсутствует (5 = 0). Результат построения
показан на рис. 1.54, а штриховыми линиями.
На рис. 1.54 показан результат по-
строения диаграмм направленности при
излучении для ПЭП с призмой из оргстек-
ла с Р = 40 и 30°. Параметры преобразова-
телей - как в примере 1.12 . Расчетные
штриховые кривые довольно близки к
экспериментальным, показанным сплош-
ным линиями, но отличаются от них, не-
смотря на учет при расчетах изменения
коэффициента прозрачности в зависимо-
сти от угла 0, что не принято во внимание.
На рис. 1.54, б хорошо видно отличие угла
преломления, вычисленного по формуле
(1.13), от экспериментального угла для
*
Эксперимент выполнил по нашей просьбе
Н. Wusntenberg, за что авторы выражают ему ис-
креннюю благодарность.
направления акустической оси, о чем го-
ворилось выше (см. рис. 1.27).
Итак, поле наклонного преобразова-
теля рассматривают в плоскостях парал-
лельной акустической оси и перпендику-
лярной к ней - преломленной геометриче-
ской оси пьезопластины: плоскости паде-
ния и дополнительной плоскости. В плос-
кости падения в ближней зоне максимумы
и минимумы не образуются. В дальней
зоне диаграмма направленности в плоско-
сти падения тем шире, чем больше угол
наклона.
В дополнительной плоскости в
ближней зоне максимумы и минимумы на
оси образуются, а следовательно, их мож-
но наблюдать на общей оси также в плос-
кости падения, хотя неоднородности поля
сильно сглажены. Диаграмма направлен-
ности в дополнительной плоскости не за-
висит от угла наклона.
Согласно EN 12668-2, граница ближней
зоны для наклонных преобразователей
определяется по расхождению лучей в даль-
ней зоне, как было показано для прямоуголь-
ной пластины. Рассчитываются разные зна-
чения протяженности ближней зоны в плос-
кости падения и дополнительной плоско-
сти.
Приведем примеры расчетов углов
раскрытия для наклонных преобразовате-
лей на частоту 2,5 МГц с диаметром пье-
зопластины 12 мм (подобных рассмотрен-
ному выше прямому) с разными углами
ввода. В дополнительной плоскости
0o,i = 5,6° независимо от угла ввода, по
сравнению с прямым преобразователем
угол уменьшился, поскольку уменьшились
скорость волн и длина волны. Для преоб-
разователей с углами ввода 40; 50 и 65°
углы раскрытия соответственно 0q,i » 6;
6,5 и 10°.
Раздельно-совмещенный преобра-
зователь, как правило, имеет призмы, т.е.
акустические задержки. Акустическое по-
ле PC-преобразователя рассчитывают,
построив мнимые пьезопластины для дей-
ствительных излучателя и приемника Si.
94
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.55. Построение амплитуды поля на оси РС-преобразователя
Центры мнимых излучателя и прием-
ника Si и S'2 (показаны на рис. 1.55). По-
ле в точке В находят, вычислив расстояния
rs'-B вдоль лучей S{B, S'2B и углы
6', 0" между этими лучами и акустиче-
скими осями мнимых пластин, по формуле
ф(а' к sin О')ф(а" к sin 0")/(г' г"). (1.36)
Здесь 2а', 2а” - размеры мнимых пьезо-
пластин в основной плоскости, постоян-
ные множители и коэффициенты прозрач-
ности опущены, поскольку они не влияют
на изменение поля.
Пример 1.13. Построить поле излучения-
приема в стали на оси РС-преобразователя на
частоту 2,5 МГц с призмами из оргстекла, разме-
ры которого показаны на рис. 1.55. Пластины
АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
95
имеют прямоугольную форму. Углы призм 4°.
Угол преломления акустических осей для
продольных волн
0' = arcsin(5,92 sin4° 12,72) = 8,7° .
Волновой размер пластин
„ 3 2л 2,5 cos 8,7° пп
а к =------------= 7,99 •
5,92 cos 4°
Расстояние мнимых излучателя и приемни-
ка от границы призма - ОК
20 2,72 cos 8,7°/5,92 cos 4° = 9,1 мм.
Поскольку задача симметрична, формула
(1.36) приобретет вид
Рв ~ ®2(7,99sin9)/r'2 .
На рис. 1.55 построены центры мнимых пье-
зопластин. Углы и расстояния измерены по чер-
тежу. Функцию Ф для прямоугольной пластины
находим по рис. 1.49. Результаты построения
показаны в виде кривой в сопоставлении с экспе-
риментальными точками.
Точку пересечения акустических
осей излучателя и приемника называют
фокусом PC-преобразователя. Из рис. 1.55
видно, что максимум поля расположен
выше фокуса. Это объясняется тем, что
лучи, идущие выше фокуса, проходят бо-
лее короткий путь и меньше ослабляются.
1.3.3. Поле фокусирующего
преобразователя
Фокусирующий преобразователь кон-
центрирует энергию поля в определенной
области - фокальной зоне, которая при
сферической фокусировке имеет вид кру-
га, а при цилиндрической - полосы. Здесь
рассмотрена сферическая фокусировка,
однако полученные закономерности спра-
ведливы также для цилиндрической.
Наибольшее применение получили
способы фокусировки криволинейной пье-
зопластиной (активным концентрато-
ром) и линзой (рис. 1.56). Между искрив-
ленной поверхностью пьезопластины и
плоской поверхностью изделия вводят
акустическую задержку, которая также
играет роль линзы. Кроме того, применя-
ют фазовую фокусировку (см. разд. 1.3.1)
и фокусировку с помощью ФР, которая
будет рассмотрена позднее.
Для обеспечения эффективной фоку-
сировки задержка и линза должны иметь
толщины, значительно меньшие длины
ближней зоны, поэтому считают, что в
этой области акустическое поле - пучок
лучей, перпендикулярных к поверхности
излучателя. Деформацию пучка линзой и
задержкой рассчитывают по законам гео-
метрической акустики (аналогичным за-
конам геометрической оптики). Фокаль-
ные расстояния для рис. 1.56, аиб равны
Со
и-Сз/Сл
где /?а и Rn - радиусы кривизны поверхно-
стей активного концентратора и линзы;
сл , сз и с0 - скорости звука в материалах
линзы, задержки и ОК соответственно.
В результате фокусирующей систе-
мой формируется сходящийся волновой
фронт с радиусом кривизны, равным фо-
кусному расстоянию. Все дальнейшее от-
носится к активному концентратору, ра-
диус кривизны которого равен фокусному
расстоянию: R = F (см. рис. 1.56, в). Будем
считать, что апертурный угол (угловая
апертура), равный 0m = arcsin(«/F), не пре-
восходит 30°.
Приближенное выражение для поля
излучения вдоль оси х [132]
При х = F , т.е. в точке геометриче-
ского фокуса, раскрытие неопределенно-
сти дает
|7O| = A7/F, N = S/n%, (1.38)
где S - площадь пластины преобразовате-
ля.
Поле излучения-приема, как и ранее,
приближенно равно квадрату поля излу-
чения.
96
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Отличие акустических фокусирую-
щих систем от оптических состоит в за-
метном смещении максимума максимору-
ма |/ф| (акустического фокуса F') от гео-
метрического фокуса в сторону преобра-
зователя. Это объясняется тем, что поле,
создаваемое фокусировкой, налагается на
сложное акустическое поле ближней зоны
преобразователя, а в оптических системах
несфокусированное поле очень хорошо
представляется как поле плоской волны.
Поле в плоскости геометрического
фокуса
|7 . S 2/(ftp sin 9т)
Ф FF £psin0m
Фокусировка никогда не бывает то-
чечной. Вокруг точки фокуса образуется
фокальное пятно. Радиус его ро из условия
Ji = 0 равен
р0 = 0,617*7./а. (1.39)
При Qm = 30° минимальный радиус
фокального пятна
pOmin=l,22X. (1.40)
Максимальное значение |/ф| назы-
вают коэффициентом усиления Ку Протя-
женность фокальной области f определя-
ют как расстояние вдоль оси х, где
|/ф| > 0,7 максимального значения. Про-
тяженность части фокальной области от
максимума в сторону увеличения х обо-
значим/. Графики на рис. 1.57 позволяют
рассчитать основные параметры фокуси-
рующей системы.
Пример 1.14. Рассчитать поле вдоль оси
фокусирующего преобразователя для отноше-
ния F/N= 0,5. Определить параметры поля и со-
поставить с найденными по рис. 1.57.
Формула (1.37) при условиях задачи приоб-
ретает вид
Результат расчета по ней показан на рис. 1.58. По
рисунку находим: максимальное значение
11ф | = Kf = 7,2 ; смещение акустического фокуса
Г'//7 = 0,8; протяженность фокальной области
/ = 0,59F, а протяженность ее части от макси-
мума в сторону увеличения х /’= 0AF. На
рис. 1.57 проводим вертикальную линию через
точку F/N = 0,5 и находим те же значения пара-
метров.
Оценка влияния импульсного режима
на работу фокусирующего преобразовате-
ля [23] показала, что фокусировка увели-
АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
97
Рис. 1.57. Графики для расчета параметров фокального поля: коэффициента
усиления К, смещения акустического фокуса Г' , радиуса фокального пятиа р0,
протяженности фокальной области/и ее части/ в направлении х > F'
чивает длительность переходных процес-
сов, т.е. длительность импульсов. Макси-
мумы и минимумы импульсов сглажива-
ются, как это отмечалось для поля прямо-
го преобразователя, расстояние до акусти-
ческого фокуса увеличивается, диаметр
фокального пятна также возрастает.
При проектировании фокусирующих
преобразователей часто ставится задача
увеличения фокальной области, т.е. созда-
ния акустического поля, в котором кон-
центрация энергии вблизи оси происходит
в возможно более широком диапазоне
расстояний. Лучших результатов в дости-
жении этой цели удается добиться с по-
мощью аксиконового РС-преобразова-
теля. В нем два пьезоэлемена: в центре -
круглая плоская пластина, а вокруг нее -
фокусирующее кольцо (активный концен-
тратор). Один из элементов служит излу-
чателем, а другой - приемником УЗ. Поле
излучения-приема такого преобразователя
приближенно равно произведению полей
активного концентратора и центрального
плоского элемента.
На рис. 1.59, а показан аксиконовый
преобразователь с центральной пластиной
диаметром 8 мм, кольцеобразной пласти-
ной - диаметром 20 мм и радиусом кри-
визны R = 86 мм на частоту 2,5 МГц. Со-
гласование с плоской поверхностью ОК дос-
тигается заливкой эпоксидной смолой.
Изменение амплитуды эхосигнала от не-
большого плоскодонного отверстия на оси
такого преобразователя (см. рис. 1.59, б,
сплошная линия) свидетельствует о наличии
акустического фокуса на глубине 20 мм. Это
соответствует расчету по формуле (1.37). На
рис. 1.59, в показана линия равного ослаб-
ления на 6 дБ. До глубины 50 мм поле из-
98
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
лучения-приема значительно уже, чем
поле прямого преобразователя такого же
диаметра (штриховая линия).
При контакте наклонных преобразо-
вателей с искривленной поверхностью ОК
(цилиндрической или сферической) приз-
му обычно притирают к поверхности.
Акустическое поле такого преобразовате-
ля формируется в результате преломления
волн, сходного с преломлением в линзе
[325]. В связи с этим были предприняты
исследования по подбору материала приз-
мы со скоростью продольных волн, рав-
ной или близкой к скорости поперечных
волн в ОК [275]. В качестве подобного
материала было выбрано германатное стекло.
Рис. 1.59. Аксиконовый преобразователь и его поле
АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
99
б) в)
Рис. 1.60. Управление акустическим полем с помощью ФР:
линейное перемещение поля с одновременной фокусировкой (а), вариация угла ввода (б),
переменная фокусировка (в); 1 - возбуждение; 2 - задержка времени; 3 - номер пьезоэлемента;
4 - фокус
Эксперименты подтвердили, что ре-
зультаты фокусировки таким наклонным
преобразователем не хуже, чем фокуси-
ровки прямым преобразователем.
Корректировка акустического поля
преобразователя возможна путем пере-
менного демпфирования пьезопластины
[324]. Последнее вызывает соответствую-
щее изменение давления пьезопластины
на призму наклонного преобразователя и
формирование акустического поля преоб-
разователя. Наибольший эффект наблю-
дался для параболического закона демп-
фирования: он вызывал сужение диаграм-
мы направленности и устранение поверх-
ностных волн при больших углах наклона
призмы.
1.3.4. Поле фазированной решетки
Фазированной решеткой (ФР) назы-
вают преобразователь в виде излучающих
и принимающих УЗ элементов, располо-
женных на определенном расстоянии друг
от друга. Возбуждающие электрические
импульсы на элементы подают со сдвигом
фазы (времени). Аналогичные электриче-
ские временные задержки для каждого
принимающего элемента вводят в прием-
ный тракт. Изменяя сдвиг фазы, управля-
ют акустическим полем преобразователя.
Иногда также изменяют амплитуды сиг-
налов, подаваемых на различные элемен-
ты и снимаемых с них. В настоящее время
подачей и съемом сигналов с элементов
ФР обычно управляют по команде от ком-
пьютера.
ФР бывают: линейные (одномерные),
двухмерные и кольцеобразные. Чаще всего
применяют линейные решетки из иден-
тичных элементов. ФР используют, когда
необходимо управлять полем преобразова-
теля [425, с. 509/009 и 505/193] (рис. 1.60):
для изменения угла ввода (см. рис. 1.60,
б), а также угла разворота (угла относи-
тельно дополнительной плоскости), регу-
лировки ширины диаграммы направлен-
ности, подавления боковых лепестков, для
переменной фокусировки (см. рис. 1.60, в),
перемещения поля с помощью электрон-
ных устройств без механических переме-
щений (см. рис. 1.60, а). Это позволяет
увеличить скорость контроля и проверять
сложные детали.
В [425, с. 503/151] показано, как
можно фокусировать акустическое поле на
различных расстояниях от преобразовате-
ля и как изменять угол ввода. Отличие
фокусировки с помощью ФР от фазовой
фокусировки, принцип которой изложен в
разд. 1.3.1, состоит в том, что в последнем
случае фазы соседних элементов (зон)
изменяются только на л/2.
Иногда считают, что каждый элемент
ФР излучает сферическую волну. В дейст-
100
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.61. Фазированная решетка:
1-5 - элементы решетки; Г-5' - задержки
между элементами решетки и входом-выходом
дефектоскопа
вительности каждый элемент излучает
поле с определенной диаграммой направ-
ленности. При отклонении поля ФР на
некоторый угол от нормали будут сумми-
роваться ослабленные боковые лучи диа-
грамм направленности элементов. Чем
меньше размеры элементов, тем шире их
диаграммы направленности, но все же
ограниченная ширина диаграммы направ-
ленности сохраняется. Считают, что до-
пустимо использовать боковые лучи диа-
грамм направленности, ослабленные не
более чем в 2 раза по отношению к мак-
симуму излучения. С учетом этого для
создания наклонного преобразователя с
ФР на угол ввода > 30° и используют пре-
ломляющую призму.
На рис. 1.61 показана линейная (од-
номерная) ФР, предназначенная для регу-
лирования поля в плоскости ху. Все ее
элементы сделаны одинаковыми. Шаг ре-
шетки т делают не больше длины волны в
ОК. Обычно принимают ш = Х/2, тогда
взаимное влияние элементов решетки ми-
нимально.
Поле ФР приближенно рассчитывают
[327] как произведения поля отдельного
элемента на множитель, учитывающий
совместное действие всех элементов. Поле
прямоугольного элемента в плоскости ху,
согласно табл. 1.9, описывается формулой
sinA7X а общее выражение для поля излу-
чения в дальней зоне - формулой
(1.4!)
Ar X sin У
Здесь Ро - постоянное акустическое дав-
ление у поверхности элемента решетки;
S - суммарная площадь элементов; г -
расстояние от центра решетки до точки
наблюдения В; у, _ диаграмма направлен-
ности точечного источника; 0 - угол меж-
ду нормалью к поверхности и направлени-
ем на точку наблюдения В; X = ак sin 0;
а - полуширина элемента; А, - число эле-
ментов решетки; Y = 0,5Am(sin 0 - lap/tn),
где <р = tjT (в долях 2л) - сдвиг фазы ме-
жду соседними элементами; t - соответст-
вующая временная задержка; Т - период
колебаний.
Ширину элемента 2а обычно выби-
рают не более /и/2, т.е. а < а/8. Благода-
ря этому диаграмма направленности от-
дельного элемента будет широкой. Для
формирования поля продольных волн ис-
пользуют центральный основной лепесток
этой диаграммы с 0 < 30°, а поперечных
(довольно редко) - боковые лепестки с
0 = +(35...8О°). При переходе от продоль-
ных волн к поперечным учитывают изме-
нение длины волны в формуле (1.41).
Чтобы обеспечить угол ввода а,
сдвиг фазы должен быть равен
Ф = tf = wsina/A.. Тогда
,, S sin[о,5ЪнА’| |sin 0 - sin a|]
P = f ; •
Ar sin[0,5£w7|sin 0 - sin a|J
Диаграмма направленности такой
функции приведена на рис. 1.49, кривая
smX/X. Основной максимум соответст-
вует условию 0 = a, а первые миниму-
мы - условию
sin 0 = sin a + т\.{11,5ктХ}) ' = sin a ± 2/Nx,
если положить т = к/2. На уровне 0,1,
согласно табл. 1.10,
АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
101
sinO = sina±l,6/Ar1.
Использование ФР требует примене-
ния импульсов повышенной длительности
т, чтобы обеспечить интерференцию сиг-
налов, приходящих от разных элементов.
Это особенно существенно при больших
углах ввода. Например, если a —> 90°, то
нужно выполнить условие тс > N}m.
При применении ФР с целью умень-
шения боковых лепестков диаграммы на-
правленности амплитуды возбуждаемых и
принимаемых сигналов уменьшают от
центрального элемента к периферийным.
ФР для излучения и приема наклонных к
поверхности волн, как правило, распола-
гают на призме, как для наклонного пре-
образователя. Призма обеспечивает ос-
новное значение угла ввода, а с помощью
ФР варьируют этот угол в узких пределах.
Рекомендации по проектированию
ФР содержатся в [327]. Предложена более
общая формула для поля излучения в
дальней зоне. Без учета затухания она
имеет вид
= /(0^-^- exp[/(W sin 0 - )]
r0 л=0* 1 о
Здесь Д0) - диаграмма направленности
отдельного элемента; 1„м 1$ - амплитуды
возбуждающих токов в и-м и нулевом
элементах; a - угол ввода (основной); -
фаза в и-м элементе. Рассмотрено влияние
ошибок фазового распределения. Эта
формула позволяет учесть эффект нерав-
номерного возбуждения элементов ФР.
В [425, с. 505/193] отмечается, что
для расчета ФР и управления ими необхо-
димо пять программ.
1. Программа для расчета углов па-
дения и разворота (для наклонных преоб-
разователей), фокусирования с учетом
расстояния между преобразователем и
контролируемой зоной.
2. Программа для выбора распреде-
ления задержек и амплитуд сигналов, по-
даваемых на элементы ФР. Она определя-
дБ дБ
36
34
32
30
28
Рис. 1.62. Влияние способа расчленения
пьезоэлементов на чувствительность 0
(на оси ординат слева, дБ) и отношение
сигнал/помеха (на оси ординат справа,
дБ). На оси абсцисс:
1 - разрезка электрода и пьезоэлемента;
2 - разрезка электрода и частичная разрезка
пьезоэлемента; 3 - разрезка только электрода
ет акустическое поле ФР. Ее рассчитыва-
ют на основе знания предполагаемых по-
лей различных элементов либо, наоборот,
исходя из требуемых параметров поля
получают нужное распределение задержек
и амплитуд сигналов.
3. Программа для управления полем
во время контроля.
4. Программа контроля работы аппа-
ратуры, управления задержками и ампли-
тудами сигналов во время перемещения
преобразователя.
5. Программа представления и оцен-
ки результатов контроля. Имеются в виду
выбор типа развертки, использование ме-
тода синтезированной апертуры и т.п.
В [425, с. 481/038] для образования
решетки пьезоэлемент из PbTiOj разре-
зался на разную глубину: разрезались
только электрод; электрод и пьезоэлемент
на небольшую глубину; электрод и пьезо-
элемент полностью. Сравнительные испы-
тания (рис. 1.62) показали, что в первом
варианте амплитуда эхосигнала от опор-
ного отражателя была на 3,5 дБ выше, а
соотношение полезный сигнал/помеха на
4 дБ выше, чем в других вариантах. Форма
огибающей от отражателя практически
идентична.
102
Глава I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.63. Принцип самофокусировки ФР:
а - излучение импульса центральным элементом; б - прием эхосигнала всеми элементами;
в - определение разности времен задержек; г - сфокусированное излучение;
д - сфокусированный прием; е - суперпозиция дает сфокусированный сигнал
В [425, с. 507/637] сообщалось о раз-
работке гибких ФР для контроля изделий
со сложной поверхностью. Неровности
поверхности были скорректированы за-
держками времени для различных элемен-
тов. В результате поле оказалось подоб-
ным полю для плоской поверхности.
В [422, с. 2171] разработана самофо-
кусирующаяся ФР для контроля листов
волнами Рэлея и Лэмба. Центральный
Рис. 1.64. Контроль трубы с помощью ФР.
Используются линейное перемещение
вокруг трубы и фокусировка
элемент решетки (рис. 1.63) излучает им-
пульс. Эхосигнал от отражателя, располо-
женного в точке, где желательно получить
фокусировку, принимает все элементы
решетки. С учетом времени пробега этого
импульса, формы и размеров решетки ав-
томатически рассчитываются и вводятся
времена задержек для всех других элемен-
тов. В экспериментальной установке ФР
располагалась на призме из акрила, обес-
печивающей требуемый угол падения для
возбуждения и приема волн Рэлея или
Лэмба. Решетка имела восемь элементов
на частоту 5 МГц размером 3,5 х 8,3 мм.
Далее приводятся примеры практиче-
ского применения ФР. В [425, с. 509/009]
рассмотрено применение ФР для контроля
труб иммерсионным способом. ФР из
очень большого числа элементов (напри-
мер, 128) располагают концентрично тру-
бе так, чтобы она охватывала трубу на
угол > 90° (рис. 1.64). В процесс контроля
включают группы элементов (например,
из 16 штук), чтобы поле фокусировалось
на поверхности трубы, имело оптималь-
ный угол падения, а затем осуществлялось
линейное перемещение поля. Подключая
ПРОСТЕЙШИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
103
Рис. 1.65. Контроль ротора паровой турбины
при эксплуатации с помощью ФР:
1 - преобразователь с ФР; 2 - конический пучок
лучей, сканирующий поверхность
различные группы элементов, можно бы-
стро проверить четвертую часть окружно-
сти трубы.
В [425, с. 505/193] показан пример
эксплуатационного контроля ротора с
кольцевыми пазами (рис. 1.65). Здесь
нужно обеспечить контроль всего металла
и ФР изменяет угол ввода для достижения
этой цели.
1.4. ПРОСТЕЙШИЕ
КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
1.4.1. Основные понятия
Детали, узлы и готовые изделия мо-
гут совершать механические колебания,
т.е. представляют собой колебательные
системы. Измерение параметров этих ко-
лебаний позволяет оценивать качество
колеблющихся объектов, в частности су-
дить о наличии тех или иных отклонений
от заданных свойств. Это дает возмож-
ность использовать анализ колебательных
характеристик для неразрушающего кон-
троля.
Различают колебательные системы с
сосредоточенными и с распределенными
постоянными.
Элементы системы с сосредоточен-
ными постоянными - масса, упругость и
активное сопротивление. Предполагается,
что каждый из этих элементов обладает
только каким-либо одним из упомянутых
свойств. Это является идеализацией, так
как в общем случае реальные элементы
этому условию не удовлетворяют. Напри-
мер, элемент упругости - пружина - все-
гда имеет определенную массу, а элемент
массы, например гиря, обладает некото-
рой упругостью. Тем не менее, в опреде-
ленных условиях такая идеализация до-
пустима и полезна. Простейший пример -
подвешенный на пружине груз, погружен-
ный в вязкую среду. Здесь пружина пред-
ставляет собой упругость, груз - массу, а
сопротивление движению груза в вязкой
среде - элемент трения. В системах с со-
средоточенными постоянными колебания
элементов массы и упругости происходят
относительно положений их равновесия и
не распространяются в окружающую сре-
ду. Если такая передача и наблюдается, то
она учитывается лишь как вносимые в
систему потери на излучение.
104
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
В действительности элемент массы
не является материальной точкой, а пред-
ставляет собой тело конечных размеров,
которое обладает не только массой, но и
определенной упругостью. Деформация
такого тела сопровождается потерями на
внутреннее трение. Следовательно, в об-
щем случае одно и то же тело имеет массу,
упругость и активное сопротивление, ко-
торые неразрывно связаны между собой и
не могут быть разделены. Системы, где
каждый элемент рассматривается как об-
ладающий всеми тремя из названных ха-
рактеристик, разделить которые невоз-
можно, называются системами с распре-
деленными постоянными.
В отличие от описанных ранее коле-
баний упругой среды далее рассматрива-
ются колебания систем, хотя здесь неиз-
бежны некоторые повторения.
Если в какой-либо точке упругой
среды действуют переменные силы, то в
этой среде возникают переменные дефор-
мации, смещения и напряжения, которые
распространяются от точки возмущения в
виде упругой волны, движущейся с опре-
деленной скоростью в пространстве. Та-
ким образом, колебания происходят не
только во времени, но и в пространстве.
При этом частицы среды колеблются от-
носительно положения равновесия. Про-
стейший пример колебательной системы с
распределенными постоянными - тонкий
длинный продольно колеблющийся стер-
жень.
Во всех колебательных системах мо-
гут наблюдаться вынужденные и свобод-
ные колебания.
Вынужденными называют колебания,
обусловленные действием внешней при-
ложенной силы. Вынужденные колебания
могут быть гармоническими (синусои-
дальными), негармоническими (например,
вибрация) или импульсными. После при-
ложения возмущающей силы амплитуда
колебаний устанавливается постепенно
(переходный процесс). Время переходного
процесса зависит от параметров колеба-
тельной системы. С окончанием действия
внешней возмущающей силы режим вы-
нужденных колебаний прекращается и
начинается режим свободных колебаний.
Свободными называют колебания,
совершаемые системой после окончания
действия возмущающей силы или систе-
мой, выведенной из состояния равновесия
и предоставленной самой себе.
Свободные колебания происходят на
собственных частотах, значения которых
определяются параметрами колебательной
системы. Системы с сосредоточенными
постоянными с одной степенью свободы
(груз на пружине, маятник) имеют одну
собственную частоту, более сложные сис-
темы - несколько таких частот, а системы
с распределенными постоянными - мно-
жество (теоретически бесконечное коли-
чество) собственных частот. В режиме
вынужденных колебаний при совпадении
частоты возмущающей силы с собствен-
ной частотой системы амплитуда колеба-
ний резко возрастает. Это явление называ-
ется резонансом.
Учет потерь. Характер вынужден-
ных и свободных колебаний зависит от
потерь в системе. Эти потери определяют-
ся поглощением энергии в материале сис-
темы, ее нагрузке, элементах крепления,
излучением упругих волн в окружающую
среду. Количественными характеристика-
ми потерь служат коэффициент затухания,
логарифмический декремент затухания и
добротность [27, 123, 224, 300, 305, 312].
Коэффициент затухания колебаний
а определяет закон убывания амплитуды
А свободных колебаний во времени:
А = Ао e<acos(a>0^ - ф),
где Ао - начальная амплитуда при t = 0;
®о - собственная круговая частота; <р -
начальная фаза.
Промежуток времени т = 1/а, в тече-
ние которого амплитуда уменьшается в
е = 2,718 раза, называется временем релак-
сации.
ПРОСТЕЙШИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
105
Логарифмическим декрементом за-
тухания Q именуют натуральный лога-
рифм отношения соседних (отличающихся
на период То) амплитуд колебаний в мо-
менты времени t и t + Т (рис. 1.66):
0 = ln-AW_
A(t + Ta)
Величина 0 обратна числу периодов
N, по истечении которых амплитуда
колебаний уменьшается в е = 2,718 раза:
0 = MN. Очевидно, что время релаксации
x = NT0
Добротностью называют величину
Q = 2пЕ0 /Е„,
где Ео - энергия, накопленная в системе;
Еп - энергия, теряемая за один период.
Приведенное определение справед-
ливо для любых значений Q. Добротность
показывает, во сколько раз амплитуда вы-
нужденных гармонических колебаний при
резонансе превышает амплитуду при час-
тоте, много меньшей резонансной, при
одинаковой амплитуде возмущающей си-
лы.
На практике добротность определяют
как отношение собственной частоты fa
системы к ширине полосы Д/ частот, при
которых энергия колебаний составляет не
менее половины энергии при резонансе, а
амплитуда >^= = 0,707 от амплитуды
V2
колебаний при резонансе (рис. 1.67):
Q = ~
Эта формула справедлива при значе-
ниях Q > (5 ... 10). При более низких зна-
чениях добротности она дает несколько
завышенные результаты.
Размерность коэффициента затуха-
ния- с'1. Добротность Q и логарифмиче-
ский декремент затухания 0 - безразмер-
ные величины.
Рис. 1.66. Свободно затухающие колебания
Параметры, характеризующие потери
в колебательной системе, связаны соот-
ношениями
а = соо/2(2 = 0/То =—; (1.42)
т
0 = ^ = аГ()=^ = л/2;
(1.43)
Q = л /0 = л/аТ0 = Юо /2а = nN. (1.44)
В режиме вынужденных колебаний
потери в системе находят путем измере-
ния добротности по ширине полосы про-
пускания. В режиме свободных колебаний
потери определяют измерением логариф-
мического декремента затухания. Послед-
Рис. 1.67. Частотная характеристика
колебательной системы с затуханием
106
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
ний удобнее вычислять по изменению ам-
плитуды за п периодов колебания по фор-
муле
0 = 11пА.
и А„
В отличие от пространственного ко-
эффициента затухания 8, характеризую-
щего потери при прохождении волной
расстояния г (см. разд. 1.1.1), параметры
а, 0, Q, т определяют процесс убывания
амплитуды колебаний во времени.
Понятие добротности применимо не
только к механическим или электриче-
ским колебательным системам, но и к ма-
териалам [242]. Добротность материала
определяется через волновое число и ко-
эффициент затухания: Qu = к/28 (здесь
8 - пространственный коэффициент зату-
хания, рассмотренный в разд. 1.1.1). Зна-
чение Q.j можно определить эксперимен-
тально, например как добротность сво-
бодного стержня из данного материала.
Если 8 прямо пропорционален частоте,
что справедливо для многих металлов на
невысоких частотах, то Qu не зависит от
частоты. Значения добротностей для ряда
Рнс.1.68. Графическое представление
механического импеданса на комплексной
плоскости
материалов даны ниже.
Алюминий .............. 10 000
Плавленый кварц....... 5 000
Молибденовая сталь.... 4 700
Оконное стекло........ 910
Керамика.............. 700... 5 000
Механическим импедансом Z [203,
300, 312, 317] называют комплексное от-
ношение гармонической (синусоидаль-
ной) возмущающей силы F, действующей
на поверхности (или в точке) механиче-
ской системы к средней колебательной
скорости v на этой поверхности (или в
точке) в направлении силы: Z = F/n. Меха-
нический импеданс является комплексной
величиной и имеет активную R и реактив-
ную X составляющие:
Z = R +jX = \z\ е/<₽, (1.45)
где j = V-T ; I z\~\R2 + X2 - модуль
импеданса; <p = arctg— - фазовый угол.
R
Активная (действительная) состав-
ляющая R импеданса характеризует необ-
ратимые потери. Последние обусловлены
поглощением в материале системы, поте-
рями энергии в нагрузке и элементах кре-
пления, а также излучением упругих волн
в окружающую среду.
Реактивная (мнимая) составляющая
X импеданса характеризует кинетическую
и потенциальную энергию, запасаемую и
отдаваемую реактивными элементами
системы. Реактивными элементами сис-
темы являются инерционность и упру-
гость. Инерционность связана с накопле-
нием кинетической энергии движущейся
массой, упругость - с потенциальной
энергией упругого элемента (например,
пружины). Активная составляющая им-
педанса всегда положительна (R > 0),
инерционная положительна (+Х), упругая
отрицательна (-Х) . Размерность механи-
ческого импеданса - Н с/м.
