/
Автор: Балдев Р. Радженран В. Паланичами П.
Теги: физика математическая физика издательство техносфера серия мир физики и техники
ISBN: 5-94836-088-1
Год: 2006
Текст
физики
БАЛДЕВ РАДЖ,
В. РАДЖЕНДРАН,
П. ПАЛАНИЧАМИ
Применения
ультразвука
ТЕХНОСФЕРА
И Р
изики и техники
БАЛДЕВ РАДЖ,
В. РАДЖЕНДРАН,
П. ПАЛАНИЧАМИ
Применения
ультразвука
Перевод с английского
А. Ширшова
ТЕХНОСФЕРА
Москва
2006
Радж Балдев, Раджендран В., Паланичами П.
Применения ультразвука
Москва:
Техносфера, 2006. - 576 с. ISBN 5-94836-088-1
Книга посвящена современным применениям ультразвука в
науке и технике и базируется на научных публикациях послед-
них лет. Издание ориентировано на широкий круг читателей
(специалисты по материаловедению, машиностроению и прибо-
ростроению, студенты).
Наряду с кратким изложением теоретических основ детально
рассматриваются вопросы излучения и приема ультразвука,
методы определения параметров ультразвуковых волн, дается
обзор применения ультразвука в различных отраслях промыш-
ленности для оперативного контроля хода процессов, свойств
веществ и параметров изделий.
Даны основы инженерных расчетов, рассмотрены схемы и
конструкции устройств, применяемых в неразрушающем кон-
троле, металлургии, материаловедении, медицине, подводной
акустике, расходометрии. Существенное внимание уделено
методам исследования жидкостей, а также контроля структуры и
механических свойств материалов и готовых изделий.
SCIENCE
and
TECHNOLOGY
of
ULTRASONICS
Baldev Raj
V Rajendran
P Palanichamy
Ф
Alpha
Science
© 2003 by Narosa Publishing House, New Delhi — 110 002
All rights Reserved.
© 2006, ЗАО "РИЦ "Техносфера", перевод на русский язык,
оригинал-макет
ISBN 5-94836-088-1
ISBN 1-84265-066-1 (англ.)
ОКРОПУС
Научно-Производственный Центр
Универсальный ультразвуковой
дефектоскоп УД2В-П46
Оптимальный выбор для проведения ультразвукового
контроля сварных соединений, поковок,
литья, труб, прутков и прочих изделий
Особенности:
- частотный диапазон от 0,5 до
- прецизионная толщинометрия
- широкий набор функциональн
- подключение любых преобра
- ВРЧ с диапазоном до 90 дБ;
- АРК с двумя дополнительнымиглРМй»ЯМИЖ1Лй
* встроенные цифровые и анало|овы« ФиЛ^трЙ,
- две независимых зоны контроля;! . 1 I
- огибающая максимума сигнала!..1 | Г 1
- 100 настроек с A-сигналом; 'А
- 750 протоколов контроля с датой,“^в^мейек;"
A-сигналом, всеми параметрами работы;
- русские имена настроек и протоколов;
- ЭЛД или ЖКИ экран на выбор;
- автоматический документооборот
с использованием нескольких бааданных^п.,»
Широкая гамма преобразователей
с индивидуальными паспортами по
ASTM-E Ю65/ГОСТ 26266 позволяет
реализовать любую методику
протоколов и конструктор любых протоколов;:
- простота в управлении;
- легкий вес и высокая надежность;
- широкий температурный диапазон (-25° + 55°);
- широкополосный и резонансные режимы работы;
- прямоугольный импульс возбуждения 200В
с регулируемой длительностью.
контроля и сделать^контроль
удобным и достоверным
Универсальный ультразвуковой
дефектоскоп УД2В-П45
Простой и надежный инструмент для
ультразвукового неразрушающего контроля
во всех областях промышленности.
Особенности:
- частотный диапазон от 0,5 до 15МГц;
- прецизионная толщинометрия;
- ВРЧ с диапазоном до 90 дБ и АРК;
- встроенные цифровые и аналоговые фильтры;
- две независимые зоны контроля;
- 64 настройки с А-сигналом;
- 1000 результатов измерений;
- русские имена настроек (до 28 символов);
- ЖКИ экран с регулируемой яркостью и
контрастностью;
- простота в управлении;
Приборы сертифицированы в
Госстандарте России, зарегистрированы
в Государственном реестре средств
измерений и допущены к применению
в Российской Федерации, Казахстане,
Украине и Белоруссии.
- легкий вес и высокая надежность;
- прямоугольный импульс возбуждения 200В
с регулируемой длительностью;
- 16 часов работы от 4-х аккумуляторов 7А/ч;
- высокая производительность контроля;
- паспортизация преобразователей
(частота, спектр, РШХ)
3 ГОДА ГАРАНТИИ НА ВСЕ ОБОРУДОВАНИЕ '
Научно-Производственный Центр "Кропус"
142400, МО, г.Ногинск, ул.200-летия города,2
Тел/факс: (495) 500-21-15, 786-69-53, 786-69-54
(49651) 5-83-89, 5-50-56
http://www.kropus.ru e-mail: sales@kropus.ru
СОДЕРЖАНИЕ
ГЛАВА 1 Введение..............................................18
ГЛАВА 2 Основы ультраакустики.................•..............24
2.1. Введение..........................................24
2.2. Волны.............................................25
2.2.1. Уравнение бегущей волны........................25
2.2.2. Передача энергии..............................26
2.2.3. Параметры и характеристики волны..............28
2.3. Классификация звуковых волн.......................30
2.4. Ультразвуковые волны..............................31
2.5. Различные виды ультразвуковых волн................33
2.5.1. Продольные, или волны сжатия..................33
2.5.2. Поперечные, или волны сдвига..................35
2.5.3. Поверхностные, или волны Рэлея................37
2.5.4. Волны в пластинах, или волны Лэмба............38
2.6. Характеристические свойства ультразвуковых волн...40
2.6.1. Скорость......................................40
2.6.2. Волновое сопротивление........................41
2.6.3. Интенсивность звука и звуковое давление.......42
2.7. Поведение ультразвуковых волн.....................44
2.7.1. Отражение и преломление.......................44
2.7.2. Волны на границах.............................48
2.7.3. Волны при наклонном падении...................50
2.7.4. Конверсия волн................................52
2.7.5. Критический угол..............................54
2.8. Фокусировка ультразвуковых волн...................56
2.9. Стоячие волны и резонанс........................ 58
2.9.1. Полуволновой резонанс.........................59
2.9.2. Четвертьволновой резонанс.....................60
2.9.3 Добротность резонанса..........................60
2.10. Затухание........................................62
2.10.1. Рассеяние ультразвуковых волн................63
Измерение механических напряжений в трубопроводах и конструкциях
Ультразвуковой прибор для измерения
механических напряжений ИН-51О1А
- новое поколение приборов, основанных на применении явления акустоупругости.
Разработчик и изготовитель - инженерная фирма "ИНКОТЕС”
Сертифицирован
Имеет аттестованную методику измерений
I у ................ . t
I ... СЕШ1Ф0КаТ g
I Измерение механических напряжении в материале трубопроводов и конструкции
" : ' - * '
I Контроль напряженно-деформированного состояния (НДС) газо-, нефтепроводов
Контроль неоднородности структуры металлов методами акустоупругости
: .. |> . -Тч'
I .... Ш -* ? —... || ' ' " s ..
I Определение по знаку и величине двухосных напряжений с погрешностью,
| не превышающей 10% от предела текучести материала конструкции,
j Возможность ввода коэффициента усиления для каждого отраженного импульса.
I .J Погрешность измерения временных интервалов - не более 5 нс
I । Точность измерения временных интервалов обусловлена использованием
| не огибающей сигнала, а его высокочастотного заполнения.
I । ’’Привязка" к определенной точке профиля импульса при измерениях.
Сталь: Ст.З. Ст.20,17Г1С, Х70, 09Г2С и аналогичные.
Дюралюминий: сплавы D16, D16T, D16ATV и
аналогичные.
Алюминиевые сплавы: АМг. В95,1420 и аналогичные.
Титановые сплавы: ВТ9, ВТ23 и аналогичные.
База данных материалов постоянно расширяется.
Бесшовные, одношовные, двухшовные,
спиралешовные.
Диаметр 300... 1500 мм; толщина стенки: 5...50 мм
Инженерная фирма
т/ф (8312) 60-67-00 info@encotes.ru
ИНКОТЕС Г*
www.encotes.ru
Содержание
2.10.2 Поглощение ультразвуковых волн................65
2.10.3. Дисперсия ультразвуковых волн................66
2.10.4. Потери при передаче из-за связывающей
среды и шероховатости поверхности.....................66
2.11. Дифракция........................................68
2.12. Заключение.......................................70
Рекомендуемая литература...............................70
ГЛАВА 3 Ультразвуковые преобразователи.......................72
3.1. Введение..........................................72
3.2. Различные виды источников ультразвука.............73
3.2.1. Механический метод............................73
3.2.2. Электростатический метод......................74
3.2.3. Электродинамический метод.....................75
3.2.4 Магнитострикционный метод......................76
3.2.5. Электромагнитный метод........................79
3.2.6. Пьезоэлектрический метод......................81
3.2.7. Лазерный метод................................83
3.2.8. Ультразвук очень высоких частот (> ГГц).......84
3.3. Пьезоэлектрический эффект.........................85
3.3.1. Пьезоэлектрические кристаллы..................85
3.3.2. Пьезоэлектрические коэффициенты...............86
3.3.3. Преимущества и недостатки кварца..............89
3.4. Преобразующие материалы...........................89
3.4.1. Пьезоэлектрические керамические
материалы.......................................89
3.4.2 Полимерные материалы...........................90
3.5. Материалы для приема и передачи...................94
3.6. Выбор толщины пьезоэлектрического элемента........98
3.7. Различные виды преобразователей...................99
3.7.1. Эквивалентная цепь............................99
3.7.2. Прямолучевой преобразователь.................100
3.7.3. Двухкристальный преобразователь..............101
3.7.4. Преобразователь с наклоном луча..............103
3.7.5. Механическая фокусировка.....................105
3.7.6. Преобразователь с электронной фокусировкой
с использованием задержек (многоэлементный) ........105
3.7.7. Преобразователь емкостного типа..............107
3.8. Сравнение источников ультразвука..................108
3.9. Характеристики ультразвукового луча...............108
3.9.1. Профиль луча или траектория...................109
3.9.2. Область ближнего поля........1................112
3.9.3. Расчет протяженности ближнего поля...........113
3.9.4. Область дальнего поля, или дальняя зона......114
ГИ
НАУКАМ
125319 Москва, а/я 594
телефон: (495) 234-0110, факс: (495) 956-3346
E-mail: sales@technosphera.ru
http://www.technosphera.ru
Мирматематики
физики и техники
олЪгии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле s
ёриаДов й технологий
Ш Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой 'обработкич
V* г Мйр экономики
Мир дизайна
Мир увлечений/
ЦЕНТР
8 Содержание
3.9.5. Определение угла раствора луча...............115
3.9.6. Профилирование луча преобразователя..........116
3.10. Заключение.................................... 117
Рекомендуемая литература..............................117
ГЛАВА 4 Методы измерения ультразвука........................119
4.1. Введение.........................................119
4.2. Обнаружение ультразвуковых волн..................120
4.2.1. Механический метод...........................120
4.2.2. Оптический метод.............................121
4.2.3. Электрический метод..........................122
4.3. Методы точного измерения.........................125
4.3.1. Циклическое возбуждение......................126
4.3.2. Метод наложения импульсов.................. 127
4.3.3. Метод перекрывания эхо-импульсов.............128
4.3.4. Метод взаимной корреляции....................136
4.3.5. Метод наклона фазы...........................141
4.3.6. Прямой метод.................................144
4.4. Автоматизированные компьютерные методы...........146
4.4.1. Метод незатухающей волны.....................146
4.4.2. Метод циклического возбуждения...............149
4.4.3. Метод перекрывания эхо-импульсов (РЕ О)......152
4.4.4. Метод взаимной корреляции....................152
4.4.5. Метод пересечения нулевого уровня............157
4.5. Резонансная ультразвуковая спектроскопия
и лазерная интерферометрия...........................158
4.5.1. Резонансная ультразвуковая спектроскопия.....158
4.5.2. Лазерная интерферометрия.....................161
4.6. Методы измерения затухания.......................165
4.6.1. Метод сравнения..............................166
4.6.2. Традиционный метод...........................167
4.6.3. Метод видимого затухания.....................168
4.6.4. Метод, основанный на амплитудах первого
эхо-сигнала от задней поверхности....................168
4.6.5. Метод поверхностной волны Рэлея..............169
4.6.6. Автоматизация и измерения частотной
зависимости.........................................169
4.7. Истинное затухание.............................. 170
4.8. Заключение.......................................170
Рекомендуемая литература..............................171
ГЛАВА 5 Общие и прогрессивные способы применения
ультразвука.................................................173
5.1. Введение.........................................173
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
КОМПЛЕКСНЫЕ ПОСТАВКИ
Стандартные образцы:
Стандартные образцьйСО-1, СО-2 ,СО-3 , СО-4, СОЗР.
Стандартные образрЬн'предприятия СОП с зарубкой.
Ультразвуковые дефектоскопы:
HJSM 35, USN 58, УД 3-71, УД 2-70, УД 2В-П46,
^УД 4Т.УД 2В-П45, УД 2-102, УД 3-103, УД 3-204.
й Ультразвуковые толщиномеры:
УТ-93П, УТ-301, УТ-80М, Булат-1 С,
Булат-1 М, ТУЗ-2, ТУЗ-1. DM-4.
Ультразвуковые преобразователи:
- наклонщъаэвмешенные - П 121 ( от 1,8 до 5 MHz),
- хордовые^Ат.’ч. для контроля полиэтилена) П 122,
- раздельно-совмещенные для толщинометрии П 122
- наклонно- совмещенные притертые под стык и гиб,
- прямые совмещенные П 111 ( до 10 MHz),
-Цадиографический контроль;
- Визуальный контроль;
- Контроль изоляции трубопроводов;
- Магнитопорошковый и вихретоковый контроль;
- Контроль герметичности резервуаров;
- Дозиметрический контроль;
- Твердометрия;
- Капиллярная дефектоскопия;
- Контроль температуры.
ООО «ШЭТ^руппПрибор»
119361^^«1я, Москва,
ул. Бол ^Очаковская д 2.
Тел. (4^^1-37-28, тел/факс (495) 981-37-29
www.pg®t)Scru E-mail:pgp-2004@mail.ru
Содержание
5.2. Классификация применений ультразвука...............174
5.3. Низкая частота — применение высокой
интенсивности..........................................176
5.3.1. Сварка........................................176
5.3.2. Очистка.......................................179
5.3.3. Расходомеры...................................184
5.3.4. Пищевая промышленность........................188
5.3.5. Испытания бетона..............................190
5.3.6. Датчик для замеров температуры и давления.....194
5.3.7. Эхолот...................................... 196
5.3.8. Дальномер.....................................196
5.4. Высокая частота — применение низкой
интенсивности.........................................197
5.4.1. Индикатор уровня (уровнемер)..................197
5.4.2. Измерения толщины.............................199
5.4.3. Ультразвуковая микроскопия....................201
5.4.4. Голография....................................205
5.4.5. Интеллектуальная обработка материалов.........209
5.4.6. Измерение остаточного напряжения..............213
5.5. Заключение........................................217
Рекомендуемая литература...............................218
ГЛАВА 6 Ультразвуковое исследование жидких смесей
и растворов..................................................222
6.1. Введение..........................................222
6.2. Виды молекулярного взаимодействия.................222
6.3. Ультразвуковое исследование молекулярных
взаимодействий........................................223
6.4. Подготовка многокомпонентных жидких смесей........224
6.4.1. Мольная доля..................................225
6.4.2. Массовая доля.................................225
6.4.3. Объемная доля.................................225
6.5. Методы измерения..................................226
6.5.1. Скорость ультразвука и коэффициент
поглощения..........................................226
6.5.2. Плотность.....................................232
6.5.3. Вязкость......................................232
6.6. Поведение ультразвуковых волн
в чистых жидкостях, смесях и газах....................233
6.6.1. Чистые жидкости и двухкомпонентные смеси......233
6.6.2. Газы..........................................237
6.7. Теории скорости ультразвука в смесях и растворах..238
6.7.1. Теория свободного пробега.....................238
6.7.2. Теория фактора столкновений...................239
* металлический
ударопрочный корпус
★ цветной TFT экран
* два полных
электроакустических канала
★ частотный диапазон до
25 МГц
★ ВРЧ по точкам и по
расчетным законам
* одна или две развертки
на одном экране
^плавная регулировка
частоты зондирования
★ полуавтоматическая
настройка чувствительности
12
Содержание
6.7.3. Соотношение Номото...........................241
6.7.4. Идеальное соотношение смеси..................242
6.7.5. Соотношение Джанджи..........................243
6.7.6. Теории термодинамики.........................243
6.7.7. Статистическая теория Флори.....,............246
6.7.8. Теория взвешенных частиц.....................249
6.7.9. Формулировка Хазэйра.........................250
6.8. Акустические параметры, выведенные
из скорости и других данных...........................252
6.8.1. Адиабатная сжимаемость.......................252
6.8.2. Акустический импеданс........................253
6.8.3. Длина межмолекулярного свободного пробега....253
6.8.4. Молярный объем...............................254
6.8.5. Свободный объем..............................254
6.8.6. Внутреннее давление..........................256
6.8.7. Избыточные величины..........................256
6.8.8. Изоэнтропическая сжимаемость.................257
6.8.9. Анализ ошибок................................257
6.8.10. Классическое поглощение.....................258
6.8.11. Избыточная энтальпия........................258
6.8.12. Свободная энергия активации потока Гибба....258
6.8.13. Параметр взаимодействия.....................259
6.8.14. Параметры Грюнейзена........................259
6.8.15. Кажущаяся (средняя) молярная сжимаемость....260
6.8.16. Кажущийся (средний) мольный объем...........261
6.9. Обзор ультразвуковых исследований в жидких смесях,
электролитах и полимерных растворах..................262
6.9.1. Жидкие смеси.................................262
6.9.2. Растворы электролита.........................270
6.9.3. Полимерные растворы..........................272
6.10. Заключение.....................................274
Рекомендуемая литература.............................274
ГЛАВА 7 Ультразвуковые неразрушающие испытания.............284
7.1. Введение........................................284
7.2. Классификация неразрушающих испытаний...........285
7.3. Ультразвуковое тестирование.....................286
7.4. Классификация ультразвукового тестирования......289
7.4.1. Импульсный эхо-метод.........................289
7.4.2. Контактный метод.............................290
7.4.3. Сквозное прозвучивание.......................291
7.4.4. Иммерсионный метод...........................293
7.4.5. Поиск - захват, или тандем...................293
7.4.6. Резонансный метод............................295
—/ “7':
rSEH’ANAMtIRK’S МОГ
^диагност OIMMJPMSS
Справочник
} уньтрнавукопоИ
голщиномогрии
и а ооо
в о о оо о
о а о о о о
в 0 0 $3 9 й
Bim
’Of
I
"Справочник по у л ь т ра з ну ко фр< ..
был создан ио просьбе наших лателей
обращающихся в наш офис с вВ1йШами1 по ЙрГ3
приборов для измерения толщин^^^' или^ньв
из* оювленных из различных мат1 . „ h*
В Справочнике рассмотрены различные проблемы
толщинометрии, которые могут быть успешно решены
применением УЗ приборов компании Panametrics-NDT.
Уникальный раздел ’’Применения" дает потребителю
ценную информацию о большинстве технических
материалов, диапазонах измерения толщины и о
порядке выбора прибора и преобразователя.
Информация, представленная в Справочнике,
предназначена для общего ознакомления, и
поэтому для окончательного выбора оборудования
необходимо обращаться к нашим специалистам.
Материалы справочника * результат десятилетнего
плодотворного сотрудничества компании
Panametrics-NDT и специалистов фирмы "Диагност".
E-mail: cUagno^O^^^tru <
14
Содержание
1АП. Поверхностные волны...........................295
7.5. Разновидности импульсного эхо-метода............296
7.5.1. Контактный метод............................296
7.5.2. Контроль иммерсионным методом...............302
7.6. Дефектоскоп.....................................304
7.6.1. Функции дефектоскопа........................305
7.6.2. Различные виды сканеров.....................310
7.7. Калибровка системы тестирования.................314
7.7.1. Наиболее распространенные
калибровочные блоки.................................315
7.7.2. Проверка характеристик дефектоскопа.........322
7.7.3. Корректирующие кривые
«расстояние — амплитуда»............................327
7.8. Применение дефектоскопов........................329
7.8.1. Измерение толщины и выявление расслоений
с помощью прямых зондов.............................330
7.8.2. Ультразвуковое обследование сварных
соединений с помощью наклонных зондов...............336
7.8.3. Ультразвуковое обследование ковки...........345
7.8.4. Ультразвуковое обследование литья...........349
7.9. Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях 353
7.9.1. Метод фокусирования с помощью
синтезированной апертуры............................353
7.9.2. Время пробега дифракционных волн ...........358
7.9.3. Обследование труб в процессе эксплуатации...360
7.9.4. Обнаружение дефектов в сварных соединениях
анизотропных материалов.............................367
7.9.5. Ультразвуковая неразрушающая оценка
(NDE) композиционных материалов.....................373
7.9.6. Ультразвуковое тестирование
с использованием твердых прослоек...................375
7.10. Заключение.....................................380
Рекомендуемая литература.............................380
ГЛАВА 8 Определение характеристик материалов...............383
8.1. Введение........................................383
8.2. Классификация способов получения
характеристик материалов.............................384
8.3. Экспериментальные методы и теория...............385
8.3.1. Подготовка образца..........................385
8.3.2. Измерения скорости и затухания..............387
8.3.3. Измерения плотности.........................388
8.3.4. Постоянные упругости........................388
Содержание
15
8.4. Использование постоянных упругости
материалов..........................................390
8.4.1. Изменение модулей упругости
в зависимости от пористости........................390
8.4.2. Конструкционные материалы...................396
8.4.3. Стекла.................................... 402
8.4.4. Стекла и стеклокерамика
с высокотемпературной сверхпроводимостью...........410
8.4.5. Биоактивные стекла..........................414
8.5. Микроструктурная характеристика.................416
8.5.1. Измерения размера зерна ....................416
8.5.2. Рекристаллизация............................427
8.5.3. Выпадение осадка............................429
8.6. Оценка механических свойств.....................447
8.6.1. Прочность при растяжении
и предел текучести.................................448
8.6.2. Твердость...................................449
8.6.3. Трещиностойкость............................450
8.7. Заключение......................................451
Рекомендуемая литература.............................452
ГЛАВА 9 Ультразвук в медицине..............................460
9.1. Введение........................................460
9.2. Ультразвук в тканях.............................462
9.3. Преобразователи для визуализации в медицине.....464
9.3.1. Зонды с механическим сканированием..........466
9.3.2. Матрицы.....................................467
9.3.3. Кольцевые матрицы...........................467
9.3.4. Линейные и криволинейные многоэлементные
зонды..............................................469
9.3.5. Фазированные многоэлементные зонды..........470
9.3.6. Гибридные линейно-секторные
трапецеидальные форматы сканирования...............471
9.4. Инструментарий...................................472
9.4.1. Обработка сигнала и вывод на экран..........473
9.4.2. Обработка передаваемого сигнала.............473
9.4.3. Обработка принимаемого сигнала..............474
9.4.4. Формирование луча...........................475
9.4.5. Выбор частоты...............................475
9.4.6. Эхо-импульсная визуализация.................475
9.5. Различные виды сканеров..........................476
9.5.1. Я-сканирование..............................477
9.5.2. ^-сканирование..............................477
9.5.3. Сканирование местоположения во времени......480
16
Содержание
9.5.4. Другие виды сканирования.....................481
9.6. Применение различных сканеров в медицине.........482
9.6.1. ^-сканирование...............................482
9.6.2. Сканирование местоположения во времени.......487
9.7. Заключение.......................................490
Рекомендуемая литература..............................490
ГЛАВА 10 Подводная акустика.................................491
10.1. Введение........................................491
10.2. Основы подводной акустики.......................492
10.2.1. Физические и химические свойства............492
10.2.2. Свойства звука..............................493
10.2.3. Границы.....................................494
10.2.4. Биологические организмы.....................496
10.3. Методы исследования.............................497
10.4. Классификация инструментов......................499
10.4.1. Измерения температуры.......................500
10.4.2. Измерения солености, температуры
и глубины...........................................501
10.4.3. Измерения параметров потока.................503
10.4.4. Измерения параметров волны и прилива........504
10.4.5. Скорость звука..............................506
10.4.6. Акустическая система измерения глубины
и уровня моря.......................................507
10.4.7. Гидролокатор................................507
10.4.8. Интегрированная система сбора информации....511
10.4.9. Интегрированная система для подводных
исследований........................................513
10.5. Применение......................................515
10.5.1. Глубина моря................................515
10.5.2. Рыбный промысел.............................516
10.5.3. Акустическое исследование подводных
месторождений.......................................517
10.6. Заключение......................................519
Рекомендуемая литература..............................520
ГЛАВА 11 Системы правил, стандарты, спецификации
и процедуры проведения ультразвуковых
неразрушающих испытаний.....................................522
11.1. Введение........................................522
11.2. Системы правил..................................522
11.3. Стандарты.......................................523
11.4. Спецификации....................................523
11.5. Процедуры.......................................524
Содержание
11.6. Общепринятые ультразвуковые стандарты..........524
11.6.1. Бюро стандартов Индии.......................524
11.6.2. Британский институт стандартов..............526
11.6.3. Американское общество по испытанию
материалов..........................................527
11.6.4. Международная организация
по стандартизации...................................529
11.6.5 Европейские стандарты........................530
11.7. Заключение.....................................534
Рекомендуемая литература.............................535
ГЛАВА 12 Словарь терминов, используемых в науке
и технологии ультраакустики.................................536
Рекомендуемая литература.............................557
Приложение..................................................558
1. Приставки СИ - названия и обозначения.............558
2. Аббревиатуры и символьные обозначения.............559
Предметный указатель........................................566
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ
Ультраакустика (или ультразвук) представляет собой область ин-
тенсивных научных и технологических исследований. Ввиду ее
экстенсивного применения в научной и инженерной деятель-
ности она привлекает внимание широкого круга студентов, пре-
подавателей, исследователей, профессионалов в области нераз-
рушающих испытаний (NDT), промышленников, инженеров по
инструментарию, инженеров по программному обеспечению,
ученых, занимающихся исследованиями свойств материалов, и
представителей других профессий. Ультразвук, который по своей
сути является механической волной, взаимодействует с вещества-
ми. Разнообразие типов волн, от продольных до поверхностных,
позволяет использовать ультразвук во всевозможных аспектах.
Прогресс в области сенсоров, электронного инструментария, ком-
пьютеров, улучшение знаний о физическом взаимодействии —
все это способствовало совершенствованию экспериментальной
ультраакустики. Ультраакустика начиналась с базового понятия
звука в физике, а теперь она представляет собой обширную само-
стоятельную область с несколькими разделами и подразделами,
которая привлекает интерес ученых и имеет огромную технологи-
ческую значимость. Последние разработки в науке и технологии
ультразвука в сферах неразрушающего контроля и оценки (NDTE),
медицины, подводной акустики, молекулярного взаимодействия
действительно впечатляют и открывают большие возможности
для новых его применений.
В 1880-х годах братья Кюри открыли пьезоэлектричество.
Гальтон (1883), изучая акустический спектр, обнаружил сущест-
вование ультразвука в сигнале свистка. Свисток Гальтона считает-
ся одним из первых ультразвуковых генераторов, изготовленных
человеком. После этого проводился ряд исследований в области
генерирования и обнаружения ультразвука. В начале XX века не-
которые значительные разработки, связанные с коммерциали-
зацией ультразвуковой технологии, обрели твердую почву. Вуд и
Глава 1. Введение 19
Лумис впервые использовали ультразвук с коммерческой точки
зрения в конце 1920-х годов для распыления жидкости, контроля
затвердевания, жидкой эмульгации и взаимодействия с живыми
тканями. Файрстон (1940) создал первый коммерческий инстру-
мент для ультразвуковой дефектоскопии. После 1950-х масштаб-
ные технологические разработки в электронике и компьютерах
дали дополнительные преимущества отрасли ультразвукового
инструментария. Сегодня ультраакустика включает обширный
спектр научных, технологических, промышленных, медицинских
и прочих упорядоченных областей знания.
Базовые ультраакустические измерения, например затухания
и скорости, давно применяются для проверки физических тео-
рий, оценки микроструктурных характеристик, механических
свойств и т.д. Измерение ультразвукового затухания в сверхпро-
водящем состоянии было одним из экспериментальных методов,
которые предоставили четкое подтверждение достоверности те-
ории Бардина—Купера—Шриффера {BCS). Измерения скорости
ультразвука давно проводятся для оценки модуля упругости, пос-
тоянных упругости второго и более высоких порядков. Измерения
затухания и скорости до сих пор осуществляются с целью изу-
чения влияния микроструктурных изменений, определения ос-
таточного напряжения и выявления дефектов с получением их
изображений. Повышение точности измерений стало возможным
благодаря усовершенствованию инструментария, технологий и
методологий. Так ультразвук в медицине, будучи сравнительно
новой отраслью, продвинулся на завидный уровень. Применение
эффекта Доплера в измерениях кровотока и сканирование/по-
лучение изображения внутренних органов с помощью новейших
технологий, где задействованы сверхбыстрые компьютеры, — вот
лишь некоторые примеры, которые внесли улучшения в нашу
жизнь. Подводная акустика (еще одна отрасль ультраакустики)
стремительно развивалась после Второй мировой войны и выпол-
няла не только задачи обороны, но и предназначалась для ловли
рыбы, спасения живых существ, находящихся в бедственном по-
ложении, защиты окружающей среды.
Во всех отраслях ультраакустики важную роль играют техно-
логия преобразователей и электронный инструментарий. Вначале
были пьезоэлектрические кристаллические преобразователи, а
сегодня существуют бесконтактные электромагнитные акустичес-
кие преобразователи (ЕМАТ), лазерные преобразователи и пре-
20 Глава 1. Введение
образователи с воздушно-акустической связью. Персональные
компьютеры и программное обеспечение все больше и больше
совершенствуются, чтобы повысить точность, надежность, пов-
торяемость измерений и уменьшить зависимость от оператора.
До применения ультразвука в исследованиях смесей/раство-
ров единственными инструментами исследования природы и сил
молекулярного взаимодействия были спектроскопические и ди-
электрические методы. Однако применение ультраакустики поз-
волило не только оценивать физико-химические свойства смесей/
растворов, но и повысить достоверность интерпретации молеку-
лярных взаимодействий. Благодаря низкой стоимости, простым
процедурам эксплуатации и широким возможностям исследова-
ния молекулярного взаимодействия с помощью ультраакустики
стали популярны во всем мире.
Новые материалы в атомной, аэрокосмической, оборон-
ной, химической и других отраслях промышленности нужда-
ются во всесторонней и адекватной характеристике. К примеру,
механизмы распространения и затухания ультразвука в поли-
кристаллических материалах были изучены и поняты уже давно.
Изотропные материалы более понятны, а анизотропия вызывает
проблемы, что приводит к значительным расхождениям теоре-
тических и экспериментальных результатов. Ситуация еще более
усугубляется, когда вдобавок к анизотропным возникают струк-
турные сложности. Типичным примером такого рода являются
сварные соединения аустенитной нержавеющей стали большой
толщины (>12 мм), ще традиционная ультразвуковая методика не
может дать достоверную характеристику дефекта, несмотря на ряд
достоинств NDT. Как бы то ни было, такие области ставят перед
человеком новые задачи, для решения которых изобретаются но-
вые преобразователи, новые методы анализа или распознавания
картины сигналов и т.д.
Знание о наличии дефектов и микроструктурах имеет боль-
шое значение для оценки срока службы материала/компонента в
атомной, химической промышленности, обследованиях газопро-
водов до и во время их эксплуатации. При поставке компонентов/
материалов именно NDTпозволяет определить, какой из компо-
нентов свободен от дефектов и соответствует той или иной требу-
емой микроструктуре. Как бы то ни было, для того чтобы отсле-
живать старение материала в процессе эксплуатации, например
так называемую усталость, оценивать повреждения при ползучее-
Глава 1. Введение
ти и измерять остаточное напряжение, необходимо разрабатывать
специальные методологии и процедуры. Достижения в развитии
инструментария NDT за последние тридцать лет ошеломляют, а
их следствием стало принятие ряда методик, законов и стандар-
тов исследователями и технологами во всем мире.
О некоторых достижениях ультраакустики можно узнать толь-
ко из документации конференций, внутренних отчетов, журналов
и обозрений. Книги, написанные в 1960-е и 1970-е годы, в боль-
шей степени сосредоточены на теориях и распространении волн.
Книги 1980-х посвящены NDT, медицине, геофизике и прочим
областям, что было обусловлено значимостью ультраакустики с
коммерческой точки зрения.
При нынешнем стечении обстоятельств всеобъемлющие на-
учные труды, охватывающие базовые концепции физики, осно-
вы технологии преобразования, методы измерения, применение
в промышленности, использование, основанное на молекуляр-
ном взаимодействии, характеристики материалов, NDT, меди-
цину, океанографию, стандарты и законы, расширяют области
применения этой удивительной науки и технологии. Учитывая
все вышесказанное, авторы попытались составить всесторонний
научный труд, посвященный науке и технологии ультраакустики.
Эта книга предназначена удовлетворить требованиям студентов,
молодых исследователей, ученых, инженеров, профессионалов
по NDTи новичков в данной области.
Во второй главе рассматриваются фундаментальные аспекты
распространения волн, классификация по частоте, различные
виды волн, а также физические концепции волновой механики.
Кроме того, приводится вывод уравнения волны, объясняется ме-
ханизм распространения волны и даются соответствующие фор-
мулы.
В третьей главе обсуждаются принципы генерации ультразву-
ка различными методами, пьезоэлектричество и различные виды
пьезоматериалов, физические константы пьезоматериалов, ко-
торые даются в табличной форме для сравнения, анализируются
значимость характеристик преобразователей, таких как диаграм-
ма направленности, области ближнего и дальнего поля (с иллюс-
трациями), базовые критерии выбора преобразователя для конк-
ретного применения.
Различные методы обнаружения и применения рассматрива-
ются в четвертой главе. Объясняются принципы, лежащие в ос-
22 Глава 1. Введение
нове точного измерения времени прохождения ультразвука и его
затухания. Описываются различные методы измерения скорости
ультразвука и затухания с анализом их достоинств и недостатков.
Помимо этого, уделяется внимание последним достижениям: ав-
томатизированным компьютерным измерениям скорости и зату-
хания, лазерной интерферометрии, резонансной ультразвуковой
спектроскопии и т.д.
В пятой главе проведен обзор применения ультразвуковых
волн в различных отраслях науки и техники.
Шестая глава посвящена применению ультразвука в жидкос-
тях, жидких смесях, электролитным и полимерным растворам.
Также рассказывается о молекулярном взаимодействии, оценке
термодинамических и других параметров. Освещаются различные
теории изучения молекулярного взаимодействия через определе-
ние скорости звука в смесях/растворах, их сравнительные досто-
инства и недостатки.
В седьмой главе вкратце рассматриваются различные мето-
ды NDT. Подробно описан ультразвуковой метод NDT. Глава
начинается с обсуждения различных сканирующих методов тес-
тирования для обнаружения дефектов с помощью ультразвука.
Предоставляется информация о калибровке преобразователей и
инструментария для оценки дефектов, а также о конкретных при-
менениях, таких как ультразвуковое тестирование сварных швов,
ковки, литья и т.д.
Восьмая глава выносит на рассмотрение применение ультра-
звука в металлургии и материаловедении. Области применения
акустики классифицируются по четырем категориям с детальным
описанием. Подробно излагаются важные связи ультраакустики и
характеристических свойств материалов.
Базовые концепции диагностирующего ультразвука раскры-
ты в девятой главе, куда включены сведения о технологиях в диа-
гностической медицине, доступных на сегодняшний день. Не так
давно низкоэнергетический ультразвук стал применяться бескон-
тактно, например в акушерстве и гинекологии (для обнаружения
плода в матке, определения пола и т.д.), в эхокардиограммах (до-
полнительно к ЭКГ), для удаления камней из мочеточника, о чем
также рассказывается в данной главе.
Базовым концепциям подводной акустики, эксперименталь-
ным методам и применению ультразвука под водой посвящена
десятая глава. В одном из ее разделов вы прочитаете о том, как
Глава 1. Введение 23
осуществляются поиски стай рыб и обнаружение морского дна, а
также об измерениях различных физических океанографических
параметров.
Необходимость законов и стандартов в области ультраакусти-
ки, а также существующие законы и стандарты рассматриваются в
одиннадцатой главе. Двенадцатая глава включает словарь терми-
нов, используемых в книге, аббревиатуры и символы. Основные
символы, аббревиатуры и приставки, используемые в СИ, даются
в приложении 1.
ГЛАВА 2
ОСНОВЫ УЛЬТРААКУСТИКИ
2.1. Введение
Звук — это настолько известное для нас явление, что мы не толь-
ко его слышим, но и воспринимаем различные его вариации. Звук
слова создает его мысленный образ и передает информацию об
его источнике. Когда звуковая волна достигает уха, его мембраны
начинают вибрировать, в результате чего происходит стимулиро-
вание нервов и в конечном итоге мы слышим звук. Вибрация уш-
ной мембраны вызвана явлением, которое называется волновым
движением. Движения, как перемещение тела, можно классифи-
цировать в соответствии со следующими характеристиками: (I) по
его среднему положению и (II) перемещению из одного места в
другое. Первое называется колебательным движением, примера-
ми которого являются колебания маятника, натянутой веревки,
световые волны и т.д. С другой стороны, движущиеся тела, такие
как мяч, самолет, поезд и т.п., представляют собой примеры дви-
жения (II). В повседневной жизни мы слышим звук благодаря яв-
лению (I) или (II), а иногда им обоим.
Периодическое движение частицы в теле имеет следствием пе-
редачу энергии соседним частицам и в конечном счете вибрацию
всех частиц тела. Подобная передача возбуждения от одного тела к
другому известна как волновое движение, например распростране-
ние звука по аудитории, когда на сцене происходит игра на музы-
кальном инструменте. Данное явление можно проиллюстрировать,
если бросить маленький камешек в пруд со стоячей водой. От того
места, где утонул камешек, расходятся волны и движутся вверх и
вниз относительно среднего положения во всех направлениях.
Понятно, что тело может производить звуковые волны, когда
находится в состоянии вибрации. Большинство тел, генерирую-
щих звуки, осуществляют периодическое движение (движение с
повторяющимися интервалами), которое называется простым
Волны 25
гармоническим движением (ПГД) или незатухающими гармоничес-
кими колебаниями. Механические вибрации состоят из соедине-
ния двух или более простых гармонических движений, например
движение маятника настенных часов, балансир наручных часов,
вибрации струны музыкальных инструментов и т.д.
2.2. Волны
Концепция волнового движения является фундаментальной в
физике и имеет большое значение для всестороннего понимания
ультразвуковых волн. Поэтому мы обсудим уравнение бегущей
волны, передачу энергии, параметры и характеристики волн.
2.2.1. Уравнение бегущей волны
Рассмотрим точку О в качестве источника цуга волн, движущего-
ся в воде в направлении х одномерное распространение со скоро-
стью U(рис. 2.1). Пусть ОА — смещение частицы.
Рис. 2.1. Бегущая волна, движущаяся в направлении х
В точке О частицы водной среды совершают гармонические
колебания. Следовательно, смещение частицы относительно точ-
ки О во времени / можно записать в таком виде:
у =Л since/, (2.1)
где А и со — соответственно амплитуда колебания и циклическая
частота.
26 Глава 2. Основы ультраакустики
Движение бегущей волны происходит в прямом направлении.
Представим другую точку Р, находящуюся в том же направле-
нии на расстоянии х от О. Соответственно время, которое требу-
ется цугу волны, чтобы достичь Р, составляет x/U, то есть смеще-
ние у появится в точке Р через промежуток времени t.
Смещение у в цуге волны в точке Р в момент t равно смеще-
нию в точке О в предыдущий момент времени (/ — x/U).
Соответственно, смещение у в цуге волны в Р составит:
у = Д sin со
(2.2)
Подставив U —fk (где X — длина волны, f — частота) и со = 2 л/
в уравнение (2.2), получаем:
( 2л
у = ?lsinl 2л/1—— х
\ А
(2.3)
Уравнение (2.3) можно записать, используя волновое число к:
у = A sin (<ot — кх), (2.4)
где волновое число к = 2л/X является полезной величиной для ха-
рактеристики волн.
Уравнение (2.4) дает нам полную картину распространения волн
с амплитудой А и скоростью t/в положительном направлении х.
Уравнение бегущей волны для волнового цуга, движущегося в
отрицательном направлении х, выведем из уравнения (2.4):
у = A sin (<о/ + кх). (2.5)
В соответствии с уравнением ПГД колебательная скорость
частицы, совершающей колебания, задается следующим обра-
зом:
ц = ш>]А2- у2 , (2.6)
где у — смещение; со — круговая частота; А — амплитуда колеблю-
щейся частицы.
2.2.2. Передача энергии
Во время распространения волнового цуга частицы среды со-
вершают колебания, и волны движутся, то есть энергия рас-
Волны
пространяется в среде в том же направлении, что и цуг. Когда
частица среды совершает колебания относительно своего сред-
него положения, она накапливает некоторое количество энергии.
Колебание или возбуждение передается следующей частице, ко-
торая тоже начинает колебаться, и т.д. Аналогичным образом пе-
редается или распространяется энергия от каждой вибрирующей
частицы к следующей за ней. Таким образом, происходит распро-
странение энергии в среде. Количество энергии в расчете на одну
секунду зависит от колебательной скорости частицы в среде.
Общая энергия частицы по своей природе представляет собой
сумму кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая
энергия определяется скоростью частиц, в то время как потенци-
альная зависит от перемещения частицы относительно ее сред-
него положения. Скорость частицы, совершающей колебания,
принимает максимальное значение в среднем положении и равна
нулю в крайнем. Следовательно, то же самое можно сказать про
кинетическую энергию. Однако потенциальная энергия, напро-
тив, максимальна в крайнем положении и минимальна в среднем.
Общая энергия частицы остается неизменной. Тем не менее во
время колебаний энергия частиц превращается из потенциальной
в кинетическую и наоборот. Более того, во время распростране-
ния волны в среде не происходит переноса вещества, оно сопро-
вождается лишь передачей энергии в направлении распростране-
ния волны.
Следовательно, зная максимальную кинетическую или по-
тенциальную энергию, можно рассчитать энергию бегущей
волны.
Пусть т — масса частицы, совершающей колебания, а цтах —
максимальная скорость частицы во время колебаний.
Энергию Е можно записать в следующем виде:
£ = |^ах- (2-7)
Скорость частицы максимальна только в среднем положении,
поэтому перемещение частицы равно нулю, то есть у = 0.
Подставив у = 0 в уравнение (2.6), получаем:
= А 2nf,
(2.8)
28 Глава 2. Основы ультраакустики
где f — частота колебаний, совершаемых частицей.
Подставим значение х>тах из уравнения (2.8) в (2.7):
1 ,
Е = -т(2к fA)\
Упрощая вышеприведенное равенство, получаем:
E = lTt2mfA2.
(2.9)
Аналогичным образом можно вычислить интенсивность бе-
гущей волны. Мы знаем, что интенсивность — это количество
энергии, переносимое в единицу времени через единицу площа-
ди сечения, перпендикулярного направлению движения волны.
Вообразим цилиндр, размещенный на единице площади попереч-
ного сечения. Пусть его длина равняется скорости бегущей волны,
а ось параллельна направлению волнового движения. Тогда ин-
тенсивность волны определяется как сумма энергий всех колеб-
лющихся частиц внутри цилиндра.
Пусть п — количество частиц среды, приходящееся на едини-
цу объема. Следовательно, число частиц в цилиндре объема Срав-
няется п V.
Интенсивность I бегущей волны = Энергия колеблющихся
частиц х Число частиц.
Произведя некоторые преобразования, получаем интенсив-
ность бегущей волны:
I = (2it2mf2A2)nV
ИЛИ
I = 2n2pf2A2V,
(2.10)
где р (=m/V, где т — масса вещества, а V— занимаемый им объ-
ем) есть плотность среды.
Из рассмотрения формулы (2.10) понятно, что интенсивность
прямо пропорциональна квадрату частоты и квадрату амплитуды.
2.2.3. Параметры и характеристики волны
Теперь рассмотрим, каким образом можно охарактеризовать вол-
ну. Параметры, используемые для того, чтобы проводить отличия
Волны 29
между звуковыми волнами, называются характеристическими па-
раметрами. Таковыми являются:
(I) Длина волны
Длина волны X — это расстояние, которое проходит волна,
пока частица среды совершает одно колебательное движение.
Расстояние CD (расстояние между соседними максимумами или
минимумами возмущения) является длиной волны (рис. 2.1).
(II) Амплитуда
Амплитуда А волны представляет собой максимальное сме-
щение частицы из положения равновесия во время ее колеба-
тельного движения, вызванного возбуждением частиц среды.
А = ЕС — амплитуда волны (рис. 2.1).
(III) Частота
Частота f волны — это число колебаний, совершаемых час-
тицей среды за одну секунду. Единицей частоты является герц
(Гц). Более высокие значения частот выражаются в килогерцах
(1кГц= 103Гц).
Для звуковых волн, генерируемых средой, характерен непре-
рывный ряд или диапазон частот. Самая низкая частота волны
называется основной или собственной, а остальные являются гар-
мониками или обертонами. Частота второй гармоники в два раза
превышает основную. Аналогично частота третьей гармоники пре-
вышает ее в три раза и т.д.
(IV) Период
Это время, требуемое частице для совершения одного коле-
бательного движения. По определению время, за которое волна
производит /колебаний, равно 1 с. Следовательно, время, необхо-
димое для осуществления одного колебания = у ,s,
то есть период Т = у. (2.11)
(V) Колебание
Возвратно-поступательное движение из одного крайнего по-
ложения в другое и обратно через положение равновесия называ-
ется колебанием.
30 Глава 2. Основы ультраакустики
(VI) Фаза
Фаза — это отношение смещения колеблющейся частицы в
данный момент времени к его амплитудному значению. Точки О
и Г(рис. 2.1) находятся в одной фазе (их разность фаз составляет
2л). Расстояние между этими двумя точками равно одной длине
волны, то есть разности хода X. В математическом выражении это
выглядит так:
Разность фаз = 2л.
(2.12)
(VII) Скорость
Скорость U волны — это расстояние, пройденное волной за
одну секунду.
Расстояние
U~ Время ‘ U '
Согласно рисунку 2.1 за один период волна проходит расстоя-
ние X. Следовательно,
и = %.
Подставляя период из формулы (2.11) в вышеприведенное ра-
венство, получаем:
U = fk. (2.14)
(VIII) Среда распространения
В природе существуют волны двух типов: механические и
электромагнитные (ЭМ). Механические волны могут быть про-
дольными и поперечными. Для их распространения необходимо
наличие среды, то есть в качестве источника волн выступает коле-
бание частиц среды. Картина механического и электромагнитно-
го спектра схематически представлена на рис. 2.2.
2.3. Классификация звуковых волн
Звуковые волны классифицируют в соответствии с их частотой,
как показано на рис. 2.3. Звуковые волны с частотой менее
20 Гц называются инфразвуком и представлены в области А. Волны,
обладающие частотой от 20 Гц до 20 кГц, — это слышимый звук,
Ультразвуковые волны
Электромагнитный
волновой спектр
Механический
волновой спектр
Частота (Гц) Название спектрального диапазона Длина волны (см) Название спектрального диапазона Частота (Гц)
2x10' 2х 10’ « Аудио - 3x10*- - ЗхЮ2 - Радиоволны 3.0 х 10s
2х104 2x10’ (слышимый) Ультразвуковой - 3 х10° - - 3 х 10'2 - Микроволны 3.0 х 10"
2x10’ - 3 х Iff4 - Инфракрасное , излучение 4.0 х 10й
2х 10" Гиперзвуковой - 3 х 10-* - Видимый Ультрафиолет 7.5 х 10й
2х 1013 - 3 х 10-’ - Рентгеновские 3.0 х Ю14
вибрация кристаллической решетки - 3 х Iff10 - лучи Гамма-лучи 3.0 х 1019
Рис. 2.2. Механический и электромагнитный волновой спектр
интенсивность которого варьируется от 1012 Вт/м2 до 101 Вт/м2.
Область В представляет область слышимого звука.
Звуковые волны с частотой, превышающей 20 кГц, называют-
ся ультразвуком, с частотой, превышающей ЮГГц, — гиперзвуком.
Слабоинтенсивные ультразвуковые волны, представляющие об-
ласть С, имеют интенсивность от 1014 Вт/м2 до 103 Вт/м2 и широко
применяются вот уже более 50 лет. Область С1 характеризуется
высокой интенсивностью и относительно низкой частотой. В об-
ласти С" представлен ультразвук высокой интенсивности и низ-
кой частоты. Волны из области D применяются весьма ограни-
ченно. Различным примерам использования ультразвука уделено
пристальное внимание в главе 5.
В следующих разделах подробно рассматриваются генерация
ультразвуковой волны, ее обнаружение, природа распростране-
ния волн и их применение в различных областях.
2.4. Ультразвуковые волны
Ультразвуковые волны представляют собой подвид звуковых
волн, следовательно, они наделены всеми характеристическими
параметрами, присущими звуковым волнам. По сути, ультра-
32 Глава 2. Основы ультраакустики
Частота (Гц)
Рис. 2.3. Механический и электромагнитный волновой спектр
звуковые волны — это механические колебания с различными
длинами волн, распространяющиеся в среде. Изменение длины
ультразвуковых волн в различных средах обусловлено упругими
свойствами последних и характером вынужденных колебаний
частиц среды. Более того, ультразвуковые волны имеют малень-
кую длину и, следовательно, демонстрируют ряд уникальных яв-
лений помимо свойств звуковых волн.
В отличие от слышимых звуковых волн, ультразвук не вос-
принимается человеческим ухом. Это связано с ограничениями
в восприятии мембраной вибраций, для которых характерны
высокая частота и энергия. Подобно звуковым волнам, ультра-
звуковые передаются от одной точки к другой в результате коле-
бания частиц. Следовательно, для распространения ультразвука
необходима среда.
Различные виды ультразвуковых волн
2.5. Различные виды ультразвуковых волн
Ультразвуковые волны классифицируют по четырем различным
категориям в соответствии с механизмом колебания частицы в
среде и с учетом направления распространения первичной вол-
ны:
1) продольные, или волны сжатия;
2) поперечные, или волны сдвига;
3) поверхностные, или волны Рэлея;
4) волны в пластинах, или волны Лэмба.
Рассмотрим природу колебаний и распространение ультразву-
ковых волн в среде.
2.5.1. Продольные, или волны сжатия
В этом режиме движение частицы происходит параллельно на-
правлению распространения первичной волны. Вследствие коле-
бания частиц создаются зоны сжатия и разрежения, как показано
на рис. 2.4. Образующаяся волна называется продольной ультра-
звуковой волной, или волной сжатия. Во время движения частицы
вещества наблюдается действие сил сжатия и растяжения, поэ-
тому волны получили название продольных, или волн сжатия.
Продольные волны могут распространяться в твердых телах, жид-
костях и газах. Они легко образуются, легко обнаруживаются и
преобразуются в другие виды колебаний.
(а) Колебание частиц
Рис. 2.4. Продольные ультразвуковые волны
В схематичном виде представить бегущие продольные волны
достаточно сложно из-за того, что колебание частиц происходит
в направлении движения волн. Однако мы можем изобразить
их подобно поперечным волнам, выделив зоны максимального
давления и плотности в месте сжатия (максимум волны) и ми-
нимального давления и плотности в месте разрежения (минимум
волны). Рассмотрим простой пример появления звука из гром-
коговорителя, рис. 2.5. Как только на громкоговоритель пода-
34 Глава 2. Основы ультраакустики
ется входное напряжение, его диафрагма начинает вибрировать.
Представим, что сначала диафрагма движется в направлении
воздушной среды. Следовательно, на очень близком расстоянии
от диафрагмы происходит сжатие воздуха. Это сжатие приводит к
повышению давления и плотности воздуха в области, прилегаю-
щей к диафрагме. Сжатие, возникающее в данной области, пере-
дается соседним частицам в направлении, параллельном направ-
лению движения волны.
Разрежение
Рис. 2.5. Громкоговоритель, использующий принцип продольных волн
С другой стороны, если диафрагма отодвинется от воздушной
среды, образуется небольшой вакуум и плотность воздуха умень-
шится. Область, где давление и плотность воздуха минимальны,
называется разрежением. Следовательно, в условиях резонансной
вибрации диафрагма поочередно создает сжатие и разрежение в
воздушной среде. Таким образом, частицы воздуха совершают
возвратно-поступательные колебания в направлении, параллель-
ном распространению волны (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Распространение продольной волны
Отсюда следует, что продольная волна — это такая волна, в ко-
торой каждая частица среды совершает колебания относительно
своего среднего положения в направлении, параллельном распро-
странению волны. Звуковая волна распространяется и достигает
уха лишь посредством движения продольной волны. Из вышепри-
Различные виды ультразвуковых волн 3 5
веденного примера понятно, что в условиях резонирования диа-
фрагмы частицы среды совершают простое гармоническое движение
(ПГД). Попеременное сжатие и разрежение волны достигают уха и
заставляют мембрану вибрировать. Импульсы физического пере-
мещения мембраны передаются в мозг, и в конечном счете, мы по-
лучаем мысленное ощущение, называемое звуком. Таким образом,
по своему характеру звуковые волны являются продольными.
2.5.2. Поперечные, или волны сдвига
В данном типе волн колебание частиц происходит под прямым
углом или поперек направления распространения волнового дви-
жения. Такие волны называются поперечными, или волнами сдви-
га. Они схематично представлены на рис. 2.7. В одном и том же
веществе скорость волн сдвига примерно в два раза меньше, чем
у продольных волн. Это связано с уменьшением энергии попереч-
ных волн, распространяющихся в веществе, то есть когда волна
проходит по веществу, она, благодаря передаче энергии, застав-
ляет частицу совершать колебания, а та, в свою очередь вызывает
вибрацию соседней частицы и т.д. В волне сдвига частицы сре-
ды совершают колебания перпендикулярно движению волны и,
следовательно, им требуется больше энергии, чтобы приводить в
движение соседние частицы. Это вызывает уменьшение энергии
поперечных ультразвуковых волн и, соответственно, их скорости
по сравнению с продольными.
Направление
Рис. 2.7. Поперечные ультразвуковые волны
Приведем пример распространения поперечной волны. Возьмем
длинную веревку, один конец В которой прикреплен к стене. Другой
конец А будем держать в руке. Потом резко дернем веревку вниз и
вверх. Мы сразу же заметим образование возмущения или подобие
горки на конце А. Возмущение на конце А будет передаваться сосед-
36 Глава 2. Основы улыпраакустики
ствующим частицам веревки вплоть до точки В. Это бегущая волна.
Частицы веревки движутся под прямым углом к направлению рас-
пространения возмущения, и такие волны называются поперечными.
Рис. 2.8. Поперечная волна — опыт с веревкой
С другой стороны, если мы еще раз дернем конец Л, образует-
ся последовательность волн, которая начнет двигаться к точке В.
Возмущение на конце А передается соседним частицам веревки.
Когда возмущение достигает частиц, начинается колебание вверх
и вниз (гармоническое движение). Возмущение передается после-
довательно расположенным частицам до тех пор, пока не дойдет до
конца В. Если частица находится на расстоянии / от конца Л, воз-
мущение из точки Л будет ей передано через 1/и секунд, где и — ско-
рость волны в веревке. В действительности во время распростране-
ния волны ни один фрагмент веревки не переходит из Л в В. Часть
веревки, которая поднимается или возвышается, называется греб-
нем, в то время как участок понижения или подавления называется
подошвой. Гребни и подошвы находятся в противоположных фазах
(разность фаз равна л или 180°) на участках, колебания которых мак-
Различные виды ультразвуковых волн 3 7
симальны и противоположны по направлению. Распространение
поперечной волны в веревке показано на рис. 2.9.
Гребень Гребень Гребень
А А / .
А \ / В \ / Направление
\ \ / распространения волны
Подошва Подошва
Рис. 2.9. Распространение поперечной волны
Из вышеприведенного примера становится ясно, что когда
частицы вещества совершают колебания перпендикулярно на-
правлению распространения волны, последняя носит название
поперечной (рис. 2.9).
Ультразвуковые волны сдвига могут передаваться только в
твердых телах. Их образование в жидкостях или газах невозмож-
но. В твердых телах атомы расположены близко друг к другу и
среднее расстояние между ними чрезвычайно мало. Что касается
жидкостей и газов, в них средняя длина свободного пробега меж-
ду молекулами значительно больше, поэтому силы притяжения
недостаточно, чтобы привести в движение соседние молекулы
или атомы. Это означает, что в жидкой и газообразной среде уль-
тразвуковая волна сдвига угасает. Однако в некоторых более гус-
тых жидкостях, например в вязких смазочных маслах, поперечная
ультразвуковая волна способна пройти очень короткое расстоя-
ние — порядка одного миллиметра.
2.5.3. Поверхностные, или волны Рэлея
Лорд Рэлей (1885) продемонстрировал, что волны могут распро-
страняться вдоль плоской границы упругого полупространства и
вакуума или сильно разреженной среды, например воздуха. С уда-
лением от границы вглубь среды амплитуда волны быстро убыва-
ет. Такие волны получили название поверхностных, или волн Рэлея.
В рэлеевских волнах для частицы характерна эллипсоидальная
траектория движения, сочетающая элементы поперечного и про-
дольного перемещения, как показано на рис. 2.10.
Волны Рэлея могут распространяться только в поверхностном
слое твердых тел. При их распространении движения частиц на боль-
38 Глава 2. Основы ультраакустики
ших глубинах (более одной длины волны) не происходит. В одной и
той же среде скорость рэлеевских волн составляет около 90% от ско-
рости поперечных волн.
Когда твердое вещество погружают в жидкость, поверхностные
волны продолжают свое существование только в том случае, если
приповерхностная толщина чрезвычайно мала, то есть если жид-
кость образует очень тонкий слой на твердой поверхности. В данных
обстоятельствах некоторая часть ультразвуковой энергии переходит
в жидкую среду. Такие волны называются волнами Стоили. Они об-
разуются на границах. Так, при соединении двух пластин рэлеевские
волны распространяются вдоль них обеих. В этом случае они являют-
ся волнами Стоили.
Кроме того, чем больше различия в сопротивлении поверх-
ностей двух твердых тел (не твердого тела и воздуха, не твердого
тела и жидкости), тем сложнее поведение распространяющихся
поверхностных волн. Когда волна сдвига попадает на неровную
поверхность, образуется скользящая волна, или, как ее называют,
продольная скользящая волна или продольная головная волна. Она
очень похожа на рэлеевскую и применяется для обнаружения де-
фектов поверхностей.
(а) Колебание частиц (Ь) Распространение волны на поверхности
металл-воздух
Рис. 2.10. Поверхностные волны
2.5.4. Волны в пластинах, или волны Лэмба
Когда поверхностная волна возникает в теле, толщина которого всего
втрираза превышает длину волны или еще меньше, образуется новый
вид волн — волны в пластинах. Во время их существования вещество,
представленное в виде пластины, начинает вибрировать, то есть вол-
на полностью перекрывает толщину материала. Гораций Лэмб (1916)
дал теорию этих волн, поэтому они носят его имя. Скорость волн в
Различные виды ультразвуковых волн
пластинах, или волн Лэмба, зависит не только от вида материала, но
и от толщины пластины и частоты колебаний. Напомним, что ско-
рость продольных, поперечных и поверхностных волн зависит толь-
ко от вида вещества и частоты, но никак не от толщины.
Существуют различные виды волн в пластинах, что обуслов-
лено характером движения частиц:
1) Симметричные, или продольные
2) Антисимметричные, или изгибные
(I) Симметричные, или продольные волны Лэмба
В этих волнах перемещение частицы происходит продольно
по нейтральной оси и по эллиптической траектории на каждой из
поверхностей, как показано на рис. 2.11.
(а) Колебание частиц
(Ь) Распространение волны
Рис. 2.11. Симметричные волны Лэмба
Рис. 2.12. Антисимметричные волны Лэмба
(II) Антисимметричные, или изгибные волны Рэлея
В этом режиме частица движется по поперечной траектории
на нейтральной оси и эллиптично на каждой из поверхностей, см.
рис. 2.12.
В добавление к вышесказанному отметим, что иногда, если
материал имеет округлую продолговатую форму, такие волны
40 Глава 2. Основы ультраакустики
называются волнами в стержнях. Если колебание частиц проис-
ходит в плоскости поверхности и перпендикулярно направле-
нию распространения волны, последняя называется волной Лява.
Существование данной разновидности волн возможно только в
определенных кристаллах.
Волны Рэлея, Лэмба и Лява нашли свое специфическое при-
менение в промышленности. Важными видами волн, использу-
ющихся в науке и индустрии, являются продольные и попереч-
ные.
2.6. Характеристические свойства ультразвуко-
вых волн
Благодаря наличию у ультразвуковых волн характеристических
свойств возможны разнообразные варианты их применения. Мы
подробно обсудим характеристики распространения ультразвуко-
вых волн, чтобы оценить существующие методы их использова-
ния и осмыслить новые.
2.6.1. Скорость
Скорость распространения продольных, поперечных и поверх-
ностных волн зависит от природы вещества. Однако в отдельно
взятом материале она не зависит от частоты волны и размеров
тела. Скорость ультразвуковой волны любого вида можно рассчи-
тать, зная модуль упругости, плотность и коэффициент Пуассона.
Скорость продольной волны UL и модуль Юнга Y материала
взаимосвязаны:
t/£ = \ (2.15)
[р(1+ о)(1-2о)_
где р — плотность материала; кг/м3, о — коэффициент Пуассона.
Аналогичным образом существует соотношение между скоро-
стью поперечной волны UT и модулем Юнга Yматериала:
U
т
Y "Е
2р(1+а)
Характеристические свойства ультразвуковых волн
или
1
(2.16)
где G — модуль сдвига, Н/м2.
Скорость поверхностной волны Us в материале:
Us=0,9UT. (2.17)
Микроструктурные характеристики в той или иной степени
определяют плотность, модуль упругости и механические свойс-
тва материалов и влияют на скорости ультразвука. Можно сделать
приблизительный вывод о том, что скорость поперечных волн со-
ставляет половину от скорости продольных в поликристалличес-
ких металлических материалах. Соотношение скоростей в стали
выглядит так:
^ = 0,50. (2.18)
Скорости продольных и поперечных волн в некоторых ма-
териалах приведены в табл. 2.1. Скорость волн Лэмба в данной
таблице не рассматривается по причине некоторых присущих им
ограничений, например зависимости скорости от толщины плас-
тины и частоты.
2.6.2. Волновое сопротивление
Волновое сопротивление (характеристический импеданс) Z
представляет собой характеристику вещества, которая анало-
гична электрическому сопротивлению. Согласно определению,
Z— это сопротивление распространению ультразвуковой волны
в веществе. В конкретном материале оно зависит только от его
физических свойств и не связано с характеристиками волны и
частотой.
Волновое сопротивление вещества задается следующим образом:
Z = pU,
(2.19)
где р — плотность вещества; U — скорость ультразвука.
Значения волнового сопротивления для некоторых материа-
лов приведены в табл. 2.1.
42
Глава 2. Основы ультраакустики
2.6.3. Интенсивность звука и звуковое давление
Интенсивность звука / — величина, которая выражает мощность
акустического поля в точке. Она определяется как энергия, про-
ходящая за одну секунду через единицу площади поперечного се-
чения вдоль направления распространения ультразвуковых волн,
/выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).
Интенсивность ультразвуковых волн в материале зависит от
звукового давления и волнового сопротивления:
р2
[ = —, (2.20)
2Z
где Р— звуковое давление. Оно определяется как амплитуда попе-
ременных воздействий на материал, через который распространя-
ется звук:
то есть
P = Za,
(2.21)
где a — амплитуда колебаний частиц.
Выразив величину Zиз (2.21) и подставив ее в формулу (2.20),
получаем:
Ра
1 = — . (2.22)
2
Табл. 2.1. Плотности, скорости звука и акустический импеданс
некоторых распространенных материалов
Материал Плотность, кг/м3 Скорость продольной волны, м/с Скорость поперечной волны, м/с Акустический импеданс, 103Па*с/м
Акрил 1180 2670 — 3,15
Воздух 0,1 330 — 0,00033
Алюминий 2700 6320 3130 17,064
Оксид алюминия 3600 9000 5500 32,400
Бериллий 1820 12800 — 23,3
Висмут 9800 2180 1100 21,364
Латунь 8100 4430 2120 35,883
Кадмий 8600 2780 1500 23,908
Характеристические свойства ультразвуковых волн 43
Продолжение табл. 2.1.
Материал Плотность, кг/м3 Скорость продольной волны, м/с Скорость поперечной волны, м/с Акустический импеданс, 103Па*с/м
Чугун 6900 5300 2200 ’ 24,150
Бетон 2000 4600 — 9,200
Медь 8900 4700 2260 41,830
Стекло 3600 4260 2560 15,336
Глицерин 1300 1920 — 2,496
Золото 19300 3240 1200 62,532
Серое литье 7200 4600 2650 33,120
Твердый сплав 11000 6800 4000 74,800
Свинец 11400 2160 700 24,824
Магний 1700 5770 3050 9,809
Моторное масло 870 1740 — 1,514
Никель 8800 5630 2960 49,544
Люцит (орг- стекло) 1180 2730 1430 3,221
Платина 21400 3960 1670 84,744
Полиамид (нейлон) 1100 2620 1080 2,882
Полиэтилен 940 2340 925 2,200
Полистирол 1060 2380 1150 2,523
Поливинил- хлорид (ПВХ твердый) 1400 2395 1060 3,353
Фарфор 2400 5600 3500 13,440
Кварц 2650 5760 — 15,264
Кварцевое стекло 2600 5570 3515 14,482
44 Глава 2. Основы ультраакустики
Окончание табл. 2.1.
Материал Плотность, кг/м3 Скорость продольной волны, м/с Скорость поперечной волны, м/с Акустический импеданс, 103Па*с/м
Серебро 10500 3600 1590 37,800
Сталь(низко- легирован- ный сплав) 7850 5940 3250 46,629
Сталь (калиброван- ный блок) 7850 5920 3250 46,472
Олово 7300 3320 1670 24,236
Титан 4540 6230 3180 26,284
Вольфрам 19100 5460 2620 104,286
Уран 18700 3200 — 59,840
Вода(293 К) 1000 1480 — 1,480
Цинк 7100 4170 2410 29,607
Если волна при распространении не затухает, интенсивность
будет иметь постоянное значение во всех точках.
2.7. Поведение ультразвуковых волн
Рассмотрим поведение ультразвуковых волн, попадающих в среду
в различных условиях.
2.7.1. Отражение и преломление
Подобно звуку и свету, ультразвуковые волны демонстрируют та-
кие явления, как отражение, рефракция и дифракция. Во время
распространения волн в веществе происходит быстрое сжатие и
разрежение. Когда ультразвуковая энергия попадает на плоскую
границу, разделяющую два материала, часть энергии проходит че-
рез границу в том же направлении, а часть ее отражается обратно,
как показано на рис. 2.13.
Поведение ультразвуковых волн 45
Падающая волна
Рис. 2.13. Отражение и прохождение ультразвуковых волн на границе
двух сред
Интенсивность ультразвуковой энергии при отражении/про-
хождении зависит от падающей волны, удельного акустического
импеданса обоих материалов и угла падения волны.
Чтобы измерить интенсивности отраженных/проходящих
волн, вводятся две величины: коэффициент отражения и коэф-
фициент прохождения.
1Z , . z ч Интенсивность отраженных волн /п
Коэффициент отражения^) =—--------------------------- ^z.zj;
Интенсивность падающих волн
и
TZ , ч Интенсивность проходящих ВОЛН /и
Коэффициент прохождения (а.) =-----------------------(z. /ч;
Интенсивность падающих волн
Количественная трактовка измерения ультразвуковой энергии
при отражении/прохождении волн на границах двух материалов в
условиях нормального падения приведена ниже.
Пусть А и В — два материала, р7 и р2, Ц и U2 — соответственно
плотности и скорости волн в этих материалах.
Тогда коэффициент отражения выглядит так:
аг
1^
1,
+Р1^1 >
ИЛИ
46 Глава 2. Основы улыпраакустики
а,
< Zj + Z2)
(2.25)
где Z|(=p;f//) и Z2(=p2t/2) — соответственно волновые сопротивле-
ния материалов А и В.
Аналогично коэффициент прохождения:
а J, _ 4р,Цр2С/2
' I, (р,С/,+р21/2)2
4Z,Z2
7 7 \2 ’
(2.26)
Зная аг, можно вывести коэффициент at из формул (2.25) и
(2.26), то есть:
а, =1-а .
(2.27)
Аналогично вычисляются коэффициенты отражения и про-
хождения ультразвуковых волн в условиях нормального паде-
ния.
Коэффициенты отражения ультразвуковой волны по давле-
нию:
_ Рг^2 Р[Ц
Рг Р1ц + р2с/2
или
z2-z,
Рг А+^2
(2.28)
Коэффициенты прохождения ультразвуковой волны по дав-
лению:
2р2£/2
Р‘ Р1Ц + р2С/2
или
2Z2
p‘~ z.+z
(2.29)
Поведение ультразвуковых волн
Приступая к изучению прохождения ультразвуковых волн в
различных материалах, например в твердых телах/жидкостях, при
контакте с газом (или наоборот), необходимо обсудить коэффи-
циенты прохождения и отражения по интенсивности для разных
пар материалов. Значения коэффициентов отражения и прохож-
дения по интенсивности и давлению можно рассчитать по фор-
мулам (2.26), (2.27) и (2.28), (2.29), подставив в них значения вол-
нового сопротивления Z.
В зависимости от значений аг и рг можно получить следующую
информацию.
Ситуация 1
Если Zt < Z2, коэффициент отражения рг принимает положи-
тельное значение. Положительное значение ргпоказывает, что от-
раженная и проходящая волны находятся в одной фазе. Например,
на границе воды и стали рг больше нуля и меньше единицы. Это
означает, что давление в отраженной волне имеет ту же фазу, что
и в падающей. Отражение на поверхности вода/сталь показано на
рис. 2.14а.
Ситуация 2
Если Zj > Z2, коэффициент отражения рг отрицателен. Это зна-
чит, что разность фаз в отраженной и падающей волнах составля-
ет 180°. рис. 2.14b.
(а) Падающая волна в воде (Ь) Падающая волна в стали
Рис. 2.14. Отражение ультразвуковых волн — поверхность вода/сталь
Ситуация 3
Если Z7 = Z2, коэффициент отражения равен нулю, а коэффи-
циент прохождения — единице. Это свидетельствует о том, что
падающая волна полностью проходит во второй материал. В дан-
ных обстоятельствах два различных материала крепко соединены
или хорошо акустически согласованы друг с другом.
48 Глава 2. Основы ультраакустики
В ситуациях 1 и 2 материалы не соединены должным образом,
и, следовательно, имеет место частичное отражение и прохожде-
ние, что определяется волновыми сопротивлениями материалов.
Из вышеприведенных обсуждений понятно, что для нормальной
передачи ультразвуковой энергии необходим хороший контакт двух
материалов. Если между двумя материалами не образована опти-
чески плоская поверхность, контакт будет иметь место лишь в от-
дельных точках. В таком случае передача ультразвуковой энергии
будет весьма несущественной. Однако ее можно значительно уве-
личить, используя прослойку между двумя материалами. В качестве
такой прослойки может служить жидкость, толщина слоя которой
меньше длины волны, а ее волновое сопротивление должно соот-
ветствовать волновому сопротивлению твердых материалов. При
выполнении данных условий и установлении хорошего контакта
преобразователя и исходного материала коэффициент прохожде-
ния практически приближается по своему значению к единице.
С другой стороны, если контактной средой является воздух/газ,
коэффициент прохождения практически равен нулю.
2.7.2. Волны на границах
Поведение ультразвуковых волн существенно отличается, когда
они попадают на границу двух сред А и С, соединенных прослой-
кой. Представим, что между средами Ли С находится прослойка
В толщиной d, как показано на рис. 2.15 (для того чтобы объяс-
нить поведение отраженной и проходящей волн на поверхностях,
падающая и преломленная волны изображены под углом). Если
толщина d значительна, то есть толщина контактного перехода
между средами А и С значительна, получается, что ультразвуко-
вые волны падают на границу с двойной поверхностью.
На поверхности между Л и С часть падающего луча отражается
в среду Л, а часть попадает в среду В. Проходя через В, луч снова
отражается и передается в следующую среду. После этого луч про-
ходит в среде С. Описанный процесс протекает последователь-
но. В результате между Л и С непрерывно возникают отраженные
волны, движущиеся в обоих направлениях. К тому же существует
вероятность интерференции между прошедшими и отраженными
волнами, что определяется разностью фаз. Прохождение падаю-
щей ультразвуковой волны через границу Л и С зависит от толщи-
ны dпрослойки.
Поведение ультразвуковых волн
Рис. 2.15. Волны на границах
Ситуация 1
Если толщина прослойки между двумя средами кратна поло-
вине длины волны:
d = nkl2, (2.30)
где п = 1, 2, 3 и т.д., то в прослойке d происходит максимальная
передача ультразвуковой энергии (а, = 1). Если толщина d значи-
тельно меньше длины волны (d«X, для тонких мембран), то и в
этом случае, при одинаковых волновых сопротивлениях гранича-
щих сред прохождение волны будет максимальным (а = 1, аг= 0).
Толщина прослойки никак не повлияет на передачу ультразвуко-
вой энергии.
Ситуация 2
С другой стороны, если толщина прослойки составляет нечет-
ное кратное четверти длины волны в материале прослойки, пере-
дача ультразвуковой энергии будет минимальной (at = 0, макси-
мальное отражение ar = 1):
с? = (2и-1)Х/4, (2.31)
где п = 1, 2, 3... ит.д.
50 Глава 2. Основы ультраакустики
Следовательно, для оптимального прохождения толщина про-
слойки должна составлять либо Х/2, либо nk/'l.
Когда коэффициент отражения равен нулю (аг = 0), передача
ультразвуковой энергии максимальна, то есть at = 1. Для этого
случая волновое сопротивление среды в граничной области или
прослойке между двумя средами (Zz и Z2 — волновые сопротивле-
ния этих сред) вычисляется следующим образом:
zo - •
(2.32)
Итак, когда граничная область имеет большую по размерам
площадь, характер поведения отраженной и проходящей волн
зависит от толщины прослойки. Следовательно, очень важно вы-
брать подходящую прослойку между средой и пьезоэлектрическим
преобразователем. Проблема двойной поверхности представляет
достаточно большой интерес для изучения свойств материалов,
проведения неразрушающих испытаний и т.д.
2.7.3. Волны при наклонном падении
Рассмотрим падение ультразвуковой волны на границу двух сред
с различными волновыми сопротивлениями под любым углом,
кроме прямого. Получающиеся в результате этого отраженная
и преломленная волны имеют более сложный характер, чем при
нормальном падении. Так, при прохождении ультразвуковой
волны под косым углом из одной среды в другую может
наблюдаться явление преломления (изменение направления
движения волны) и конверсии (изменение характера движения,
типа волны). Преломление происходит при пересечении
ультразвуковой волной границы двух сред из-за изменений в
ее скорости и направлении. Как отражение, так и преломление
аналогичны явлениям, наблюдаемым в опытах со световыми
лучами.
Соотношение между углами падения и преломления опре-
деляет закон Снеллиуса:
sint),. _ UA
sinur UB ’
(2.33)
где 0,и 0г — соответственно угол падения и угол преломления; UA
и UB— скорость ультразвуковых волн в средах А и В.
Поведение ультразвуковых волн
Перпендикуляр
Падающая волна Отраженная волна
Среда В ,,. >
(b)
Рис. 2.16. Отражение и преломление на границах двух сред
Рассмотрим две среды А и В, обозначив скорости ультразвуко-
вых волн в них UA и UB. Пусть волна, проходящая в А, падает на гра-
ницу между первой и второй средой. На границе часть волны отра-
жается в Л, а часть преломляется, попадая в В, как показано на рис.
2.16а. Отражение и преломление на границе зависят от скорости
волны в обеих средах. С увеличением угла падения 0. происходит
увеличение угла преломления 0г. Если UA< UB то при определенном
значении угла 0,. угол Остановится равным 90°. Соответствующий
угол 0г называется критическим. Если угол преломления превышает
90°, то есть 0г > 90, падающая волна полностью отражается и пере-
хода энергии во вторую среду не происходит. Данное явление на-
зывается полным внутренним отражением, (рис. 2.16b). Это правило
справедливо как для продольных, так и для поперечных ультразву-
ковых волн. Полное внутреннее отражение происходит при выпол-
нении следующего условия:
UA
—^-sini). >1. (2.34)
U в
Согласно Рэлею, интенсивности отраженной / и преломлен-
ной It ультразвуковых волн можно записать в следующем виде:
71-sin2!),. -(р, /р2)\Iua /t/j - sin2!),.
71-Sin2!),. + (Pl /p2)yjuA /U2B-sin2
(2.35)
И
4(p,/p2)7a/(7fl-sin2!),.
(x/l —sin2!) + (P] /p2)yJUA/UB - sin2!)2)
(2.36)
52 Глава 2. Основы ультраакустики
где Р] и р2 — плотности сред А и В.
Ультразвуковая энергия полностью передается второй среде,
когда /г=0. Из формулы (2.35) следует, что значение / будет нуле-
вым только тогда, когда:
= (ft /р2)^U2/U2B-sin2 р . (2.37)
Следовательно, когда волна проходит границу двух сред, пре-
дельный угол полного отражения составляет:
г>г = arcsin
(Р12-Р22М
(2.38)
где Zj и Z2— волновое сопротивление сред А и В.
Рассмотрим продольную ультразвуковую волну, падающую
на границу двух сред. На границе часть падающей волны отража-
ется, образуя продольную волну под углом Q. к нормали, а часть
преломляется, также формируя продольную ультразвуковую вол-
ну под углом 0г к нормали, как показано на рис. 2.17. К примеру,
на границе воды и стали продольная волна полностью отражается
при значении критического угла 15°.
2.7.4. Конверсия волн
Допустим, что обе соприкасающиеся среды твердые. Когда уль-
тразвуковая волна (скажем, продольная) падает на границу,
образуются два критических угла: один для продольных волн,
другой — для поперечных. Так, при падении продольной уль-
тразвуковой волны на границу сред А и В образуются сразу две
отраженные волны, рис. 2.18. Подобное явление называется
волновой конверсией {трансформацией волн).
Продольная волна отражается под углом 01£, а поперечная —
под углом 0.£‘, который меньше, чем 0/£. Аналогично для прелом-
ленного луча: продольная волна проходит под углом 0г£ к норма-
ли, а поперечная — под углом 0г£', меньшим 0г£.
Таким образом, на границе двух твердых сред образуются два
критических угла, используя которые можно заставить продоль-
ные или поперечные волны исчезать. Следовательно, правильный
выбор критического угла позволяет получить нужную (продоль-
ную/поперечную) волну, движущуюся под определенным углом.
Поведение ультразвуковых волн 5 3
Рис. 2.17. Поведение продольной волны на границе двух сред
Рис. 2.18. Отражение и конверсия падающих продольных волн
Например, при прохождении поперечной волной границы орг-
стекла и алюминия преломленная продольная волна исчезает под
критическим углом 25,5°, а поперечная — под углом 61,3°.
Обозначим скорость волны в средах А и В следующим обра-
зом: ^и ULB— скорость продольной волны, UTAn UTB — скорость
поперечной волны. Соотношение скоростей падающей и отра-
женной волн выражается формулой:
sin4£ = sin^ sini)r£ = sini^ (2 39)
^LA UTA ULB UTB
где 0iL и 0^— углы падающей/отраженной продольной волны и от-
раженной поперечной волны, 0г£ и 0г£1 — углы проходящей про-
дольной волны и проходящей поперечной.
Глава 2. Основы ультраакустики
Мы знаем, что (раздел 2.6) скорость поперечной волны в твер-
дой среде всегда примерно на 50% меньше, чем у продольной.
Следовательно, угол преломления 0ri продольных волн всегда бу-
дет превышать угол преломления О^волн сдвига, что показано на
рис. 2.17. Аналогичным образом происходит конверсия попереч-
ных волн, рис. 2.19.
Рис. 2.19. Отражение и конверсия падающей поперечной волны
Скорость падающей и преломленной волн можно записать
так:
sinv/<r sinn' sin Un sin и'
uLA ~ uTA ~ uIB ~ UTB ’
trc 0.5и 0's— соответственно углы отраженной продольной и пада-
ющей/отраженной поперечной волн; 0г5 и f)'s— углы проходящих
продольной и поперечной волн.
2.7.5. Критический угол
Представим, что среда А жидкая, а В — твердая. В этом случае,
когда ультразвуковой луч проходит через среду А и падает на гра-
ницу двух сред, отраженный луч ведет себя иначе. Мы знаем, что
скорость продольной ультразвуковой волны в твердом материа-
ле превышает ее скорость в жидкости. Следовательно, угол пре-
ломления луча во второй среде В больше угла падения падающего
луча, то есть 0г > 0/л, а 0/ > 0/£. По этой причине преломленный луч
проходит ближе к границе двух сред.
Поведение ультразвуковых волн 5 5
При этом с увеличением угла 0/£ угол 0г£ возрастает и достигает
90° (0г£=9О°) при первом критическом угле 0/£с1. В таких условиях
преломленная волна движется вдоль поверхностей обеих сред по
субповерхности среды В. Такие волны называются продольными
волнами, преломленными под критическим углом, или поверхностно
скользящими объемными волнами.
В этом случае равенство (2.40) можно записать в виде:
sin^C[. _ sinvrI = 1
ULA U LB ULB’ ' ’
так как 0ri= 90° и sin QrL= 1.
Угол преломленной поперечной волны достигает в'г = 90° при
втором критическом угле падающего луча, то есть QILC2.
Следовательно:
sinn,r, sinT>* 1
----=---------— =---- (2 42)
U U U ’ v ’
ТА ТВ ТВ
поскольку 0^= 90°, соответственно sin 0^= 1.
В таких условиях преломленная волна двигается как поверх-
ностная вдоль границы твердой среды. Такие волны получили на-
звание поверхностных, или волн Рэлея.
Из вышеприведенных рассуждений понятно, что при опре-
деленной величине угла падения некоторые из вторичных волн
могут и не возникать. Поэтому важно изучить, какие из волн су-
ществуют во время конверсии. Исследователями предпринимал-
ся ряд попыток по преобразованию первоначальной формулы
Кнотта (1899), чтобы выявить присутствие волн. При использова-
нии этой формулы, рассчитывалась относительная амплитуда от-
раженной/проходящей волны на поверхности оргстекло/алюми-
ний при конверсии падающей под разными углами продольной
волны. Рис. 2.20 иллюстрирует амплитуду отраженной R и прохо-
дящей Тволн при различных углах падения.
Амплитуды продольных волн представлены в виде сплош-
ных линий, а пунктир используется для обозначения волн сдви-
га. При первом критическом угле, то есть при 25,5°, в отраженной
продольной волне образуется острый пик, а при 58° (втором кри-
тическом угле) пик наблюдается в проходящей поперечной вол-
Рис. 2.20. Относительные амплитуды волны сжатия при различных
углах падения, рассчитанные для поверхности оргстекло-
ал юминий. Т и R — соответственно проходящая и отраженная
волны
не. Понятно, что продольная волна исчезает, если угол падения
превышает 25,5°. Следовательно, при дефектоскопии с помощью
продольных ультразвуковых волн величина идеального угла долж-
на находиться в промежутке от 0 до 25,5°.
2.8. Фокусировка ультразвуковых волн
При решении технических задач в промышленных и лабораторных
условиях требуется фокусировка ультразвуковых волн. В геометри-
ческой оптике такие явления, как отражение, преломление, дифрак-
ция и т.д., объясняются с помощью световых лучей. Ультразвуковые
лучи двигаются по прямой, поэтому они тоже используются для объ-
яснения простых явлений типа отражения, преломления и в неко-
торых случаях, дифракции. Фокусировка ультразвуковых волн под-
робно изучается в геометрической ультразвуковой оптике.
В геометрической ультразвуковой оптике принимается, что
ультразвуковой луч имеет сферический/плоский волновой фронт.
Когда он падает на поверхность, образованную двумя средами с
различными значениями волнового сопротивления (скажем, Z7 и
Z2), то, так же как и световой луч, он может либо сфокусировать-
ся, либо отклониться в зависимости от свойств поверхности.
Фокусировка ультразвуковых волн
57
Фокусное расстояние для отраженного луча ультразвуковой
волны можно записать в следующем виде:
r
для плоской волны: F = — , (2.43)
1 _ i . i
для сферической волны: — — — ± — • (2.44)
Аналогично для проходящего луча:
для узкого луча: F =
(2.45)
1
для сферического луча: —
F
(2.46)
где F— фокусное расстояние; R — радиус поверхности; а — ради-
ус фронта волны; b — радиус фронта изображения; U, и U2— ско-
рости звука в средах 1 и 2.
Как мы знаем, когда ультразвуковая волна падает на плос-
кую поверхность, могут иметь место отражение и преломление.
Однако в случае сферической или цилиндрической границы про-
исходит фокусировка ультразвуковых волн в точке фокуса или на
фокусной линии. Следовательно, для того чтобы осуществить фо-
кусировку, необходимо сконструировать соответствующую линзу.
Например, для поверхности вода/сталь показатели преломления
составляют около 4 (/СЛ2>1), поэтому фокусировка происходит
в точке F, как показано на рис. 2.21а. Для поверхности сталь/вода
этот показатель приблизительно равен 0,25 {и,/и2<\), благода-
ря чему происходит явление дивергенции (расхождения луча)
рис. 2.21b.
Чтобы добиться хорошей фокусировки ультразвуковых волн,
величины волнового сопротивления обеих сред должны быть при-
близительно равными (Zj ~ Z2). Это позволяет минимизировать
акустические потери на поверхностях двух материалов. Таким
образом, при практической реализации метода погружения с це-
лью тестирования образца с искривленной поверхностью может
произойти нежелательная фокусировка ультразвукового луча.
58 Глава 2. Основы ультраакустики
Рис. 2.21. Эффекты конвергенции и дивергенции на искривленных
поверхностях (а) вода—сталь и (Ь) сталь—вода
В последние годы появились способы фокусировки (сферической
и параболической) ультразвуковых волн с помощью различных
акустических линз, о чем подробно рассказывается в главе 3.
2.9. Стоячие волны и резонанс
Когда волна падает на границу среды, она отражается, согласно
вышеперечисленным условиям. Отраженная волна имеет ту же
частоту и амплитуду, однако распространяется в другом направ-
лении. Падающая и отраженная волны могут накладываться друг
на друга, образуя стационарную, или стоячую волну. Чаще всего
это происходит, когда ультразвуковая волна падает на границу
среды. Подробный "обзор методов, в которых используются неза-
тухающие волны, приведен в главе 4.
Как правило, в ультразвуковых измерениях поверхности обо-
их образцов должны быть хорошо отшлифованы и параллельны
друг другу. Когда происходит распространение ультразвуковой
волны в материале-образце, на поверхностях появляются мно-
жественные отражения, что приводит к образованию в нем сто-
ячих волн (см. выше). Когда стоячая волна в образце становится
очень интенсивной, амплитуда колебаний тоже принимает боль-
шое значение при определенной частоте. В некоторых случаях
амплитуда колебаний стремится к нулю при таком же высоком
уровне стоячей волны. Подобное явление происходит в твердых
материалах в условиях резонанса. Эти условия проиллюстриро-
ваны на рис. 2.22.
Стоячие волны и резонанс
Рис. 2.22. Образование стоячих волн на плоском отражателе
Резонанс, который происходит в среде или образце в процессе
распространения ультразвуковых волн, классифицируют по двум
типам:
(1) Полуволновой.
(2) Четвертьволновой.
Рассмотрим эти типы более подробно.
2.9.1. Полуволновой резонанс
Существование стоячих полуволн в материалах возможно в двух
случаях: если волновое сопротивление прилегающей среды су-
щественно ниже или существенно выше, чем у рассматриваемого
материала. Когда образец материала с толщиной J, равной пк/2
(п = 1,2,3...), граничит со средой, имеющей низкое волновое со-
противление, на его границах образуются пучности А колебатель-
ной скорости и смещения частиц и узлы N акустического давле-
ния (рис. 2.23).
/ = Х/2 / = Х / = ЗЛ/2
Рис. 2.23. Узлы и пучности полуволнового резонанса в теле длиной Z,
ограниченном с обеих сторон средой с низким импедансом
60 Глава 2. Основы ультраакустики
С другой стороны, если материал граничит со средой, имею-
щей высокое волновое сопротивление, на его границах появля-
ются узлы скорости и смещения частиц, а также пучности акус-
тического давления (рис. 2.24).
/ = Х/2 / = Х / = ЗХ/2
Рис. 2.24. Узлы и пучности полуволнового резонанса в теле длиной I,
ограниченном с обеих сторон средой с высоким импедансом
В обоих случаях резонанс происходит на собственной частоте
fr, а также на частотах гармоник 2fr, 3fr и т.д. при расстоянии меж-
ду границами, равном соответственно X, ЗХ/2, 2Х и т.д.
2.9.2. Четвертьволновой резонанс
Пусть Z — длина тела. Представим, что один из его концов зажат,
а другой свободен. Если тело начнет совершать колебательные
движения, на одном его конце образуется узел, а на другом пуч-
ность, что приведет к образованию четвертьволнового резонанса
(рис. 2.25). Резонанс возникает на частотах^, 3fr, 5frw. т.д., соот-
ветствующих резонансной длине твердого тела, равной X/4, ЗХ/4,
5Х/4 и т.д.
2.9.3 Добротность резонанса
Уровень резонанса определяется безразмерной единицей, назы-
ваемой добротность Q, по аналогии с электрическими цепями.
Он оценивается по формуле:
<2=
Энергия, поступившая за цикл
Энергия, растраченная за цикл
(2.47)
/ = Х/4 / = ЗХ/4 /=5Х/4
Рис. 2.25. Узлы и пучности четвертьволнового резонанса в теле длиной I
Стоячие волны и резонанс
61
Потери энергии при распространении ультразвуковой волны в
среде происходят из-за потерь на границах, поглощения и непра-
вильного соединения преобразователей и исследуемого образца.
Амплитуда колебаний резонирующего тела зависит от коэффициен-
тов отражения и степени затухания в материале. Амплитуда очень ве-
лика, когда коэффициент отражения принимает большое значение,
а потери энергии незначительны. И наоборот, при низком коэффи-
циенте отражения и высоких потерях энергии колебания чрезвы-
чайно малы. Амплитуда колебаний в теле при резонансе также зави-
сит от частоты. Она имеет максимальную величину на резонансной
частоте .4 и уменьшается, когда эта частота принимает большее или
меньшее значение (скажем,и/2). Характер изменения амплитуды в
зависимости от частоты представлен в простом виде на рис. 2.26.
Рис. 2.26. Изменение амплитуды в зависимости от частоты
Величины ft»f2 используются для определения добротности:
,
Л-Л
(2.48)
где Д/— разность частот f2»f, (когда амплитуда колебаний умень-
шается до 1/л/2 от максимального значения), называемая шириной
полосы частот.
62 Глава 2. Основы ультраакустики
При высокой добротности Qhjgh ширина полосы частот очень
мала, а при низкой Q!aw — очень велика. Зависимость ширины по-
лосы частот от добротности показана на рис. 2.26.
2.10. Затухание
Мы знаем, что интенсивность ультразвука уменьшается с увели-
чением расстояния от источника волны. Эти потери объясняют-
ся механизмами дифракции, рассеяния и поглощения, действу-
ющими в среде. Поглощение связано с изменением физических
свойств и микроскопической структуры среды, в то время как
дифракция и рассеяние типичны при изменении формы и макро-
скопической структуры среды.
Согласно определению затухание — это показатель умень-
шения энергии ультразвуковой волны при ее распространения
в среде. Для определения уровня затухания замеряют измене-
ния интенсивности или усиления в неперах (Нп) или децибелах
(ДБ).
Пусть А — амплитуда ультразвуковой волны, распространяю-
щейся в среде. Она уменьшается на некоторую величину по мере
движения в направлении х от источника:
А = Аоеах, (2.49)
где Ад— амплитуда волны в момент, когда расстояние х равно
нулю, а — коэффициент затухания.
Из уравнения (2.49-) получим коэффициент затухания:
где d — толщина среды (в которой 2d принимается за общее
расстояние, проходимое волной в импульсном эхо-методе).
Коэффициент затухания определяется как затухание, приходя-
щееся на единицу длины или времени. Он выражается в дБ/м или
дБ/c. Как правило, коэффициент затухания «принимается как
сумма коэффициента истинного поглощения а, (или истинного
поглощения) и коэффициента рассеяния as.
Децибел равен одной десятой бела и основан на логарифме
с десятичным основанием. Следовательно, а можно записать так:
Затухание 63
a = ^-201g10[^j. (2.51)
2a у A )
Ниже приведено соотношение между децибелом и непером:
а (дБ на ед. длины)=8,68 а (Нп на ед. длины), (2.52)
Коэффициент затухания (с учетом времени) запишем в следу-
ющем виде:
a,=^201g10R-], (2.53)
2d \А J
где U— скорость волны в среде. Коэффициент затухания выража-
ется в децибелах на микросекунду (дБ/мкс).
При распространении ультразвуковой волны в среде интенсив-
ность, получаемая на другом конце среды, меньше интенсивности
вблизи от источника. Акустическая мощность (или интенсивность/
энергия) пропорциональна квадрату амплитуды или давления.
Дифракция, рассеяние и поглощение распространяющейся вол-
ны — все это приводит к потере интенсивности. Кроме того, есть
еще ряд других составляющих, которые обусловливают подобные
потери: прослойка, шероховатость поверхности, дивергенция луча,
объектная геометрия, взаимозависимость инструментария и т.д.
Из всех вышеперечисленных факторов рассмотрим самые ос-
новные.
2.10.1. Рассеяние ультразвуковых волн
Когда среда идеально однородная, рассеяние ультразвуковых волн
отсутствует. В неоднородной среде оно всегда есть. Рассеяние уль-
тразвуковых волн в неоднородной среде происходит из-за изме-
нения ее волнового сопротивления, обусловленного включением
посторонних тел (зерен или пор) с их границами, размерами зе-
рен и т.д. Коэффициент затухания а связан со средним размером
зерна D и частотой f.
a = Kf4D3, (2.54)
где К— постоянная величина для конкретного материала, зави-
сящая от скорости ультразвука, плотности и анизотропии упругих
свойств веществ, через которые проходит волна.
64 Глава 2. Основы ультраакустики
Формула (2.54) появилась в предположении, что волны в сре-
де подвергаются рэлеевскому рассеянию. Подробному рассмот-
рению различных механизмов рассеяния уделена глава 8.
К примеру, чугун представляет собой неоднородный (анизо-
тропный) материал, состоящий из матрицы зерен и частиц гра-
фита, которые значительно различаются между собой по плот-
ности и эластичности. Поэтому в чугуне имеет место рассеяние.
Это нежелательный эффект для распространения ультразвука.
Измерение затухания (затухание из-за рассеяния) и, соответс-
твенно, изменений скорости распространения бывает полезным
при оценке состояния материалов: их плотности, микрострукту-
ры, субструктуры и других факторов. Итак, при распространении
ультразвуковой волны в неоднородной (анизотропной) среде
происходит уменьшение интенсивности. К тому же, благодаря
изменчивости структуры частиц возникает эхо, что также снижа-
ет интенсивность проходящей ультразвуковой волны. Когда час-
тота ультразвуковых волн находится в мегагерцевом диапазоне,
затухание происходит преимущественно из-за потерь энергии
при рассеянии волн на отдельных зернах. Если средний размер
зерна D в 20 раз меньше длины волны, коэффициент затухания
представляет собой функцию частоты/. Для постоянных значе-
ний «//когда частота превышает определенное значение, то есть
X < 20 D , затухание можно записать в следующем виде:
а = aj + a2f2,
(2.55)
где а} и а2— соответственно потери вследствие поглощения и
рассеяния в среде. Эти значения различаются для продольных и
поперечных волн. В большинстве случаев затухание продольной
волны меньше, чем поперечной.
Для конкретного типа рассеяния можно сравнить длину вол-
ны со средним размером зерна, например X = D • В этом случае
имеет место стохастическое рассеяние, при котором потери прямо
пропорциональны размеру зерна. Изменение коэффициента рас-
сеяния в зависимости от частоты для трех средних размеров зерен
показано на рис. 2.27.
Коэффициенты затухания в некоторых металлах, стеклянных,
пластиковых материалах, жидкостях и т.д. приведены в таблице
2.2. Из таблицы ясно, что величина коэффициента затухания в
пластике в два-три раза больше, чем в металлах.
Рис. 2.27. Затухание как функция частоты для различных размеров зерен
2.10.2. Поглощение ультразвуковых волн
Когда продольная ультразвуковая волна движется в среде, проис-
ходит поочередное сжатие и разрежение. Сжатие имеет следстви-
ем эффект нагревания, а разрежение приводит к охлаждению. В
любом материале при конечном значении температуры частицы
беспорядочно движутся благодаря внутренней энергии. В данных
условиях при распространении ультразвуковой волны имеет мес-
то нагревание вещества. Это приводит к повышению активности
частиц, и, как следствие, активизированные частицы возбуждают
соседние, более спокойные, заставляя их совершать колебания
большой амплитуды. Поэтому во время движения ультразвуковой
волны какая-то часть энергии идет на нагревание вещества, что
приводит к уменьшению интенсивности волны. Более того, зату-
хание, вызванное дислокациями, и потери от магнитного гистере-
зиса тоже вносят свою лепту в поглощение ультразвуковых волн.
Табл. 2.2. Коэффициент затухания продольных ультразвуко-
вых волн в некоторых наиболее распространенных средах при
температуре 293 К
Среда Коэффициент затухания а (Нп/мм)
Сталь от 5 х 1(У4до 5 х 10'3
Алюминий от5х 10'5 до 2,10 х 10'3
66 Глава 2. Основы ультраакустики
Окончание табл. 2.2.
Среда Коэффициент затухания а (Нп/мм)
Магний от 3,10 х IO-5 до 3,10 х 10'4
Медь 1Х10-3 до 5,10х10-3
Плавленый кварц 0,6 хЮ-4
Свинцовое стекло 3,2 х 10’4
Полистрол 1,7 хЮ-2
Полиэтилен 5,2 х IO 2
Вода 2,5 х 10 5
Глицерин 6,1х10-з
Оливковое масло 1,2х10-з
Метанол 3,4 х 10-6
Этанол 5,4 хЮ6
Ацетон 7,1 х 10’6
Бензол 9,1 х IO 5
Толуол 20,1 х IO 5
Ртуть 6,1 х IO 7
Воздух 1,6 хЮ2
Примечание. 1 дБ = 8,686 Нп.
2.10.3. Дисперсия ультразвуковых волн
Изменение скорости ультразвуковых волн в зависимости от час-
тоты называется дисперсией. В наибольшей мере эффект диспер-
сии проявляется в твердых телах. Однако его нельзя наблюдать в
вязких жидкостях, таких как глицерин, касторовое масло и т.д.,
где дисперсию можно обнаружить лишь косвенно, измерив изме-
нение длины волны.
2.10.4. Потери при передаче из-за связывающей среды
и шероховатости поверхности
Данный вид потерь проявляется во время прохождения ультра-
звуковых волн от преобразователя в среду. Потери при передаче
вызваны наличием связывающей среды (прослойки) между пре-
образователем и средой, а также шероховатостью поверхности.
Когда преобразователь помещается над гладкой поверхностью
материала-образца и используется прослойка (скажем, масло),
Затухание
67
Рис. 2.28. Зависимость амплитуды сигнала от толщины прослойки
амплитуда сигнала изменяется в зависимости от толщины этой
прослойки (рис. 2.28). В главе 4 потери при передаче в связываю-
щей среде рассмотрены более подробно.
Интенсивность звука также снижается из-за шероховатости
поверхности среды и рассеяния звукового луча. В таких случа-
ях затухание представляет собой чистые потери интенсивности
вследствие действия вышеперечисленных факторов. Снижение
интенсивности во время распространения ультразвуковых волн,
происходящее по причине шероховатости поверхности среды,
проиллюстрировано на рис. 2.29. Кроме того, становится очевид-
ным тот факт, что вязкие прослойки важны для увеличения амп-
литуды сигнала при работе с поверхностями, имеющими сильную
шероховатость.
Как правило, измерить затухание ультразвуковой энергии в
среде, которое включает все вышеперечисленные потери, доста-
точно сложно. Тем не менее затухание можно оценить, если из-
мерить амплитуду многократно отраженных волн и подсчитать
потери в последовательных импульсах. Затухание в твердой среде
зависит от термической обработки, размера зерна, вязкого тре-
ния, изменения кристаллической структуры, пористости, упруго-
го гистерезиса, жесткости, модуля Юнга и т.д.
Глава 2. Основы ультраакустики
2.11. Дифракция
Дифракция ультразвуковых лучей объясняет образование зон с
высокой и низкой энергией из-за суперпозиции с фронтом плос-
кой волны. В качестве примера рассмотрим диафрагму, генериру-
ющую волну кольцевой формы (рис. 2.30). В результате наложения
ее на плоскую волну образуются последовательные максимумы
и минимумы, то есть области высокой и низкой интенсивности
поля, как показано на рис. 2.30.
Шероховатость поверхности (мкм)
Рис. 2.29. Зависимость амплитуды сигнала от шероховатости поверхности
Рис. 2.30. Интерференционная структура звукового поля от диафрагмы
Дифракция 69
Параллельный пучок плоской волны, выходящий из диафраг-
мы, расходится после прохождения расстояния d от источника.
Пусть в качестве источника выступает поршень. Запишем соот-
ношение, которое определяет изменение акустического давления
PR на расстоянии R вдоль оси луча:
P,=P02sin
(2.56)
(2.57)
(2.58)
где Ро — акустическое давление вблизи от поверхности поршня,
совершающей колебания.
Дивергенция луча происходит на расстоянии N от источника
(то есть последний максимум):
4Х
Формула (2.57) аппроксимируется выражением (при Z>»X):
D2
N = —
4 А,
Пространство пучка имеет параллельные границы вплоть до
расстояния N, и эта область называется ближним полем, или зо-
ной Френеля. Дивергенция пучка происходит после прохождения
точки N, то есть в области дальнего поля, или зоне Фраунгофера.
Более того, иногда кажется, будто дивергенция возникает из цен-
Рис. 2.31. Потери при затухании во время прохождения волны
70 Глава 2. Основы ультраакустики
тра источника, поэтому ее называют дифракцией Фраунгофера
(рис. 2.31).
Согласно теории дифракции угол раствора луча 0 можно полу-
чить из соотношения:
. z ч 1,2Х
sin(l)/2) = ^-, (2.59)
по половинному уровню интенсивности относительно ее значе-
ния на осевой линии на рис. 2.31:
sin(l)/2) = ^^> (2.60)
по уровню одной десятой от интенсивности на осевой линии:
sin(t)/2) = -L-^— (2.61)
Формулы (2.59), (2.60) и (2.61) действительны только для ма-
лых значений Х/D. В области дальнего поля интенсивность уль-
тразвукового луча подчиняется закону обратных квадратов, если
не учитывать потери, вызванные эффектами поглощения и рас-
сеяния. Важным аспектом является проектирование ультразвуко-
вых преобразователей, что рассматривается в главе 3.
2.12. Заключение
В данной главе представлены и обсуждаются различные базовые
понятия, которые играют важную роль в ультраакустике. Вкратце
рассмотрены основы предмета, что полезно как для новичков в
данной области, так и для исследователей. Эта глава служит от-
правной точкой для усвоения сложных аспектов ультраакустики,
которые будут проанализированы в следующих главах книги.
Рекомендуемая литература
1. Asher R С, Ultrasonic Sensors, Institute of Physics Publishing, London
(1997).
2. Babikov О I, Ultrasonics and its Industrial Application, Constuetants
Bureau, Plenum Press, (1960).
3. Beranek L L, Acoustics, McGraw Hill (1954), Reprinted by American
Institute of Physics (1986).
Рекомендуемая литература
71
4. Bergmann L, Ultrasonics, Wiley, New York, (1938).
5. Birgukov S V, Gulyaev Y V, Krylov V V and Plessky V P, Surface Acoustic
Waves in Homogeneous Media, Springer (1995).
6. Blitz J, Elements of Acoustics, Butterworth, London, (1964) 27.
7. Blitz J, Fundamentals of Ultrasonics, 2nd Edn. Butterworth London
(1967).
8. Blitz J, Fundamentals of Ultrasonics, Butterworth, London (1963).
9. Brekhovskikh L M and Godin OA, Acoustics of Layered Media, Springer
(1990).
10. Brekhovskikh L M, Waves in Layered Media, Academic Press (1980).
11. Brillowin, L, Wave Propagation and Group Velocity, Academic Press
(1960).
12. Carlin B, Ultrasonics, 2nd Edn., McGraw Hill, New York (1960).
13. Davis AH, Modern Acoustics, Bell, (1934).
14. Erawford A E, Ultrasonic Engineering, Butterworth (1955).
15. Goldman R G, Ultrasonic Engineering, Reinbold Publ Co, New York
(1965).
16. Gooberman G L, Ultrasonics Theory and Application, English
Universities Press, London (1968).
17. Herzfeld К F and Litovitz T A, Absorption and Dispersion of
Ultrasonics, Academic Press, New York (1954).
18. Mason W P and Mcskimin H J, J Acoust Soc Amer, 19 (1947) 466.
19. Mason W P (Ed.), Physical Acoustics - Principles and methods,
Academic Press, Series of volumes.
20. Nozdrev V F, Application of Ultrasonics in Molecular Physics, Gordon
& Breach, New York (1963).
21. Richardson E G, Ultrasonic Physics, 2nd Edn. Elsevier, Amsterdam
(1962).
22. Stefan Kocis and Zdenko Figura, Ultrasonic Measurements and
Technologies, Chapman & Hall, London (1996).
23. Stephens R W В and Bate A E, Acoustics and Vibrational Physics, 2nd
Edn. Arnold, London (1986).
24. Truell R, Elbaum, C and Chick В В, Ultrasonic methods in Solid State
Physics. New york, Academic Press (1969).
ГЛАВА 3
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
3.1. Введение
В главах 1 и 2 мы провели обзор науки и технологии ультраакус-
тики и обсудили основополагающие принципы ультразвука.
Ультразвуковой преобразователь— это прибор, который может
превращать электрическую энергию в звуковые волны высокой
частоты и наоборот. Преобразователь является важным элемен-
том ультразвуковой системы. От него зависят желательный вид
энергии с учетом частоты, тип волны и характеристика направ-
ленности. По принятому преобразователем сигналу из среды
оценивается взаимодействие ультразвуковых волн с внутренней
структурой исследуемого материала.
Ультразвуковые волны можно создавать различными спосо-
бами, например, используя свистки, сирены, искровые разряд-
ники, принципы пьезоэлектрического, электростатического и
электромагнитного преобразования. Для генерации ультразвуко-
вых волн и их обнаружения применяются также лазерные техно-
логии. Одним из последних материалов для пьезоэлектрических
преобразователей стал поливинилиденфлюорид (PVDF). Новые
разработки включают создание композиционных материалов, по-
лупроводников и сверхпроводников для использования на очень
высоких частотах, а также специальных материалов для приме-
нения в суровых условиях. Тем не менее значительная часть уль-
тразвуковых преобразователей является пьезоэлектрическими
керамическими преобразователями. В настоящее время им прина-
длежит более 90% рынка преобразователей для ультразвуковых из-
мерений и применений в условиях низких и высоких температур.
Пьезоэлектрические преобразователи являются обратимыми при-
борами и используются как для создания, так и для обнаружения
ультразвуковых волн.
Различные виды источников ультразвука 73
В данной главе предпринята попытка объяснить следующие
аспекты:
(I) Источники образования волн.
(II) Преобразующие материалы.
(III) Создание пьезоэлектрических преобразователей.
(IV) Работа различных типов преобразователей.
(V) Характеристика ультразвукового луча преобразователя.
3.2. Различные виды источников ультразвука
В основном для создания ультразвуковых волн используются сле-
дующие методы:
1) механический;
2) электростатический;
3) электродинамический;
4) магнитострикционный;
5) электромагнитный;
6) пьезоэлектрический;
7) лазерный.
Во всех вышеперечисленных методах используется закон со-
хранения энергии, то есть один вид энергии преобразуется в дру-
гой. К примеру, в механическом методе механическая энергия
переходит в ультразвуковую (тоже механическую). В пьезоэлек-
трическом методе электрическая энергия превращается в меха-
ническую по законам пьезоэлектричества. В лазерном методе
лазерная энергия (электромагнитная энергия) или термоупругая
энергия переходит в механическую.
3.2.1. Механический метод
Звук в теле можно производить с помощью механического уда-
ра или трения. Данное явление, хорошо известное в диапазоне
слышимости, порождает широкий спектр вибраций, простираю-
щийся в мегагерцевую область частот. Создаются все виды волн
в диапазоне частот от 100 кГц до 1 МГц. Этот метод был самым
первым, используемым для генерации ультразвуковых волн в воз-
духе: свисток Гальтона. В качестве источника ультразвука приме-
нена миниатюрная органная труба.
Экспериментальное приспособление, используемое Гальтоном
для создания ультразвуковых волн различной частоты, показано на
74 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
рис. 3.1. Оно состоит из двух круглых стеклянных цилиндров АВ и
CD, расположенных таким образом, что расстояние между концами
Ви С можно регулировать с помощью двух микрометрических вин-
тов SI и S2. Воздух, задуваемый в сопло А, выходит из круглого конца
В. Выходящий воздух ударяет по острому кончику С, который выпол-
нен в виде режущей кромки ножа. Регулируя расстояние между Ви С
с помощью винтов S, и S2, можно заставлять столб воздуха в трубе CD
вибрировать. Длину вибрирующего столба воздуха можно изменять с
помощью клапанного приспособления S3 и таким образом варьиро-
вать частоту создаваемого ультразвука.
Частота генерируемых ультразву-
ковых волн задается следующей фор-
мулой:
r U
f=i7~r—(з.1)
4(£ + х) 7
где U — скорость звука в воздухе, L —
длина вибрирующего столба воздуха,
х — концевая поправка.
Рис. 3.1. Механический генератор
3.2.2. Электростатический метод
Электростатический метод можно использовать для создания уль-
тразвука высоких частот от 10 до 200 МГц. В данном методе перед
неподвижным электродом помещается тонкая (= 50 мкм) про-
водящая пленка, отделенная от него диэлектрической (изоляци-
онной) пленкой (рис. 3.2). На металлические пластины подается
переменное напряжение. Механические силы, возникающие на
поверхности подвижного электрода, генерируют ультразвуковые
волны. Частота волн зависит от частоты подаваемого напряже-
ния. Волны, созданные таким способом, являются продольными,
поскольку электростатические силы действуют перпендикулярно
поверхности.
Сила F, рассчитываемая по нижеприведенной формуле, при-
тягивает пластины заряженного конденсатора друг к другу:
<3.2)
Различные виды источников ультразвука 75
где ег — абсолютная диэлектрическая проницаемость, S — площадь
поверхности пластины, V— подаваемое напряжение, d — расстоя-
ние между пластинами (электродами).
Сила притяжения не зависит от полярности подаваемого на-
пряжения. Следовательно, если подается переменное напряжение
определенной частоты, получается ультразвук двойной частоты.
Если удвоение частоты нежелательно, необходимо дополнитель-
но подать постоянное напряжение V_>V~.
Несмотря на то что электростатические силы используются для
непосредственной генерации ультразвука высокой частоты, получа-
емые амплитуды относительно малы для эхо-импульсных операций.
Электрод, совершающий колебания
Рис. 3.2. Электростатическое передающее устройство
3.2.3. Электродинамический метод
Данный метод, в основе которого лежит сила Лоренца, также на-
зывают магнитно-индуктивным методом. Катушка с переменным
электрическим током помещается в среду, обладающую электро-
проводностью. При этом в малом элементе среды объемом dVвоз-
никает вихревой ток плотности / и на объем d Vдействует сила F.
Здесь следует уделять внимание направлениям: векторы J, В и F
расположены под прямыми углами друг к другу:
F»JxB.
(3.3)
76 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
Выбирая направление магнитного поля В, мы можем произ-
водить либо продольные, либо поперечные волны. Если В ориен-
тировано параллельно поверхности, а сила F перпендикулярна
ей, как показано на рис. 3.3а, создаются продольные волны. Если
же поле В перпендикулярно поверхности, a F параллельна ей
(рис. 3.3b), возникают поперечные волны.
Устройство, основанное на принципе силы Лоренца, называ-
ется электромагнитным акустическим преобразователем (ЕМАТ).
Его устройство рассматривается в разделе 3.2.5.