В некоторых источниках инерционную состав-
ляющую считают отрицательной, упругую - положи-
тельной.
ПРОСТЕЙШИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
107
Механический импеданс представ-
ляют в виде вектора на комплексной плос-
кости (рис. 1.68). По горизонтальной (дей-
ствительной) оси отложена активная со-
ставляющая, по вертикальной (мнимой) —
реактивная. Символ j на мнимой оси опу-
щен. Так, импеданс Z| имеет инерционно-
активный характер, импеданс — упруго-
активный.
Во всех реальных системах сущест-
вуют потери, поэтому всегда R Ф 0. Ино-
гда, если R « \Х I, влиянием R можно пре-
небречь. Этим пользуются, например, при
рассмотрении влияния механического
импеданса нагрузки на собственные час-
тоты системы, когда основное влияние
оказывает именно реактивная составляю-
щая импеданса.
В отличие от волнового сопротивле-
ния z = рс, являющегося параметром сре-
ды, механический импеданс Z - параметр
конструкции и в отличие от рс не является
удельной величиной. Значение Z опреде-
ляется свойствами конструкции, в частно-
сти для многослойной конструкции - все-
ми параметрами ее слоев. При этом значе-
ние механического импеданса конструк-
ции зависит и от удельных волновых со-
противлений материалов составляющих ее
слоев.
Расчет механических импедансов
возможен и целесообразен лишь для про-
стых колебательных систем (стержней,
пластин и т.п.). Некоторые их модели рас-
смотрены ниже. В сложных случаях (на-
пример, применительно к многослойным
конструкциям, состоящим из различных
материалов) более надежные результаты
дает эксперимент.
1.4.2. Продольные колебания стержней
Продольно-колеблющийся стержень
представляет собой простейшую систему с
распределенными постоянными. Предпо-
лагается, что поперечные размеры стерж-
ня много меньше длины волны, поэтому
расхождение отсутствует и волны можно
считать плоскими. В этом случае ослабле-
Рис. 1.69. Распределение смещений,
колебательных скоростей (----)и сил
(------) по длине продольно-
колеблющегося свободного стержня:
а - основная частота; б - вторая гармоника
ние волны с расстоянием определяется
только коэффициентом затухания 8.
Собственные частоты однородного,
свободного на концах стержня длиной I
определяются выражением /п=ис/(2/),
где с - скорость распространения про-
дольной волны в тонком стержне; п - це-
лое число (и = 1, 2, 3,..., и).
Собственные частоты рассматривае-
мого стержня - кратные числа. Низшая
частота /) называется основной, остальные -
гармониками. Собственные частоты сво-
бодного стержня имеют место, если его
длина соответствует целому числу полу-
волн: I = пМ2.
При колебаниях на собственных час-
тотах в системе устанавливается стоячая
волна, обусловленная интерференцией
падающей и отраженной от торца стержня
волн (см. разд. 1.1.1). Фаза стоячей волны
для каждого сечения постоянна, меняется
только ее амплитуда. Сечения стержня,
соответствующие максимумам смещения
и, колебательной скорости v и силы F, на-
зывают пучностями, соответствующие
минимумам - узлами колебаний. Так как
амплитуды смещения U и колебательной
скорости V связаны соотношением
V = (syU, узлы и пучности смещения и ко-
лебательной скорости совпадают.
108
Глава!. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.70. Зависимость реактивной
составляющей входного импеданса
продольно-колеблющегося свободного
на конце стержня от длины волны:
инерционное сопротивление (—•—),
упругое сопротивление ()
Рис. 1.71. Зависимость активной Лвх
(-----) и реактивной Хвх (--)
составляющих входного импеданса
продольно-колеблющегося свободного
на конце стержня с потерями (Q = 15)
от отношения //X
Для основной частоты узлы силы и
пучности смещения находятся на концах
стержня, узел скорости и пучность силы -
на его середине (рис. 1.69, а). Для второй
гармоники характерны три пучности ко-
лебательной скорости и два узла силы
(рис. 1.69, б). Для и-й гармоники рассмат-
риваемого стержня число пучностей сме-
щения п + 1, пучностей силы - п.
Параметрами, необходимыми для
анализа колебаний стержней, служат так-
же волновое сопротивление и постоянная
распространения.
Волновым сопротивлением W стерж-
ня называют отношение силы F к колеба-
тельной скорости v в бегущей волне:
Рис. 1.72. Зависимость активной Явх (-) и
реактивной Хвх (--) составляющих
входного импеданса продольно-
колеблющегося стержня с закрепленным
концом с потерями (g = 15) от отношения //X
Рис. 1.73. Зависимость отношения
скорости с продольной волны в стержне к
скорости с/ в неограниченной среде от
параметра <//2Х:
сплошная кривая - эксперимент;
штриховая - расчет
ПРОСТЕЙШИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
109
1.11. Выражения для входного механического импеданса продольно
колеблющегося стержня с волновым сопротивлением W
W = F/v [300, 312]. Режим бегущей волны
реализуется в отсутствие отраженных
волн, например в бесконечно протяжен-
ном стержне или стержне, нагруженном
на его волновое сопротивление. Волновое
сопротивление однородного стержня с
площадью поперечного сечения S равно
W=Spc,
т.е. представляет собой произведение вол-
нового сопротивления материала на сече-
ние стержня.
Постоянной распространения [300,
312] называют величину у = 8 + jk, где
8 - коэффициент затухания по расстоя-
нию; к - волновое число. Для продольных
и поперечных волн к = со/с.
Величины W и у в общем случае ком-
плексные. Комплексный характер W свя-
зан с тем, что скорость распространения
звука в среде зависит от динамического
модуля Юнга Е, который для материалов с
большими потерями имеет заметную мни-
мую составляющую £". Поэтому Е = Е' -jE",
а значит, и волновое сопротивление среды
ре - также комплексная величина. При-
ближенное ее значение [312]
ре = росо(1 ~J8/k),
где росо - волновое сопротивление среды
без потерь.
Для материалов с относительно не-
большими потерями мнимые составляю-
щие волнового сопротивления пренебре-
жимо малы и параметры ре и И7 допусти-
мо считать действительными величинами.
В табл. 1.11 приведены формулы для
входного механического импеданса ZBX
продольно-колеблющегося стержня с раз-
личными нагрузками на конце.
Для свободного на конце (Z = 0)
стержня без потерь входной импеданс
чисто реактивный: ZBX =jXBK. Зависимость
Хх от отношения Z/А. имеет вид тангенсои-
ды (рис. 1.70). При //А. = н/2 (и = 1,2, 3, ..., п)
Хх = 0. При //А. = (2и - 1 )/4 импеданс Хх
меняет знак, переходя через со. Для стерж-
ня с потерями и свободным концом (Z = 0)
по
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
зависимости Хвх и Лвх от отношения Z/X
показаны на рис. 1.71, для того же стерж-
ня с жестко закрепленным концом
(Z = со) - на рис. 1.72.
Частоты, соответствующие миниму-
мам |ZBX|, называют резонансными, часто-
ты, соответствующие максимумам |ZBX|, -
антирезонансными. При резонансах и ан-
тирезонансах входные импедансы наносят
чисто активный характер (ZBX = Лвх). При
нагрузке на комплексное сопротивление
резонансные и антирезонансные частоты
смещаются.
Собственные частоты однородного
стержня без потерь, один конец которого
свободен, другой нагружен механическим
импедансом Z = R + jX, при общей доб-
ротности системы Q > (5 ... 10) определя-
ются выражением
./' = “arctg(-~l (1-46)
2л7 W )
где I - длина стержня; W = pcgS - его вол-
новое сопротивление, с0 = Е/р - ско-
рость звука для тонкого стержня.
Формула (1.46) определяет резонанс-
ные частоты системы, на которых вход-
ной импеданс стержня чисто активный, а
его значение минимально. Влияние на-
грузки определяется параметром (-X/W).
Инерционная нагрузка снижает собствен-
ные частоты, упругая увеличивает. При
реактивной нагрузке собственные частоты
перестают быть кратными основной час-
тоте и называются уже не гармониками, а
обертонами.
Скорость распространения про-
дольных волн в стержне зависит от от-
ношения его поперечного размера d к
длине волны X. Для стержней с с//Х « 1
с0 = у/Е/р , как в табл. 1.2. Для неограничен-
ной среды (J/X » 1) скорость с/ =
I £(i-V) ГТ
= \—0—)(1 2 ) ' пР0МежУТ0ЧНЬ1Х
значениях отношения d/E зависимость
скорости с от этого параметра имеет
сложный характер. Это явление называет-
ся геометрической дисперсией скорости.
На рис. 1.73 показана зависимость
отношения с/с/ от параметра J/2X для
круглого стержня из материала с v = 0,33.
Эти данные можно использовать и при
v = (0,25 ... 0,35) [312]. В области
0,8 < <7/2Х <1,1 распространения упругих
волн практически не наблюдается, так как
энергия не может переноситься волнами
этого типа при такой скорости. Из графика
следует, что при условии d/2E > (2,5 ... 2,8)
стержень уже можно рассматривать как
неограниченную среду.
Скорость продольной волны в ци-
линдрическом стержне диаметром d мож-
но вычислить по приближенной формуле
Похгаммера [312]
При <7/2 X <0,15 формула (1.47) дает
результаты, мало отличающиеся от полу-
ченных по значительно более сложной
точной формуле: при 0,15 < J/2X < 0,2 и
0,5 < Д/2Х < 0,7 ошибка не превышает
3 ... 4 %. В области 0,2 < J/2X < 0,5 фор-
мула дает завышенные результаты, пог-
решность не превосходит 15 %. При
d/27. > 0,7 формулой пользоваться нельзя.
Для стержня квадратного сечения со
стороной h можно использовать выраже-
ния для круглого стержня, приняв
d/h = 1,28.
1.4.3. Поперечные колебания стержней
Для поперечных (изгибных) свобод-
ных колебаний тонких стержней также
характерны узлы и пучности смещений и
сил. Три первые формы изгибных колеба-
ний тонкого, свободного на концах стерж-
ня показаны на рис. 1.74.
ПРОСТЕЙШИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
111
Для низшей собственной частоты ха-
рактерны два узла смещений, для каждой
следующей собственной частоты число
узлов увеличивается на единицу. Для
и-го обертона число узлов смещения
и + 1. В отличие от продольных колебаний
стержня со свободными концами собст-
венные частоты рассматриваемого стерж-
ня не находятся в простых кратных соот-
ношениях, т.е. не являются гармониками.
Распределение смещений по длине
свободноколеблющегося тонкого (d « /.)
однородного стержня произвольного се-
чения [18]
Рис. 1.74. Формы поперечных
колебаний свободного стержня:
а - основная собственная частота;
б - вторая собственная частота; в - третья
собственная частота
ип = А chknx + cosknx-
chknl -cosknl
shk„l -sinknl
(shknx + sin/cnx)
(1-48)
где kn = yjpSa^ I El - волновое число;
5 - площадь сечения стержня; 1 - момент
инерции его сечения.
Значения кп определяют как корни
трансцендентного уравнения
ch кп I cos k„l= 1.
Основной частоте стержня соответ-
ствует наименьший отличный от нуля ко-
рень к,1 = ai= 4,730. Остальные корни
достаточно точно выражаются формулой
кп = (2и + 1)л/2. Их значения: а2 = 7,853;
а3= 10,996; а4= 14,137.
Собственные частоты изгибных ко-
лебаний стержня
Д=&2£аг >(149)
2л/ V о 2л/
/7 л
где г = J— -радиус инерции сечения.
При п > 1 формула принимает вид
(2„-1);те<
Значения моментов инерции и собст-
венных частот для стержней различных
форм приведены в табл. 1.12. Формулы
для определения частот справедливы при
г/'к < 0,05 илиf < QfiVcdr.
При изгибных колебаниях свободно-
го на концах стержня крайние узловые
плоскости находятся на расстояниях от
его концов, равных для первой и после-
дующих мод соответственно 0,22/, 0,13/,
0,096/, 0,07/. Эти точки обычно использу-
ют для крепления (опор) образца при ис-
пытаниях методом собственных частот в
режиме изгибных колебаний. Ввиду
меньшей упругости стержней по отноше-
нию к изгибу, чем к растяжению-сжатию,
низшие собственные частоты изгибных
колебаний много ниже соответствующих
частот продольных колебаний.
Применение собственных частот про-
дольно- и изгибно-колеблющихся стерж-
ней для неразрушающего контроля будет
рассмотрено в гл. 4.
1.4.4. Поперечные колебания пластин
Пластины, как и стержни, являются
системами с распределенными постоян-
ными и имеют множество собственных
частот. Простейшая модель - круглая пла-
стина, определенным образом закреплен-
ная по периметру и возбуждаемая в центре
112 Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.75. Расчетные зависимости
отношения IC/Kr, от раскрытия
присоединенного воздушного зазора для
пластин из алюминиевого сплава толщиной
h = 0,3; 0,5 и 1,0 мм (соответственно а, б, в).
Диаметры пластин D = 10 ... 50 мм
сосредоточенной гармонической силой.
Пластина совершает поперечные (изгиб-
ные) колебания.
Существуют решения для жесткоза-
щемленной по периметру, опертой по пе-
риметру и свободной на краях пластины
[305]. Жесткое защемление исключает
возможность смещения и изгиба на краях
пластины. Для этого случая входной ме-
ханический импеданс пластины в пренеб-
режении потерями чисто реактивный. Для
частот ниже основной собственной часто-
ты он представляется в виде [203, 305,
312]
Z=jX=j(am}-\/aIQ, (1.51)
где тэ - эквивалентная масса', К3 - эквива-
лентная гибкость пластины.
Для круглой, жесткозащемленной по
контуру пластины
(1-V2 Ь2
т, = 0,15т; К= 0,0597,
Eh3
где т - физическая масса пластины; D - ее
диаметр; h — толщина пластины; Е - мо-
дуль Юнга; v - коэффициент Пуассона.
Основная собственная частота за-
щемленной пластины [305]
h I Е
f'=1’887^J~r^r- (k52)
D Vp(1-v2)
На частотах f <f\ пластина имеет уп-
ругое сопротивление. Кроме основной
имеются более высокие собственные час-
тоты, не кратные основной частоте (обер-
тоны). При переходе через собственные
частоты пластины характер реактивной
составляющей ее импеданса меняется
(с упругого на инерционный и обратно).
При представлении зоны дефекта ти-
па расслоения моделью в виде защемлен-
ной пластины между отделенным дефек-
том слоем и внутренней частью конструк-
ции обычно имеется заполненный газом
зазор. Его толщина намного меньше дли-
ны волны, поэтому он представляет собой
сосредоточенную гибкость[203]
КТ = 16К/рг с2 52,
где К - объем зазора; рг - плотность газа;
сг - скорость звука в нем; 5 - площадь за-
зора.
При средней толщине зазора hY = VIS
круглой пластины диаметром D
Кт = 64/гг/ рг cvr.D2.
Результирующая гибкость, образо-
ванная соединенными узлом элементами
К3 и Кг, равна
К'Э = К3КГ/(КЭ+КТ).
На рис. 1.75 представлены расчетные
зависимости отношения KJ К'э от раскры-
тия hY газового (воздушного) зазора для
защемленных круглых пластин различно-
го диаметра и трех значений h толщины
пластины.
1.12. Формулы для расчета моментов инерции сечений и собственных частот
изгибных колебаний свободных стержней [18]
Сечение Момент инерции Собственные частоты f„
п = 1 (низшая) n>\
Круг диаметром d ттс/4/64 О,89Осо dll2 0,0982(2«-l)2 c0 dll2
Кольцо с внешним диамет- ром D и внутренним d лО4( 1 - Q,W)c0D 1, d2 —11 + — I2 N D O,O982(2n-l)2coJ 1 d2 I2 \ D2
Тонкое кольцо толщиной 8 со средним диаметром Jcp n8d3/S ср ],26c()dcp/l2 ОДфя-!)2 CqD! I2
Тонкое кольцо эллиптиче- ского профиля с внешними диаметрами >£)2 л8Г>]Г>22/8 l,26c0 Z>2//2 O,14(2«-1)2co/j//2
Прямоугольник толщиной h и шириной b (колебания по- перек толщины) bh3 /12 l,O28co/r//2 0,1134(2«-l)2 c0hll2
То же (колебания поперек ширины) hb3/12 l,O28cob//2 O,1134(2«-l)2cofe//2
ПРОСТЕЙШИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 113
114
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
1.13. Значения коэффициентов 7Гв(О,2) и 7Гв(1,0) для расчета собственных частот
изгибных колебаний круглых пластин [18]
Ка h/D Коэффициент Пуассона, v
0,10 0,20 0,30 0,40
£,(0,2) 0,05 0,0539 0,0523 0,0508 0,0495
0,1 0,1049 0,1015 0,0986 0,0960
0,15 0,1509 0,1460 0,1416 0,1377
0,2 0,2260 0,2184 0,2116 0,2054
0,3 0,2557 0,2470 0,2391 0,2321
£,(1,0) 0,05 0,0776 0,0811 0,0854 0,0909
0,1 0,1497 0,1561 0,1640 0,1740
0,15 0,2127 0,2214 0,2319 0,2451
0,20 0,2659 0,2762 0,2885 0,3037
0,25 0,3101 0,3215 0,3351 0,3514
0,3 0,3468 0,3590 0,3733 0,3903
1.14. Значения коэффициентов Ks для планарных колебаний
круглых пластин и поправки на толщину А [18]
V К,(0,0) £(0,1) £(0,2) £(0,3) A/(W
0,10 0,6128 0,5521 0,5022 0,7660 1,5
0,20 0,6447 0,5463 0,4815 0,7371 5,0
0,30 0,6837 0,5391 0,4630 0,7109 15
0,40 0,7325 0,5326 0,4465 0,6870 38
Таким образом, воздушный зазор
уменьшает эквивалентную гибкость пла-
стины и, следовательно, увеличивает мо-
дуль упругой составляющей ее импеданса.
Это неблагоприятно сказывается на обна-
ружении дефектов низкочастотными аку-
стическими методами, в частности импе-
дансным (см. разд. 2.5).
Собственные колебания свободных
пластин (т.е. не закрепленных по пери-
метру) можно разделить на [18]:
• колебания, формы которых анти-
симметричны относительно средней плос-
кости пластины (изгибные колебания);
• колебания, формы которых симмет-
ричны относительно указанной плоскости -
планарные или радиальные колебания.
ПРОСТЕЙШИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
115
4(0,2) 4(0,3)
Рис. 1.76. Характер деформаций
круглых пластин на низших собственных
частотах [18]
4(0,2) 4(0,3)
Для круглых пластин (дисков) низ-
шие формы колебаний характеризуются
деформациями, показанными на рис. 1.76.
Изгибные колебания обозначены fa (т, и),
планарные -fs (т, и), где т - число узло-
вых окружностей', п - число узловых диа-
метров.
Собственные частоты изгибных коле-
баний представляются в виде [18]
<l53)
D \ р
где D - диаметр пластины; Ка (т, п) - без-
размерный коэффициент, представленный
в табл. 1.13 для различных значений ко-
эффициента Пуассона v и отношения h/D
(h - толщина пластины).
Собственные частоты различных мод
планарных колебаний рассчитывают по
формуле
<L54>
где Ks(m, п)- безразмерный коэффициент.
В отличие от Ка(т, п), при малых
значениях h/D коэффициент Ks(m, и) зави-
сит только от одного параметра - V. Одна-
ко влиянием толщины можно пренебре-
гать лишь при h/D < (0,25 ... 0,3). Для мо-
ды 5(0,0) следует вводить поправки, начи-
ная с h/D <0,1, так как экспериментальные
значения частот будут заметно зани-
женными по сравнению с расчетными.
Значения Ks(0, п), а также положительной
поправки А к KS(Q, 0) приведены в
табл. 1.14.
Собственные частоты изгибных ко-
лебаний тонких квадратных пластин со
свободными границами рассчитывают по
формуле
= (Г
где а - сторона квадрата.
Моды колебаний таких пластин и
значения безразмерных коэффициентов К,
приведены в табл. 1.15.
Влияние нагрузки. Нагрузка актив-
ным механическим сопротивлением уве-
личивает потери колебательной системы,
что приводит к снижению добротности и
росту логарифмического декремента зату-
хания.
Если добротность системы достаточ-
но велика (Q > 10), изменение R практиче-
ски не сказывается на собственных часто-
тах конструкции. При меньших значениях
Q увеличение потерь несколько снижает
эти частоты. Изменение реактивной со-
ставляющей X импеданса нагрузки суще-
ственно влияет на собственные частоты.
Характер этого влияния зависит от знака
(инерционность или упругость) и структу-
ры конструкции. Инерционная нагрузка
снижает собственные частоты, упругая
повышает.
В качестве примера рассмотрим из-
менение основной собственной частоты
1.15. Моды колебаний и значения
параметров АГ, для низших мод
изгибных колебаний свободных
квадратных пластин [18]
№ моды Мода колебаний Параметр X,
v = 0,225 v = 0,31
1 Г-Р ш 0,665 0,651
2 0,970 0,952
3 о 1,128 1,155
116
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
колеблющегося по толщине пьезоэлемен-
та, нагруженного на полупространство с
волновым сопротивлением z через тонкий
слой контактной смазки, толщина h кото-
рого намного меньше длины волны в нем.
Обычно волновое сопротивление жидко-
сти гж « z, поэтому слой смазки можно
приближенно представить удельной гиб-
костью 7ГЖ = l/L (L - модуль всестороннего
сжатия). Акустический импеданс общей
механической нагрузки пьезоэлемента
Z = ZAz/(ZK + z), где Z*. = l/jco/C» - упругое
сопротивление контактного слоя.
Так как z - активное сопротивление, а
Z* - реактивное, то импеданс Z имеет уп-
руго-активный характер и, следовательно,
повышает собственную частоту пьезоэле-
мента.
Влияние тонкого соединительного
слоя между пьезоэлементом и ОК рас-
смотрено в работах [242, 302], где показа-
но, что этот слой повышает частоту мак-
симума передачи энергии пьезоэлемента в
ОК и сужает полосу рабочих частот. На-
пример, при нагрузке кварцевого пьезо-
элемента с собственной частотой 2,5 МГц
через слой трансформаторного масла на
плоскую поверхность образца из алюми-
ниевого сплава резонансная частота сис-
темы увеличивается до 2,8 МГц.
Присоединение тонкого слоя (напри-
мер, протектора) к свободному пьезоэле-
менту также меняет его собственную час-
тоту. Если толщина слоя 0 > / > 1/4, то его
входное сопротивление имеет инерцион-
ный характер и, следовательно, собствен-
ная частота пьезоэлемента снижается.
Собственные частоты любой коле-
бательной системы могут быть найдены из
уравнения [312]
Авх = 0, (1.56)
где Хю - реактивная составляющая вход-
ного импеданса этой системы.
При резонансных частотах активное
входное сопротивление Авх имеет мини-
мальное значение, при антирезонансных -
максимальное. Для сложных колебатель-
ных систем уравнение (1.56) является
трансцендентным и, как правило, имеет
только численные решения.
1.4.5. Электромеханические аналогии
Для анализа механических и элек-
тромеханических колебательных систем
широко пользуются методом электро-
механических аналогий [59, 90, 224, 300].
Он основан на сходстве дифференциаль-
ных уравнений, описывающих колебания
электрических и механических систем.
Главное достоинство метода - возможность
применения хорошо разработанных спосо-
бов анализа электрических цепей к расчету
механических колебательных систем.
Основные элементы механических
колебательных систем с сосредоточенны-
ми постоянными - масса т, гибкость К и
активное сопротивление R. Гибкость
представляет собой величину, обратную
жесткости. В литературе используют так-
же эквивалентные гибкости термины:
податливость, сжимаемость, упругость.
Параметры механических колебательных
систем с распределенными постоянными -
волновое сопротивление W = Spc, посто-
янная распространения у = 5 + jk, геомет-
рические размеры и форма (в частности,
для стержня длина /). Элементы электри-
ческих цепей с сосредоточенными посто-
янными - индуктивность L, емкость С и
активное сопротивление R. Основные па-
раметры электрических цепей с распреде-
ленными постоянными (длинных линий) -
волновое сопротивление =Jl0/C0
(Lo и Со - индуктивность и емкость линии
на единицу ее длины), постоянная распро-
странения у и длина I.
Отметим, что при выводе уравнения
распространения упругой волны в стержне
волновое сопротивление последнего также
представляется в виде W= ^т0/К0 , где
т0 и Ко - масса и гибкость стержня на еди-
ПРОСТЕЙШИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
117
1.16. Условные обозначения механических и электрических элементов
Механические элементы Электрические элементы
Масса т О - —о Индуктивность L
Г ибкость 0—W\№ Емкость С
Активное сопротивление R ° — 1 ° Активное сопротивление R
Механический импеданс Z ° 1 1 ° Электрический импеданс Z О " |- —О
Система с распре- деленными посто- янными (стержень) ° 1 1 Длинная линия о 1 1 о
ницу длины. Таким образом, структура
выражений для W и одинакова. Поэтому
существует полная аналогия между вол-
новыми сопротивлениями
для электрической линии и продольно
колеблющегося стержня. Такое же соот-
ветствие имеется между постоянными
распространения электрической и механи-
ческой систем с распределенными посто-
янными.
В методе электромеханических ана-
логий упругую составляющую механиче-
ского импеданса представляют гибко-
стью, так как ее электрическим аналогом
служит емкость.
Условные обозначения элементов
механических и электрических систем
показаны в табл. 1.16. Если неясно, о ка-
кой составляющей импеданса идет речь,
электрические элементы снабжают индек-
сом "Е", механические - "М".
Используя аналогии механических и
электрических элементов (табл. 1.17), со-
ставляют эквивалентную схему (иначе
схему замещения) механической системы
и анализируют ее известными методами
теории цепей. Это особенно удобно при
расчете сложных механических и элек-
тромеханических систем с несколькими
степенями свободы.
Метод электромеханических анало-
гий применим к системам, содержащим
элементы с сосредоточенными и распре-
деленными постоянными, а также к ком-
бинированным системам, включающим в
себя те и другие элементы. Кроме того,
сама структура эквивалентной схемы по-
могает качественно оценить поведение
анализируемой системы в различных ус-
ловиях (например, при различных нагруз-
118
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.77. Механические двухполюсники
и их эквивалентные схемы:
а - соединение элементов цепочкой;
б - эквивалентная схема для соединения
цепочкой; в - соединение элементов узлом;
г - эквивалентная схема для соединения узлом
ках). На эквивалентных схемах механиче-
ские элементы обозначают так же, как их
электрические аналоги, за исключением
буквенных символов.
Эквивалентные схемы механических
систем составляют по определенным пра-
вилам. Так, механические двухполюсники,
на все элементы которых действует оди-
наковая сила F (рис. 1.77, а), называют
соединенными цепочкой. Это соответству-
ет параллельному соединению на схеме
замещения (рис. 1.77, б), когда колеба-
тельные скорости всех элементов различ-
ны. Резонанс в соединенном цепочкой т,
К, R двухполюснике называют резонансом
скоростей, что соответствует резонансу
токов в параллельном электрическом кон-
туре. В приведенном ранее смысле резо-
нанс скоростей является антирезонансом,
так как при этом Хх = 0, а активная со-
ставляющая механического импеданса
максимальна.
Двухполюсники, элементы которых
обладают одинаковой колебательной ско-
ростью (рис. 1.77, в), называют соединен-
ными узлом, что соответствует последова-
тельному соединению на эквивалентной
схеме (рис. 1.77, г). В этом случае на эле-
менты двухполюсника действуют разные
силы. Резонанс в механическом двухпо-
люснике т, К, R с элементами, соединен-
ными узлом, именуют резонансом сил. Это
соответствует резонансу напряжений в
последовательном электрическом контуре.
При резонансе сил реактивная состав-
ляющая входного импеданса равна нулю,
а активная минимальна.
При непосредственном (без проме-
жуточных активных или упругих сопро-
тивлений) соединении п инерционных
элементов (например, масс т\, т2, т3, ...,
т„) их массы складывают: М = т\+ т2+
+ т3 + ... + т„. Элемент М массы рассмат-
ривается как материальная точка, смеще-
ние и колебательная скорость которой в
каждый момент времени имеют единст-
венные значения, отсчитываемые в непод-
вижной системе координат. Таким обра-
зом, соединение масс возможно только
узлом.
В отличие от элемента массы под
смещениями и колебательными скоростя-
ми активного сопротивления и гибкости
понимают разности соответствующих
параметров на концах этих элементов.
При непосредственном соединении
упругих элементов, обладающих гибко-
стями К, и К2, возможно их соединение
как узлом, так и цепочкой. При соедине-
нии узлом два конца одного элемента со-
единены с двумя концами другого. Сме-
щения и колебательные скорости обоих
элементов, равные разностям этих пара-
метров на концах объединенного элемен-
та, соответственно равны. При этом гиб-
кость К результирующего упругого сопро-
тивления меньше гибкостей К\ и К2 его
составляющих. Величина К определяется
формулой К= KKiJ(K\ + Кг). В случае со-
единения п гибкостей узлом результи-
рующая гибкость вычисляется из выраже-
ния
1111 1
-- — --1-1---к ...-.
К кЛ к2 к3 к„
При соединении п гибкостей цепоч-
кой результирующая гибкость
K = Kt + К2 + К3+ ... + К„.
Таким образом, соединение гибко-
стей узлом подобно последовательному
соединению электрических конденсато-
ров, соединение цепочкой - параллельно-
му.
ПРОСТЕЙШИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
119
1.17. Электрические и механические аналоги
Электрические величины Механические величины
Заряд q Смещение и
Ток i = dq/dt Колебательная скорость v = du/dt
Скорость изменения тока di/dt = </q/d? Ускорение dv/dt - </uidr
Напряжение U Сила/7
Емкость С Гибкость К
Индуктивность L Масса т
Активное электрическое сопротивление R Активное механическое сопротивление R
Емкостное сопротивление 1/усоС Упругое сопротивление \ijaK
Индуктивное сопротивление js>L Инерционное сопротивление jam
Идеальный (без потерь) трансформатор с коэффициентом трансформации и Абсолютно жесткий и невесомый рычаг с соотношением плеч П = /]//2
Волновое сопротивление длинной линии -Д' Волновое сопротивление стержня Ш=рс5
Эквивалентный ген ератор напряжения о ) Е — о Эквивалентный ге Л яератор силы о F — '-О
Эквивалентный ген [ератор тока L О Эквивалентный г ной скорости енератор колебатель- О S) V о
* Со и Со - индуктивность и емкость на единицу длины линии.
120
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.78. Эквивалентная схема
пьезоэлемента, колеблющегося по толщине
(продольный пьезоэффект)
Метод электромеханических анало-
гий применим также для расчетов элек-
тромеханических преобразователей (пье-
зоэлементов, микро- и гидрофонов и т.п.),
имеющих две стороны: электрическую и
механическую (акустическую). В режиме
излучения такой преобразователь транс-
формирует подводимую электрическую
энергию в механическую, в режиме прие-
ма - механическую энергию в электриче-
скую.
Механическую и электрическую сто-
роны преобразователя соединяют элек-
тромеханическими трансформаторами.
Одна сторона ("обмотка") такого транс-
форматора соединена с электрическими,
другая - с механическими элементами
схемы замещения. Параметры электроме-
ханического трансформатора выражают
через константы преобразователя.
Для расчета различных типов пьезо-
преобразователей пользуются их эквива-
лентными схемами, основанными на схе-
мах замещения пьезоэлементов. Наиболее
полные схемы замещения пьезоэлементов
в виде шестиполюсников с одной элек-
трической и двумя механическими сторо-
нами разработаны независимо друг от
друга Л.Я. Гутиным [112] и У. Мэзоном
[384], Эти и другие подобные схемы опи-
саны в многочисленных монографиях и
статьях [127,141].
Известно несколько типов пьеэоэле-
ментов, отличающихся характером коле-
баний. В дефектоскопии применяют в ос-
новном пьезоэлементы в виде колеблю-
щейся по толщине пластины и (реже) -
длинного бруска прямоугольного сечения
с электродами на боковых сторонах, со-
вершающего продольные колебания.
На рис. 1.78 приведена эквивалент-
ная схема пьезоэлемента в форме колеб-
лющейся по толщине пластины, направле-
ние поляризации которой совпадает с на-
правлением колебаний (продольный пье-
зоэффект). Зажимы 7-7 соединены с элек-
трической схемой (генератором, усилите-
лем). На электрической стороне пьезоэле-
мента действует напряжение U и протека-
ет ток 7. Зажимы 2-2 и 3-3 отображают
переднюю и заднюю поверхности пьезо-
элемента, на которых действуют силы Ft,
Fz и колебательные скорости vb v2 соот-
ветственно.