3.2.4. Магнитострикционный метод
Все ферромагнитные материалы подвергаются механической де-
формации при попадании в магнитное поле. Это явление называ-
ется магнитострикцией и не зависит от направления магнитного
поля. С помощью магнитострикционного осциллятора (рис. 3.4)
можно создавать продольные волны.
Рис. 3.3. Электродинамический метод
Рис. 3.4. Магнитострикционный осциллятор
Различные виды источников ультразвука 77
В данном опыте ферромагнитный стержень XY закрепляется
в средней точке В. На концах стержня имеются обмотки Lt и Ь2.
Обмотка Lj и конденсатор С; соединены параллельно и подклю-
чены между анодом и катодом через миллиамперметр, а обмотка
L2 включена в цепь между сеткой и катодом.
Когда ток заряда/разряда конденсатора проходит через обмотку
Lp стержень намагничивается. Любое изменение этого тока вызыва-
ет изменение намагниченности и, следовательно, длины стержня. В
свою очередь, это влияет на потокосцепление обмотки Ь2ъ цепи сет-
ки, индуцируя переменную электродвижущую силу (ЭДС), которая
действует на обмотку Lp поддерживая колебания. Регулируя емкость
конденсатора Ср можно варьировать частоту колебательного конту-
ра. Если частота колебательного контура соответствует собственной
частоте стержня, он вследствие резонанса начинает активно вибри-
ровать и, соответственно, генерировать ультразвуковые волны. По
показаниям миллиамперметра можно определить значение емкости
конденсатора С;, необходимое для максимальной вибрации.
Частота ультразвуковых волн задается в виде:
<3-4>
где / — длина стержня, Y— модуль Юнга, р — плотность ферромаг-
нетика.
Меняя значения I и ^ферромагнитного материала, можно ва-
рьировать частоту ультразвуковой волны.
В данном методе при передаче волн магнитострикционный
осциллятор необходимо возбуждать в направлении излучения.
Осциллятор работает на своей собственной частоте и обеспечи-
вает высокую интенсивность звука при низких частотах порядка
100 кГц. Магнитострикционный эффект в наибольшей степени
проявляется в таких металлах, как никель, железо, кобальт, и их
сплавах. В последние двадцать лет проводилось много работ с
керамикой, называемой ферритами, которые наделены свойс-
твом магнитострикции и иногда называются пьезомагнитными.
У ферритов есть преимущество перед магнитострикционными
металлами, которое проявляется в их высоком электрическом со-
противлении и чрезвычайно малых потерях на вихревые токи, что
обусловливает их эффективность в качестве преобразователей.
Типичная сборка магнитострикционного преобразователя для
практического применения изображена на рис. 3.5.
78
Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
Рис. 3.5. Магнитострикционный преобразователь — сборка
Эквивалентная цепь магнитострикционного преобразователя
показана на рис. 3.6. Эквивалентной называется цепь, использу-
емая для определения резонансной области частот преобразова-
теля. Она может быть последовательного или параллельного типа.
То же самое можно проанализировать с помощью схемы эквива-
лентной цепи преобразователя и измеряя частотно-зависимый
импеданс при двух существенных резонансных частотах.
(а) Электрическая
(Ь) Электромеханическая
Рис. 3.6. Магнитострикционный преобразователь — эквивалентная цепь
Схема эквивалентной цепи магнитострикционного преоб-
разователя относительно сложна из-за нелинейного поведения
преобразователя и наличия потерь. Цепь состоит из индуктив-
ности Le и сопротивления Re полностью нагруженного преобра-
зователя. Значения эквивалентной индуктивности Lm, емкости
Ст и сопротивления Rm зависят от механических свойств преоб-
разователя.
Различные виды источников ультразвука 79
3.2.5. Электромагнитный метод
В 1967 году исследователи случайно обнаружили, что электромаг-
нитное облучение может вызывать акустический резонанс в мо-
нокристаллических дисках висмута и алюминия при температуре
жидкого гелия без какого-либо контакта с образцами и при ус-
ловии сильной связи с проводимостью электронов в кристаллах.
Эти результаты стали отправной точкой для ряда исследований
свойств электромагнитных акустических преобразователей. В
электромагнитном методе генерации ультразвука в конструкцию
электродинамической модели (возбуждающая обмотка) добавля-
ют постоянный магнит.
Когда вблизи проводящей поверхности помещается проволо-
ка и через нее пропускается ток нужной ультразвуковой частоты,
в области вблизи поверхности индуцируется вихревой ток, про-
никновение которого определяется глубиной скин-слоя (глуби-
ной проникновения поля):
5= И—,
(3.5)
где со —выбранная циклическая частота тока, ц — магнитная про-
ницаемость, ке — электрическая проводимость.
Внутреннее устройство электромагнитного акустическо-
го преобразователя (ЕМАТ) и схемы его использования при ге-
нерации продольных и поперечных волн показаны на рис. 3.7.
Создание волн Рэлея с помощью ЕМАТдемонстрирует рис. 3.8.
Силы Лоренца посредством разнообразных взаимодействий пе-
редаются на проволочную сетку и служат в качестве источника
ультразвуковых волн. Подобная структура может не только излу-
чать, но и обнаруживать волны. В магнитных и немагнитных ма-
териалах это взаимодействие различается.
Для упрощения понимания рассмотрим режим приема. В не-
магнитных материалах движение волн вызывает отсекание линий
магнитного потока и таким образом индуцирует вихревой ток в них.
Эти вихревые токи индуктивно взаимодействуют с токосъемной
обмоткой через динамические поля Н, тем самым создавая прини-
маемое напряжение. В магнитных материалах динамическое напря-
жение ультразвуковой волны, главным образом благодаря магни-
тострикции, вызывает изменение намагниченности, что через Н и
индуктивную связь также воздействует на обмотку приемника.
(а) Вид (в разрезе) спиральной обмотки ЕМАТ, (Ь) Вид (в разрезе) тангенциального поля
излучающего радиально поляризованные ЕМАТ, излучающего поляризованные
сдвиговые волны, распространяющиеся продольные волны, распространя-
перпендикулярно к поверхности ющиеся перпендикулярно к поверхности
(с) Вид (в разрезе) нормального поля ЕМАТ,
излучающего плоскополяризованные
сдвиговые волны перпендикулярно
к поверхности
(d) Вид (в разрезе) извилистой обмотки
ЕМАТ, излучающего наклонные
продольные и поперечные волны, волны
Рэлея, или направленные волны в
пластинах (волны Лэмба)
(е) Вид (в разрезе) периодической структуры
постоянного магнита ЕМАТ, излучающего скользящие
или наклонные горизонтально поляризованные (SH)
волны или SH-моды направленных волн в пластинах
Рис. 3.7. ЕМАТ — концептуальный обзор
Рис. 3.8. ЕМАТ — генерация волн Рэлея
Различные виды источников ультразвука
Конечное множество элементов (проволок и магнитов), из
которых состоит ЕМАТ, может быть организовано в различные
комбинации, тем самым создавая разнообразные ультразвуковые
модели. Как правило, стандартные ЕМАТ, применяющиеся на
практике, генерируют один из пяти типов волн:
1) радиально поляризованные поперечные волны, распро-
страняющиеся перпендикулярно поверхности образца;
2) продольные волны, распространяющиеся перпендикуляр-
но поверхности;
3) плоскополяризованные поперечные волны, распространя-
ющиеся перпендикулярно поверхности;
4) продольные или вертикально поляризованные поперечные
волны, распространяющиеся под косым углом, волны Рэлея или
направленные волны в пластинах (волны Лэмба);
5) горизонтально поляризованные сдвиговые горизонтальные
5Я-ВОЛНЫ, распространяющиеся под косыми углами, или SH-
моды волн в пластинах.
За последние тридцать лет в этой области произошел значи-
тельный прогресс. Так, с помощью ЕМАТ было эффективно ре-
шено множество проблем, связанных с обследованиями различ-
ных объектов. Наряду с применением ЕМАТв неразрушающих
испытаниях стоит упомянуть обследование движущихся высоко-
температурных объектов, а также анизотропных сварных швов.
3.2.6. Пьезоэлектрический метод
В данном методе, когда грани кристалла, например, кварца, турмали-
на, сегнетовой соли подвергаются сжатию (сдавливанию), скручива-
нию или сгибанию, на противоположных гранях возникает разность
потенциалов. Величина разности потенциалов в кристалле пропор-
циональна степени деформации. Данный эффект называется прямым
пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект дейс-
твует и в обратном направлении. То есть если на одну пару граней
кристалла подается переменное напряжение (ас), возникают механи-
ческие сжатия и растяжения и кристалл начинает совершать колеба-
ния. Когда частота подаваемого переменного напряжения совпадает
с частотой собственных колебаний кристалла, последний начинает
резонировать и, следовательно, генерировать ультразвуковые волны.
Принципы пьезоэлектричества, пьезоэлектрические кристаллы и
преобразователи подробно рассматриваются в разделе 3.3.
Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
Рис. 3.9. Пьезоэлектрический осциллятор
Пьезоэлектрический осциллятор
Цепь пьезоэлектрического осциллятора (рис. 3.9) исполь-
зуется для генерации как продольных, так и поперечных волн.
Кристалл кварца помещается между двумя металлическими плас-
тинами Ап В, которые подсоединены к катушке Lr Катушки Lt,
L2 и L3 связаны индуктивно. Катушка Ь2 включена в цепь анода,
в то время как Lt и конденсатор С; образуют колебательный кон-
тур, включенный между сеткой и катодом. Когда цепь замыкает-
ся, осциллятор начинает колебаться с частотой, равной частоте
колебательного контура (1/2тг/(£;С;)).
Частоту колебаний можно контролировать с помощью пере-
менного конденсатора Сг Благодаря действию трансформатора,
во вторичной обмотке L3 индуцируется ЭД С, которая заставляет
кристалл кварца вибрировать. Регулируя емкость конденсатора
С, можно перейти в режим резонанса и заставить вибрирующий
кристалл излучать продольные ультразвуковые волны в окружаю-
щую среду (воздух).
Частота ультразвуковой волны:
<»>
21\Р
где I — длина кристалла кварца, Y—модуль Юнга, р — плотность
материала, Р = 1, 2, 3 и т.д. соответствуют частоте основного
тона, первого, второго и т.д. обертонов.
Скорость продольной волны получим из модуля упругости
L, воспользовавшись соотношением:
Различные виды источников ультразвука 83
Формула (3.6) показывает, что можно получать ультразвуко-
вые волны любой частоты. По сравнению с другими методами
пьезоэлектрический имеет ряд преимуществ благодаря возмож-
ности генерации ультразвуковых волн высокой интенсивности.
3.2.7. Лазерный метод
В 1963 году, вскоре после изобретения лазеров высокой мощности,
Уайт предсказал, что с их помощью можно будет создавать ультра-
звук. Генерация ультразвука путем поглощения мощного лазер-
ного луча может происходить либо в термоупругом режиме, либо
в режиме сублимации. В первом случае практически не наносится
никакого ущерба, тогда как во втором имеет место незначительный
ущерб вследствие испарения вещества с поверхности. При низких
уровнях плотности мощности лазера на поверхности образца не
происходит фазового превращения вещества, а быстротечное на-
гревание поверхности вызывает касательное напряжение. Степень
поглощения падающего лазерного луча зависит от длины облучаю-
щей волны. Часть энергии луча, проникая на глубину скин-слоя (8),
поглощается поверхностью, а оставшийся свет отражается. Если не
принимать во внимание воздействие термальной диффузии, то ам-
плитуда импульса напряжения выражается следующим образом:
а^= — = (3.8)
£8 г
= —ДЕ
с
(3.9)
где Р — мощность лазера, — коэффициент линейного расши-
рения, \Е — энергия, поглощаемая за промежуток времени Д/,
8 - глубина скин-слоя, с — удельная теплоемкость вещества. Если
мы рассмотрим увеличение объема вещества в слое глубиной 8,
происходящее вследствие поглощения лазерного луча областью
А, то объем И=Л8 расширяется до объема К+ДК Таким образом,
деформация объема Д V/ Vвыглядит так:
ДК/Г = ^Д£,
рс
(3.10)
где р — плотность вещества.
84 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
Вышеприведенные формулы показывают, что амплитуды тер-
мического напряжения и деформации объема пропорциональны
падающей лазерной энергии и не зависят от площади облучаемой
области А. Однако в реальных ситуациях в твердых телах может
возникнуть высокая теплопроводность, что приведет к значи-
тельному повышению температуры вне зоны облучения. Рис. 3.10
иллюстрирует типичную лазерную систему генерации и обнару-
жения ультразвука.
Рис. 3.10. Лазерная генерация и обнаружение
3.2.8. Ультразвук очень высоких частот (> ГГц)
Генерацию гиперзвука (ультразвуковых волн с частотой больше
ГГц) можно осуществить несколькими различными способами.
Одной из таких возможностей является создание акустической
волны с частотой от 50 до 1000 ГГц с помощью преобразователя на
основе сверхпроводимости, путем туннельного перехода. В отли-
чие от акустическихволн мегагерцевых частот, длина волн свыше
1 ГГц составляет всего лишь порядка 10 000 ангстремов и меньше.
Следовательно, дифракционные потери вследствие расхождения
луча в высокочастотном режиме незначительны.
Как было сказано во введении, пьезоэлектрический эффект
представляет собой наиболее важный принцип, нашедший при-
менение во многих областях. Преобразователи, основанные на
принципе пьезоэлектричества, широко используются для ге-
нерации и обнаружения волн. Учитывая все вышесказанное,
в следующих разделах мы предлагаем вашему вниманию под-
робное исследование пьезоэлектрического эффекта, а также
материалов, используемых в различных физических аспектах и
играющих важную роль в создании пьезоэлектрических преоб-
разователей PZT.
Пьезоэлектрический эффект 85
(а) Кристалл
Оптическая ось
(Ь) Электрическая и механическая оси
(с) Кварц перпендикулярного среза (Х-кристалл)
(d) Кварц параллельного среза (Y-кристалл)
Рис. 3.11. Пьезоэлектрический кристалл кварца
3.3. Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический эффект можно успешно использовать для
генерации/обнаружения ультразвуковых волн. Постараемся
понять его действие на примере кристалла кварца. Кристаллы
представляют собой строго симметричные тела, поэтому их
можно разбить на секции с помощью оси симметрии/главной
оси (рис. 3.11а). Разбиение осуществляется таким образом, что-
бы продольные или поперечные деформации в случае возникно-
вения таковых были максимальными. Это позволяет передавать
продольные и поперечные смещения в соприкасающиеся мате-
риалы. Пластины, разрезанные перпендикулярно оси х (Х-срез),
максимизируют растяжение (рис. 3.11с), тогда как пластины,
разрезанные перпендикулярно оси у (Y-срез), максимально уве-
личивают поперечный перекос (рис. 3.1 Id), что позволяет ис-
пользовать их при генерации продольных и поперечных волн
соответственно.
3.3.1. Пьезоэлектрические кристаллы
Когда две противоположные поверхности кристалла образуются
с помощью разреза перпендикулярно электрической оси (х-оси),
86 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
получается пластина Х-среза или X-кристалл (кварц перпендику-
лярного среза). Аналогично при разрезании кристалла перпенди-
кулярно механической оси (у-оси) образуется пластина У-среза
или Y- кристалл (кварц параллельного среза) (рис. 3.11).
Принципы пьезоэлектричества и пьезоэлектрических преоб-
разователей составляют большую часть ультразвуковых техноло-
гий. Более подробно о пьезоэлектрических константах, связанных
с ними пьезоэлектрических параметрах, пьезоматериалах и т.д. вы
сможете узнать из следующих разделов.
3.3.2. Пьезоэлектрические коэффициенты
Деформация материала под действием электрического поля
в количественном виде записывается при помощи ряда пьезо-
электрических коэффициентов d..(i = 1...3; j = 1...3), где индексы
обозначают направление электрического поля и деформации.
В пьезоэлектрической керамике направление поляризации, как
правило, отмечается индексом 3. То есть если электрическое поле
и деформация одинаково направлены, то пьезоэлектрический ко-
эффициент для продольной волны d33 выглядит так:
<3“>
где Vt — электрическое напряжение, приложенное вдоль толщины
Jf-кристаллов или в направлении поляризации в поляризованной
керамике, Дх(— изменение толщины.
Если пьезоэлектрический элемент предстоит использовать в
качестве передатчика, значение пьезоэлектрического коэффици-
ента должно быть максимально возможным.
Теперь рассмотрим случай, когда в результате внешнего воздейс-
твия происходит изменение толщины пьезоэлектрического элемен-
та на величину Ах.. Результирующее электрическое напряжение,
генерируемое этим элементом, рассчитывается по формуле:
И = А33Дхг, (3.12)
где h33 — пьезоэлектрическая константа деформации.
В последнем случае изменение толщины пьезоэлектрического
элемента может также происходить в результате оказания на него
давления Р. Тогда напряжение, генерируемое преобразующим
элементом, зависит еще и от толщины t
Пьезоэлектрический эффект 87
V,=g3itF, (3.13)
где g33 — пьезоэлектрическая константа давления.
Ситуация, подобная вышеописанной, возникает, когда пьезо-
электрический элемент используется в качестве приемника.
Следовательно, чтобы преобразующий элемент мог принимать
ультразвук, значение g33 должно быть максимально высоким.
Значения коэффициентов упругости, пьезоэлектрических конс-
тант деформации и давления для кристаллического кварца, а так-
же пьезоэлектрического керамического титаната бария приведе-
ны в табл. 3.1.
Рассмотрим ситуацию, когда два пьезоэлемента, выполнен-
ные в форме пластин, контактируют друг с другом и помещены в
неподвижную (абсолютно жесткую) среду. При таком расположе-
нии механическая деформация (изменение толщины), создавае-
мая одной из пластин, будет передаваться другой, то есть xt = хг.
В данном случае отношение VJVt показывает потенциал любого
материала или комбинации материалов в роли ультразвукового
преобразователя. В хорошем преобразующем материале отноше-
ние К / V, будет высоким. С другой стороны, низкое значение К / Vt
указывает на низкую эффективность преобразователя как в роли
приемника, так и в роли передатчика.
Табл. 3.1. Пьезоэлектрические константы для %-кристаллов
кварца и поляризованного пьезоэлектрического керамического
титаната бария
№ Пьезоэлектрическая константа Л-кристалл кварца Титанат бария
1 Пьезоэлектрический коэффициент (J33), м/В 2,3 хЮ-12 2,3 хЮ12
2 Пьезоэлектрическая константа деформации (й33), В/м 4,9 х 109 1,5 х 109
3 Пьезоэлектрическая константа давления (g33), В м/Н 57х10-3 14х10-3
Из уравнений (3.11) и (3.12) получаем:
К/^=Мзз-
(3.14)
88 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
Для Х-кварца этот показатель составляет 1,1х10 2. Это означа-
ет, что по меньшей мере 1% передаваемого напряжения попадет
в приемник. Для многих материалов рассчитывается соответс-
твующий коэффициент/фактор электромеханической связи К.
Данный показатель тоже указывает на эффективность, поскольку
в первом приближении:
Кг = ЬсГ. (3.15)
Однако это применимо лишь для стержней, возбуждаемых
в направлении оси. Для пластин/материалов следует учитывать
перекрестную связь в радиальном направлении (вдоль пласти-
ны). Еще одна проблема, связанная с параметром К, состоит в
том, что он не учитывает энергию, теряемую в иных проявлени-
ях. Следовательно, имеет смысл разделить фактор электромеха-
нической связи на две составляющие, одна из которых связана
с полезным перемещением продольной волны К2, а другая — с
соперничающей с ней радиальной волной К2. Можно показать,
что:
(1-JCJ). (1-Х,’)(1-Х,!). (3.16)
Из соотношения (3.16) понятно, что если Kr = Kt, кажущаяся
эффективность преобразующего элемента, по всей вероятности,
удвоится.
Это соблюдается для кварца, но не является обязательным
для других материалов. Прочие материалы, такие как сульфат
лития, имеют более высокое значение К2 и совсем незначитель-
ную величину К2. Поэтому можно предположить, что образец
пьезоэлектрического материала/элемента пригоден в качестве
как передатчика, так и приемника. Если дело касается кварца
или сульфата лития, то данное предположение верно. Однако
оно не действует в отношении всех кристаллов при передаче/
приеме, особенно если речь идет о керамических преобразова-
телях.
Изучение важнейших преобразующих материалов, использу-
емых для создания преобразователей, имеет огромное значение
для читателей, которые выбирают преобразователь для конкрет-
ного применения. Поэтому в разделе 3.4 подробно рассматрива-
ются преобразующие материалы и их наиболее значимые пара-
метры.
Преобразующие материалы 89
3.3.3. Преимущества и недостатки кварца
Можно выделить следующие преимущества кристалла кварца в
качестве преобразователя:
1) обладает высокой механической и электрической стабиль-
ностью;
2) может работать при повышенных температурах;
3) не поддается старению;
4) не растворяется в большинстве жидкостей.
Также существует ряд недостатков:
1) имеет тенденцию изменять типы волн;
2) плохой передатчик;
3) низкая эффективность электромеханического преобразова-
ния.
3.4. Преобразующие материалы
Ниже перечислены некоторые преобразующие материалы, ис-
пользуемые при создании преобразователей:
1) пьезоэлектрическая керамика;
2) полимеры;
3) новые материалы.
Рассмотрим их более подробно.
3.4.1. Пьезоэлектрические керамические материалы
Любой пьезоэлектрический материал можно использовать в ка-
честве ультразвукового передатчика или приемника, если он выра-
щен в виде подходящего кристалла большого размера и разрезан в
нужном направлении, чтобы обеспечить максимальную продоль-
ную или поперечную деформацию. Как правило, не используют
элементы с поликристаллической структурой, поскольку каждый
структурный элемент ориентирован в своем направлении и по-
своему искажает поле. Наличие подобных искажений приводит
к тому, что генерируемое пьезоэлементом суммарное результи-
рующее напряжение равно нулю. В данной ситуации проще по-
лучить более высокие значения Kf (эффективность продольной
электромеханической связи), используя природные материалы,
такие как кварц или сульфат лития. Наиболее важные параметры
90 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
(плотность, скорость ультразвука и т.д.) пьезоэлектрических ма-
териалов приведены в табл. 3.2.
Некоторые сегнетоэлектрические материалы помогают най-
ти решение вышеозначенной проблемы. Они тоже являются
поликристаллическими пьезоэлектриками, но их структурные
элементы могут быть в какой-то степени переориентированы,
если поместить их в сильное электрическое поле (несколько
тысяч вольт на сантиметр). Основным механизмом является
упорядочивание областей, что аналогично свойствам ферро-
магнитных материалов в магнитном поле. Этот процесс назы-
вается поляризацией. При поляризации материал нагревается
до температуры, превышающей точку Кюри. Затем его охлаж-
дают в соответствующем электрическом поле. Здесь очень важ-
но выбрать напряженность электрического поля в зависимости
от сегнетоэлектрического материала, чтобы избежать внешних
разрушений. Цирконат титанат свинца, титанат бария, метани-
обат свинца и т.д. — все это примеры сегнетоэлектрических ма-
териалов, превращенных в пьезоэлектрические керамические
преобразователи с помощью процесса поляризации. Многие из
этих материалов имеют более высокие значения К32 по сравне-
нию с монокристаллическими материалами. Значения К332 для
трех различных пьезоэлектрических керамических материалов
приведены в табл. 3.3.
3.4.2. Полимерные материалы
Многие органические»материалы, такие как дерево, шелк, кость и
т.д., обладают пьезоэлектрическими характеристиками. В 1968 го-
ду Фукуда впервые продемонстрировал использование высокомо-
лекулярной полимерной пленки (у—метил, £-глутамат) в экспе-
риментальных микрофонах и наушниках. Однако этот материал
оказался неэффективным, поэтому изготавливаемые из него пре-
образователи не нашли коммерческого применения.
В 1969 году Каваи открыл материал, который подавал еще
больше надежд. Это была одноосно растянутая пленка поливини-
лиденфторида (PVDF). Данный материал проявляет пьезоэлект-
рические свойства, сопоставимые со свойствами традиционных
пьезоэлектрических преобразующих материалов. Его можно по-
ляризовать, так же как и керамические материалы, что было опи-
сано Тамурой в 1975 году.
Преобразующие материалы
91
Табл. 3.2. Важные параметры/константы некоторых пьезоэлек-
трических материалов
Параметр/ константа Единица измерения Цирконат титанат свинца (PZT) Титанат бария Метаниобат свинца Сульфатеобат лития Ниобат лития PVDF Кварц
Плотность р 103 КГМ'3 7,8 5,3 6,2 2,06 4,64 1,3-1,8 2,65
Скорость звука UL М-С'1 4200 5200 3300 5460 7320 1500- 2600 5740
Акустический импеданс Z 10б КГМ' 2.с-1 32,8 27,6 20,5 11,2 34 2,1-4,7 15,2
Пьезоэлектри- ческий модуль для колебаний по толщине d33 10'12 мВ'1 125 125 85 15 6 25 2,3
Пьезоэлектри ческая конс- танта давления &33 Ю13 Вм1 30 14 32 156 23 230 57
Пьезоэлектри- ческая конс- танта деформа- ции h33 10’ Вм'1 — 1,5 1,9 8,2 6,7 — 4,9
Коэффициент электромехани- ческой связи для колебаний по толщине Kt — 0,35 0,33 0,38 0,38 0,47 0,1-0,14 о,1
Коэффициент электромехани- ческой связи для радиальных колебаний Кг — -0,46 -0,25 -0,07 — — — 0,1
92 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
Окончание табл. 3.2.
Параметр/ константа Единица измерения Цирконат титанат свинца (PZI) Титанат бария Метаниобат свинца Сульфатеобат лития Ниобат лития PVDF Кварц
Механическая добротность Q — 400 350 15 >1000 >1000 <15 >104
Диэлектричес- кая проница- емость ег — 480 960 300 10,3 30 11,5 4,5
Температура точки Кюри К 618 393 >673 403 1483 438-453 847
(I) Пленку РИШ7 при температуре от 333 до 373 К растягивают по
оси так, чтобы ее длина в четыре раза превышала исходную.
(II) Напыляют на обе стороны пленки алюминиевые электроды.
(III) Проводят поляризацию в сильном электрическом поле при
температуре 353-373 К в течение часа. В
Табл. 3.3. Коэффициент электромеханической связи КЗ
в керамических материалах
Материал
Ниобат свинца 0,16
Титанат бария 0,20
PZT 0,45
В 1981 году Бэйнтон и другие исследователи обнаружили, что
замена алюминиевого электрода золотым вызывает больший эф-
фект. В литературе встречаются различные значения параметров
пьезоэлектрических материалов PVDF. Это вызвано разными
условиями их поляризации и композиционными изменениями.
В общем эти материалы можно сравнить с кварцем, и, следова-
тельно, их эффективность существенно меньше, чем у керами-
ческих пьезоэлектрических материалов. Как бы то ни было,
Преобразующие материалы 93
преобразующие материалы PVDFpo сих пор сохраняют свое пре-
имущество, которое проявляется в согласовании импеданса.
Во многих устройствах ультразвуковая энергия должна про-
ходить через слой жидкости, прежде чем попадет в образец, и
в этом плане полимер более эффективен, чем пьезокерамика.
Учитывая это, отметим широкое применение преобразователей
PVDFb условиях составной среды (состоящей из нескольких сло-
ев). Особым преимуществом полимерного материала является его
гибкость, которая позволяет создавать преобразователи сложных
форм без какой-либо подгонки или выравнивания. Среди прочих
преимуществ стоит упомянуть улучшение поверхностного разре-
шения при проведении неразрушающих испытаний и повышение
соотношения сигнал/шум в исследовании/определении характе-
ристик акустически шумных материалов. В литературе (см. спи-
сок в конце главы) описан ряд исследований, касающихся обра-
ботки и применения материалов PVDFvt преобразователей.
В табл. 3.4 сравниваются свойства пьезокерамических и пье-
зополимерных материалов. Каждый параметр получает качест-
венную оценку («высокий» или «низкий») и отмечается знаком
«плюс» (преимущество) или «минус» (недостаток). Для упроще-
ния понимания в табл. 3.5 приведены рабочие характеристики
PVDFvl пьезокерамических материалов.
Табл. 3.4. Сравнение свойств пьезокерамики и пьезополимеров
Параметр Обозначение Керамика Полимеры
Акустическое волно- вое сопротивление или акустический импеданс Z высокое (-) низкое(+)
Коэффициент связи или коэффициент электромеханической связи к высокий (+) низкий (-)
Чувствительность к паразитным типам волн высокая (-) низкая (+)
Температура (точка) ®с высокая (+) низкая (-)
Кюри
94 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
3.5. Материалы для приема и передачи
До сих пор мы видели, что один и тот же пьезоэлектрический эле-
мент можно использовать как для операций передачи, так и для
приема. Главным образом это касается применения в неразруша-
ющих испытаниях. Как бы то ни было, есть и другие ситуации,
когда используются только передающие свойства пьезоэлемента
или только принимающие. По этой причине необходимо рас-
смотреть достоинства пьезоэлектрических материалов в качестве
передатчиков и приемников.
Исследователи предлагали ряд индексов для оценки эффек-
тивности преобразователей. Однако наибольшего внимания за-
служивают параметры Каллерама (1979) благодаря их относитель-
ной простоте и приемлемому уровню точности.
Табл. 3.5 Рабочие характеристики PVDFm. пьезокерамики
Параметры PVDF Пьезокерамика
Выносливость Хорошая Хрупкая
Потери в диэлектрике Высокие Низкие
Способность выдерживать (пропус- кать) определенный уровень мощности Низкая Высокая
Соответствие собственного импеданса и импеданса воды Очень хорошее Плохое
Коэффициент связи ' Низкий Высокий
Фактор механического качества Низкий Высокий
Ширина полосы пропускания частот Большая Маленькая
Вес Легкий Тяжелый
Температура Кюри Низкая Высокая
Эффективность передатчика Lj. рассчитывается так:
Материалы для приема и передачи
95
или
Ег“(1-^2)(1//г,з)’
(3.17)
где h33 = е33 — диэлектрическая проницаемость мате-
риала при постоянной нагрузке (для механически зажатого пье-
зоэлемента), U33— скорость ультразвука при постоянной дефор-
мации (при действии постоянной электрической индукции).
Аналогично параметр эффективности приемника задается в
виде:
у =________
или
_ W
'я цО
и 33
(3.18)
Произведение конечно же, показывает характеристику
отдельно взятого преобразующего элемента в операции передача-
прием и выражается следующим образом:
2 £ [ -L
(3.19)
Как правило, не очень удобно использовать параметр толщи-
ны t в равенстве (3.18), поскольку толщина в большей степени
характеризует частоту и конструкцию преобразователя. Заменив
толщину параметром скорости, мы получим:
У -________
или
(3.20)
где значение скорости U, как правило, берут в литературе.
Удобно рассматривать Ер и в качестве безразмерных
параметров для сравнения керамики с таким стандартным мате-
риалом, как кварц. Значения Ер Ей и произведение рассчита-
ны для некоторых наиболее распространенных пьезоэлектричес-
ких материалов, таб. 3.6.
96 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
Табл. 3.6. Эффективности наиболее распространенных пьезо-
электрических преобразующих материалов в качестве передатчи-
ков, приемников и трансиверов (приемопередатчиков)
Материал %
Кварц 1,0 1,0 1,0
Ниобат лития 2,8 0,54 1,51
Сульфат лития 6,9 — —
PZT-4 65 0,235 15,4
PZT-5 70 0,21 14,6
Сульфид кадмия 2,3 — —
Оксид цинка 3,3 1,42 4,7
PVDF 6,9 1,35 9,3
Титанат бария 8,4 — —
Метаниобат свинца 32 — —
Сравнение, выполненное в таблице 3.6, подтверждает ряд из-
вестных характеристик. В роли передатчиков сегнетоэлектричес-
ким керамическим материалам нет равных, особенно это касается
PZTи метаниобата свинца. Эффективность передачи сульфата ли-
тия, полимера PVDFw. сегнетоэлектрического материала титаната
бария выше, чем у кварца. С другой стороны, в качестве приемни-
ков лидируют такие материалы, как кварц, оксид цинка и PVDF,
в то время как PZT значительно отстает от них. Сочетая данные
характеристики, получаем, что наиболее эффективными являют-
ся PZTи метаниобат свинца, которым в настоящее время принад-
лежит, вероятно, 95% рынка преобразователей. Удивительно, но
с точки зрения эффективности PVDF уступает PZT (показатель
первого составляет 60% от показателя второго). Однако у этого
материала есть множество достоинств, позволяющих создавать
надежные и воспроизводимые ультразвуковые преобразователи
(Бэйнтон и др. 1981). Возникает вопрос: так почему в настоящее
время он не нашел более широкого применения? Одним из фак-
торов, обусловливающих данное обстоятельство, является низкая
доступность материала, и даже если он есть в наличии, то только
Материалы для приема и передачи
97
в форме тонких пленок (9—30 микронов). Из-за ограничения тол-
щины общая эффективность и качество (добротность Q) преобразо-
вателя РИДГснижаются. Второй фактор связан с диэлектрическими
потерями, которые приводят к значительному уровню шума (Уайт
и др. 1981). Эффективность наиболее распространенных пьезоэлек-
трических материалов в качестве передатчиков и приемников, а
также их устойчивость к температурам приводятся в табл. 3.7.
Табл. 3.7. Сравнение характерных особенностей наиболее
распространенных пьезоэлектрических материалов
Материал Характерные особенности Передатчик Приемник Устойчи- вость ктемперату- рам
Кварц Высокая стабильность, сопротивля- емость старе- нию Плохой Хороший Отличная
Сульфат лития Низкий импе- данс, растворим вводе Средний Отличный Плохая
Титанат бария Зависим от тем- пературы Хороший Хороший Плохая
Цирконат титанат свинца (PZT) Высокая диэлек- трическая проницаемость, высокий коэф- фициент связи Отличный Средний Хорошая
Метаниобат свинца Низкая добротность Q Хороший Хороший Хорошая
PVDF Низкий импе- данс Средний Отличный Плохая
Если исходить из условия независимости передатчиков и при-
емников, то PZT и метаниобат свинца потенциально являются
98 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
наилучшими передающими материалами. В качестве приемников
выделяются PVDF и сульфат лития — в мегагерцовом диапазоне
частот они являются самыми многообещающими кандидатами.
Таким образом, комбинация PZT в качестве приемника и PVDF
в качестве передатчика практически в семь раз эффективнее, чем
использование одного только PZTв режиме приема-передачи.
3.6. Выбор толщины пьезоэлектрического
элемента
Хотя функционально преобразователь является многочастотным,
он, как правило, конструируется таким образом, чтобы использо-
вать лишь собственную (основную резонансную) частоту. Толщина
преобразующего элемента в такой конструкции равна половине дли-
ны волны, что вызывает резонанс. Тщательное исследование излу-
ченной пьезоэлектрическим элементом волны позволяет получить
картину резонанса, а также оценить роль интерференции в усилении
или ослаблении волны в зависимости от толщины элемента. Как
правило, при толщине, превышающей длину волны, волны, исхо-
дящие от каждой грани элемента, и их запаздывающие отражения
от граней накладываются друг на друга, поэтому интерференцион-
ное усиление волны обычно минимально (рис. 3.12а). При толщи-
не, равной длине волны (рис. 3.12Ь), интерференция приводит к ос-
лаблению волны. При толщине, равной половине длины волны, на
частоте, равной собственной частоте пьезоэлектрического элемента,
возбуждаются достаточно сильные волны (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Выбор толщины пьезоэлектрического элемента
Различные виды преобразователей 99
3.7. Различные виды преобразователей
Пьезоэлектрический преобразователь обычно представляет со-
бой пьезоэлемент, помещенный в корпус. При возбуждении
преобразующего элемента с его передней и задней поверхностей
излучаются волны. Амплитуда второй волны от задней поверх-
ности, как правило, много меньше, чем амплитуда первой волны
от передней поверхности. Для устранения внутренних отраже-
ний, которые возникают в процессе генерации ультразвуковой
волны, необходимы определенные меры. К примеру, на одной из
поверхностей можно использовать соответствующий материал,
позволяющий минимизировать отражение волн на границе меж-
ду пьезоэлементом и этим материалом. Если акустический импе-
данс материала подложки точно такой же, как у пьезоэлемента,
отражения на поверхности не будет. Это приведет к усилению
волны, генерируемой передней поверхностью преобразователя.
Следовательно, если нужно исследовать волны, проникающие в
материалы, то такую подложку рекомендуется делать на передней
поверхности.
3.7.1. Эквивалентная цепь
Схема эквивалентной цепи обычного пьезоэлектрического эле-
мента показана на рис. 3.13. Цепь по своему режиму работы по-
добна электрическому колебательному контуру LCR. В нее входит
статическое емкостное сопротивление С, которое зависит от тол-
щины преобразователя, диэлектрической проницаемости, типа
пьезоэлектрического материала и площади электрода.
(а) Электрическая цепь
(Ь) Пьезоэлектрический преобразователь
Рис. 3.13. Пьезоэлектрический преобразователь — эквивалентная цепь
Характеристическими параметрами последовательного резо-
нанса являются максимальная проводимость и минимальный им-
педанс. Частота резонанса рассчитывается по формуле:
100
Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
fs = 1—-
2л4ьС
(3.21)
Аналогично минимальная проводимость и максимальный им-
педанс — это характеристические параметры параллельного резо-
нанса, частота которого задается в виде:
f _ J_ +
р 2k\LCCs '
(3.22)
Если преобразователь нагружен, импеданс на частоте f
уменьшается, а на частоте^ увеличивается.
В различных областях применяются следующие виды пре-
образователей:
1) прямолучевой (прямой);
2) двухкристальный (раздельно-совмещенный);
3) с наклоном луча (наклонный);
4) с механической фокусировкой;
5) с электронной фокусировкой с использованием задержек
(многоэлементный);
6) емкостного типа.
Рассмотрим устройство первых двух видов преобразователей
более подробно, а остальных — вкратце.
3.7.2. Прямолучевой преобразователь
При проведении большинства исследований свойств материалов
наиболее предпочтительными являются прямолучевые преобразо-
ватели, схематично представленные на рис. 3.14. Устройство ти-
пичного ультразвукового одноэлементного преобразователя при-
водится на рис. 3.15. Пьезоэлектрический элемент помещается в
переднюю часть. Сзади него находится материал подложки, а спе-
реди — износоустойчивая фронтальная пластина. Она предназна-
чена для того, чтобы не допускать прямого контакта кристалла с
внешним материалом. Хотя непосредственный контакт преобразу-
ющего элемента с материалом был бы эффективен с акустической
точки зрения, соприкосновение может причинять ущерб хрупкому
пьезоэлементу. Поэтому назначение фронтальной пластины заклю-
чается в том, чтобы защищать элемент от износа и повреждений.
Материал подложки (демпфера), как правило, имеет высокую
плотность. Этот поглощающий материал используется для конт-
Различные виды преобразователей
101
Рис. 3.14. Прямолучевой преобразователь — схематическое представление
роля колебаний преобразователя путем поглощения энергии, из-
лучаемой задней поверхностью активного элемента. Конструкция
корпуса зависит главным образом от назначения преобразователя.
К примеру, для преобразователя иммерсионного типа потребует-
ся водонепроницаемый контейнер, который защитит элемент и
внутренние компоненты от влаги.
фронтальная пластина
Рис. 3.15. Прямолучевой ультразвуковой преобразователь — устройство
3.7.3. Двухкристальный преобразователь
С помощью прямолучевых преобразователей контактного типа
сложно исследовать область вблизи поверхности. В таких случаях
наиболее полезным оказывается преобразователь с двумя элемен-
тами, который схематично изображен на рис. 3.16.
102
Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
В нем один из пьезоэлектрических кристаллов использует-
ся для передачи, а другой — для приема ультразвуковых волн.
Между кристаллами и образцом устанавливаются люцитовые ко-
лодки. Оба элемента почти параллельны поверхности образца, но
их специально располагают под углом, чтобы обеспечить режим
приема-передачи. Данная конструкция предназначена для обна-
ружения поверхностных дефектов. Устройство двухкристального
преобразователя на поперечных волнах показано на рис. 3.17.
Рис. 3.16. Двухкристальный преобразователь — схематическое
представление
Рис. 3.17. Двухкристальный преобразователь — устройство
Различные виды преобразователей 103
3.7.4. Преобразователь с наклоном луча
Геометрия различных механических структур часто требует, что-
бы ультразвуковая волна проникала в тестируемый материал под
углом, отличным от 90°. В подобных ситуациях часто используется
преобразователь с наклоном луча (наклонный), который предна-
значен для того, чтобы направлять ультразвуковой луч в материал
под нужным углом. Рис. 3.18 дает его схематичное представление.
Рис. 3.18. Преобразователь с наклоном луча — схематическое
представление
Подобный преобразователь можно сконструировать, установив
обычный прямолучевой преобразователь на клин из люцита таким
образом, чтобы ультразвуковая энергия попадала на поверхность
материала под заданным углом, а генерация волн происходила меж-
ду первым и вторым критическими углами. Так создают наклонные
преобразователи волн сдвига (поперечных волн). В некоторых си-
туациях, например при исследовании сварных швов в изделиях из
аустенитной нержавеющей стали, следует отдавать предпочтение
наклонным преобразователям продольных волн. В таких случаях
люцитовый клин устанавливается так, чтобы генерировать продоль-
ные волны под нужным углом в тестируемом материале. Помимо
этого, в корпус преобразователя помещаются соответствующие
приспособления, которые позволяют задерживать продольную вол-
ну, чтобы избежать ненужной интерференции. Часто возникает не-
обходимость тестировать характеристики поверхностного слоя ма-
териалов. Для этой цели чаще всего используются преобразователи
волн Рэлея. В данном типе преобразователей угол падения регули-
руется с помощью люцитового клина, что позволяет генерировать
рэлеевские волны на поверхности материала. Для расчета углов па-
дения и преломления используется закон Снеллиуса.
104
Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
Более модернизированный вариант наклонного преобразова-
теля называется универсальным наклонным преобразователем, где
угол падающего луча можно регулировать таким образом, чтобы
создавать различные углы преломленного. Кристалл может сколь-
зить по дуговой поверхности клина из оргстекла, что позволяет
изменять угол падения. Устройство подобного универсального
наклонного преобразователя показано на рис. 3.19.
Рис. 3.19. Универсальный наклонный преобразователь
Изогнутый
преобразователь
Рис. 3.20. Механически сфокусированный преобразователь —
схематичное представление
Различные виды преобразователей 105
3.7.5. Механическая фокусировка
Нередко необходимо сфокусировать ультразвуковой луч, чтобы
повысить чувствительность в определенных областях материала/
структуры. Для таких целей применяется преобразователь с фо-
кусировкой. Если требуется работать в иммерсионном режиме, то
можно добиться эффекта фокусировки, прикрепив линзу спереди
преобразователя иммерсионного типа. Механическая фокусировка
схематически показана на рис. 3.20. Рис. 3.21 иллюстрирует типич-
ное устройство механически сфокусированного преобразователя.
Рис. 3.21. Преобразователь с фокусировкой луча
3.7.6. Преобразователь с электронной фокусировкой
с использованием задержек (многоэлементный)
Одним из новейших методов генерации сфокусированных уль-
тразвуковых лучей является использование многоэлементных
преобразующих устройств. Такой преобразователь схематически
представлен на рис. 3.22.
Фокусировка многоэлементного преобразователя осущест-
вляется путем контроля фазы времени запаздывания сигнала от
каждого элемента с помощью соответствующих временных задер-
жек. Тем самым можно модифицировать форму и направление
ультразвуковой волны. Данный метод нашел широкое примене-
ние в звуковой навигации и зондирующих гидролокаторах, радио-
пеленге и радиолокаторах, а также в медицинской диагностике.
Типичное расположение элементов подобного преобразователя
(решетка) показано на рис. 3.23.
106
Глава 3, Ультразвуковые преобразователи
Рис. 3.22. Фокусировка методом электронных задержек
Рис. 3.23. Многоэлементный преобразователь — сфокусированный
многоэлементный преобразователь
Сфокусированный луч
-'""’"Фо кал ьная
точка
> Тяжелый электрод
-> Корпус
> Выводящий провод
> Эластичная прокладка
-> Мембрана
Рис. 3.24. Преобразователь емкостного типа
Различные виды преобразователей
107
3.7.7. Преобразователь емкостного типа
Преобразователь емкостного (конденсаторного) типа состоит
из стационарного и подвижного электродов. В основе его рабо-
ты — взаимодействие этих электродов. Такой преобразователь
может действовать как передатчик и как приемник, что обуслов-
лено воздействием электростатических сил отталкивания и при-
тяжения на электроды вследствие напряжения поляризации. Этот
эффект можно воссоздавать в различных формах, чтобы увеличи-
вать чувствительную поверхностную область, если присутствуют
какие-то технологические ограничения.
Простая конструкция квазиточечного емкостного преобразо-
вателя приводится на рис. 3.24. В качестве мембраны использу-
ется пластичная фольга: майлар (полиэтилен терифталат), кор-
дель полистирольный и т.д. Эти мембраны покрывают тонкими
слоями золота, меди или алюминия. Для достижения требуемого
условия высокой частоты прилагаются значительные усилия,
нацеленные на сохранение рабочего зазора между электродами.
Эквивалентная цепь
Способ возбуждения и схема эквивалентной цепи емкостного
преобразователя показаны на рис. 3.25. Во время преобразования
переменное напряжение Vjn, подводимое к Тг, накладывается на пос-
тоянное напряжение поляризации V. Конденсатор служит в качес-
тве фильтра и замыкает цепь переменного напряжения. При отсутс-
твии какой-либо поляризации преобразователь генерирует сильно
искаженный сигнал удвоенной частоты. Амплитуда возбуждающего
напряжения обычно варьируется от 10 до 300 V, соответственно на-
пряжение поляризации находится в границах от 100 до 300 V. В ре-
жиме приема сигнал от Ст проходит во входной усилитель и не под-
вергается воздействию диода благодаря своей маленькой амплитуде.
Входной
усилитель
Рис. 3.25. Эквивалентная цепь — преобразователь емкостного типа
108
Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
При создании цепи, генерирующей ультразвуковые волны с
помощью преобразователя, важно правильно подобрать компо-
ненты предварительного усилителя с учетом требуемой подводи-
мой мощности. Это позволит согласовать различные параметры
предварительного усилителя, такие как входной импеданс, вход-
ное напряжение, ток смещения и т.д. Поэтому рекомендуется
использовать дискретные компоненты, а не интегральную схе-
му. Кроме того, важно ограничивать напряжение, чтобы достичь
требуемой точности и стабильности во время работы преобразо-
вателя.
3.8. Сравнение источников ультразвука
Как отмечалось в начале главы, с целью генерирования и при-
ема ультразвуковых волн наиболее широко применяются пье-
зоэлектрические преобразователи. Однако в этом случае для
тестирования и получения характеристик изделий всегда требу-
ется подходящая связующая среда (прослойка). В новых облас-
тях применения нужны бесконтактные способы генерирования
и приема ультразвука. В таких случаях полезными оказываются
ЕМАТ, лазерная ультраакустика и т.д. Чтобы выбрать определен-
ный преобразователь для конкретного применения, необходимо
сравнить различные типы преобразователей. В табл.е 3.8 приво-
дятся характерные особенности пьезоэлектрического, ЕМАТ-
и лазерного методов.
3.9. Характеристики ультразвукового луча
Помимо частоты и интенсивности ультразвука, которые мы вы-
бираем в зависимости от конкретного применения, мы также
должны обратить внимание на характеристики луча преобра-
зователя. Чтобы не столкнуться с такими проблемами, как упу-
щенный из виду дефект или неверная интерпретация показаний
Л-сканирования, необходимо обладать знаниями о характеристи-
ках ультразвукового луча.
Важными параметрами, характеризующими ультразвуковой
луч, являются:
1) профиль луча или траектория;
Характеристики ультразвукового луча
109
2) область ближнего поля;
3) расчет ближнего поля;
4) область дальнего поля или дальняя зона;
5) определение угла раствора луча;
6) профилирование луча.
В следующих разделах мы подробно рассмотрим вышепере-
численные темы.
3.9.1. Профиль луча или траектория
Область, в которой распространяются ультразвуковые волны,
генерируемые преобразователем, называется ультразвуковымлу-
чом.
Табл. 3.8. Сравнение пьезоэлектриков, ЕМАТм лазера
Характеристика Пьезоэлектрик ЕМАТ Лазер
Связующая среда Требуется, не может работать в вакууме Не требуется контакта, мо- жет работать в вакууме Не требуется кон- такта, может рабо- тать в вакууме
Расстояние при работе Прямой контакт при контактном методе; при ме- тоде погружения расстояние равно прослойке воды Расстояние не должно превышать 1 мм Может быть очень большим (несколько метров)
Диапазон частот 100 кГц - 25 МГц 0,5- 10 МГц Очень большой диапазон частот (от кГц до МГц)
Тип волн Продольные, поперечные и поверхностные волны Продольные, поперечные и поверхност- ные волны Продольные, по- перечные и повер- хностные волны
Чувствитель- ность Очень высокая Относительно низкая, резко уменьшается с увеличени- ем расстояния Относительно низ- кая, но ограниче- ний по расстоянию нет
10 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
Окончание табл. 3.8.
Характеристика Пьезоэлектрик ЕМАТ Лазер
Материал Практически любой материал Проводящие материалы (металлы) Практически любой материал, однако при работе с лазером высокой интенсивности нужно следить за возможным при- чинением ущерба
Обследование при высоких температурах До определенной степени Успешно применяется Успешно приме- няется
Безопасность Достаточно безопасен Не требуется Могут потребо- ваться меры огра- ниченного доступа
Стоимость Вполне приемлемая Приемлемая Очень высокая
Упрощенное схематическое изображение траектории ультра-
звукового луча круглого кристаллического преобразователя пока-
зано на рис. 3.26. Качественную картину изменения давления вдоль
направления распространения волны иллюстрирует рис. 3.27.
Преобразователь
Ультразвуковой луч
Рис. 3.26. Схема траектории луча преобразователя
Границы луча
Рис. 3.27. Давление звука вдоль траектории луча
Максимумы звукового давления
(отмечены черным)
Характеристики ультразвукового луча 11
В луче отчетливо выделяются две области, которые называют-
ся ближним полем, или зоной Френеля, и дальним полем или зоной
Фраунгофера (рис. 3.28). В области ближнего поля ультразвуковой
луч сходится, а в области дальнего поля расходится. Траектория
луча, показанная на рис. 3.28, слишком абстрактна. Граница луча
очерчивает его пределы до той точки, где отклонения перестают
существовать или оказываются ниже порогового значения (рис.
3.29 и 3.30). Часто удобно определять край (границу) луча там, где
уровень сигнала снижается до одной второй (на 6 дБ), а иногда до
одной десятой (на 20 дБ) от его значения на оси луча.
Рис. 3.28. Области ближнего и дальнего поля преобразователя
N
Рис. 3.29. Профиль луча преобразователя
Ограничение звукового луча по ослаблению уровня эха на 20 дБ
-----Точное --------Приблизительное
Рис. 3.30. Профилирование границы луча по ослаблению уровня эха
на 20 дБ (методом 20 дБ)
12
Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
3.9.2. Область ближнего поля
Пьезоэлектрический преобразователь можно расценивать как
совокупность точечных источников, каждый из которых излу-
чает сферические ультразвуковые волны в окружающую среду
(рис. 3.31). Эти сферические волны сталкиваются друг с другом
и формируют систему максимумов и минимумов интенсивности
в области, близкой к преобразователю. Такая область называется
ближним полем. Волновой фронт в ближнем поле имеет плоскую
форму и показан на рис. 3.31. Изменения интенсивности вдоль и
поперек направления оси для типичного преобразователя отраже-
ны на рис. 3.32 и 3.33. Очень важно правильно интерпретировать
помехи, возникающие в ближнем поле, поскольку их используют
в качестве показаний, а амплитуда отраженного сигнала от поме-
хи может значительно варьироваться при изменении эффектив-
ного расстояния от образца.
Рис. 3.31. Распространение сферических волн, генерируемых
преобразующими элементами
Расстояние от преобразователя в единицах размера области ближнего поля
Рис. 3.32. Распределение интенсивности с расстоянием вдоль оси
Характеристики ультразвукового луча I
Рис. 3.33. График типичного луча в воде для 5-мегагерцового
преобразователя диаметром 16 мм
3.9.3. Расчет протяженности ближнего поля
Протяженность N ближнего поля зависит от диаметра ультразву-
кового преобразователя и длины ультразвуковых волн в конкрет-
ной среде. Величина N прямо пропорциональна квадрату диа-
метра и обратно пропорциональна длине волны. Она выражается
следующим образом:
N = б/2/(4Л) =
= d2f№V), (3.23)
где N— протяженность ближнего поля, d — диаметр преобразова-
теля, X — длина волны в материале, U- скорость звука в материа-
ле,/— частота возбуждения преобразователя.
Для наклонного преобразователя с круглым преобразующим
элементом:
N = d2I^X)-dpULPIUTM, (3.24)
Для наклонного преобразователя с прямоугольным преобра-
зующим элементом:
# = 1,3£^/(4Л)-адр/6/ш, (3.25)
где dp —толщина люцитовой прокладки, ULP — скорость продоль-
ной волны в люците, UTM — скорость продольной волны в иссле-
14
Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
дуемом материале, L и W— длина и ширина кристалла преобра-
зователя.
Видно, что в ближнем поле изменение интенсивности проис-
ходит неравномерно. Из-за этого возникают неясности при опре-
делении размера помехи в ближнем поле.
3.9.4. Область дальнего поля, или дальняя зона
Область за ближним полем называется дальним полем, или зоной
Фраунгофера. В дальнем поле фронт ультразвуковых волн на рас-
стоянии от преобразователя, превышающем три длины волны,
имеет сферическую форму, в отличие от волнового фронта ближ-
него поля, который является плоским. Протяженность ближнего
поля — это расстояние между передней поверхностью преобра-
зователя и первой фокальной точкой, где ультразвуковая энер-
гия максимальна. В дальнем поле интенсивность изменяется в
зависимости от квадрата расстояния (закон обратных квадратов).
Если схематично изобразить интенсивность поля поперек луча
(то есть перпендикулярно оси луча), то мы увидим неравномер-
ные вариации в ближнем поле и однородные в дальнем (рис. 3.34).
Поскольку интенсивность поперек луча неодинакова, все точ-
ки, находящиеся в нем, сканируются с разной интенсивностью.
Поэтому во время тестирования области сканирования, как пра-
вило, перекрывают друг друга.
Рис. 3.34. Изменение ультразвуковой интенсивности поперек осевого
направления луча
Следует отметить, что вышеприведенные рассуждения дейс-
твительны не для всех без исключения преобразователей. Как
Характеристики ультразвукового луча 11
правило, профиль луча преобразователя (варьирование его ин-
тенсивности вдоль и поперек осевого направления в пределах гра-
ниц) зависит от многих факторов, таких как преобразующий эле-
мент и его диаметр, материал подложки, корпус преобразователя
и т.д. Поэтому желательно проводить ряд последовательных эк-
спериментальных процедур, чтобы получить профиль луча отде-
льно взятого преобразователя, если в этом возникнет надобность.
3.9.5. Определение угла раствора луча
Как было сказано выше, при движении волны от преобразователя
всегда имеет место расхождение ультразвукового луча (диверген-
ция). Угол раствора, или угол дивергенции, можно рассчитать по
формуле:
в = sin’'(КЛ/d), (3.26)
где К — константа, которая зависит от: (I) выбора края луча (гра-
ницы), (И) метода (эхо-импульсный/теневой), используемого
для определения распространения луча и (III) формы преобра-
зователя (круглый/прямоугольный). Профиль луча показан на
рис. 3.35.
Рис. 3.35. Дивергенция ультразвукового луча и угол дивергенции
Значения К для круглых и прямоугольных преобразователей,
полученные в теневом методе, приведены в табл. 3.9. Аналогично
значения К, выведенные при использовании импульсного эхо-
метода, даются в табл. 3.10. Разница значений Кв обеих таблицах
обусловлена различиями во взаимодействии волн, возникающих
на краях преобразователей.
16 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
Табл. 3.9. Значения А-для круглых и прямоугольных
преобразователей, полученные в теневом методе
Край, % дБ к Л круглый ^прямоугольный
10% (-20 дБ) 1,08 0,60
50% (-6 дБ) 0,54 0,91
Табл. 3.10 Значения Аддя круглых и прямоугольных
преобразователей, полученные в импульсном эхо-методе
Край, % дБ К й круглый ^прямоугольный
10% (-20 дБ) 0,87 0,74
50% (-6 дБ) 0,51 0,44
3.9.6. Профилирование луча преобразователя
Для того чтобы получить профиль луча конкретного преобразова-
теля, применяются нижеописанные процедуры. Первым методом
является сквозная передача сигнала (сквозное прозвучивание). В
этом случае пробник очень маленького диаметра передвигается
по задней поверхности плоскопараллельных образцов различной
толщины. Одновременно регистрируются амплитуды по пока-
заниям на экране электронно-лучевой трубки. График раствора
луча получают при соединении всех точек, соответствующих оди-
наковым амплитудам. Полученный подобным образом звуковой
луч также называют свободным полем.
Во втором методе раствор луча измеряется с помощью им-
пульсной эхо-техники. Для построения графика луча использу-
ются маленькие отражатели фиксированного размера, располо-
женные на различных глубинах. Полученный график называется
полем эхо-сигналов.
В третьем методе осуществляется визуализация ультразвуко-
вого луча. Однако ее можно реализовать только в оптически про-
зрачной среде, например в воде, стекле и т.д. Первооткрывателем
метода стал Шлирен, он же и использовал явление взаимодейс-
твия света со звуковыми волнами. Распространение ультразвуко-
вой волны в среде вызывает мгновенные изменения в показателях
Заключение I
среды, которых достаточно, чтобы вызвать рефракцию световых
волн. Преломленные световые волны дают визуальное представ-
ление об ультразвуковом луче.
3.10. Заключение
В этой главе вкратце рассматриваются принципы, источники
генерации ультразвука, различные виды преобразующих мате-
риалов, устройство преобразователей и т.д. Кроме того, уделено
внимание различным способам создания и обнаружения уль-
тразвуковых волн для бесконтактного применения. Описаны
важнейшие концепции, лежащие в основе выбора материалов,
устройства преобразователя, типа, частоты, профиля луча, что
служит большим подспорьем при выборе нужного преобразова-
теля. Приведена эквивалентная схема преобразователей. Также
обсуждаются относительные достоинства пьезоэлектрического,
ЕМАТ- и лазерного ультразвука. Таким образом, третья глава дает
всеобъемлющую и подробную информацию об ультразвуковых
преобразователях для различных областей применения.
Рекомендуемая литература
1. Allen D R and Martin R, Measuring Boiler Tube wall Thickness in Thermal
Power Plants using Electromagnetic Acoustic Transducers (EMATs), Report
No.AERE-Rl 1653, (1985).
2. Bainton К F, Killer M J and Silk M K, J Phys E; Sci Instrum, 14 (1981) 1313.
3. Callerame J, Tancrell R H and Wilson D T, IEEE Cat. 79CH 1482-9SU-
(London:IEEE), (1979) 407.
4. Frost H M, Electromagnetic Ultrasound Transducers: Principles, Practice,
and Applications, Physical Acoustics, Vol. XIV, (1979) 179.
5. Fukuda E, Ultrasonics, 6(1968) 229.
6. Kawai H, Japan J Appl Phys, 8 (1969) 975.
7. Krautkrmar J and Krautkrmar H, Ultrasonic Testing of Material, 3rd ed.,
Springer Verlag, New York, (1983).Mason W P and Thurston R N, Physical
Acoustics, Vol XIV, Academic Press, New York, (1979).
8. Mattiat О E, Ultrasonic Transducer Materials, Plenum Press, New York,
(1971).
9. Me Collum M D, Hamonic В F and Wilson О В, Proceeding of third
workshop on Transducers for Sonic and Ultrasonic, Technomic Publising Co.
Inc, Corlando, Florida, May 6-8, (1992) Chapters 8 and 30.
118 Глава 3. Ультразвуковые преобразователи
10. Rose J L and Goldberg В В, Basic Physics in Diagnostic Ultrasound, John
Wiley & Sons, New York, (1979).
11. Rose J L and Goldberg В В, Basic Physics in Diagnostic Ultrasound, John
Wiely & Sons, New York, (1979). Silk M G, Ultrasonic Transducers for
Nondestructive Testing, Adams Higler Ltd, Bristol, (1984).
12. Stefan Kocis and Zdenko Figure, Ultrasonic Measurements and Technologies,
Chapman & Hall, London, (1996).
13. Tamura M, Yamabuchi T, Oyaba T and Yoshimi T, J Audio. Eng Soc, 23
(1975)21.
14. White R M, Chuang С T and Lee A C, IEEE Trans Son Ultrasonics, SU-28
(1981)8.
ГЛАВА 4
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
УЛЬТРАЗВУКА
4.1. Введение
Значительный прогресс в применении ультразвука в разно-
образных отраслях имел место главным образом благодаря
таким факторам, как простота генерирования и обнаружения
ультразвуковых волн, компактность преобразователей, их
чувствительность по отношению к тестируемой среде, доста-
точный уровень надежности и приемлемая стоимость. В тре-
тьей главе мы обсуждали основные принципы, различные ви-
ды и совершенствование технологий преобразователей. Как
было сказано в третьей главе, принцип пьезоэлектричества и
пьезоэлектрические преобразователи чаще всего используются
для генерации и обнаружения ультразвуковых волн. Тем не ме-
нее существует ряд других принципов и инструментов, пред-
назначенных для обнаружения ультразвука. Ультраакустика как
наука не заканчивается на том, чтобы эффективно создавать
и выявлять ультразвуковые волны различными способами.
После обнаружения волны ее необходимо точно измерить и про-
анализировать, чтобы оценить ее составляющие и сопоставить
измеренные параметры с параметрами среды/материала (пос-
тоянные упругости, микроструктура, плотность, пористость и
др.). Все методы измерения ультразвука имеют ряд общих харак-
теристик:
(I) Эффективное обнаружение.
(II) Анализ источника и составляющих обнаруженной волны.
(III) Точное измерение основных параметров, таких как зату-
хание и скорость.
Некоторые методы могут быть чрезвычайно эффективны в
отношении одного из вышеперечисленных факторов. Несколько
методов характеризуются высокой точностью только в одном из
120
Глава 4. Методы измерения ультразвука
аспектов, в то время как для остальных существуют полностью
автоматизированные процедуры измерения. Таким образом, для
более эффективного применения следует оценить все методы. В
этой главе рассказывается об ультразвуковых детекторах и мето-
дах измерения.
В большинстве областей применения ультразвука первооче-
редным фактором является измерение скорости или времени
пробега волны. Точный метод измерения скорости или времени
пробега имеет огромное значение, поскольку он позволяет выяв-
лять количественную взаимосвязь ультразвуковых измерений и
проблем. Эта глава нацелена на то, чтобы дать читателю представ-
ление о процедурах и относительных достоинствах/недостатках
тех или иных методов.
4.2. Обнаружение ультразвуковых волн
При обнаружении ультразвуковых волн применяются принци-
пы, основанные на пьезоэлектрических, электрострикционных и
магнитострикционных эффектах. Для обнаружения используют-
ся различные методы:
1) механический;
2) оптический;
3) электрический.
В следующих трех разделах обсуждаются наиболее распростра-
ненные методы обнаружения ультразвуковых волн. Различные
экспериментальные методы, применяемые как для создания, так
и для измерения распространяющегося ультразвука и его затуха-
ния в среде, рассматриваются позже.
4.2.1. Механический метод
В основе применяемых в данном методе детекторов ультразвуко-
вых волн заложен принцип использования давления излучения
[1]. Для обнаружения волн используется пропорция между дав-
лением излучения и плотностью энергии. Экспериментальное
устройство, применяемое в этом методе, показано на рис. 4.1. На
дне сосуда с жидкостью возбуждаются ультразвуковые волны.
Они проходят через жидкость вверх и блокируются пластиной.
Блокирующая пластина играет роль чаши весов, создающих мик-
роравновесие, рис. 4.1.
Обнаружение ультразвуковых волн
121
Рисунок 4.1. Механические детекторы
Ультразвук проходит
сквозь жидкую среду и толка-
ет левую чашу в направлении
вверх, воздействуя силой, со-
здаваемой давлением излуче-
ния. Таким образом, возника-
ет неравновесие. Чтобы снова
достичь равновесия, с пра-
вой чаши снимают малень-
кий груз. Малое изменение
давления излучения вызыва-
ет изменение массы порядка десятков миллиграмм. Так измеряют
силу излучения в показателях разницы двух масс.
Данный опыт чаще всего проводится для измерения коэффи-
циента поглощения и скорости ультразвуковых волн. Благодаря
техническому совершенствованию инструментария метод не-
сколько устарел.
4.2.2. Оптический метод
Оптический метод широко применяется для обнаружения ультра-
звука. Принципом, заложенным в основу данного метода [2, 3],
является изменение плотности и, следовательно, показателя пре-
ломления среды во время прохождения ультразвуковых волн.
Экспериментальное устройство, применяемое в данном ме-
тоде, использующем дифракцию звука, показано на рис. 4.2.
Ультразвуковые волны генерирует кристалл кварца Г, который
примыкает к одной из сторон ячейки с жидкостью. Кристалл воз-
буждается серией последовательных электрических импульсов. В
условиях резонанса кристалл генерирует ультразвуковые волны
в результате продольных сжатий и растяжений. Волны проходят
сквозь жидкую среду, которая находится в стеклянной трубке, и
отражаются рефлектором Р. Волны, отраженные рефлектором,
называются эхом. В результате в жидкой среде возникают стоячие
продольные волны вследствие наложения прямых и отраженных
волн. Эти волны вызывают появление стационарной картины уз-
лов и пучностей. Плотность, а значит, и показатель преломления в
узлах максимальны, а в пучностях минимальны. Данное устройс-
тво действует как дифракционная решетка, а сам опыт называется
экспериментом с дифракционной решеткой.
122 Глава 4, Методы измерения ультразвука
Щель
Отражатель (Р)
Коллимирующая
линза
Объектив
камеры
Фотографическая пластинка
или щель и фотоэлемент
Источник
света
/ ।—L --------Жидкость
Ультразвуковая ячейка \
Кристалл кварца (Т)
Рис. 4.2. Акустическая дифракционная решетка
Коллиматор формирует свет от источника. Параллельный моно-
хроматический луч из коллиматора направляется на акустическую
решетку и падает на нее перпендикулярно. В результате формиру-
ется дифракционная картина с центральным максимумом первого
порядка и максимумом второго порядка с каждой из сторон от него.
Такую картину можно наблюдать с помощью зрительной трубы.
Длина световой волны равна:
Jsin0 = «Л,
(4.1)
где d — расстояние между двумя соседними узлами или пучностя-
ми, 0 и п — соответственно угол дифракции я-го порядка и поря-
док максимума.
Длина ультразвуковой стоячей волны:
или
Ло = 2d.
(4.2)
(4.3)
Следовательно, скорость ультразвуковой волны:
U = 2fd.
Данный метод полезен для измерения длины волны и скоро-
сти распространения ультразвуковых волн в жидкостях и газах
при различных температурах.
4.2.3. Электрический метод
В электрическом методе длина ультразвуковой волны измеряется
при помощи следующих приемов:
(I) Интерферометрия, или метод незатухающей волны.
Обнаружение ультразвуковых волн 123
(II) Импульсный метод.
Относительные достоинства каждого из методов рассматрива-
ются в следующих двух разделах.
(I) Метод незатухающей волны
Суть метода незатухающей волны (CW) [4] заключается в том,
что ультразвуковые волны, генерируемые источником S, проходят
сквозь среду и отражаются от пластины Р, которая находится на
расстоянии Xот источника, как показано на рис. 4.3. Если пере-
мещать отражатель Р относительно источника, то ток в электри-
ческой цепи источника претерпевает периодические изменения с
максимумами/минимумами. Максимумы тока соответствуют по-
луволновым интервалам, что обусловлено образованием стоячих
волн между отражающей пластиной Ри источником S.
Источник Отражатель
S Р
Х=0 Х=1
Рис. 4.3. Положение источника и рефлектора в методе интерферометра
Как правило, метод незатухающей волны применяется для из-
мерений скорости и поглощения в жидкостях только в килогер-
цовом диапазоне частот, что связано с необходимостью поправок
на потери энергии. Когда толщина образца очень незначительна
и потери энергии малы, метод незатухающей волны дает высокую
чувствительность. Но если говорить не об этом конкретном слу-
чае, то метод СИ^несостоятелен по ряду причин:
(I) наличие чрезвычайно сложных видов колебаний;
(II) влияние границ;
(III) рассеяние значительной доли энергии и, как следствие,
нагревание образца;
(IV) недостаточная достоверность и точность.
24 Глава 4. Методы измерения ультразвука
(II) Импульсные методы
Наиболее важным аспектом в любых областях применения
ультразвуковых волн является точное измерение времени про-
бега волны. В импульсном методе (Р7) [5] для генерирования и
обнаружения ультразвуковых волн в жидкостях и твердых телах
используется пьезоэлектрический преобразователь (с линией за-
держки или без нее). В импульсном методе, основанном на дейс-
твии электрического импульса малой продолжительности, волны
создаются широкополосным пьезоэлектрическим преобразова-
телем. Преобразователь генерирует либо продольные, либо по-
перечные ультразвуковые волны в зависимости от характеристик
пьезоэлемента. Преобразователь контактирует с материалом че-
рез соответствующую связующую прослойку (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Вид устройства в разрезе с демонстрацией основных
эхо-сигналов
Продольные или поперечные ультразвуковые волны проходят
через кварцевый буфер в образец. На передней поверхности образ-
ца часть энергии переходит в него, а остальная часть отражается
обратно в пьезоэлектрический кристалл. Отраженные ультразвуко-
вые волны называются эхом передней поверхности (FS) и показаны
на рис. 4.5. Волна, которая проходит в образец, отражается от его
задней поверхности и называется эхом Вг Часть отраженной вол-
ны снова отражается от передней поверхности, а затем от задней.
Второе отражение от задней поверхности формирует эхо В2. Эхо-
сигналы В1 и В2 показаны на рис. 4.5.
Методы точного измерения
125
По наблюдаемой картине
эхо-сигналов можно изме-
рить скорость звука и зату-
хание. Для измерения скоро-
сти звука нужно определить
точное время пробега от
передней до задней поверх-
ности образца. Если измере-
ния ультразвука проводятся
в менее твердых материалах,
таких как люцит, в эхо-сиг-
налах от задней поверхности
может иметь место пробле-
ма опрокидывания фазы. В
таких случаях при прохож-
дении волны из плотной
Рис. 4.5 Отслеживание основных
эхо-сигналов во времени
среды в разреженную (от преобразователя к люциту) происходит
опрокидывание фазы. Это приводит к изменению внешнего вида
эхо-сигналов от задней поверхности, то есть к появлению после-
довательности чередующихся эхо-сигналов исходной формы и их
зеркальных отражений. В результате в измерения времени пробе-
га закрадываются ошибки. Можно избавиться от этой проблемы,
если в измерениях рассматривать чередующиеся эхо-сигналы, а не
сигналы одинаковой формы. Есть и другой вариант: нужно предва-
рительно провести опрокидывание фазы эхо-сигналов с помощью
электронных средств.
Скорость ультразвуковых волн в веществе рассчитывается по
формуле:
и=—
t
(4.4)
где d — толщина материала, t— время, за которое ультразвуковая
волна проходит туда и обратно.
4.3. Методы точного измерения
К импульсным методам, применяемым для повышения точности
измерения характеристик распространения ультразвуковых волн,
относятся:
126
Глава 4. Методы измерения ультразвука
(I) циклическое возбуждение;
(II) наложение импульсов;
(III) перекрывание эхо-импульсов;
(IV) взаимная корреляция;
(V) наклон фазы;
(VI) прямой.
Рассмотрим вышеназванные методы, уделив внимание досто-
инствам и недостаткам каждого из них.
4.3.1. Циклическое возбуждение
Блок-схема метода циклического возбуждения (<£4) [6] приведе-
на на рис. 4.6. Этот автоматизированный способ применяется для
относительных измерений скоростей ультразвука. Метод не под-
ходит для абсолютного измерения скоростей.
Рис. 4.6. Блок-схема метода циклического возбуждения
Электрический импульс от запускающего передатчика на-
правляется на передающий преобразователь, который генерирует
ультразвуковые волны в образце. Передний фронт принятого из
образца и усиленного сигнала используется для генерации им-
пульсного сигнала, который инициирует новый импульс в пере-
датчике. Так происходит циклически, начиная с момента возник-
новения импульса. Счетчик измеряет количество сигналов запуска
в секунду. Очевидно, что длительность одного цикла превышает
время прохождения импульса в образце. Это обусловлено элект-
рическими задержками, связанными с запуском передатчика, вре-
менем нарастания усиливающегося импульса, генерацией сигнала
запуска, акустическими задержками в двух преобразователях и их
контактах с образцом. Если бы все эти задержки можно было из-
мерить и откорректировать, абсолютная точность системы превы-
шала бы 1 часть на 104 или 100ррт (частей на миллион).
Методы точного измерения
127
Можно отметить следующие недостатки метода циклического
возбуждения:
(I) из-за электрических временных задержек в запускающем
передатчике, а также времени, необходимого для нарастания уси-
ленного сигнала и генерации сигнала запуска, длительность цик-
ла больше, чем реальное время, требуемое для прохождения об-
разца;
(II) имеются акустические временные задержки в преобразо-
вателях;
(III) точность системы составляет всего лишь 1 часть на 104;
(IV) в настоящее время, после значительных модификаций,
точность данного метода составляет одну часть на 107;
(V) главным недостатком данного метода является то, что лю-
бое изменение амплитуды сигнала в селектируемых циклах при-
водит к значительному изменению частоты повторения;
(VI) происходит нагревание образца.
4.3.2. Метод наложения импульсов
Блок-схема установки для метода наложения импульсов (Р5) [6—8]
приведена на рис. 4.7. В данном методе для передачи и приема уль-
тразвуковых волн используется один и тот же преобразователь.
На преобразователь подаются стробированные сигналы радио-
частоты (//) с регулируемым временным интервалом между ними.
Рис. 4.7. Блок-схема установки для метода наложения импульсов
Преобразователь, в свою очередь, генерирует в образец пос-
ледовательность импульсов, что приводит к возникновению цуга
128 Глава 4. Методы измерения ультразвука
эхо-сигналов (рис. 4.8). Временной интервал t подбирается так,
чтобы эхо первого переданного импульса попадало во временной
интервал следующего импульса. Период t— это время, за которое
волна проходит образец в одну сторону и обратно. То есть, если
точно выверить t, эхо-сигналы будут когерентны по фазе.
Вт В1 в
II || _____Л /| ,___А Л ,_______Л Л ,____Л h _______Г\5Л Первый импульс +
•III I I I I I I / 11 \/ \ I V V V Последовательность эхо-сигналов
Т
Второй импульс +
Последовательность эхо-сигналов
Третий импульс +
Последовательность эхо-сигналов
Вт Ет
Es АЛ
Es
• Результирующая волна при Р=2
Ет- переданный импульс, В - эхо, Es - сумма пронумерованных эхо-сигналов (для Р=2)
Рис. 4.8. Метод наложения импульсов
Достоинство данного метода состоит в том, что его можно ав-
томатизировать. Но он более сложен и требует как минимум де-
сятка хороших эхо-сигналов. Кроме того, необходима более вы-
сокая частота повторения импульсов, что означает потребность
в высокой мощности. К тому же, распознавание наложения эхо-
сигналов достаточно проблематично.
4.3.3. Метод перекрывания эхо-импульсов
Метод перекрывания эхо-импульсов (РЕО) [9—12] применяет-
ся для относительных и абсолютных измерений скорости звука.
В исследовательской деятельности широко практикуются и те,
и другие. Так, относительные измерения проводят исследовате-
Методы точного измерения
129
ли, которые заинтересованы в том, чтобы определять изменение
скорости звука как функцию внешних параметров: температуры,
давления и т.д. Данный вид измерений практикуется в жидкостях,
газах и др. Абсолютные измерения проводятся с целью определе-
ния постоянных упругости и, следовательно, получения полной
характеристики материалов.
На рис. 4.9 изображена блок-схема установки для реализа-
ции метода РЕО. Главным этапом измерения является пере-
крывание двух интересующих нас сигналов на осциллоскопе.
Перекрывание можно осуществить, если подать на пластины
горизонтальной развертки переменное напряжение с частотой,
период которой равен временному интервалу между двумя ин-
тересующими нас сигналами. Тогда первый сигнал появится
на одной развертке осциллоскопа, а второй — на следующей.
Необходимое переменное напряжение подается на пластины
горизонтальной развертки осциллоскопа с генератора повто-
ряющихся импульсов, частота которого варьируется от 6 до 700
кГц. Это генератор незатухающих колебаний (CW), и он стаби-
лен вплоть до 100 ррт.
Рис. 4.9. Блок-схема эхо-импульсного интерферометра в методе
перекрывания эхо-импульсов
130
Глава 4. Методы измерения ультразвука
Чтобы перекрывание происходило без дрожания, сигналы син-
хронизируют с фазой напряжения незатухающих колебаний (CW).
Это достигается посредством генерирования входящих импульсов
повторяющейся частоты из фазы напряжения CW с помощью де-
лителя частот. Делитель частот выдает пусковой сигнал, синхрони-
зированный с фазой напряжения CW. Этот сигнал, в свою очередь,
запускает главный импульсный генератор, который возбуждает
преобразователь. Диодный ограничитель выступает в роли переда-
ющего стробирующего устройства и защищает усилитель приемни-
ка от перегрузки входящим импульсом. Наиболее распространен-
ная частотная характеристика главного импульсного генератора
находится в диапазоне от 400 кГц до 20 МГц, а время нарастания
составляет 5 наносекунд. Эхо-сигналы, принятые от образца, пере-
даются на усилитель мощности, а затем на Y-вход осциллоскопа.
Различные этапы метода РЕО представлены на рис. 4.10. На рис.
4.10а отслеживаются основные эхо-сигналы на протяжении некото-
рого времени. Для перекрывания выбраны два наиболее заметных
эхо-сигнала, что иллюстрирует рис. 4.10b. Перекрывание достигает-
ся путем регулировки частоты незатухающих колебаний (рис. 4. Юс).
В результате можно измерить соответствующую частоту или время
пробега для расстояния, которое проходят ультразвуковые волны
туда и обратно. Подставив значение / в формулу (4.4), можно опреде-
лить скорость ультразвуковых волн в материале.
(Ь) Два эхо-сигнала, выбранные
для перекрывания
Рис. 4.10. Последовательность перекрывания двух эхо-сигналов
Методы точного измерения 13
Достоинства данного метода заключаются в том, что он пред-
ставляет собой универсальный и достоверный способ точного из-
мерения скорости в твердых и жидких смесях/растворах. Главным
недостатком является сложность интерпретации картины эха в слу-
чае сильно рассеивающих материалов и в тонких образцах. К тому
же, правильное перекрывание эха довольно сложно осуществить,
так же как и наложение импульсов в предыдущем методе.
Метод перекрывания эхо-импульсов и метод наложения им-
пульсов являются самыми распространенными благодаря их вы-
сокой абсолютной точности порядка 0,1% или 1 ррт. Пападакис
[10—12] провел обзор технических характеристик этих методов.
В случае твердой среды в них обоих достаточно сложно выбрать
правильный цикл для перекрывания радиочастотных всплесков.
Это связано с изменением фазы сигнала в цепи при введении пре-
образователя и связующего элемента.
Проблемы определения момента перекрывания двух эхо-сиг-
налов и корректировки фазы на связь снимаются при примене-
нии критерия МакСкимина А/ [13—14]. В следующем разделе из-
лагается базовая теория определения правильного перекрывания
и корректировки на связь.
Базовая теория определения перекрывания и корректировки на связь
Взаимное расположение преобразователя, образца и связую-
щего элемента в методах перекрывания эхо-импульсов и наложе-
ния импульсов показано на рис. 4.11а. Эквивалентная схема пе-
редающей линии данной конфигурации приведена на рис. 4.11b.
Всплеск ультразвуковых волн одной частоты движется в образце
туда и обратно, отражаясь от его стенок. Предполагается, что тол-
щина преобразователя равна половине длины волны на его ре-
зонансной частоте, а толщина связующего элемента ограничена.
Пусть Zp Z2 и Z3 — волновые сопротивления для образца, связую-
щего материала и преобразователя.
Импеданс перехода из образца в конец линии (связующий эле-
мент и преобразователь) обозначен Zd. Поскольку преобразователь
не имеет подложки, импеданс среды Za, находящейся позади него
(то есть импеданс воздуха), можно не учитывать. Фазовый угол
между падающей и отраженной волнами показан на рис. 4.11с.
Полагая, что затухание между связующим элементом и пре-
образователем незначительно, и воспользовавшись теорией на-
132
Глава 4. Методы измерения ультразвука
(С)
Рис. 4.11. Схематическое представление устройства «образец —
связующий элемент — преобразователь»
именыпих потерь в передающей линии запишем импеданс Zd
в виде:
(Z,/Z2)tanfl/,+tan/32/2j
(Z1/Z2)-tan^1/1 tan/32/2
Z j — yz — JZ,
где P; и P2 — константы распространения (волновые числа) в связу-
ющем элементе и преобразователе, /, и 12 — значения толщины свя-
зующего элемента и преобразователя. Если UjH U2 — скорости уль-
тразвуковой волны частоты /в связующем элементе и среде, тогда:
о 2лf а 2nf ..
иА=Лл (4-6)
Следовательно, импеданс Zd определяется через отношение
давлений отраженной и падающей волн как:
Eb = Zb-Zs
Et Zd+Zs
(4.7)
Можно отделить действительную и мнимую части формулы
(4.7):
£rf = z;-ze2 2ZeZs
Е, Z^+Z1 'z’+Z2
(4.8)
Методы точного измерения 133
Воспользовавшись формулой (4.8), определим фазовый угол у
tan у =
2ZeZs
z}-z}-
(4.9)
МакСкимин показал [13], что измеренное время tn состоит из
времени t полного прохождения туда и обратно и некоторых при-
ращений:
ln=Pt\W
п
(4.Ю)
где р— число прохождений туда и обратно при измерении.
Несоответствие в п циклах приведет к ошибке в измерениях вре-
мени на n/f. Правильное перекрывание имеет место тогда, ког-
да п=0. МакСкимин [13] использовал зависимость 1п от частоты,
чтобы устранить несоответствия или определить правильное пе-
рекрывание для /7=0. Если tHvt tL-— значения tn, соответствующие
высокой частоте fH и низкой частоте/^, то:
PYh
tH=pt-
(4.Н)
(4Л2)
\ ^Jl ) \Ji J
в тех же условиях перекрывания. Вычитая из равенства (4.11) ра-
венство (4.12), мы избавляемся от / и получаем:
А/ =/ -t = —
п L п г
п-Р^
2 л
±[я-^
jh L
(4.13)
Формула (4.13) используется для расчета критерия А/и опре-
деления случая л=0. Для Д/и существует только одно возможное
значение, когда п=0. Верно и обратное утверждение: если в из-
мерении заложено, что /7=0, измеренное значение Д/я будет соот-
ветствовать величине, рассчитанной теоретически.
Как бы то ни было, применять критерий МакСкимина Д/непрос-
то. Поскольку толщина связующего элемента неизвестна, возника-
ют трудности при расчете теоретического значения Д/я, используе-
мого для сравнения. Данную проблему можно решить, прибегнув к
графическому методу. Так, можно изобразить обратный угол связи,
если предположить, что толщина связующего элемента чрезвычайно
134
Глава 4. методы измерения ультразвука
мала, а фаза связи 0/, находится в промежутке от 0 до 90°. Исходя
из этого, рассчитывается ряд возможных значений Д/ддя случая л=0.
Сопоставляя их с измеренными значениями А/, можно обозначить
ситуацию правильного перекрывания. После определения по гра-
фику фазового угла у рассчитывается поправочный коэффициент в
формуле (4.10), а также полное время прохождения туда и обратно.
Заметим, что график нужно строить для каждого измерения, а опре-
деление поправки на связь — достаточно трудоемкое занятие.
Из вышеперечисленных рассуждений понятно, что приме-
нение критерия МакСкимина отнимает много сил и времени.
Годфри и Филип [16] упростили данный процесс, разработав чис-
ленный метод, позволяющий определять правильное перекрыва-
ние и применять необходимые поправки на связь. Этот числен-
ный метод обладает следующими характеристиками:
1) включены приемы линейной регрессии для устранения слу-
чайных ошибок в экспериментальных наблюдениях;
2) автоматически рассчитывается импульсная частота if;
3) автоматически находится правильное перекрывание;
4) имеется режим ручного управления для выбора ситуации
перекрывания в случае, если таковая не обнаружена среди воз-
можного ряда значений А/ в автоматическом режиме.
Методика линейной регрессии, введенная Годфри и Филипом
[16], заключается в следующем: на основе формул (4.11) и (4.12)
выводится уравнение прямой:
*н=Ан+пВн> <4-14)
' tL = AL+nBL, (4.15)
где Ан, Al и Вн, Bl — коэффициенты линейных уравнений (4.14) и
(4.15). Их значения составляют:
Аи=Р'-(^Т~]’ <4Л6>
<4-17)
\ I'KJl )
И
н Л
(4.18)
Методы точного измерения 13 5
В,=—. (4.19)
Л
Изначально правильное значение коэффициента неизвестно,
поэтому равенства (4.14) и (4.15) можно записать в виде:
tH=AH + MBH, (4.20)
tL=AL+MBL, (4.21)
где М — произвольное число перекрываний, которое рассчитыва-
ется как М=(п+т), где т — неизвестное целое, значение которого
вычисляется после определения правильного перекрывания.
В данном методе значение Д/ для числа последовательных пе-
рекрываний получаем как разность (tL — измеренных tL и tH.
Здесь tL и tH велики по сравнению с их разностью, и, следователь-
но, даже незначительные ошибки в измерении tL и tH могут сильно
повлиять на значение Д/. Это приведет либо к неправильному оп-
ределению случая и=0 к ситуации, когда ни одна из измеренных
величин не находится в рассчитанном диапазоне. В данном ме-
тоде Д/ получают не из значений tL и tH, измеренных для каждого
случая перекрывания, а по формуле:
Д/ = (Л£-Ля) + М(5£-5я). (4.22)
Коэффициенты AL и Вн получают из линейно-регрессион-
ного анализа, а значения измеренных tL и tH подбирают методом
наименьших квадратов для последовательных значений перекры-
вания. Полученные tL и нанесенные на график как функция
числа перекрываний М, должны, в идеале, выстраиваться в прямую
линию. Значения tL и tH образуют две прямые на фоне значений М,
что исключает случайные ошибки и повышает общую точность.
Также рассчитывается коэффициент корреляции, показывающий,
насколько точно измеренные данные выстраиваются в прямую ли-
нию. Более того, такое соответствие прямой линии позволяет оце-
нить частоту радиочастотных импульсов, которую сложно измерить
в обычных условиях. Нужные значения/^ и fH можно рассчитать как
величины, обратные коэффициентам BL и ^соответственно.
Кривая зависимости At от угла обратной связи приближенно
напоминает параболу, максимум которой находится между 0 и 60°
и вычисляется по формуле (4.13) при использовании численного
136
Глава 4. Методы измерения ультразвука
метода половинного интервала. Рассчитав максимальное и мини-
мальное значения ДГ, можно получить ряд возможных значений At
для случая п=0.
Для данного диапазона At анализируют соответствие между
экспериментальными значениями и полученной прямой. Так оп-
ределяют правильное перекрывание. Угол связи, соответствую-
щий этому случаю, получают в численном виде, решив уравнение
(4.13) с помощью метода половинного интервала. Таким образом,
правильное время пробега и, следовательно, скорость звука рас-
считываются с поправкой на связь.
4.3.4. Метод взаимной корреляции
В предыдущем методе РЕО время пробега измеряется с точностью
приблизительно 1 нс. Чтобы увеличить разрешающую способ-
ность, метод РЕО автоматизирован и контролируется компьюте-
ром, поэтому отслеживание местоположения выбранного пика
осуществляется электронными средствами. Сигналы, принятые
из образца, оцифровываются с помощью высокочастотных карт
и соответствующего программного обеспечения. Обработку циф-
ровых сигналов можно осуществить на любом компьютере. Время
пробега устанавливается методом взаимной корреляции (CQ [17,
18], а затухание — с помощью быстрого преобразования Фурье
(FFT). Следовательно, использование карт быстрого цифрового
ввода и комплектов программного обеспечения делает систему
полностью автоматизированной и контролируемой компьютер-
ными средствами.
Метод взаимной корреляции, используемый для точного из-
мерения скорости ультразвуковых волн, включает несколько эта-
пов:
(I) Оцифровка сигналов радиочастоты.
(II) Выбор двух эхо-сигналов от задней поверхности образца.
(III) Определение взаимной корреляции выбранных эхо-сиг-
налов.
(IV) Интерполяция пиковой области CCF(функции взаимной
корреляции) с помощью кубической сплайн-функции.
(V) Расчет скорости ультразвука.
Блок-схема системы измерения скорости ультразвука и за-
тухания с помощью метода взаимной корреляции показана на
рис. 4.12.
Методы точного измерения 13 7
Теория
Существуют две наиболее распространенные базисные опе-
рации корреляции: взаимная корреляция и автокорреляция. Если
X(t) и Y(t) представляют два случайных непрерывных сигнала, фун-
кция взаимной корреляции Кху(ъ) в интервале Т выражается так:
Л,(г) = Пт(1/Г)[гХ(0Х(<+г)Л, <4 23)
где X(t) и Y(t) — произвольные формы волны, t— время, т — ин-
тервал запаздывания. Если заменить Y(t) на X(t), функцию авто-
корреляции можно записать в виде:
Л, (г) - Иш(1/Г) ГГУ(«)Х(/+. (4.24)
1 —»а •'U
Рис. 4.12. Блок-схема метода взаимной корреляции
Предполагается, что интересующие нас данные не изменяют-
ся, то есть существуют средние во времени значения в уравнениях
(4.23) и (4.24). Было показано, что ^(0) > Для всех t. Это
значит, что центральные значения функции автокорреляции при
т = 0 всегда являются максимумами.
При анализе траекторий распространения [19, 20] (связанных
с эхо-сигналами и В2 на рис. 4.5) можно определить функцию
Н.. Данная функция действует вдоль k-и траектории распростра-
138
Глава 4. Методы измерения ультразвука
нения для входного сигнала X(t). Результирующий выходной сиг-
нал Y(t) выражается следующим образом:
(4.25)
где A(t) представляет накопленные случайные помехи. Формула
(4.25) применима к импульсным эхо-сигналам (рис. 4.13b), если
входная функция X(t) принимается за первое эхо Вг Последующие
эхо-сигналы, такие как В2, являются функциями от функции рас-
пространения Нк. Исключив эхо-сигналы высшего порядка, све-
дем равенство (4.25) к виду:
(4.26)
(а) Типичный оцифрованный сигнал радиочастоты
с четырьмя эхо-сигналами отрадней поверхности
О 20 40 60 80 100 120 140
Запаздывание во времени '
(Ь) Функция Я^т) для 2-го и 4-го
эхо-сигналов от задней поверхности
Рис. 4.13. Измерение времени пробега — метод СС (взаимной корреляции)
В случае, представленном на рис. 4.13b, функция Н, во-пер-
вых, воздействует на входной сигнал X(t) или эхо-сигнал Вр пре-
Методы точного измерения 139
жде чем произвести Y(t) или эхо-сигнал Bz Во-вторых, она мо-
жет инвертировать эхо-сигнал относительно В2 (отражение от
свободной задней поверхности, то есть умножение на —1), после
чего произвести повторную инверсию на границе буферного слоя
и образца, преобразовав ВГ Результат будет таким, как показано
на рис. 4.13а. В-третьих, функция задерживает эхо-сигнал В2 от-
носительно Вj на время, равное времени полного цикла пробега в
образце. Время запаздывания Тсвязано со скоростью распростра-
нения Uи толщиной образца d, см. формулу (4.4). Воздействие Н
на X(f) выражается в виде:
HX(t) = +DBX(t).
(4.27)
Знак ± в правой части уравнения (4.27) соответствует инвер-
сии эхо-сигнала В2 относительно В; и зависит от коэффициен-
та отражения на поверхности буферного слоя и образца. Время
запаздывания G представляет собой оператор, изменяющий t на
(/— 2d/U). В— это оператор затухания, который, в общем-то,
есть функция частоты f. Если В не слишком искажает форму X(t),
мы можем аппроксимировать его, воспользовавшись константой
Ь, и записать:
Y(t) = HX(t) = +bGX(t) =
= ±bX(t-2d/U).
(4.28)
Подставив (4.28) в (4.23), получаем:
(т) = lim(l/T)Jor X(t) X(t+x-2d/U)dt. (4.29)
Данная функция равносильна функции автокорреляции
где = т — 2d/U. Следовательно, центральный пик, где
т = 0, смещается на т; = 0 или т = 2d/U.
Взаимная корреляция ультразвуковых сигналов
Относительное число (т) показывает, насколько взаимо-
связаны два сигнала при конкретной величине времени запаз-
дывания. Если CCF (функция взаимной корреляции) достигает
максимума при определенном значении т, это означает очень
140
Глава 4. Методы измерения ультразвука
сильную связь. Другими словами, два сигнала хорошо согласо-
ваны (близки по форме). И наоборот, маленькое значение CCF
свидетельствует о незначительной связи или об ее отсутствии.
Метод взаимной корреляции можно применять в измерениях
ультразвуковой скорости, где должно быть точно рассчитано
время запаздывания, которое проходит между моментами при-
хода двух последовательных эхо-сигналов от задней поверхнос-
ти. Данный метод эффективен, даже когда в форме двух эхо-сиг-
налов произошли небольшие изменения. Точность измерения
времени запаздывания можно увеличить, применив в пико-
вой области CCF методы интерполяции, например кубический
сплайн.
Аппроксимация с помощью кубической сплайн-функции
Инженеры и чертежники часто пользуются сплайном, или
эластичной линейкой, которую можно сгибать так, что она прохо-
дит через заданный набор точек {x(i), y(i)} (i = 0,l,2...w). Пусть
У =f(x) — уравнение кривой, которая определяется сплайн-фун-
кцией. При определенных допущениях f(x) можно приблизитель-
но описать как функцию, составленную из различных полино-
мов третьей степени (кубических полиномов) таким образом, что
f(x), а также ее первая и вторая производные нигде не прерыва-
ются. Однако третья производная может иметь разрывы в точках
x(i). Подобная функция называется кубической сплайн-функцией,
а точки x(i), где i = 0,1,2...m, называются узлами. Набор сплайн-
функций образует линейное пространство. Когда функция выве-
дена, можно интерполировать величину у для любого значения
х между узлами x(i) и x(i +1/ Данный метод легко реализовать с
помощью компьютерных технологий. Так, если имеется мно-
жество результатов обработки данных и нужно интерполировать
плавную кривую, то из всех прочих приемов полиномиальной
интерполяции предпочтение будет отдано именно этому методу.
Пиковая область CCF подвергается кубической интерполяции, и
рассчитывается запаздывание во времени, связанное с заданным
пиком. Полученное разрешение во времени является функцией
некоторого числа результатов обработки данных, взятых между
двумя последовательными узлами. Чем больше число рассмат-
риваемых точек, тем выше разрешение во времени. Как правило,
у этого метода есть ограничения в плане улучшения разрешения
выше определенного значения.
Методы точного измерения
141
Компьютерная программа
Ультразвуковой сигнал, полученный от преобразователя, оциф-
ровывается с высокой частотой дискретизации (порядка 100—
500 МГц) при помощи программируемого цифрового осцилло-
скопа с запоминающим устройством и передается в компьютер.
Компьютерная программа рассчитывает точную скорость ультра-
звука, что осуществляется в три этапа.
Первый этап. Оцифрованные данные выводятся на экран
компьютера (рис. 4.13). С помощью курсоров, управляемых фун-
кциональными клавишами, выбирают два эхо-сигнала от задней
поверхности (назовем их Bt и В2). Приблизительное время запаз-
дывания на данном этапе определяется по графикам в окнах.
Второй этап. Рассчитывается CCF и выводится на экран
рис. 4.13b. Время запаздывания, соответствующее пиковым зна-
чениям эхо-сигналов, обозначено t2. Сложив и получаем
время запаздывания с разрешением несколько наносекунд.
Третий этап. Выявляется пиковая область CCFh выполняется
интерполяция с помощью кубической сплайн-функции. По ин-
терполированным данным находят максимальное значение фун-
кции, а соответствующее ему время запаздывания t3 (рис. 4.13с)
сохраняется автоматически. Данная величина вместе с и t2 дает
точное время запаздывания с разрешением 0,5 наносекунды.
Рис. 4.13d иллюстрирует очень хорошее перекрывание двух вы-
бранных эхо-сигналов с точным временем запаздывания: /2+
Обладая замерами наблюдаемого времени пробега и зная толщи-
ну образца, можно рассчитать точную скорость ультразвука.
Правильность измерения скорости зависит от точности из-
мерения времени пробега в образце, толщина которого известна.
Среди различных подходов, рассмотренных выше, для определе-
ния характеристик материала на образцах небольшой толщины с
помощью одного преобразователя наиболее приемлемым явля-
ется эхо-импульсный. Импульсный эхо-метод и метод взаимной
корреляции нашли широкое применение на практике.
4.3.5. Метод наклона фазы
Блок-схема установки для обнаружения волн с применением ме-
тода наклона фазы (Р5) [17] приведена на рис. 4.14. Главными
компонентами являются ультразвуковой импульсный генератор-
приемник, цифровой осциллоскоп и мини-компьютер. Эхо-сиг-
142
Глава 4. Методы измерения ультразвука
налы Bt и В2 можно показывать отдельно или одновременно в раз-
ных окнах (рис. 4.14а, 4.14b).
Оцифровка эхо-сигналов Bt и В2 осуществляется в два эта-
па. Сначала оба эхо-сигнала одновременно демонстрируются на
электронно-лучевой трубке осциллоскопа (рис. 4.14а). Во втором
методе эхо-сигналы просматриваются отдельно, каждый на своем
графике (рис. 4.14b).
Используя цифровую систему задержки, в осциллограммы эхо-
сигналов BjH В2в двух окнах вводят заданное время запаздывания.
Устройство задержки времени (реле времени) градуировано до ±1
нс и имеет точность ±0,1 нс. Данный эхо-сигнал инициируется
сигналами синхронизации от импульсного генератора-приемника
(рис. 4.14а). После того как Bj показан в окне и оцифрован, генери-
руется заданное запаздывание, чтобы поместить В2 в это же окно.
Оцифрованные эхо-сигналы представлены на рис. 4.15.
(а) Схема обнаружения двух последовательных эхо-сигналов В1 и В2 в одном временном окне
Компьютер
^Трёобразовател^^
[Импульсный
генератор-приемник
СО *
5 *
Генератор развертки
•& 5
4 S.
-J ф
5
f I ?
|И
2
Время
Программируемы^
цифровой преобразователь
Графический дисплей______
Контроль с помощью
программного обеспечения
Устройства хранения данных
Универсальная интерфейсная шина (GPIB)
н
(Ь) Схема обнаружения двух последовательных эхо-сигналов В1 и В2 в разных временных окнах
Рис. 4.14. Схемы двух альтернативных волновых режимов — обнаружение
В методе наклона фазы время между двумя эхо-сигналами оп-
ределяют с помощью фазовых спектров каждой волны. После того
как эхо-сигналы оцифрованы, дискретный алгоритм FFT произ-
водит преобразование Фурье для каждой из волн. Непрерывные
амплитудные и фазовые спектры для пары типичных эхо-сигна-
лов показаны на рис. 4.16.
Методы точного измерения
143
После FFT для определения центральной зоны в частотной
области используются как амплитудный, так и фазовый спектр.
К примеру, такая зона может состоять из единственного интер-
вала вблизи центральной частоты, или из частотного диапазона,
где амплитуда превышает некоторую часть пикового значения,
Рис. 4.15. Оцифрованный эхо-сигнал — метод наклона фазы
Рис. 4.16. Типичные эхо-сигналы от задней поверхности, их амплитудный
и фазовый спектр (В. — сплошная линия, В2 — пунктирная)
144
Глава 4. Методы измерения ультразвука
или же из частотного диапазона с линейным фазовым спектром.
Данные ограничения исключают из рассмотрения низко- и высо-
кочастотные экстремумы, где низок показатель отношения сиг-
нала к помехам.
Общее время запаздывания, рассчитываемое по методу накло-
на фазы, составляет:
/ = ^ + (/2-/)),
(4.30)
где W — время запаздывания между двумя эхо-сигналами, пока-
зываемыми в окнах [21]; //=М;/(2я) и Г2=Л/2/(2я) — запаздывания
эхо-сигналов В2 и В2; MlwM2 — смещения для обоих эхо-сигналов
Bj и В2. Смещения определяются, как M=dQ/df, где f— частота, а
0 — фазовый угол, измеряемый в радианах.
Соответственно, групповая скорость будет задаваться следую-
щим образом:
(4.31)
4.3.6. Прямой метод
Используя цифровой осциллоскоп с запоминающим устройством
(DSO), можно точно измерять время пробега . Ультразвуковой
сигнал, полученный от преобразователя, оцифровывается с высо-
кой частотой дискретизации порядка 100—500 МГц при помощи
программируемого DSO. На рис. 4.17 приведена блок-схема экс-
периментальной установки.
Оцифрованные данные выводятся на экран осциллоскопа
(рис. 4.18). Потом с помощью курсора вертикальные пунктирные
линии передвигают на участки максимальных амплитуд эхо-сиг-
налов BjH В2и фиксируют (рис. 4.18а). На экран осциллоскопа
выводится значение временного интервала между двумя эхо-сиг-
налами. Исходя из времени пробега, по формуле (4.4) рассчиты-
вается скорость ультразвука.
С помощью функций курсора можно также измерить затухание
ультразвуковых волн в образце. Для этого нужно зафиксировать
Методы точного измерения
145
горизонтальные линии в точках пика эхо-сигнала Вр как показано
на рис. 4.18b. После этого на экран DSO будет выведено значение
амплитуды АР Аналогично измеряют высоту амплитуд А2 и А3 эхо-
сигналов В2и В3 и рассчитывают затухание по формуле (4.32).
[?С/Д1
Видимое затухание: = 2Ulgl0 —-—, дБ
(п-т)
или
1 [А„/А1
коэффициент затухания: = — 20 lg10 , дБ см1 (4.32)
2d (п-т)
Рис. 4.17. Блок-схема экспериментальной установки — прямой метод
tj = 4.95 t2 = 3.52 Al = 1.43us
(а) Измерение времени пробега
V,(l) = -481.3 mV V2(l) = 559.4 mV V(l)= 1.041V
(b) Измерение затухания
Рис. 4.18. Прямой метод — измерения скорости и затухания
146
Глава 4. Методы измерения ультразвука
(4.32)
где Ат и Ап— амплитуды /п-го и «-го эхо-сигналов от задней по-
верхности; d — толщина образца (см).
Точность определения времени пробега в данной технике за-
висит от выбора пиковой амплитуды эхо-сигналов BjU В2. Время
пробега измеряется вплоть до наносекунд. Аналогично точность
измерения затухания зависит от выбора высоты амплитуды эхо-
сигналов В} и В2.
4.4. Автоматизированные компьютерные методы
Как обсуждалось ранее, количественная информация о затухании
и скорости ультразвука имеет большое значение для определе-
ния свойств материалов и их микроструктурных характеристик.
Правильность определения характеристик материалов полностью
зависит от точности измерения скорости ультразвука. Так, уль-
тразвуковое тестирование и измерения все еще находятся в боль-
шой зависимости от оператора.
В последние годы предпринимались правильные шаги в на-
правлении избавления ультразвуковых измерений от этой зави-
симости. В частности, в настоящее время для обнаружения де-
фектов широко применяются компьютерные системы сбора и
отображения данных. Однако усилия, предпринимаемые в облас-
ти получения точных параметров скорости и затухания ультразву-
ка в материалах для характеристики их микроструктуры, остаются
незначительными.
В данном разделе подробно рассматриваются различные авто-
матизированные методы измерения скорости и затухания ультра-
звука, а также их сравнительные достоинства. Автоматизированные
методы основаны на следующих принципах:
(I) Незатухающая волна.
(II) Циклическое возбуждение.
(III) Перекрывание эхо-импульсов.
(IV) Взаимная корреляция.
(V) Пересечение нулевого уровня.
4.4.1. Метод незатухающей волны
Блок-схема спектрометра [22], используемого в автоматизирован-
ном методе для одновременных измерений скорости и затухания,
показана на рис. 4.19.
Автоматизированные компьютерные методы 147
Синтезатор частот излучает в преобразователь радиочастот-
ный сигнал мощностью порядка нескольких нановатт, частота
которого промодулирована частотой со^. После усиления и ам-
плитудного детектирования принимаемого из образца сигнала
выделенный из него сигнал звуковой частоты расщепляется и
направляется в два синхронных усилителя (будем ссылаться на
них как на <ол и 2сол). Выходной сигнал из синхронизирующего
устройства А (называемого сол) подается через универсальную
интерфейсную шину GPIB на цифровой дифференциально-
интегральный РЛ)-регулятор. Последний использует данный
сигнал для регулирования центральной частоты со синтезатора,
чтобы погасить выходной сигнал из синхронизирующего уст-
ройства А. В результате образуется цепь фазовой синхрониза-
ции, которая заставляет со следовать за центром резонанса со^.
В то же самое время второй синхронный усилитель В измеря-
ет компонент 2сол в сигнале звуковой частоты. Исходя из этого
измерения, можно определить изменение добротности Q резо-
нансной системы с точностью до общего множителя. Данный
калибровочный коэффициент зависит только от электроники,
не изменяется с температурой, и его нужно определять лишь
единожды. Определение осуществляется в ходе отдельного из-
мерения: сначала сканируют резонансные частоты, потом со-
поставляют резонансную кривую с лоренцевой (Lorentzain),
чтобы получить Q, а затем проводится сравнение с показаниями
синхронизирующего устройства В. Сигналы, модулированные
по амплитуде, показаны на рис. 4.20.
Рис. 4.19. Блок-схема спектрометра — метод CW (незатухающей волны)
148
Глава 4. Методы измерения ультразвука
(а) Вне резонанса со X wm
(b) На резонансе ш = шт
Рис. 4.20. Сигналы, модулированные по амплитуде
PZD-регулятор в экспериментальной установке представляет
собой небольшую компьютерную программу, которая контроли-
рует весь эксперимент. Периодически (каждую секунду) он счи-
тывает данные из двух синхронных усилителей. На основе полу-
ченной информации о 2(оа P/D-регулятор определяет Q. Величина
Q и сигнал из синхронизирующего устройства Л (называемого coj
используются для расчета отклонения со от <от. Корректировка со
передается в синтезатор через вывод GPIB, так как обнуление
сигнала на выходе синхронизирующего устройства А зависит не
только от со — сот, но и от Q (он пропорционален Q, когда со не
сильно отличается от сот). Мы применяем Q для динамическо-
го регулирования P/D-параметров обратной связи, чтобы обрат-
ная связь была тем сильнее, чем ниже Q, и слабее для высокого
Q, дабы обеспечить оптимальную следящую коррекцию. Данная
цепь фазовой синхронизации следит за соответствием централь-
ной частоты центру резонанса. Одновременно производится ска-
нирование экспериментальных параметров, в нашем случае —
температур. Это позволяет измерять Q и резонансную частоту.
Экспериментальная установка-сборка с резонатором показана на
рис. 4.21.
Применять электронику просто, однако необходимо следить
за правильным соотношением импедансов на различных этапах
усиления. В вышеописанном эксперименте перед синхронизиру-
ющим устройством А установлен фильтр нижних частот, который
отсекает высшие гармоники. Если бы фильтра не было, сигналы
высших гармоник перегружали бы синхронизирующее устройс-
тво А, прежде чем достигали бы стадии чувствительного фазового
Автоматизированные компьютерные методы 149
детектирования. Поэтому установка фильтра обеспечивает работу
устройства Л на более высоком уровне чувствительности.
Данная экспериментальная методика успешно применяется
для измерения скорости звука и затухания в тяжелом фермионном
сверхпроводнике UPt3 вплоть до 5 мК. Относительное изменение
фазовой скорости (AU/U) можно уменьшить до 5x10 9 при мощ-
ности возбуждающего радиочастотного сигнала порядка 5 нВт.
Бескислородная медь
высокой проводимости (OFHC) Подпружиненный штифт Канал управления
Преобразователь
г
Радиочастотный
соединитель
Образец
Рис. 4.21. Устройство резонатора — метод незатухающей волны
4.4.2. Метод циклического возбуждения
Циклическое возбуждение представляет собой один из наиболее
полезных методов автоматизированного измерения скорости и
затухания. Из-за игнорирования запаздывания в традиционном
методе циклического возбуждения точность измерения уменьша-
ется, следовательно, метод неидеален для автоматизации. Более
того, одновременное измерение затухания невозможно. Устранив
все эти недостатки, можно разработать усовершенствованный ме-
тод циклического возбуждения с автоматизированным измерени-
ем как скорости, так и затухания.
Блок-схема экспериментальной установки [23] показана на
рис. 4.22. Электрический импульс с генератора подается на преоб-
разователь-передатчик. Передатчик посылает ультразвуковую вол-
ну в образец. Эта волна проходит через образец и регистрируется
преобразователем-приемником, а затем усиливается с помощью
предварительного усилителя. Передний фронт усиленного сигнала
используется для генерирования сигнала запуска, который иниции-
рует новый импульс в передатчике, что обеспечивает непрерывность
цикла. Частотомер замеряет частоту генерации сигналов запуска.
Глава 4. Методы измерения ультразвука
Рис. 4.22. Блок-схема метода циклического возбуждения
Длительность одного цикла представляет собой величину, обратную
количеству сигналов запуска, насчитанных в течение одной секун-
ды. Очевидно, что длительность цикла превышает время пробега
волны в образце. Электрические задержки, связанные с приведе-
нием в действие передатчика, временем нарастания усиленного им-
пульса, генерацией сигнала запуска, а также акустические задержки,
возникающие в элементах связи между преобразователями и образ-
цом, — все это влияет на точность измерения скорости.
Чтобы убрать эти электрические и акустические задержки, вво-
дится схема задержки, обеспечивающая автоматически появление
нового пускового сигнала не ранее, чем уровень предшествующих
эхо-сигналов спадет до нуля. Из соответствующих циклов двух сосед-
них эхо-сигналов следует выбрать две точки в фазе пересечения нуля
и использовать их как источник циклического возбуждения. Для этих
двух циклов измеряется соответствующее время повторения импуль-
са Т; и Tz Разница между этими двумя значениями времени даст вре-
мя пробега в образце туда и обратно. Усовершенствованная картина
эха, полученная с помощью этого метода, показана на рис. 4.23.
В вышеописанном методе применяется автоматизированная
методика следящей коррекции по опорным точкам, что позволя-
ет автоматизировать систему, а также повысить точность. Более
того, осуществляется перекрывание соответствующих циклов
эхо-сигналов. Для корректировки точного перекрывания мож-
Автоматизированные компьютерные методы
151
Рис. 4.23. Эхо-импульсные сигналы — усовершенствованный метод
Рис. 4.24. Блок-схема экспериментальной установки
52
Глава 4. Методы измерения ультразвука
но применять критерий М МакСкимина по аналогии с метода-
ми эхо-импульсного перекрывания и наложения импульсов. Все
это позволяет повысить точность абсолютного измерения скоро-
сти. В усовершенствованном методе циклического возбуждения
ошибка в измерении времени пробега равна ±0,1 нс, Д U/Uсостав-
ляет 10ррт, а Да/а меньше 5%.
4.4.3. Метод перекрывания эхо-импульсов {РЕО)
В данном методе автоматизировать измерение скорости можно с
помощью доступного оборудования. Изначально считалось, что
метод РЕО невозможно автоматизировать для точного измерения
времени пробега ультразвука. Однако современная электроника и
инструментарий позволяют преодолеть вышеназванные трудно-
сти. Блок-схема современной экспериментальной установки РЕО
[24] показана на рис. 4.24.
Установка состоит из блока высокочастотного ультразвуково-
го импульсного генератора/приемника, цифрового осциллоскопа
с запоминающим устройством, регулятора температуры, циф-
ровой карты Института инженеров по электрике и электронике
1ЕЕЕ-4Ж и персонального компьютера. Электрические сигналы
генерируются высокочастотным (HF) импульсным генератором из
блока генератор/приемник. Эти сигналы подаются на пьезоэлек-
трический преобразователь, который соединен с отполированной
поверхностью образца. Цифровой запоминающий осциллоскоп,
используемый в данном методе, способен измерять время между
запуском и заданным.событием с точностью до 50 пикосекунд.
4.4.4. Метод взаимной корреляции
Функциональная схема полного обнаружения цуга эхо-сигналов,
содержащего первый и второй эхо-сигналы от задней поверхности
приведена на рис. 4.25. Обнаружение и выбор эхо-сигналов осу-
ществляются с помощью компьютерной программы, управляемой
с помощью клавиатуры. Измерение времени прохождения между
двумя эхо-сигналами реализуется с высокой точностью и без осо-
бых усилий, что обеспечивается использованием метода взаимной
корреляции. Блок-схема инструментальной установки показана на
рис. 4.26. Главными компонентами системы являются:
1) ультразвуковой импульсный генератор/приемник;
2) персональный компьютер;
Автоматизированные компьютерные методы 153
3) высокоскоростной цифровой преобразователь (время пре-
образования составляет 40 нс или еще меньше);
4) устройство управления сканированием.