Импеданс (-ZE) имеет чисто расчет-
ный характер. Он учитывается только для
пьезоэлементов с большим коэффициен-
том электромеханической связи р. Для
кварцевых пьезоэлементов (Р < 0,1) этим
импедансом пренебрегают. Электрическая
и механическая стороны схемы связаны
через идеальный (без потерь) электроме-
ханический трансформатор с коэффици-
ентом трансформации 1: Ф.
Для широкой пьезопластины (d » 7.)
параметры схемы следующие [28]: ZE =
= 1/jro Q, ; Со = £ef3// = Де[3 (1 - р2)//,
где Cg - емкость зажатого пьезоэлемента;
В - площадь электрода пьезопластины;
I - ее толщина; ef3 и ef3 - диэлектриче-
ские проницаемости зажатого и свободно-
го пьезоэлементов соответственно;
Р, - коэффициент электромеханической
связи (см. разд. 1.2.3) для продольных ко-
лебаний широкой пьезопластины; Z\ =
= Wtii(yl/2), Z2 = W/sh(yl), где W = BpcD -
волновое сопротивление пьезоэлемента;
у = 8 + jk - постоянная распространения
(k = (a/cD - волновое число, р - плотность,
с" = (с^/р)|/2- скорость продольной вол-
ны в пьезоэлектрике с разомкнутой элек-
ПРОСТЕЙШИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
121
трической цепью, где с33 - упругая по-
стоянная пьезоэлектрика для того же слу-
чая); Ф = Лр,(£зз с?з)1/2^ _ коэффициент
трансформации.
Для пьезоэлемента в виде узкого
стержня с электродами на торцевых по-
верхностях схема остается той же, но ме-
няется коэффициент электромеханической
связи, который обозначается р33.
Эквивалентная схема для показанно-
го на рис. 1.79 пьезоэлемента в виде бру-
ска прямоугольного сечения с электрода-
ми на боковых сторонах (поперечный
пьезоэффект) приведена на рис. 1.80. Им-
педанс (~ZE) в ней отсутствует. Схема
имеет следующие параметры: ZE =
= l/у® Cl3 ; Cq = А 4 (1 - р32! )/t = A е31 /t
[Cq - емкость зажатого пьезоэлемента;
А = wl - площадь электрода, где w - его
ширина, I - длина; t - расстояние между
электродами; Z; = l¥th(yl/2'y, Z3 =
= l¥/sh(yl), где W = wtpcE - волновое со-
противление; у = 5 + jk - постоянная рас-
пространения (к = ®/с£ - волновое число);
сЕ = (Сц /р)1/2 - скорость звука для пьезо-
элемента с короткозамкнутой электриче-
ской цепью, где с{\ - упругая постоянная
для того же случая; Ф = wp31(Ef3 Сц)|/2 -
коэффициент трансформации (р31 - коэф-
фициент электромеханической связи для
поперечного пьезоэффекта).
Если не учитывать потери в пъезо-
элементе, то в обеих схемах замещения
принимают Z\ = jWig(kl/2) и Z2 = Wljsm(kl).
Поясним обозначения параметров
рассмотренных эквивалентных схем.
Электрические параметры характеризуют-
ся диэлектрической проницаемостью,
механические - плотностью и постоянны-
ми упругости. Электрические и механиче-
ские параметры взаимосвязаны тем силь-
нее, чем больше коэффициент электроме-
ханической связи р. Значения пьезоэлек-
Рис. 1.79. Продольио-колеблющийся
пьезоэлемент с электродами на боковых
сторонах
трических параметров определяются так-
же характером (модой) колебаний пьезо-
элемента.
В обозначениях пьезоэлектрических
параметров используют буквенные и циф-
ровые индексы. Верхний буквенный ин-
декс указывает величину, постоянную при
его определении: Т - механическое на-
пряжение, S — деформацию, Е - напря-
женность электрического поля, D - ди-
электрическое смещение. Индексы S и Т
относятся к электрическим параметрам, Е
и D - к механическим. Первый нижний
цифровой индекс характеризует направле-
ние электрического поля, второй - меха-
нического напряжения.
Диэлектрические проницаемости.
Параметр е33 диэлектрическая проницае-
мость для продольного пьезоэффекта при
постоянстве механического напряжения.
Вектор электрического поля совпадает с
направлением механического напряжения
(продольный пьезоэффект). Постоянство
механических напряжений (равен-
Рис. 1.80. Эквивалентная схема
пьезоэлемента в виде бруска с электродами
на боковых сторонах (поперечный
пьезоэффект)
122
Глава 1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
1.18. Параметры пьезокерамики отечественной и британской
Параметр Пьезокерамика
ЦТС-19 PZT-4
Скорость звука м/с 4240 4600
Плотность р, кг/м3 7330 7500
Постоянная упругости, ГПа:
& 132 159
- 145
4 - 115
Волновое сопротивление z = р <Р, МПа с/м 31,08 34,5
Добротность свободного элемента Q 70 500
Коэффициент электромеханической связи для*
широкой пластины (продоль- ный пьезоэффект) р, 0,44 0,51
стержня (продольный пьезоэф- фект) р33 0,61 0,7
стержня (поперечный пьезоэф- фект) рз1 0,31 0,33
Относительная диэлектрическая про- ницаемость для:
широкой пластины (продоль- ный пьезоэффект) £33/£о 935 635
стержня (продольный пьезоэф- фект) Е^/Ео 976 663
стержня (поперечный пьезоэф- фект) Ец/Ео - 730
ПРОСТЕЙШИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
123
ство их нулю) обеспечивается при свобод-
ных гранях пьезоэлемента. Значение £33
находят измерением емкости свободного
пьезоэлемента на низких частотах (100 ...
1000 Гц), далеких от его собственных час-
тот.
Параметр = е33 (1 - р33) - ди-
электрическая проницаемость при посто-
янстве деформации для тех же направле-
ний поля и механических напряжений.
Это соответствует жесткому закреплению
граней пьезоэлемента, исключающему его
деформацию при воздействии поля. Пара-
метр е33 расчетная величина, так как
практическая реализация условий жестко-
го закрепления затруднительна.
Для пьезоэлемента в виде тонкого (по
сравнению с длиной волны) стержня с
электродами на торцах вместо р, (для ши-
рокой пластины) используют значение р33.
Для поперечного пьезоэффекта е31 =
= 4з (1 - ₽31 )
Упругие постоянные пьезоэлемента
с разомкнутой электрической цепью име-
ют верхний индекс D (постоянная индук-
ция), с короткозамкнутой цепью - индекс
Е (постоянная напряженность поля Е = 0).
Так, - постоянная упругости пьезо-
элемента с разомкнутой электрической
цепью для продольного пьезоэффекта,
когда вектор поля совпадает с направле-
нием деформации.
Известны эквивалентные схемы так-
же других типов пьезоэлементов и иных
электромеханических преобразователей.
В отечественной литературе сведения
о пьезоэлектричеких параметрах, необхо-
димых для расчета преобразователей,
приведены очень скупо. Даже в ГОСТ
13927-68 значения диэлектрических про-
ницаемостей, постоянных упругости и
других констант приведены без указания,
к каким условиям они относятся. Кроме
того, эти значения имеют большой раз-
брос. В переводной и оригинальной ино-
странной литературе можно найти данные
Рис. 1.81. Эквивалентная схема с
электромеханическим трансформатором (а)
и та же схема, пересчитанная на
электрическую (б) и механическую (в)
стороны
только о материалах зарубежного произ-
водства.
Некоторые параметры наиболее рас-
пространенной отечественной пьезокера-
мики ЦТС-19, по данным [127, 141] (более
подробно, чем в табл. 1.7), и керамики
PZT-4 британской фирмы Vemitron при-
ведены в табл. 1.18.
Параметры электрической стороны
схемы замещения можно пересчитывать
на механическую сторону и наоборот, т.е.
приводить систему к одной ее стороне.
Электрические напряжения пересчитыва-
ют в силы на механической стороне ум-
ножением на коэффициент трансформа-
ции Ф, токи в колебательные скорости -
делением на Ф, электрические импедансы
(в механические) - умножением на Ф2.
Аналогично пересчитывают параметры
механической стороны на электрическую
сторону.
В качестве примера на рис. 1.81, а
показана эквивалентная схема электроме-
124
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
ханической системы. На ее электрической
стороне действует напряжение U, проте-
кает ток i и включен электрический импе-
данс Ze. Механическая сторона представ-
лена механическим импедансом ZM, силой
F и колебательной скоростью v.
После приведения к электрической
стороне схема приобретает вид рис. 1.81,
б. Аналогично схема, изображенная на
рис. 1.81, а, приводится к механической
стороне (рис. 1.81, в). Указанные преобра-
зования эквивалентных схем упрощают
анализ. Выбор стороны, к которой приво-
дится схема, произволен и диктуется со-
ображениями удобства.
Эквивалентные схемы полезны не
только для численных расчетов. Часто они
позволяют и качественно оценить поведе-
ние пьезоэлемента в различных режимах.
Например, если правая сторона схе-
мы, показанной на рис. 1.78, соединена с
полезной акустической нагрузкой, а тыль-
ная (на схеме левая) сторона пьезоэлемен-
та свободна (т.е. закорочена, так как Zf =
= Ft/vi = 0), то передача энергии в нагруз-
ку будет мала вследствие шунтирующего
влияния левой части схемы. Если же на-
грузить тыльную сторону на очень боль-
шое сопротивление, то это влияние устра-
нится и передача энергии в полезную на-
грузку резко возрастет.
Метод электромеханических анало-
гий широко применяют также для расчета
других механических и электромеханиче-
ских колебательных систем.
1.5. НЕЛИНЕЙНЫЕ МЕТОДЫ В АК
Ранее было сказано, что в УЗ-
контроле используется область линейной
акустики, где механическое напряжение
пропорционально деформации для твердо-
го тела или давление пропорционально
смещению для жидкости. Однако при
больших отклонениях от положения рав-
новесия пропорциональность нарушается.
Это область нелинейной акустики.
Распространение звуковой волны
большой интенсивности (так называемых
волн конечной амплитуды) в отличие от
волн с малой амплитудой сопровождается
нарастающим искажением ее формы. Это
обусловлено разницей в скоростях пере-
мещения различных точек профиля волны.
Скорость с перемещения точки профиля,
соответствующая заданной колебательной
скорости v, определяется формулой
c(v) = Со + £V,
где Со - равновесное значение скорости
звука в среде; е - нелинейный параметр
среды. Точки профиля волны, соответст-
вующие областям сжатия (где v > 0), "бе-
гут" быстрее точек, соответствующих об-
ластям разрежения (где v < 0), т.е. ско-
рость звука в области сжатия больше, чем
в области разряжения.
О.В. Руденко [288] рассмотрел воз-
можность использования для диагностики
и контроля разнообразных физических
явлений, связанных с распространением
интенсивных акустических волн. На этой
работе основано дальнейшее изложение.
Отмечается, что зависимость от амплиту-
ды (или интенсивности) приводит к нару-
шению принципа линейной суперпозиции:
волны в области их интерференции начи-
нают влиять друг на друга, обмениваясь
энергией. При этом каждая из волн "запо-
минает" свойства как остальных участни-
ков взаимодействия, так и материальных
констант среды в той области пространст-
ва, где это взаимодействие происходит.
Примером устройства, принцип рабо-
ты которого основан на нелинейном "за-
поминании" характеристик сигнала, явля-
ется параметрический гидроакустический
приемник, в котором роль приемной ан-
тенны выполняет область пересечения
опорного интенсивного пучка и слабой
сигнальной волны
Вообще говоря, из области взаимо-
действия могут излучаться волны с новы-
ми частотами и направлениями распро-
странения, которых не было в ансамбле
исходных возмущений. Эти волны, рож-
денные на нелинейности среды, также
несут информацию, полезную для диагно-
НЕЛИНЕЙНЫЕ МЕТОДЫ В АК
125
стики. Далее будет рассмотрено несколько
принципиальных идей и схем сбора ин-
формации, основанных на нелинейных
эффектах.
1.5.1. Измерение нелинейных модулей
упругости
В акустике следует различать гео-
метрическую, физическую и структурную
нелинейности. Первая связана с присутст-
вием нелинейных членов в уравнении
движения, вторая - с нелинейностью сил
межмолекулярного взаимодействия, кото-
рая приводит к нелинейной связи между
механическими напряжениями и дефор-
мациями в твердых телах. Для неразру-
шающего контроля наиболее важна третья
структурная нелинейность. Она проявля-
ется в материалах с дефектами и опреде-
ляется надмолекулярной структурой мате-
риалов (дислокациями, остаточными внут-
ренними напряжениями, микротрещинами
и т.д.).
Нелинейные упругие свойства оказы-
ваются более чувствительными к дефект-
ной структуре материала, чем линейные.
Структурная нелинейность может на два -
четыре порядка превышать геометриче-
скую и физическую нелинейности.
Из всех структурных нелинейностей
наиболее полно исследованы нелинейные
свойства жидкостей с пузырьками газа.
Известно, что нелинейный параметр воды
е, содержащей малую объемную концен-
трацию воздушных пузырьков, достигает
значений, близких к 5000, в то время как
для дегазированной воды е « 3,5.
Резкое возрастание е связано с уве-
личением сжимаемости среды, обуслов-
ленной наличием пузырьков. При этом
скорость и затухание звука в обоих случа-
ях могут быть почти одинаковыми. Это
означает, что по линейным измерениям
трудно судить о содержании воздушных
пузырьков в воде. В то же время нелиней-
Разрежение Сжатие
Рис. 1.82. Поведение трещины в
акустическом поле, приводящее к
нелинейным эффектам
ные измерения оказываются весьма чувст-
вительными к наличию газовой компонен-
ты.
Высокая нелинейность газожидкост-
ных и резиноподобных сред связана глав-
ным образом с их большой сжимаемо-
стью. Важно рассмотреть обычные твер-
дые тела (металлы, кристаллические сре-
ды, строительные материалы) и понять,
как влияет наличие трещин, полостей и
других надмолекулярных дефектов на их
нелинейные модули.
Прочность твердых тел зависит от
нарушений их сплошности: трещин, мик-
ропор, скоплений дислокаций и других
"зародышей" процесса разрушения. При
небольших концентрациях зародышей,
малых по сравнению с длиной волны, ли-
нейные акустические характеристики (за-
тухание и скорость звука) обычно мало-
чувствительны к дефектам структуры.
Напротив, нелинейность структурно-неод-
нородных материалов может намного (на
два-три порядка) превышать их обычную
молекулярную нелинейность.
Поясним качественно некоторые фи-
зические механизмы, приводящие к боль-
шим нелинейностям из-за дефектов струк-
туры твердого тела. На рис. 1.82 изобра-
жена микротрещина, толщина которой
меньше или порядка амплитуды смещения
в акустической волне. В фазе сжатия тре-
щина закрывается и действующий модуль
упругости приближается к значению, ха-
рактерному для сплошного тела. В фазе
разрежения размер трещины увеличивает-
ся; при этом модуль меньше, чем в первом
случае. Этот пример относится к так на-
зываемой двухмодульной нелинейной сре-
126
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 1.83. Иллюстрация к механизму
контактной нелинейности
де. Метод нелинейной акустодиагностики
такого рода дефектов использовали для
обнаружения участков непроклея в слои-
стых пластиках.
Рис. 1.83 представляет иллюстрацию
механизма нелинейности, характерного
для зернистых или поликристаллических
сред. Этот механизм аналогичен извест-
ной в механике нелинейности контактов
Герца и связан с тем, что при сжатии пло-
щадь контакта между зернами в среднем
увеличивается, а при растяжении умень-
шается. Такое поведение типично для сла-
боподжатых контактов.
Следующий механизм связан с кон-
центрацией напряжений вблизи трещин с
малым радиусом кривизны. При деформа-
ции пористых тел в перемычках усилива-
ются напряжения (зачерненные области на
рис. 1.84) и нелинейность материала кар-
каса проявляется более заметно. Если объ-
емная концентрация таких локальных зон
Рис. 1.84. Модель твердого тела с
трещинами-концентраторами напряжений,
усиливающими нелинейные свойства среды
повышенной нелинейности высока, эф-
фективный нелинейный модуль материала
сильно возрастает.
Очевидно, что с ростом концентра-
ции структурных неоднородностей долж-
но наблюдаться не только возрастание
нелинейности, но и снижение прочности
материала. Акустические измерения нели-
нейных модулей дали возможность оце-
нить пределы прочности, которые совпа-
дали с результатами независимых стати-
ческих испытаний.
Нужно заметить, что акустические
методы позволяют уверенно регистриро-
вать нелинейность при малых амплитудах
деформации: порядка 10'8 мм (см.
разд. 7.4). Кроме того, прочность опреде-
ляется одновременно параметрами квад-
ратичной и кубичной нелинейностей, ко-
торые в акустике могут измеряться неза-
висимо. Например, параметр квадратич-
ной нелинейности может быть измерен по
амплитуде второй гармоники, а кубичной -
по амплитуде третьей гармоники или эф-
фектам самовоздействия.
Нелинейность зависит от усталост-
ных повреждений металла. При малом
числе циклов величина £ уменьшается, что
было связано с "линеаризацией" металла,
обусловленной дислокационным меха-
низмом. Однако с ростом числа циклов
происходит увеличение е из-за прогресси-
рующего рождения дефектов и преобла-
дания структурной нелинейности.
В [426, докл. 4.29] предлагается оп-
ределять в материалах микротрещины от
коррозии под напряжением по возникно-
вению комбинационных частот. Эти час-
тоты кратны частотам циклической на-
грузки, которой подвергали образцы. Ус-
тановлено также уменьшение акустиче-
ского импеданса материала под влиянием
микротрещин.
1.5.2. Пространственное
распределение нелинейности
Ранее предполагалось, что среды од-
нородны в отношении своих нелинейных
НЕЛИНЕЙНЫЕ МЕТОДЫ В АК
127
свойств. Однако во многих приложениях
принципиально важно измерять зависи-
мость нелинейных модулей от простран-
ственных координат. Примерами таких
нелинейных неоднородностей могут слу-
жить скопление дефектов в твердом теле,
а также облако газовых пузырьков в жид-
кости или опухоль в здоровой ткани орга-
низма.
При дистанционных измерениях не-
линейных параметров локальность можно
обеспечить с помощью скрещенных УЗ-
пучков. При этом две волны с частотами
й| и й2 пересекаются в заданной области,
которая становится источником нелиней-
ного сигнала на комбинационной частоте.
Сканируя область пересечения, можно
выявить пространственное распределение
е(г).
Эффект появления комбинационных
частот вне области пересечения исходных
волн с частотами Oi и называют рас-
сеянием звука на звуке. Как известно, в
твердых телах благодаря существованию
различных типов волн (продольных, сдви-
говых), имеющих различные скорости
распространения, можно удовлетворить
условиям синхронизма для волнового
триплета соj ± сэ2 = ®з-
Если эти условия выполнены, комби-
национное рассеяние звука на звуке будет
резонансным и амплитуда нелинейного
сигнала должна увеличиваться линейно с
расстоянием, пройденным по области пе-
ресечения исходных пучков в направле-
нии синхронизма.
Другая возможность нахождения
пространственного распределения е(г)
достигается использованием в качестве
одной из взаимодействующих волн им-
пульсного сигнала. Короткий интенсив-
ный импульс и пробная высокочастотная
гармоническая волна пропускают через
исследуемую среду навстречу друг другу.
Взаимодействие происходит в той области
пространства, где в данный момент нахо-
дился акустический импульс. В результате
фаза пробной волны оказывалась промо-
дулированной во времени. Эта временная
модуляция пересчитывается затем в про-
странственное распределение нелинейно-
сти вдоль всей прямой взаимодействия
встречных волн.
Использование методов нелинейной
акустики открывает новые возможности в
измерениях обычных линейных характе-
ристик систем. Это связано с известным
свойством нелинейных эффектов "накап-
ливаться" в пространстве; при этом волна
как бы "запоминает" свойства трассы сво-
его распространения.
Математический анализ показывает,
что волна как бы распространяется в кана-
ле переменного сечения и испытывает
влияние нелинейности £ и диссипации Ь.
Для профилирования канала предлагается
использовать эффект самоотражения вол-
ны на разрывах. Изменяя амплитуду ис-
ходного сигнала, можно варьировать ко-
ординату образования разрыва, т.е. рас-
стояние, на котором происходит самоот-
ражение волны. Измеряя временную за-
держку отраженного сигнала при различ-
ных значениях исходной амплитуды, мож-
но восстановить профиль канала.
Возможна также диагностика состоя-
ния поверхности, основанная на повы-
шенных нелинейностях контакта двух ше-
роховатых твердых тел. В экспериментах
регистрировалась вторая гармоника вол-
ны, отраженной от зоны контакта. При
отражении от свободной шероховатой
поверхности амплитуда гармоники была
пренебрежимо малой. Если же к поверх-
ности прилагалась хорошо отполирован-
ная пластинка и прижималась давлением
Рст, вторая гармоника уверенно регистри-
ровалась. Наличие прижимающего усилия
вызывало появление и рост сигнала на
частоте 2ю. Зависимость амплитуды этого
сигнала от давления Р(РСТ) имела харак-
терный максимум. При больших Рст, фор-
мировался хороший акустический контакт
128 Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
между телами и амплитуда второй гармо-
ники стремилась к 0 при Рст, стремя-
щемся к оо.
Было показано, что шероховатую по-
верхность можно сопоставить с ансамблем
упругих элементов ("зубцов", пружинок),
характеризуемым разбросом по высоте.
При этом функция />(/’ст), измеряемая в
акустическом эксперименте, пересчитыва-
ется в вероятностную функцию распреде-
ления высот элементов шероховатости.
Таким образом, открывается возможность
оценивать качество поверхности по дан-
ным нелинейно-акустических измерений.
Использование нелинейных эффектов
для контроля прочности бетона рассмот-
рено в разд. 7.5.5 и монографии
И.Э. Школьника [340].
Глава 2
МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ.
СПОСОБЫ АКУСТИЧЕСКОГО
КОНТАКТА
2.1.1. Классификация методов
По общей классификации все методы
неразрушающего контроля (НК) делят на
группы, называемые видами НК. Согласно
ГОСТ 18353-79 существует девять раз-
личных видов НК: магнитный, электриче-
ский, вихретоковый, радиоволновой, теп-
ловой, оптический, радиационный, аку-
стический и проникающими веществами
(капиллярный и течеискания). Внутри ка-
ждого вида методы классифицируют по
дополнительным признакам. Здесь будем
рассматривать классификацию только ме-
тодов акустического контроля (АК).
Акустические методы НК подразде-
ляют на две большие группы: активные и
пассивные методы (рис. 2.1). Активные
методы основаны на излучении и приеме
упругих волн, пассивные - только на
приеме волн, источником которых служит
сам объект контроля (ОК), например обра-
зование трещин сопровождается возник-
новением акустических колебаний, выяв-
ляемых акустико-эмиссионным методом.
Активные методы делят на методы
отражения, прохождения, комбинирован-
ные (использующие как отражение, так и
прохождение), собственных колебаний и
импедансные.
Методы отражения основаны на
анализе отражения импульсов упругих
волн от неоднородностей или границ ОК,
методы прохождения - на влиянии пара-
метров ОК на характеристики прошедших
через него волн. Комбинированные мето-
ды используют влияние параметров ОК
как на отражение, так и на прохождение
упругих волн. В методах собственных
колебаний о свойствах ОК судят по парамет-
Рис. 2.1. Классификация акустических методов контроля
130
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
рам его свободных или вынужденных ко-
лебаний (их частотам и величине потерь).
В импедансных методах информативным
параметром служит механический импе-
данс ОК в зоне его контакта с преобразо-
вателем.
Пассивные методы НК классифици-
руют по характеру анализируемых сигналов.
Далее кратко описаны обозначенные
на схеме и некоторые не показанные на
рис. 2.1 методы контроля. Более подробно
основные из иих они рассмотрены в соот-
ветствующих разделах книги.
2.1.2. Методы отражения
В этой группе методов информацию
получают по отражению акустических
волн в ОК.
Эхометод основан на регистрации
эхосигналов от дефектов - несплошно-
стей. Он похож на радио- и гидролокацию.
На рис. 2.2 показана упрощенная струк-
турная схема импульсного эходефектос-
копа.
Генератор зондирующих импульсов 7
возбуждает короткие электрические им-
пульсы. В преобразователе 3 они преобра-
зуются в импульсы ультразвуковых (УЗ)
колебаний, которые распространяются в
ОК 4, отражаются от дефектов б и проти-
воположной поверхности (дна) ОК, при-
нимаются тем же (совмещенная схема
включения) или другим (раздельная схема
включения) преобразователем 2. Преобра-
зователь превращает сигналы из УЗ в
электрические. От него сигнал поступает
на усилитель 1, а затем на экран 5 дефек-
тоскопа.
Одновременно (а иногда спустя неко-
торый интервал времени) с запуском гене-
ратора импульсов начинает работать гене-
ратор развертки 9. Правильную последо-
вательность включения их, а также других
узлов дефектоскопа, не показанных на
упрощенной схеме, обеспечивает синхро-
низатор 8.
Сигналы от генератора развертки вы-
зывают горизонтальное отклонение све-
тящейся точки на экране, а от усилителя -
вертикальное отклонение. В результате
экран УЗ-эходефектоскопа отображает
информацию двух видов. Горизонтальная
линия (линия развертки дефектоскопа)
соответствует времени пробега импульса в
ОК, а это время пропорционально пути
импульса. Высота пиков (импульсов) по
вертикали пропорциональна амплитудам
эхосигналов. Таким образом, по горизон-
тальной линии развертки определяют дли-
ну пути импульса, а по вертикальной шка-
ле оценивают его амплитуду. Такое изо-
бражение называют разверткой типа А
(А-разверткой, А-сканом).
Очень высокий (для совмещенной
схемы - уходящий за пределы экрана)
сигнал, обозначенный буквой 3, соответ-
ствует возбуждаемому генератором и по-
сылаемому в изделие УЗ-импульсу. Он
отмечает нулевое значение шкалы време-
ни. Его именуют зондирующим импульсом.
Высокий сигнал Д соответствует импуль-
су, отраженному от противоположной по-
верхности (дна) ОК. Его называют донным
сигналом. Э - эхосигнал от дефекта. Он
приходит раньше донного сигнала, и ам-
плитуда его обычно значительно меньше.
Измеряя времена прихода сигналов по
шкале на экране или специальным устрой-
ством (глубиномером) прибора, можно
определить расстояние до дефекта или дна
изделия и, таким образом, различить их.
Амплитуда эхосигнала характеризует от-
ражательную способность дефекта.
Другие методы отражения применя-
ют для поиска дефектов, плохо выявляе-
мых эхометодом, и для исследования па-
раметров дефектов.
Эхозеркальный метод основан на
анализе акустических импульсов, зеркаль-
но отраженных от донной поверхности ОК
С и дефекта В, т. е. прошедшие путь ABCD
(рис. 2.3, б). Вариант этого метода, рас-
считанный на выявление вертикальных
дефектов, называют методом тандем.
Для его реализации при перемещении
преобразователей^ и 3 поддерживают
постоянным значение lA + lD ~ '•ё01 >
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ. СПОСОБЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТАКТА 131
Рис. 2.2. Упрощенная структурная схема эходефектоскопа
где Н - толщина ОК. Тогда будут выяв-
ляться дефекты в сечении EF. Выявляются
также нестрого вертикальные дефекты.
Для получения максимального (зеркаль-
ного) отражения от невертикальных де-
фектов значение Ц + Id варьируют.
Другой вариант эхозеркального ме-
тода предусматривает перемещение пре-
образователей 2 и 3 в разных плоскостях
(см. рис. 2.3, б, в середине). Его иногда
называют методом тандем-дуэт или
стредл. При этом сохраняется принцип
зеркального отражения от вертикального
дефекта и донной поверхности. Примене-
ние метода тандем-дуэт целесообразно,
например, в случаях, когда при контроле
методом тандем преобразователи 2 и 3
слишком сближаются и мешают друг другу.
Еще один вариант эхозеркального
метода - с трансформацией типов волн на
дефекте (Т-тандем). Например, преобра-
зователь 2 излучает поперечную волну
под углом ввода а, большим 57° (для ста-
ли). Угол падения на вертикальный дефект
90° - а будет меньше третьего критиче-
ского, поэтому произойдет частичная
трансформация поперечной волны в про-
дольную, направленную в сторону дна
ОК. Отраженную поперечную волну в
дальнейшем не используют, а отраженная
от дефекта продольная волна (показана
штриховыми линиями) далее отразится от
дна ОК и будет принята другим преобра-
зователем в точке G. При отражении от
дна ОК также произойдет частичная
трансформация продольной волны в попе-
речную, но поперечную отраженную вол-
ну в дальнейшем не используют. Для реа-
лизации этого варианта эхозеркального
метода требуется меньшее расстояние от
преобразователей до оси сварного шва.
Дельта-метод (рис. 2.3, в) основан на
использовании дифракции волн на дефек-
те. Часть падающей на дефект В попереч-
ной волны от излучателя 2 рассеивается во
все стороны на краях дефекта В, причем
частично превращается в продольную
волну. Часть этих волн принимается при-
емником 3 продольных волн, расположен-
ным над дефектом, а часть отражается от
донной поверхности и также поступает на
приемник. Варианты этого метода пред-
полагают возможность перемещения при-
емника 3 по поверхности, изменения ти-
пов излучаемых и принимаемых волн.
Дифракционно-временной метод
(ДВМ) (рис. 2.3, d) основан на приеме
волн, рассеянных на концах дефекта, при-
чем могут излучаться и приниматься как
продольные, так и поперечные волны. На
рисунке представлен случай, когда излу-
чаются поперечные волны, а принимаются
продольные. Практическое применение,
однако, получил вариант, при котором
излучаются и принимаются продольные
волны, поскольку они первыми приходят
на приемник и по этому признаку их легко
отличить от поперечных волн. Главная
информационная характеристика - время
прихода сигнала. Этот метод также назы-
вают времяпролетным, буквально перево-
дя английское название (time of flight
diffraction - TOFD). Метод подробно бу-
дет рассмотрен в разд. 2.2.5.3 и 3.2.7.4.
132
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.3. Методы отражения:
а - эхо; б - эхозеркальный; в - дельта; г - реверберационный; д - дифракционно-временной;
1 - ОК; 2 - излучатель; 3 - приемник
Реверберационный метод основан
на анализе времени объемной ревербера-
ции, т.е. процесса постепенного затухания
звука в некотором объеме - ОК. При кон-
троле используется один совмещенный
преобразователь 2, 3, поэтому метод пра-
вильнее назвать эхореверберационным.
Например, при контроле двухслойной кон-
струкции (рис. 2.3, г) в случае некачествен-
ного соединения слоев время ревербера-
ции в слое 1, с которым контактирует пре-
образователь, будет больше, а в случае
доброкачественного соединения слоев -
меньше, так как часть энергии будет пере-
ходить в другой слой.
Акустическая микроскопия отли-
чается от эхометода повышением на один-
два порядка частоты УЗ, применением
острой фокусировки и автоматическим
или механизированным сканированием
объектов небольшого размера. В результа-
те удается зафиксировать небольшие из-
менения акустических свойств в ОК. Ме-
тод позволяет достичь разрешающей спо-
собности в сотые доли миллиметра. Воз-
можна акустическая микроскопия с ис-
пользованием прохождения волн.
Когерентные методы отличаются от
других методов отражения тем, что в ка-
честве информационного параметра по-
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ. СПОСОБЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТАКТА 133
мимо амплитуды и времени прихода им-
пульсов используется также фаза сигнала.
Благодаря этому повышается на порядок
разрешающая способность методов отра-
жения и появляется возможность наблю-
дать изображения дефектов, близкие к
реальным. Наиболее эффективным коге-
рентным методом является компьютерная
акустическая голография.
2.1.3. Методы прохождения
Эти методы, в России чаще называе-
мые теневыми, основаны на наблюдении
изменения параметров прошедшего через
ОК акустического сигнала (сквозного сиг-
нала). На начальном этапе развития ис-
пользовали непрерывное излучение, а
признаком дефекта было уменьшение ам-
плитуды сквозного сигнала, вызванное
образуемой дефектом звуковой тенью.