Импульсный генератор представляет собой широкополосный
генератор с высоким напряжением порядка 250 вольт и временем
нарастания 50 нс. Он может возбуждать ультразвуковые преобразо-
ватели с частотой от 1 до 20 МГц. Приемник-усилитель имеет ши-
рину полосы пропускания 40 МГц и усиление около 40 дБ. Размах
выдаваемого им напряжения 2 вольта. Цифровая карта поддержи-
вает регулятор шагового электродвигателя, который перемещает
преобразователь по образцу, позволяя обнаруживать эхо-сигналы
от задней поверхности образца на различных его участках.
Описание цепи высокоскоростного цифрового преобразователя
Высокоскоростной цифровой преобразователь переходного
процесса представляет собой карту-приставку и состоит из: а) ло-
гического устройства дешифровки адреса; б) программируемого
интерфейса периферийного устройства PPI; в) памяти FIFO (об-
работка данных в порядке их поступления); г) быстрого аналого-
цифрового преобразователя (ADC), осуществляющего преобразо-
вание за 30 наносекунд; д) независимого часового механизма.
Входящий сигнал радиочастоты от преобразователя поступает
в буфер и подается на цепь корректировки постоянного тока (de).
Это обеспечивает соответствие амплитуды сигнала (размах 2 В) [26]
диапазону входящего сигнала параллельного АРС(ТДС 1007 РСВ).
Данный сигнал поступает в параллельный ADC, который проводит
дискретизацию при 25 МГц с разрешением 8 бит. Компьютер через
интегральную схему программируемого периферийного устройства
PPI IC (8255) подает переключающий сигнал запуска, требуемый
для того, чтобы вовремя начать оцифровывание. Оцифрованные
результаты ADC хранятся в 8192 байтах на плате памяти. Общее
время захвата составляет 327,68 микросекунды. Для хранения ис-
пользуется память FIFO [27, 28], потому что она обеспечивает вы-
сокую скорость и высокую плотность записи. Поскольку преобра-
зование с помощью ADC занимает 40 наносекунд, тогда как время
доступа к FIFO-памяти (IDT 7204) составляет 65 наносекунд, то
поочередно используются две FIFO вместе с сопутствующей ло-
гикой для приемлемого сохранения данных на скорости преобра-
зования 25 МГц. В цепи применяется FIFO типа 4096x9. Ее можно
поменять на 8192x9, что позволит увеличить общее количество за-
154
Глава 4, Методы измерения ультразвука
писываемых данных до 16 Кб, всего лишь изменив интегральную
схему. Записанные данные передаются на компьютер через порт С
программируемого периферийного интерфейса.
Сначала компьютер инициализирует PPI и включает карту
оцифровывания через порт В. Потом компьютер подает сигнал за-
пуска на пошаговый регулятор и генератор импульсов. Часовой ме-
ханизм генерирует сигнал для продолжения записи на Л1)Си FIFO,
а когда FIFO заполнена, она останавливает процесс. Компьютер
считывает записанный сигнал радиочастоты из 8 килобайт дан-
ных, полученных из FIFO через порт С на его скорости. Данные
сохраняются на жестком диске для последующего анализа.
Рис. 4.25. Функциональная схема — получение полных данных
для цуга эхо-сигналов — измерение скорости
Автоматизированные компьютерные методы 155
Рис. 4.26. Блок-схема инструментальной установки
Сбор выборочных данных
Сначала ультразвуковой преобразователь устанавливают вер-
тикально на движущий механизм шагового электродвигателя
(сканирующее устройство) и тщательно соединяют с тестируемым
образцом. Потом преобразователь возбуждают с помощью им-
пульсного генератора из цифровой карты (АЦП). Соответственно
сигнал радиочастоты принимается тем же преобразователем, а
оцифрованный сигнал сохраняется на винчестере. Рис. 4.27 пока-
зывает оцифрованную картину эхо-сигнала от задней поверхнос-
ти. Этот процесс повторяется несколько раз через равные проме-
жутки времени в одном и том же положении. Средний результат
сохраняется в компьютере.
Рис. 4.27. Оцифрованный эхо-сигнал от задней поверхности
Глава 4. Методы измерения ультразвука
03
I
£
Время
Рис. 4.28. Воссозданный составной сигнал радиочастоты
Потом щуп перемещают в новое положение, осуществляя кон-
троль с помощью программного обеспечения, которое управляет
шаговым электродвигателем. Сигнал радиочастоты снова оциф-
ровывается и сохраняется. Этот процесс повторяется при разных
положениях щупа. Наконец выбирается средний результат по
всем радиосигналам при разных положениях щупа относительно
образца и снова сохраняется в компьютере. Рис. 4.28 демонстри-
рует составной сигнал.
Для измерения затухания применяют быстрое преобразование
Фурье (FFT), в результате чего получают амплитуды спектраль-
ных составляющих выбранных эхо-сигналов в диапазоне частот.
Результат FFT выбранных эхо-сигналов и В2 показан на рис.
4.29(a) и 4.29(b). Зная толщину пластины, рассчитывают коэффи-
циент затухания. Что касается измерения скорости, то здесь при-
меняют метод взаимной корреляции (рис. 4.30), реализуемый с
помощью программного обеспечения, и измеряют время пробега.
18
0 2 4 6 8 10 12 14
Частота
а) Эхо-сигнал В1 от задней поверхности
б) Эхо-сигнал В2 от задней поверхности
Рис. 4.29. FFT первого и второго эхо-сигналов от задней поверхности
Автоматизированные компьютерные методы
157
Время
Рис. 4.30. Взаимная корреляция выбранных эхо-сигналов
Ошибка в измерении времени пробега оценивается приблизи-
тельно в ±10 нс. Ошибка, связанная с измерением коэффициента
затухания, составляет ±0,9 дБмм1. Данный тип ошибок рассчи-
тан для нержавеющей стали AISIтолщиной 25 мм. Более высокое
разрешение может быть достигнуто в результате дополнительной
интерполяции данных. Вышеописанную систему можно создать
на основе доступных компонентов, работающих в частотном диа-
пазоне 500 кГц — 5 МГц.
4.4.5. Метод пересечения нулевого уровня
В данном методе измеряется время между моментом пересече-
ния нулевого уровня первым эхо-сигналом и соответствующим
моментом пересечения нулевого уровня вторым эхо-сигналом.
Оба ультразвуковых эхо-сигнала пропускаются через устройс-
тва, вырабатывающие широкие строб-импульсы. Расположение
окон строб-импульсов определяется временем задержки с учетом
запаздывания сигнала синхронизации/запуска, приходящего от
электрического передатчика. После выбора двух эхо-сигналов
в каждый из указанных моментов пересечения нулевого уровня
генерируются короткие прямоугольные импульсы. После этого
для каждого эхо-сигнала измеряют запаздывание между пере-
дним фронтом строб-импульса и выбранным местом пересече-
ния. Используя данный метод, можно определять интервал между
двумя эхо-сигналами с точностью 2 наносекунды или даже более
высокой.
158
Глава 4. Методы измерения ультразвука
4.5. Резонансная ультразвуковая спектроскопия
и лазерная интерферометрия
Ультразвуковые измерения в тонких образцах, например в тонких
пленках, кристаллах и других подобных материалах, чрезвычай-
но сложны. В данной области широко применяются импульсные
эхо-методы ультразвуковых измерений или язычковые вибра-
торы, а также другие технические приемы. Учитывая сложность
инструментария и недостаточность информационной базы, уче-
ные хотят найти лучший метод получения величин скорости звука
и затухания в очень тонких кристаллах. Далее, до сих пор одной
из главных проблем являются исследования при сверхвысоких
температурах. При изучении скоростей звука и затухания в мо-
нокристаллах, текстурированных сплавах требуется высокая точ-
ность, поскольку именно она обусловливает достоверность изме-
рения характерных параметров.
В данной области сравнительно недавно были разработаны
новые методы:
(I) Резонансная ультразвуковая спектроскопия.
(II) Лазерная интерферометрия.
Подробно рассмотрим эти методы в следующих двух разделах.
4.5.1. Резонансная ультразвуковая спектроскопия
В резонансной ультразвуковой спектроскопии (RUS) [29—34] оп-
ределяется собственная частота образца со свободными грани-
цами. Резонансные частоты образца оцениваются при двух его
положениях между преобразователями на его поверхностях. При
этом образец легко удерживается без каких-либо склеивающих
веществ. Схема [29] показана на рис. 4.31.
Передающий
Г енератор
сигналов
Образец
Принимающий
Выход
Рис. 4.31. Схема резонансной ультразвуковой спектроскопии
Первый преобразователь Т возбуждает колебания в образце
с частотой, которую можно регулировать, в то время как второй
преобразователь R измеряет амплитуду и фазу волны отклика об-
Резонансная ультразвуковая спектроскопия 159
и лазерная интерферометрия
разца. Поскольку частота возбуждения колеблется, записывается
последовательность резонансных пиков. Местоположения пиков
определяются собственными частотами fn (с помощью которых
определяются постоянные упругости), а фактор качества (доб-
ротность) для каждого резонанса дает информацию о рассеянии
энергии упругой деформации.
Для осуществления достаточно точного согласования резо-
нансной частоты с собственной частотой образца необходимо,
чтобы нагрузка образцов со стороны преобразователей была мала.
Можно исследовать образцы только в том случае, если нагрузка
лишь незначительно превышает их вес. Тогда измерение будет
выполняться с достоверностью до одной десятой процента. В от-
личие от достоверности, точность измерения, как правило, имеет
порядок несколько частей на миллион (ррт). Более высокие зна-
чения точности позволяют изучать незначительные изменения
в образцах, связанные со структурой, температурой, давлением,
фазовым превращением и прочими явлениями.
В импульсных методах важную роль играет качество контакта
преобразователя с образцом. Необходимо уделять пристальное вни-
мание их подгонке. В этом случае резонирующий преобразователь
выдаст наибольшую амплитуду в нерезонирующий образец. Если
образец резонирует с частотой, соответствующей собственной часто-
те преобразователя, нет необходимости в сильной связи, поскольку
образец выступает в качестве естественного усилителя с усилением,
равным величине Q. Типичное значение Q находится в промежутке
от 1000 до 10 000. Таким образом измеряют амплитуды сигналов в
резонирующем образце. Важным в измерении амплитуд является то,
что их изменение обусловлено лишь изменениями структуры, тем-
пературы, давления, фазы и т.д. и не зависит от изменений, происхо-
дящих в преобразователе или связующих материалах. В данном ме-
тоде используется возбуждение незатухающей волны, что помогает
применять чувствительные фазовые способы обнаружения, позво-
ляющие выделять сигналы из шума. Таким образом можно выявлять
тепловой шум при высоких температурах.
Простая экспериментальная установка [35], используемая
для RUS, показана на рис. 4.32. Образец, выполненный в форме
прямоугольного параллелепипеда, помещается между преобра-
зователями. Контакт преобразователя и образца осуществляется
через углы последнего. При таком способе уменьшается влияние
связи как нагрузки благодаря эластичным свойствам. Два преоб-
160
Глава 4. Методы измерения ультразвука
Рис. 4.32. Расположение образца и преобразователей — метод RUS
разователя, используемые в данном методе, представляют собой
пьезоэлектрические пленки из поливинилиденфторида (PVDF)
толщиной 9 микрометров, нарезанные на полоски шириной 500
микрометров. Эти полоски частично металлизируют с каждой из
сторон так, чтобы проводящие части перекрывались в централь-
ной части полоски, образуя вместе с прослойкой из пьезоэлектри-
ческой пленки конденсатор. Электрические контакты образуются
металлическими покрытиями пленки и соединенными с ними
металлическими пружинящими держателями, которые поддер-
живают небольшое механическое напряжение в полосках. Один
из преобразователей перемещают, чтобы установить контакт пре-
образователей с углами образца без применения связующего ма-
териала. Так же как в традиционных ультразвуковых методах из-
мерения, в эксперименте R US один преобразователь воздействует
на образец, а другой отслеживает резонанс.
Улучшенный вариант установки RUS [33] показан на рис. 4.33.
Обычные пьезоэлектрические дисковые преобразователи соеди-
Рис. 4.33. Высокотемператур-
ные измерения RUS— моди-
фицированное устройство
Резонансная ультразвуковая спектроскопия
и лазерная интерферометрия
16
I
йены с алмазными цилиндрами для повышения резонансных
частот преобразователей, чтобы препятствовать наложению их на
частоты образца. С целью получения дополнительных сведений
для идентификации нормальных мод можно в процессе измере-
ний перемещать преобразователь вбок. Резонансную частоту из-
меряют с помощью резонансного ультразвукового метода [36]
как
показано на рис. 4.34.
Важными областями применения RUSявляются:
(I) Определение постоянных упругости материалов при тем-
пературах, значительно превышающих дебаевскую.
(II) Применение в геофизике для определения термодина-
мических свойств материалов и ангармонических эффектов при
температурах, превышающих дебаевскую более чем в два раза.
(III) Определение фазового перехода второго порядка с помо-
щью измерений постоянных упругости.
(IV) Определение фазового перехода в высокотемпературных
проводниках.
Рис. 4.34. Спектр резонансных
частот для монокристалла
YBa2Cu3O7—d при температуре
295 К
4.5.2. Лазерная интерферометрия
Электромагнитные акустические преобразователи (ЕМАТ) [37, 38]
используются для генерации и обнаружения всех типов ультра-
звуковых волн. Однако данный преобразователь в наибольшей
степени подходит только для металлических материалов. Что же
касается лазерных ультразвуковых методов [38—41], то они при-
менимы для всех материалов. Лазерные методы можно также
использовать для генерации всех типов ультразвуковых волн раз-
личной частоты.
В следующих разделах описывается обнаружение ультразву-
ковых волн посредством лазерной интерферометрии.
162
Глава 4. Методы измерения ультразвука
Оптическое обнаружение ультразвука
Оптические методы обнаружения ультразвуковых перемещений
можно разделить на неинтерферометрические (например, метод
опорной призмы, метод поверхностной дифракционной решетки,
методы, основанные на отражательной способности, на использо-
вании светофильтра) и интерферометрические. Первые менее по-
пулярны по сравнению с последними из-за своей низкой чувстви-
тельности и пропускной способности [42]. Интерферометрические
методы благодаря высокой чувствительности и хорошей про-
пускной способности в настоящее время активно развивают-
ся. Интерферометры обнаруживают поверхностные смещения,
производимые ультразвуком, измеряя либо фазовую модуляцию,
либо доплеровский сдвиг в луче, отраженном от поверхности.
Интерферометрические методы можно обобщенно классифици-
ровать по трем категориям: оптическое гетеродинирование, диф-
ференциальная интерферометрия, интерферометрия скорости или
времени запаздывания. В оптическом гетеродинировании волна,
рассеянная от тестируемой поверхности, суммируется с контроль-
ной волной. В дифференциальной интерферометрии использует-
ся интерференция двух волн, исходящих из двух различных точек
поверхности или из одной точки, облучаемой двумя отдельными
лучами. В интерферометрии скорости или времени запаздывания
используется только один луч с поверхности и генерируется сиг-
нал, определяемый суммированием этого луча с ним же самим,
но только запаздывающим на определенное время. В оптическом
гетеродинировании можно применять многие оптические конфи-
гурации, например Майкельсона, Маха—Цандера, Физо и т.д. Во
всех этих случаях тестируемая поверхность выступает в качестве
зеркала интерферометра. Оптические интерферометры разделяют-
ся на две группы: гомодинные (без сдвига частоты) и гетеродинные
(со сдвигом частоты).
В ситуации с интерферометрическим образцом при отражении
света от вибрирующей поверхности поверхностное смещение,
вызванное воздействием ультразвука, приводит к изменениям в
оптической длине пути. Обозначим высоту пика поверхностно-
го смещения, производимого ультразвуковой вибрацией, как 3,
тогда длина оптического пути уменьшается на 28 в связи с изме-
нением фазы 2ЛЗ (рис. 4.35). Интерферометр преобразует поверх-
ностное смещение, связанное с оптическим изменением фазы, в
соответствующие колебания оптической мощности.
Резонансная ультразвуковая спектроскопия 163
и лазерная интерферометрия
Рис. 4.35. Изменения длины пути вследствие ультразвукового смещения
Л/2
Рис. 4.36. Блок-схема интерферометра Майкельсона
со стабилизированным лучом
Глава 4. Методы измерения ультразвука
Интерферометр Майкельсона со стабилизированным лучом (го-
модинный) можно использовать для обнаружения ультразвука, ге-
нерированного лазером. Данный интерферометр подходит как для
лабораторного, так и для промышленного применения, потому что
он соответствует требованию высокой устойчивости к вибрациям и
температурным колебаниям. Блок-схема экспериментальной уста-
новки показана на рис. 4.36.
В качестве источника света используется гелиево-неоновый
лазер мощностью 1 мВт и с длиной волны 632,8 нм. Делитель де-
лит падающий лазерный луч на два луча одинаковой мощности
так, что один из них отражается в направлении контрольного зер-
кала, установленного на пьезоэлектрическом генераторе импуль-
сов, а второй попадает на образец, расположенный по другую сто-
рону интерферометра. Оптические элементы, такие как делители
луча PBSj и PBS2, фильтры пространственных частот, линзы £, и
Z2, зеркала и М2, расширители пучка, фотодиоды и D2, ус-
танавливаются на соответствующие оптические держатели, чтобы
обеспечить четкое выравнивание и механическую стабильность.
Свет, отраженный от контрольного зеркала и образца, возвраща-
ется через делитель луча на оптический детектор — силиконовый
фотодиод.
Данные с выхода фотодетектора записываются как функция
времени, что позволяет проверять изменения длины пути, вы-
званные внешней средой. На низких частотах отмечается значи-
тельный дрейф данных на выходе фотодетектора по сравнению с
изменениями длины пути.
Филип (и др.) [43] избавляется от всех вышеперечисленных
помех, установив контролирующую схему с электронным конту-
ром обратной связи. Блок-схема гетеродинного интерферометра,
использующего 80-мегагерцовый акустооптический модулятор,
приведена на рис. 4.37.
Ультразвуковые измерения с использованием лазера обладают
следующими достоинствами:
(I) Генерация и обнаружение всех типов колебаний.
(II) Это неконтактная техника, следовательно, нет надобности
в связующей среде.
(III) Передача основана на серии тепловых ударов, вызываю-
щих расширение и разрушение непосредственно в самой среде.
(IV) Установкой можно управлять на больших расстояниях.
Методы измерения затухания 165
Рис. 4.37. Блок-схема гетеродинного интерферометра
(V) Возможность работы на высоких частотах и с широкой по-
лосой пропускания.
(VI) Нет ограничений на размер и форму образца.
Недостатки лазерных ультразвуковых измерений:
(I) Лазерный ультразвук требует дорогостоящего оборудования.
(И) Необходима гладко отшлифованная поверхность.
(III) Возможно повреждение поверхности.
(IV) Обязательно соблюдение техники безопасности.
(V) Для обеспечения обнаружения сигнала необходим точный
интерферометр.
4.6. Методы измерения затухания
В общем виде методы измерения затухания классифицируют по
следующим категориям:
1) метод сравнения;
2) традиционный;
3) метод видимого затухания;
4) основанный на амплитудах первого эхо-сигнала от задней
поверхности;
166
Глава 4. Методы измерения ультразвука
5) метод поверхностной волны Рэлея;
6) автоматизированный, с определением частотной зависи-
мости затухания.
4. 6.1. Метод сравнения
В этом методе затухание в двух или более образцах/материалах мож-
но сравнивать количественно. Сравнение осуществляется с помо-
щью (или без) калибратора или модуля аттенюатора/усилителя в
блоке импульсного генератора/приемника. Предполагается, что
все образцы, используемые в сравнительном исследовании, имеют
одинаковую толщину. Если же толщина и отличается, то разница со-
ставляет не более ±1%. При наличии ряда образцов в качестве кон-
трольного выбирается тот, который имеет самую малую величину
затухания.
В простой экспериментальной установке без калибратора на
устройство преобразователь—образец подается известный энерге-
тический импульс (обычно с максимальной энергией). При этом
на экране электронно-лучевой трубки (CRT) наблюдается после-
довательность эхо-сигналов, что показано на рис. 4.38. Далее под-
считывается число эхо-сигналов, амплитуда которых составляет
больше 10% высоты экрана. После этого преобразователь соеди-
няется с другим образцом без изменения энергии импульсов, и
опять подсчитывается число аналогичных эхо-сигналов. Нужно
быть очень внимательным при воспроизведении одного и того же
типа условий соединения в ходе всех испытаний. Если в заданном
образце число эхо-сигналов меньше, чем в контрольном, считает-
ся, что для него величина затухания выше.
Во втором методе сравнения используется предварительная
калибровка аттенюатора/усилителя, обычно имеющегося в им-
пульсном генераторе/приемнике или дефектоскопе. Эхо-сигнал
выбирается в области дальнего поля и усиливается так, чтобы его
размах был во весь экран CRT. Потом образец заменяется новым
для сравнения затухания. Если новый образец имеет большее
затухание, размах эхо-сигнала уменьшится. В этом случае с по-
мощью аттенюатора нужно вновь отрегулировать размах эхо-сиг-
нала, растягивая его во весь экран. Разница в показаниях аттеню-
атора, выраженная в децибелах, прямо указывает на различие в
затухании для данных двух образцов. В этом случае разрешение
составляет ± 1 дБ.
Методы измерения затухания
167
Рис. 4.38. Схематичное представление последовательности эхо-сигналов
(от задней поверхности) на экране CRT
4. 6.2. Традиционный метод
В традиционном методе измерения затухания с использованием
импульсной эхо-техники эхо-сигналы выводятся на экран CRT.
как показано на рис. 4.39. Важно, чтобы все измерения амплитуд
проводились только в области дальнего поля. Если толщина об-
разца столь велика, что первый эхо-сигнал от задней поверхности
выпадает за область ближнего поля, то для измерений берут ампли-
туды первого и второго эхо-сигналов. Величину затухания опреде-
ляют по формуле (2.50), воспользовавшись значениями амплитуд
эхо-сигналов (от пика к пику). В данном случае затухание включа-
ет в себя поглощение, рассеяние, потери в связующих элементах,
дифракционные потери и т.д. Если в области дальнего поля име-
ется много эхо-сигналов, которые соответствуют картине экспо-
ненциального затухания, то величину затухания можно получить
непосредственно из цуга эхо-сигналов, рассчитав экспоненциаль-
ную кривую затухания и сопоставив ее с амплитудами пиков. Если
известны амплитуды пиков л-го числа эхо-сигналов, занимающие
больше 10% высоты экрана CRT. то затухание, выражаемое в деци-
белах, можно получить из следующего соотношения:
«=±201g,„ Г(4 / 4+4 / 4 +-W4. 1. дБ| (433)
2а (и-1)
где Ар А?.. А(п1) иАп — амплитуды 1-го, 2-го... (n-l)-ro и n-го эхо-
сигналов; d — толщина образца.
168
Глава 4. Методы измерения ультразвука
Рис. 4.39. Типичная картина множественных эхо-сигналов, полученная
^-сканированием
4. 6.3. Метод видимого затухания
Видимое затухание — это наблюдаемые потери ультразвуковой
энергии. Согласно стандарту Е664-89 Американского общества
специалистов по испытаниям и материалам (ASTM) [44], изме-
рения видимого затухания можно проводить с использованием
установки для испытаний иммерсионным методом с детектиро-
ванием картины ^-сканирования в дефектоскопе. Измерения
можно проводить, используя два эхо-сигнала от задней повер-
хности или множественные эхо-сигналы (рис. 4.39). Измерив
амплитуды п эхо-сигналов, определяют затухание по формуле
(4.32).
4.6 .4. Метод,' основанный на амплитудах первого
эхо-сигнала от задней поверхности
В этом методе [45] для измерения затухания нужны амплитуды
только первых эхо-сигналов от задней поверхности. По этой при-
чине методу отдают предпочтение при измерении затухания в об-
ладающих большим затуханием и толстых образцах материалов.
Так же как в методе сравнения, варьирование толщины, если та-
ковое имеется, не должно превышать ±1%. Среди всех имеющих-
ся образцов в качестве контрольного выбирается образец с наи-
меньшим затуханием. Соответственно, амплитуды эхо-сигналов
этого образца тоже считаются контрольными, и с ними сравнива-
ются амплитуды других образцов для получения относительного
затухания.
Методы измерения затухания 169
4.6 .5. Метод поверхностной волны Рэлея
Измерение затухания поверхностных волн обычно осуществля-
ется с использованием двух преобразователей, находящихся на
определенном расстоянии друг от друга. Один из них выступает
в качестве передатчика, а другой — приемника. В импульсном
эхо-режиме с использованием одного преобразователя хорошим
отражателем ультразвуковой энергии может стать клин, располо-
женный на пути луча. В этом случае возможно измерить только
одно эхо и, следовательно, можно проводить лишь сравнитель-
ные измерения. Если пойти традиционным путем и использовать
два отражателя (клина) на пути луча, то можно измерять затуха-
ние поверхностных волн.
4.6 .6. Автоматизация и измерения частотной зависимости
Автоматизированные измерения затухания стали реальностью
благодаря появлению цифровой электроники и персональных
компьютеров. Интерактивная схема автоматизированных изме-
рений затухания аналогична той, что используется для измерения
скорости, и показана на рис. 4.25. Инструментарий, применяе-
мый в автоматизированных измерениях затухания [25], обозначен
на рис. 4.26.
Рис. 4.40. Автоматизированное измерение затухания с использованием
компьютера
Рис. 4.40 иллюстрирует различные этапы данного процесса.
Сначала выбирают два эхо-сигнала В} и В2 (рис. 4.40а). Потом
производится быстрое преобразование Фурье FFT (рис. 4.40b), и
с помощью компьютерной программы находится коэффициент
затухания как функция частоты (рис. 4.40с). Используя данный
метод, можно с помощью компьютера автоматически измерять
величину затухания с высокой степенью разрешения.
70
Глава 4. Методы измерения ультразвука
4.7. Истинное затухание
Истинное или абсолютное затухание в материалах нельзя изме-
рить или получить из непосредственных измерений. Его можно
вывести из значений затухания, полученных традиционным ме-
тодом. Измеренное затухание учитывает все потери, связанные с
наличием прослойки между преобразователем и образцом, диф-
ракцией, непараллельностью поверхностей образца и т.д. Чтобы
получить абсолютное затухание, необходимо оценить каждую из
этих потерь по отдельности и вычесть их из величины затухания,
полученной экспериментальным путем. Таким образом находят
затухание, связанное только с рассеянием и поглощением волн.
Затухание [6, 46, 47] в твердом материале можно записать в
следующем виде:
а = at аа + а2аь + ac + ad, (4.34)
где ад — истинное или абсолютное затухание; аь — потери, связан-
ные с рассеянием; ас — потери, вызванные наличием прослойки;
ad — дифракционные потери; а, и а2 — константы. В некоторых
случаях дополнительные потери, например, из-за непараллель-
ное™ поверхностей образца, шероховатости поверхности и т.д.
также вносят свой вклад в общую величину затухания. Можно
исключить из рассмотрения данные факторы, если исследовать
ровный образец, грани которого параллельны с точностью до ±5
микрометров, а поверхность отшлифована. В большинстве изме-
рений толщина прослойки между образцом и преобразователем
чрезвычайно мала, следовательно, вызванным ею поглощением
тоже можно пренебречь по сравнению с потерями, связанными
с дифракцией. Аналогично при корректировке связи из измерен-
ной величины затухания можно вычесть соответствующие поте-
ри, рассчитанные отдельно.
4.8. Заключение
Мы провели обзор методов измерения, начиная с основ обнару-
жения и измерения ультразвука, и описали достоинства и недо-
статки отдельных способов. Более подробно рассмотрены новые
возможности, связанные с компьютерными системами измере-
ния ультразвука, резонансной ультразвуковой спектроскопией и
Рекомендуемая литература
171
лазерной интерферометрией, что обусловлено их значимостью.
Кроме того, уделено внимание различным методикам измерения
затухания [48].
Рекомендуемая литература
1. Beyer R Т and Letcher S V, Physical Ultrasonics, Academic Press, (1969)
65.
2. Debye P and Sears FW, Proc. Nat. Acad. Sci., US, 18 (1932) 410.
3. Lucas R and Biquard R, Compt Rend, 194 (1932) 2132.
4. Lucas R and Biquard R, Compt Rend, 194 (1932) 75.
5. Pellam J R and Gait J K, J Chem Phys, 14 (1946) 608.
6. Papadakis E P, Physical Acoustics: Principles and Methods, Academic
Press, New York, 12 (1976) 277-374.
7. Mcskimin H J, J Acoust Soc Amer, 33 (1961) 12 and 37 (1965) 864.
8. Mcskimin H J and Andreatch, P, J Acoust Soc Amer, 34 (1962) 609.
9. May J E, Jr, IRE Nat Conv Rec, 6 (1938) Pt.2, 134.
10. Papadakis E P, J Appl Phy, 35 (1964) 1474.
11. Papadakis E P, J Acoust Soc Amer, 42 (1967) 1045.
12. Papadakis E P, Rev Sci Instrum, 47 (1976) 806.
13. McSkimin H J, J Acoust Soc Am, 33 (1961) 12.
14. McSkimin H J and Andreatch P, J Acoust Soc Am, 34 (1962) 609.
15. Johnson W C, transmission Lines and Networks, McGraw Hill, Singapore,
(1963).
16. Godfrey L and Philip J, Acoustics Letters, 19 (1995) 11.
17. Hull D R, Kautz H E and Vary A, Mater Eval, 43 (1985)1455.
18. Rao В P C, Jayakumar T, Bhattacharya D К and Baldev Raj, J Acoust Soc
India, XX(l-4) (1992) 90.
19. Bendat J S and Piersol A G, Engineering Applications of Correlation and
Spectral Analysis, Wiley, New-York, (1980).
20. Bracewell, R N, The Fourier transform and its Application, McGraw Hill,
New York, (1978).
21. Sachse Wand Pao, YH, J Appl Phys, 49 (1978) 4320.
22. Jin C, Rev Sci Instrum, 67(1) (1996) 271.
23. Hu J, Zheng Y and Zhang Q, Proc Seventh Asian-Pacific Conf On NDt,
APCNDT-93, Sanghai, China (1993)212.
24. Sarras A and Kabelka, H, Meas Sci Technol, 5 (1994) 1382.
25. Pathak L, Palanichamy P and Selva Solomon, J Non-Dest Eval, 14 (1994)
11.
26. TRW LSI Products, Video A/D Converter, Model TDC 1007 PCS. Data
book 1978.
27. Advanced Micro Devices, Inc. CMOS Memory Products Data Book,
(1991).
Глава 4. Методы измерения ультразвука
28. Richard A Qinnel, FIFO Memories, EDN Jan. (1991).
29. Migliori A, Visscher W M, Brown S E, Fisk Z, Cheong S W, Alien B,
Ahrens E T, Kubat Martin К A, Maynard J D, Huang Y, Kirk D R,
Gillis К A, Kim H К and Chan MHW, Phys Rev B, 41 (1990) 2098.
30. Maynard J D, J Acoust. Soc Amer, 91 (1992) 1754.
31. Miliori A, Sarrao J L, Visscher W M, Bell T M, Ming Lei, Fisk Z and
Leisure RG, Physica B, 183 (1993) 1.
32. Ehrlich M J and Wagner J W, Proc Con Hologram Interferometry and
Speckle metrology, Baltimore, MD, Nov. 1990.
33. Goto T and Anderson О L, Revi Sci Instrum., 59 (1988) 1405.
34. Kuokkala V T and Schwarz R B, Revi Sci Instrum, 63 (1992) 3136.
35. Maynard J D, Phys Today, 49(1) (1996) 26.
36. Lei M, Sarrao J L, Visscher W M, Bell T M, Thompson J D, Migliori A,
Welp U W and Veal В W, Phys Rev B, 47 (1993) 6154.
37. Whittingtom К R, Electrodynamic Probes-Principles, Performance and
Applications, Bristish J NDT, (1981) 127.
38. Krautkramer J and Krautkramer H, Ultrasonic Testing of Materials,
Narosa publishing House, Delhi (1993).
39. Szilard J (Ed), Ultrasonic Testing Non-Conventional Testing Techniques,
John Willey and Sons, New York, (1982).
40. Birks A S, Green (Jr) R E and McIntire P (Ed), Non-Dest Testing Hand
Book, Vol 7, American Society for NDT, (1991).
41. Silk M G, Ultrasonic Transducers for Non-Destructive Testing, Adam
Hilger Ltd., Bristol, (1984).
42. Monchalin J P, IEEE Trans Ultrason Ferroelectric and fre Control,
UFFC-33 (1986) 485; Wagner J W, Nondestructive Test Eval, 7 (1992)
107.
43. Philip J et al, Pico Laser Applications in Materials Science and Industry
(LAMI-1997) Kalpakkam.
44. E 664-78 (Reapproved 1989), Annual Book of ASTM Standards, Vol
03.03, 1979, PP 273-275.
45. Palanichamy P, Joseph A and Jayakumar T, Insight, 36(11) (1994) 87.
46. Rajendran V, Palanivelu N, Palanichamy P, Jayakumar T, Baldev Raj
and Chaudhuri В K, J Non-Cryst Solids, 296 (2001) 39.
47. Truell R, Elbaum C and Chick В В, Ultrasonic methods in Solid State
Physics. New York, Academic press (1969).
48. Palanichamy P, Subramanium С V and Baldev Raj, Brit J NDT, 31
(1989) 78.
ГЛАВА 5
ОБЩИЕ И ПРОГРЕССИВНЫЕ
СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ
УЛЬТРАЗВУКА
5.1. Введение
В предыдущих главах рассматривались фундаментальные концеп-
ции, источники ультразвука, разнообразные принципы и инстру-
ментарий обнаружения наряду с различными типами преобразо-
вателей и материалов. Предыдущие главы позволяют вникнуть в
суть обширной области науки и технологии ультраакустики.
Сравнительно с другими методами, существующими на сегод-
няшний день, ультраакустика широко применяется во всех облас-
тях. Это обусловлено ее широкими возможностями, появлением
передовой электроники, инновациями в сенсорных технологиях,
доступностью компьютеров, методиками обработки сигналов и
изображений, улучшением чувствительности обнаружения, что
позволяет получать количественную характеристику дефектов и
оценивать микроструктурное старение материала. Ультразвуковые
методы уникальны. Они находят широкое применение и исполь-
зуются во всех областях [ 1 —4].
Потенциал применения ультразвука обусловлен следующими
свойствами ультразвуковой волны:
(I) Волна проходит короткое или длинное расстояние в среде
при выборе соответствующей частоты и интенсивности.
(II) Она движется как вполне определенный звуковой луч.
(III) Ее скорость постоянна в гомогенной среде.
(IV) Возможно множество режимов колебания, которые удов-
летворяют требованиям различных вариантов применения.
(V) Имеет место прямое взаимодействие волн с материалами,
что играет важную роль в изучении молекулярного взаимодейс-
твия, характеристик материалов и т.д.
Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
(VI) На высоких частотах длина волны мала, что приводит к
более высокому разрешению в дефектоскопии.
(VII) Она подвергается отражению и рефракции на поверх-
ности, что помогает оценить упругие и физические характеристи-
ки среды.
Нижеприведенная схема (рис. 5.1) дает четкую картину потен-
циала применения ультразвука в различных областях.
5,2. Классификация применений ультразвука
Рис. 5.1. Применение ультразвука в различных областях
Применение ультразвука классифицируется в соответствии с дву-
мя факторами: интенсивностью и частотой.
Так, существуют (I) низкочастотные методы, связанные с вы-
сокой интенсивностью, (II) высокочастотные, связанные с низ-
кой интенсивностью. Для конкретного применения очень важен
выбор частоты и интенсивности ультразвуковых волн. К примеру,
для испытаний бетона, очистки, сварки, напыления, терапии, хи-
рургии частота ультразвуковых волн должна быть низкой, порядка
килогерц, а интенсивность — очень высокой, порядка киловатт.
Аналогично для таких исследований, как характеристика матери-
Классификация применений ультразвука 175
алов, дефектоскопия, подводная передача сигналов и т.п., требу-
ются ультразвуковые волны высокой частоты, порядка мегагерц,
и в то же самое время очень низкой интенсивности, от нескольких
микроватт до нескольких десятков милливатт.
Более того, ультразвук низкой интенсивности можно исполь-
зовать как инструмент для исследования свойств материалов или
метод контроля. К прочим способам применения ультразвука от-
носятся измерения физических величин (положение, расстояние,
скорость и т.д.), высоты уровня, температуры, давления, плотнос-
ти, состава.
Применение ультразвука в исследованиях молекулярного
взаимодействия, характеристик материалов, неразрушающих ис-
пытаниях (ACD7), медицинской и подводной акустике подробно
обсуждается в главах с 6-й по 10-ю. Там же вы найдете краткое
описание каждой из перечисленных областей. Однако специфи-
ческое и прогрессивное применение ультразвука в промышлен-
ности еще только развивается. Чтобы дать полную картину пер-
спектив применения ультразвука в различных областях, вкратце
обсуждаются важные способы его использования.
(I) Низкая частота — использование ультразвука высокой ин-
тенсивности:
• Сварка;
• Очистка;
• Расходомеры;
• Пищевая промышленность;
• Испытания бетона;
• Измерения температуры и давления;
• Эхолот;
• Измерения длины.
(П)Высокая частота: применение ультразвука низкой интен-
сивности:
• Индикатор уровня;
• Измерения толщины;
• Ультразвуковая микроскопия;
• Голография;
• Интеллектуальная обработка материалов;
• Измерение остаточного напряжения.
Применение ультразвука на различных уровнях промышлен-
ности, а также в других областях кратко рассматривается в следу-
ющих разделах.
76 Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
5.3. Низкая частота — применение высокой
интенсивности
Характер распространения ультразвуковой волны полностью за-
висит от природы среды. Затухание ультразвуковой волны опре-
деляется состоянием среды. Затухание также сильно зависит от
частоты. Следовательно, применение высокой интенсивности
возможно только при низких частотах (20—100 кГц). Некоторые
способы применения ультразвука низкой интенсивности и высо-
кой частоты обсуждаются ниже.
5.3.1. Сварка
Ультразвуковая сварка (USW) [5—9] — это явление образования
прочной металлургической связи между материалами, находя-
щимися в твердом состоянии, без их расплавления. Связь воз-
никает благодаря местному воздействию высокочастотной энер-
гии колебаний при соединении рабочих деталей под давлением.
Ультразвуковая сварка используется для того, чтобы соединять
внахлест металлические листы или фольгу, проволоки или лен-
ты и плоские поверхности, пересекающиеся или параллельные
провода, а также производить другие виды соединений, которые
можно выполнять на наковальне. В настоящее время ультразву-
ковая сварка снискала признание практически во всех областях:
электронике, автомобильной и аэрокосмической промышлен-
ности и т.д. В следующих подразделах рассматриваются принцип
работы, применение, достоинства и недостатки USW.
Принцип работы
Типичные компоненты, используемые в системе USW, показа-
ны на рис. 5.2. Система состоит из преобразователя частот, связки
«преобразователь — сонотрод (связующая система)» и опор нако-
вальни. Электрическая энергия, необходимая для генерации час-
тоты, подается на преобразователь с помощью преобразователя
частот. Преобразователь производит ультразвуковые колебания,
которые передаются в обрабатываемое изделие через сонотрод.
Сонотрод — это акустический аналог термина «электрод», ис-
пользуемый в сварке. Сонотрод состоит из клина и якоря, как по-
казано на рис. 5.2. Наконечник сонотрода контактирует с одной
из обрабатываемых деталей и передает ей энергию колебаний.
Сжимающее усилие передается через якорь, который являет-
Низкая частота — применение высокой интенсивности
177
ся частью сонотрода. Наковальня предназначена для поддержки
свариваемых деталей и противодействия силам сжатия.
На ультразвуковой сварочный процесс оказывают влияние
статическая сила сжатия, сила поперечных колебаний и среднее
повышение температуры в зоне сварки. Величины вышеназван-
ных сил несут ответственность за хорошую сварку, хотя она зави-
сит от толщины, состояния поверхности и механических свойств
обрабатываемых деталей.
Статическая сила сжатия
прилагается перпендикулярно
поверхности между обраба-
тываемыми деталями. В то же
самое время наконечник со-
нотрода начинает совершать
колебания параллельно этой
поверхности. В обрабатыва-
емой детали возникает внут-
реннее напряжение благодаря
комбинации статической силы
и силы поперечных колебаний.
Пока напряжение в металле не
превышает предел упругости,
металл подвергается только
упругой деформации. Но ког-
да напряжение превышает по-
роговое значение, происходит
локализованное поверхнос-
тное скольжение без общего
сдвига. Результатом становит-
ся разрушение и смешивание
поверхностных пленок, что
формирует контакт металлов в
Сила
Рис. 5.2. Ультразвуковая система
точечной сварки — модель
с использованием клина
и якоря
любой точке. Процесс продолжается до тех пор, пока не образует-
ся сплошная область сварки вследствие непрерывных колебаний.
Во время {/ЗЖнаблюдается повышение температуры, что обуслов-
лено изменениями упругости, граничным контактом и пластичес-
кой деформацией. Тем не менее нет данных, доказывающих, что
подъем температуры при USWприводит к плавлению металлов.
Другим важным фактором, который следует принимать во
внимание, является мощность. Частота ультразвуковых колеба-
Глава 5, Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
ний варьируется от 10 до 75 кГц. Требуемую мощность преобразо-
вателя дает электроэнергетическая система. Таким образом, при
подаче электроэнергии на преобразователь она преобразуется в
энергию механических колебаний. Энергия колебаний передает-
ся обрабатываемому изделию для осуществления сварки. Во вре-
мя этого перехода энергии ее часть рассеивается в поддерживаю-
щей системе наковальни.
Энергия, необходимая для USW, зависит от твердости обраба-
тываемого изделия и его толщины в точке, контактирующей с на-
конечником сонотрода. Электрическая энергия Е определяется по
следующей формуле:
Е = К(НсГ?/2, (5.1)
где Н— число твердости Викерса, d — толщина пластины, контак-
тирующей с наконечником сонотрода, К — константа данной сва-
рочной системы.
Применение
Важными способами применения USW в промышленности
являются:
(I) Сварка миниатюрных электронных компонентов: (а) алю-
миниевые и золотые провода с транзисторами, диодами, полу-
проводниками, (Ь) провода и ленты с тонкими пленками и мик-
роминиатюрными цепями, (с) диоды и транзисторные чипы с
подложкой и т.д.
(II) Электрические соединения в сборке моторов, катушках
возбуждения, трансформаторах, конденсаторах и т.д.
(III) Сварка поврежденной алюминиевой фольги произволь-
ной длины.
(IV) Разнообразная упаковка, начиная с мягких пакетов из
фольги и заканчивая герметичными металлическими контейнера-
ми, герметичными уплотнителями, защищающими от протечек.
(V) Заключение в капсулу материалов, которые чувствительны
к нагреванию или электрическому току.
(VI) Монолитное соединение структурных аппликаций при
ограничениях на толщину свариваемого листа.
(VII) Уменьшение стоимости производства солнечной энер-
госистемы. Соединения в фотоэлектрических модулях силиконо-
вых ячеек изготовлены с помощью USW.
Низкая частота — применение высокой интенсивности 179
Достоинства и недостатки USWприведены в таблице 5.1.
Табл. 5.1. Достоинства и недостатки USW
Достоинства Недостатки
(I) ^^производится без расплавления материала (I) Толщина деталей в месте вблизи сонотрода должна быть очень ма- ленькой. Это связано с тем, что мощность оборудования ограничена
(II) Не требуется дуга, как при электродуговой сварке (II) Толщина сварки зависит от свойств материалов
(III) Соединяет самые разно- образные металлы (III) Энергия, требуемая для уль- тразвуковой сварки алюминия, меди и других металлов с высокой теплопроводностью, очень велика
(IV) Не требует большого давления (IV) В металлах не появляется стыковой сварной шов, однако в полимерах он вполне может обра- зоваться
(V) Короткое время сварки и высокий уровень безопас- ности
5.3.2. Очистка
Одним из основных способов применения ультразвука высокой
мощности является ультразвуковая очистка [10—15]. Ее осущест-
вление стало возможным благодаря доступности мощных пьезоэ-
лектрических преобразователей, таких как титанат бария, титанат
цирконат свинца и т.д. Ультразвуковая очистка широко применя-
ется в промышленности, что обусловлено развитием преобразо-
вателей, инструментария и т.п. за последнее время.
В следующих подразделах вкратце рассматриваются основные
принципы, простейшая ультразвуковая установка для очистки, ис-
пользуемые преобразователи и их промышленное применение, что
позволит читателям получить представление о данном вопросе.
Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
Принцип действия
В основе данного метода лежит принцип преобразования
электрических колебаний в соответствующие механические, что
приводит к колебаниям дна резервуара и активному движению
молекул жидкости, которая в нем содержится. Таким образом,
вынужденные возмущения в жидкости вызывают формирование
микроскопических полостей или пустот. Данный процесс назы-
вают кавитацией. Вследствие разрушения (схлопывания) этих
пустот высвобождается огромное количество энергии. Эта энер-
гия оказывает на металл, погруженный в чистящую жидкость,
интенсивное очищающее местное воздействие. Кавитация в жид-
кой среде образуется благодаря распространению ультразвуковых
волн, то есть образованию поочередных сжатий и разрежений,
областей высокого и низкого давления. Полости растут на микро-
скопическом уровне во время разрежения и подвергаются дефор-
мации в фазе сжатия. Описанный процесс зависит от величины
прилагаемой ультразвуковой энергии.
Ультразвуковая система очистки
Ультразвуковая система очистки состоит из ультразву-
кового генератора, преобразователя и резервуара (рис. 5.3).
Ультразвуковой преобразователь помещается под дном резерву-
ара. Металлический резервуар изготовлен из нержавеющей ста-
ли. Он наполнен чистящей жидкостью, которая может быть на
водной основе или растворителем. Размер и частота колебаний
преобразователя для генерации ультразвуковых волн, находяще-
гося под резервуаром, выбираются в зависимости от вместимости
резервуара. Ультразвуковой генератор подает соответствующий
сигнал переменного тока на преобразователь, который начинает
совершать колебания с резонансной частотой. Колебания переда-
ются в жидкую среду через резервуар из нержавеющей стали. Во
время этого процесса возникает кавитация. Система очистки так-
же включает температурный контроль, очистку жидкости, венти-
ляцию и вытяжку. Частота ультразвуковых волн, используемых в
данном процессе, варьируется от 20 до 40 кГц, а интенсивность —
от 0,5 до 5х104 Втм-2.
Среда, используемая для ультразвуковой очистки, играет важ-
ную роль. Существуют два вида сред: водная среда и растворитель.
Идеальная очищающая среда должна характеризоваться низким
поверхностным натяжением, низкой вязкостью и т.д. для повы-
Низкая частота — применение высокой интенсивности
181
шения эффективности очистки. Главными факторами, которые
следует учитывать, являются вид загрязняющих веществ, которые
подлежат удалению, физические свойства очищаемых изделий и
требуемая скорость обработки.
Рис. 5.3. Ультразвуковая система очистки
В водной среде в роли чистящей жидкости выступает вода,
в которой могут содержаться очищающие химикаты, а могут и
отсутствовать. В растворяющей среде в качестве растворите-
лей используется галогенизированный углеводород, как, на-
пример, трихлортрифторэтан, трихлорэтан, метиленхлорид.
Большинство наиболее распространенных загрязняющих ве-
ществ можно удалить с помощью водных растворов, тогда как
растворители используются для устранения флюса, грязи или
тяжелых масел.
Ультразвуковая энергия поступает от преобразователя в
чистящую жидкость. Ультразвуковой преобразователь можно
соединить с резервуаром тремя способами: (I) преобразователь
находится непосредственно под резервуаром, (II) используется
пластина с преобразователями, (III) используются погружаемые
преобразователи. В первом методе преобразователь прикрепля-
ют к дну чистящего резервуара, как показано на рис. 5.3. Во вто-
ром случае преобразователи последовательно присоединяют к
неподвижной прямоугольной металлической пластине, рис. 5.4.
Металлическую пластину с преобразователями можно прикреп-
лять либо к дну резервуара, либо к его боковым стенкам. В мето-
де погружения преобразователи находятся в квадратном корпусе
из нержавеющей стали, хотя он может быть круглым, шести-
угольным или цилиндрическим, что определяется заданными
требованиями. Преобразователи погружают в очищающую ван-
ну либо на дно, либо вблизи одной из задних стенок.
182
Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
Рис. 5.4. Положение преобразователей на жесткой металлической
пластине
Компоненты преобразователя
Болт
Пластина
подложки
Керамические
диски
Конус
Рис. 5.5. Устройство преобразователя — ультразвуковая очистка
В большинстве установок для очистки используются пьезо-
электрические кристаллы, потому что они передают от 70 до 90%
поступающей энергии в чистящую жидкость. Устройство такого
пьезоэлектрического преобразователя показано на рис. 5.5. Он
состоит из стальной пластины подложки и излучающего алю-
миниевого конуса. Чтобы излучать больше энергии в нужном
направлении, алюминиевый конус имеет меньшую массу, чем
стальная пластина, что увеличивает амплитуду смещения в алю-
минии.
Низкая частота — применение высокой интенсивности
183
Применение
Важные области применения ультразвуковой очистки, а также
отрасли промышленности, продукция и способы эксплуатации
перечислены в табл. 5.2.
Табл. 5.2. Применение ультразвуковой очистки в промыш-
ленности
Отрасли промышленности Характер применения
Электроника Платы с печатными схемами (PCВ), элек- тронные сборки, резисторы, конденсаторы, поворотные переключатели, детали элек- тронных микроскопов, компоненты полу- проводников и т.д.
Электротехника Двигатели, генераторы, измерительные приборы (вольтметры, амперметры), пере- ключатели, термостаты, автоматические выключатели, вакуумные прерыватели и т.д.
Авиация Опоры, помпы, фильтры, гидравлические компоненты, высотомеры, анемометры, гироскопы и т.д.
Автомобильная промышленность Топливные форсунки, карбюраторы, поршни, клапаны, блоки двигателя, амортизаторы и т.д.
Украшения Драгоценные камни, ювелирные изделия, часы, монеты, медали и т.д.
Медицинский инструментарий Хирургические инструменты, шприцы, стеклянные изделия и т.д.
Оптический инструментарий Объективы камер, микроскопы, телескопы, бинокли, волоконная оптика, очки и т.д.
Общая инженерия Просеивание, инструменты, двигатели, огнету- шители, ножевые изделия, ножницы, изделия из серебра, морские раковины, археологичес- кие образцы, геодезические приборы, судовой компас, магнитная лента, кинопленка и т.д.
Кроме того, ультразвук используется для очистки от грунтов
и от таких покрытий, как масла, смазочные вещества, воск, си-
184
Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
ликон, компоненты доводки, шлифовки, полировки, налет от
нагревания или обгорания, отпечатки пальцев, влага, налет от со-
противления потоку, смолы, битумные материалы, клейкие мате-
риалы, камедь, фоторезист, шеллак, краска и т.д.
Достоинства
К достоинствам использования ультразвуковой очистки в
промышленности относятся:
(I) Повышенная скорость очистки как в водной среде, так и в
растворителе.
(II) Низкие затраты.
(III) Меньшее требуемое пространство и уменьшение затрат
труда.
(IV) Возможность применения для очистки опасных веществ,
так как не требуется контакта работающих с ними.
(V) Высокий уровень безопасности, меньше жалоб.
(VI) Отсутствие загрязнения окружающей среды.
(V) Высокие качественные результаты с точки зрения устране-
ния веществ и очистки; низкий процент брака.
5.3.3. Расходомеры
Важным примером применения ультраакустики в промышлен-
ности является ультразвуковой расходомер [2, 16—19]. Расходо-
меры широко используются в различных областях: измерение
расхода газа в быту, измерение газовых потоков с высоким дав-
лением, газовая система распределения, мониторинг горючего
газа на плавучих платформах, измерения потоков очищенной и
грязной жидкости, измерения потока в реках и каналах, измере-
ния воздушных потоков и т.д. С развитием технологий в ультра-
акустике ультразвуковые расходомеры замещают механические
измерители в большинстве областей. В следующих подразделах
под соответствующими заголовками коротко описываются при-
нципы работы, различные типы ультразвуковых расходомеров и
их применение.
Принцип действия
В начале книги мы досконально обсудили необходимость сре-
ды для распространения ультразвуковой волны. Следовательно,
вне зависимости от того, является ли среда жидкой или газооб-
Низкая частота — применение высокой интенсивности
185
разной, измерение скорости будет определяться одним и тем же
видом движения. Скорость ультразвука является векторной вели-
чиной, поэтому поток газа или жидкости можно измерять с помо-
щью ультразвуковых волн. Таких способов несколько:
(I) Время пробега. Метод больше подходит для чистых жид-
костей и газов. В данном методе (рис. 5.6а) в движущейся жидкос-
ти/масле измеряется время пробега распространяющейся ультра-
звуковой волны.
(II) Метод Доплера. Данный метод (рис. 5.6b) пригоден для
жидкостей, в которых присутствует вторичная фаза состояния
вещества, например сточные воды, осадок, бумага и целлюлоза.
Поток измеряется с помощью ультразвука, рассеивающегося от
частиц или воздушных пузырьков.
(III) Корреляция. В этом методе в качестве основных элемен-
тов в жидкости выступают вторичная фаза или вихреобразования.
Метод (рис. 5.6с) широко используется при измерении многофаз-
ных потоков в нефтяной и газовой промышленности.
(IV) Колебание жидкости. Механизм (рис. 5.6d) состоит в об-
наружении изменений амплитудной модуляции, которая проис-
ходит вследствие колебаний давления в газах и колебаний скоро-
сти в жидкостях. Величина скорости рассчитывается по частоте
модуляции.
(V) Открытый канал. Измерение потока (рис. 5.бе) осущест-
вляется путем замеров высоты поверхности жидкости, когда те-
кучая среда проходит через открытый канал или желоб. Данный
метод обычно осуществляется при наличии свободной воздушной
среды, то есть такой, которая не создает препятствий.
Из всех вышеперечисленных методов наиболее часто исполь-
зуются время пробега, методы Доплера и открытого канала. Мы
приведем описание первого из них, так как он является наиболее
значимым и при этом самым простым.
Расходомер, основанный на измерении времени пробега
В данном методе измерения можно проводить как в жидкос-
тях, так и в газах. Для измерения скорости потока используется
разница во времени пробега волны в ультразвуковом луче при его
ориентации по течению и против. Представим, что текучая среда
движется со скоростью о под углом 0 к направлению ультразвуко-
вого луча, как показано на рис. 5.7
186 Глава 5, Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
а) Время пробега
Ь) Доплеровский метод
с) Корреляция
d) Обнаружение вихреобразования
Рис. 5.6. Различные виды расходомеров
е) Измерение высоты
Преобразователь-2
Скорость
движения
текучей
среды
Скорость звука
в среде
Преобразователь-1
d
Рис. 5.7. Расходомер, основанный на измерении времени пробега
Пусть U — скорость ультразвуковых волн в жидкости, тогда вре-
мя пробега от преобразователя-1 до преобразователя-2 составляет:
sin0(C7-VCOS0) ’
Аналогичным образом определяется время пробега от второго
преобразователя к первому:
d
21 sin0(£7+ucos0) ’
где d — диаметр трубы, в которой течет жидкость.
Следовательно, разность значений времени пробега:
АГ — 7]2 Т21 -
2Jcos0v
U2 sin0
(5.4)
поскольку LP>>U2COS20.
Низкая частота — применение высокой интенсивности
187
Из вышеприведенных формул понятно, что разность значе-
ний времени пробега пропорциональна V.
В формуле (5.4) можно заменить Uи записать ее в виде:
АТ _ 2ucos0sin0 _ usin20
^12^21 d d
(5.5)
Данный метод применим для труб больших размеров, так как
время пробега пропорционально диаметру трубы. В трубах малого
диаметра измерение обычно осуществляется путем передачи луча
вдоль оси трубы или путем многократных отражений в трубе, как
показано на рис. 5.8. В промышленности большинство ультразву-
ковых расходомеров относятся к типу с цифровой обработкой.
Блок-схема расходомера приведена на рис. 5.9.
а) Осевой расходомер
Рис. 5.8. Расходомеры: применение в трубах малого диаметра
Преобразователь-1
Преобразователь-2
Жидкая
текучая”
среда
Ь) Многократные отражения
Рис. 5.9. Блок-схема расходомера с цифровой обработкой
188
Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
Потенциальными областями применения расходомеров явля-
ются неагрессивные или неразрушающие высокоточные техноло-
гии. Измерение времени пробега можно осуществлять с помощью
нескольких методов, которые были описаны в главе 4: переднего
фронта, измерения фаз, циклического возбуждения, перекрыва-
ния эхо-импульсов и т.д.
5.3.4. Пищевая промышленность
Пища может быть однородной и неоднородной, изотропной и
анизотропной по своей природе, содержать фазы твердого состо-
яния, жидкого и газообразного. Химическими составляющими
пищи являются протеины, углеводы, жиры, витамины, минералы
и вода. В пищевой промышленности для создания высококачес-
твенного продукта производители часто используют ультразвук,
который помогает характеризовать сырые материалы на различ-
ных стадиях [20—24]. Применение ультразвука в пищевой про-
мышленности преследует три цели: исследовать основные физи-
ко-химические свойства пищевых компонентов, контролировать
свойства пищи во время ее производства, а также во время ее
обработки, осуществляя контроль в режиме реального времени.
Выбор ультразвукового инструмента зависит от ряда факторов,
таких как природа материала, требуемая информация, точность,
требуемый режим (реальное время или автономный) и, наконец,
доступные финансовые средства.
Принцип действия.
В пищевой промышленности используется ультразвук как
низкой, так и высокой интенсивности. Ультразвук низкой интен-
сивности применяется для изучения различных свойств: состава,
структуры и фазового превращения, в то время как высокая ин-
тенсивность предназначена для частого/постоянного изменения
свойств пищевого материала. Мощность ультразвука низкой ин-
тенсивности не превышает 0,1 Вт см-2, а частота варьируется от
0,1 до 10 МГц. Мощность ультразвука высокой интенсивности
составляет более 1 Вт см 2, а частота — менее 0,1 МГц.
В процессе производства сока звуковая волна передается в
овощи или сахарный тростник через жидкую среду. Волокна и
сок в овощах вследствие воздействия ультразвуковой энергии
колеблются неодинаково. Колебания волокон и сока различа-
Низкая частота — применение высокой интенсивности 189
ются по частоте, размаху и фазе из-за различий в плотности,
эластичности и сопротивлении трению. Следовательно, волок-
на и сок должны иметь разную амплитуду колебаний и разные
временные фазы относительно падающей ультразвуковой энер-
гии, так как скорость ультразвука в волокнах и соке отличает-
ся. Движения волокон и сока происходят периодически. Это
приводит к тому, что сок движется периодически относительно
волокон и переходит через них туда и обратно, вокруг и между
них. В данном эксперименте частота варьируется от 20 кГц до
сотен герц.
Импульсный генератор и самописец,
регистрирующий время пробега
Рис. 5.10. Схема определения физических свойств материалов
Одним из наиболее важных характерных применений ультра-
звука в пищевой индустрии является датчик, работающий в режи-
ме реального времени и отслеживающий свойства пищевых мате-
риалов в процессе производства. На рис. 5.10 изображена простая
экспериментальная установка, используемая для измерения фи-
зических свойств пищи, проходящей по трубе. Ультразвуковая
импульсная энергия, генерируемая преобразователем, посту-
пает в образец, который движется по трубе. Она отражается от
внутренней стенки трубы и снова поступает в преобразователь.
Отраженный сигнал обнаруживается с использованием электри-
ческого счетчика времени, который показывает время прохож-
дения t туда и обратно. Зная внутренний диаметр трубы d, можно
определить скорость ультразвука:
190
Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
и=—
t
(5.6)
Частота датчика, используемого в этом эксперименте, состав-
ляет 2,5 МГц. Аналогичный принцип применяется при определе-
нии состава пищевых материалов и степени их кристаллизации.
Наиболее распространенные способы применения ультразвука в
пищевой промышленности приведены в табл. 5.3.
Табл. 5.3 Применение ультразвука в пищевой
промышленности
Низкая интенсивность Высокая интенсивность
Состав Очистка
Структура Гомогенизация
Температура Разрушение клеток
Скорость потока Ультразвуковая химия
Определение уровня Извлечение
5.3.5. Испытания бетона
Бетон представляет собой композиционный материал, который
состоит из связующей среды с частицами гравия, песка и т.д.
Необходимо критически оценивать структуру бетона во время
его эксплуатации, дабы убедиться, что он не разрушается и в нем
отсутствуют дефекты. Для неразрушающего контроля структуры
бетона широко применяются два важных метода: тестирование с
помощью ультразвука и анализ эхо-отклика на механическое воз-
действие [25—27]. Тестирование толстого бетона посредством уль-
тразвукового метода зачастую представляется затруднительным,
что обусловлено сильным рассеянием и затуханием звуковой
энергии в среде и, как следствие, низким отношением сигнал-
шум для отраженных сигналов. Кроме того, в толстых образцах
предполагается, что при распространении ультразвука использу-
ется техника сквозного прозвучивания. Для этого требуется до-
ступность обеих поверхностей, а также нормальное выравнива-
ние преобразователей по отношению к поверхностям образца и
друг к другу, чего достигнуть достаточно сложно, если не сказать,
Низкая частота — применение высокой интенсивности
191
невозможно. Чтобы преодолеть вышеназванные ограничения и
достоверно исследовать структуру бетона, в середине 1980-х гг.
был изобретен метод неразрушающих испытаний [28], известный
как метод тестирования с помощью эхо-отклика на механическое
воздействие.
Данный метод подразумевает возбуждение кратковременных
ударных импульсов в тестируемом образце путем механическо-
го воздействия и отслеживание поверхностных смещений, вы-
званных отражениями такого импульса от внутренних дефектов
и внешних границ образца. Импульс состоит из продольных Р и
поперечных S волн, которые распространяются в объекте в виде
сферических волновых фронтов, а также рэлеевской волны R, дви-
жущейся вдоль поверхности. Эти волны отражаются, наталкива-
ясь на внутренние дефекты и границы, и отраженные волны воз-
вращаются к поверхности. На передней поверхности волны снова
отражаются и распространяются в тестируемом объекте. Таким
образом, устанавливается резонансное состояние, формируемое
многократными отражениями волн между передней поверхностью
и внутренними дефектами или внешними границами образца. Для
отслеживания поверхностных смещений, вызванных появлением
отраженных волн, используется датчик перемещений, располо-
женный вблизи точки воздействия. Главную роль в испытаниях
пластин этим методом играют P-волны, потому что вызванные
ими смещения намного больше, чем смещения, образуемые S-
волнами в точках, близких к точке воздействия [29—31]. Амплитуда
отраженной P-волны (An/lecled) определяется по формуле:
^fleeted ~ 4 (-^2 ^1) / (^2 + ’
(5.7)
где Zj и Z2 — соответственно акустический импеданс областей под
и над поверхностью образца, А — амплитуда движения частицы в
падающей волне.
Фаза отраженной волны зависит от соотношения ZJZr Если
Z/Z; меньше единицы (на границе бетон/воздух; Z/Z, = 1(У7), то
на поверхности имеет место опрокидывание фазы. В результа-
те опрокидывания фазы на обеих поверхностях образца волны,
отраженные от двух границ бетон/воздух, воспроизводят на воз-
буждаемой поверхности последовательный цуг волн растяжения
(внутренние смещения). Принимая во внимание то, что волны,
отраженные попеременно от границы бетон/воздух и бетон/сталь,
192 Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
образуют попеременные волны сжатия (внешнее смещение) и
растяжения (внутреннее смещение) на возбуждаемой поверхнос-
ти, частота вступления P-волн подобного рода (сжатие/растяже-
ние) становится в половину меньше, чем при отражении от двух
границ бетон/воздух, находящихся на таком же расстоянии друг
от друга (речь идет о явлениях, сходных с описанными в разделе
2.9 явлениями полуволнового и четвертьволнового резонансов).
Частота поступлений P-волн в преобразователь определяется
путем преобразования сигнала временной области в частотную
область с помощью быстрого преобразования Фурье. Частоты,
связанные с пиками в возникающем спектре амплитуд, пред-
ставляют собой преобладающие частоты формы волны. Толщину
пластины или глубину залегания дефекта, где волны отражаются
от границы бетон/воздух, можно рассчитать по простой формуле,
которая задает соотношение между глубиной d и частотой отра-
жений волны/ а также скоростью P-волны Up.
d = Up/2f. (5.8)
Соотношение между глубиной залегания стального бруса d, Up
и /имеет вид:
ds=UP/4fs.
(5.9)
Различия в формулах (5.8) и (5.9) при измерении глубины за-
легания поверхностей бетон/воздух и бетон/сталь связаны с изме-
нением частоты вступлений P-волн подобного типа (сжатие/рас-
тяжение) в двух вышеописанных условиях.
Определить Up можно, измерив время, требуемое сферичес-
кому фронту P-волны для прохождения по поверхности между
двумя преобразователями, расположенными на фиксированном
расстоянии друг от друга. Up можно также получить из скорости
P-волны UR, измерив время между поступлениями P-волн, дви-
жущихся по бетонной поверхности, на два разнесенных преобра-
зователя и воспользовавшись нижеприведенным соотношением:
ПГп/1 м1/2
2(1-g)
Up £//?L0,87 + 1,12o-JL(1-2cf) J ’
(5.10)
где в — коэффициент Пуассона.
Низкая частота — применение высокой интенсивности 193
Для генерации волн различной частоты можно использовать
стальные шары различных размеров. Шары меньших диаметров
производят высокочастотную волну с малой энергией, которая
полезна для обнаружения дефектов вблизи поверхности. Шары,
имеющие больший диаметр, генерируют волны низкой часто-
ты и большей энергии, что позволяет проникать более глубоко.
Правильный выбор частоты оцифровывания, объема порции дан-
ных и диаметра стального шара играет большую роль. Например,
когда главная задача заключается в том, чтобы проникнуть во всю
толщину структуры, следует остановить свой выбор на низкой
частоте оцифровывания, большем объеме порции данных и боль-
шем диаметре шара. Что касается обнаружения трещин вблизи
поверхности, в этом случае приемлемыми являются высокая час-
тота оцифровывания, маленький объем порции данных и шары
меньшего диаметра.
Схема системы тестирования посредством механическо-
го воздействия и анализа эхо-отклика приведена на рис. 5.11.
Основными компонентами системы являются: (I) модуль, кото-
рый включает воздействующий прибор (стальной шар) для ге-
нерации низкочастотных волн напряжения (звуковых волн) и
пьезоэлектрический преобразователь, обнаруживающий повер-
хностные смещения, вызванные отраженными волнами; (II) вы-
сокоскоростная аналого-цифровая система сбора информации,
которая получает и оцифровывает аналоговый сигнал напряже-
ния с выхода преобразователя, и передает его в компьютер; (III)
портативный компьютер; (IV) компьютерная программа, которая
следит за ходом каждого тестирования и управляет обработкой
информации, выводя на экран сведения о тестируемой структуре
(сигналы меток времени, частотный спектр, амплитуда частот как
функция процента глубины).
Экспериментальную установку и сигнал, получаемый при
измерениях скорости ультразвука, можно увидеть на рис. 5.12.
Различия во времени поступления 7?—волн на два преобразователя
можно измерить с помощью передвижения курсора (рис. 5.12b).
Расстояние между преобразователями является постоянной ве-
личиной (300 мм). Зная его, можно рассчитать скорость Р-вол-
ны, а скорость P-волны вычислить по формуле (5.9). Скорость
P-волны, рассчитанная по сигналам на рис. 5.12b, составляет
3950±100м/с.
194
Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
Рис. 5.11. Тестирование посредством анализа эхо-отклика на механичес
кое воздействие — экспериментальная установка
Рис. 5.12. Измерение скорости ультразвука — метод эхо-отклика на
механическое воздействие
Важными направлениями применения эхо-методов импульс-
ного воздействия являются:
(I) Измерение толщины дорожного покрытия.
(II) Измерение толщины бетонных структур.
(III) Определение прочности.
(IV) Определение расслоений в железобетонных мостах и па-
нелях, используемых в строительстве автостоянок.
(V) Обнаружение дефектов.
5.3.6. Датчик для замеров температуры и давления
Ультразвуковые термометры широко применяются для замеров
температуры и давления [32—36]. В основу ультразвукового тер-
мометра заложены принципы резонанса и импульсного метода.
Ультразвуковые термометры более чувствительны к температур-
Низкая частота — применение высокой интенсивности 195
ной зависимости скорости звука. При температуре от 233 до 393К
для измерений используется резонансный метод. Частота собс-
твенного резонанса изгибных колебаний маленького дискового
кварцевого резонатора изменяется при изменении температуры
или давления. Соответственно изменение резонансной частоты
отмечается на шкале ее зависимости от температуры или давле-
ния.
Импульсный метод широко применяется для высокотемпера-
турных замеров. В данном методе ультразвук излучается в резона-
тор с помощью магнитострикционного преобразователя по пере-
дающей линии, которая сделана из тонкой проволоки. Состояние
резонанса, фиксируемое звукоснимателем, отображается на эк-
ране электронно-лучевой трубки {CRT) в процессе постоянной
подстройки частоты возбуждающего генератора. Температура оп-
ределяется по калибровочной кривой, отражающей зависимость
резонансной частоты от температуры. Частота осциллятора со-
ставляет 136 кГц. Важно то, что данный метод можно применять в
ядерной промышленности для измерения температур внутри ура-
новых стержней, находящихся в ядерном реакторе (1473 К) [33].
В газах измерять температуру очень легко. Для этого исполь-
зуется простое соотношение:
v (yRt\/2
I М ) ’
(5.П)
где у — удельная теплоемкость, R — молекулярная газовая посто-
янная, Т — абсолютная температура, М — молекулярная масса.
В данных измерениях применяется импульсный метод.
Измерение давления
Распространение звука в газах, жидкостях и твердых телах
зависит от давления. К примеру, скорость звука в морской воде
повышается с глубиной из-за гидростатического давления (более
подробно данное явление рассмотрено в главе 10). В твердых те-
лах скорость зависит от так называемой анизотропии, вызванной
давлением. В газах с увеличением давления скорость звука повы-
шается, а поглощение уменьшается. Существуют два метода из-
мерения давления с помощью ультразвука: использование кварца
в качестве датчика, принимающего сигналы, и измерение высоты
ртутного столба. В первом методе кварцевый кристалл, реагиру-
196
Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
ющий на давление, снабжается термокомпенсаторами. Давление
регистрируется щупом, прикрепленным к кварцевому осциллято-
ру. Частота осциллятора варьируется от 0,5 до 1 МГц. Давление в
этом методе составляет от 0 до 84 МПа с разрешением 70 Па.
Во втором методе пьезоэлектрический преобразователь уста-
навливают под ртутный столб. Преобразователь посылает в ртуть
ультразвуковые импульсы и принимает эхо, отраженное от поверх-
ности ртути. В таком устройстве один цилиндр с ртутью поме-
щают в среду, давление которой нужно измерить, в то время как
другой цилиндр находится в стандартной атмосфере окружающей
среды. Если скорость распространения ультразвуковой волны в
среде постоянна, различие во времени дает различия высот двух
столбов. Таким образом, результаты можно считывать в любых
единицах, регулируя частоту счетчика генератора. При использо-
вании данного метода величина давления составляет от 0 до 104
МПа. Точность измерения давления ±1,625 Па.
5.3.7. Эхолот
Одним из старейших способов применения ультразвука является
исследование морского или речного дна. Принцип действия эхо-
лота показан на рис. 5.13. Импульс звуковой энергии, испускае-
мый преобразователем, движется вниз и проходит в море/реку.
Импульс, отраженный от дна моря/реки, обнаруживается, обра-
батывается и выводится на экран CRT. Замеренное время прохож-
дения прямо пропорционально глубине. В главе 10 подробно рас-
сматриваются различные виды гидролокаторов и их применение.
Частота ультразвукового эхолота варьируется от 10 до 500 кГц,
а мощность — от 5 до 50 кВт.
5.3.8. Дальномер
Ультразвуковой дальномер является одним из новейших способов
применения ультразвука с учетом очень хорошего распростране-
ния его в воздухе. Принцип, лежащий в основе данного метода,
заключается в измерении времени распространения ультразвуко-
вого импульса от передающего/принимающего преобразователя
к препятствию и обратно. Оцифровывание сигнала позволяет из-
мерять расстояние от 0 до 20 метров с точностью до 1 сантиметра.
Микропроцессор, встроенный в этот инструментарий, переводит
измеренное время в длину, а также измеряет другие параметры,
Высокая частота — применение низкой интенсивности
197
такие как объем помещения в кубометрах, влияние температуры
ит.д.
Ультразвуковой
преобразователь
Отражающая поверхность
Мертвая зона Область измерений Превышение области измерений
Переданный импульс
-------——чь------
______□----------
_____________□—
Минимальное
заданное расстояние
Максимальное
заданное расстояние
Минимальное
ограничение расстояния
Максимальное
----------- ограничение расстояния
---------- Максимальное
J ограничение расстояния
Рис. 5.13. Принцип действия эхолота
5.4. Высокая частота — применение низкой
интенсивности
5.4.1. Индикатор уровня (уровнемер)
В атомной промышленности и других областях важной задачей
является измерение или отслеживание уровня жидкостей, масел в
резервуарах для хранения/обработки. Для измерения/отслежива-
ния уровня используется ряд традиционных методов, которые не
меняются и отнимают много времени. Уровнемер, основанный
на ультразвуковом импульсе, не воздействует агрессивно на сре-
ду и находит более широкое применение по сравнению с другими
традиционными методами.
В основе метода [37—39] лежит измерение времени пробе-
га ультразвуковой волны до уровня жидкости/масла и обратно к
приемнику после отражения. Время распространения t и расстоя-
ние Нао уровня соотносятся друг с другом, как:
H = t(U/2), (5.12)
где U — скорость распространения ультразвуковых волн.
Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
Ультразвуковые волны создает преобразователь, который рас-
положен под резервуаром. Волны проникают в резервуар и жид-
кость, а потом отражаются от границы жидкость/воздух в связи с
изменением акустического импеданса. Отраженные волны при-
нимает тот же самый преобразователь, и с помощью внутренней
колебательной цепи определяется время прохождения волны туда
и обратно. Таким образом рассчитывают уровень жидкости/масла
в любом резервуаре для хранения/обработки. Блок-схема экспе-
риментальной установки, используемой в данном методе, приве-
дена на рис. 5.14.
Во время распространения ультразвуковых волн в среде и про-
хождения отраженных волн обратно к преобразователю нужно
учитывать следующие факторы:
(I) Связь преобразователь — среда.
(II) Прохождение ультразвука в среду над уровнем жидкости.
(III) Состояние отражающей поверхности.
Рис. 5.14. Уровнемер — экспериментальная установка
Точность определения уровня жидкости/масла зависит от
точности измерения времени прохождения и толщины матери-
ала, из которого сделан резервуар. Кроме того, следует обратить
внимание на соединение преобразователя с дном резервуара при
помощи прослойки, а также на соответствие импедансов преоб-
разователя и материала резервуара.
Уровнемер обладает рядом достоинств:
(I) Бесконтактный метод измерения уровня жидкости/масла в
любых резервуарах для хранения/обработки.
(II ) Возможность осуществлять дистанционный контроль.
(III ) Простые и непрерывные измерения в режиме реального
времени даже в опасной зоне и зоне коррозии.
Высокая частота — применение низкой интенсивности
199
Главный недостаток заключается в том, что метод нельзя при-
менять при очень высоких температурах. Как бы то ни было, в
связи с недавним появлением новых технологий изготовления
преобразователей и волноводов данную проблему можно мини-
мизировать.
5.4.2. Измерения толщины
Одним из наиболее важных способов применения ультразвука яв-
ляется измерение толщины металла [40—43] при одностороннем
доступе. Существуют различные методы, позволяющие измерять
толщину таких материалов, как алюминий, медь, стекло, а также
тонких труб. В связи с развитием электроники и микропроцессо-
ров на рынке появляются ультразвуковые цифровые измерители
толщины. Толщиномер измеряет истинную толщину материала и
не учитывает различные поверхностные покрытия, например на-
пыление, полировку и т.д. Большинство инструментов действуют
по эхо-импульсному принципу, и в них используется один-един-
ственный преобразователь.
Рис. 5.15 иллюстрирует принцип действия цифрового изме-
рителя. В данном методе толщина материала определяется путем
измерения времени между первым и вторым эхо-сигналами от
задней поверхности образца, а не между падающим импульсом и
первым эхо-сигналом. С помощью цифровых измерителей мож-
но проводить измерения на толстых стальных образцах с корро-
дированной поверхностью, с неполированными и грубыми по-
верхностями или с поверхностным покрытием. Рабочая частота
преобразователя составляет 20 МГц. Рабочая зона имеет диапазон
1,5—99,9 мм с точностью ±0,1 мм.
Другие методы, широко применяющиеся для замеров сили-
коновых плат, основаны на точном измерении времени рас-
пространения ультразвуковых волн в материале либо методом
прямого контакта, либо с использованием устройства временной
задержки. В них используется следующее соотношение:
d = ^Ut, (5.13)
где d — толщина материала, U — скорость в материале, t— время
прохождения.
200 Глава 5, Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
Ультразвуковой
импульс
Рис. 5.15. Принцип действия цифрового толщиномера
Рис. 5.16. Измерения толщины - контактный метод
В методе прямого контакта преобразователь находится в не-
посредственном контакте с образцом (рис. 5.16). Измерив точное
время прохождения t, можно определить толщину материала по
формуле (5.13). Вышеописанный метод не подходит для замеров
тонких пластин, силиконовых плат, что связано с наложением на
сигнал испускаемых импульсов и большой частотой появления
многократных отражений. Вышеперечисленные проблемы устра-
няются использованием линии задержки. Устройство задержки,
например твердое тело или столб жидкости, помещается между
преобразователем и образцом, как показано на рис. 5.17.
При наличии линии задержки отражения от первой С$;) и вто-
рой (6 , i=l,2,...n) поверхностей образца образуют картину, изоб-
раженную на рис. 5.17. Замеряется точное время пробега (см. гла-
ву 2) при выборе двух последовательных эхо-сигналов с малыми
значениями индекса i. Частота ультразвуковых волн, используе-
мых в этих измерениях, равна 20 МГц.
Высокая частота — применение низкой интенсивности
201
Рис. 5.17. Измерения толщины — метод линии задержки
5.4.3. Ультразвуковая микроскопия
Ультразвуковая микроскопия (UM), известная как акустическая
микроскопия, представляет собой новейший метод, позволяющий
охарактеризовать микроструктуру. UM используется для определе-
ния плотности, изменений морфологических и микроэластичных
свойств в рассматриваемой области. Ультразвуковое воспроизве-
дение изображения является важным инструментом для получения
характеристик материалов. Ультразвуковая микроскопия аналогич-
на оптической микроскопии на отражение или на просвет и не тре-
бует специальной подготовки образца, типа травления, полировки,
изготовления срезов, как в традиционной микроскопии.
Существует несколько методов акустической микроскопии,
среди которых выделяется сканирующая акустическая микроскопия
(SAM) благодаря своему уникальному качеству изображения и раз-
решению. При рассмотрении применения SAM в исследованиях ма-
териалов мы попытались объяснить ее базовые принципы, действие
и различные способы использования. Сердцем акустического мик-
роскопа является сапфирная линза, на задней поверхности которой
фиксируется пьезоэлектрический преобразователь. На преобразо-
ватель поступает короткий импульс радиочастоты (rf), что приводит
к распространению акустического импульса вниз по сапфирному
стержню. Линза фокусирует акустический импульс в связующую
жидкость (рис. 5.18). Сфокусированный акустический импульс от-
ражается от объекта, изображение которого нужно получить.
В акустической микроскопии есть два режима работы. В пер-
вом режиме, называемом работой на отражение, объект поме-
202 Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
Рис. 5.18. Простейшая геометрия линзы в ультразвуковой микроскопии
на отражение
щается в фокусе сапфирной линзы. Следовательно, отраженные
акустические волны возвращаются обратно по тем же траектори-
ям. После этого они преобразуются преобразователем в электри-
ческий импульс. Сила (амплитуда) отраженного импульса зависит
от исследуемого объекта. Величина амплитуды используется для
регулировки яркости луча. Чтобы получить изображение объекта,
осуществляется растровое сканирование линзы над образцом. Во
втором режиме, то есть при работе на просвет, акустические вол-
ны пропускают через исследуемый объект. Интенсивность волн,
возникающих на противоположной стороне объекта, использует-
ся для изучения его природы. Таким образом, в режиме отраже-
ния микроскоп позволяет получать изображение характеристик
приповерхностного слоя образца, в то время как второй режим
помогает изучать внутреннюю структуру толстых образцов.
Опираясь на данный принцип, Квейт и его коллеги (1970—1980)
[44—46] развили сканирующий акустический микроскоп до уров-
ня научного инструмента. Благодаря прогрессу в области элект-
роники инструмент обладает высокой степенью технологическо-
го совершенства. В результате он стал естественным дополнением
традиционной оптики, электроники и другой микроскопической
техники, предназначенной для получения характеристик мате-
риалов. Важнейшими характеристиками SAM являются высокое
Высокая частота — применение низкой интенсивности 203
разрешение, контрастность изображения поверхности и внутрен-
ней структуры материалов. Как правило, разрешение составляет
от 500 микрометров до 20 нанометров. Рабочая частота SAM изме-
няется от 50 МГц до 1 ГГц.
Чтобы получить характеристики материалов, необходимо из-
мерить в них скорость поверхностной акустической волны (SAIV).
SAM основана на принципе изменения амплитуды и фазы в зави-
симости от расстояния между линзой акустического микроскопа и
образцом, что обычно называют акустической сигнатурой матери-
ала, или У(7)-эффектом. 5Л ^измеряется с помощью KfZ)-кривой
(V — напряжение, Z — расстояние дефокусировки) посредством
перемещения линзы микроскопа строго вертикально и перпенди-
кулярно отражающей поверхности. Регистрируются значения на-
пряжения отраженного сигнала, которые находятся в промежутке
между серией максимумов и минимумов, вызываемых изменени-
ем расстояния от линзы до образца. Наблюдаемые максимумы и
минимумы связаны с разностью фаз между центральным лучом
и незеркально отраженным критическим лучом, которая зависит
от расстояния между линзой и образцом. Типичная схема лучей в
акустической микроскопии приведена на рис. 5.19.
Z или f
Рис. 5.19. Изменение напряжения в зависимости от расстояния
дефокусировки
В связи с технологическим прогрессом открылось много воз-
можностей для неразрушающих испытаний изотропных [47, 48] и
анизотропных материалов [49, 50]. Создание акустической линзы
с линейным фокусированием позволяет изучать анизотропные
материалы в акустической микроскопии. С помощью акустичес-
204 Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
кой микроскопии можно получать характеристики таких мате-
риалов, как керамика [51, 52], материалы для микроэлектроники
[53], металлические образцы [54], полимеры [55—57], композици-
онные материалы [58, 59], высокотемпературные сверхпроводя-
щие материалы [60], волоконно-оптические материалы [61], кам-
ни [62], биологические ткани и клетки [49].
Когда металл переходит из жидкого состояния в твердое, в
литейных сплавах возникает пористость из-за усадочной дефор-
мации во время застывания и снижения растворимости попутных
газов. Такие поры пагубны для усталостной прочности литейных
изделий, поскольку благодаря им образуются трещины. Данный
фактор сработал против применения литья в критически нагру-
женных компонентах, даже несмотря на то что отливки, особен-
но те, профиль которых близок к заданному, менее дороги по
сравнению с коваными или обработанными на станке деталями.
Уменьшение усталостной долговечности связано с размером пор и
расстоянием между порами и участком поверхности, где прилага-
емое давление максимально [63]. Степень пористости изменяется
от низкой там, где отливка начинает застывать, до высокой в тех
местах, где застывают последние части металла. Усталостная дол-
говечность материала в отливках уменьшается в направлении рас-
пространения затвер-
девания [64]. В связи
с этим имеет смысл
получить характерис-
тику пор в отливках.
Как правило, это осу-
ществляется с помо-
щью рентгеновской
дефектоскопии. На
рис. 5.20 изображены
поры в кокильных
отливках А356 алю-
миниевого сплава,
полученные методом
SAM. Пора, отмечен-
ная стрелкой, была
также обнаружена с
помощью рентгенов-
ской дефектоскопии.
Рис. 5.20 . С-сканирование поры (показана
стрелкой) методом SAM в кокильной
отливке А356 алюминиевого сплава
Высокая частота — применение низкой интенсивности 205
5.4.4. Голография
Акустическая голография [65—68] применяется для обнаруже-
ния дефектов, расположенных глубоко в составных структурах,
то есть дефектов, которые невозможно выявить с помощью тра-
диционных ультразвуковых методов. Голография — это процесс
сохранения трехмерного изображения на двухмерной поверх-
ности носителя записи. Важным требованием голографии явля-
ется наличие монохроматических когерентных источников. Для
создания голограмм используются такие оптические источники,
как лазер. Ультразвуковая волна представляет собой когерент-
ный источник излучения и, следовательно, может применяться
для формирования акустических голограмм вместо оптического
источника.
Принцип акустической голографии аналогичен тому, что ис-
пользуется в оптической голографии. Оптическая голография
основана на явлении интерференции, которая проявляется на
фотографической пластинке вследствие наложения двух волн, а
именно: волны, отраженной от объекта и содержащей информа-
цию о нем, и опорной волны. Изображение, записанное на фото-
пластинке, называется голограммой. Условие когерентности мож-
но легко реализовать, поскольку ультразвуковой преобразователь
генерирует волны узкого частотного диапазона.
Разрешение в поперечном направлении задается в виде:
Д
D ’
X
(5.14)
где X — длина ультразвуковой волны, d — глубина дефекта, D —
диаметр голографической апертуры.
Разрешение повышается в случае одновременного сканирова-
ния излучателем и приемником [66]. Повышенное разрешение в
продольном направлении составляет:
. (5.15)
Следовательно, точность акустической голографии при опре-
делении размеров дефектов зависит от длины ультразвуковой вол-
ны, а при фиксированной величине d/D не зависит от глубины.
Как правило, разрешение в продольном направлении хуже, чем в
поперечном. Главное достоинство данного метода заключается в
206 Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
том, что он не требует стандартных контрольных блоков. В акус-
тической голографии используются различные методы: в прохо-
дящих лучах, импульсный в отраженных лучах и т.д. Рассмотрим
их в следующих разделах.
(I) Акустическая голография в проходящих лучах
Экспериментальная установка, используемая в акустичес-
кой голографии в проходящих лучах, изображена на рис. 5.21.
Генератор, используемый для возбуждения обоих преобразова-
телей с подавлением стоячих волн, генерирует незатухающие ко-
лебания. Опорная волна от одного преобразователя и волна, про-
ходящая через образец, формируют интерференционную картину
на жидкой поверхности. Эта картина стационарна для незатухаю-
щих колебаний. Именно она создает голограмму.
Рис. 5.21. Акустическая голография
Другим важным аспектом голографии является воссоздание
голограммы. Лазерный луч проецируется через полупрозрачное
зеркало на голографическую пластину для воссоздания голограм-
мы. Последняя отражается через оптическую систему, и на экра-
не формируется трехмерное изображение. Апертура играет роль
фильтра пространственных частот, позволяющего устранять мно-
жественные изображения.
Высокая частота — применение низкой интенсивности
207
Данный принцип действует только в лабораторных условиях.
Голография в проходящих лучах не подходит для ультразвуковых
неразрушающих испытаний (NDT). В последних широко исполь-
зуется ультразвуковой импульсный метод (он подробно рассмат-
ривается в главе 7). По этой причине в NDTполучил распростра-
нение другой метод — линейная акустическая голография.
(II) Импульсная акустическая голография в отраженных лучах
В данном методе образец погружают в ванну с водой.
Преобразователь помещают непосредственно над образцом так,
что он может передвигаться вдоль него от одного конца к другому.
С помощью генератора преобразователь производит высокочас-
тотные ультразвуковые импульсы. Рис. 5.22 иллюстрирует экспе-
риментальную установку, используемую в импульсной акустичес-
кой голографии в отраженных лучах.
Рис. 5.22. Схема импульсной голографии в отраженных лучах
Ультразвуковые импульсы проходят в образец и отражаются от
его задней поверхности благодаря изменению акустического им-
педанса при условии, что в образце отсутствуют дефекты. Если на
пути волн встречается дефект, они отражаются, опять же по при-
чине изменения импеданса. Отраженные импульсы поступают на
тот же самый преобразователь и передаются в сканер. Принятые
импульсы усиливаются усилителем и передаются в преобразова-
тель частоты вместе с опорными сигналами, поступающими от
208 Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
источника. Данные с выхода частотного преобразователя модули-
руются и передаются на CRT (рис. 5.22).
Так голограмма появляется на экране CRT к записывается при
помощи соответствующего оборудования (рис. 5.23).
Лазер
Рис. 5.23. Воссоздание голограммы — экспериментальная установка
Воссоздание голограммы осуществляется посредством лазер-
ного луча. Он генерируется источником с длиной волны порядка
0,5 микрометра. Луч падает на линзу Lr Лазерный луч, рассеян-
ный линзой Lp попадает в оптическую систему, состоящую из
двух линз, между которыми помещена голографическая пласти-
на. При этом некоторая часть луча фиксируется на голограмме.
Апертура отклоняет лазерный луч, дифракция которого не была
зафиксирована на голограмме. Голограмма полностью формиру-
ется на экране после прохождения через линзу Г2. Одним из по-
следних достижений в данной области является линейная акусти-
ческая голография.
(III) Линейная акустическая голография
Принцип
В линейной акустической голографии, основанной на им-
пульсном методе, сканирование производится вдоль линии, а
ультразвуковой преобразователь имеет широкий раскрыв луча в
плоскости, проходящей через линию сканирования. Эхо-сигна-
лы, поступающие от образца, дополняются двумя опорными сиг-
налами с фазовыми углами 0° и 90°. В результате получают дейс-
твительную и мнимую составляющие для точек, сканируемых
в образцах. Эти данные сохраняются в компьютере с помощью
квадратичных фазовых функций. Так, компьютер определяет вос-
создание проекции, угол наблюдения, а также находит интенсив-
ность ультразвукового поля в точке дефекта. Интенсивность ис-
пользуется для того, чтобы определять размер дефекта в образце.
Высокая частота — применение низкой интенсивности 209
Линейная голография позволяет исследовать важные па-
раметры дефектов, что применяется в оценке механики разру-
шения. Для охвата дефекта по длине и глубине осуществляется
линейное сканирование в двух взаимно перпендикулярных на-
правлениях [69] (рис. 5.24). В дефектоскопии успешно применя-
ются угловые (наклонные) зонды, использующие продольные и
поперечные волны с частотой 1 МГц. Метод, где задействуются
поперечные волны частоты 4 МГц, позволяет оценивать размер
трещин, непровара (дефект сварки), шлаковых включений и не-
достаточность проплавления сварных ферритовых трубопроводов
[70]. Результаты определения глубины трещин методом линейной
голографии и путем разрушения образца хорошо согласуются.
Рис. 5.24. Линейная голография
5.4.5. Интеллектуальная обработка материалов
Интеллектуальная обработка материалов (IPM) — это значитель-
ный шаг в направлении производства материалов, которые соот-
ветствуют поставленной задаче и не нуждаются в проверке качес-
тва после их изготовления. Технология IPM нацелена на оценку
качества материалов в режиме реального времени посредством
получения их характеристик методами неразрушающих испыта-
ний (NDT). Контроль параметров процесса осуществляется с по-
мощью контура обратной связи. Сердцем технологии IPMявляет-
ся развитие методов неразрушающих испытаний, пригодных для
оценки качества в процессе обработки. Технология /РМпо своей
природе многопрофильна, и для ее реализации нужны специалис-
ты по материаловедению, методам неразрушающих испытаний,
технологии обработки материалов, инструментарию, управлению
данными и т.д. Применение технологии IPM позволяет получать
продукты с улучшенным качеством, добиваться однородности,
l 10 Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
сокращения отходов производства, низкого энергопотребления
и низкой стоимости. Понятно, что научные, технологические и
управленческие навыки, а также способности высочайшего уров-
ня играют важную роль в успехе IPM. Последствия этого успеха
феноменальны и выражаются в виде качественных продуктов,
уменьшения отходов, снижения энергопотребления и достижения
качества, согласующегося с требуемым уровнем производитель-
ности. Концепция IPM изначально предназначалась для матери-
алов с улучшенными характеристиками, таких как арсенид галлия
(GaAs) и углерод-углеродные композиты, где первоначальными
требованиями являются качество и унифицированные характе-
ристики с минимальным разбросом [71—76].
Способность следить за материалами и производственными
процессами в режиме адаптивного управления и проводить об-
следование в реальном времени представляет большой интерес
для многих отраслей промышленности: химической, аэрокосми-
ческой, автомобильной, атомной, кораблестроительной и т.д. В
настоящее время развитие материалов с улучшенными характе-
ристиками и производственных процессов с жестким допуском
ограничено неспособностью тщательно отслеживать и контро-
лировать эти процессы. Интеллектуальные автоматизированные
системы контроля процессов важны для получения продуктов с
высоким качеством и требуемыми характеристиками, а также для
обеспечения воспроизводимости, надежности и стопроцентной
пригодности. Технология интеллектуальной обработки материа-
лов нацелена на оценку качества при проведении физических не-
разрушающих испытаний или на получение других приемлемых
характеристик для контроля параметров процесса через контур
обратной связи. Решающее значение в данной технологии имеет
подтверждение жизнеспособности теоретических моделей экс-
периментальными интерпретациями, полученными с помощью
интеллектуальных датчиков. Таким образом, сердцем IPM явля-
ется развитие методов, которые приемлемы для оценки качества в
процессе производства и контроля посредством обратной связи.
Многопрофильный характер сварочной технологии и разно-
образие влияющих параметров обусловили интенсивность техно-
логической информации и зависимость от опыта работы в данной
сфере. Инженеры в области сварки все больше пользуются ком-
пьютерными методами для решения своих задач. В большинстве
случаев они работают с родственными базами данных. Более ин-
Высокая частота — применение низкой интенсивности
теллектуальный доступ к информации о сварке и критериям при-
нятия решения может быть реализован
с помощью экспертных
систем. Связывание данных, основанных на знаниях, с расчета-
ми и информационными системами позволяет повысить потен-
циал и лучше использовать накопленный опыт. Значительными
преимуществами в данной области обладают нейронные сети
благодаря своей способности управлять избыточной и сложной
информацией. Нейронные сети представляют собой форму на-
стоящего искусственного интеллекта и по своему действию ана-
логичны биологическим нейронам мозга. Им присущи многие
полезные свойства, такие как способность обучаться, анализиро-
вать данные, обобщать и способность справляться с шумовыми
или хаотичными сигналами. Метод использует нейронные сети
для выявления и измерения важной информации о геометрии
свариваемых деталей. «Обученная» экспертная система, основан-
ная на нейронных сетях, предоставляет фундаментальную инфор-
мацию, требуемую для позиционного регулирования и контроля
проплавления в режиме реального времени.
В настоящее время исследуются области, в которых были оп-
робованы концепции интеллектуальной сварки. Здесь следует
подчеркнуть, что для автоматизации сварки уже настала эра ин-
теллектуальных робототехнических систем. Были разработаны
полностью автоматизированные интеллектуальные электродуго-
вые сварочные роботы, которые одновременно контролировали
сварочное проплавление и высоту наплавного слоя сварного шва.
Такая система состоит из камеры на приборах с зарядовой связью
(CCD), которая следит за сварочной ванной и производит соот-
ветствующее регулирование в режиме реального времени на осно-
ве обратной связи. Система успешно применялась для стыковой
сварки цилиндрических баллонов для сжатого газа, выполненных
из нержавеющей стали, и резервуаров для хранения сжиженного
газа. Сообщалось об обширной работе, проделанной в области
применения роботов в электродуговых сварочных процессах.
Обзор литературы позволяет выделить два подхода к интеллек-
туальной сварке и соответственно две школы. Первый подход ос-
нован на улавливании и оценке электрических сигналов (напря-
жение, ток) и зависимых параметров (мощность и сопротивление
как функции времени), а также на последующем статистическом
анализе сигналов и их интеллектуальной обработке. Другая, более
новая тенденция подразумевает использование датчиков для не-
212 Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
разрушающих испытаний, чтобы контролировать акустическую
эмиссию, применение рентгеновских лучей, ультразвукового и
инфракрасного излучения. В следующем разделе рассмотрено не-
сколько примеров.
Главным параметром, который контролирует излучающую
микроструктуру, является распределение температуры в горячей
заготовке (предполагается, что состав материала уже контролиру-
ется). Даже несмотря на то что температура не является прямым
металлургическим параметром, она контролирует микрострукту-
ру, а ее измерение очень полезно для интеллектуального контроля
над процессом. В настоящее время стали доступными алгоритмы,
которые предсказывают окончательную микроструктуру, исходя
из информации о распределении температуры [77]. Принимаются
усилия по созданию датчика (лазерной системы бесконтактного
типа для генерации и обнаружения ультразвука), основанного
на принципах определения скорости ультразвука и позволяю-
щего получать полное температурное распределение в горячем
металле [78]. Dillinger Huettenwerke (Германия) использует систе-
му автоматического ультразвукового тестирования пластин в ре-
жиме реального времени и воссоздания результатов (AUGUR) для
обнаружения и определения размеров трещин в толстых листах,
а также для оценки результатов в соответствии со стандартными
требованиями к приемке [79]. Полученная с помощью С-скани-
рования картина дефектов помогает в разработке плана раскроя,
позволяя избавиться от дефектных областей и минимизировать
отходы производства.
Для непрерывного мониторинга и контроля многопереход-
ного процесса электродуговой сварки разрабатывается ультра-
звуковая система, работающая в режиме реального времени [80].
Экспериментальные результаты показывают, что можно обнару-
живать и определять местонахождение границ жидкость/твердое
тело в сварке. Измерения позволяют понять воздействие градиен-
тов высокой температуры вблизи зоны расплава на распростране-
ние ультразвуковой волны. Ультразвуковая эхо-импульсная сис-
тема, которая осуществляет непрерывный мониторинг качества
расплавленного алюминия во время литья и оценивает обработку
расплавленного металла и/или операции очистки (флюсование
и фильтрация), была разработана Raynolds Metalls Company [81].
Стандартный пьезоэлектрический преобразователь помещается
на титановый стержень, погружаемый в жидкий металл. Зонд поз-
Высокая частота — применение низкой интенсивности 213
воляет измерять затухание ультразвука при фиксированной длине
жидкой среды, в которой определяют содержание неметалличес-
ких веществ.
5.4.6. Измерение остаточного напряжения
Остаточным называется напряжение, которое сохраняется в ма-
териале или компоненте при постоянной температуре и при ус-
ловии отсутствия внешних нагрузок. Остаточное напряжение
возникает, когда в части материала имеет место неоднородное
постоянное изменение размеров. Это изменение происходит
как пластическая деформация, но также может быть вызвано
локализованным упругим растяжением или сжатием материала.
Существует множество способов осуществления неоднородной
деформации. К примеру, если не получается совместить идеаль-
ным образом две части, их можно соединить с помощью сварки.
Холодная прокатка, прессование и другие операции по обработ-
ке металлов, как правило, вызывают большие смещения матери-
алов вблизи поверхности по сравнению с внутренними смещени-
ями. Охлаждение сплава после термообработки может привести
к изменению одной или более металлургических фаз или состав-
ляющих, когда новые фазы обладают свойствами, которые отли-
чаются от свойств, соответствующих материалу. Дробеструйное
упрочнение, цементация и другие способы упрочнения, изменя-
ющие поверхность образца без воздействия на его внутреннюю
часть, могут стать причиной остаточного напряжения. Короче
говоря, практически каждое воздействие на металл и каждая опе-
рация по его обработке имеют следствием остаточное напряже-
ние в той или иной степени.
Остаточное напряжение можно обобщенно разделить на
две группы: (I) остаточное макронапряжение, или напряжение
первого типа, оно имеет технологическую природу и измеряет-
ся в области, которая включает несколько зерен; (И) остаточное
микронапряжение, или напряжение второго типа, оно связано с
напряженным состоянием, вызванным микроструктурными не-
однородностями, которые ограничиваются отдельными зернами
или определенной совокупностью одинаково ориентированных
зерен. Наибольший интерес представляет остаточное макрона-
пряжение, именно его измеряют с помощью большинства доступ-
ных методов.
214 Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
Значимость
Наличие остаточного напряжения, как правило, приводит к
преждевременному разрушению компонентов вследствие увеличе-
ния концентрации напряжений или повышения чувствительности к
разрушающим механизмам, таким как усталость и образование тре-
щин под воздействием напряжения, вызванного коррозией. Однако
в некоторых случаях остаточное напряжение может приносить поль-
зу. К примеру, присутствие в материале приблизительно упорядо-
ченных сжимающих остаточных напряжений смягчает воздействие
внешних растягивающих напряжений. Дробеструйное упрочнение,
которое вызывает поверхностные сжимающие остаточные напря-
жения, позволяет увеличить усталостную прочность компонента.
Пагубное воздействие остаточных напряжений наблюдается только
после того, как появится внешняя нагрузка. Следовательно, коли-
чественное определение остаточного напряжения важно на предо-
перационной стадии. Другая значимая для измерения остаточного
напряжения причина заключается в том, что это позволяет оценить
и направить в нужное русло разработку новых производственных
процессов. К примеру, сравнительно малые изменения в графи-
ке термообработки, скорости механической обработки, сварочных
характеристиках и т.д. обусловливают различия между искривлен-
ными или подверженными разрушениям компонентами с ярко вы-
раженными распределениями остаточного напряжения и компо-
нентами, относительно свободными от напряжения.
Остаточные напряжения в компоненте обычно являются до-
статочно сложными по своей природе. Полное установление
трехмерной картины .состояния остаточного напряжения пред-
ставляет собой сложную задачу. Эта задача требует определения
не только поверхностных, но и объемных напряжений по трем
основным осям. Поверхностное и объемное напряжения взаимо-
связаны. При изменении поверхностного напряжения меняется
и объемное напряжение, а компонент оказывается в новой ситу-
ации. К примеру, просверливание отверстий или поверхностная
коррозия ослабляет нагрузку на поверхности и, следовательно,
влияет на объемное остаточное напряжение. По этой причине
нужно обладать знаниями не только о поверхностных, но и об
объемных остаточных напряжениях, чтобы избежать преждевре-
менного разрушения компонентов.
В основе ультразвуковых методов измерения остаточного на-
пряжения лежит влияние нагрузки на скорость распространения
Высокая частота — применение низкой интенсивности 215
упругих волн. Когда материал деформируется в ответ на механи-
ческое напряжение, скорость ультразвука претерпевает незначи-
тельное изменение. Механизмы этого изменения включают из-
менения плотности, сил межатомного взаимодействия и т.д. Тем
не менее оказалось, что изменение скорости зависит от состояния
деформации и, следовательно, состояния напряжения в твердом
теле. Зависимость называется эффектом акустической упругос-
ти. Изменение скорости, спровоцированное напряжением, как
правило, подчиняется линейному закону и может быть описано
простым соотношением:
и = ий + А(5, (5.16)
где U — скорость ультразвука при наличии напряжения, Uo — ско-
рость при отсутствии напряжения, А — константа акустической
упругости, а — напряжение.
Однако поскольку в вышеприведенном уравнении присутс-
твует напряжение, это означает, что сначала нужно определить
константу акустической упругости. Для этой цели необходимо
протестировать стандартный образец, обладающий аналогичной
структурой, что и компонент, в котором измеряется остаточное
напряжение (сварные пластины или прокатанная листовая сталь).
Тестирование проводят в универсальной тестирующей машине
(UTM). Используемые образцы производят по стандартам ASTM
для проверки на растяжимость.
Изменение скорости ультразвука, связанное с напряжением, как
правило, незначительно и не превышает 1%. Из электронных мето-
дов, предназначенных для измерения этого изменения скорости,
наиболее простым и наименее чувствительным к изменениям ка-
чества цуга ультразвуковых эхо-сигналов является метод перекры-
вания эхо-импульсов (РЕО) [82]. Серийные измерительные прибо-
ры подобного рода, как правило, недоступны, поэтому их создают с
нуля. Ниже перечислены главные шаги, которым нужно следовать
при измерении остаточного напряжения в ультраакустике:
1) определение константы акустической упругости (АЕС) ма-
териала или компонента с помощью стандартного образца, под-
вергающегося растяжению при нагрузке;
2) измерения скорости ультразвука в обследуемых материале
или компоненте;
3) определение остаточного напряжения с помощью АЕС.
Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
Было опробовано с различной степенью успеха несколько
методов. К примеру: (I) продольные волны можно использовать
в режиме незатухающих отраженных волн для возбуждения резо-
нансной частоты в образце. Резонансная частота, в свою очередь,
зависит от воздействия деформации на ультразвуковую волну и
скоростей ультразвука в материале, что определяется напряжени-
ем [83]. (II) Изменения скорости ультразвуковой продольной вол-
ны, распространяющейся через толщу материала, можно связать
с наличием в нем напряжения [84]. (III) Поляризованные попе-
речные волны можно использовать для оценки двойного лучепре-
ломления в образце, обусловленного напряжением, по аналогии
с оптическими методами двойного лучепреломления, то есть фо-
тоупругостью [85]. (IV) Изменения скорости поверхностных волн
между двумя точками на поверхности образца можно связать с де-
формацией и напряжением между этими точками [86].
После дифракции рентгеновских лучей ультраакустика, без-
условно, является самым передовым из всех неразрушающих
методов оценки остаточных напряжений. Специфическое пре-
имущество ультраакустики перед рентгеновской дифракцией
заключается в том, что первую можно использовать для изме-
рения поверхностного и объемного остаточного напряжения.
Ультразвуковые методы измерения скорости звука являются по-
истине неразрушающими при оценке поверхностных и объемных
холоднокатаных сварных прокладок, и они достаточно быстро
определяют остаточное напряжение по сравнению с другими ме-
тодами измерения деформаций. Использование рэлеевских волн
позволяет измерять поверхностное остаточное напряжение путем
ультразвукового метода NDT. Разработка соответствующих элек-
тромагнитных акустических преобразователей {ЕМАТ) для гене-
рации и обнаружения поверхностных волн Рэлея является серь-
езным предприятием.
Как бы то ни было, ультразвуковым методам присущи неко-
торые ограничения. Для того чтобы связать результаты измере-
ния ультразвуковой скорости с напряжением, нужны постоянные
упругости более высоких порядков. Как правило, эти константы
неизвестны, и их нужно выводить экспериментально для конк-
ретного тестируемого материала. На эти константы влияет мик-
роструктура, что требует тщательной интерпретации. Чтобы из-
бавиться от такого влияния, используются различные методы
исследования и виды волн. Величина, выведенная в конкретном
Заключение 217
измерении, является средней для напряжений вдоль пути, прой-
денного ультразвуковым лучом. Имеется лишь ограниченная воз-
можность обнаружить пики градиентов напряжения.
Полезность ультразвукового подхода заметно уменьшается в
материалах, характеризующихся сильным затуханием, таких как
пластик, композиционные материалы и определенные неоргани-
ческие неметаллические компоненты. Хотя ультразвуковые мето-
ды автоматически калибруются, для повышения достоверности
необходимо сравнивать результаты с данными стандартных мето-
дов, таких как послойный анализ и измерение деформаций с по-
мощью сверления отверстий.
5.5. Заключение
В данной главе подробно обсуждается классификация примене-
ния ультразвука в науке и технике. Для того чтобы дать читателю
полное представление о предмете, рассматривается использова-
ние ультразвуковых волн высоких и низких частот с соответству-
ющими иллюстрациями. Объяснение низкочастотных высоко-
интенсивных режимов применения, таких как сварка, очистка,
измерение уровня, длины, толщины и т.д., сопровождается опи-
санием основных принципов и схемами для лучшего понимания
читателями. Аналогично высокочастотные низкоинтенсивные
режимы применения, к которым относятся измерение расхода,
акустическая микроскопия, голография, измерение остаточного
напряжения, выносятся для обсуждения вместе с объяснением
принципов их работы и примерами. В общем и целом пятая глава
дает представление о применениях ультраакустики в науке и тех-
нике.
21 о Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
Рекомендуемая литература
1. Blitz J, Ultrasonics Methods and Applications, Butterworth, London (1971).
2. Stefans Kocis and Zdenko Figure, Ultrasonic Measurements and
Technologies, Chapman & Hall, London (1996).
3. Bergman L, Ultrasound and its Applications in Science and Engineering, IL,
Moscow (1956).
4. Anton Puskar, The use of High Intensity Ultrasonics, Elsevier, New York,
(1982).
5. Jellison J L, Albright С E, Devine J, Harmon G, Knorovsky G A and
Winchell V H, Welding Hand Book, Ed. O’ Brien R L, Ameican Welding
Society, 2 (1991) 784.
6. Devine J, Welding Design and Fabrication, 1980:
7. Estes C L and Turner P W, Welding Journal, 52(8) (1973) 359.
8. Hazlett T H and Amberkar S M, Welding Journal, 49(5) (1970).
9. Janet Devine, Ultrasonic Welding, Technical Editor Theodore B. Zore,
ASM Handbook, ASM International, USA, Vol. 6 (1993) 324.
10. John Potter Shields, Basic Piezoelectricity, Poulsham - SAMS, England,
(1966).
11. Uliman W., Tech Rundsch, 29 (1955) 11.
12. Kenneth J Hacias, Gerald J Cormier, Steavan M Nourie, Edward J.
Kubel, Guide to Acid, Alkaline, Emulsion and Ultrasonic Cleaning, ASM
International, USA (1997).
13. Blandamer M J, Introduction to Chemical Ultrasonics, Academic Press,
New York (1973)
14. Babikov О L, Ultrasonics and its Industrial Applications, Consultants
Bureau, New York, 1960.
15. Fuchs F J, Ultrasonics Enhance Cleaning, Ringsing, Metlfax, 40(10) (1996)
78.
16. Sanderson M L and Hemp J, Proc Int Conf On Advances in Flow
Measurements Techniques, Warwick, Organised by BHRA Fluid
Engineering, (1981) 157.
17. Hemp J, Theory of Transit Time Ultrasonic Flow Meter, J Sound and
Vibration, 84 (1982) 133.
18. Heritage J E, The Performance of Transit Time Flow, Undergood and
Disturbed conditions, J. Flow Measurement and Inst, 1 (1989).
19. Sanderson M L, Insight, 41 (1999) 16.
20. Paul J K, Concentration Process. In Fruit and Vegetable Juice Processing,
Noyes Data Corporation, New-Jersey, (1975) p 99-100.
21. Shallenbergar P, Ultrasound in Encyclopedia of Nutrition, Food Science
and Food Technology, (1993).
22. Earnshaw R G, Ultrasound A new Opportunity for Food Preservation, Ed.
Povey MJW and Mason T J, Blackie Publications, New York, (1998).
23. McClements D J, Development in Acoustics and Ultrasonics, IPP, Bristol
and Philadelphia, Ed. Povey MJW and McClements D J, (1991) 165.
Рекомендуемая литература
219
24. Chan HWS, Biophysical Methods in Food Research, Blackwell Scientific,
Oxford, (1984).
25. Anish Kumar, Thavasimuthu, M and Jayakumar, T, Proceeding of NDE 98,
Trivendram, India, (1998) 54.
26. Anish Kumar, Jayakumar T, Subramanian С V and Thavasimuthu M, J
Non-destructive Evaluation, 19(2), (1999) 43.
27. Mary Sansalone, Impact-Echo: The Complete Story, The structural
Engineering Journal of the American Concrete Institute, 1995.
28. Chia-Chi Chang and Mary Sansalone, ACI Materials Journal, Sept-Oct.
(1993) 421.
29. Mary Sansalone and Nicholas J Carino, Concrete International, April (1988)
38.
30. Mary Sansalone and Nicholas J Carino, ACI Materials Journal, March,
(1989)175.
31. Anish Kumar, Baldev Raj, P Kalyanasundaram, T Jayakumar and M.
Thavasimuthu, NDT & E International, In press, 2002.
32. Moritz W E, Shreve P L, Proc IEE, 64(6) (1976) 966.
33. Kocis S, Elektrotechnicky Casopis, 35 (1984) 480.
34. Moosby E G, Ultrasonics, 7(1) (1969) 13.
35. Tasman H A, patzold E E, U S Patent, No: 4.195.523, (1978).
36. Commercial Press, Quality Pressure Gauge, Type.2811A, Helvlett - Packard
Ltd.,
37. Wells PNT, Physical Principles & Ultrasonic Diagnosis.
38. Kleppe J A, Engineering Applications of Acoustics.
39. Hall Guide to level Monitoring Instrument and Control System.
40. Commercial Press: Ultrasonic Precision Thickness Gauge, C L 304, Wells,
Krautkrammer Blackhurse Road, Letchwork, Herfordshire SG6, G.B.
41. Commercial Press: Precision Ultrasonic Thickness Gauge, Ultrasonics 29
(1991)181.
42. Commercial Press: New principles for Digital Thickness Gauge, Ultrasonics
22(1984) 150.