Поэтому термин "теневой" адекватно от-
ражал содержание метода. Однако в даль-
нейшем области применения рассматри-
ваемых методов расширились.
Методы начали применять для опре-
деления физико-механических свойств
материалов, когда контролируемые пара-
метры (упругие постоянные, коэффициент
затухания, плотность и т.п.) не связаны с
образующими звуковую тень нарушения-
ми сплошности. При этом в большинстве
случаев непрерывное излучение было за-
менено импульсным. Существенно рас-
ширено также число информативных па-
раметров сквозного сигнала, к которым
кроме амплитуды добавились фаза, время
прихода и спектр.
Таким образом, теневой метод можно
рассматривать как частный случай более
общего понятия "метод прохождения".
Кстати, в англоязычной литературе по-
следний называется through transmission
technique, что полностью соответствует
русскому термину "метод прохождения".
Понятие "теневой метод" в английском
языке не применяется.
При контроле методами прохождения
излучающий и приемный преобразователи
располагают по разные стороны от ОК или
контролируемого его участка. В некото-
рых методах прохождения преобразовате-
ли размещают с одной стороны от ОК на
определенном расстоянии друг от друга.
Информацию получают, измеряя парамет-
ры прошедшего от излучателя к приемни-
ку сквозного сигнала.
Амплитудный метод прохождения
(или амплитудный теневой метод)
(рис. 2.4, а) основан на регистрации
уменьшения амплитуды сквозного сигнала
под влиянием дефекта, затрудняющего
прохождение сигнала и создающего зву-
ковую тень. Для контроля этим методом
можно использовать тот же импульсный
дефектоскоп, который включают по раз-
дельной схеме, причем излучающий и
приемный преобразователи располагают
по разные стороны от ОК. Иногда приме-
няют специализированные более простые
по схеме приборы.
Временной метод прохождения
(временной теневой метод, рис. 2.4, б)
основан на измерении запаздывания им-
пульса, вызванного огибанием дефекта.
При этом в отличие от велосиметрическо-
го метода тип упругой волны (обычно
продольной) не меняется. В этом методе
информационным параметром служит
время прихода сквозного сигнала. Метод
эффективен при контроле материалов с
большим рассеянием УЗ, например бето-
на, огнеупорного кирпича и т.п.
Метод многократной тенн аналоги-
чен амплитудному методу прохождения
(теневому), но о наличии дефекта судят
при этом по амплитуде сквозного сигнала
(теневого импульса), многократно (обыч-
но двукратно) прошедшего между парал-
лельными поверхностями изделия. Метод
более чувствителен, чем теневой или зер-
кально-теневой, так как волны проходят
через дефектную зону несколько раз, но
менее помехоустойчив.
Рассмотренные выше разновидности
метода прохождения используют для об-
наружения дефектов типа нарушения
сплошности. Методы прохождения, при-
меняемые для контроля физико-механи-
134
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.4. Методы прохождения:
а - амплитудно-теневой; б - временной теневой; в - велосиметрический; 1 ~ генератор;
2 - излучатель; 3 - ОК; 4 - приемник; 5 - усилитель; 6 - измеритель амплитуды; 7 - измеритель
времени прихода импульса; 8 - измеритель изменения фазы волны
ческих свойств материалов, не связанных
с нарушениями сплошности, в свою оче-
редь, делятся на методы: сквозного про-
звучивания, продольного профилирования
и поверхностного прозвучивания с посто-
янной базой (см. гл. 4).
Фотоакустнческая микроскопия.
В фотоакустической микроскопии аку-
стические колебания генерируются вслед-
ствие термоупругого эффекта при освеще-
нии ОК модулированным световым пото-
ком (например, импульсным лазером),
сфокусированным на поверхности ОК.
Энергия светового потока, поглощаясь в
материале, порождает тепловую волну,
параметры которой зависят от теплофизи-
ческих характеристик ОК. Тепловая волна
приводит к появлению термоупругих ко-
лебаний, которые регистрируются, напри-
мер, пьезоэлектрическим детектором.
Сканирование поверхности ОК лучом
лазера синхронизовано с разверткой экра-
на дисплея. Сканируя лучом поверхность
исследуемого объекта, можно получить
информацию о его однородности. Напри-
мер, нарушение сплошности образца
(трещины, расслоения) приведет к локаль-
ному изменению теплоемкости и тепло-
проводности, что проявится в величине ре-
гистрируемого фотоакустического сигнала.
Велосиметрический метод (рис. 2.4, в)
основан на регистрации изменения скоро-
сти упругих волн в зоне дефекта. Напри-
мер, если в тонком изделии распространя-
ется изгибная волна, то появление рас-
слоения вызывает уменьшение ее фазовой
и групповой скоростей. Это явление фик-
сируют по сдвигу фазы прошедшей волны
или запаздыванию прихода импульса. Ме-
тод имеет несколько вариантов, реализуе-
мых при одно- и двустороннем доступе к
ОК. Его применяют для контроля изделий
из полимерных композиционных материа-
лов (ПКМ) и качества соединения слоев в
многослойных конструкциях.
Акустическая микроскопия, как
отмечено ранее, может также применяться
в теневом варианте. Такой способ контро-
ля не получил распространения.
Ультразвуковая томография. Этот
термин часто применяют в отношении
различных систем визуализации дефектов.
Между тем, первоначально он применялся
для УЗ-систем, в которых пытались реали-
зовать подход, повторяющий рентгенов-
скую томографию, т.е. сквозное прозвучи-
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ. СПОСОБЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТАКТА 135
вание ОК по разным направлениям с вы-
делением особенностей ОК, полученных
при разных направлениях лучей. Именно
такой подход рассмотрен в [425,
с. 502/401]. Моделируется распростране-
ние УЗ-волн между излучателем и прием-
ником с учетом рефракции на неоднород-
ностях. Конкретно, моделируется возмож-
ность повышения разрешающей способно-
сти при наличии в ОК двух или нескольких
дефектов.
Эффективность применения УЗ-то-
мографии с усовершенствованной компь-
ютерной обработкой результатов обосно-
вана в работе [425, с. 103/189]. В ней пред-
ложена методика формирования адаптив-
ных проекций, позволяющая не только
обнаруживать дефекты, но и определять
ослабленные дефектами участки ОК, вы-
являя нарушения структуры, оценивать
напряжения в металлах и композицион-
ных материалах. Для этого разработан
специальный прибор.
Метод лазерного детектирования.
Известны методы визуального представ-
ления акустических полей в прозрачных
жидкостях и твердых средах, основанные
на дифракции света на упругих волнах
[27]. Они применяются для исследования
поля излучения преобразователя и поля
дифракции на препятствии. В [425,
с. 480/504] визуализация достигается пу-
тем наблюдения за смещениями точек по-
верхности, вдоль которой распространяет-
ся УЗ-волна, с помощью лазерного интер-
ферометра. Этим способом удается про-
слеживать, например, поле наклонного
преобразователя на боковой поверхности,
вблизи которой он расположен; дифрак-
цию УЗ-волн на различных препятствиях,
например на узкой щели и усталостной
трещине. Наблюдают дифракционные
волны от кончика щели и рэлеевские вол-
ны, бегущие по одной и двум поверхно-
стям щели; волны Стоунли на границе
раздела двух твердых тел; преломление
волн различных типов. Возможна мульти-
пликативная съемка.
Рис. 2.5. Схема термоакустического метода:
1- ОК; 2 - дефект; 3 - источник УЗ-волн;
4 - УЗ-волны; 5 - тепловые волны
Термоакустический метод контроля
называют также УЗ-локальной термогра-
фией. Метод состоит в том, что в ОК вво-
дятся мощные низкочастотные (~20 кГц)
УЗ-колебания. На дефекте они превраща-
ются в теплоту (рис. 2.5). Чем больше
влияние дефекта на упругие свойства ма-
териала, тем больше величина упругого
гистерезиса и тем больше выделение теп-
лоты. Повышение температуры фиксиру-
ется термовизором.
УЗ-колебания модулированы по ам-
плитуде частотой в несколько герц. Такую
же модуляцию будут иметь тепловые вол-
ны. Это существенно повышает возмож-
ность регистрации и локализации дефек-
тов.
Достоинства метода - возможность
контроля как металлических материалов,
так и композитов; быстрая сортировка
деталей на дефектные и бездефектные;
высокая скорость контроля (площадь 1 м2
контролируется за 1 ... 2 мин); преимуще-
ственное выявление дефектов, склонных
к развитию. Однако чувствительность
метода, по-видимому, невелика и падает
по мере увеличения глубины залегания
дефекта от поверхности ОК на несколько
миллиметров.
Метод применяют в авиации при
контроле крыльев самолетов и других де-
талей. Выявляются области скрытой кор-
розии, расслоения, трещины в рядах за-
клепок. Можно применять метод при цик-
лических испытаниях ОК. В этом случае
название метода "термоакустический" не
вполне правильно, поскольку колебания
возбуждаются механическим способом.
136
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
В [428, докл. 1.31] сообщалось, что
методы активной УЗ-дефектоскопии могут
быть применены для обнаружения дефек-
тов в объеме тел, вращающихся со скоро-
стью до 200 об/с. Пьезоизлучатель и пье-
зоприемник с предусилителем закрепля-
ются на деталях вращающегося объекта,
причем они расположены не напротив
друг друга, как в обычном методе прохо-
ждения (см. разд. 3.1.9)
2.1.4. Комбинированные методы
Эти методы содержат признаки как
методов отражения, так и методов прохо-
ждения.
Зеркально-теневой (ЗТ) метод осно-
ван на измерении амплитуды донного сиг-
нала. На рис. 2.6, а отраженный луч пока-
зан смещенным в сторону. По технике
выполнения (фиксируется эхосигнал) - это
метод отражения, а по физической сущно-
сти (измеряют ослабление дефектом сиг-
нала, дважды прошедшего ОК) он близок
к теневому методу, поэтому его относят не
к методам прохождения, а к комбиниро-
ванным методам.
ЗТ-метод часто применяют совместно
с эхометодом. Наблюдают одновременно
за появлением эхосигналов и возможным
ослаблением донного сигнала дефектами,
которые не дают четких эхосигналов и
плохо выявляются эхометодом. Это может
быть скопление очень мелких дефектов
или дефект, расположенный так, что от-
отраженный от него сигнал уходит в сто-
рону и не попадает на приемный преобра-
зователь.
Эхотеневой метод основан на анали-
зе как прошедших, так и отраженных волн
(рис. 2.6, б).
Эхосквозной метод (рис. 2.6, в). Из-
лучатель и приемник располагают по раз-
ные стороны от ОК. Наблюдают сквозной
сигнал /, сигнал //, двукратно отраженный
в изделии, а в случае появления полупро-
зрачного дефекта - также эхосквозные
сигналы III и IV, соответствующие отра-
жениям от дефекта волн, идущих от верх-
ней и нижней поверхностей ОК. Большой
непрозрачный дефект обнаруживают по
исчезновению сигнала /, т.е. теневым ме-
тодом, а также сигнала //, т.е. методом
многократной тени. Полупрозрачные или
небольшие дефекты обнаруживают по
появлению эхосквозных сигналов /// и IV.
Реверберационно-сквозной (аку-
стико-ультразвуковой) метод сочетает
признаки метода многократной тени и УЗ-
реверберационного методов. На ОК не-
большой толщины на некотором расстоя-
нии друг от друга устанавливают прямые
излучающий и приемный преобразовате-
ли. Излученные импульсы продольных
волн после многократных отражений от
Рис. 2.6. Комбинированные методы:
а - ЗТ; б - эхотеневой; в - эхосквозной; 1 - излучатель; 2 - ОК; 3 - приемник
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ. СПОСОБЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТАКТА 137
стенок ОК достигают приемника. Наличие
в ОК неоднородностей меняет условия
прохождения импульсов. Дефекты регист-
рируют по изменению амплитуды и спек-
тра принятых сигналов. Метод применяют
для контроля изделий из ПКМ и соедине-
ний в многослойных конструкциях.
2.1.5. Методы собственных колебаний
Эти методы основаны на возбужде-
нии в ОК вынужденных или свободных
колебаний и измерении их параметров:
собственных частот и величины потерь.
Свободные колебания возбуждают
путем кратковременного воздействия на
ОК (например, механическим ударом),
после чего он колеблется в отсутствии
внешних воздействий.
Вынужденные колебания создают
воздействием внешней силы с плавно из-
меняемой частотой (иногда применяют
длинные импульсы с переменной несущей
частотой). Регистрируют резонансные час-
тоты по увеличению амплитуды колеба-
ний при совпадениях собственных частот
ОК с частотами возмущающей силы. Под
влиянием возбуждающей системы в неко-
торых случаях собственные частоты ОК
немного изменяются, поэтому резонанс-
ные частоты несколько отличаются от
собственных. Параметры колебаний изме-
ряют, не прекращая действия возбуждаю-
щей силы.
Различают интегральные и локаль-
ные методы. В интегральных методах ана-
лизируют собственные частоты ОК как
единого целого, в локальных - отдельных
его участков. Информативными парамет-
рами служат значения частот, спектры
собственных и вынужденных колебаний, а
также характеризующие потери доброт-
ность и логарифмический декремент зату-
хания.
Интегральные методы свободных и
вынужденных колебаний предусматрива-
ют возбуждение колебаний во всем изде-
лии или значительном его участке. Мето-
ды применяют для контроля физико-меха-
б)
Рис. 2.7. Методы собственных колебаний:
а - локальный низкочастотный; б - локальный
резонансный; 1 - генератор; 2 - вибратор;
3 - ОК; 4 - приемник; 5 - усилитель;
6 - спектроанализатор; 7 - модулятор частоты;
8 - излучатель-приемник, 9 - регистратор
резонансов
нических свойств изделий из бетона, ке-
рамики, металлического литья, абразив-
ных и других материалов, а также для сор-
тировки деталей сходной формы, но раз-
личных размеров. Эти методы не требуют
сканирования и отличаются высокой про-
изводительностью, но не дают информа-
ции о месте расположения и характере
дефектов.
Локальный метод свободных коле-
баний (рис. 2.7, а) основан на возбужде-
нии свободных колебаний на небольшом
участке ОК. Метод применяют для кон-
троля слоистых конструкций по измене-
нию спектра частот в части изделия, воз-
буждаемой путем удара; для измерения
толщин (особенно малых) труб и других
ОК посредством воздействия кратковре-
менным акустическим импульсом.
Локальный метод вынужденных
колебаний (УЗ-резонансный метод) ос-
нован на возбуждении колебаний, частоту
которых плавно изменяют. Для возбужде-
ния и приема УЗ-колебаний используют
совмещенный (рис. 2.7, б) или раздельные
(см. рис. 2.7, а) преобразователи. При сов-
падении частот возбуждения с собствен-
ными частотами ОК (нагруженного прие-
мопередающим преобразователем) в сис-
теме возникают резонансы. Изменение
толщины вызовет смещение резонансных
частот, появление дефектов - исчезнове-
ние резонансов (если дефект наклонный к
поверхности изделия) или изменение их
частот (если дефект параллелен поверхно-
138
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
сти). Этим методом можно проверять
очень тонкие изделия, недоступные кон-
тролю эхометодом. Используют также
иммерсионный вариант резонансного ме-
тода.
В несколько измененном виде резо-
нансный метод применяют для контроля
качества клеевых соединений в много-
слойных конструкциях (см. разд. 4.7 и
7.57).
Акустико-топографический метод
имеет признаки как интегрального, так и
локального методов. Он основан на воз-
буждении в ОК интенсивных изгибных
колебаний непрерывно меняющейся час-
тоты и регистрации распределения ампли-
туд упругих колебаний на поверхности
контролируемого объекта с помощью на-
носимого на поверхность мелкодисперси-
онного порошка. На дефектном участке
оседает меньшее количество порошка, что
объясняется увеличением амплитуды его
колебаний в результате резонансных яв-
лений. Метод применяют для контроля
соединений в многослойных конструкци-
ях: биметаллических листах, сотовых па-
нелях и т.п.
2.1.6. Импедансные методы
Эти методы основаны на анализе из-
менения механического импеданса или
входного акустического импеданса участ-
ка поверхности ОК, с которым взаимодей-
ствует преобразователь. Внутри группы
методы разделяют по типам возбуждае-
мых в ОК волн и по характеру взаимодей-
ствия преобразователя с ОК. В качестве
примера на рис. 2.8 представлен импе-
дансный метод с возбуждением изгибных
волн. Генератор 1 возбуждает продоль-
ные гармонические колебания преобразо-
вателя (стержня) с помощью излучателя 2.
Эти колебания трансформируются в из-
гибные колебания ОК 3. Элемент 4 - при-
емник, 5 - усилитель. Изменение режима
колебаний фиксируется индикатором 6.
Наличие дефекта (непроклея, непро-
пая, расслоения) вблизи поверхности ОК 3
уменьшает модуль входного механическо-
го импеданса ОК. Дефекты отмечают по
Рис. 2.8. Импедансный метод
изменению амплитуды и фазы выходного
сигнала. Применяют также импульсный
вариант метода и способ, основанный на
использовании продольных волн.
Метод применяют для контроля де-
фектов соединений в многослойных кон-
струкциях. Его используют также для
измерения твердости и других физико-
механических свойств материалов. Импе-
дансные методы подробно будут описаны
в разд. 2.5.
2.1.7. Пассивные методы контроля
Акустико-эмиссионный метод ос-
нован на регистрации упругих волн, воз-
никающих в результате акустической
эмиссии (АЭ). Это явление состоит в обра-
зовании акустических волн при динамиче-
ской внутренней локальной перестройке
структуры материала ОК. Акустические
(обычно УЗ) волны возникают в процессе
появления и развития трещин в ОК 3 (рис.
2.9), а также при перестройке кристалли-
ческой структуры его материала (напри-
мер, при мартенситном превращении гам-
ма-железа в альфа-железо в процессе за-
калки), движении нарушений кристалли-
ческой структуры (дислокаций). При уда-
рах, трении других тел о поверхность ОК
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ. СПОСОБЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТАКТА 139
также возникают упругие волны, но это не
волны АЭ, а помехи, так как они не связа-
ны с внутренними процессами в материа-
ле.
Акустико-эмиссионный метод рас-
смотрен в отдельном томе энциклопедии.
Здесь отметим, что приборы для контроля
акустико-эмиссионным методом обычно
делают многоканальными. Приемники 4
улавливают упругие волны. Сигналы про-
ходят через усилители 2 и поступают в
блок обработки информации 7, который
помогает выделению сигналов от трещин
на фоне помех и формирует изображение
на экране участка ОК с сигналами от раз-
вивающейся трещины.
Основное применение данного мето-
да - наблюдение за возникновением и раз-
витием трещин при испытаниях или экс-
плуатации. Метод используют также для
исследования процессов сварки, механо-
обработки, коррозии, механических испы-
таний образцов и т.д.
Вибрационно-диагностический ме-
тод основан на измерении вибрации како-
го-либо узла или детали ОК (ротора, под-
шипника и т.п.) с помощью приемников
контактного типа.
Шумодиагностический метод со-
стоит в анализе спектра шумов работаю-
щего механизма (редуктора, двигателя,
станка) на слух или с помощью микрофон-
ных и других приемников и приборов -
анализаторов спектра.
Подводя итоги краткого рассмотре-
ния методов АК, можно сделать вывод,
что по частотному признаку все рассмот-
ренные акустические методы делят на
низко- и высокочастотные. К первым из
них относят методы, использующие коле-
бания в звуковом и низкочастотном УЗ-
диапазонах (приблизительно до 100 кГц),
ко вторым - методы, использующие коле-
бания в высокочастотном УЗ-диапазоне:
обычно 0,5 ... 100 МГц.
Применение низко- и высокочастот-
ных методов определяется в основном
величиной затухания упругих волн в ма-
териалах ОК. Низкочастотные методы
служат для контроля ОК из материалов с
большим затуханием упругих волн: арми-
рованных и неармированных пластиков,
140
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
бетона, древесины, а также многослойных
клееных конструкций. Высокочастотные
методы используют главным образом для
контроля ОК из материалов с малым зату-
ханием упругих волн: металлов, фарфора,
керамики, некоторых видов армированных
и неармированных пластиков и т.п.
Из рассмотренных методов АК наи-
большее практическое применение нахо-
дит эхометод. Около 80 % объектов, кон-
тролируемых акустическими методами,
проверяют эхометодом. С его помощью
решают задачи дефектоскопии поковок,
литья, сварных соединений, многих неме-
таллов. Эхометод служит для измерения
толщины объектов при одностороннем
доступе, оценки физико-механических
свойств материалов. Другие методы АК
применяют для решения задач контроля,
где использование эхометода невозможно,
нерационально, либо их применяют в ка-
честве дополнительных методов для полу-
чения более полной информации об ОК.
2.1.8. Классификация приборов
НК по назначению
По назначению УЗ-приборы (как и
другие приборы НК) подразделяют на:
дефектоскопы, предназначенные в
основном для обнаружения дефектов типа
несплошностей;
толщиномеры, рассчитанные на из-
мерение толщины стенок изделий при
доступе с одной стороны или для контро-
ля толщины слоев покрытий на поверхно-
сти изделий;
анализаторы физико-механических
характеристик материалов, например
структуромеры (для определения сред-
них размеров зерен металла, формы гра-
фитовых включений в чугунах), твердо-
меры (для измерения твердости поверхно-
сти материалов акустическими способа-
ми), тензометры (для измерения напря-
жений и деформаций в изделии по изме-
нению скорости УЗ), измерители упругих
свойств и прочности (также по скорости
УЗ) и др. Часто все приборы этого назна-
чения объединяют названием "структу-
ромеры''.
2.1.9. Способы акустического контакта
Как отмечалось в гл. 1, УЗ-волны от-
ражаются от тончайших воздушных зазо-
ров, поэтому, чтобы ввести их в ОК, при-
нимают определенные меры. Далее систе-
матически излагаются различные способы
акустического контакта между преобразо-
вателем и ОК.
Контактный способ. В этом способе
преобразователь прижимают к поверхно-
сти ОК (рис. 2.10, а), предварительно сма-
занной контактной жидкостью (маслом,
глицерином, обойным клеем и т.п.). Жид-
кость должна быть безвредной для дефек-
тоскописта, обладать хорошими смачи-
вающими свойствами и не вызывать кор-
розии ОК. Вода не обладает последними
двумя свойствами, поэтому ее применяют
редко.
Для улучшения контакта используют
преобразователи с эластичным протекто-
ром (слоем, закрывающим пьезопластину) -
пленкой из маслостойкой резины или дру-
гого материала, облегающего неровности
поверхности ОК (рис. 2.10, б). При этом
контактной жидкости иногда не применяют.
Иммерсионный способ, в котором
между преобразователем и поверхностью
ОК вводят толстый слой жидкости. Тол-
щина его во много раз превышает длину
волны. При этом либо изделие целиком
погружают в иммерсионную ванну
(рис. 2.10, в), либо используют струю во-
ды (струйный контакт, рис. 2.10, г), либо
применяют локальную ванну для части ОК
(рис. 2.10, <Э). Используют также локаль-
ную иммерсионную ванну, контактирую-
щую с изделием через эластичную мем-
брану (рис. 2.10, е).
Иммерсионный способ контакта
применяют, когда очень важна стабиль-
ность акустического контакта, например
при контроле методом прохождения или
эхосквозным методом. В качестве иммер-
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ. СПОСОБЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТАКТА 141
Рис. 2.10. Способы акустического контакта для высокочастотных преобразователей:
1 - преобразователь; 2 - изделие; 3 - эластичный протектор; 4 - иммерсионная ванна;
5 - сальники; 6 - эластичная мембрана; 7 - ограничитель
сионной жидкости в большинстве случаев
используют воду, в которую добавляют
ингибиторы коррозии, а также вещества,
улучшающие смачивание. Иммерсионная
жидкость не должна содержать воздуш-
ных пузырьков.
Щелевой способ контакта преду-
сматривает создание между преобразова-
телем и поверхностью ОК зазора толщи-
ной около длины волны УЗ. Жидкость
удерживается в зазоре силами поверхно-
стного натяжения (рис. 2.10, ж).
Сухой контакт применяют в основ-
ном в катящихся преобразователях. Их
снабжают шинами из эластичного мате-
риала (например, полиуретана, резины),
который при прижатии к ОК заполняет
неровности его поверхности.
Сухой точечный контакт реализу-
ется через сферическую или остроконеч-
ную поверхность наконечника преобразо-
вателя (см. разд. 2.5.1). Сферическую по-
верхность используют в преобразователях,
предназначенных для плавного сканиро-
вания, остроконечную - для дискретного.
Этот тип контакта применяют в основном
в низкочастотных акустических дефекто-
скопах, УЗ-твердомерах и приборах для
контроля бетона.
Бесконтактный способ, в котором
акустические колебания в ОК возбужда-
ются через слой воздуха (воздушно-
акустическая связь) или с помощью элек-
тромагнитных, оптико-тепловых и других
явлений (рис. 2.10, з), как рассмотрено в
разд. 1.2.4. Бесконтактные способы обыч-
но имеют чувствительность, значительно
меньшую, чем контактные. Иммерсион-
ный способ также обеспечивает чувстви-
тельность, в 10 ... 100 раз меньшую кон-
тактного.
2.1.10. Преимущества и недостатки АК
по сравнению с другими методами
Основные преимущества АК следу-
ющие.
• Реакция УЗ непосредственно на
причину нарушения прочности. Все дру-
гие методы НК используют явления, осно-
ванные на косвенном влиянии дефекта на
электромагнитное поле или пробное веще-
142
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
ство. По-другому обстоит дело в УЗ-де-
фектоскопии: сам факт распространения
УЗ-волн основан на упругих связях в ве-
ществе. Именно упругие связи обеспечи-
вают прочность твердого тела. Появление
дефекта нарушает эти связи и вызывает
отражение УЗ. Именно поэтому УЗ спосо-
бен выявлять трещины раскрытием 10'5 ...
10'4 мм (более тонкие, чем любой другой
неразрушающий метод), а также обнару-
живать дефекты, заполненные другим ве-
ществом.
• Возможность контроля изделий из
самых различных металлических и неме-
таллических материалов (от сталей до пе-
нопластов) независимо от их электропро-
водности, диэлектрической и магнитной
проницаемости.
• Способность УЗ проникать в мате-
риалы с однородной мелкозернистой
структурой на расстояния в несколько
метров и обнаруживать в них дефекты -
рекордно большая толщина для методов
НК.
• Возможность выявления как по-
верхностных, так и внутренних дефектов.
Все другие методы НК (кроме радиацион-
ного) обнаруживают только поверхност-
ные и подповерхностные дефекты.
• Безопасность для исполнителей и
окружающих.
• Сравнительно небольшие затраты
на контроль. Кроме контактной жидкости
и довольно долговечных преобразователей
никаких расходных материалов не требу-
ется.
• Мобильность и адаптивность: воз-
можность выполнять контроль, например,
на высоте, в монтажных условиях, в ши-
роком диапазоне температур.
• Относительная легкость автомати-
зации. В этом отношении АК уступает
только вихретоковому методу и магнит-
ному методу с электромагнитными преоб-
разователями.
Основные недостатки акустических
методов, относящиеся прежде всего к вы-
сокочастотным методам:
• трудность или невозможность кон-
троля изделий из неоднородных, крупно-
зернистых материалов (нетермообрабо-
танных литых металлов, например аусте-
нитных сталей, некоторых типов чугунов
и т.п.);
• требование ровной, гладкой по-
верхности ввода изделия;
• трудность или невозможность кон-
троля изделий малых размеров и сложной
конфигурации;
• при традиционном ручном контро-
ле - отсутствие объективного документа о
факте выполнения контроля и его резуль-
татах, подобного рентгеновской пленке;
• трудность или невозможность оп-
ределения характера дефекта и его реаль-
ных размеров.
Особенностью УЗ-контроля (в боль-
шей степени, чем других неразрушающих
методов) является то, что дефекты обна-
руживаются и правильно квалифицируют-
ся с определенной степенью вероятности,
т.е. не со 100 %-ной достоверностью. При-
чины этого заключаются как в субъектив-
ных ошибках дефектоскописта, так и в
ошибках объективных, т.е. не зависящих
от дефектоскописта и аппаратуры. Эти
ошибки связаны с особенностью дифрак-
ции УЗ на несплошностях и со специфи-
кой материала ОК. В ЦНИИТмаше создан
учебный курс "Ультразвуковая дефекто-
скопия - вероятностный аспект" [349] на
лазерном диске. В нем особое внимание
обращено на факторы, влияющие на дос-
товерность обнаружения; точность изме-
рения величины дефектов и различные
ошибки, возникающие при контроле. Да-
ны практические рекомендации по повы-
шению достоверности контроля.
Отмеченные недостатки АК в значи-
тельной степени преодолеваются благодаря
техническим достижениям последнего вре-
мени, в частности современным способам
обработки, хранения и представления ин-
формации. Основные из них будут рассмот-
рены в следующих разделах этой книги.
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
143
2.2. ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ
ОТРАЖЕНИЯ
2.2.1. Аппаратура для контроля
методами отражения
2.2.1.1. Импульсный дефектоскоп
Для контроля всеми методами отра-
жения применяют импульсную УЗ-ап-
паратуру: эходефектоскопы, толщиноме-
ры и структуромеры. Все они используют
общий принцип, однако толщиномеры
обладают более простой схемой и кон-
струкцией. Рассмотрим работу УЗ-эходе-
фектоскопа. Его упрощенная структурная
схема и функции основных узлов изложе-
ны в разд. 2.1.2 (см. рис. 2.2). Рассмотрим
более подробно особенности этих, а также
ряда вспомогательных узлов.
Генератор зондирующих импуль-
сов 7 (см. рис. 2.2) содержит два основных
элемента: колебательный контур, вклю-
чающий в себя излучающий электронно-
акустический преобразователь - ЭАП
(пьезопреобразователь), и электронную
схему, обеспечивающую генерацию ко-
ротких радиоимпульсов той или иной
формы. В колебательном контуре парал-
лельно или последовательно пьезоэлемен-
ту включены индуктивность и активное
сопротивление. Иногда применяют транс-
форматорную связь.
Чаще всего используют схему удар-
ного возбуждения колебаний контура, в
упрощенном виде показанную на
рис. 2.11, а. Резонансную частоту контура
с помощью индуктивности L подбирают
равной антирезонансной частоте пьезо-
пластины 77 (см. разд. 1.2.2). Сопротивле-
ние резистора R определяет добротность
контура. Накопительный конденсатор Сн
заряжают от высокого напряжения 1/„.
По команде синхронизатора откры-
вают тиристор Т, через который этот кон-
денсатор разряжается и возбуждает коле-
бания в контуре. Форма возбуждаемых
таким способом электрических зондиру-
ющих импульсов показана на рис. 2.11, б.
Фронт ударного импульса определяется
быстрым процессом разряда накопитель-
ного конденсатора. Ему соответствуют
высокочастотные составляющие спектра
импульса, значительно превышающие
рабочую частоту дефектоскопа и выходя-
щие за пределы полосы пропускания час-
тот ЭАП.
В результате излучаемый в изделие
акустический зондирующий импульс имеет
Рис. 2.11. Ударный генератор, формы импульсов:
а - схема генератора; б - ударный импульс, возбуждаемый этим генератором; в - импульс
на приемнике; г - видеоимпульсы; д - колоколообразный импульс; UH - напряжение питания;
(73 - напряжение запуска
144
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
форму, близкую к колоколообразной
(рис. 2.11, в). Амплитуда первого полупе-
риода колебаний ударного возбуждающе-
го импульса обычно ~300 ... 500 В. Однако
эффективно действующая амплитуда
спектральной составляющей на рабочей
частоте значительно меньше (30 ... 50 В)
ввиду несоответствия полос частот им-
пульса и преобразователя.
В настоящее время часто применяют
генераторы, вырабатывающие импульсы
колоколообразной формы (рис. 2.11, д), ко-
торая характеризуется наиболее узким
спектральным составом при заданной дли-
тельности, или импульсы, содержащие
один, два или более периодов колебаний
постоянной амплитуды. Это повышает
коэффициент полезного действия генера-
тора.
Амплитуду электрического возбуж-
дающего импульса ограничивает напря-
женность переменного электрического
поля Ет (см. разд. 1.2.1), которую может
выдержать пьезопластина без пробоя или
разрушения. Для ЦТС-19 эта величина
составляет ~3000 В/мм. Однако линейный
рост амплитуды акустического сигнала
наблюдают при повышении напряженно-
сти приблизительно до 300 В/мм. С уче-
том того, что пьезопластину делают полу-
волновой, варьируя ее толщину в зависи-
мости от частоты, предельное напряжение
питания зависит от частоты: Uo = Emh\ =
= £’mc1/(2/1), где Aj и q - толщина и ско-
рость звука в пластине. Считая макси-
мальную частоту равной 10 МГц, найдем
Uo ® 500 В. Поскольку дефектоскоп дол-
жен надежно работать со всеми преобра-
зователями, входящими в комплект, мак-
симальную амплитуду Uo ограничивают
этой величиной.
Низкочастотные дефектоскопы име-
ют генераторы с более высоким напряже-
нием. Данное обстоятельство также ука-
зывает на неэффективность ударных гене-
раторов. Отметим, что пьезокерамика типа
ПКР (изготовитель - Ростовский государ-
ственный университет) выдерживает без
пробоя и разрушения значительно боль-
шие напряженности поля ЕТ, чем ЦТС-19.
Приемно-усилительный тракт де-
фектоскопа ] (см. рис. 2.2) содержит по-
следовательно соединенные узлы: преду-
силитель, измеритель амплитуд сигналов,
усилитель высокой частоты (УВЧ), детек-
тор и видеоусилитель. Предусилитель
обеспечивает согласование усилительного
тракта с приемным преобразователем. Его
входное сопротивление должно быть
больше эквивалентного электрического
сопротивления ЭАП, которое, как показы-
вают оценки (см. пример 1.11), для преоб-
разователя из ЦТС на частоте 1 ... 5 МГц
составляет 20 ... 40 Ом. Коэффициент уси-
ления предусилителя < 20 дБ. Некоторые
дефектоскопы не имеют предусилителя.
В предусилитель входит ограничи-
тель амплитуды, предохраняющий усили-
тель от перегрузок, связанных с воздейст-
вием электрического зондирующего им-
пульса (когда ЭАП включен по совмещен-
ной схеме). Он шунтирует сигналы, ам-
плитуда которых превосходит определен-
ный уровень, но практически не искажает
сигналы меньшей амплитуды, соответст-
вующие эхосигналам от дефектов и дру-
гих отражателей.
Амплитуды сигналов измеряют с по-
мощью калиброванного делителя напря-
жения - аттенюатора. Измерение состо-
ит в сравнении между собой амплитуд
двух или нескольких сигналов в относи-
тельных единицах или децибелах (см.
разд. 1.1.1). Аттенюатор располагают на
входе приемно-усилительного тракта по-
сле предусилителя для того, чтобы иска-
жение амплитуд поступивших на него
сигналов было минимальным. Требуемый
диапазон измерения обычно < 100 дБ.
В последнее время применяют авто-
матические измерители амплитуды с циф-
ровой индикацией. Иногда в них амплиту-
ду пересчитывают в величину, характери-
зующую размер дефекта (эквивалентную
площадь) и представляют ее на цифровом
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
145
табло. Поскольку пересчет должен выпол-
няться по разным законам в зависимости
от типа преобразователя и характеристики
материала ОК (см. разд. 2.2.2), измеритель
требует предварительной настройки. При
перемещении преобразователя по ОК ам-
плитуда эхосигнала от дефекта изменяет-
ся, но автоматический измеритель можно
настроить так, что он будет фиксировать
максимальное значение амплитуды.
Усилитель высокой частоты имеет
коэффициент усиления 60 ... 100 дБ. Раз-
личают узко- и широкополосные усилите-
ли. Узкополосные УВЧ, обладающие вы-
сокой помехоустойчивостью, имеют поло-
су пропускания частот > О,2/о (где /о - ра-
бочая частота), что обеспечивает сравни-
тельно небольшое искажение сигналов в
приемном тракте. Недостаток узкополос-
ных усилителей заключается в необходи-
мости перестройки частотного диапазона
при изменении рабочей частоты прибора.
В этом отношении обладают преимущест-
вом широкополосные усилители, хотя они
сложнее по схеме и менее помехоустойчи-
вы.
Усиленные высокочастотные сигна-
лы поступают к детектору, на нагрузке
которого выделяются огибающие радио-
импульсов. Про детектированные сигналы
(рис. 2.11, г) подают на видеоусилитель с
коэффициентом усиления ~ 20 дБ. В неко-
торых приборах детектор можно выклю-
чить и наблюдать на экране недетектиро-
ванные импульсы с сохранением высоко-
частотных (т.е. УЗ) колебаний в них.
Важная характеристика усилителя -
его динамический диапазон, т.е. отноше-
ние амплитуд максимального и мини-
мального сигналов, усиливаемых и на-
блюдаемых на экране без искажения.
Приборы с большим динамическим диапа-
зоном > 20 дБ позволяют правильно оце-
нивать соотношение амплитуд сигналов
на экране даже без применения аттенюа-
тора.
В большинстве дефектоскопов изо-
бражение на экране пропорционально ам-
плитудам импульсов. Однако в некоторых
приборах используют логарифмические
усилители. В таких приборах амплитуды
видимых на экране сигналов пропорцио-
нальны их значениям в децибелах. Благо-
даря этому такой прибор обладает очень
большим динамическим диапазоном (до
60 дБ), но с его помощью трудно заметить
небольшое изменение амплитуд и отдель-
но зафиксировать два близко расположен-
ных импульса.
Помимо калиброванного аттенюатора
импульсные дефектоскопы имеют ряд
других регуляторов чувствительности.
К ним относят регулятор амплитуды зон-
дирующего импульса, некалиброванный
регулятор чувствительности усилителя и
отсечку. Отсечка (ограничение сигналов
снизу) достигается изменением порогово-
го уровня детектора. Благодаря этому от-
секают все небольшие импульсы, ампли-
туда которых меньше выбранной порого-
вой величины (обычно это помехи).
Применение отсечки искажает реаль-
ное соотношение амплитуд продетектиро-
ванных сигналов и сужает динамический
диапазон прибора. В связи с этим приме-
няют систему так называемой компенси-
рованной отсечки, которая обеспечивает
восстановление амплитуд сигналов, ока-
завшихся выше уровня отсечки, до перво-
начальной величины.
Если в усилителе отсутствует отсечка
или она сделана компенсированной, то
амплитуду в пределах динамического
диапазона (< 20 дБ) можно измерять пря-
мо по экрану дефектоскопа, на который
иногда наносят соответствующую шкалу.
Если некомпенсированная отсечка введе-
на, то можно лишь сравнивать амплитуды
сигналов по принципу "больше - меньше",
но измерять их по экрану нельзя.
Измерение амплитуды по экрану де-
фектоскопа обычно выполняется в отно-
сительных единицах, а не в децибелах, за
исключением случаев применения лога-
146
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.12. Типичное изображение
на экране эходефектоскопа:
1 - зондирующий импульс; 2 - помехи
преобразователя; 3 ~ строб-импульс автомати-
ческого сигнализатора дефектов;
4 - структурные помехи; 5 - эхосигнал от
дефекта; б - донный сигнал
рифмического усилителя или когда узкий
интервал (обычно в пределах ± 2 дБ) вбли-
зи стандартного уровня проградуирован в
децибелах. Это сделано в некоторых де-
фектоскопах, у которых слишком большая
цена деления аттенюатора (2 дБ или более).
Измерение амплитуд аттенюатором
более точное, чем по экрану, и выполняет-
ся во всем диапазоне амплитуд сигналов
независимо от наличия отсечки. В про-
стейшем случае измерение состоит в том,
что, регулируя усиление аттенюатором и
не меняя положение других ручек,
влияющих на чувствительность, амплиту-
ды всех измеряемых сигналов последова-
тельно подводят к одной и той же линии
на экране, называемой стандартным
уровнем. Цифры на шкале аттенюатора
указывают, насколько пришлось ослабить
сигнал, чтобы он достиг стандартного
уровня, или, что одно и то же, насколько
был велик сигнал на входе усилителя до
ослабления.
Опишем измерение амплитуды де-
фектоскопом УД2-12, широко распростра-
ненным в России. В нем имеется два из-
мерителя амплитуд сигналов: кнопочный
аттенюатор и автоматический измеритель
амплитуд. Цифровое значение амплитуд с
автоматического измерителя выводится на
табло блока цифровой обработки (БЦО).
В качестве стандартного уровня удобно
выбрать верхний край экрана. Когда ам-
плитуда измеряемого импульса достигает
верхнего края (но не превышает его), таб-
ло БЦО показывает 0 дБ, середины экрана -
6 дБ, 1/4 экрана соответствует 12 дБ. При
измерениях сумма децибелов на отжатых
кнопках аттенюатора и на табло БЦО по-
казывает амплитуду сигнала.
Если нужно сравнить амплитуды
двух импульсов, видимых на экране УДО-12,
то это удобно сделать с помощью БЦО, не
пользуясь кнопочным аттенюатором. БЦО
измеряет амплитуду только первого эхо-
сигнала, попавшего в строб-импульс
(П-образный растянутый импульс на экра-
не) и превышающего 1/4 высоты экрана.
Следует установить строб-импульс под
меньшим сигналом и записать показание в
децибелах. Затем установить строб-
импульс под большим сигналом и опять
записать показание. Разность укажет, на
сколько децибелов один сигнал больше
другого.
Генератор развертки 9 (см. рис. 2.2)
позволяет разделять эхосигналы по време-
ни их прихода. Развертка типа А описана
в разд. 2.1.2. Как там отмечено, она соот-
ветствует отображению на экране УЗ-
дефектоскопа информации двух видов.
Горизонтальная линия (линия развертки
дефектоскопа) соответствует времени
пробега импульса в изделии, а время про-
порционально пути импульса. Высота пи-
ков (импульсов) пропорциональна ампли-
тудам эхосигналов.
Таким образом, по горизонтальной
шкале, совмещенной с линией развертки,
определяют длину пути импульса в изде-
лии от излучателя до отражателя и обрат-
но к приемнику, а по вертикальной оцени-
вают отражательную способность дефекта
или другого объекта.
На рис. 2.12 показано реальное изо-
бражение на экране дефектоскопа и даны
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
147
Рис. 2.13. Типы разверток эходефектоскопа:
а - процесс сканирования; б - Л-развертка: в - 5-развертка (справа - Л-развертка);
г - С-развертка
названия наблюдаемым импульсам, реко-
мендованные ГОСТ 23829-85.
Часто применяют задержанную А-
развертку, которая начинается не от зон-
дирующего импульса, а позднее. Таким
образом, исключают время пробега им-
пульса в протекторе, призме преобразова-
теля, части металла изделия, не подлежа-
щей контролю. Иногда такую развертку
называют лупой времени, потому что она
позволяет растянуть во всю ширину экра-
на сравнительно небольшой интервал раз-
вертки, где близко расположено много
импульсов. Эта система особенно полезна
при большой толщине ОК. Если развертка
включена без задержки, то такой режим
называют контролем от поверхности.
Развертка типа В (В-развертка)
представляет как бы поперечное сечение
изделия поверхностью, определяемой лу-
чом преобразователя при его перемеще-
нии по ОК. Например, если прямой преоб-
разователь перемещают по прямой линии,
то луч от него образует секущую плос-
кость на рис. 2.13, в, проходящую через
штриховую линию.
Для получения этой развертки линию
Л-развертки на экране обычно направляют
сверху вниз и подсвечивают в моменты
прихода эхосигналов. По мере перемеще-
ния преобразователя линия Л-развертки
смещается на экране в горизонтальном
направлении. Подсвеченные точки сохра-
няются на экране и образуют линии, соот-
ветствующие поверхности ввода (зонди-
рующие импульсы), отражающей поверх-
ности дефекта и донному сигналу, преры-
вающемуся там, где его затеняет дефект.
Развертка типа С (С-развертка)
представляет план расположения дефектов
(рис. 2.13, г). Иногда выделяют опреде-
ленный слой по толщине ОК и на
С-развертке показывают только дефекты,
расположенные в этом слое.
Развертка типа D (D-развертка) -
это разновидность В-развертки. При кон-
троле сварных соединений В-разверткой
называют поперечное сечение шва, а
£>-разверткой - его продольное сечение.
Применяют также комбинированные
развертки. Например, на рис. 2.13, в спра-
148
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
ва показана Л-развертка, соответствующая
одной из линий Д-развертки. Л-развертка
удобна тем, что по ней можно судить об
амплитудах эхосигналов.
Чтобы получить В-, С- и D-развертки,
нужно обеспечить связь положения пре-
образователя на поверхности ОК с изо-
бражением на экране. С этой целью обыч-
но применяют автоматические устройства
для механического перемещения преобра-
зователя или используют бесконтактные
типы связи положения преобразователя с
изображением на экране. Все это услож-
няет аппаратуру. В некоторых дефекто-
скопах связи положения преобразователя
с изображением на экране не делают, но
движение преобразователя и формирова-
ние развертки на экране синхронизируют
по времени, исходя из средней скорости
перемещения преобразователя рукой
дефектоскописта.
Не следует ожидать, что изображения
дефектов на В-, С- и D-развертках точно
соответствуют истинной форме дефектов.
Очертания изображений зависят от шири-
ны раскрытия пучка УЗ-лучей. Дефекты,
меньшие ширины раскрытия пучка, изо-
бражаются на этих развертках точками
приблизительно одинакового размера.
Разверткой типа М (М-разверткой)
называют Л-развертку с запоминанием
изменения амплитуды эхосигнала на экра-
не при изменении времени пробега им-
пульса. В результате получают на экране
временную огибающую эхосигнала (см.
разд. 2.2.2). Этот тип развертки иногда
называют "заморозкой”.
Синхронизатор 8 (см. рис. 2.2) дает
сигналы на выработку электрических зон-
дирующих импульсов и определяет после-
довательность включения узлов дефек-
тоскопа относительно момента посылки
зондирующего импульса. Синхронизатор
представляет собой автоколебательную
импульсную систему. Его обычно выпол-
няют по схеме мультивибратора или деле-
нием частоты тактового генератора,
управляющего микропроцессором.
Частоту генерируемых синхрониза-
тором запускающих импульсов (частоту
посылок) выбирают в зависимости от за-
дач контроля в пределах 50 ... 8000 Гц.
В некоторых дефектоскопах ее регулиру-
ют. Так как частота синхронизатора опре-
деляет период следования зондирующих
посылок, то с позиций увеличения скоро-
сти контроля (а следовательно, и его про-
изводительности при автоматическом
контроле) ее желательно выбирать воз-
можно большей. Однако она ограничива-
ется быстротой затухания УЗ и толщиной
ОК, поскольку необходимо, чтобы им-
пульс, излученный в ОК, полностью затух
до возбуждения следующей посылки. В
противном случае могут возникнуть ме-
шающие импульсы - фантомы (см. разд.
2.2.3.2).
В некоторых приборах функции син-
хронизатора выполняет генератор зонди-
рующих импульсов.
Экран дефектоскопа 5 - основной
индикатор принятых сигналов. В дефекто-
скопах ранних выпусков это, как правило,
электронно-лучевая трубка. В современ-
ных дефектоскопах экраны жидкокри-
сталлические или катодолюминесцентные.
Далее рассматриваются дополни-
тельные узлы дефектоскопа, не показан-
ные на рис. 2.2.
Систему временной регулировки
чувствительности (ВРЧ) правильнее на-
звать временной автоматической регули-
ровкой усиления или корректировкой ам-
плитуды с расстоянием (по-английски -
DAC: distance amplitude correction). Она
предназначена для автоматической регу-
лировки коэффициента усиления прием-
ника таким образом, чтобы амплитуды
эхосигналов от одинаковых дефектов при
изменении расстояний от преобразователя
до дефектов не меняли своей амплитуды.
ВРЧ компенсирует ослабление им-
пульса, обусловленное дифракционным
расхождением и затуханием. Исходя из
этого, закон изменения усиления должен
быть обратным закону убывания амплитуд
отраженных сигналов от одних и тех же
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
149
по размерам дефектов по мере их удале-
ния от преобразователя. Эти законы - раз-
ные для отражателей различных формы и
размеров (см. разд. 2.2.2.1 и табл. 2.1).
В простых по устройству дефекто-
скопах, в частности УД2-12, предусматри-
вается регулировка ВРЧ по длительности
действия вдоль линии развертки и по ве-
личине изменения чувствительности.
Кроме того, может задаваться закономер-
ность изменения с расстоянием, отличаю-
щаяся от линейной зависимости. Однако
заложенные в УД2-12 закономерности
изменения чувствительности с расстояни-
ем плохо соответствуют требуемым: кри-
вая изменения чувствительности с рас-
стоянием выпуклая, а на больших рас-
стояниях от преобразователя (в дальней
зоне) она должна быть вогнутой.
В более совершенных дефектоскопах
закономерность изменения ВРЧ задается
как кривая изменения чувствительности,
обратная изменению амплитуды сигнала в
соответствии с АРД диаграммой (см.
разд. 2.2.2.2) для данных преобразователя
и отражателя. Кроме того, можно преду-
смотреть разные значения коэффициента
затухания.
Система автоматической сигнали-
зации дефектов (АСД) предназначена для
автоматической фиксации факта обнару-
жения дефекта. Ее можно рассматривать
как частный случай регистратора. Осо-
бенно важное значение такие системы
имеют в автоматизированных установках,
в которых выявленные дефекты регистри-
руют в процессе непрерывного сканиро-
вания преобразователем ОК. При ручном
контроле система АСД значительно об-
легчает работу дефектоскописта, выдавая
звуковой или световой сигнал при появле-
нии дефекта, что повышает надежность
результатов прозвучивания.
Система АСД работает совместно с
генератором стробирующих импульсов.
Он формирует импульсы, которыми выде-
ляют интервал линии развертки, где могут
появиться импульсы от дефектов, подле-
жащих регистрации. В результате АСД
имеет регулировку по времени и амплиту-
де. Регулировка по времени состоит в вы-
делении стробирующим импульсом тре-
буемой зоны линии развертки, а регули-
ровка по амплитуде - в установлении по-
рога срабатывания, от которого запуска-
ется АСД.
С помощью строб-импульса отстраи-
ваются от зондирующего импульса, дон-
ного сигнала, многих ложных сигналов.
Регулировку строб-импульса АСД по вре-
мени выполняют двумя ручками: обычно
одной из них устанавливают положение
всего строб-импульса на линии развертки,
а другой регулируют его длительность.
В некоторых дефектоскопах существует
система слежения стробирующим импуль-
сом за выбранным эхосигналом даже при
его перемещении по линии развертки, что
обычно происходит при движении преоб-
разователя относительно дефекта.
Регулировка АСД по амплитуде со-
стоит в выборе порогового значения ам-
плитуды эхосигнала, от которого срабаты-
вает АСД. Часто система АСД прибли-
женно указывает амплитуду эхосигналов.
Например, АСД дефектоскопа УД2-12
имеет три уровня световой регистрации.
Обычно их регулируют таким образом,
чтобы, когда амплитуда импульса не пре-
вышает 1/4 экрана, зажглась зеленая лам-
па, не превышает 1/2 экрана - желтая, ес-
ли амплитуда превышает половину высо-
ты экрана - красная. При такой регули-
ровке разница амплитуд сигналов между
соседними уровнями 6 дБ.
На рис. 2.12 строб-импульс имеет
растянутую П-образную форму. Задняя
ступенька ее слилась с хвостом импульса
от дефекта. В других дефектоскопах
строб-импульс выглядит как отрезок, вы-
сота которого над линией развертки опре-
деляет порог срабатывания АСД, а дли-
тельность - выделяемый интервал раз-
вертки.
Установив строб-импульс так, чтобы
в него попал только донный сигнал, по
150
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
амплитуде этого сигнала следят за ста-
бильностью акустического контакта, об-
щей исправностью работы аппаратуры, а
также подстраивают чувствительность.
Очень удобны дефектоскопы с двумя
строб-импульсами с раздельной регули-
ровкой уровня срабатывания сигнализато-
ров. Обычно один строб-импульс исполь-
зуется для слежения за сигналами от де-
фектов, а другой - для слежения за дон-
ным сигналом, АСД при этом настроен на
более высокий порог срабатывания.
Система АСД позволяет контролиро-
вать изделия "по слоям". Например, при
контроле очень толстых изделий с помо-
щью строб-импульса выделяют слои тол-
щиной 50 ... 100 мм и контролируют их
один за другим, повышая чувствитель-
ность усилителя по мере перехода к более
глубокому слою, чтобы выявить одинако-
вые дефекты на всей толщине изделия.
Выше было рассмотрено использова-
ние АСД при контроле эхометодом. При
контроле теневым и ЗТ-методами строби-
руют сквозной или донный сигнал. Поро-
говое значение АСД устанавливают так,
чтобы сигнализатор сработал, когда ам-
плитуды этих сигналов превышают этот
уровень, и выключался, когда в результате
действия дефекта амплитуда этих сигна-
лов уменьшается. Таким образом, на без-
дефектном участке ОК сигнал имеется, а
на дефектном нет.
Устройство для измерения рас-
стояния до дефекта, дна ОК или другого
отражателя - глубиномер — измеряет время
пробега импульса до отражателя и обрат-
но, а это время пересчитывают в расстоя-
ние с учетом скорости распространения
УЗ в ОК. Глубиномер предварительно на-
страивают на скорость распространения
используемого типа волн в материале из-
делия и исключают время пробега в про-
текторе или призме преобразователя.
При контроле наклонным преобразо-
вателем глубиномер позволяет измерять
две координаты дефекта: глубину залега-
ния его под поверхностью и расстояние от
преобразователя до дефекта вдоль по-
верхности изделия. Для этого нужно пред-
варительно настроить глубиномер на из-
мерение указанных величин с учетом угла
ввода преобразователя, скорости УЗ и
времени его пробега в акустической за-
держке. Способы измерения координат
дефектов с помощью глубиномера будут
рассмотрены в разд. 3.2.1.
В дефектоскопе УД2-12, как и в бо-
лее современных дефектоскопах, время,
отсчитанное глубиномером, а также рас-
считанные по времени координаты дефек-
тов представляются в цифровом виде на
табло БЦО. Для этого измеряемый им-
пульс выделяют строб-импульсом. Неко-
торые дефектоскопы позволяют измерять
расстояние между двумя импульсами, по-
мещая их в разные строб-импульсы. Бла-
годаря этому появляется возможность из-
мерения толщины слоев в ОК или рас-
стояния между дефектами.
Тенденции совершенствования де-
фектоскопов. Дефектоскоп УД2-12 и дру-
гие приборы предыдущего поколения -
приборы аналогового типа. В них вся по-
лучаемая информация обрабатывается в
аналоговой форме. Современные процес-
сорные дефектоскопы - это цифровые
приборы. В них принимаемый электриче-
ский сигнал после минимального усиле-
ния преобразуется в цифровой код, кото-
рый подвергается дальнейшей обработке.
Это повышает точность измерений, поме-
хоустойчивость, позволяет получать
больше информации.
Вместо электронно-лучевой трубки в
современных дефектоскопах применяются
катодолюминесцентные или жидкокри-
сталлические экраны. Они экономичнее,
что позволяет применить автономное
электропитание от аккумуляторной бата-
реи и подзаряжать ее довольно редко.
Структурная схема такого дефектоскопа
значительно отличается от приведенной
выше.
Иногда настройку подобного прибора
выполняют в режиме диалога, когда при-
бор задает вопросы, а дефектоскопист
вводит ответ или выбирает один из пред-
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
151
ложенных вариантов ответа. Так могут
задаваться данные об ОК (толщине, ско-
рости звука) и желаемых параметрах кон-
троля (частоте, типе волны, угле ввода).
Процедура настройки может быть
упрощена для наиболее часто контроли-
руемых объектов. В памяти дефектоскопа
можно хранить несколько предварительно
подготовленных вариантов программы
контроля и выбирать требуемый простым
переключением.
МикроЭВМ в дефектоскопе может
осуществлять первичную статистическую
обработку результатов, сохранять инфор-
мацию о режимах и результатах контроля,
т.е. дефектоскоп обладает памятью, в ко-
торую можно занести цифровые результа-
ты контроля, а также изображения с экра-
на, документировать результаты, обмени-
ваться информацией с ЭВМ более высоко-
го уровня. Ниже описываются возможно-
сти некоторых дефектоскопов.
ЦНИИТмаш (В.Г. Щербинский) раз-
работал и реализует дефектоскоп
УДЦ-201П. Он обладает всеми достоинст-
вами современных импортных приборов,
но имеет и целый ряд принципиальных
отличий, улучшающих его потребитель-
ские качества.
УДЦ-201П позволяет отображать на
экране непосредственно в цифровом виде
следующую количественную информа-
цию:
максимальную амплитуду эхосигна-
лов от отражателей, попавших в один или
оба строб-импульса;
глубину залегания отражателя при
прозвучивании прямым или наклонным
ПЭП прямым лучом;
глубину залегания отражателя от по-
верхности ввода при прозвучивании
наклонным ПЭП изделий с
параллельными поверхностями однократ-
но- и двукратно отраженными лучами;
расстояние от точки ввода до эпи-
центра отражателя (т.е. точки на по-
верхности ввода над отражателем);
время прохождения УЗ в призме пре-
образователя;
расстояние между импульсами на
любом уровне от максимума (в мм или
мкс);
расстояние каждого строб-импульса
относительно начала развертки (в мм и
мкс) и ширину каждого строб-импульса (в
мм и мкс);
расстояние каких-либо сигналов от-
носительно друг друга (в мм и мкс); ам-
плитудный уровень каждого строб-
импульса (высота над уровнем развертки)
в дБ или в % от высоты экрана, принятого
за 100 %;
амплитудный уровень компенсиро-
ванной отсечки в дБ или в % от высоты
экрана;
скорость любых волн в объекте кон-
троля в м/с;
толщину ОК;
цифровую и текстовую информацию
русским или латинским шрифтами.
Дефектоскоп имеет меню из набора
основных параметров дефектоскопа и тре-
бований контроля, отображаемых в виде
пиктограмм на экране; память (заморозку)
Основные технические характеристики
дефектоскопа УДЦ-201П
Частотный диапазон, МГц 1 ... 10,0
Глубина прозвучивания
по стали, мм........... 0,5 ... 1200
Абсолютная чувствитель-
ность, дБ.............. юо
Погрешность измерения:
амплитуды, дБ.......... ±0,1
координат, мм..... ±1
Размер экрана, мм...... 96 х 78
Питание................ Сетевое и
автономное
Габаритные размеры, мм .. 255x156x220
Масса (с шестью аккуму-
ляторами), кг.......... 4,9
152
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Основные технические характеристики дефектоскопа УД4-Т
Рабочие частоты, МГц............................ 1,25; 1,8; 2,5; 5
Диапазон измеряемых глубин (координат), мм...... 1 ... 3000 (±5 мм)
Диапазон измеряемых амплитуд.................... 35 мкВ ... 45 В
ВРЧ:
амплитуда, дБ.............................. 80
крутизна, дБ/мкс........................... До 20
Диапазон измеряемых эффективных площадей, мм2... 0,1 ... 100 (±15 %)
Диапазон глубин построения изображений
5-типа, мм...................................... 10 ... 100
Емкость архива, шт.:
настроек................................... 170
результатов контроля........................ 796
Время непрерывной работы, ч:
от сети напряжением 220 В.................... 24
от встроенного аккумулятора................ 12
Диапазон рабочих температур, °C................. -20 ... +50
Габаритные размеры (без ручки для переноски), мм ... 184 х 210 х 111
Масса со встроенным аккумулятором, кг........... 4,2
изображения (М-развертку); звуковую и
световую сигнализацию о превышении
эхосигналом порогового уровня; ВРЧ,
компенсирующую ослабление по законам
1/г2 или 1/г3/2 в диапазоне 30 дБ (г - рас-
стояние от преобразователя до дефекта);
АРД-графики на экране; энергонезависи-
мую память емкостью 64 блока видеотек-
стовой информации по результатам кон-
троля ("память кадра") и 127 блоков пара-
метров настройки; блокировку настройки.
Дефектоскоп комплектуется датчиком
типа ДШВ для измерения шероховатости
поверхности (см. разд. 6.4) и имеет про-
граммную поддержку корректировки чув-
ствительности в зависимости от величины
шероховатости, у которой нет аналогов в
мировой практике.
На линии развертки дефектоскопа
предусмотрены маркеры точки ввода луча
при контроле наклонным преобразовате-
лем, маркеры одно-, двух- и трехкратного
отражений от поверхности для контроля с
многократным отражением. Запомненные
кадры осциллограмм дефектов с коммен-
тарием воспроизводятся на экране в лю-
бой последовательности и в случае необ-
ходимости архивируются на внешней
ЭВМ. Для этого имеется соответствующая
программная поддержка.
Дефектоскоп УД4-Т разработан фир-
мой Votum (Молдова) совместно с МГТУ
им. Н.Э. Баумана (В.Р. Гусаров, Н.П. Але-
шин). Это цифровой портативной дефек-
тоскоп общего назначения. В дополнение
к функциям обычного дефектоскопа УД4-
Т позволяет строить изображения
В-типа, оценивать абсолютные размеры
дефектов по этому изображению, сохра-
нять результаты в процессе контроля и
представлять их в виде документа.
Особенностью УД4-Т является воз-
можность его настройки без использова-
ния образца, выполненного из материала
ОК. Для подготовки прибора к контролю
надо извлечь из его архива параметры ис-
пользуемого преобразователя, задать па-
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
153
раметры ОК и включить автокалибровку
прибора.
УД4-Т имеет три основных режима
контроля, дополняющих друг друга. Ре-
жим быстрого поиска предназначен для
обнаружения дефекта в зоне контроля на
заданном уровне чувствительности при
высокой скорости сканирования объекта
(до 200 мм/с). Наличие дефекта фиксиру-
ется появлением эхосигнала на развертке
и включением порогового индикатора.
Режим измерения параметров предназна-
чен для измерения амплитуды и времени
эхосигнала, координат и эквивалентной
площади дефекта. Информация на экране
прибора отображается в цифровом и гра-
фическом виде (сечение объекта с обозна-
чением расположения преобразователя и
дефекта).
Режим томографии расчитан на по-
лучение дополнительной информации о
размерах и конфигурации дефекта. Для
получения изображения достаточно пере-
местить преобразователь над дефектом.
При этом связь перемещения преобразова-
теля с дефектоскопом осуществляется
приспособлением, подобным миниатюр-
ной рулетке с электроприводом. Корпус
рулетки удерживают на сварном соедине-
нии. Преобразователь вытягивает ленту из
рулетки. Эти данные совместно с регист-
рируемым на экране изображением позво-
ляют оценивать размеры осей эллипса, в
который вписывается дефект. Процедура
занимает < 1 мин. Результаты всех изме-
рений, включая изображение, в любой
момент могут быть сохранены для после-
дующего документирования.
Санкт-Петербургская фирма "/Аптек"
и Центр "Техническая диагностика и на-
дежность АЭС и ТЭС” (Санкт-Петербург)
разработали и серийно выпускают ком-
пактный дефектоскоп общего назначения
"Пеленг" со встроенным микропроцессо-
ром [424, докл. 7.28].
Встроенная память дефектоскопа по-
зволяет запоминать > 100 предваритель-
ных настроек для контроля конкретных
изделий из различных материалов. В ос-
новном выпускаемом варианте прибора
это детали локомотивов и вагонов (см.
разд. 3.3.1.6.12). Протокол контроля, рас-
печатанный на ПЭВМ, содержит парамет-
ры настроек дефекта и отраженного де-
фектного сечения в виде разверток А- или
В-типа.
НПК "Луч" выпускает универсаль-
ный дефектоскоп УД2-70. Он имеет до-
вольно большую амплитуду электрическо-
го зондирующего импульса (180 В), часто-
ты 1,25 ... 10 МГц (определяются преоб-
разователем со встроенной индуктивно-
стью), параметры контроля хранятся в
архиве настроек. Управление осуществля-
ется от клавиатуры. Имеет режим "замо-
розки" для одного и для нескольких цик-
лов излучение-прием.
Аппаратура НК с каждым годом ста-
новится совершеннее как по характери-
стикам, так и по функциональным воз-
можностям обработки и представления
информации, отвечая на растущие требо-
вания практики. Однако при этом прибо-
ры для ручного НК должны быть порта-
тивными, обладать максимально высоки-
ми эксплуатационными качествами и
обеспечивать быстрое проведение контро-
ля. В значительной степени этим противо-
речивым требованиям отвечает следую-
щая схема построения приборов [424,
докл. 7.47], развиваемая в МНПО
"Спектр".