43. Tsutsumi M, Ito Y, Masuko M, Ultrasonic in Process measurement of
Silicon Wafer thickness, Precision Engineering, 4 (1982) 195.
44. Lemons R A and Quate C F, Appl. Phys. Lett., 24 (1974) 163.
45. Lemons R A and Quate C F, Acoustic Microscopy in Physical Acoustics,
ed.W P Mason and R N Thurston, Academic Press, New York (1979).
46. Briggs A, An Introduction to Acoustic Microscopy, Oxford, (1985).
47. Briggs GAD, Illett C and Somekh, Acoustic Microscopy for Materials
Studies, E A Ash, C R Hill (Edn.). Acoustical Imaging, Plenum, London,
(1982) vol. 12, p 89.
48. Atalar A, J Appl. Phys., 50 (1979) 8237.
49. Hildebrand J A and Lam L K, Appl Phy Lett, 42 (1983) 413; J Microsc, 134
(1984) 245.
50. Kim J O, Achenbach J D, Mirkarimi P B, Shinn M and Barnett S A, J Appl
Phy, 72(1992) 1805.
220 Глава 5. Общие и прогрессивные способы применения ультразвука
51. Pagan A F, Briggs GAD, Chermuszka J T, Scruby С В, J Mater. Sci, 27
(1992)1202.
52. Lawrence C W, Scruby С В and Briggs GAD, J Mater Sci, 28 (1933) 3635 &
3645.
53. Josep S, Mater. Sci and Engg, A122 (1989) 133.
54. Fossheim’K, Bye T, Sathish S and Heggum G, J Mater Sci, 25 (1988) 1748.
55. Chann К H and Bertoni H L, Ultra Symp Proc, Vol 5, IEEE, Piscataway, N
J, (1990) 1333.
56. Tucker PA and Wilson RG, J Polym. Sci, 18 (1980) 97.
57. Fagam A F, Bell J M and Briggs GAD, Acoustic Microscopy of Polymers
and Polymer Composites in A C Roulin-moloney(Ed.) Fractography and
Failure Mechanisms of Polymers and Composites, Elsevier Applied Science,
Amsterdam, 213 (1989).
58. Dargent P, Noack J C, Saied AandAttal J, Proc Conf Ultrasonics Int, (1989)
p751.
59. Hu S, Karpur P and Matikan T E, Review of Progress in Quantitative NDE,
14B ed, D О Thompson and D E Chimenti, Plenum Press, (1995).
60. Bukhny A, Chemosatonskii L A, Khodan A N, Maev R G and Soifer У M,
Solid State Commu, 72 (1989) 1177.
61. Jen С K, Neron C, Bussiere J F, Abe K, Li L, Lowe R and Kushibiki J,
Acoustic Microscopy of Claddes Optocal Fibers, IEEE Ultrasonic Symp.
Proc., (1989) 831.
62. Rodriquez A, Brigges GAD and Montoto, M, J Microsc, 160 (1990) 21.
63. Seniwa M E et al., Paris International Symposium on Fatigue of Materials,
TMS-ASM Fall Meeting, Indianapolis, Indiana, September, 1997.
64. Seniw M E, Conley J G and Fine M E, Materials Science and Engineering
A, submitted for publication.
65. Aldridge E E, Acoustical Holography, Merrow Press, (1971).
66. Hildebamd В P and Brenden В В, Introduction to Acoustical Holography,
Plenum Press, New York, (1972).
67. Coffey J M and Whittle M J, Physics in Technology, 7(4), (1976) 146.
68. Holt A E, Conference on Periodic Inspection of Pressurized Components,
London, May 1979.
69. Erhard A, Wustenberg H and Kutzner, J Brit J NOT, 21(1), (1979) 39.
70. Kutzner J and Wustenberg H, Paper 3G4,8th World Conf, on NOT, Cannes,
(1976).
71. Bussiere J F, Review of Progress in Quantitative NDE, (Ed), Thompson D О
and Chimenti D E, Plenum Press, New York, Vol. 18, (1999) p 13.
72. Webster New Collegiate Dictonary, Merriam Webster Inc. Springfield,
Mass.
73. Bridenbaugh P R, Shabel В S and Govada A K, Non Destructive
Characterisation of Materials II, (Ed) Bussiere J.F., et al., Plenum Press,
NewYork, (1987) p 179.
74. Grove Laboratories, BNF Metals Technology Centre, Wantage, Oxfordshire,
England, Metal Progress, March (1985) P-18.
Рекомендуемая литература
221
75. Yada Н and Kawashima К, Non Destructive Characterisation of Materials
II, (Ed) Bussiere J F, et al., Plenum Press, New York, (1987) p 195.
76. Wadley HNG, Norton S J, Biancaniello F S and Mehrabian R, NDE
Application to Materials Processing, (Ed) Buck О and Wolf A M, ASM,
(1987) p3.
77. Randak A, in Proc. On-line Inspection of Steel Products, Int. Iron and Steel
Institute, Committee on Technology, Brussels, 1983.
78. Grove Laboratories, BNF Metals Technology Centre, Wantage, Oxfordshire,
England, Metal Progress, March 1985, p. 18.
79. American Stress Technologies, Inc, Pittsburgh, PA, USA.
80. Yada H and Kawashima K, in Non-destructive Characterisation of Materials
II, Ed. J F Bussiere et al., Plenum Press, New York, (1987) 195.
81. Wadley HNG, Norton S J, Biancaniello F S and Mehrabian R, in NDE:
Application to Materials Processing, Ed. О Buck and A M Wolf, ASM,
(1987) 3.
82. Pathak L, Rev Sci Instruments, 55(11), (1984) 1817.
83. Heyman J S, Experimental. Mechanics, 17(5), (1977) 183.
84. Kino GS, J of Nondestructive Evaluation, 11(1), (1980) 67.
85. Hsu N N, Experimental Mechanics, 14(5), (1974) 169.
86. EPRIN P - 3523 - L D, Project T 107 - 5, May 1984.
ГЛАВА 6
УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ЖИДКИХ СМЕСЕЙ И РАСТВОРОВ
6.1. Введение
Жидкости, жидкие смеси (многокомпонентные) и растворы на-
шли широкое применение [1—3] в химической, текстильной,
кожаной и атомной промышленности. Изучение и понимание
термодинамических и передающих свойств жидких смесей и рас-
творов имеют большое значение для их применения в этих отрас-
лях. Исследования многокомпонентных (состоящих из двух, трех
компонентов) смесей и растворов проводились с помощью инф-
ракрасного излучения (IR) [4, 5], эффекта Рамана (комбинацион-
ного рассеяния света) [6], ядерного магнитного резонанса (NMR)
[7] и диэлектрического метода [8]. Как и многие другие методики,
измерение параметров ультразвуковых волн в жидких смесях и
растворах является важным инструментом, позволяющим изучать
физико-химические свойства растворов и смесей.
6.2. Виды молекулярного взаимодействия
В жидких смесях возможные взаимодействия происходят как
между одинаковыми, так и между разными молекулами. Эти вза-
имодействия делятся на два вида: дальнее и ближнее. Дальнее
взаимодействие включает электростатическую индукцию и дис-
персионные силы, возникающие при тесном сближении взаимо-
действующих молекул без перекрывания электронных облаков. С
другой стороны, ближнее взаимодействие, к которому относятся
диполь — диполь, диполь— индуцированный диполь, перенос
заряда, комплексное образование и водородная связь, имеет мес-
то тогда, когда молекулы сближаются еще теснее, что приводит
Ультразвуковое исследование молекулярных взаимодействий
223
к значительному перекрыванию электронных облаков. Дальние
взаимодействия характеризуются строгой направленностью.
Через силы межмолекулярного взаимодействия можно изу-
чать образование комплексных соединений в жидкостях и раство-
рах. В идеальной жидкой смеси при перемешивании происходит
изменение объема или энтальпии. Когда смешивают две или бо-
лее жидкостей, полученная смесь не является идеальной. Таким
образом, отклонение от идеальности объясняется на основе моле-
кулярных взаимодействий компонентов жидких смесей.
6.3. Ультразвуковое исследование молекулярных
взаимодействий
Измерение скорости ультразвука наряду с прочими данными,
такими как плотность, вязкость, проводимость и коэффициент
поглощения, использовалось для изучения различных видов мо-
лекулярных взаимодействий в жидких смесях, ионного взаимо-
действия в смешанных растворах соли, структурных изменений в
полимерных растворах и т.д. Достоверность вышеперечисленных
экспериментальных данных ограничена. Для того чтобы получить
дополнительную информацию о природе и силе молекулярных
взаимодействий в жидких смесях, рассчитывают соответствую-
щие акустические параметры, такие как длина свободного пробе-
га частицы Lj, адиабатная сжимаемость Ра</, свободный объем V?
внутреннее давление Я., изоэнтропическая сжимаемость 0.е, акус-
тический импеданс Z, коэффициент поглощения а//2,и их избы-
точные параметры.
Другими важными параметрами, которые используются для
объяснения природы, силы и порядка молекулярных взаимодейс-
твий в многокомпонентных жидких смесях и растворах, являются
избыточные термодинамические функции, такие как избыточная
длина пробега Lf, избыточный свободный объем Vf, избыточ-
ное внутреннее давление я.£ и избыточная изотермическая сжи-
маемость Pfe£. Избыточные термодинамические функции чувс-
твительны к силам межмолекулярного взаимодействия, а также
к размеру молекул. Данные о скорости ультразвука и плотности
использовались многими исследователями для объяснения вза-
имодействия растворенных веществ и растворителей с помощью
нескольких эмпирических, полуэмпирических и статистических
224 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
теорий растворов в случае жидких смесей. Кажущаяся молярная
сжимаемость фЛ, кажущийся молярный объем фъ, число сольвата-
ции Sn и относительная связь RA являются параметрами, которые
помогают понять взаимодействие растворенных веществ с рас-
творителями, растворителей с растворителями, растворенных ве-
ществ с растворенными веществами, а также свойства создания/
разрушения структуры соли/полимеров.
Экспериментальные данные о скорости, плотности и вязкос-
ти применялись для расчета вышеперечисленных акустических
параметров. Прежде чем мы обсудим необходимые для этого свя-
зи, давайте посмотрим, каким образом можно измерять скорость
и затухание ультразвуковых волн, распространяющихся в смесях.
Скорость и коэффициент поглощения в жидкостях измеряют с
помощью ряда методов. В случае жидких смесей предпочтение
отдается методу незатухающей волны (CW) [9] и методу перекры-
вания эхо-импульсов (РЕО) [10—13]. Для лучшего понимания чи-
тателями объясняются оба метода и их применение в измерениях
скорости и коэффициента затухания.
В последующих разделах под соответствующими заголовками
предпринимается попытка предоставить читателю важную ин-
формацию следующего рода:
(I) Подготовка многокомпонентных жидких смесей для изме-
рения скорости, коэффициента поглощения и т.д.
(II) Методы измерения скорости, поглощения, вязкости и
плотности.
(III) Поведение ультразвуковых волн в чистых жидкостях,
двухкомпонентных смесях и газе.
(IV) Теории скорости ультразвука в смесях и растворах.
(V) Акустические параметры, полученные из скорости и дру-
гих данных.
(VI) Обзор акустических исследований жидких смесей, элект-
ролитных и полимерных растворов.
6.4. Подготовка многокомпонентных жидких
смесей
Химические вещества, используемые для подготовки требуемых
смесей, должны иметь класс Analar (AR) и пройти стандартную
очистку [14,15]. Все очищенные вещества следует хранить пропу-
Подготовка многокомпонентных жидких смесей 225
щенными через молекулярное сито. Чистота веществ проверяется
путем измерения плотности и сравнения с величинами, приве-
денными в литературе [6].
Двух- и трехкомпонентные жидкие смеси различного состава
можно приготовить одним из трех способов:
1) мольная доля
2) массовая доля
3) объемная доля
6.4.1. Мольная доля
Мольную долю х. в многокомпонентных жидких смесях можно
получить из следующего соотношения:
У ILL
где W. и Д— соответственно, вес и молекулярная масса компо-
нента z.
Значения i считают равными 1, 2, 3 и т.д., что зависит от числа
смешиваемых компонентов. К примеру, если смесь двухкомпо-
нентная, i принимает значения 1 и 2. Следовательно, общая моль-
ная доля будет составлять х; + х=\. Аналогично для трехкомпо-
нентной смеси: х,+ х2 + х= 1.
6.4.2. Массовая доля
Массовая доля w. в многокомпонентных жидких смесях рассчи-
тывается по формуле:
xt/Mt
W, = , (6.2)
£х,.М,-
i=i
где буквенные обозначения являются стандартными для исполь-
зуемых величин.
6.4.3. Объемная доля
Объемную долю ф; в многокомпонентных жидких смесях можно
вычислить тремя разными способами.
Способ I (через объем).
Объемная доля ф. в многокомпонентных смесях рассчитыва-
ется так:
226 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
Vi = • <6'3>
Ж
/=1
где И — объем чистой жидкости /. Прочие буквенные обозначе-
ния являются стандартными.
Способ II (через молярный объем).
Объемную долю ф/ в многокомпонентных жидких смесях
можно определить через молярный объем:
(р‘= n!-'si- , (6.4)
УхУ.
I mi
i=l
где Vm. — молярный объем чистой жидкости i.
Способ III (через избыточный объем).
Объемную долю в многокомпонентных смесях получают через
избыточный объем:
(6.5)
где И — избыточный объем жидких смесей.
6.5. Методы измерения
Экспериментальные методы, используемые для измерения ско-
рости, коэффициента поглощения, плотности и вязкости жидких
смесей и растворов, рассматриваются в следующих разделах.
6.5.1. Скорость ультразвука и коэффициент поглощения
Скорость U и коэффициент поглощения (а//(I) 2) ультразвуковых
волн в смесях и растворах, как правило, измеряют с помощью ин-
терферометра (незатухающая волна) и метода перекрывания эхо-
импульсов.
(I) Интерферометр — метод незатухающей волны
Интерферометр состоит из двух частей: высокочастотного ге-
нератора и измерительного модуля. Экспериментальная установ-
Методы измерения
227
ка, предназначенная для реализации метода незатухающей вол-
ны, показана на рис. 6.1.
Интерферометр генерирует переменное поле изменяющей-
ся частоты. Частоту переменного поля в интерферометре можно
выбирать путем ее регулировки соответствующим переключате-
(а) Передняя панель интерферометра
(Ь) Элемент с жидкостью
Рис. 6.1. Экспериментальная установка для реализации метода
незатухающей волны
228 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
лем на передней панели. Таким образом, интерферометр генери-
рует переменное поле заданной частоты. Элемент с жидкостью
представляет собой сосуд с двойными стенками, позволяющи-
ми поддерживать постоянную температуру. Для этого осущест-
вляется циркуляция воды, которая проходит из ванночки через
внешнюю стенку. В верхней части элемента установлен метал-
лический рефлектор, погруженный в жидкость и соединенный
с микрометрическим винтом. С помощью этого винта отражаю-
щую пластину рефлектора, находящуюся в смеси, можно подни-
мать или опускать на нужное расстояние. Для подобных иссле-
дований наименьшая величина смещения составляет 0,001 мм.
На дно элемента помещен кристалл кварца. Пластина рефлек-
тора и рабочая поверхность кристалла параллельны друг другу.
На кристалл через ВАС-разъем подается переменное поле от ге-
нератора. В результате кварцевый кристалл начинает совершать
резонансные колебания и генерировать продольные ультразву-
ковые волны.
Переменное поле внутри интерферометра, в свою очередь,
воздействует на кристалл.
Продольные волны, излучаемые кристаллом, проходят через
смесь и отражаются от поверхности параллельной ему пластины
рефлектора. Если расстояние между пластиной и кристаллом
кратно длине звуковой волны, в среде формируются стоячие
волны. Это приводит к возникновению акустического резонан-
са, что вызывает изменение разности потенциалов в генераторе,
возбуждающем кварцевый кристалл. А именно: анодный ток ге-
нератора принимает максимальное значение. Изменение анод-
ного тока можно измерить микроамперметром, подключенным
к генератору. При медленном изменении с помощью микромет-
рического винта расстояния г между пластиной и кристаллом
анодный ток уменьшается, а затем опять повышается до макси-
мальной величины, то есть стрелка амперметра совершает одно
полное колебание. Микроамперметр показывает максимум и
минимум при увеличении/уменыпении расстояния между плас-
тиной и кристаллом. Интервал между максимумом и миниму-
мом анодного тока равен половине длины ультразвуковой волны
в смеси. Отметив исходное и конечное положение микрометра
для одного полного колебания (максимум—минимум—макси-
мум) и определив все расстояние d, на которое передвигается
параллельный отражатель, можно рассчитать число п последо-
Методы измерения
229
вательных максимумов и минимумов для этого расстояния. Как
только d и п определены, можно вычислить длину волны по фор-
муле:
С помощью данной формулы можно получить длину ультра-
звуковых волн в смеси. Соответственно, скорость продольных
ультразвуковых волн в смеси составит:
U = Xf, (6.7)
где /— частота генератора, который используется для возбужде-
ния кристалла.
Общая точность измерения скорости в данном методе состав-
ляет ±5%.
Коэффициент поглощения
С увеличением расстояния г между рефлектором и кристаллом
величины максимума и минимума тока сближаются. На рис. 6.2
изображен график зависимости между расстоянием г и током I.
Из рис. 6.2 (пунктирная линия) понятно, что сближение кривых
максимума и минимума свидетельствует о наличии затухания уль-
тразвуковых волн. Таким образом, величины максимумов и ми-
нимумов тока связаны с ультразвуковым поглощением в среде.
Рис. 6.2. Изменение /в зависимости от г — измерение поглощения
230 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
Согласно Мэйсону [17], ультразвуковое поглощение в смеси/
растворе можно определить, найдя разность максимального и ми-
нимального показаний тока I. Пусть 1тах и Imin — соответственно
максимум и минимум тока для известного расстояния г.
д/ = 4ах - 4™ = 4 ехр(-2аг), (6.8)
где Kd — константа, которая зависит от осциллятора интерферо-
метра и коэффициента отражения рефлектора.
Из соотношения (6.8) получим:
1пД/ = ^-2ал, (6.9)
где Kj = In Kd.
Поглощение можно рассчитать с помощью вышеприведенно-
го соотношения. Тем не менее, поскольку изменение тока в мик-
роамперметре происходит неравномерно, поглощение рассчиты-
вается с небольшой поправкой. Пусть гтах и rmin — соответственно
максимальные и минимальные показания микрометрического
винта для 1тах и lmin тока.
Следовательно,
= rmax.+4in . (6.10)
mean v 7
Величину / (ее среднее значение 1теоп) можно получить по фор-
муле (6.8). На рис. 6.2 изображен график зависимости между гтеап
(средним) и /в виде сплошной линии. Наклон кривой составляет
2а.
Интерферометрический метод можно использовать для изме-
рения скорости или поглощения. Общая точность измерения ско-
рости в данном эксперименте составляет ±5%. Ошибка возникает
главным образом из-за формирования стоячих волн внутри жид-
кости. Более того, модуль для элемента жидкости, используемый
в данном методе, неидеален для агрессивных жидких смесей. Для
лучшего понимания молекулярного взаимодействия нам необхо-
димы точные измерения скорости и поглощения в жидких смесях.
(II) Метод перекрывания эхо-импульсов
Для повышения точности в измерениях скорости ультразвука
и коэффициента поглощения многие исследователи применяли
метод перекрывания эхо-импульсов [10—131 (см. главу 3). Модуль
Методы измерения 23
с элементом жидкости используемый для измерений скорости и
затухания, изображен на рис. 6.3. Время пробега определяется со-
гласно процедуре, описанной в главе 3.
Чтобы измерить скорость ультразвуковых волн в смесях, эле-
мент жидкости (рис. 6.3) сначала проверяется с помощью воды,
прошедшей двойную дистилляцию. Ультразвуковая скорость в
смесях/растворах рассчитывается по следующей формуле:
(6.11)
где tw и t — время, требуемое ультразвуковой волне для прохожде-
ния туда и обратно в элементе с водой и смесью, С/, — скорость
ультразвуковых волн в воде при экспериментальной температуре,
ее значение берут из литературы.
Выходное отверстие
Сигнал
радиочастоты (rf)
на приемник
Кварцевый
кристалл
Смесь/раствор
Вода
Входное отверстие
Рис. 6.3. Модуль с элементом жидкости — измерение скорости
и затухания
Коэффициент поглощения
Коэффициент поглощения a/f в жидкой смеси можно рас-
считать, измерив амплитуды переданного 10 и принятого
ультразвуковых волн:
232 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
где d — расстояние, пройденное ультразвуковыми волнами в эле-
менте жидкости туда и обратно, 1Г 12 и т.д. — амплитуды эхо-сиг-
налов, п — число эхо-сигналов.
Измерив затухание, можно рассчитать коэффициент погло-
щения a/f, если известна частота ультразвуковых волн.
6.5.2. Плотность
Плотность р чистых жидкостей, жидких смесей и растворов мож-
но определить с помощью сравнительного метода измерений.
Берется чистый и сухой пикнометр (10 мл), и измеряется его вес
wr Пикнометр наполняют контрольной жидкостью, например во-
дой, прошедшей двойную дистилляцию, и погружают в водяную
ванночку, температура которой контролируется. Температуру
можно поддерживать на любом постоянном уровне. Пикнометр
погружают в ванночку на определенное время, чтобы температура
воды в нем сравнялась с температурой воды в ванне. Уровень воды
в пикнометре доходит до определенной отметки, а после этого из-
меряют вес (w2). Масса воды определяется как mw (= w] — ж,), то
есть объем пикнометра устанавливается путем взвешивания воды
при экспериментальных температурах. После того как показания
пикнометра с водой приняты за стандартные, жидкость, плот-
ность которой нужно измерить, наливают в пикнометр и опреде-
ляют массу т смеси при экспериментальной температуре, такой
же, как и в опыте с водой. Воспользовавшись нижеприведенным
соотношением, рассчитывают плотность неизвестной смеси при
любой экспериментальной температуре. Плотность воды при раз-
личных температурах берется из литературы [15—16].
р = ^. (6.13)
"К
Точность измерения плотности в данном методе зависит от
точности определения веса и составляет порядка ±0,1 кг-м-3.
6.5.3. Вязкость
По аналогии с измерением плотности вязкость т| смеси можно
измерить с помощью сравнительного метода. Для измерения ис-
пользуется вискозиметр Освальда (емкость 10 мл). Вискозиметр
наполняют водой, прошедшей двойную дистилляцию, а затем
погружают в ванночку с водой. Проходит некоторое время, пре-
жде чем вода в вискозиметре достигнет экспериментальной тем-
Поведение ультразвуковых волн в чистых жидкостях, смесях и газах 233
пературы. С помощью соответствующего устройства отсасывают
воду над отмеченным уровнем, а потом ей позволяют спокойно
заполнять пространство. Отмечают время, необходимое для за-
полнения водой. После этого воду заменяют смесью, вязкость
которой нужно определить. Используя ту же самую процедуру,
определяют время, требуемое смеси для заполнения пространства
при экспериментальной температуре. Зная время для контроль-
ной жидкости (воды) и для смеси, рассчитывают вязкость неиз-
вестной смеси:
рГ
(6.14)
где r|w, ри, и tw — вязкость, плотность и время заполнения для кон-
трольной жидкости, то есть воды; р и t— плотность и время за-
полнения для смеси. Вязкость воды при различных температурах
берется из литературы [15, 16].
Точность измерения вязкости зависит от точности определе-
ния времени и плотности и составляет ±0,001 мНсм-2.
6.6. Поведение ультразвуковых волн в чистых
жидкостях, смесях и газах
В следующих разделах на обсуждение выносится природа распро-
странения ультразвуковых волн в чистых жидкостях и газах.
6.6.1. Чистые жидкости и двухкомпонентные смеси
В чистых жидкостях, жидких смесях и газах могут распростра-
няться только продольные ультразвуковые волны. Подробное ис-
следование распространения ультразвуковых волн в жидкой сре-
де приводится в разделе 2.5 главы 2. В чистых жидкостях и жидких
смесях скорость распространения ультразвуковых волн задается
следующим соотношением:
и =
(6.15)
где и Р/5 — адиабатная и изотермическая сжимаемость.
Значения скорости ультразвука, плотности и температурного
коэффициента для наиболее распространенных жидкостей при-
водятся в табл. 6.1.
234 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
Табл. 6.1 Скорость ультразвука в наиболее распространенных
жидкостях
Жидкость Скорость, м/с Температура, К
Ацетон 1192 293
Ацетофенон 1457 303
Ацетонитрил 1290 298
Анилин 1637 298
Бензол 1292 301
Бромоформ 916 298
н-бутанол 1232 303
Четыреххлористый углерод 926 298
Хлороформ 987 298
Циклогексан 1232 303
Этанол 1180 293
Метанол 1128 293
Эфир 949 303
Глицерин 1923 293
Парафиновое масло 1444 293
Льняное масло 1923 293
Толуол 1328 293
Вода 1483 293
О-ксилол 1328 303
В большинстве жидкостей и жидких смесей скорость ультра-
звуковых волн зависит от температуры. В чистых жидкостях ско-
рость ультразвука уменьшается с повышением температуры, од-
нако если речь идет о воде, то данное правило не действует. В воде
скорость, наоборот, возрастает с повышением температуры, что
происходит вплоть до 347 К. После прохождения максимума 347
К при дальнейшем повышении температуры скорость начинает
снижаться (рис. 6.4). Первоначальное повышение скорости уль-
тразвуковых волн в воде вплоть до того момента, как температура
достигнет 347 К, обусловлено молекулярными связями, а сниже-
Поведение ультразвуковых волн в чистых жидкостях, смесях и газах
235
ние скорости определяется диссоциацией этих связей. Обычно
для жидкостей зависимость скорости ультразвука от температуры
в общем виде можно записать так:
U = Uo+TcoeffT,
(6.16)
где Т — разница между экспериментальной (ТехрК) и абсолютной
температурой, равной 273 К (то есть Т — 273), Uo — скорость в
жидкости при первоначальной температуре Т, Tcoeff — абсолютный
температурный коэффициент.
Т(К)
Рис. 6.4. Зависимость распространения ультразвука в воде от температуры
В чистых жидкостях и жидких смесях скорость ультразвуковых
волн зависит от частоты. Объяснение природы подобной зависи-
мости ультразвуковых волн базируется на измерениях коэффици-
ента поглощения.
Скорость распространения ультразвуковых волн в многоком-
понентных (двух-, трехкомпонентных) смесях зависит от концен-
трации отдельных компонентов. В жидких смесях изменение ско-
рости может быть линейным или демонстрировать максимумы и
минимумы, что зависит от природы молекулярных взаимодейс-
твий отдельных компонентов смеси. В случае водных и мыльных
растворов скорость ультразвука повышается до достижения опре-
236 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
деленной концентрации, и затем после демонстрирования макси-
мума отмечается снижение скорости при дальнейшем повышении
концентрации солевого/мыльного раствора.
Наблюдаемые вариации скорости в жидких смесях и раство-
рах стали использовать в качестве инструмента, позволяющего
изучать физико-химические свойства жидких смесей и раство-
ров. Подробное обсуждение зависимости скорости ультразвука,
поглощения и прочих производных параметров от концентрации
приводится в разделе 6.8.
В идеальном газе скорость ультразвуковых волн выражается так:
U = Jr—, (6.17)
V Р
где — отношение удельных теплоемкостей при постоянном дав-
лении и постоянном объеме, Р — атмосферное давление (~ 105
Па), р — плотность газа.
По аналогии с жидкостями скорость ультразвука в газе можно
определить с помощью адиабатной Ра</ и изотермической рй сжи-
маемости, а также плотности р:
или (7=/у—, (6.18)
_ Ph _Ср Ч
где Здесь буквенные символы имеют свое обычное
Pad
значение.
Изначально измерения скорости ультразвука и плотности в
двухкомпонентных жидких смесях имели целью изучение изме-
нения состава и температуры. Позже их стали практиковать для
оценки молярной скорости звука [19] и молярной сжимаемости
или константы Вады [20] в легкосмешиваемых жидких смесях.
Молярную скорость звука Rmix и молярную сжимаемость Wmjx в
жидких смесях любого состава можно найти по формулам:
(6.19)
г mix
м
(6.20)
rmix
Поведение ультразвуковых волн в чистых жидкостях, смесях и газах 237
где Мт — средний молекулярный вес, pmix — плотность, Parf — адиа-
батная (/изоэнтропическая) сжимаемость смеси.
Значение Pflrf для смеси получают по формуле:
^=7^“ • (621)
Адиабатная сжимаемость является одним из наиболее важных
параметров в изучении молекулярных взаимодействий в жидких
смесях.
6.6.2. Газы
Зависимость скорости от температуры в идеальном газе можно за-
писать в следующем виде:
u^u^+TrcoeffT) =
= U0 + TcoeffT (6.22)
\Tcoeff = ’
где Uo — скорость ультразвука в газе при 0°С, Trcoeff— относительный
температурный коэффициент, Tcoeff— абсолютный температурный
коэффициент (= UTrcoeff), Т— величина, которая принимает значе-
ние в контексте формулы (6.16) согласно заданным параметрам.
Скорость ультразвука и отношение удельных теплоемкос-
тей некоторых наиболее распространенных газов приводятся в
табл. 6.2. Частотная зависимость ультразвуковых волн в газах объ-
ясняется акустической дисперсией. В большинстве газов ответс-
твенность за эффект изменения скорости в зависимости от часто-
ты приписывается термальной релаксации.
Табл. 6.2 Скорость ультразвука и отношение удельных
теплоемкостей некоторых наиболее распространенных газов
при температуре 273 К
Газ Обозначение Скорость, м/с Отношение удельныхтепло- емкостей у
Аргон А 319 1,668
Гелий Не 965 1,66
238 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
Углекислый газ СО2 259 1,299
Угарный газ СО 338 1,4
Воздух 331 1,402
Неон Ne 435 —
Кислород О; 316 1,396
Сернистый газ so2 213 1,29
Азот n2 334 1,4
Водород н2 1284 1,408
6.7. Теории скорости ультразвука в смесях
и растворах
Теоретическая оценка скорости звука в жидких смесях представ-
ляет большой интерес. Оценка, основанная на молекулярных мо-
делях в жидких смесях, использовалась для соотнесения с экспе-
риментальными данными и выяснения термодинамики смесей.
Сравнение теоретических и экспериментальных результатов так-
же способствует лучшему пониманию обоснованности различных
термодинамических, эмпирических, полуэмпирических и статис-
тических теорий.
Ниже перечислены различные теории, используемые для рас-
чета скорости ультразвука в многокомпонентных смесях:
(I) Теория свободного пробега [21, 22].
(II) Теория фактора столкновений [23—25].
(III) Соотношение Номото [26].
(IV) Идеальное соотношение смеси Вана Дэйла [27, 28].
(V) Соотношение Джанджи [29].
(VI) Термодинамические теории [30].
(VII) Статистическая теория Флори [31].
(VIII) Теория взвешенных частиц [32].
(IX) Формулировка Хазэйра [33].
Обсудим эти теории подробно.
6.7.1. Теория свободного пробега
Якобсон [21, 22] представил концепцию определения скорости
ультразвука в чистых жидкостях и жидких смесях, известную как
Теории скорости ультразвука в смесях и растворах 239
теория свободного пробега (FLT). Более того, он связал скорость
ультразвука в чистых жидкостях с длиной свободного пробега Lf
соотношением:
ULfp'/2=KT,
(6.23)
где КТ— константа Якобсона, зависящая от температуры. Она
принимает значение 200 х 10-8 при 303 К.
В случае жидких смесей формула (6.23) выглядит так:
Lf р
Jmix
где Lfmbc и р — длина свободного пробега и плотность смеси.
Длина свободного пробега Lfmjx в многокомпонентной жидкой
смеси задается соотношением:
(6.25)
где Voj и К — соответственно, объем при абсолютном нуле и пло-
щадь поверхности на моль z-го компонента. В случае двухком-
понентных смесей i = 2, а в случае трехкомпонентных i = 3 и т.д.
Значения Кои /получают по формулам:
V -у
т и
а
и
2V ( U }
Y — т 1 — ехр
^fmix X )
(6.26)
(6.27)
где U — величина экспериментальной скорости ультразвука в
чистых жидкостях, Ua= 1600 м/с, Vm — молярный объем смеси.
6.7.2. Теория фактора столкновений
Согласно Шаафсу [23], скорость в чистой жидкости выражается
соотношением:
(6.28)
240 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
или
(6.29)
где S — фактор столкновения, Yf— фактор заполнения пространс-
тва, В — истинный объем молекулы на моль, который рассчиты-
вается по формуле:
4
B =—nr3N,
3
(6.30)
где г — обозначение радиуса молекулы, N — число Авогадро.
Радиус молекулы определяется уравнением:
зь у
\&iN)
(6.31)
где b — константа Ван-дер-Ваальса.
Натч и Кункиз [24] использовали фактор столкновения Шаафса
применительно к двух- и многокомпонентным смесям и получили
целый ряд формул, приведенных ниже.
Скорость в двухкомпонентных смесях, найденная с помощью
теории фактора столкновений (CFTy.
С С FT - С
(XjiV, + х25'2)(х1В1 + х252)
(6.32)
где х — мольная доля. Индексом i нумеруются чистые компонен-
ты 1, 2 и 3.
Среднее значение г можно получить, объединив полуэмпи-
рическую формулу Шаафса и уравнение Рао и др. [34]:
Г/ J \i/2 Т|1/3
rSchaaffs=£\ 1 ~£ И + 777
(6.34)
Теории скорости ультразвука в смесях и растворах
241
и
ГКао=^
(6.35)
где
(зит У3
Р _I _т I
1 ибяЛи
( rRT\
[ми2)
и
где у — отношение теплоемкостей, R — газовая постоянная, М—
молекулярная масса.
Константу Ван-дер-Ваальса можно получить из соотношения:
b = Vm
RT Г I MU2
МС/2[г+ 2>RT
(6.36)
где Т— абсолютная температура. Другие буквенные символы
имеют свое обычное значение.
6.7.3. Соотношение Номото
Полагая, что между молярной скоростью звука R и концентра-
цией в мольной доле (х; и х2) существует линейная зависимость,
а молярный объем Vm обладает свойством аддитивности, Номото
вывел эмпирическую формулу скорости ультразвука в двухкомпо-
нентных жидких смесях:
Х1^т1 + Х2^т2
(6.37)
В случае многокомпонентных смесей равенство (6.37) прини-
мает следующий вид:
/ »
(=1
fxv,
У'=1
(6.38)
Молярный объем и скорость звука обладают свойством адди-
тивности:
R- x,R, + x2R2 ,
242 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
то есть R = хД. (6.39)
/=1
Аналогично
Vm = х,К,1 +х.Утт,
т 1 mi z mz *
n
то есть Vm = £ x,Vmi. (6.40)
i=i
Следовательно, отклонения молярной скорости звука, скоро-
сти, молярного объема и константы Вады от линейности выража-
ются с помощью соотношений:
ДЛ = Лм;-Д;хр, (6.41)
Mi = ucal-uexp, (6.42)
д[/ = К -И т meal т ехр> (6.43)
^W = Wca,-W^. (6.44)
С помощью вышеприведенных формул можно определить от-
клонение параметров от экспериментальных значений и, следо-
вательно, силу и природу молекулярных взаимодействий в много-
компонентных жидких смесях.
6.7.4. Идеальное соотношение смеси
Ван Дэйл и Вангил [27, 28], отталкиваясь от идей, выдвинутых
Бландамером и Уэддингтоном, предположили, что адиабатная
сжимаемость 0о</ смеси выглядит так:
= <««)
Уш Уш
где у — отношение удельных теплоемкостей, ф — объемная
доля, 0^— адиабатная сжимаемость; индексы 1 и 2 относятся к
компонентам 1 и 2; у/м — отношение удельных теплоемкостей в
идеальной смеси.
Равенство (6.45) верно в том случае, если смесь идеальна, и
поэтому:
(6.46)
Теории скорости ультразвука в смесях и растворах 243
Равенство (6.46) можно преобразовать в линейную комби-
нацию мольных долей, если дополнительно предположить, что
PadIM =$Padl +$lPad2 ' (6-47)
На основании вышеприведенного равенства (6.47) Ван Дэйл
получил следующее уравнение для скорости звука в двухкомпо-
нентной смеси:
------------. (6.48)
(х, М. + х2М2) U2 М. И2. М2У22
Уравнение (6.48) можно переписать для многокомпонентных
смесей:
/ „ \У2( п Y \-1/2
UIMR =
lMR ' J Ц^ад2 J
(6.49)
Степень молекулярного взаимодействия задается в виде:
Молекулярное взаимодействие =
(U2
ехр
ц2
\ и IMR 7
(6.50)
6.7.5. Соотношение Джанджи
Соотношение Джанджи (J7?) [29], определяющее скорость ультра-
звука в трехкомпонентных жидкостях, было расширено Дьюаном
и др. [38]. Расширенное соотношение Джанджи для много-
компонентных жидкостей выглядит так:
/ л \/ л \1/2
UJR = Ух,У Ух,М
Ул I 1 mi 11 1 1 I
\/=1 7\/=1 )
(6.51)
Буквенные символы имеют свое обычное значение.
6.7.6. Теории термодинамики
В случае сферических молекул сжимаемость двухкомпонентной
жидкости объясняется с помощью модели среднего потенциала.
предложенной Пригожиным [39]. Разница между сжимаемостью
заданной смеси и идеальной, то есть избыточная сжимаемость В£,
244 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
отличается от избыточной сжимаемости (Эъ£/Эр) Пригожина, что
определяется уравнением:
рцУ 82 21 2 4 el
= 3 + 6Р5 +
др Д 2 2 )
1
%iX21 Эр ,
^,2 Э2и. (-5 „2 _ 2 9 Л 1„2 Э2и. Г—3 _2Л
+ Т---Ч—8+9р+-р8\+-Т--------Ч —<5 /а
дрд7\4 р 2И ) 2 дрдТ\Ь )’
где vE— избыточный объем, 5 и р — молекулярные параметры те-
ории Пригожина.
Эти две величины соотносятся следующим образом:
m,ideal
(6.53)
где И и И ^—молярные объемы имеющейся смеси и идеальной.
Элемент (Эи^/Эр) будет либо адиабатным, либо изотермичес-
ким в зависимости от природы Р, используемой в формуле (6.53).
В свете теории Пригожина предпринимались попытки исследо-
вать природу различий изотермических и адиабатных величин
(Эо£/Эр) в различных двухкомпонентных жидких смесях путем из-
мерения скорости и плотности.
Данные исследования также подтвердили, что масштабы и
природа изменчивости адиабатной или изотермической сжима-
емости в зависимости от концентрации не имеют существенных
отличий. Согласно Бимсенчару и другим авторам [40], различия
точек кипения компонентов жидкости являются главным образом
мерой различий энергий взаимодействия в смеси. Номото выдви-
нул подробную теорию скорости ультразвука в чистых жидкостях,
основанную на теории модели ячеек.
В 1956 году Кудрявцев [30] разработал термодинамическую те-
орию для расчета скорости ультразвука в двухкомпонентной сме-
си. Это уравнение, позднее преобразованное Номото [41], который
предположил, что в идеальной смеси действует свойство аддитивнос-
ти для внутренней энергии Е и молярного объема Vm, выглядит так:
(6-54)
И
ideal ~ Х1 ^1 + Х У1
(6.55)
Теории скорости ультразвука в смесях и растворах 245
С учетом вышеприведенных формул:
и-‘х'¥ги'^1Ги>- <6-ЭД
т 1V1 т
Уравнение (6.56) называется уравнением Кудрявцева и явля-
ется приближенным, потому что соотношение = M дает
более точный результат. Эи2 ” К„2
Ми2т=—г (6.57)
где % 'зависит от каждой жидкости и температуры, что определил
Номото [42].
Правильное соотношение, полученное Номото вместо урав-
нения Кудрявцева, выглядит так:
,,2 М, х Тг2 М. х тт2
U„=x. -~г—U.z+x2—y-—U2.
m lMmXl 1 2 М2 х2 2
(6.58)
Формула (6.58) верна для большинства жидких смесей.
Номото рассчитал идеальное поведение смесей через энергию
взаимодействия при смешивании:
ДЕ = X] Е] + х2Е2 + ДЕт. (6.59)
Потенциал Леннарда—Джонса для межмолекулярной потен-
циальной энергии:
' m
Исходя из формулы (6.60), Номото получил соотношение для
U в смеси:
m
и-=х^и<+х^и2+^^Е«- (661)
где у = Су Сц, а ДЕ0 равно тепловой гидратации L (джоули на грамм
раствора).
Подставив полученные значения в уравнение (6.61), имеем:
U2m=Xl^U2 + x2^±U2+3,35xlQsL. (6.62)
246 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
Воспользовавшись соотношением (6.62) и зная значения ско-
рости ультразвука, плотности и теплоемкости при постоянном
давлении, можно получить изотермическую сжимаемость в двух-
компонентных смесях.
6.7.7. Статистическая теория Флори
Поверхностное натяжение чистой жидкости и многокомпонен-
тных жидких смесей можно определить путем использования
соответствующих характеристических параметров (то есть пара-
метров приведения) для давления, объема и температуры и при-
менения статистической теории Флори (FST) [31]. Аналогичное
соотношение можно использовать применительно к поверхнос-
тному натяжению в двух- и, следовательно, многокомпонентных
жидких смесях.
Согласно Ауербаху [43], скорость звука, плотность и поверх-
ностное натяжение о связаны эмпирическим соотношением:
/ \2/3
и =(_______-____
FST [б,Зх1(Нр
Поверхностное натяжение жидкости в теории Флори можно
рассчитать таким образом:
(6.63)
<т = сг*сг(Й), (6.64)
где о * и сг(Й) — характеристическое и приведенное поверхност-
ное натяжение. Тильда ~ в вышеперечисленных уравнениях ука-
зывает на приведенные значения объема и температуры.
Паттерсон и Растрджи [44] расширили данную теорию, чтобы
определить поверхностное натяжение с помощью следующего со-
отношения, включающего характеристические параметры:
0.* _ j^l/Зр*2/3 р*1/3
(6.65)
где К— постоянная Больцмана, Р* и Т*— характеристические
давление (= Р / Р) и температура (-Т /Т).
Пригожин и Сарага [45] вывели уравнение приведенного по-
верхностного натяжения, которое для жидкости Ван-дер-Ваальса
можно записать так:
... . ...5/3 (К) -1 (И) -0,5
(К =м(г) _у-1 In1 ;
1 } k ’ Н И/3-1
(6.66)
Теории скорости ультразвука в смесях и растворах
247
где Л/—доля «ближайших соседей», которых теряет молекула при
движении из центра к поверхности жидкости.
Согласно Паттерсону и Растоджи [44], оптимальная величина
М (=0,29), основанная на точной трактовке поверхностного натя-
жения, может быть использована для большинства жидкостей.
В соответствии с трактовкой приведенного объема Флори [31],
характеристическое давление и характеристическую температу-
ру в чистых жидкостях можно получить, зная коэффициент рас-
ширения объема а, изотермическую сжимаемость Рй и используя
следующие формулы:
(6.67)
(6.68)
(6.69)
где Т — абсолютная температура.
В трехкомпонентных жидких смесях (составленных из трех
двухкомпонентных жидкостей) молекулы трех составляющих де-
лятся на равные сегменты (соседствующие с заданной молекулой)
так, что К;*= И2* = И?* = К*. Предположим, что основные объемы
компонентов обладают свойством аддитивности, и применим ана-
логичную процедуру, как в случае двухкомпонентных жидкостей.
Тогда мы сможем оценить характеристические параметры трехком-
понентной смеси, компоненты которой нумеруются индексами 1,
2 и 3. В этом случае для трехкомпонентных смесей мы получаем:
т/_ V
' ~ rr* TZ* TZ* ’ (6.70)
xri + x2V2 + x3V3
P* = (ViPi +у/2Р2 + ip3P3)-(iifl02Xi2+ip203X23+ip3Ol')X3i, (6.71)
где \|/;, у2, Vj и 0;, 02, 02 — соответственно доля сегмента и доля
места компонентов 1, 2 и 3.
Предполагается, что смешивание компонентов происходит
случайным образом, а концентрация компонента i в некоторой
248 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
окрестности в любом месте равна 0, что для трехкомпонентной
смеси выглядит так:
в==1-9'-е>=^ <6-72>
и 0 =1-0 -0 = , (6.73)
srN
где N— число молекул, г. и si — число мест контакта.
Доли сегмента у7, у? и \|/5 определяются следующим образом:
г N
(6.74)
И
1 r2N2
(6.75)
где V/= 1 -Vj —
Доли сегмента и доли места в трехкомпонентных жидких сме-
сях рассчитываются по формулам (6.72), (6.73), (6.74) и (6.75) с
предположением, что:
5,.
Sj
(6.76)
В случае сферических молекул [31] доли сегмента и места оп-
ределяются так:
(6.77)
(6.78)
гдеу7= 1 — >i/2
03 =
_________VG_________
/у \1/3 fj/*V/3 ’
V<3+ +^1^1
(6.79)
и
Теории скорости ультразвука в смесях и растворах
249
02 =
_____________^2______________
Гк*У/3 (v*'\1/3 ’
(6.80)
/ J/2
«?=№) -
(6.81)
гдео;= i -е,—ez
Применив известное соотношение Бертелота [46, 47] для уни-
полярных видов, рассчитывают параметры взаимодействия Х12,
Х23 и Х3! по формулам:
(6.82)
(6.83)
(6.84)
где Sp S2h S3— площадь поверхности молекулы, нормированная
к константе на сегмент для каждого вида.
Следовательно:
=|XY1/3 ^=П£Т1/3 ^=|ЫТ1/3
VW vW ’ s, Ik;J
(6.85)
С помощью вышеперечисленных параметров определяют ско-
рость ультразвука в двух- и трехкомпонентных жидких смесях.
Формулы можно преобразовать, распространив их на многоком-
понентные смеси.
6.7.8. Теория взвешенных частиц
Лебовиц [32] и Райс [48] разработали очень простую формулиров-
ку, называемую теорией взвешенных частиц, применяемую широ-
ким кругом исследователей для нахождения функций радиально-
го распределения.
250 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
Расширив теорию взвешенных частиц (SPT), получаем соот-
ношение для твердых выпуклых сферических молекул с помощью
молекулярных параметров формы X = RS /V в жидких смесях,
а скорость ультразвука принимает вид:
<-|+2лИЫ+йч;НЫ /(1-^ <б-8б>
где R, S и V— соответственно радиус молекулы, площадь поверх-
ности и объем, рд, —суммарная плотность твердой сферы. Другие
буквенные символы_имеют свои обычные значения. В случае чис-
тых жидкостей А = R, B = S, С = R2 и Y = V.
Уравнение (6.86) позволяет рассчитать скорость ультразвука
USPT для жидкостей и жидких смесей при любой температуре Т.
Значения молярного объема и объема твердой сферы связываются
через параметры взаимодействия, чтобы отклонение от экспери-
ментальных значений скорости в жидких смесях всех концентра-
ций было минимальным. Аналогичная процедура практикуется в
отношении всевозможных форм (сферических, конических, тет-
раэдрических и т.д.) составных жидких моделей смесей. После
этого путем различных перестановок и комбинаций рассчитыва-
ются значения Uspr хорошо согласующиеся со значениями U .
Отклонения USPT от экспериментальных значений в таком случае
оказываются минимальными.
6.7.9. Формулировка Хазэйра
Точная картина активной молекулярной совокупности выражает-
ся в обобщенном виде через известные термодинамические соот-
ношения. Она описывается модельными уравнениями состояния,
связанными с предполагаемым потенциалом Деннарда-Джоунса.
Теория взвешенных частиц применялась к многокомпонентным
жидким смесям из твердых круглых молекул, а уравнения состоя-
ния выглядели так [49, 50]:
— = 7тМ1+3£(А р (1- 7$[ Ц-TL = —J-y 1+6ё(-9- др (l-ту) 2|_ U-П \ / А2" + ЗЛ-9- , (6.87) \ / \2~ |+9F|-^-I , (6.88) J \l-ri)
Теории скорости ультразвука в смесях и растворах
25
где р = 1/КТ, а Т| — параметр плотности размещения. Значение т] =
ло5р/6, где р — суммарная плотность, о — диаметр твердого ядра.
Полагая, что М=(1—т|), а К=п/(р—Т|), уравнения (6.87) и
(6.88) можно записать так:
= М (1 + ЗЕК + 3FK2), . (6.89)
^- = M2(1 + 6EK + 9F2K). (6.90)
Такие теории жидких смесей, как FLT, С FT и SPT, используют
единичные регулируемые параметры длины свободного пробега,
фактора заполнения пространства и масштабирования частиц со-
ответственно. Следовательно, все вышеописанные теории зависят
от геометрии молекул. Поскольку дело касается распространения
ультразвуковых волн в жидкой смеси, имеет место зависимость
не только от молекулярной геометрии, но и от межмолекулярных
взаимодействий. По этой причине необходимо ввести два новых
регулируемых параметра, один из которых отвечает за молекуляр-
ную геометрию, а другой за гетеромолекулярные взаимодействия.
Взяв на вооружение данную идею, Хазэйр впервые ввел в уравне-
ние состояния параметр потенциала.
Преобразованное уравнение состояний Хазэйра [33] прини-
мает вид:
^ = M(l + 3£^ + 3f^2) + j3£h+log(l-n)]/n, (6-91)
Р
^- = M2(l+6EK+9F2K)-l3eK, (6.92)
где /Зс = p(Z2yQ+3Z2yl+3Zly2)y2, (6.93)
т ____
Zn=Y<?eiR?’ (6.94)
1
где ez — потенциал z-й молекулы.
Сделаем замену:
’ДР] MU2aT
. р L rRT
252 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
ЭДР1 =ми2
И 1_ Эр L" yRT
где U — скорость ультразвука, индекс HS обозначает твердую сфе-
РУ-
Подставив данные значения в уравнения (6.91) и (6.92), полу-
чаем:
Уравнение 'Л MU2aT yRT 'ми1' ; для реаль = M(MEK+3FK2), (6.95) HS = M(\ + f>EK+9FK1). (6.96) ной жидкости (6.96) принимает вид: M^+bEK+WK^-PeK. (6.97)
Данное соотношение является одним из самых простых урав-
нений состояния, но в то же самое время очень полезным для ко-
личественных оценок.
Теоретически оцененная скорость ультразвука в двух- и мно-
гокомпонентных смесях хорошо согласуется с эксперименталь-
ными значениями. Сравнительная достоверность этих теорий
зависит от конкретного типа смеси и молекулярного взаимо-
действия. Некоторые исследователи [51—107] провели исчерпы-
вающий анализ всех эмпирических, полуэмпирических, термо-
динамических и статистических теорий, затрагивающих двух- и
многокомпонентные жидкие смеси.
6.8. Акустические параметры, выведенные
из скорости и других данных
В следующих разделах рассматриваются различные акустические
параметры, которые рассчитываются на основе измерений скоро-
сти, плотности, вязкости и коэффициента поглощения.
6.8.1. Адиабатная сжимаемость
Структурное изменение молекул в смеси обусловлено существова-
нием электростатического поля между взаимодействующими моле-
Акустические параметры, выведенные из скорости и других данных 253
кулами. Таким образом, структурное размещение молекул является
причиной значительного изменения адиабатной сжимаемости Parf.
Адиабатную сжимаемость в жидкой смеси можно рассчитать
через скорость и плотность:
«•’«>
и р
6.8.2. Акустический импеданс
Удельный акустический импеданс Zcbh33h с плотностью и скоро-
стью следующим соотношением:
Z = Up. (6.99)
6.8.3. Длина межмолекулярного свободного пробега
Длина свободного пробега Lf— это расстояние между поверхнос-
тями соседних молекул. Согласно Якобсону [108], с помощью
длины межмолекулярного свободного пробега можно изучать
адиабатную сжимаемость, используя соотношение:
Lf=KTM, (6.100)
где КТ — константа, зависящая от температуры. Значения Кт для
различных температур даны в табл. 6.3.
Табл. 6.3 Значения постоянной Якобсона Кт при различных
температурах
Температура К Ктх 108
273 186
283 191
293 195
298 198
303 200
313 203
323 206
333 209
343 212
353 214
254 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
V =V
Ут0 УтТ
и
Согласно Эйрингу и Хиршфельдеру [109], длину свободного
пробега можно записать через площадь поверхности, приходящу-
юся на одну молекулу, и доступный объем:
IV
Lf = ^, (6.101)
где Г = (36^Ит20)'/2 (6.102)
т Y
1-зтг , (6.103)
1с J
где N— число Авогадро, Ут0— молярный объем при абсолютном
нуле, УтТ— молярный объем при экспериментальной температу-
ре Т, Тс — критическая температура чистой жидкости.
Длина межмолекулярного свободного пробега является одним
из наиболее важных акустических параметров, который помогает
изучать природу и силу молекулярных взаимодействий.
6.8.4. Молярный объем
Молярный объем Vm смеси можно рассчитать по формуле:
£х,.м,.
Ут=--------, (6.104)
Р
где х и М — мольная доля и молекулярная масса компонента i.
6.8.5. Свободный объем
Концепция свободного объема ^применительно к смесям явля-
ется обобщенной. Границы воображаемой ячейки отделяют каж-
дую из молекул, для которых нехарактерна плотная утрамбовка.
Следовательно, между молекулами в жидких смесях и растворах
существует некоторое свободное пространство. Можно опреде-
лить свободный объем как усредненный объем, в котором центр
молекулы может перемещаться внутри гипотетической ячейки
вследствие отталкивания окружающими молекулами. Согласно
Эйрингу и Кинкэйду [110], свободный объем является эффектив-
ным, так как в его границах молекулы жидкости могут передви-
гаться и подчиняются закону идеального газа. Изменение размера
и формы молекул приводит к их структурной перегруппировке
Акустические параметры, выведенные из скорости и других данных 255
в смеси. Эти структурные изменения характеризуют различные
виды взаимодействия одинаковых и неодинаковых молекул во
время смешивания жидкостей или электролитов.
Существуют различные подходы к определению свободно-
го объема в смеси. Значительный вклад в данной области внесли
Эйринг и Кинкэйд [110], Бачиски [111], МакКлеод [112], Гильде
Бранд [113], Хиршфельдер [114], Гластоун [115] и др. Проведя
сравнение всех формул, мы выделили две из них, которые широко
применяются для расчета свободного объема большинством ис-
следователей, что связано с доступностью и простотой измерения
таких данных, как вязкость, плотность, скорость и др.
Согласно Эйрингу и Кинкэйду [110], свободный объем в рас-
творах, выраженный через скорость ультразвука, скорость звука в
паре и молярный объем, вычисляется следующим образом:
f It/3 Л м )
(6.105)
где у — отношение двух главных удельных теплоемкостей, R — газо-
вая постоянная, Т — экспериментальная температура, Vm — моляр-
ный объем, U — скорость ультразвука, М — молекулярная масса.
Второй формулой, выбранной нами, является пространствен-
ное соотношение Сурьянараяны и Куппусами [116], основанное
на вязкости т| и скорости ультразвука:
Meffu\'2
t]K )
(6.106)
где К — константа, равная 4,28х109 и не зависящая от температу-
ры для всех типов жидкости, Meff— эффективная молекулярная
масса, которая выражается в виде:
1=1
где х(. и — мольная доля и молекулярная масса отдельного ком-
понента в смеси.
Общая экспериментальная погрешность измерения свобод-
ного объема в данном методе составляет 0,2%.
Величина свободного объема, рассчитанная по формуле
(6.106), соответствует величинам объема, полученным другими
способами. Главным образом это связано с тем, что здесь не тре-
256 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
буются такие данные, как расширяемость а, удельная теплоем-
кость при постоянном давлении Ср и давление пара или энергия
парообразования &Evap среды. К тому же, свободный объем, рас-
считанный по формуле (6.106), соотносит молекулярное взаимо-
действие с понятием вязкости, которое описывает физическое со-
стояние жидкостей.
6.8.6. Внутреннее давление
Как и свободный объем, внутреннее давление я. тоже являет-
ся важным параметром в изучении термодинамических свойств
жидких смесей. Внутреннее давление — это мера результирующей
силы притяжения и силы отталкивания, существующих между вза-
имодействующими компонентами в смеси. Внутреннее давление
является единственным инструментом, который зависит от всех
типов взаимодействий, таких как растворитель с растворителем,
растворенное вещество с растворителем, растворенное вещество
с растворенным веществом. Так же как и для свободного объема,
существуют различные формулы, позволяющие рассчитать внут-
реннее давление с помощью термодинамических и статистичес-
ких подходов [117—119]. Внутреннее давление, вычисленное по
этим формулам, получалось недостоверным из-за параметров,
вовлеченных в расчет. Принимая во внимание истинные значе-
ния внутреннего давления в смесях и электролитных растворах,
Сурьянараяна [120] предложил простое соотношение, в котором
задействуются простые с точки зрения измерения параметры:
1/2
л>=
bRT
(6.107)
где b — фактор трехмерного уплотнения, который принимается
равным 2 для всех жидкостей и растворов, К — константа, не за-
висящая от температуры, R — газовая постоянная, Т — абсолют-
ная температура, т| — вязкость (Н с/м2), U — скорость ультразвука
(м/с), р — плотность (кг/м3) жидкости/смеси.