Преобразователи, предварительный
усилитель и аналого-цифровой преобразо-
ватель размещаются в малогабаритном
дефектоскопе. Обработку и представление
результатов обеспечивает компьютер с
программой обработки, к которому дефек-
тоскоп подключается после завершения
контроля. Такая система реализована в
УЗ-дефектоскопе А1212 для контроля
сварных швов и изделий из металла. В
зависимости от конкретных требований к
прибору эта схема может иметь некоторые
модификации.
В настоящее время многие разработ-
чики предлагают использовать вместо УЗ-
154
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
дефектоскопа портативный персональный
компьютер, оснащенный платами генера-
тора импульсов и предусилителя. Это тре-
бует переделки компьютера. Фирма
Krautkramer (ФРГ) выпускает модуль
USPS 2000 PCVCIA, подключаемый к
компьютеру и превращающий его в весь-
ма совершенный дефектоскоп (425,
с. 490/152).
В автоматических дефектоскопиче-
ских системах преобразователи переме-
щаются механическими устройствами,
имеющими электропривод, который свя-
зывает преобразователь с дефектоскопом,
в результате чего решается задача объек-
тивного представления результатов (см.
разд. 5.1.7.7). Недостаток этих систем -
существенное усложнение аппаратуры.
Она перестает быть мобильной и перенос-
ной. Требуется значительное время для ее
монтажа и настройки.
Применение автоматических стацио-
нарных УЗ-установок рационально при
выполнении массового контроля однотип-
ной продукции (например, труб, листов)
либо при контроле в неблагоприятных
экологических условиях (например, в ус-
ловиях радиационной опасности на атом-
ных электростанциях). Нерационально
применение автоматических установок
при дефектоскопии непротяженных и раз-
нообразных по форме изделий, в особен-
ности сварных соединений. Здесь прояв-
ляется еще один недостаток таких устано-
вок - заданность алгоритма сканирования.
В процессе поиска дефектов опытный
контролер меняет направление прозвучи-
вания и траекторию сканирования. Осо-
бенно разнообразны действия дефекто-
скописта при оценке характера и размеров
найденных дефектов. Предусмотреть и
запрограммировать его действия практи-
чески невозможно. Видимо, по указанным
причинам многочисленные разработки
установок для автоматического контроля
непротяженных сварных соединений в
производственных и монтажных условиях
не получили распространения.
Таким образом, актуальна задача со-
вмещения ручного сканирования с воз-
можностью объективно зарегистрировать
факт УЗ-контроля данного сварного шва
(или другого изделия) и полноту проверки
всего объема сварного соединения.
Новый подход к решению проблемы
связи преобразователь - дефектоскоп реа-
лизован в системе "Поиск-19", разрабо-
танной НИИ мостов ЛИИЖТ [108]. В ней
положение преобразователя относительно
сварного шва непрерывно отслеживается
по времени пробега низкочастотных УЗ-
импульсов в воздухе. Для этого излуча-
тель импульсов в воздух размещается на
преобразователе, а приемниками служат
две длинные пластины из ЦТС, размещен-
ные параллельно оси шва и перпендику-
лярно к ней.
Система представляет дефектограм-
му, на которой отмечаются положение
преобразователя и полученные при этом
результаты контроля. Более совершенное
решение задачи локации положения пре-
образователя реализовано в разработанной
и выпускаемой в наши дни израильской
фирмой Sonotron системе Isonic (см.
разд. 5.1.7.7).
Система "Скаруч", изготовляемая мо-
сковской фирмой МНПЦ "Алтее", предна-
значена для контроля сварных соединений
толщиной до 60 мм. Она имеет комбини-
рованный преобразователь, осуществ-
ляющий прозвучивание сварного шва под
разными углами и по разным схемам,
включая контроль ЗТ-методом и наблюде-
ние за акустическим контактом по донно-
му сигналу. Элементы комбинированного
преобразователя располагаются по обеим
сторонам от стыкового сварного шва.
Контролируется вся толщина шва,
поэтому сканирование осуществляется
только вдоль шва. В дефектоскопе анали-
зируются и сопоставляются результаты
контроля по всем схемам и дается заклю-
чение о качестве соединения. Система
позволяет до минимума снизить требова-
ния к квалификации дефектоскописта.
Более подробно эта система будет рас-
смотрена в разд. 5.1.7.7.
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
155
Московская фирма "Политест" вы-
пускает аппаратуру УД-И для контроля
стыковых сварных соединений трубопро-
водов диаметрами для стали 10 ... 500 мм
и толщиной стенки 2 ...10 мм, для поли-
этилена 50 ... 300 мм и толщиной стенки
4 ... 30 мм. Используется РС-преобра-
зователь, прозвучивающий шов по хордо-
вой схеме (см. разд. 2.2.1.2), поэтому лож-
ные сигналы минимальны. Это позволило
предельно упростить дефектоскоп, кото-
рый крепится непосредственно на преоб-
разователе. Сканирование осуществляется
только вдоль шва, и дается заключение о
качестве соединения. Фирма выпускает
также другие модификации дефектоско-
пов.
Опишем некоторые импортные им-
пульсные дефектоскопы. В России боль-
шой популярностью пользуются приборы
фирмы Krautkramer (Германия). Торговый
представитель ее в России и СНГ - ТОО
"Эхо-Сервис" (расположен в ЦНИИТма-
ше) выпускает серию из взаимодопол-
няющих дефектоскопов.
В дефектоскоп USM-25S встроена
программа, позволяющая выводить на
экран кривую изменения амплитуды эхо-
сигнала с расстоянием для любого преоб-
разователя фирмы Krautkramer для отра-
жателей различных формы и размеров.
Малогабаритный микропроцессор-
ный дефектоскоп USN 52 R с цифровой
обработкой сигналов имеет частотный
диапазон 0,3... 12 МГц, два узкополосных
диапазона и диапазон 4 МГц. Как отмеча-
лось ранее, сужение частотных диапазо-
нов способствует уменьшению уровня
собственных шумов усилителя прибора.
Диапазон развертки по глубине 2,5 мм ...
5 м для продольных волн в стали.
Форма представления эхосигналов -
двух- или однополупериодное детектиро-
вание по положительной или отрицатель-
ной полуволне, можно также видеть вы-
сокочастотный сигнал. Имеется четырех-
ступенчатое демпфирование. Регулировка
усиления от 0 до ПО дБ ступенями 0,5; 1;
2; 6 дБ и плавная. Имеется ВРЧ с динами-
ческим диапазоном 40 дБ и крутизной
6 дБ/мкс.
Два строб-импульса представлены в
виде отрезков линий. До эхосигнала, за-
ключенного в строб-импульс, измеряется
расстояние по фронту или пику амплиту-
ды. Для наклонного преобразователя из-
меряются глубина отражателя и расстоя-
ние от точки ввода до точки проекции от-
ражателя на поверхность.
Встроенная память дефектоскопа со-
храняет 140 блоков настройки, включая
изображение с дополнительным коммен-
тарием, 2500 результатов измерения тол-
щины. Имеется возможность запоминания
изображения либо статическое ("замора-
живание" изображения), либо динамиче-
ское (запоминание огибающей, Л/-раз-
вертка). Имеется интерфейс ввода-вывода
данных типа RS-232. Возможна непо-
средственная распечатка изображения на
экране, протокола, результатов измере-
ния.
В России также широко используют-
ся приборы фирмы Panametrics (США), в
частности малогабаритный цифровой пе-
реносной УЗ-дефектоскоп типа "Epoch
III". Он имеет генератор с ударным воз-
буждением, вырабатывающий зондирую-
щие импульсы амплитудой 100, 200 и 400 В
(± 5 %). Энергия зондирующего импульса
по выбору: низкая, средняя и высокая.
Электрическое демпфирование по выбору:
50, 150 или 400 Ом.
Максимальное усиление прибора 100 дБ
с регулировкой через 0,1 дБ. Предусмот-
рена изменяемая функция опорного уров-
ня с добавочным усилением с шагом 6 или
0,1 дБ (по выбору). Прибор снабжен не-
прерывным автоматическим самотестиро-
ванием, которое компенсирует амплитуды
зондирующих импульсов и чувствитель-
ность приемника в зависимости от темпе-
ратуры и степени износа преобразователя.
Имеется линейная отсечка от 0 до 80 %
всей высоты экрана с шагом регулировки
1 %. Опыт работы с дефектоскопом одно-
го из авторов книги показал, что у этого
прибора довольно высок уровень собст-
156
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
венных шумов, вследствие чего реализуе-
мый диапазон усиления < 70 дБ.
Измерение расстояний выполняется
или по одному эхосигналу, или по интер-
валу между двумя эхосигналами (в режи-
ме эхо - эхо). Шкала глубиномера показы-
вает толщину при контроле прямым пре-
образователем или расстояние по ходу
луча, расстояние вдоль поверхности ввода
и глубину залегания при контроле на-
клонным преобразователем. Измерения
выполняются по максимуму амплитуды
или переднему фронту эхосигнала, нахо-
дящегося в пределах строб-импульса. При
контроле наклонным преобразователем
можно настраивать глубиномер с учетом
угла ввода, устанавливая его фиксирован-
ные значения: 0, 30, 45, 60 и 70° или про-
извольные от 10 до 85° с дискретностью
0,1°.
Прибор имеет М-развертку, т.е. воз-
можность запоминания временной оги-
бающей эхосигнала, причем одновремен-
но изображаются и текущий эхосигнал, и
его огибающая при сканировании. Это
изображение удерживается на экране,
причем сохраняется возможность переме-
щения строб-импульса для измерения ко-
ординат и амплитуд эхосигналов.
Рабочая температура -25 ... +70 °C.
Температура хранения с батареями и без
батарей соответственно -20 ... +50 и
-65 ... +85 °C.
По отдельному заказу поставляются
дополнительные приспособления и про-
граммное обеспечение: система ВРЧ с
соответствующей кривой и сигнализаци-
ей, реализация В-развертки, расширенный
диапазон контроля, учет кривизны по-
верхности, сверхнизкая частота следова-
ния, четырехколесный сканер, плата памяти.
Сравнение дефектоскопов "Epoch III"
и УДЦ-201П показывает, что отечествен-
ный прибор ни в чем не уступает импорт-
ному, а даже имеет ряд дополнительных
функций, например учет качества поверх-
ности ОК. Большое достоинство дефекто-
скопа УДЦ-201П - низкий уровень собст-
венных шумов, в результате чего для него
резерв чувствительности (см. разд. 2.4.5)
> 100 дБ. Это обеспечивает возможность
уверенного контроля сварных соединений
из углеродистой стали толщиной 200 ...
300 мм. Для приборов "Epoch III" и более
современного "Epoch IV" резерв чувстви-
тельности 60 ... 70 дБ. При таком резерве
чувствительности можно контролировать
сварные соединения из углеродистой ста-
ли толщиной 50 мм, но для контроля
сварных соединений толщиной 100 мм
такой чувствительности уже будет недоста-
точно.
2.2.1.2. Преобразователи для
контроля методами отражения
Современные дефектоскопы ком-
плектуют набором излучателей и прием-
ников УЗ-волн - электроакустических
преобразователей (ЭАП). Здесь рассмот-
рены ПЭП общего назначения, нашедшие
наиболее широкое применение. ПЭП об-
щего назначения - это преобразователи, в
технических условиях на которые не уста-
новлен конкретный тип контролируемого
изделия или группы изделий. Основные
типы преобразователей, входящих в ком-
плект практически каждого дефектоскопа,
были кратко рассмотрены в разд. 1.2.
Здесь более подробно будет рассмотрено
их устройство, а также описан ряд других
преобразователей.
Прямой совмещенный преобразо-
ватель контактного типа (рис. 2.14, а)
предназначен для излучения и приема
продольных волн, направленных нор-
мально (т.е. под прямым углом) к поверх-
ности ввода ОК. Поперечные волны, на-
правленные нормально к поверхности,
возбудить трудно, как пояснено в
разд. 1.1.2.
Пьезопластину 1 обычно изготовля-
ют из ЦТС. В настоящее время часто ис-
пользуют керамику ПКР (пьезокерамика
типа ЦТС производства Ростовского госу-
дарственного университета) и метаниобат
свинца (см. разд. 1.1.2). Толщину пьезо-
пластины делают равной половине длины
волны. Для ЦТС на частотах 1 ... 10 МГц
она составляет 0,16 ... 1,6 мм.
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
157
Рис. 2.14. Конструкции основных типов преобразователей:
а - прямого контактного; б - наклонного; в - PC
Пьезопластину ПЭП выполняют
обычно круглой. Размеры выбирают с
учетом поля излучения-приема. Увеличе-
ние диаметра сужает диаграмму направ-
ленности в дальней эоне, но в то же время
увеличивает протяженность ближней зо-
ны, где оценка размеров и местоположе-
ния дефектов затрудняется наличием мак-
симумов и минимумов сигнала (см.
разд. 1.3.1). Целесообразно применять
пластины малого размера для контроля
тонких изделий и большого - для контро-
ля изделий значительной толщины.
На поверхности пьезопластины мето-
дами вжигания, осаждения или напыления
в вакууме наносят серебряные, никелевые
или медные электроды, которые системой
проводников 5 соединяют с кабелем 7, а
через него с дефектоскопом. Внешнюю
оплетку кабеля и наружную сторону пье-
зопластины соединяют с металлическим
корпусом 6 преобразователя. В преобразо-
вателе (или вблизи него) располагают ка-
тушку индуктивности 4 для настройки на
резонансную частоту.
Пьезопластину приклеивают к демп-
феру 2, который повышает ее механиче-
скую прочность и расширяет полосу про-
пускания. Для того чтобы УЗ-колебания,
отраженные от задней поверхности демп-
фера, не вызывали помех, демпфер изго-
товляют из звукопоглощающего материа-
ла, например из эпоксидной смолы с по-
рошкообразным наполнителем из тяжело-
го металла (вольфрама) в весовой пропор-
ции 1/6 ... 1/12. Это приближает волновое
сопротивление демпфера к рс пьезопла-
стины и увеличивает широкополосность
преобразователя. При контроле изделий
большой толщины, когда разрешающая
способность не имеет существенного зна-
чения, а повышение чувствительности
весьма желательно, применяют демпфер с
малым волновым сопротивлением.
Если демпфер изготовлен из мате-
риала с недостаточным звукопоглощени-
ем, то, чтобы УЗ-колебания, отраженные
от задней поверхности демпфера, не вы-
зывали помех, заднюю поверхность дела-
ют неровной, иногда демпферу придают
коническую форму.
Протектор 3 ПЭП защищает пьезо-
пластину от истирания и других повреж-
дений. Он должен обладать высокой изно-
соустойчивостью, обеспечивать высокую
чувствительность преобразователя и ста-
бильность акустического контакта его с
изделием. Протектор, изготовленный из
металла или керамики, хорошо удовлетво-
ряет лишь первым двум из указанных ус-
ловий. Протектор из материала с повы-
шенным затуханием УЗ - эпоксидной смо-
лы с металлическим (предпочтительно
бериллиевым) наполнителем или из пла-
стика (полиуретана) - повышает стабиль-
ность акустического контакта, однако из-
158
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
носостойкость такого протектора ниже,
чем металлокерамического. Протектор
делают тонким (0,2 ... 0,5 от А.), чтобы ус-
корить гашение многократных отражений
в нем ультразвука. В ЦНИИТмаше пред-
ложен и апробирован протектор из мелкой
металлической сетки.
Наклонный преобразователь (рис.
2.14, б) отличается от прямого наличием
призмы 8. Пьезоэлемент / излучает в
призму продольные волны, которые на
границе призмы с изделием преломляют-
ся, а частично отражаются. Не вошедшая в
изделие часть УЗ-энергии попадает в ло-
вушку (передняя и верхняя части призмы)
и гасится в ней. Демпфер 2 расширяет по-
лосу пропускания. Иногда он отсутствует,
что повышает коэффициент преобразова-
ния. Пьезопластине для уменьшения пути
УЗ в призме часто придают не круглую, а
квадратную или прямоугольную форму, ее
приклеивают к призме.
Призму делают из пластмассы, на-
пример из органического стекла (плекси-
гласа). При контроле металлов скорость
продольных волн в материале призмы
должна быть меньше скорости попереч-
ных волн в ОК.
Материал призмы должен достаточно
хорошо пропускать УЗ-волны на рабочей
частоте, но в то же время быстро гасить их
в ловушке (передней и верхней частях
призмы). В преобразователях на частоту
> 5 МГц применяют материалы с мень-
шим затуханием УЗ, чем оргстекло (на-
пример, полистирол), а в преобразовате-
лях на частоту < 1 МГц - с большим, так
как коэффициент затухания возрастает с
частотой.
Плексиглас удобен также благодаря
своей хорошей смачиваемости, что обес-
печивает достаточно высокое качество
акустического контакта даже при работе
по грубой поверхности. Однако плекси-
гласу свойственна плохая устойчивость к
истиранию. Для повышения износоустой-
чивости преобразователя применяют дру-
гие пластики, например поликапролактам.
Фирма Panametrics использует сменные
призмы, на которых крепится прямой пре-
образователь.
Угол наклона призмы 0о (рис. 2.15)
должен обеспечить введение в ОК волн
требуемого типа под нужным углом. Чаще
всего в ОК вводят поперечные волны, а
углы 0О выбирают между первым и вто-
рым критическими. Однако, чтобы не воз-
никали другие (мешающие) типы волн,
углы призмы делают такими, чтобы они
не доходили до критических значений.
Особенно следует опасаться возбуждения
поверхностной волны, так как она вызы-
вает появление интенсивных ложных сиг-
налов от неровностей поверхности изде-
лия. В соответствии с этим и с учетом
расхождения пучка лучей необходимо
выполнить условие 0О + А.„/(2а)< 05, где
А.„ - длина волны в материале призмы;
2а - размер пьезопластины в плоскости
падения; 0S - угол падения, при котором
возбуждается поверхностная волна.
Для пары плексиглас—сталь при
(А.и/2а)< 0,12 угол 0О выбирают в преде-
лах 28,5 ... 55°. При этом, согласно закону
синусов (1.11) и рис. 1.17, в стали будут
возбуждаться поперечные волны с углами
ввода 35 ... 80°. Фактические значения
углов преломления будут отличаться от
вычисленных по закону синусов (см.
рис. 1.27). В работе [324] показано, что,
применяя демпфер с переменным волно-
вым сопротивлением, можно предотвра-
тить возбуждение поверхностной волны
даже при углах ввода > 80°.
Для контроля аустенитных сварных
соединений с большим затуханием и реф-
ракцией поперечных волн используют
продольные волны, распространяющиеся
под углом к поверхности. Для их возбуж-
дения угол призмы делают меньше перво-
го критического (18 ... 24°). Поперечные
волны, возникающие одновременно с про-
дольными, создают при этом помехи.
Выбирая соответствующие углы на-
клона, с помощью наклонных преобразо-
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
159
Рис. 2.15. К конструированию призмы
наклонного преобразователя; поперечные
волны показаны штриховыми линиями
вателей возбуждают поверхностные, го-
ловные волны и различные моды волн в
пластинах и стержнях. Угол призмы в
этих случаях предварительно рассчиты-
вают по закону синусов, а затем уточняют
экспериментально посредством преобра-
зователей с переменным углом ввода. Это
позволяет учесть отклонение скорости
звука в призме и изделии от табличных
значений. При конструировании обраща-
ют внимание на то, чтобы отраженные от
поверхности призма - изделие УЗ-про-
дольные L и поперечные Т волны попада-
ли в ловушку, а не на пьезопластину (см.
рис. 2.15). При этом лучи пучка прибли-
женно считают параллельными.
Большой ложный сигнал может воз-
никнуть в результате отражения попереч-
ных волн от двугранного угла А между
передней и нижней гранями призмы, от-
куда он может отражаться назад к пьезо-
пластине. Исходя из этого, стрела преоб-
разователя, т.е. расстояние от точки вы-
хода О до передней грани призмы А дела-
ют больше a/cos0o, чтобы луч от верх-
ней части пьезопластины падал на по-
верхность перед углом А. В то же время
стрелу ОА желательно выполнять возмож-
но меньшей, чтобы при контроле сварных
соединений призма не упиралась в валик
шва. (Определение понятий и способы
измерения точки ввода и стрелы преобра-
зователя даны в разд. 1.3.2 и 2.2.4.4.)
Расстояние от пьезопластины до
нижней грани призмы также делают дос-
таточно большим, чтобы лучи от нижней
части пьезопластины после отражения от
нижней грани призмы (в том числе транс-
формированные в поперечные волны) не
падали на верхнюю часть пьезопластины.
Для этого нужно выполнить условие
гп = ОО’> a[2ctg(po + ₽,)+ tgp0],
где р, - угол отражения поперечных
волн. При больших углах падения, когда
160
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.16. Принцип хордового прозвучивании (а) и
акустическая схема хордового преобразователя (б):
1 - PC-преобразователь хордового типа; 2 - пьезопластины; 3 - сварной шов; 4 - дефект;
стрелками показан ход УЗ-лучей;
Ро >90°-р, или tgpo >ст/с1л (здесь с/п
и - скорости продольных и попереч-
ных волн в материале призмы), последнее
условие выполняется автоматически, так
как отраженная волна не попадает на пье-
зопластину. Тогда минимальное значение
гп определяется только размерами
пьезопластины: гп >«tgp(l.
Раздельно-совмещенный (PC) пре-
образователь (рис. 2.14, в) имеет излу-
чающий и приемный пьезоэлементы 1,
акустически и электрически разделенные
экраном 9. В то же время они объединены
конструктивно в одном корпусе 6. Благо-
даря разделению электрический и акусти-
ческий зондирующие импульсы и сопро-
вождающие их помехи почти не попадают
на приемник, но все-таки мешающая вол-
на существует. В результате уменьшается
(но не исчезает) минимальная глубина
прозвучивания (мертвая зона) до 0,5 ... 1
вместо 5 ... 10 мм для прямых преобразо-
вателей.
Пьезоэлементы РС-преобразователя
обычно имеют прямоугольную или полу-
круглую форму. Их располагают на приз-
мах 8 из пластика (например, оргстекла) с
небольшими углами наклона (0 ... 10°),
при которых в изделие излучаются про-
дольные волны, а поперечные волны в ОК
имеют небольшую амплитуду. Варьируя
углы призм, их высоту, расстояние между
ними и размеры пьезоэлементов, можно
изменять положение максимума чувстви-
тельности (фокуса), минимальную и мак-
симальную глубины прозвучивания
(см. разд. 1.3.2). Можно даже обеспечить
постоянную чувствительность к дефектам
при их различном расстоянии от поверх-
ности в довольно широком диапазоне.
На рис. 2.14, в показан прямой РС-
преобразователь. Его общая акустическая
ось, проходящая посередине между оди-
наковыми излучателем и приемником,
направлена нормально к поверхности вво-
да. Однако существуют также наклонные
PC-преобразователи для поперечных и
поверхностных, и головных волн.
Наклонные PC-преобразователи при-
меняют в двух вариантах: тандем, когда
излучатель и приемник расположены один
за другим в плоскости падения, и дуэт,
когда они размещены рядом. Угол 8 меж-
ду проекциями акустических осей на по-
верхность ввода и биссектрисой называют
углом разворота.
PC-преобразователь хордового ти-
па - это PC-преобразователь по варианту
дуэт, предназначенный для контроля по-
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
161
перечных (кольцевых) сварных соедине-
ний труб. У него углы наклона и разворота
рассчитаны таким образом, чтобы акусти-
ческие оси проходили в теле трубы по
хордам, наклонным к оси трубы. Оси не
касаются поверхностей трубы и пересека-
ются в определенной точке (обычно в цен-
тральной части) сварного шва (рис. 2.16).
При этом преобразователь должен распо-
лагаться на определенном расстоянии от
сварного шва и перемещаться вдоль него.
Преобразователь предложен Н.П. Алеши-
ным и И.Ю. Могильнером [8] и подробно
рассмотрен в [80].
Таким образом, РС-преобразователи
хордового типа позволяют сформировать
в рабочем сечении стенки трубы акусти-
ческое поле, параметры направленности
которого обеспечивают эффективную вы-
являемость дефектов в наплавленном ме-
талле сварного шва и относительно низ-
кий уровень сигналов, отраженных от не-
ровностей валиков усиления. На рис. 2.16,
б приведена акустическая схема РС-
преобразователя такого типа, иллюстри-
рующая особенности его работы.
Угол ввода У 3-волны а и угол разво-
рота центральных лучей <р, а также точки
ввода А и приема В выбираются таким
образом, чтобы центральные лучи диа-
грамм направленности излучающего и
приемного УЗ-преобразователей (AD и BD
соответственно) и хорда АВ находились в
одной плоскости Q, проходящей через
середину сечения стенки трубы. При этом
за счет раскрытия УЗ-пучка обеспечивает-
ся практически равномерное озвучивание
всего сечения стенки трубы (сварного со-
единения по глубине).
Основные параметры хордового РС-
преобразователя рассчитывают исходя из
следующих соотношений:
/2 . I
cos а = —. ; sin (р = , ;
R-jl2 + т2 V/2 +т2
АВ yjlRh-h2
2 2
где R - наружный радиус трубы; h - тол-
щина ее стенки; 21 - длина хорды АВ; т -
расстояние между хордой АВ и отражате-
лем D, находящимся на оси в середине
сварного шва. Преобразователи для труб
различных диаметра и толщины выпуска-
ются научно-производственным пред-
приятием "Политест".
Широкозахватные ПЭП имеют
сильно вытянутую прямоугольную пьезо-
пластину; они позволяют контролировать
широкую полосу изделия типа тонкого
листа за один проход.
Широкополосные ПЭП работают в
полосе частот больше одной октавы (т.е.
/max//min ^2). Принципы ИХ КОНСТруирО-
вания рассмотрены в разд. 1.2.3. Отметим,
что большой широкополосности преобра-
зователя вместе с прибором можно до-
биться, не применяя специализированных
преобразователей, а путем компенсации
дефектоскопом уменьшения чувствитель-
ности при отклонении от рабочей частоты
преобразователя, на которой достигается
максимум чувствительности.
Фокусирующие ПЭП дают концен-
трацию УЗ-энергии в небольшой зоне -
фокусе. Принципы их конструирования
рассмотрены в разд. 1.3.3.
Веерные ПЭП излучают расходя-
щийся в широком диапазоне углов пучок
лучей для выявления различно ориентиро-
ванных плоскостных дефектов. Они име-
ют либо искривленную пьезопластину,
излучающую выпуклой стороной, либо
несколько узких плоских пьезопластин,
расположенных по цилиндрически ис-
кривленной поверхности.
Преобразователь с переменным уг-
лом позволяет изменять угол ввода. Его
применяют для определения оптимальных
условий возбуждения поверхностных
волн, волн в пластинах и стержнях, когда
требуется плавная регулировка угла на-
клона преобразователя. Эти преобразова-
тели используют также при эксперимен-
тальных исследованиях. На рис. 2.17 пока-
заны возможные конструкции таких ПЭП.
162
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.17. Преобразователи с переменным углом ввода
В преобразователе на рис. 2.17, а
имеются два круговых клина из пластика,
на верхнем из которых укреплена пьезо-
пластина. Клинья вращаются относитель-
но друг друга. В результате суммарный
угол изменяется от нуля до суммарного
значения углов обоих клиньев. При вра-
щении изменяется плоскость падения УЗ-
лучей, что требует корректировки поло-
жения преобразователя на поверхности
изделия. Кроме того, недостатком такого
преобразователя является наличие помех
от многократных отражений в клиньях.
В преобразователе на рис. 2.17, б пье-
зопластина укреплена на пластиковом по-
луцилиндре, который вращается в блоке
из того же материала. В этом случае плос-
кость падения лучей сохраняется, однако
изменяются точка ввода акустической оси
и путь УЗ в преломляющей призме.
В преобразователе на рис. 2.17, в пье-
зопластина с пластиковой прокладкой пе-
ремещается по цилиндрической поверхно-
сти из того же материала. В таком преоб-
разователе точка ввода и путь УЗ в пре-
ломляющей призме остаются постоянны-
ми, что важно при выборе оптимального
утла наклона. Преобразователь может ра-
ботать в совмещенном режиме. Недостат-
ком его является большой путь УЗ в приз-
ме, что значительно ослабляет чувстви-
тельность, особенно на высоких частотах.
Для устранения этого недостатка призму
выполняют в виде локальной жидкостной
ванны.
Наклонно-прямой (НП) преобразо-
ватель. В.Е. Белым (ЦНИИТмаш) разра-
ботан преобразователь [26], который дает
возможность прозвучивания как наклон-
ными поперечными, так и прямыми про-
дольными волнами (рис. 2.18). Преобра-
зователь не имеет демпфера, одна сторона
пьезопластины приклеивается к призме, а
другая делается свободной. Обычно чув-
ствительность наклонного преобразовате-
ля настраивают по отражению от плоско-
донного отверстия (вариант 2) по плоско-
сти, перпендикулярной к акустической
оси (вариант 1), а также по другим специ-
ально изготовляемым отражателям.
Преимущества прямого преобразова-
теля - возможность настройки по донному
сигналу, не делая специальных отражате-
лей. НП-преобразователь позволяет на-
страивать чувствительность по донному
сигналу ОК с использованием продольных
волн (вариант 3) и после ее корректировки
вести контроль в варианте наклонного
преобразователя с учетом реальной чувст-
вительности пьезопластины.
Преобразователи для возбуждения
волн Рэлея обычно имеют конструкцию
наклонного преобразователя с углом
призмы, обеспечивающим трансформа-
цию падающей продольной волны в рэле-
евскую. Нежелательна чрезмерно увели-
ченная передняя часть призмы, так как это
вызывает гашение ею поверхностных
волн.
Рис. 2.18. Принцип работы
НП-преобразователя
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
163
В материале призмы возникают свои
рэлеевские волны [232]. С учетом этого
для достижения максимальной амплитуды
волн Рэлея в ОК размер призмы должен
быть таким, чтобы ее переднее ребро про-
ецировалось на пьезопластину. Особенно
высокая чувствительность достигается
при контроле эхометодом с помощью РС-
преобразователей типа дуэт (см.
разд. 3.3.1.6.5).
Преобразователи головных волн.
Для возбуждения и приема головной волны
применяют наклонные РС-преоб-
разователи с углом падения, равным пер-
вому критическому (см. разд. 1.1.2). Разде-
ление излучателя и приемника необходимо
ввиду высокого уровня помех. В против-
ном случае большой уровень шумов пол-
ностью маскирует полезный сигнал. Схема
тандем (преобразователи один за другим,
см. рис. 1.9, а) позволяет осуществлять
контроль на 100 ... 150 мм вдоль поверхно-
сти. Схема дуэт (излучатель и приемник
рядом, см. рис. 1.9, б) локализует область
чувствительности фокальной областью, но
обеспечивает лучшее выявление дефектов.
Обычно применяемые частоты ~2 МГц.
Такие преобразователи разработали и вы-
пускают ЦНИИТмаш (Н.П. Разыграев
[278]) в России и Берлинский институт
ВАМ в Германии.
В [422, с. 3064] сообщалось о разра-
ботке совмещенного преобразователя го-
ловных волн на частоту 5 МГц. Его конст-
рукция не приведена. Преобразователь не
имеет мертвой зоны, в то время как обыч-
ные преобразователи головных волн, по
мнению авторов рассматриваемого докла-
да, имеют мертвую зону 2 ... 3 мм. Кривая
изменения амплитуд эхосигналов от плос-
кодонных отверстий на глубинах 0 ... 40 мм
практически горизонтальна. Как были на-
правлены оси отверстий, в докладе не го-
ворилось.
Отмечена высокая помехоустойчи-
вость преобразователя к структурным по-
мехам. Преобразователем удается контро-
лировать трубы из бета-титана диаметром
Рис. 2.19. PC продольно-поперечный
преобразователь:
1 - излучатель; 2 - приемник; 3 - экран
162 мм, с толщиной стенки 30 мм, длиной
1 м, изготовленные выдавливанием. Авто-
ры доклада считают бета-титан материа-
лом, труднее контролируемым УЗ, чем
аустенитная сталь. На глубинах 0,5 ... 26,5 мм
от поверхности выявляется плоскодонное
отверстие диаметром 0,8 мм. Преобразо-
ватель имеет линейную фокусировку и ус-
пешно применен для контроля прутков из
циркона, гафния, титана [425, с. 556/039].
В прутках без мертвой зоны выявлялись
все искусственные дефекты типа плоско-
донных и боковых отверстий, вертикаль-
ных отверстий и зарубок.
PC продольно-поперечный преоб-
разователь (рис. 2.19) состоит из двух
наклонных преобразователей, один из ко-
торых (передний) излучает продольную
волну, а другой принимает поперечную
(или наоборот) [417]. Значит, такой пре-
образователь регистрирует только дефек-
ты, на которых происходит трансформа-
ция типов волн и которые расположены
вблизи фокуса преобразователя. Преобра-
зователи этого типа разработаны в Бер-
линском институте ВАМ, где получили
164
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
название SLIC. Область их применения -
контроль трещин под наплавкой.
Иммерсионный преобразователь
для контроля изделия при иммерсионном
контакте отличается от прямого контакт-
ного тем, что имеет повышенное волновое
сопротивление демпфера, чтобы обеспе-
чить излучение и прием коротких импуль-
сов. Например, применяют демпфер из
материала с волновым сопротивлением
18 МПа-с/м, что позволяет сократить
мертвую зону до 2 мм.
Протектор изготовляют из материала,
который обеспечивает просветление гра-
ницы пьезоэлемент - иммерсионная жид-
кость и гидроизоляцию пьезопластины.
Для границы пьезопластины из ЦТС и
воды в качестве иммерсионной жидкости
хорошо подходит эпоксидная смола. Тол-
щину протектора делают равной 1/4 дли-
ны волны.
Преобразователи для контроля по
грубой поверхности. Довольно высокие
требования, предъявляемые к качеству
поверхности ввода при УЗ-контроле, ино-
гда вызывают серьезные затруднения.
В связи с этим разработан ряд конструк-
ций преобразователей, предназначенных
для снижения этих требований. В прямых
контактных преобразователях протектор
изготовляют из материала с повышенным
затуханием УЗ (как отмечалось выше) и
волновым сопротивлением, близким к
контактной жидкости. Такой протектор
устраняет интерференцию УЗ-волн в кон-
тактном слое - одну из главных причин
изменения прохождения через него волн.
Рекомендуется [350] протектор пря-
мого преобразователя делать из диэлек-
трика. При этом акустический контакт
улучшается за счет эффекта возникнове-
ния при трении трибоэлектрического по-
тенциала и образования двойного элек-
трического слоя на контактной поверхно-
сти, что способствует электростатическо-
му притяжению жидкости к протектору и
увеличивает толщину и прочность кон-
тактного слоя. Этим, в частности, объяс-
няется то, что слабая смачиваемость про-
тектора из фторопласта компенсируется
высоким значением трибоэлектрического
потенциала (800 В).
В наклонных ПЭП стабильность кон-
такта повышается, если на рабочую по-
верхность призмы наклеить резину. Одна-
ко резина быстро истирается. Для устра-
нения этого недостатка В.Г. Щербинским
в ЦНИИТмаше [350] разработан преобра-
зователь со свободно скользящим трубча-
тым протектором (рис. 2.20, д). В качестве
материала протектора выбрана маслостой-
кая резина, в которой делается большое
число проколов или сверлений. При пере-
мещении ПЭП по изделию эластичный
протектор работает подобно танковой гу-
сенице, облегает неровности контроли-
руемого металла, что способствует улуч-
шению акустического контакта. В зазор
между призмой и протектором вводится
масло. Для того чтобы исключить залипа-
ние протектора вследствие трибоэлектри-
ческого заряда, ПЭП помещен в металли-
ческий корпус.
Из рассмотренных в разд. 2.1.9 вари-
антов акустического контакта более высо-
кую стабильность, чем контактный, обес-
печивают щелевой и особенно иммерси-
онный способ. Щелевые ПЭП предназна-
чены для контроля изделий через слой
контактной жидкости небольшой толщи-
ны, причем зазор обеспечивает конструк-
ция преобразователя. На рис. 2.20, ж та-
кой преобразователь расположен на плат-
форме с катками, имеет регулировку ве-
личины зазора и снабжен системой подачи
контактной жидкости (разработка В.Д. Ко-
ролева, ЦНИИТмаш).
Предложены конструкции локально-
иммерсионных преобразователей, в кото-
рых сохраняется преимущество иммерси-
онного контакта при устранении громозд-
кой иммерсионной ванны. Например, в
струйном преобразователе (рис. 2.20, а)
контакт с поверхностью изделия обеспе-
чивается непрерывно истекающей струей
жидкости. Если такой преобразователь
расположен сверху (над поверхностью
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
165
Рис. 2.20. Преобразователи для контроля по грубой поверхности:
а - струйный; б - менисковый; в - с эластичной мембраной; г - иммерсионно-щелевой;
д - с непрерывной резиновой лентой; е - с катком из эластичного материала; ж - щелевой;
1 - пьезопластина; 2 - корпус; 3 - иммерсионная жидкость; 4 - мембрана; 5 - ОК;
6 - патрубок подачи контактной жидкости; 7 - призма; 8 - резиновое кольцо
изделия), то расход жидкости очень велик,
и возможны случаи недостаточного на-
полнения локальной иммерсионной ван-
ны. Гораздо благоприятнее условия кон-
троля, если преобразователь находится
снизу.
Расположение преобразователя над
изделием удобно, когда пьезоэлемент
имеет небольшой диаметр. В этом случае
при слабом напоре жидкости на открытой
поверхности образуется выпуклый мениск
и благодаря силам поверхностного натя-
жения жидкость почти не будет вытекать,
даже если преобразователь (рис. 2.20, г)
поднят над изделием. Прижатие его к из-
делию не меняет резко расхода жидкости.
Для преобразователей с большим
размером пьезоэлемента разработаны ван-
ны с эластичной мембраной (рис. 2.20, б,
в), препятствующей вытеканию жидкости
и довольно хорошо облегающей неровно-
сти поверхности. Мембрану изготовляют
из маслостойкой резины или полиуретана,
волновые сопротивления которых близки
к волновому сопротивлению воды. Благо-
даря этому эхосигнал от поверхности
мембрана - жидкость практически не на-
блюдается. Преобразователь, показанный
на рис. 2.20, е, выполнен в виде катка, что
позволяет повысить производительность
контроля. Вода, заполняющая локальную
ванну преобразователя, находится под
небольшим давлением.
В.А. Бархатов и Л.А. Нестерова
предложили в качестве материала для эла-
стичных протекторов и мембран исполь-
зовать резину под условным названием
Sonar. Она обладает такой же высокой
эластичностью, как силиконовая, значи-
тельно меньшим затуханием (коэффици-
ент затухания на частоте 5 МГц вдвое
меньше, чем для силиконовой резины, и в
полтора раза меньше, чем для вакуумной).
Разработаны конструкции прямого РС-
преобразователя и преобразователя, по-
добного показанному на рис. 2.20, е, с
166
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Отслоение
Рис. 2.21. Проверка преобразователей по многократным отражениям в пьезоэлементе:
а - высококачественный преобразователь; б - дефектный преобразователь; в и г - отслоения
соответственно нижнего и верхнего электродов; Г - генератор; П - приемник
использованием этой резины.
В преобразователе на рис. 2.20, в
мембрана не соприкасается непосредст-
венно с поверхностью изделия, между нею
и поверхностью находится довольно тол-
стый слой воды. Это предохраняет мем-
брану от износа и улучшает возможности
контроля изделий с грубой поверхно-
стью. Волновые сопротивления материала
мембраны и жидкостей сверху и снизу от
нее подбирают максимально близкими,
чтобы свести к минимуму отражения от
этих границ. Для практически полного
устранения эхосигналов от мембраны ее
располагают под углом 80 ... 85° к аку-
стической оси преобразователя. Неболь-
шой объем нижней части иммерсионной
ванны позволяет обеспечить ее надежное
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
167
заполнение при сравнительно небольшом
расходе жидкости (разработка ВНИИНК,
Кишинев).
В [425, с. 586/406] предлагается ис-
пользовать в качестве протектора преоб-
разователя гидрофильные полимеры. Они
адсорбируют воду из воздуха и остаются
эластичными даже при значительных ме-
ханических давлениях. Затухание УЗ в
таком материале невелико. Разработаны
катящиеся преобразователи на основе
гидрофильного полимера на частоту
5 МГц. Качество акустического контакта
сопоставимо с иммерсионным способом.
Преобразователи горизонтально
поляризованных поперечных волн. На-
клонные горизонтально поляризованные
поперечные волны привлекают к себе
внимание благодаря ряду специфических
свойств. При отражении от горизонталь-
ной поверхности они не трансформируют-
ся в продольные, не переходят в жидкую
среду, для них существенно снижен уро-
вень структурных шумов при контроле
аустенитных сварных швов. Для излуче-
ния и приема наклонных горизонтально
поляризованных поперечных волн приме-
няют ЭМА-преобразователи. Их разрабо-
тал Институт им. Фраунгофера в ФРГ.
Один из возможных путей их реализации
рассмотрен в разд. 1.2.4.
В [422, с. 3160] сообщается о разра-
ботке ПЭП для излучения и приема
наклонных горизонтально поляризован-
ных поперечных волн. Они имеют частоту
2 ... 5 МГц, размер пластины 10 х 10 мм,
угол преломления 90 и 70°. Волны излу-
чаются в призму, а затем проходят в ме-
талл ОК через специальную смазку Soni-
coat SNH-30. Тип смазки - ключевой во-
прос при передаче горизонтально поляри-
зованной поперечной волны из призмы в ОК.
Преобразователи для контроля при
высокой температуре. Для температур
400...600 °C удается подобрать пластмас-
совые теплостойкие материалы для аку-
стических задержек и силиконовые смаз-
ки, обеспечивающие возможность сохра-
нения обычной схемы контроля. В качест-
ве пьезоматериала преобразователя для
температур до 300 °C можно использовать
специальные сорта ЦТС, до 500 °C -
кварц, а до 1000 °C - ниобат лития. Для
контроля при температурах порядка
1000 °C применяют металлические охлаж-
даемые задержки и расплавы солей в каче-
стве контактной жидкости. Известны схе-
мы контроля через валок прокатного стана
без применения контактной среды, а также
через очень интенсивный поток жидкости.
Вопрос УЗ-контроля при высокой темпе-
ратуре будет рассмотрена в разд. 3.1.8.
Дефектоскопия пьезопреобразова-
телей. Преобразователь проверяют, пода-
вая на его электроды электрический им-
пульс с центральной частотой, в несколько
раз превышающей рабочую частоту пре-
образователя fv [81]. На экране наблюдают
серию импульсов, многократных отраже-
ний в пьезоэлементе. По форме, амплиту-
дам и фазам импульсов судят о наличии
дефектов в пьезопластине, отслоениях
электродов (рис. 2.21), качестве склейки
элементов.
Гребенчатая структура. Преобразо-
ватели типа гребенчатой структуры при-
меняют обычно для возбуждения волн
Рэлея или Лэмба. В них возбуждающий и
принимающий элементы представляют
собой полосы, расположенные вдоль по-
верхности ввода на расстоянии длины
волны друг от друга. Конструктивно их
выполняют в форме пластины из пластика,
одна из поверхностей которой плоская, и к
ней приклеен пьезоэлемент, а другая име-
ет вид широких зубцов гребешка, они
прижимаются к поверхности ввода. Дру-
гая конструкция с использованием ЭМА-
преобразования показана на рис. 1.40, в.
Роль полосок играют полюсы N и S магни-
тов, под которыми происходит возбужде-
ние поперечных горизонтальных колеба-
ний. Поскольку направления колебаний
под полюсами N и S разные, расстояние
между ними равно половине длины волны.
На рис. 2.22 [422, с. 2971] показан
один из вариантов конструкции гребенчатой
168
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.22. Преобразователи типа
гребенчатых структур
структуры. На пьезопластину с резонан-
сом по толщине (в рассматриваемом слу-
чае в качестве пьезоматериала использо-
вался ПВДФ) нанесены электроды в виде
гребенчатой структуры. Четные и нечет-
ные полоски (они напоминают пальцы
руки) соединялись с разными электрода-
ми, на которые подавали сигналы со сдви-
гом фазы на 180°, поэтому расстояние ме-
жду соседними полосками равнялось по-
ловине длины возбуждаемой волны
(рис. 2.22, а). Для получения короткого
импульса необходимо излучать спектр
частот. Это достигается изменением рас-
стояний между "пальцами" путем вариа-
ции их ширины (рис. 2.22, б). Преобразо-
ватель типа гребенчатой структуры излу-
чает волны сразу в двух противоположных
направлениях, поэтому его обычно поме-
щают вблизи края ОК.
Различные конструкции преобразова-
телей рассмотрены также в [350].
2.2.1.3. Стандартные образцы и
проверка дефектоскопа
Полная и оперативная проверка
аппаратуры. Способы проверки парамет-
ров аппаратуры группируются в два клас-
са задач. К первому относят проверку,
выполняемую после выпуска аппаратуры,
ее капитального ремонта и при промежу-
точной аттестации. Такую проверку вы-
полняют согласно ГОСТ 23049-78 и
23667-85 с помощью стендов и электрон-
ных приборов, как правило, в специаль-
ных метрологических организациях. Про-
верку преобразователей осуществляют в
соответствии с ГОСТ 23702-90 и 26266-90.
Дефектоскопы и преобразователи аттес-
туют при этом отдельно. Хорошие стан-
дарты на проверку дефектоскопов и пре-
образователей разработаны Европейским
сообществом, это EN 12668-1 и 12668-2.
К задачам второго класса относят по-
вседневную (оперативную) проверку ап-
паратуры, которая должна подтвердить ее
работоспособность и установить значения
характеристик, меняющихся во время экс-
плуатации. Проверяют совместно дефек-
тоскоп, преобразователь и соединяющий
их кабель. Такую проверку осуществляют
с помощью стандартных образцов (СО),
не используя дополнительных приборов.
Специальный российский стандарт на та-
кую проверку отсутствует, в значительной
степени роль такого стандарта играет
ГОСТ 14782-86. В Европейской системе
стандартизации задачи второго класса
выполняются согласно EN 12668-3. Здесь
рассмотрены в основном задачи второго
класса.
Стандартные образцы. Различают
государственные СО (ГСО) и стандартные
образцы предприятия (СОП).
ГСО предусмотрены стандартами, в
которых указаны материал, из которого
они изготовлены, их конструкция. Эти
образцы, как правило, применяют для
проверки и настройки аппаратуры при
контроле широкого ассортимента продук-
ции.
СОП рекомендованы ведомственны-
ми нормативно-техническими документа-
ми (НТД) или НТД предприятий. Они
предназначены для проверки и настройки
аппаратуры при контроле определенного
вида продукции, где ГСО неприменимы
(например, при контроле изделий с боль-
шой кривизной поверхности) или где при-
менение СОП технически более удобно.
Из числа СОП иногда выделяют отрасле-
вые стандартные образцы (ОСО), которые
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
169
Рис. 2.23. СО-1 по ГОСТ 14782-86
рекомендуются ведомственными НТД.
ГСО, ОСО и СОП являются обязательной
принадлежностью, без них невозможен
достоверный контроль в соответствии с
требованиями НТД.
Оперативную проверку дефектоскопа
выполняют с помощью стандартных об-
разцов СО-1, СО-2 и СО-3 по ГОСТ
14782-86 или V-1 и V-2, принятых в меж-
дународной практике (EN 121223 и
27463). Более полную поверку всех экс-
плуатационных характеристик выполняют
с помощью комплекта устройств (КУ),
выпускаемого НПО "ЦНИИТмаш" [234].
Комплект ГСО по ГОСТ 14782-86
показан на рис. 2.23 - 2.25.
1. СО-1 (см. рис. 2.23) изготовляют из
органического стекла марки ТОСИ с аку-
стическими свойствами, оговоренными в
названном стандарте: на частоте 2,5 ± 0,2 МГц
при температуре 20 ± 5 °C скорость продоль-
ных волн должна быть 2670 ± 133 м/с, коэф-
фициент затухания 0,026 ... 0,034 1/мм. Ам-
плитуда третьего донного сигнала по тол-
щине образца на частоте 2,5 ± 0,2 МГц и
при температуре 20 ± 5 °C не должна от-
личаться более чем на ±2 дБ от амплитуды
третьего донного сигнала в исходном об-
разце, аттестованном органами Государст-
венной метрологической службы. Необхо-
димость в такой формулировке возникла в
связи с трудностью точного измерения
коэффициента затухания.
Допускается применять образцы из
органического стекла, в которых это тре-
бование не удовлетворяется, но к такому
образцу должен прилагаться аттестат-
график, по которому можно сопоставить
амплитуды сигналов исходного и атте-
стуемого образцов. Для этого сравнивают
амплитуды сигналов от отверстий на ми-
нимальной и максимальной глубинах и
выполняют интерполяцию (см. разд. 3.3.2.4).
Образец предназначен для определе-
ния условной чувствительности, проверки
лучевой разрешающей способности и на-
стройки глубиномера.
2. СО-2 (см. рис. 2.24) выполняют из
малоуглеродистой стали с мелкозернистой
структурой. Его применяют для определе-
ния условной чувствительности, проверки
мертвой зоны, угла ввода, ширины диа-
граммы направленности и настройки глу-
биномера.
СО-2А по конструкции подобен
СО-2, но его изготовляют из материала
контролируемого изделия, если этот мате-
риал существенно отличается от СО-2 по
акустическим свойствам. Назначение его
то же, что и СО-2.
3. СО-3 (см. рис. 2.25) так же, как и
СО-2, производят из стали. Он служит для
определения точки выхода, стрелы преоб-
разователя и отстройки от времени пробе-
170
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.24. СО-2 по ГОСТ 14782 86
га УЗ в призме преобразователя при изме-
рении координат.
4. СО-4 (см. рис. 2.26) указан не в ос-
новном тексте, а в приложении к ГОСТ
14782-86. Его также изготовляют из ста-
ли. Он предназначен для определения
длины волны в стали и частоты УЗ-коле-
баний. По экспериментам авторов, он
очень плохо отвечает своему назначению.
Значительно лучше эти функции выполня-
ет входящий в комплект устройств жидко-
стный интерферометр (см. разд. 2.2.4.2).
Рассмотренные ГСО применяют при
контроле изделий с плоской поверхностью
совмещенными преобразователями шири-
ной до 20 мм на частоту > 1,25 МГц.
В других случаях нужно использовать
СОП, подобные или даже существенно
отличающиеся от этих ГСО. Способы
Рис. 2.25. СО-3 по ГОСТ 14782-86
применения ГСО подробно будут описаны
в дальнейшем.
Образцы V-1 и V-2 (рис. 2.27 и 2.28)
изготовляют из низкоуглеродистой мелко-
зернистой стали. В образце V-1 в отвер-
стие диаметром 50 мм вставляют плекси-
гласовый цилиндр. В разных странах и
даже в разных ведомствах используют
модификации этих образцов, удовлетво-
ряющие требованиям МИС, но также рас-
считанные на выполнение некоторых дру-
гих измерений.
Образец V-1 служит для настройки
чувствительности и скорости развертки,
проверки мертвой зоны, определения раз-
решающей способности, угла ввода, ши-
рины диаграммы направленности, точки
выхода, стрелы преобразователя, отстрой-
ки от времени пробега УЗ в призме на-
клонного и протекторе прямого преобра-
зователей. Последние перечисленные опе-
рации нужны для настройки глубиномера.
Таким образом, этот образец совмещает
большинство функций СО-1 - СО-3.
Образец V-2 применяют для настрой-
ки глубиномера, т.е. определения точки
выхода, стрелы преобразователя, отстрой-
ки от времени пробега УЗ в призме преоб-
разователя и определения угла ввода. С
его помощью также настраивают чувстви-
тельность и развертку дефектоскопа. Не-
большие размеры образца делают его
очень удобным при контроле сварных со-
единений небольшой толщины, прове-
ряемых малогабаритными наклонными
преобразователями. В то же время из-за
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
171
малых размеров образец V-2 непригоден
для настройки и проверки дефектоскопа с
наклонными преобразователями больших
размеров, так как для них расстояние, со-
ответствующее границе ближней зоны,
больше радиусов кривизны образца.
Оперативная проверка аттенюато-
ра дефектоскопа. Операции проверки и
настройки дефектоскопа с помощью ГСО
будут изложены в разд. 2.2.4. Здесь рас-
смотрим только вопрос оперативной про-
верки аттенюатора дефектоскопа и абсо-
лютной чувствительности.
В дефектоскопе имеются два измери-
тельных устройства: глубиномер и атте-
нюатор. Глубиномер проверяют, измеряя
несколько известных расстояний между
поверхностями СО, как описано в
разд. 2.2.4.4. Проверка аттенюатора на СО
нормативными документами не преду-
смотрена.
Можно, однако, рекомендовать про-
верять аттенюатор, измеряя эхосигналы от
двух отражателей, отношение амплитуд
эхосигналов от которых рассчитывается
по формулам акустического тракта. На-
пример, разница в децибелах амплитуд
эхосигналов от отверстия диаметром 6 мм
и дна образца СО-2 равна 9 дБ при контро-
ле прямым преобразователем на 2,5 МГц,
если отражатели находятся в его дальней
зоне. При контроле наклонным преобразо-
вателем с углом ввода 50° на частоту
2,5 МГц разница в децибелах амплитуд
эхосигналов от отверстия и двугранного
угла СО-2 составляет ~11 дБ.
Часто аттенюатор имеет две шкалы:
грубую с ценой деления 10 или 20 дБ и
плавную с ценой деления 1 или 2 дБ. То-
гда аттенюатор проверяют, сравнивая по-
казания шкал. Например, отметив ампли-
туду какого-либо эхосигнала на экране,
увеличивают чувствительность на 10 или
20 дБ по грубой шкале и на столько же
снижают по плавной. При правильной
работе аттенюатора амплитуда отмечен-
ного эхосигнала должна остаться неиз-
Рис. 2.26. СО-4 по ГОСТ 14782-86
менной. Такую проверку проводят для
всех диапазонов грубой шкалы аттенюа-
тора.
В дефектоскопе УД2-12 проверку
выполняют, сравнивая показания БЦО и
кнопочного аттенюатора. С помощью не-
калиброванных регуляторов чувствитель-
ности амплитуду эхосигнала от какого-
либо отражателя устанавливают на пол-
ную высоту экрана. При этом показания
БЦО должны быть близкими к нулю. На-
жимают одну из кнопок аттенюатора, на-
пример 16 дБ. Цифровой аттенюатор дол-
жен показать 16 дБ. Допустимая погреш-
ность ±0,3 дБ.
Ступень 32 дБ проверяют так. Отпус-
кают кнопку 32 дБ, нажимают кнопку 16 дБ,
некалиброванными ручками устанавлива-
ют амплитуду эхосигнала от какого-либо
отражателя на полную высоту экрана. При
этом показания БЦО должны быть близки
к нулю. Нажимают кнопку 32 дБ и отпус-
172
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.27. СО "Блок№ 1"
кают 16 дБ. Показания БЦО должны быть
16 ±0,3 дБ.
Проверка абсолютной чувстви-
тельности аппаратуры или резерва чув-
ствительности. Определение этих поня-
тий приведено в разд. 2.2.4.5. Эти величи-
ны должны показать, насколько можно
ослабить зондирующий импульс, чтобы
наблюдать эхосигналы на экране. Прове-
ряется дефектоскоп с определенным пре-
образователем. Для проверки самого де-
фектоскопа необходимо подключить к
нему преобразователь, в хорошей работе
которого есть уверенность.
Порядок проверки следующий. Сна-
чала подключают преобразователь к де-
фектоскопу. Если это прямой преобразова-
тель, нужно получить максимальный дон-
ный сигнал от образца, толщина которого
меньше двух ближних зон преобразова-
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
173
теля, но в 1,5 ... 2 раза больше его мерт-
вой зоны.
Образец должен иметь низкий уро-
вень структурных помех. Для этой цели
обычно подходят образцы СО-2, СО-3,
V-l, V-2, прозвучиваемые по толщине.
Если это наклонный преобразователь,
следует получить максимальный эхосиг-
нал от вогнутой поверхности CO-3, V-1
или V-2. Нужно подбирать радиус вогну-
той цилиндрической поверхности (соот-
ветственно 55, 100 и 50 или 25 мм - по
выбору) таким, чтобы он был в 1,5 ... 2
раза больше ближней зоны преобразова-
теля. При этих условиях донный сигнал и
сигнал от вогнутой поверхности практи-
чески равны зондирующему импульсу в
ОК, точнее, они меньше зондирующего
импульса на ~2 дБ.
Далее необходимо увеличить чувст-
вительность до максимума всеми нека-
либрованными ручками (мощность зонди-
рующего импульса, отсечка, некалибро-
ванное усиление), максимально умень-
шить чувствительность аттенюатором,
затем постепенно увеличивать чувстви-
174
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
тельность аттенюатором, пока используе-
мый (один из указанных выше) эхосигнал
не достигнет стандартного уровня. Стан-
дартным уровнем называют некоторую
горизонтальную линию на высоте, равной
или большей середины экрана.
Продолжать увеличивать чувстви-
тельность аттенюатором следует до такого
значения, пока собственные помехи де-
фектоскопа не достигнут половины стан-
дартного уровня. Чтобы быть уверенным,
что это собственные помехи усилителя
дефектоскопа, а не структурные, преобра-
зователь можно снять с образца, помехи
усилителя должны остаться. Надо зафик-
сировать показание аттенюатора No. Ре-
зерв чувствительности дефектоскопа с
данным преобразователем равен величине
No (в дБ), на которую можно увеличить
чувствительность по сравнению с зонди-
рующим импульсом. Абсолютная чувст-
вительность дефектоскопа будет равна
резерву чувствительности плюс ослабле-
ние сигнала в образце (обычно около 2 дБ).
Встречаются приборы, у которых при
максимальном уменьшении чувствитель-
ности аттенюатором амплитуда исполь-
зуемого эхосигнала превышает стандарт-
ный уровень. Это особенно часто случает-
ся при проверке абсолютной чувствитель-
ности дефектоскопом с прямым преобра-
зователем. В этом случае, чтобы опреде-
лить абсолютную чувствительность де-
фектоскопа с данным преобразователем,
следует поступить следующим образом:
увеличить чувствительность до мак-
симума всеми некалиброванными ручками;
максимально уменьшить ее аттенюа-
тором;
получить эхосигнал от какого-либо
произвольного отражателя, например дон-
ный сигнал от СО-2, прозвучиваемого по
толщине, а затем сдвинуть преобразова-
тель за край образца так, чтобы сигнал
уменьшился и достиг стандартного уровня;
зафиксировать преобразователь в
этом положении;
некалиброванными ручками макси-
мально уменьшить чувствительность (сиг-
нал при этом исчезает с экрана);
увеличить чувствительность атте-
нюатором на величину N так, чтобы эхо-
сигнал достиг прежней высоты;
определить в этом положении нека-
либрованных ручек резерв чувствительно-
сти дефектоскопа No, как рекомендовалось
выше;
к найденному значению добавить
число N. Величина Уо + N будет равна аб-
солютной чувствительности дефектоскопа
с данным преобразователем.
Стандартные образцы предпри-
ятия с искусственными дефектами.
СОП применяют в дополнение к ГСО при
контроле изделий большой или очень ма-
лой толщины, с искривленной поверхно-
стью, изготовленных из материалов со
специфическими акустическими свойст-
вами. К разряду СОП относят также мно-
гочисленные образцы с искусственными
дефектами. Здесь отметим некоторые осо-
бенности изготовления образцов с искус-
ственными дефектами [350].
Заготовки образцов предварительно
контролируют УЗ на возможно более вы-
сокой чувствительности с целью исклю-
чения мешающего влияния естественных
дефектов. Ширина образцов должна быть
достаточно большой, чтобы отражения от
боковых поверхностей не влияли на ам-
плитуды эхосигнал ов от отражателей.
Этот вопрос будет рассмотрен в
разд. 2.2.3.4.
Плоскодонное отверстие высверли-
вают в образце сверлом требуемого диа-
метра таким образом, чтобы его ось сов-
падала с преломленной осью УЗ-пучка.
Это легко выполнить при контроле пря-
мым преобразователем, но гораздо труд-
нее при контроле наклонным преобразова-
телем. В последнем случае в образце пре-
дусматривают наклонную поверхность,
такую, чтобы отверстия были к ней пер-
пендикулярны.
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
175
Сначала обычным сверлом просвер-
ливают отверстие глубиной на 1,5 ... 2 мм
меньше, чем по чертежу. Затем для прида-
ния дну отверстия плоской формы приме-
няют сверло типа "перо" или на наждач-
ном камне торцуют режущую кромку
обычного сверла. Доводят торцовую часть
сверла посредством абразивной шкурки.
Качество торцовки проверяют с помощью
инструментального угольника на просвет.
Затем этим сверлом доводят отверстие до
заданной глубины.
Качество отражающей поверхности
(возможное наличие рисок, остатков пер-
воначально конической поверхности) про-
веряют путем прощупывания тонкой игол-
кой или булавкой, укрепленной на
нутромерном индикаторе часового типа.
Радиус закругления у торцов сверла
~0,03 мм. Неперпендикулярность инстру-
мента к базовой поверхности измеряют
при наладке оборудования для сверления,
допустимая неперпендикулярность 6 мкм
на базе 2 мм.
У отражателя в виде плоскодонного
отверстия имеется существенное достоин-
ство: крутая монотонная зависимость при-
ращения амплитуды эхосигнала с увели-
чением диаметра отражателя в широком
диапазоне диаметров отверстий. Но этот
отражатель весьма трудно изготовить: не
всегда удается выполнить плоской и глад-
кой его отражающую поверхность.
Искусственные дефекты в виде от-
верстия со сферическим или цилиндриче-
ским дном, имитирующие сферу и корот-
кий цилиндр, применяют редко. Их изго-
товляют в образцах из мягких пластичных
материалов (низкоуглеродистая сталь,
алюминий) путем просверливания отвер-
стия заданного диаметра и последующего
выдавливания донышка требуемой формы
бойком из твердого материала, например
шарикоподшипником.
Боковое цилиндрическое отверстие -
наиболее технологичный тип отражателя.
Основными преимуществами бокового
отверстия являются легкость изготовле-
ния, хорошая воспроизводимость и воз-
можность использования для любых типов
преобразователей.
Боковое отверстие необходимо свер-
лить на расстоянии >8 ... 10 мм от ниж-
ней поверхности образца. Если это усло-
вие не соблюдается, то на прямой эхосиг-
нал от отверстия налагается эхосигнал,
отраженный от поверхности и дефекта, и
результирующий эхо-сигнал осциллирует
с размахом по амплитуде до 8 ... 9 дБ.
Существенный недостаток боковых
отверстий - влияние боковой грани образ-
ца. При поиске положения преобразовате-
ля, соответствующего максимуму эхосиг-
нала от отверстия, можно найти два мак-
симума: направляя преобразователь пер-
пендикулярно к оси отверстия, что пра-
вильно, или направляя преобразователь на
угол, образованный отверстием и боковой
гранью образца, что неправильно. В по-
следнем случае амплитуда сигнала может
быть выше на несколько децибелов. На-
стройка в таком положении преобразова-
теля приведет к заниженному уровню тре-
буемой чувствительности. Различить от-
ражение от отверстия или от угла, образо-
ванного отверстием и боковой гранью об-
разца, можно визуально, наблюдая на-
правление оси преобразователя.
Угловой отражатель типа верти-
кального отверстия и типа вертикально-
го отверстия, просверленного не на всю
толщину (засверловка), удобны для изго-
товления отражатели, однако, как показа-
ли эксперименты, амплитуда эхосигнала
от них очень сильно зависит от угла меж-
ду осью отверстия и поверхностью образ-
ца, а также от возможных "завалов" на
краях отверстия. Отверстие нужно выпол-
нять, тщательно избегая скругления кро-
мок и добиваясь перпендикулярности оси
отверстия к поверхности с погрешностью
< 0,5°. На практике применение таких от-
ражателей не рекомендуется из-за трудно-
сти строгого выполнения этих требований.
Угловой отражатель типа зарубки
хорошо имитирует выходящие на поверх-
176
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.29. Сегментный отражатель
ность трещины и непровары, является
весьма удобной заменой плоскодонного
отверстия. Зарубка как отражатель для
настройки аппаратуры обладает важным
преимуществом: она может располагаться
непосредственно на контролируемом из-
делии с последующей пологой вышли-
фовкой. При этом изделие должно иметь
плюсовой допуск по толщине.
Зарубки наносят одним из следую-
щих способов: ударом по заднему концу
специально заточенного инструмента бой-
ка-зубила; холодным выдавливанием в
тисках или на гидравлическом прессе бой-
ком под прямым углом к поверхности;
горячим вдавливанием бойка; электроэро-
зионным методом. Наибольшая точность
получения зарубок достигается примене-
нием холодного выдавливания на гидрав-
лическом прессе и электроэрозионного
метода.
Конец бойка должен быть заточен и
установлен таким образом, чтобы плоская
передняя грань углубления была перпен-
дикулярна к поверхности образца. Валик
вытесненного металла удаляют. Глубину
зарубки измеряют индикатором с игольча-
тым нутромером или острозаточенным
глубиномером штангенциркуля. Если в
процессе получения зарубки образовалась
трещина, то использовать такую зарубку
нельзя.
Исследования С.П. Перевалова [257]
показали, что предпочтительный способ
изготовления зарубок - эрозионный. При
нем достигаются максимальный коэффи-
циент корреляции между различными за-
рубками и минимальная дисперсия ре-
зультатов. Подбор правильной формы
электродов позволяет довольно точно вы-
полнить требуемый отражатель. Опти-
мальный металл для изготовления элек-
тродов - вольфрам. Представляет опас-
ность прижог металла образца. В связи с
шероховатостью отражающей поверхно-
сти при электроэрозионной обработке на-
блюдается ослабление эхосигнала на
~0,5 дБ. Предлагается проводить акусти-
ческую аттестацию зарубок, т.е. сравни-
вать амплитуды эхосигналов от них со
стандартными значениями. На амплитуду
эхосигнала влияет акустическое поле каж-
дого индивидуального преобразователя.
Аттестацию рекомендуется проводить с
помощью преобразователя, который обес-
печивает монотонное убывание амплиту-
ды эхосигнала от боковых цилиндриче-
ских отверстий на разной глубине.
Сегментный отражатель. В хими-
ческом машиностроении для настройки
чувствительности дефектоскопа распро-
странение получил сегментный отража-
тель (рис. 2.29). Его выполняют с помо-
щью торцовой пальчиковой фрезы на ко-
ординатно-расточном станке со шлифов-
кой в качестве доводочной операции.
2.2.2. Расчет амплитуд эхосигналов
Путь УЗ от излучателя до дефекта и
затем к приемнику называют акустиче-
ским трактом. Формулы акустического
тракта определяют ослабление УЗ-сиг-
нала на этом пути. При расчетах реальные
дефекты представляют полыми отражате-
лями правильной формы. Различают тео-
ретические модели дефектов (лучше ими-
тирующие реальные дефекты) и искусст-
венные дефекты, иначе - искусственные
отражатели, которые изготовляют на
практике. Иногда модели и искусственные
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
177
отражатели совпадают, например длинный
цилиндр (боковое отверстие), плоскость,
вогнутая поверхность.
2.2.2.1. Формулы эхосигналов
для прямого преобразователя
Сводка формул дана в табл. 2.1 [132,
247], где Ро и Р' - амплитуды излученного
и принятого сигналов; S - площадь пьезо-
пластины; г - расстояние преобразова-
тель-отражатель. Для учета затухания
формулы граф 3-5 следует умножить на
е’25'.
Отражатели разделены на три груп-
пы: компактные, все размеры которых
меньше неоднородностей поля излучения
преобразователя; протяженные в одном
направлении (паз, длинный цилиндр);
протяженные в двух направлениях (плос-
кость, вогнутые поверхности). Отражатель
считают протяженным, если его размер
больше ширины области эффективно
взаимодействующего с ним поля преобра-
зователя.
Каждой группе отражателей соответ-
ствует своя зависимость (графа 8) ампли-
туды эхосигнала от приведенного рас-
стояния r/N, где N - длина ближней зоны
преобразователя. Заштрихованные облас-
ти на кривых определяют вариацию ам-
плитуды под влиянием формы и длитель-
ности импульса. Кривая Д относится к
донному сигналу, уточненное ее значение
приведено на рис. 1.15. Формул для расче-
та эхосигналов от вогнутых цилиндриче-
ских отражателей в ближней зоне нет. По
формулам, представленным в табл. 2.1,
нельзя точно рассчитать эхосигнал от во-
гнутых цилиндрических поверхностей
стандартных образцов СО-1 и V-1, так как
из-за их небольшой ширины возникают
отражения от боковых поверхностей, уве-
личивающие эхосигнал на 1 ... 2 дБ от
расчетного значения.
В формулах для ближней зоны (гра-
фы 3, 4) интервалы численных коэффици-
ентов определяют диапазон разброса ам-
плитуд эхосигналов в зависимости от рас-
стояния отражатель-преобразователь, фор-
мы и длительности импульсов. Они также
зависят от формы пьезопластины. Расчет в
переходной и более точный расчет в
ближней зонах круглого преобразователя
следует вести по общей формуле (гра-
фа 8), используя графики и коэффициент
вида дефекта А из графы 6 или 7.
Коэффициенты А определяются от-
ношениями характеристических размеров
отражателя b (диаметра d, ширины или
длины I) к длине волны. Если b > X, то
такие модели, как диск, сфера, короткий
цилиндр, полоса, дают такие же эхосигна-
лы, как имитирующие их искусственные
дефекты (отверстия с плоским, сфериче-
ским или цилиндрическим дном, паз). При
b < X для искусственных дефектов коэф-
фициенты, показанные в графе 6, сохра-
няются, а для моделей изменяются. В гра-
фе 7 они приведены для случая b « X для
продольных волн в материалах с коэффи-
циентом Пуассона 0,3. Формулы граф 3 -
5 соответствуют случаю b > X . Коэффици-
для плоскодонного от-
верстия диаметром d « X указан соглас-
но экспериментальным данным К. Киму-
ры. Теоретические оценки В.Н. Данилова
, nJd}3
дают А = 0,6 — .
\ X у
Отметим, что применение формул
имеет ряд ограничений. Ниже рассмотре-
ны эти ограничения и способы устранения
некоторых из них.
• Формулы соответствуют коротко-
волновому приближению представления
акустического поля преобразователя S » X2.
• Формулы приведены для прямого
совмещенного преобразователя. Для пре-
образователей с акустическими задержка-
ми вводят мнимые излучатель и приемник,
как показано в разд. 1.3.2. Формулы аку-
стического тракта для изделий со сфери-
ческой или цилиндрической поверхностью
рассмотрены в [119, 324].
• Предполагается, что диаметры сфе-
ры и цилиндра d значительно меньше рас-
стояния преобразователь-отражатель. Для
178
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
2.1. Формулы для расчета амплитуд эхосигналов от
Модель дефекта Икусственный отражател Формулы для ослабления от
Ближняя зона г < S / 7t X. ь
Круглый ПЭП, диаметр D Прямоуголь- ный ПЭП, длина L
1 2 3 4
Тонкий J диск, пло- 5 щадь s, диа- метр d -* i- g _0 d Плоско- донное от- — верстие М— g J_ (1... <id 65 | CO
Г—| 45
Сфера, диа- к: метп d Е t со сфери- (1 ...4
ческим С id
/ aid
*- ~ -
—С Цилиндр, С । длина 1, ди- *- аметр d у g х j: d э ц L_ Отверстие ~1|АтА| с цилинд- рическим Б1Ш Е дном Ч -I-* -* | C-4)'f
Конус, угол <р>45°, диаметр d $d ^32 ! ,2/ Отверстие с коничес- “ КИМ дном £— 2X3 1 6Ssinip у 2cos (p
1 Бесконеч- ный ци- , линдр, диа- _£ t метр d ц d_ DtL Цилиндри- . J ческое от- С верстие (0,8 ...1,2)^ (0,5... 0,7)~
Бесконеч- -—J ная полоса, \ ширина 1 L у P.L п Плоско- донный паз J. 1 Ц (1,6 ...2.4)1 (l...l,5)-~
Бесконеч- i—i Донная поверхность 1 ... 0,8
ная плос- I 1 )
КОС1Б
Вогнутые поверхно- к / сти: - цилиндр II Полуцилиндр 1 ...0,9
-сфера Полусфера -
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
179
отражателей при контроле прямым преобразователем
эхосигнала Коэффициент вида дефекта А Общая формула
Дальняя зона г > 3>S/itk Модель с d,l >Х или отражатель Модель с d,l« Л
5 6 7 8
Ss г-г 5 X2 >44
180
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.30. Отражатели, смещенные от оси преобразователя, и
наклонные отражатели
расчета отражения от цилиндра с диа-
метром d, соизмеримым с расстоянием до
него (например, от канала ротора), нужно
использовать формулу
---= — ----ТТ------Ч , (2-1)
Ро X^8r3(l + J/2r)
где г - расстояние до ближайшего к пре-
образователю края отражателя. Она пере-
ходит в формулу табл. 2.1 при d « г. По-
добным образом трансформируется фор-
мула таблицы для сферического отража-
теля
Р' _ Sd
Pq 4V2(1 + <7/2k)2
• Диаметр диска, длина или ширина
короткого цилиндра, конуса, паза не
должны превосходить 0,2 от размеров D и
L преобразователя. Ограничение для диска
снимают, применяя АРД диаграммы (см.
разд. 2.2.2.2).
• При отражении поперечных волн
диаметр цилиндра в графах 5 и 6 должен
быть > 2Х (для продольных волн -
> 0,4Х.). Для сферы подобные ограниче-
ния существуют, но количественно не ис-
следованы. В целях устранения этого ог-
раничения расчет выполняют по графикам
(см. разд. 2.2.2.2).
Формулы табл. 2.1 позволяют рас-
считать максимальное значение эхосигна-
ла от дефекта, расположенного на опреде-
ленном расстоянии от преобразователя. В
дальней зоне это соответствует положе-
нию отражателя на оси преобразователя. В
ближней зоне максимальный эхосигнал
может давать отражатель, лежащий в сто-
роне от оси. Приведем формулы для рас-
чета значений эхосигналов от моделей
дефектов, расположенных не на оси в
дальней зоне преобразователя, в том числе
дефектов, наклонных к оси (затухание не
учтено). Для повышения точности учтено
ослабление амплитуды излучаемых про-
дольных волн вследствие частичной
трансформации в поперечные.
Боковое цилиндрическое отверстие
диаметром d (рис. 2.30, а):
Р' s (п\ М (COS0YA2M'i л
ф (0)cos0-
IQ А у о у и J
(2.2)
Здесь Ф(0) - диаграмма направленно-
сти преобразователя (см. табл. 1.10); 0 -
угол между его осью и направлением на
цилиндр; /(О) - коэффициент трансфор-
мации продольных волн в поперечные при
излучении, показанный на рис. 1.51.
Диск диаметром 2Ъ и площадью s
(рис 2.30, б), наклоненный под углом <р к
поверхности ввода:
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
181
Р' s$ ld\ л 2.7] (2ta sine)
—=-^-xCejcosecosEO^e) ", .—,
Рй г к 2kb sine
(2-3)
где е = ф - 0 - угол падения на дефект.
Полоса шириной 2Ъ, наклоненная под
углом ф:
Р' bS^2 (ел , 2 /та sin(2A:Z> sine)
— = 7-^гх(9)СО89ф (9 —^г-—L
Ро (rX)' 2kbsine
(2.4)
Плоскость под углом ф к поверхно-
сти ввода (рис. 2.30, в):
Рис. 2.31. К закономерностям ослабления
эхосигнала с расстоянием:
а - для сферы; б - для плоскости
nt г»
— = —— х(ф)с°8 0ф2(ф), (2.5)
Рй 2г К
где г’ - кратчайшее расстояние от преоб-
разователя до плоскости. Формулы (2.2) -
(2.5) экспериментально не проверялись.
Пример 2.1. Сфера какого диаметра d даст
такую же амплитуду сигнала, как плоскодонное
отверстие диаметром d = 3 мм, если Z. = 1,5 мм?
Одинаковые амплитуды эхосигналов два
компактных отражателя дадут, когда их значения
А одинаковы, причем </ >/.; отсюда
rf/(4X) = nz/'2/(-4Z2 ); d = nd'1 /к = л32/1,5 = 19 мм .
Пример демонстрирует плохую выявляе-
мость округлых дефектов по сравнению с пло-
скими, перпендикулярными к оси преобразователя.
Поясним физический смысл приве-
денных формул [247]. Площадь преобра-
зователя входит в числитель всех формул
для дальней зоны, потому что лучи от
преобразователя расходятся в виде диа-
граммы направленности и угол расхожде-
ния лучей тем меньше, чем больше пло-
щадь преобразователя. Дискообразный
отражатель подобен излучающему преоб-
разователю. От него лучи также расходят-
ся в виде диаграммы направленности, по-
этому площадь диска входит в числитель
первой формулы.
Сравнение формул для дальней зоны
показывает, что ослабление донного сиг-
нала с расстоянием происходит медленнее
(пропорционально 1/г), чем эхосигнала от
диска или сферы (пропорционально 1/г2),
ослабление эхосигнала от цилиндра - в
промежутке между ними (по закону
1/г3/2). Такие закономерности объясняются
следующим. Лучи от излучателя расхо-
дятся, поэтому амплитуда убывает, как
1/г. Диск или сфера - как бы вторичные
излучатели. Попавший на них сигнал пе-
реизлучается в обратном направлении
(рис. 2.31, а), поэтому амплитуда опять
убывает, как 1/г. В итоге ослабление про-
порционально 1/г2.
Донная поверхность играет роль зер-
кала (рис. 2.31, б). Отраженные от него
лучи можно рассматривать как излучен-
ные мнимым излучателем, зеркально-
симметричным действительному (показан
штриховыми линиями). Расстояние от не-
го до приемника 2г. Именно по закону 1/2г
убывает донный сигнал. Цилиндр в плос-
кости, перпендикулярной к оси, - малень-
кий отражатель, лучи от которого расхо-
дятся как от сферы. В плоскости вдоль
оси - отражение происходит как от зерка-
ла. Отсюда закономерность 1/г3/2.
Формулы для ближней зоны исходят
из предположения о нерасходимости энер-
гии акустического поля.
2.2.2.2. Расчет эхосигналов по
диаграммам и графикам
Для плоскодонного и бокового ци-
линдрического отверстий, чаще других
182
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рнс. 2.32. Амплитуда отражения от
плоскодонного отверстия (—) и
диска (—) малых диаметров в зависимости
от отношения радиуса к длине
продольной волны:
• - эксперимент для плоскодонных отверстий
используемых в качестве искусственных
отражателей, даны удобные способы рас-
чета максимальных эхосигналов, приме-
нимые для широкого диапазона диамет-
ров. Также рассмотрено изменение ампли-
туды эхосигнала при смещении преобра-
зователя относительно края полуплоско-
сти, имитирующей край протяженного
дефекта.
Плоскодонное отверстие - основной
тип искусственного дефекта, используе-
мый в России и Германии. Среди ком-
пактных отражателей оно дает макси-
мально возможный эхосигнал. Плоско-
донное отверстие соответствует модели
отражателя в виде тонкого диска, имити-
рующего реальные дефекты типа трещи-
ны, раскованной поры и шлакового вклю-
чения. Изготовить в образце тонкий диск-
очень трудная технологическая задача.
Отражение от плоскодонного отвер-
стия хорошо имитирует отражение от дис-
ка при большой величине дефектов, но в
области малых дефектов оказывается не-
идентичным диску по отражательной спо-
собности. На рис. 2.32 показаны зависи-
мости амплитуд эхосигналов от диска
(твердый диск в жидкости) и плоскодон-
ного отверстия в функции от их радиуса
b = d!2, отнесенного к длине волны [247].
Теоретическая кривая для диска совпадает
с кривой, пропорциональной (б/Х)2 (соот-
ветствующей энергетическому приближе-
нию и отражению от плоскодонного от-
верстия), при 5/л > 0,7 . При b/'k < 0,3
амплитуда отражения от твердого диска в
жидкости и полого диска в твердом теле
пропорциональна (b/k)3, т.е. значительно
меньше. Как показывают эксперименталь-
ные данные, полученные одним из авто-
ров, сигнал от плоскодонного отверстия
изменяется пропорционально (А/7.)2 даже
для очень малых диаметров. Это, видимо,
объясняется тем, что боковые стенки от-
верстия мешают УЗ обогнуть отражатель,
а именно: этот эффект является причиной
быстрого уменьшения сигнала от диска
при малых его размерах.
При небольших размерах плоских
отражателей, ориентированных по норма-
ли к акустической оси преобразователя,
отношения амплитуд эхосигналов от них
равны отношению площадей этих отража-
телей. Перевод отношений амплитуд эхо-
сигналов в соответствующие величины
децибелов рекомендуется проводить по
номограмме, показанной на рис. 1.2.
Если площадь отражающего диска
(или плоскодонного отверстия) увеличи-
вать (рис. 2.33), то при больших значениях
диаметра (d = 2b) амплитуда сигнала воз-
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
183
растает с ростом дефекта медленнее, чем
по закону (b/k)2. Когда размер диска дос-
тигает, а затем превосходит размер преоб-
разователя, возможны две закономерности
изменения амплитуды эхосигнала.
Если отражатель находится в ближ-
ней или переходной зоне преобразователя,
амплитуда эхосигнала от него постепенно
приближается к амплитуде донного сигна-
ла (кривая У). Если же отражатель в даль-
ней зоне преобразователя, то амплитуда
эхосигнала от него может превзойти ам-
плитуду донного сигнала, испытать одну
или несколько осцилляций и только после
этого амплитуда эхосигнала от диска сов-
падает с амплитудой донного сигнала
(кривая 2).
Такая зависимость объясняется тем,
что отражающий диск подобен вторично-
му излучателю УЗ и имеет свои ближнюю
и дальнюю зоны. Когда отражающий диск
больше преобразователя, диск может на-
ходиться в его дальней зоне, а преобразо-
ватель - в ближней зоне отражающего
диска. Это и служит причиной осцилляции
эхосигнала от диска при увеличении его
Рис. 2.33. Амплитуда отражения от
плоскодонного отверстия (преобразователь
диаметром 12 мм, частота 2,5 МГц,
расстояние 100 мм):
----------теория; ооо - эксперимент
диаметра. В частности, при Z> = -j0,5Xr
преобразователь находится на границе
ближней зоны отражателя, с чем связано
достижение максимального значения ам-
плитуды.
Рис. 2.34. АРД диаграмма с логарифмическим масштабом по оси абсцисс
184
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Расстояние (за 1 принята длина ближайшей зоны)
Рис. 2.35. АРД диаграмма с линейным масштабом по оси абсцисс
Амплитуды максимальных эхосигна-
лов от плоскодонных отверстий в широ-
ком диапазоне расстояний преобразова-
тель - отражатель и размеров отражателя
определяют с помощью семейства кривых
амплитуда-расстояние-диаметр (АРД
диаграмм). На рис. 2.34 и 2.35 даны без-
размерные АРД диаграммы с логарифми-
ческим и линейным масштабами по оси
абсцисс, где отложено приведенное рас-
стояние преобразователь-отражатель (т.е.
расстояние, деленное на длину ближней
зоны преобразователя). Параметр - отно-
шение диаметров отражателя и преобразо-
вателя.
Рис. 2.34 - скорректированная на ос-
нове наших данных [132, 247] АРД (по-
немецки AVG) диаграмма фирмы
Krautkramer (ФРГ). Ее достоинство -
большой диапазон охватываемых расстоя-
ний. Зато диаграмма на рис. 2.35 позволя-
ет легко учитывать затухание, что будет
показано далее. Заштрихованные области
соответствуют вариации эхосигналов под
влиянием формы и длительности импуль-
сов.
Для конкретных типов преобразова-
телей строят размерные АРД диаграммы, в
которых на оси абсцисс откладывают рас-
стояние от преобразователя до отражате-
ля, а параметр - диаметр или площадь от-
ражателя. На рис. 2.36 приведена шкала
перевода диаметра в площадь плоскодон-
ного отверстия.
Для учета затухания УЗ в материале
изделия следует наложить на размерную
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
185
Диаметр d, мм —
Ц5 ЦБ 1,5 2 2,5 3 ^5 6 7 0 9 д 20 25 М 35w4550
Ц2 ЦЗ ЦЦ5 0,7 * 1р 2 3 * 5 7 ' Я 20 30 №50 70 150200 300000500 700^^2000
Площадь 8, мм2
Рис. 2.36. Шкала диаметр - площадь диска
АРД диаграмму с линейным масштабом
по оси абсцисс прозрачный планшет с го-
ризонтальными линиями, повернуть его на
угол ф и использовать его линии вместо
горизонтальных линий диаграммы. Для
определения угла ф выбирают на любой
горизонтальной линии координатной сет-
ки АРД диаграммы точку с большим зна-
чением г (чем больше г, тем выше точ-
ность). Находят произведение
2{8)г = (17,468г).
Это значение откладывают по оси ординат
вниз от пересечения с выбранной горизон-
талью и отмечают вторую точку. Прямая,
проведенная через две найденные точки,
имеет искомый угол наклона ф.
АРД диаграммы к каждому выпус-
каемому преобразователю прилагает на-
учно-производственный центр "Эхо +"
(Москва). Фирма Krautkramer прилагает
АРД диаграммы к каждому типу выпус-
каемых преобразователей. Для наклонных
преобразователей на диаграммах указана
величина АРК1 (иногда - АЕК2), которая
показывает, на сколько децибелов сигнал
от вогнутой поверхности образца К1 (или
К2) выше или ниже сигнала, отраженного
от перпендикулярной к акустической оси
поверхности, расположенной на том же
расстоянии (ей соответствует кривая <ю).
В настоящее время разработаны ком-
пьютерные программы расчета АРД диа-
грамм для преобразователей любых типов.
ЦНИИТмаш разработана система АРД-
Универсал, которая дает возможность бы-
стро построить на компьютере точные
индивидуальные диаграммы для любого
прямого или наклонного преобразователя
(см. разд. 3.1.3). В разработанном в этом
институте процессорном дефектоскопе
УДЦ-201П для каждого типа преобразова-
телей, имеющихся в каталоге прибора, на
экран выводится кривая АРД диаграммы,
соответствующая плоскодонному отвер-
стию малого диаметра.
Боковое цилиндрическое отвер-
стие. Отражатель в виде цилиндра, длина
которого превосходит эффективную ши-
рину поля отражателя, имитирует реаль-
ные дефекты типа протяженных шлаковых
включений и вытянутых пор. В США и
многих других странах он принят за ос-
новной тип искусственного дефекта при
контроле сварных соединений.
Расчет эхосигнала для такого отража-
теля выполняют по соответствующей об-
щей формуле (см. табл. 2.1). Формулу
удобнее записать в децибелах:
{Р'/Ро} = (2 k/D) + + (/2 (г/А)).
(2-6)
Первый член просто вычисляют, вто-
рой получают с использованием рис. 2.37,
а. Для продольных волн эта кривая совпа-
дает с формулой графы 6 табл. 2.1. Для
поперечных вертикально поляризованных
волн штриховая кривая и формула совпа-
дают только при d/7. > 2 .
Третий член берут по рис. 2.37, б, где
зависимость амплитуды от расстояния
дана в децибелах. Если значения r/N боль-
186
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.37. Графики к расчету эхосигнала от бокового цилиндрического отверстия
ше приведенных на рис. 2.37, б, то /2 рас-
считывают по формуле
(/2) = (2,22(А7г)3/2^. (2.7)
Для преобразователей конкретного
типа целесообразно с помощью формулы
(2.6) строить семейства кривых типа АРД
диаграмм для бокового цилиндрического
отверстия.
Существенно разный характер кри-
вых для продольных и поперечных (поля-
ризованных перпендикулярно к оси ци-
линдра) волн на рис. 2.37, а объясняется
влиянием волн обегания, особенно боль-
шим при падении вертикально поляризо-
ванной поперечной волны. В результате
суммирования прямо отраженной волны и
волны обегания кривая изменения ампли-
туды испытывает большие осцилляции,
которые сглаживаются действием им-
пульсного характера излучения (штрихо-
вая кривая). Для продольных и попереч-
ных горизонтально поляризованных волн
А соответствует верхняя кривая, так как
волны обегания в этом случае практически
отсутствуют. По изложенной причине
объемные дефекты лучше выявляются
поперечными волнами, направление коле-
баний в которых параллельно отражаю-
щей поверхности.
Для того чтобы обеспечить возмож-
ность настройки дефектоскопа по отвер-
стию диаметром 6 мм в СО-2 перед нача-
лом работы с АРД диаграммой, достаточ-
но на ее оси ординат отметить уровень
эхосигнала от этого отверстия. Теперь в
целях совмещения шкалы аттенюатора и
АРД диаграммы можно отложить этот
уровень на шкале аттенюатора и некалиб-
рованной ручкой установить такую чувст-
вительность, чтобы сигнал от отверстия в
СО-2 на экране достигал стандартного
уровня.
Полуплоскость (край дефекта). По-
луплоскость имитирует край протяженно-
го дефекта. На рис. 2.38, б [247] показано
изменение амплитуды эхосигнала Р']РК
(Рл- сигнал от плоскости) при взаимном
перемещении края полуплоскости и пре-
образователя (рис. 2.38, а) в функции от
двух безразмерных параметров: 17а и r/N,
где Г - расстояние между краем полуплос-
кости и центром преобразователя.
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
187
Рис. 2.38. Изменение эхосигнала от края полуплоскости
(протяженного дефекта)
В практике УЗ-контроля при измере-
нии условной протяженности дефекта (см.
разд. 3.2.3) положение края определяют по
точкам, где амплитуда уменьшается на 6,
10 или 20 дБ от максимума (точнее, от
эхосигнала над плоскостью дефекта). При
этом преобразователь смещается на неко-
торое расстояние /' от края дефекта, назы-
ваемое полурасширением условной протя-
женности дефекта, которое можно найти
по кривым на рис. 2.38, в. Можно также
воспользоваться следующими формулами.
При измерении по уровню 6 дБ (способ
"6 дБ") расширения не происходит: 16 = 0.
Для уровня 10 дБ
Для уровня 20 дБ:
/20 = 0,58а
/20 = 0,177 гк/а + 0,23а
при
г/У<2;1
r!N>2]
(2-9)
Есть также способ поиска положения
края дефекта по дифракционному макси-
муму, наблюдаемому на кривых с
г / N > 2,5 . Для него
/тах = _0Д 54гХ / а - 0,44а
при
4>г/У<2,5;
г/У>4.
(2.Ю)
/10 = 0,18а
/10 = 0,05гХ/а + 0,065а
при
г/У<2;
r/N>2.
(2-8)
Знак "минус" показывает, что услов-
ный размер меньше истинного. Этим спо-
собом можно пользоваться только, когда
истинный размер дефекта > 2Zmax.
188
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
2.2. Максимальные эхосигналы от угловых отражателей Р'/Рщах
для поперечных волн
Искусственный дефект, отражатель Ближняя зона Дальняя зона Коэффициент вида дефекта А
5С Г п (0,5.. Gh l,2)x 1 ).d
Засверловка V/. GhS' I d Gh 1 d
2r2 у A3 sin (p 2 у A3 sin <p
IK- X S' у sin ср
0^ |
Полуцилиндр
2.2.2.3. Угловые отражатели
При контроле наклонными преобра-
зователями хорошо выявляются дефекты
(например, трещины), близкие к донной
поверхности или поверхности ввода и
перпендикулярные к ним. Это связано с
двойным отражением УЗ от поверхностей
изделия и дефекта, в результате чего лучи
возвращаются к тому же преобразователю,
работающему как приемник (угловой эф-
фект). Искусственные дефекты, имити-
рующие это явление, называют угловыми
отражателями. Отражатели типа зарубок и
рисок хорошо имитируют выходящие на
поверхность компактные или протяжен-
ДЕФЕКТОСКОПИЯ МЕТОДАМИ ОТРАЖЕНИЯ
189
ные трещины и непровары сварных со-
единений. Угловые отражатели и форму-
лы для расчета максимальных эхосигналов
от них приведены в табл. 2.2 [247; 427,
докл. Б04].
Большинство обозначений в табл. 2.2 -
те же, что и в табл. 2.1, со следующими
изменениями: s' - площадь отражающей
поверхности зарубки; X - длина попереч-
ной волны; Еп1ах - максимально возмож-
ный эхосигнал. Для возбуждения и приема
поперечных волн применяют наклонные
преобразователи с призмой (см. разд.
1.1.3), поэтому согласно формулам (1.34)
и (1.35) введена мнимая пьезопластина
площадью S' (см. рис. 1.53, б). Для прямо-
угольной пластины
S’=LL'-, L'= Z,j cosa/cosp.
Здесь L\ и L - размеры пьезопласти-
ны в плоскости падения и дополнительной
плоскости; р и a - углы падения и пре-
ломления для акустической оси. Для круг-
лой пластины мнимый пьезоэлемент -
эллиптический с размерами Dcosa/cosp
в основной и D в дополнительной плоско-
стях. В формулы, отмеченные знаком*,
вместо L и L' вводят 2D/к и
2Z)cosa/(7Tcosp).
В г входит путь в изделии г' и до-
полнительный путь и от мнимой пласти-
ны до точки выхода. Обычно он < 10 мм, и
при больших расстояниях г' им пренебре-
гают. Во все формулы для эхосигналов
необходимо ввести множитель е~26г для
учета затухания в изделии, где 8 - коэф-
фициент затухания поперечных волн.
Множитель, учитывающий затухание в
призме, и коэффициент прозрачности не
введен, поскольку использована прибли-
женная часть формулы (1.34).
В табл. 2.2, как и в табл. 2.1, отража-
тели разделены на три группы: компакт-
ные (зарубка, засверловка); протяженные
в одном направлении (риска, вертикальное
цилиндрическое отверстие); протяженный
в двух направлениях (двугранный угол).
Рис. 2.39. Коэффициент G для расчета
сигналов от угловых отражателей в
функции от угла падения <р на донную
поверхность ОК и глубины отражателя h
в мм; оо соответствует значению G для
двугранного угла и вертикального
отверстия
Формула для полуцилиндрического об-
разца приведена для сопоставления.
Диапазон вариации численных коэф-
фициентов в формулах для ближней зоны
уменьшен, поскольку немонотонности
изменения эхосигналов здесь сглажены.
Для расчетов в переходной зоне исполь-
зуют коэффициент вида дефекта А и об-
щие формулы и графики из табл. 2.1.
В формулы введен коэффициент G,
который учитывает геометрию отражения,
явления незеркального отражения и
трансформации волн (см. разд. 1.1.4). Ко-
эффициент G (рис. 2.39) зависит от угла
падения на поверхность ф и от глубины
зарубки, засверловки или риски h, которая
должна быть на 50 % большее длины по-
перечной волны (h > 1,57.). Для изделий с
плоскопараллельными поверхностями ф =
= a - углу ввода. Для изделий с непарал-
лельными или искривленными поверхно-
стями ф а.
Кривые (рис. 2.39) построены экспе-
риментально и учитывают эффекты
трансформации волн и незеркального от-
ражения (см. разд. 1.1.4). Поясним, какими
явлениями объясняется эта зависимость.
Трансформация поперечной волны в про-
дольную на вертикальной поверхности
190
Глава 2. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Рис. 2.40. Изменение максимума эхосигнала в зависимости от отклонения
отражающей грани риски глубиной 10 мм от перпендикулярности к донной поверхности:
пунктирная кривая - эксперимент; сплошная - теория; 1 - положительное отклонение
(в сторону преобразователя); 2 - отрицательное отклонение
отражателя возникает, когда угол падения
на нее (90° - <р) больше, чем третий кри-
тический угол ф' (для стали ф' = 33°). Она
вызывает резкое уменьшение G при уг-
лах ф * 60 ... 67°. Незеркальное отражение
увеличивает эхосигнал от неглубоких за-
рубок при углах ф = 35 ... 50°, несколько
больших третьего критического значения
33°. В этой области кривая G зависит от
глубины зарубки. Чем она меньше, тем
значительнее вклад незеркального отра-
жения. Обычно зарубки как искусствен-
ные отражатели применяют при углах ф >
50°, где зависимость 6(ф) однозначна.
Экспериментальные точки имеют
существенный разброс относительно при-
веденных усредненных кривых. В области
углов ф s 60 ... 67 разброс эксперимен-
тальных точек достигает 50 %. Это обу-
словлено следующими физическими при-
чинами: смещением фазы волны при от-
ражении от свободной поверхности при
углах ф, отличающихся от 45° (см.
разд. 1.1.4), и дифракционным рассеянием
на вертикальной грани риски. В результа-
те прямого отражения и трехкратного (с
учетом двукратного отражения от свобод-
ной поверхности) отражения от этой грани
образуются диаграммы направленности в
виде лепестков, которые суммируются (с
учетом фазы) с основным отраженным
сигналом. Этим явлением, в частности,
объясняется резкое уменьшение амплиту-
ды эхосигнала при h < X и угле
Ф = 65 ... 70°.
К этому добавляется разбро