6.8.7. Избыточные величины
Чтобы исследовать неидеальность жидких смесей, нужно вычис-
лить разность между значениями, полученными для эксперимен-
тальной и идеальной смесей, то есть избыточные величины всех
акустических параметров. Избыточная величина АЕ для любого
параметра рассчитывается по формуле:
Акустические параметры, выведенные из скорости и других данных
257
(6-108)
\ 1=1 )
где Amix — акустический параметр смеси, А. — акустический пара-
метр чистого компонента i.
6.8.8. Изоэнтропическая сжимаемость
Изоэнтропическая сжимаемость р.е вычисляется по формуле:
Плотности смесей для расчета Р/е получают из избыточного
объема V Е:
т п
r тО ' г т
где буквенные символы имеют свое обычное значение.
Избыточная изоэнтропическая сжимаемость:
Bid=B -B‘d ,
r'le r'te r'ie,mtx ’
(6.111)
где и mjx — соответственно изоэнтропические сжимаемости
реальной и идеальной смесей при одинаковых температуре, дав-
лении и составе.
Идеальная изоэнтропическая сжимаемость:
п
(6-112)
1=1
где Р/е. —изоэнтропическая сжимаемость компонента i, ф,— объ-
емная доля компонента /, которую можно рассчитать с помощью
любой из формул (6.3 — 6.5).
6.8.9. Анализ ошибок
Избыточные параметры двухкомпонентных жидких смесей мож-
но свести в соотношение следующего вида [121]:
АЕ = х1х2^а/(х2 — Xj)', (6.113)
1=0
где а0, ар а2иа3 — константы, которые можно рассчитать методом
наименьших квадратов с помощью компьютерной программы.
Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
Избыточные параметры трехкомпонентных смесей записыва-
ются с помощью соотношения:
АЕ = х,х2х3
п
Ё4л)(х2-х3)х,.
/=0
(6.114)
где АЕ относится к экспериментальным избыточным параметрам,
АТ(п) — коэффициент, рассчитываемый для трехкомпонентных
жидкостей, который можно получить методом наименьших квад-
ратов с помощью компьютерной программы, как и в предыдущем
случае.
Стандартное отклонение для избыточных параметров АЕ полу-
чают по формуле:
сг = АЕ
Е - Ае 11/2
exp ^\al
п-т
(6.115)
где п — число экспериментальных результатов обработки данных,
т — число констант.
6.8.10 Классическое поглощение
Коэффициент классического поглощения (a/J2)cl можно записать,
не учитывая потери энергии, связанные с теплопроводностью, в
виде:
= («“б)
где f— частота ультразвуковых волн.
Классическое поглощение всегда в несколько раз меньше реаль-
но измеренного поглощения, что обусловлено вязкостью среды.
6.8.11. Избыточная энтальпия
Избыточную энтальпию НЕ [122] смеси можно рассчитать, зная
внутреннее давление и молярный объем:
НЕ =| Ухл-У,J-яг.И,, (6.117)
I I и mi I i т 7 х '
V /=1 7
где буквенные символы имеют свои обычные значения.
6.8.12. Свободная энергия активации потока Гибба
Свободная энергия Гибба (7*£ [123] активации потока в смесях
выражается формулой:
Акустические параметры, выведенные из скорости и других данных 259
G" =К.Т 1п^И_- 2>,1пж,Г.,
где буквенные символы имеют свое обычное значение.
6.8.13. Параметр взаимодействия
Параметр взаимодействия d [124] можно рассчитать так:
In = £ X,. In 7], + £ (х,.х,+|.. • Хп ) J ,
(6.118)
(6.119)
где d — константа, известная как параметр взаимодействия, про-
порциональный Wvis/RT\ Wvis — энергия взаимообмена.
6.8Л4. Параметры Грюнейзена
Используя скорость ультразвука и другие сопутствующие данные,
многие исследователи предпринимали попытки определить пара-
метры Грюнейзена Г в различных физических условиях. Многими
изучалась зависимость Г от объема и температуры. Концепция
параметров Грюнейзена [125] была расширена до двухкомпо-
нентных жидких смесей, чтобы изучать природу молекулярного
взаимодействия и их физико-химическое поведение. Параметры
Грюнейзена можно получить теоретически. В большинстве слу-
чаев теоретические значения несколько расходятся с экспери-
ментальными . Предпринимались попытки интерпретировать
наблюдаемое отклонение [126—128] на основе исключения меж-
молекулярных мод колебания, несферической природы молекул
жидкостей и эффектов полярного взаимодействия. Как бы то ни
было, изучение двух- и многокомпонентных смесей требует про-
ведения дальнейших исследований.
Параметр Грюнейзена, связанный с негармоническими коле-
баниями кристаллической решетки в твердом теле, определяется
выражением:
р_
Су Pad
(6.120)
где ау— коэффициент расширения объема твердого тела, Со-
отношение удельных теплоемкостей при постоянном объеме,
Vm — молярный объем, — адиабатная сжимаемость.
В последние годы концепция параметра Грюнейзена Г была
распространена на жидкие смеси [129—134] для изучения их внут-
Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
ренней структуры, характеристических явлений и других ква-
зикристаллических свойств.
С помощью некоторого термодинамического преобразования
получаем параметр Грюнейзена для жидкого состояния:
(6.121)
где буквенные символы имеют свое обычное значение.
В случае жидкостей и жидких смесей можно определить пара-
метр Грюнейзена, зная скорость, объемное расширение и С жид-
ких смесей и воспользовавшись формулой (6.121).
Избыточный параметр Грюнейзена Iе в двух- и многокомпо-
нентных смесях получают из соотношения:
п
rE=rm-^xiri, (6.122)
(=i
где Г. — параметр Грюнейзена для чистой жидкости /.
В двухкомпонентной смеси зависимость Г от мольной доли
можно связать со следующим уравнением:
----= Л + Д(х,-х2)+(х1-х2)\ (6.123)
где А и В — константы.
6.8.15. Кажущаяся (средняя) молярная сжимаемость
Молярные объемы растворимых веществ и растворителей в рас-
творах отличаются от их молярных объемов в чистом состоянии.
Воздействие давления на раствор приводит к частичной моляр-
ной сжимаемости фкв растворителях и растворимых веществах.
Ту же самую величину получают из соотношения:
р
где Pad, р и ра(/°, р° — соответственно адиабатная сжимаемость и
плотность раствора и растворителя, С — молярная концентрация,
М — молекулярная масса растворенного вещества, фк — функция
от С, полученная Гакером [135] из теории Дебая Хакеля [136]:
фк=фк+$кС1/2,
(6.125)
Акустические параметры, выведенные из скорости и других данных
26
где ф°к — предельная кажущаяся молярная сжимаемость при не-
ограниченном разбавлении и постоянной Sk.
6.8.16. Кажущийся (средний) мольный объем
Кажущийся мольный объем фи [137] растворенного вещества рас-
считывается через плотность и сжимаемость раствора:
1000/ о \ М
= (6Л26)
Исследователи установили, что кажущийся мольный объем
изменяется в зависимости от концентрации согласно эмпиричес-
кому соотношению Мэссона [138]:
фу=ф°у+8уСх/2 , (6.127)
где фу — предельный кажущийся мольный объем при неограни-
ченном разбавлении, Sv— константа.
Число сольватации Sn системы рассчитывается следующим
образом:
И(‘-Я
где п. и ns — общее число молей в ионах и растворителе в рас-
творе.
Относительная ассоциация RA системы определяется по фор-
муле:
Располагая измеренными значениями ф^, ф Sk и 5 , можно
изучать взаимодействия растворенных веществ с растворенны-
ми веществами, растворенных веществ с растворителями, рас-
творителей с растворителями в водных растворах. Более того,
подобные исследования позволяют делать выводы об эффекте
создания/разрушения структуры при растворении соли в водных
растворах.
Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
6.9. Обзор ультразвуковых исследований в жидких
смесях, электролитах и полимерных растворах
Измерение скорости ультразвука, плотности и других сопутствую-
щих параметров в газовых смесях, двух- и трехкомпонентных жид-
ких смесях, растворе электролита, полимерных растворах и т.д.
проводилось с целью изучения физико-химических свойств сме-
сей/растворов. Большая часть работы, проделанная в данной сис-
теме, доступна в виде монографий и книг, изданных до восьмиде-
сятых годов. Как бы то ни было, для того чтобы дать представление
о том «Насколько полезны ультразвуковые исследования? — необ-
ходимо провести обзор работ по следующим тематикам:
(I ) Жидкие смеси.
(II ) Растворы электролита.
(III ) Полимерные растворы.
6.9. 1. Жидкие смеси
Природа и сила молекулярных взаимодействий в смесях объяс-
нялась на основе вариаций скорости ультразвука и других сопутс-
твующих акустических параметров в зависимости от изменения
состава компонента в чистых жидкостях. В некоторых жидких
смесях наблюдалась линейная зависимость, тогда как для других
характерно нелинейное (максимумы или минимумы) изменение
скорости и прочих акустических параметров. В ранних исследо-
ваниях молярная скорость звука и мольная сжимаемость исполь-
зовались для изучения молекулярного взаимодействия в двухком-
понентных жидких смесях.
Линейная вариация с точки зрения увеличения или уменьше-
ния скорости и других сопутствующих акустических параметров в
зависимости от изменения состава смесей указывает на отсутствие
комплексных образований. С другой стороны, нелинейная вари-
ация с максимумами/минимумами, обусловленная изменением
состава, свидетельствует о наличии комплексных образований в
смеси. В первом случае увеличение или уменьшение силы взаи-
модействия молекул связано с природой молекул растворителя.
К примеру, возрастание скорости ультразвука приводит к умень-
шению адиабатной сжимаемости, длины свободного пробега,
свободного объема и увеличению внутреннего давления смесей.
Продолжительное уменьшение сжимаемости, свободного объема
и т.д. говорит об уплотнении молекул внутри экрана (shield). В на-
Обзор ультразвуковых исследований в жидких смесях, 263
электролитах и полимерных растворах
стоящее время подробно изучается поведение молярной скорости
звука в двухкомпонентных смесях [139—179].
Исследования молекулярного взаимодействия [180—194] в
двух ассоциированных жидких смесях проводились с муравьиной
кислотой, метоксиуксусной кислотой, карбоновыми кислотами,
салициловой кислотой, диаминтетрауксусной кислотой, щаве-
левой кислотой, имеющими различные концентрации в таких
растворах, как бензол, четыреххлористый углерод, хлороформ,
пиридин, ацетон и т.д. В этих смесях имеет место нелинейное из-
менение скорости ультразвука и других производных параметров в
зависимости от концентрации кислот. Такое поведение отличает-
ся от того, чего ожидают в идеальных жидких смесях. Нелинейное
изменение скорости и прочих параметров объясняется на основе
ассоциации, которая возникает между кислотами и другими жид-
костями. Более того, предпринимались попытки объяснить от-
клонение от идеальности через силу взаимодействий.
В смесях метанола с этиленгликолем, ацетонитрила с нитро-
бензолом отмечалось непрерывное уменьшение адиабатной сжи-
маемости, длины свободного пробега, свободного объема и уве-
личение скорости. Характер варьирования скорости и свободного
объема в смеси метанола с этиленгликолем проиллюстрирован с
помощью рис. 6.5. Наблюдаемое изменение скорости и акусти-
ческих параметров объяснялось существованием определенного
типа взаимодействия компонентов жидкой смеси. Так, при до-
бавлении растворителя к метанолу происходит ассоциация моле-
кул растворителя и, следовательно, можно наблюдать изменение
скорости и других акустических параметров (рис. 6.5).
В некоторых жидкостях скорость и прочие акустические па-
раметры демонстрируют максимумы и минимумы при изменении
состава чистых жидкостей [196,197]. К примеру, при взаимодейс-
твии анилина с молекулами спирта [197] наблюдаются максиму-
мы и минимумы свободного объема (рис. 6.6). Аналогичную кар-
тину отмечали вследствие формирования клатрата (соединение
включения) или кэйдж-структуры (водяные «корзины», то есть
замкнутые многоугольники).
Чтобы обосновать молекулярное взаимодействие между взаи-
модействующими молекулами использовались знак и величина из-
быточных параметров. Так, рассчитываются и применяются следу-
ющие избыточные параметры: избыточный молярный объем VmE,
избыточная скорость Vе, избыточная вязкость п£, избыточная ади-
Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
Рис. 6.5. Изменение скорости и свободного объема в зависимости
от мольной доли в смеси метанола и этиленгликоля
Рис. 6.6. Изменение избыточного внутреннего давления в зависимости
от концентрации jq
Обзор ультразвуковых исследований в жидких смесях, 26
электролитах и полимерных растворах
абатная сжимаемость $аЕ, избыточная длина свободного пробега
LE, избыточный акустический импеданс 2е, избыточный свобод-
ный объем Vе, избыточное внутреннее давление пЕ, избыточная
изоэнтропическая сжимаемость р/е£, избыточная энтальпия НЕ.
Мур и Форт измеряли скорость ультразвука, плотность и ади-
абатную сжимаемость четырнадцати двухкомпонентных жидких
смесей. Наблюдаемые результаты варьирования избыточных термо-
динамических параметров смесей использовались для объяснения
свойств создания/разрушения структуры в жидких смесях. Данная
работа стала поворотным пунктом в этой области, и позднее на нее
опирались многие исследователи. Большинство научных докладов,
посвященных избыточным термодинамическим функциям, осно-
вано на анализе, проделанном Муром и Фортом. Так, некоторые
исследователи измеряли избыточный объем избыточную эн-
тальпию ЯЕ, избыточную теплоемкость СЕ, избыточную изотерми-
ческую сжимаемость рй£ и т.д. в двух- и трехкомпонентных смесях.
В 1980-х годах многие исследователи уделяли внимание систе-
матическому изучению двух- и трехкомпонентных жидкостей, со-
держащих одинаковые и неодинаковые молекулы. Большинство
исследований опирались на изучение молекулярного взаимодейс-
твия компонентов жидких смесей. Во время проведения этих ис-
следований с помощью ультраакустики изучалось существование
слабых, сильных и комплексных образований в жидких смесях.
Наличие дисперсионных сил оказывает положительное воз-
действие на избыточные величины. Аналогично, взаимодействие
диполь— диполь, диполь— индуцированный диполь, перенос
заряда и водородная связь негативно влияют на избыточные вели-
чины. Исходя из вышеизложенных фактов, можно использовать
избыточные параметры для изучения природы взаимодействий,
то есть слабых, сильных, комплексных образований, а также силы
взаимодействия. Негативное воздействие на избыточный моляр-
ный объем VmE, избыточную адиабатную сжимаемость $аЕ, избы-
точную длину свободного пробега LE, избыточный акустический
импеданс Z£, избыточный свободный объем Vе, избыточное внут-
реннее давление л Е, избыточную изоэнтропическую сжимаемость
р.еЕ, избыточную скорость ультразвука (7е, избыточную вязкость
т|Е, избыточную энтальпию НЕ и т.д. (л Е и ZE положительны) ука-
зывает на сильное взаимодействие компонентов. С другой сторо-
ны, позитивное воздействие на избыточные параметры VmE, ро(/Е,
LE ZE, Vе л.Е, р.Е, Vе, т|е, Я£ит.д. (л Е и ZE отрицательны) связано
j j i ie i
266
Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
со слабым взаимодействием. Для изучения силы взаимодействия
использовалась величина этих избыточных параметров.
Рис. 6.7. Изменение избыточного молярного объема в зависимости
от изменения мольной доли в смесях н-гептана со спиртом
Положительное воздействие на VmE и НЕ (рис. 6.7) и отри-
цательное на л£ и т|£ (рис. 6.8) в смеси н-гептана со спиртами
(□ — н-пропанол, О — изо-пропанол, • — н-бутанол, Д — изо-бута-
нол) свидетельствует о наличии дисперсионных сил между молеку-
лами обоих веществ [219]. В этих системах сила взаимодействия так-
же рассматривалась, исходя из величины избыточных параметров.
Рис. 6.8. Изменение избыточной вязкости и внутреннего давления
в зависимости от мольной доли в смеси н-гептана со спиртом
Рис. 6.9. Изменение избыточной изоэнтропической сжимаемости
в зависимости от мольной доли в смесях TEA и спирта
Еще одним важным избыточным параметром является изо-
энтропическая сжимаемость. Величину и знак Р(е£ можно исполь-
зовать для изучения свойств создания/разрушения структуры в
жидких смесях, если между взаимодействующими компонентами
наблюдается более одного вида взаимодействий. Таким образом,
р/ является результирующей силой всех видов взаимодействий.
Отрицательное влияние на Р/е£ приписывается эффекту создания
структуры, а положительное указывает на эффект разрушения.
При соединении триэтиламина TEA с гидроксильными компо-
нентами [220], такими как этанол, н-пропанол, н-бутанол, фенол
и о-крезол, наблюдаемые значения р/е£ велики и отрицательны во
всех смесях (рис. 6.9). Отрицательные значения Р;е£ и максимум
при критической концентрации 0,5 мольной доли триэтиламина
свидетельствуют о наличии сильной водородной связи, что обус-
ловлено процессом переноса заряда между триэтиламином и гид-
роксильными компонентами.
Аналогичным образом в смеси 1,1,2,2-тетрахлорэтана с 1-ок-
танолом [221] положительные значения р/е£ связаны с диссоциа-
цией спиртовой совокупности (эффект разрушения структуры)
между молекулами (рис. 6.10). Ультразвуковое исследование
поглощения [222—234] в двухкомпонентных жидких смесях поз-
воляет получить информацию о природе молекулярного процес-
са и взаимодействиях внутри них. В большинстве жидких смесей
реальное поглощение ультразвука а#2 значительно отличалось
268
Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
Рис. 6.10. Изменение избыточной изоэнтропической сжимаемости
в зависимости от мольной доли в смеси 1,1,2,2-тетра-
хлорэтанаи 1-октанола
от величин, которые были рассчитаны теоретически для различ-
ных структур, содержащих полярные и неполярные жидкости.
Предпринимались попытки объяснить подобное отклонение
влиянием полярных молекул. Полярные молекулы отвечают за
поглощение ультразвука, поскольку они воздействуют на при-
роду релаксационного процесса, который происходит в смесях.
Поглощение ультразвука в смеси сероуглерода с расплавленным
йодидом показано на рис. 6.11.
Рис. 6.11. Поглощение ультразвука в смеси сероуглерода
с расплавленным йодидом
Обзор ультразвуковых исследований в жидких смесях, 269
электролитах и полимерных растворах
Скорость ультразвука, рассчитанная по различным эмпири-
ческим, полуэмпирическим, термодинамическим и статистичес-
ким теориям, использовалась для коррелирования данных, полу-
ченных экспериментальным путем, с данными, предсказанными
теоретически на основе молекулярных моделей. В таком ключе
расчет скорости, изменяющейся в зависимости от структуры жид-
ких смесей, представляет большой интерес. Эти исследования бу-
дут также полезны в изучении термодинамики смесей и обосно-
вании различных теорий.
Теория длины свободного пробега, теория фактора столк-
новений, идеальные соотношения смеси, соотношения Номото
и Джанджи успешно применяются многими исследователями
[51—73] при изучении двух- и трехкомпонентных жидких смесей.
Для большинства жидких смесей все вышеперечисленные теории
хорошо согласуются со значениями, полученными эксперимен-
тальным путем. Однако в отдельных смесях прочная связь между
экспериментальными и теоретическими значениями наблюда-
ется при применении соотношения Номото и идеального соот-
ношения смеси. Для многих двух- и трехкомпонентных жидких
смесей использовалась статистическая теория Флори [60, 74,103,
107]. Некоторые исследователи [101—103] применяли уравнение
состояния Хазэйра, в котором задействуется межмолекулярный
потенциал, и сообщали о хорошем согласовании с эксперимен-
тальными значениями.
Многие исследователи [31, 235—237] предпринимали попыт-
ки рассчитать избыточную сжимаемость и энтальпию в ряде двух-
и трехкомпонентных жидкостей с помощью теорий Флори. Для
всех этих исследований было характерно достаточно удовлетво-
рительное согласование между экспериментальными и теорети-
ческими значениями скорости звука.
Диаз-Пена и другие исследователи [238] использовали изотер-
мическую сжимаемость двухкомпонентных жидких смесей квазис-
ферических и глобулярных молекул для проверки применимости
теории Пригожина—Флори. Позднее концепция Паттерсона в со-
четании с теорией Пригожина—Флори была успешно реализована
в вычислениях скорости ультразвука и адиабатной сжимаемости
в жидких смесях. Удалось доказать успешность данной теории
[235—242] в определении теоретической скорости и сжимаемости
в жидких смесях.
270 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
6.9. 2. Растворы электролита
Измерение внутреннего давления, свободного объема и избы-
точной энтальпии различных солей в растворах диоксана и воды,
воды и диметилформамида, воды и диметилсульфоксида и т.д.
проводились в камере и при различных температурах. Изменение
этих параметров успешно использовалось для объяснения эффек-
та создания/разрушения структуры ионов. В данном ряде работ
многие исследователи [243—277] внесли значительный вклад в
изучение двух- и трехкомпонентных растворов электролита (как
водных, так и неводных).
Изменение внутреннего давления и свободного объема в зави-
симости от температуры при любой заданной концентрации со-
лей можно записать в виде:
=аъхр(-ЬТ) (6.130)
и
rz=cexp(JT), (6.131)
где а, Ь, с nd — произвольные константы.
Зависимость свободного объема и внутреннего давления от тем-
пературы при добавлении хлорида кальция к смеси 1,4-диоксана и
воды [271 ] показана на рис. 6.12 и 6.13 для различных концентраций.
По графикам (рис. 6.12 и 6.13) можно определить значения произ-
вольных констант а, Ь, с и d.
Более того, графики, полученные в системе координат log п.
и log для различных значений температуры линейны и парал-
лельны и подчиняются следующему соотношению:
nyfx=K, (6.132)
где К — константа.
По графику можно рассчитать величины Xms и Krms. Рис. 6.14
иллюстрирует график в системе координат Vf и л;. для различ-
ных концентраций Na2SO4 в смеси 1,4-диоксана с водой [271].
Значения К и X вычислялись для нескольких растворов элек-
rms rms г г
тролита. Эти значения характеризуются последовательностью для
определенного ряда солей [278].
Во многих растворах электролита наблюдались изменения,
которые проявлялись в прогрессивном уменьшении свобод-
Обзор ультразвуковых исследований в жидких смесях, 2 71
электролитах и полимерных растворах
Внутреннее давление
Рис. 6.13. График «внутреннее давление — температура»
272 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
ного объема и увеличении внутреннего давления. С помощью
вариаций Vf и к. при различных концентрациях солей иссле-
дователи пытались объяснить взаимодействие ион—раствори-
тель. В дальнейшем эти взаимодействия использовались для
изучения структурных изменений растворов. Кроме того, зави-
симость данных параметров от температуры применялась для
объяснения силы взаимодействия, которая также связана с
температурой.
Изменение л. при различных концентрациях соли в растворе
задается уравнением общего вида:
71 i = + Ат2 + >
(6.133)
где А и В — константы.
Некоторые исследователи [279] пытались объяснить созда-
ние/разрушение структуры в электролитах на основе значений В
и Дл., где Дл = п. — к0. Если имеет место эффект создания струк-
туры, значения Дл, положительны, а в случае разрушения структу-
ры — отрицательны.
Большой интерес представляют ультразвуковые исследова-
ния ионов тетраалкиламмония в водных и неводных растворах.
Предпринимались попытки [153, 240, 267, 268] объяснить взаи-
модействие растворенного вещества с растворенным веществом,
растворенного вещества с растворителем, растворителя с раство-
рителем с помощью измеренных параметров, таких как кажущая-
ся молярная сжимаемость ф к°, молярный объем ф и соответс-
твующих констант -Sk и Более того, эти исследования водных и
неводных растворов помогали объяснять эффект создания/разру-
шения структуры в соли.
6.9. 3. Полимерные растворы
Так же как в жидких смесях и растворах электролита, ультразву-
ковые исследования нашли широкое применение в полимерных
растворах. Полимеры используются в самых разнообразных об-
ластях промышленности: пищевой, фармацевтической, текс-
тильной и др. Полимер представляет собой длинную молекулу,
которая содержит цепочку атомов, соединенных ковалентными
связями. Образование полимеров происходите процессе, называ-
емом полимеризацией. Во время полимеризации мономерные мо-
лекулы претерпевают химические изменения и формируют либо
273
Обзор ультразвуковых исследований в жидких смесях,
электролитах и полимерных растворах
logVf
Рис. 6.14. График «log Кв зависимости от log к» для различных
концентрации Na2SO4 в смеси 1,4-диоксана с водой
линейную цепочку, либо трехмерную сеть полимерных цепочек.
Эти макромолекулы используются для изучения свойств поли-
мерных материалов.
В полимерных растворах важную роль играют свойства рас-
творимости полимеров. Для получения характеристик поли-
мерных растворов широко используются различные методы:
спектроскопия, светорассеяние, вискозиметрия и т.д. В области
определения молекулярных взаимодействий в водных и невод-
ных растворах ультраакустика стала одной из наиболее попу-
лярных методик, особенно в том, что касается характеристики
полимерных растворов [280—286]. Во время этих исследований
полимеры растворялись в растворителе, например в воде или ор-
ганических жидкостях. В ходе большинства наблюдений отмеча-
лось линейное изменение скорости ультразвука в зависимости от
структуры полимера. Внутреннее давление и молекулярная масса
полимерных растворов использовались для объяснения сил меж-
молекулярного взаимодействия и, следовательно, структуры по-
лимеров.
274 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
Некоторые исследователи [287—289] пытались объяснить струк-
туру полимерных материалов в различных растворителях с помощью
исследований скорости ультразвука, плотности и вязкости. Наряду
с вышеупомянутыми параметрами важную роль в полимерных рас-
творах играет число сольватации [290, 291]. Число сольватации не
зависит от молекулярной массы, если связь между растворителем и
полимером слабая. И наоборот, при наличии сильной связи число
сольватации зависит от молекулярной массы. Так, предпринима-
лись попытки [292—300] изучить сильные и специфические взаи-
модействия полимеров и растворителей в нескольких полимерных
материалах. Число сольватации начали получать из сжимаемости
раствора. А такие параметры, как кажущаяся молярная сжимае-
мость, кажущийся мольный объем, отношение удельных теплоем-
костей, стали успешно использоваться для объяснения свойств со-
здания/разрушения структуры в полимерных материалах.
6.10. Заключение
Ультраакустика представляет собой наиболее важный и общепри-
знанный метод изучения физико-химических свойств жидкостей,
жидких смесей, растворов электролита и полимерных растворов.
В данной главе представлен систематизированный подход, начи-
нающийся с подготовки смесей/растворов и охватывающий ме-
тоды измерения, теоретическую оценку различных акустических
параметров, интерпретацию наблюдаемых результатов для по-
нимания природы и силы молекулярных взаимодействий. Кроме
того, обсуждаются различные эмпирические, полуэмпирические,
термодинамические и статистические теории наряду с описанием
их сравнительных достоинств.
Рекомендуемая литература
1. Rowlinson J S and Swinton F L, Liquids and liquid mixtures, 3rd Ed.,
(Butterworth Scientific, London) 1982.
2. Acree W E, Thermodynamic properties of Non-electrolytic Solutions, (New-
York, Academic Press) 1984.
3. Prausnitz J M, Linchenthalr and Azevedo E G, Molecular Thermodynamics
of fluid-phase equilibria, 2nd Ed. (Englewood Cliffs, Prentic Hall Inc.)
1986.
Рекомендуемая литература
275
4. Hammker R, Clegg R, Paderson P, Ridder P and Rock S, J Phys Chem, 72
(1968)1837.
5. Lin W and Tasy S J, J Phys Chem, 74 (1970) 1037.
6. Pimental G C and Maclellan, A L, The Hydrogen bond (Scan Francisco, W
H Freeman Co), 1960.
7. Dixon W D, Tucker E and Becker E, J. Phys Chem, 74 (1970) 1396.
8. Hobbs M E and Bates W W, J Am Chem Soc, 74 (1952) 746.
9. Truell R, Elbaum C and Chick В В, Ultrasonic methods in Solid State
Physics, (Academic press, New-York) 1969.
10. May J E, Jit., IRE Nat ConvRec, 6(1938) Pt. 2,134.
11. Papadakis E P, JAppl Phy, 35 (1964) 1474.
12. Papadakis E P, JAcoust Soc Amer, 42 (1967) 1045.
13. Papadakis E P, Rev Sci Instrum, 47 (1976) 806.
14. Vogel A I, Text book of Organic Chemistry, 5th edn., (John Willey, New-
York) 1989.
15. Riddick J A, Bunger W В and Sakano T K, Techniques in Chemistry, vol II,
Organic Solvents, 4th edn., (John Willey New-York) 1986.
16. Hand Book of Chemistry and Physics, 65th edn, (The Chemical Rubber
Company, Cleveland Ohio, USA) 1984-85.
17. Mason W P, Piezoelectric Crystals and their Applications to Ultrasonics,
Van Nostremd, Princeton, New-York.
18. Rajendran V, Ph.D. Thesis, Arinamalai University, 1992.
19. Rao R, Ind J Phys, 14 (1940) 109; J Chem Phys9 (1947) 682.
20. Wada Y, JPhysSocJpn, 4 (1949) 280.
21. Jacobson B, J Chem Phys, 20 (1952) 927; Acta Chem Scand, 6 (1952) 1485.
22. Eyring H and Hirschfelder JO,/ Phys Chem, 41 (1937) 249.
23. Schaaffs W, Z Physi, 114 (1974) 110; Molekulaakustik, Springer-Verlag,
Berlin, Chapts, XIA7/(1963).
24. Nutsch- Kuhekies R, Acustica, 15 (1965) 383.
25. Kaulgud M V, Z Physik Chemie (NF), 36 (1963) 365; Acustica, 25 (1971)
1410; 316.
26. Nomoto O, JPhysSocJpn, 13 (1958) 1528.
27. Van Dael W and Vangeel, E, Proc 7st Inter Conference on Calorimetry &
Thermodynamics, Warsaw, (1969) 555.
28. Van Dael W, Thermodynamic Properties and Velocity of Sound, Butterworth
Publications, Chapt (1975)11.
29. Junje Z,-JChem Univ Sci & Tech, 14 (1984) 298.
30. Kundriavtsev B, Soviet Physics Acoustics, 2(1956) 36.
31. Flory P J, etalJAmer Chem Soc, M 1833; 87 (1965) 1838.
32. Lebowitz J L, Helfand E and Praestgraad E, J Chem Phys, 43 (1965) 774.
33. Khasare S B, Ind J Pure & Appl Phys, 25 (1987) 182.
34. Rao RVG etal, Z Physik Chemie (Leipzig), 242 (1969) 193.
35. Schaaffs W, ZPhysik Chemie, 194 (1944) 28, 39,66,170.
36. Marks G W, JAcoust Soc Am, 27 (1955) 680.
37. Blandamer M and Waddington D, J Phy Chem, 74 (1970) 2569.
276
Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
38. Dewan R К, etal, Acoustics Letters, 9 (1985) 13.
39. Prigogine I, Molecular Theory of Solutions, North-Holland Pub Co, Amsterdam
(1959).
40. Bhimasenachar, letal., JPhysSocJpn, 79(1969)559; Trans Faraday Soc; 58
2352.
41. Nomolo 0etal., Bull Chem Soc Jpn, 43(1970)3722.
42. Nomoto O, J Phys Soc Jpn, 18 (1963) 1526.
43. Auerbach R, Experientia, 4 (1948) 473.
44. Patterson D and Restogi A K, J Phys Chem, 74 ( 1970) 1067.
45. Prigogine I and Saraga L, J Chim Phys, 49 (1952) 399.
46. Hildebrand J H and Scott R L, Solubility of Non- electrolytes, 3rd edn.
(Reinhold Publishing Corp, New Delhi) 1950.
47. Rowlison J S, Liquids and Liquid Mixtures, (ButterWorth, London) 1959.
48. Reiss H, Frisch H L and Lebowitz J 1, J Chem Phys, 31 (1959) 369.
49. Gibbons RM, Mol Phys, 18 (1969) 81; 18 (1970) 809.
50. BoublikT, Mol Phys, 27 (1974) 1415.
51. Srivastava T N and Singh R P, Acoustics Letters, 6(10) (1983) 292.
52. Thamsen J, Acustica 49 (1981) 110.
53. Ramanjappa T et al., Acustica, 57(1985) 34; 68 (1989) 72; 73 (1991) 42.
54. Reddy К C, et al, JAcoust Soc India, 1 (1977) 83; Z. Physik Chemie (NF), 89
(1974)108; Acustica, 29(1913) 59.
55. Pandey J D, et al., Ind Pure Appl Phys, 15 (1977) 505; Acoustic Letters, 16
(1992) 17.
56. Anbanathan D, et al., JAcoust Soc India, 15 (1987) 27.
57. Islam M R, Acoustics Letters, 11 (1987) 72.
58. Mishra R, Chem Scrip, 15 (1980) 52.
59. Mishra R, Acustica, 3 (1979) 84.
60. Pandey J D et al Pramana, 37 (1991) 497.
61. Mishra S C, Acustica, 56 (1984) 286.
62. Singh D P and Bhatti S S, Acustica, 58 (1984) 290.
63. Ravindra Prasad Kand Reddy К C, Acustica, 39 (1977) 39.
64. Kaulgud M V and Tarsekar, V K, Acustica, 25 (1971) 14.
65. Mishra R and Shrivastava A K, JAcoust Soc Ind, XIV (1986) 1.
66. Subba G, Ramanjappa T and Rajagopal E, Ind J Pure & Appl Phys, 26(1988)
717.
67. Adgaonkar C S, Gokhale V D, Ghosle D A and Bhagwat N N, Ind J Pure &
Appl Phys, 26 (1988) 577.
68. Jajoo S.N, Deogaonkar U S and Dadgonkar C S, Ind J Pure & Appl Phys, 21
(1983)65.
69. Srivastava A P, J Pure & Appl Ultrason, 6 (1984) 49.
70. Rajendran V, Ind J Pure & Appl Phys, 32 (1994) 19.
71. Parkash S et al., Acustica, 27(1912) 249; Vijnan ParishadAnusandhan Patrika,
15 ( 1972) 55; Ultrasonics, 16 (1978) 77; Ind J Phys, 52-B (1978) 69; J Chem
EnggData, 22(1911) 49; Chem. Scr., 13 127.
72. Misra R.C. etal., Acustica, 57(1985) 292.
73. Kannappan A N, Ramalingam К and Palani R, Ind J Pure & Appl Phys, 29
Рекомендуемая литература
277
(1991)43.
74. Pandey J D etal,JChem Thermodyn, 21 (1989) 125, Ind. J Pure & Appl Phys,
27(1987) 246.
75. Kannappan A N and Rajendran V, Ind J Pure & Appl Phys, 29 (1991) 465; 30
(1992) 240; J. Acoust. Soc. Ind, 18 (1990) 137.
76. Patterson D, Bhattacharya S N and Picker P, Trans Faraday Soc, 19 (1968)
69.
77. Hocker E and Flory P J, Trans Faraday Soc, 65(1968) 1188.
78. Malakondaiah K, Hyder Khan V and Subrahmanyam S V, Ind J Chem, 16A
(1978) 733.
79. Prakash О et al., JAcustica, 45 (1980) 190; Soc India, 13 (1985) 182.
80. SlaszkaA, Rocz. Chem, 45 ( 1971) 1293.
81. Subramanyam Reddy К and Naidu P R, JAcoust Soc Ind, 9(1981)50.
82. PandeyJ D et al, Acustica, 68 (1989) 225; Ind J Pure & Appl Phys, 31 (1993).
83. Pandey J D et al, Acustica, 38 (1977) 83; Acoustics Letters, 2 (1978) 77;
JAcoust Soc India, 7 (1979) 145; J Chem Thermodyn, 21 (1989) 125.
84. Mishra R L etal, Acustica, 48 (1981) 267; JAcoust Soc India, 6 (1978) 32.
85. Chaturvedi В R et al, Acustics Letters, 4 (1980) 53.
86. Srivastava A P and Dubey S N, J Ind Chem Soc, 62 (1985) 124.
87. Sabesan R, Natarajan M and Varadarajan R, Acustica, 64 (1987) 57.
88. Ratha D C and Samal K, Acoustics Letters, 12 (1998) 49.
89. Anil Kumar, Acoustics Letters, 13(1990) 226.
90. Ramasamy К and Anbananthan D, JAcoust Soc Ind, XIII (1985) 192.
91. Kishen A and Suryanarayana M, JAcoust. Soc Ind, X (1982) 122.
92. Agmihotri S C and prakash om, Acustica, 63 (1987) 290.
93. Singh D P and Bhatti S S, Acustica, 56 (1984) 244.
94. Kaulgud M V and Tarsekar V K, Acoustics Letters, 6 (1983) 292.
95. Anil Kumar, Acoustics Letters, 14 (1990) 74.
96. Khanwalkar M S, Acoustics Letters, 13 (1990) 121.
97. Khanwalkar M S, Acoustics Letters, 14 (1991) 229.
98. Kanade В V, Vakharia M N, Pandya M V, Patel В M Patel A T and Oswal S
L, Ind J Tech, 30(1992) 308.
99. Shukla В P, Mishra V N and Dubey S N, Ind J Pure & Appl Phys, 22 (1984)
125.
100. Surendra A, Tiwari, Rajagopalan S and Amirtha V, Acoustics Letters, 14
(1991)135.
101. Kalidoss M and Srinivasamoorthy R, Acoustics Letters, 20 (1997) 213;
Acustica, 83 (1997) 776.
102. Tabhane N Ketal, Ind J Pure & Appl Phys, 33 (1995) 248; Acustica, 81 (1995)
187.
103. Rajendran V and Kannappan A N, Ind J Phys, 68B (1994) 131; 75 (1991)
192.
104. Koul В L, Wanchoo R K, Razdan T K, Murti R and Khosa P N, Acustica, 58
(1985) 101.
105. Islam M and Quadri S K, Acoust Lett, 8 (1985) 166.
278 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
106. Mishra R and Srivastava А К, / Acoust Soc Ind, 141 (1986).
107. Khanwalkar M S, Acoustics Letters, 13 (1989) 99.
108. Jacobson B, Acta Chem Scand, 5 (1951) 1214; 34 (1975) 121.
109. Eyring H and Hitschfelder J O, J Phys Chem, 41 (1937) 249.
110. Eyring H and Kincaid J F, J Chem Phys, 6(1938) 620.
111. Batscinski A J, Z. Phy Chem, 84 (1913) 643.
112. McCleod D B, Trans Faraday Soc, 41 (1945) 771.
113. Hilde Brand J H, Science (USA), 174 (1971) 490.
114. Hirschfelder J O, Stevenson D P and Eyring H, J Phys Chem, 5(1937) 897.
115. Glasstone S, Laider К J and Eyring H, The theory of Rate Process, (London,
McGraw Hill Co.) 1941.
116. SuryanarayanaCVandKuppusamyJ, JAcoustSoc Ind, 4(1976)75.
117. Moelwyn-Hughes E A, Physical Chemistry, (New-York, Pergamn) 1964.
118. Suryanarayana С V and Govindaswamy S., Acta. Chim. Hung., 25 (1960)
341.
119. Hilde Brand J H and Scott R L, Regular solutions, (USA, Prentice Hall)
1962.
120. SuryanarayanaC V,/Лсои5Г5ос/«4/, 7 (1979) 107 & 7 (1979) 131.
121. Redlich О and Kister AT, Ind Eng Chem, 40 (1948) 345.
122. RajendranV, Ind J Pure & Appl Phys, 31 (1993) 812.
123. RoutB K, Chakravorthy VandBehera, IndJTech, 31 (1993) 745.
124. Grunberg Land Nissan AH, Nature, 164(1949)799.
125. Knopoff L et a/, Phy Rev, B-l(1970) 3893.
126. Kor SKet aL, Phys Lett, 38(A) (1972) 187; 41(A) (1972) 161; Solid State
Commun, 11 (1972) 963.
127. Pandey J D et al, Ind J Pure & Appl Phys, 12 (1974) 830; Phys Status Solidi,
65(1974); Acustica, 34 (1975) 115; 34 (1976) 248 ; 35 (1976) 87.
128. Sharma В К, Ind J Pure & Appl Phys, 23 (1985) 247, 509; J Pure Appl Ultras,.
Phys Lett, A-96 133; A-99( 1983) 227; Pramana, 37(1991)489.
129. Pandey J D et al, Acustica, 36 (1977) 342; Chem Ser, 11 (1977) 65; J Chem
Phys, 77 (1977) 1064.
130. Subrahmanyam S V et al., Acustica, 46 (1981) 261; 45 (1980) 71; 45(1980)
196; 58 (1985) 105.
131. Bhatti S S et al., JAcoust Soc Ind, 8 (1980) 15.
132. Dubey S N etal., CurrSci, 52 (1983) 721.
133. Srivastava VNP, Лсоияtics Letters, 72(1988)72.
134. Mushran V, J Ind Chem Soc, 67 (1990) 130.
135. Gucker. F, Chem Rev, 13 (1933) 111.
136. Debye and Huckel, Physik, Z, 24(1923) 185,305,25 (1924) 145.
137. Ranand Pand Gilleier H, BullSoc Chem, 9(1964) 2381.
138. Masson D O, Philos Mag, 8 (1929) 218.
139. SchaaffsWandKuhenbiesR, Acustica, 12(1962)254.
140. Nomoto O, JPhysSocJpn, 8 (1953) 353; 13 (1958) 1528; Bull Kobe Inst Phys,
2(1952) 137.
141. Marsh G W, J Acoust Soc Am, 27 (1955) 680; 31 (1959) 36; 32 (1960) 327.
Рекомендуемая литература
279
142. Kaulgud М V, Acustica, Physik Chemie(Frankfurs) Зв (\%3)
365.
143. lyngerKS, Proc Ind Acad Sci, 35A (1952) 190.
144. Reddy К C, Subrahmanyam S V and Bhimsenachar J, J Phys Soc Jpn, 19
(1964) 559; Trans. Farad. Soc., 58 (1962) 2352; Bull Acad Roy Belgique, 1
(1963) 730; JAcoust Soc Am, 32 (1960) 703.
145. Nozdrev W E, Anwendung des Ultrachalls and di a. die molecular physiks,
Moscow (1958) Russia.
146. Sette D, Rid Sci, 19 (1949) 1338; Stavely L К et al, Trans Faraday Soc, 51
(1955) 323.
147. Schaaffs W, Molecularkaustik, Vol. 5, Group II, Atom and Molecular Physik,
Landalt-Bomstun, Springer- Verlag, Berlin (1967). Nozdrev V F, Applications
of Ultrasonics "in Molecular Physics, Gordon & Breach, New-York (1963).
148. Moelwyn-Hughes E A and Low DIR, Proc Roy Soc (London), (1962) 384;
Moelwyn Hughes E A and Thrope D L, Prcc Roy, A-268 (1964) 574.
149. Moore W Rand Fort R J, Trans Faraday Soc, 61 (1965) 2102.
150. Sunnapwar К P, Soitkar V S, Khare P L and Navaneeth, Acustica, 58 (1985)
6.
151. Marwein В L and Bhat S N, Acustica, 58 (1985) 243.
152. Shanmugasundaram V and Thiyagarajan P, J Acoust. Soc Ind, 777 (1980) 1.
153. Blokhra R L and Rajesh Kumar, Acustica, 68 (1989) 161; Ind. J Pure & Appl.
Phys., 29 (1991) 756.
154. Johri G К and Misra R C, Acustica, 67 (1989) 292.
155. Bhatti SS et al., Acoustics Letters, 8 (1985) 105; 7 (1983) 17.
156. Prakash O, Srivastava A and Prakash S, Acustica, 56(1984) 68.
157. Rafiquel Islam M and Sadiqa K, Quadri, Acoustics Letters, 8 (1985) 166.
158. Om Prakash, Sanjeev Sinha and Sheo Prakash, Acoustics Letters, 7 (1983) 47.
159. Rajendran V et al, Ind J Pure & Appl Phys, 31 (1993) 812; Acoustics Letters,
17 (1993) 33; Ind. J. Pure & Appl Phys, 34 (1996) 52.
160. Gopal В A, Reddy and Prabhakara Rao N, Acoustics Letters, 7(1984) 197.
161. Narayana К L and Swamy К M, Acoustics Letters, 7 (1983) 63.
162. Subramanyam Reddy K, JAcoust Soc Ind, IX (1981) 9.
163. Parabhakar G and Veeraiah T, JAcoust Soc, VII (1979) 115.
164. Sab’esan R and Varadarajan R, JAcoust Soc Ind, XII (1984) 38; Ind J Pure &
Appl Phys, 26(1988) 504.
165. Manohara Murthy N, JAcoust Soc Ind, XII (1984) 32.
166. Wiessler A, J Am Chem Soc, 71 (1949) 1272.
167. Razdan T K, Rattan V К and Ambardar R, Acustica, 63 (1987) 70.
168. Seshagri Rao M G and Ramachandra Rao B, Ind J Pure & Appl Phys, (1965)
207.
169. Ramamoorthy M and Sastry О S, Ind J Pure & Appl Phys, 21 (1983).579.
170. Deshpande D D and Bhatgadde L G, J Phys Chem., 72(1968) 261.
171. Adgoankar C S, Deogaonkar V.S. and Kadu P D, Ind J Pure & Appl Phys, 15
(1977)98.
172. Kumar A, Prakash О and Prakash S, J Chem Eng Data, 64 (1981) 26.
280
Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
173. Rosario Rajumar X, Raman К V, and Arulraj S J, Indian J Pure & Appl Phys,
31 (993)818.
174. Rajaguru P and Jeyaraj M, Acoustic Letters, 13 (1990) 142.
175. Gopal K, Reddy В A and Prabhakara Rao N, Acoustic Letters, 7 (1984) 197.
176. Narayanaswamy G, Dharmaraju G, and Raman G K, Acoustics Letters, 4
(1981)210.
177. Owen В В and Simons H L, J Phys Chem (USA), 61 (1957) 479; 65 (1961)
84.
178. Satyanrayana Murty M, Ind J Pure & Appl Phys, 3 (1965).
179. Rajasekar P, Venkasteswarlu R and reddy К S, Acoustics Letters, 13 (1989)
31.
180. Ramaswamy K. and Mohammed Kamil M.G., Acustica, 57 (1985) 37.
181. Srivastava S C, Nabiullah M, Sunil Srivastava and Dutta M K, J Acoust. Soc.
Ind., XIII 3(1985) 111.
182. Murthy MBR, Patil R L and Deshpande D K, Ind J Pure & Appl Phys, 29
(1991) 134.
183. Anbananthan D et al, J Acoust Soc Ind, 7 (1979) 123; Ind J Chem, 13 (1975)
512; 14(1976) 277.
184. Sosamma G, Nambinarayanan J К and Srinivasa Rao A, Ind J Phys, В (1988)
31.
185. Rao MGS and Rao В R, Ind J Pure & Appl Phys, 3 (1965) 207.
186. Kaulgud M V and Patil K, Acustica, 28 (1973) 130.
187. Misra M, Gupta R N and Pandey R C, Ind J Pure & Appl Phys, 10 (1972)
539.
188. Nana Rao S, Venkata Rao К and Subbha Rao K, Ind J Pure & Appl Phys, 2
(1972) 407.
189. Manoharamurthy N and Nagabhushanam G, Ind J Chem Soc, 23A (1984)
510; Acoustics Letters, 8 (1984) 100.
190. Nambinarayanan T K, Stephen A and Srinivasa Rao A, JAcoust Soc Ind, 16
(1988) 84.
191. Nikam P S and Hiray A R, Ind J Pure & Appl Phys, 29 (1991) 601.
192. Prakash S, Z Phys Chem, N F (1967).
193. Ravichandran G, Srinivasa Rao A, and Nambinarayanan T K, Ind J Pure &
Appl Phys, 32 (1994) 59.
194. Manisha Gupta, ShuklaJ.P., Indian J. Pure Appl, Phys.,M(\996)7&).
195. Kannappan A N, Vanaja S, Palanivelu N and Rajendran V, Ind J Chem
Tech, 1 (1996) 124.
196. Giles С H, Rose T J and Vallence DJM, J Chem Soc, (1952) 3799.
197. Rajendran V and Marikani A, Acoustics Letters, 18 (1994) 90.
198. Rammoorthy К et al., CurrSci, 47 (1978) 334.
199. Murakami S etal, JSolu C/iem, 16(1987) 315; J Chem Thermodyn, 24 (1922)
1077; Fluid. Phase. Equilibra, 46 (1989) 73.
200. Nath J et al, J Chem Eng Data, 29 (1984) 313, 320; 28 (1983) 263; J Phys
Chem, 84 (1980); J Chem Thermodyn, 11 (1979) 1163; J Chem Soc Faraday
Trans, 88 (1990) 2197; 86 (1990) 3399.
Рекомендуемая литература
281
201. Dewan R.K. etal, Acustica, 76 (1992) 142.
202. Oswal SLetal., Acoustic Letters, 13 (1989) 66; 14(1990) 17; Ind J Chem, 29-A
(1990) 870.
203. Tabhane V A et al, Acustica, 52 (1982) 44.
204. Prakash S etal, Acustica, 69 (1989) 128.
205. Sabesan R etal, JAcoust. Soc India, 11(1983) 5.
206. Dhanalakshmi A, JAcoust Soc India, 8 (1980) 29.
207. Anbananthan D etal, JAcoustSocInd, 15 (1987) 27; Acustica, 42 (1979) 267.
208. Dubey S N et al, J Pure Appl Ultrason, 1 (1985) 29; 12 (1990) 34; Proc Nat
Acad Sci. Ind, 54 (1984) 117.
209. Nadiu P Retal, JAcoustSocInd, 10 (1982) 66; 9 (1981) 44.
210. Rajendran et al., J Pure Appl Ultrason, 13 (1991) 27; Ind. J Pure & Appl
Phys, 29 (1991) 465; 30 (1992) 240.
211. Subramanyanm К and Naidu P R, JAcoust Soc Ind, XI (1981) 50.
212. Patil К J and Ali S I, Ind J Chem., 22A(1983) 410.
213. Malakondaiah К and Subramanyam S V, Acustica, 65 (1988) 104.
214. Rattan V K, Singh S, Sethi BPS and Bagga О P, Acustica, 64 (1987) 223.
215. Govindappa J, Ram Babu K, Venkateswarlu P and Raman G K, Ind J Pure &
Appl Phys, 28 (1990) 145.
216. Choudary N V, Mouli J C and Naidu P R, Acoustics Letters, 6 (1982) 56.
217. Narayana Swamy G and Dharmaraja G, J Chem Thermo, 13 (1981) 327.
218. Vijayalakshmi T S and Naidu PR, Ind J Pure & Appl Phys, 28 (1990)215.
219. Rajendran V, Ind J Pure & Appl Phys, 34 (1996) 52.
220. Rajendran V and Christopher Newton Benny J, Acoustics Letters, 17 (1993)
33.
221. Govindasamy N V, Mouli J C and Naidu P R, Acoustics Letters, 6 (1982)
56.
222. Mallikhaijunaswamy K, Lakshminarayana K, Sree Rama Murty J and
Sitaramasamy P, Acustica, 27 (1972) 23.
223. Mallikhaijunaswamy K, Lakshminarayana K, Rama Murty J and
Sitaramasamy P, Acustica, 28 (1973) 166.
224. Prabhakara Rao N and Reddy К C, Paramana, 8 (1977) 245.
225. Nana Rao S, Sanna A V and Subba Rao K, Acustica, 4 (1978) 37.
226. Saraf В and Samal K, Acustica, 56(1984) 282.
227. Saraf B, Acoustics Letters, 7(1983) 31.
228. Bhattacharya A C, Acustica, 56(1984) 241.
229. Mishra S C and Samal K, Acoustics Letters, 7 (1983) 7.
230. Rajagopalan S and Tiwari S A, Acustica, 58 (1985) 98.
231. Srinivasa Manja К and Srinivasa Rao A, Pramana, 26 (1986) 459.
232. Matsuzawa K, Inoue N and Hasegawa T, JAcoust Soc Am, 81 (1987) 947.
233. Spickler P, Ibrahim F, Fast S, Tannenbaum D, Yun S and Stempf F B,
JAcoust. Soc Am, 83(4) (1988) 1388.
234. Reddy T S and Rao N, Acustica, 67 (1989) 225.
235. Pandey J D el al, Acta Chemica, 96 (1978) 13; Chem Scr, 13 (1979) 63.
236. Benson G etal., JChem Thermodyn, 15 (1983) 919.
282 Глава 6. Ультразвуковое исследование жидких смесей и растворов
237. Marsh К М etal., JChem Thermodyn, 10 (1978) 267.
238. Diaz-Pena M etal.JSolu Chem, 11 (1982) 557; 12 (1983) 41; 12 (1983) 703; 7
Chemthermodyn, 11 (1979) 951, 967; 12(1980) 1085.
239. Pandey J D, J Chem Soc Faraday Trans, 175 (1979) 2160; JChem Soc Faraday
Trans II, 76(1980) 1213.
240. Mishra R L, Acoustics Letters, 3 (1979) 1.
241. Islam M Ret al., Acoustics Letters, 11 (1988) 39.
242. Deshpande D D et al., Acoustics Letters, 13 (1990) 121.
243. Padmini PRLKand Rao В R, Ind J Phys, 34 (1960) 565.
244. Dhake К P and Padmini ARKL, Ind J Pure & Appl Phys, 8 (1970) 311.
245. Ibuki К and Nakahara M, J Phys Chem, 94 (1990) 8370.
246. Subba Rao К and Nana Rao, Ind J Pure & Appl Phys, 9 (1971) 483.
247. Pillai S O, Murugesan V and Natarajan S, Ultrasonics, 27 (1989) 54; Ind. J.
Chem., 27A(1988) 235.
248. Sandhu J S and Gurbir Sing J, Ind Chem Soc, LXV (1988) 173.
249. Jha D K. and Jha В L, Ind J Pure & Appl Phys, 28 (1990) 346.
250. Bhattacharya P, Chatterjee J P and Basumallick I N, Ind J Chem., 28A (
1989) 243.
251. Saksend A R, Pandey J D and Aradhana, Acustica, 65 (1988) 254.
252. Srinivasa Rao A etal., Acustica, 63 (1987) 75; 68 (1989) 218.
253. Manoharamurthy N, Sivakumar К V, Rajagopal F and Subramanyam S V,
Acoustics, 6(1983) 128; Acustica, 40 (1978) 263.
254. Rhodewald P and Moldner H, J Phys Chem, 77 (1973) 373.
255. Parmar M L, Khanna A and Gupta V K, Ind J Chem, 28A(1989) 565.
256. Balachandran C, J Ind. Inst Sci, 38A (1956) 211.
257. Dhanalakshmi A and Lalitha V, ] Acoust Soc Ind, 13(1985) 124.
258. Miecznik P, Acoustics Letters, 11 (1988)213.
259. Nambinarayanan T К and Srinivasa Rao A, Acustica, 53 (1983) 264.
260. Das S, Hazra D К and Lahiri S C, Ind J Chem, 28A (1989) 854.
261. Tabhane VA, Ind J Pure & Appl Phys, 23 (1985) 58.
262. Soitkar V A, Jajoo N S, Ind J Pure & Appl Phys, 7(1984) 12.
263. Ramasubramanyam К and Surya Narayana M, Ind J Pure & Appl Phys, 11
(1973) 99.
264. Bhatti S S, Ind J Pure & Appl Phys, 20 (1982) 961.
265. Kor S К and Kailash,/«d J Pure cMpp/P/rys, 24(1986) 179.
266. Varma R P and Anuradha Singh, Ind J Pure & Appl Phys, 26 (1988) 606.
267. Onori G et al, J Chem Phys, 93(4) (1990) 2939; 89(1) (1988); Acoustics Letters,
12(7) (1989) 125; Acustica, 72 (1990) 101.
268. Syal V K, Uma Kumari, Suvarcha Chauhan, Chauhan M S and Balbir Singh,
Ind J Pure & Appl Phys, 30 (1992) 719.
269. Das A.K. and Jha B.L, J. Pure Appl. Ultrason, 11 (1989) 67.
270. Pankaj et al., Ultrasonics 29 (1991) 344; Ind J Pure & Appl Phys, 27 (1989)
32; 28 (1990) 638; Ind J Phys., 34 (1960) 565.
271. Kannappan A N and Rajendran V, Ind J Pure & Appl Phys, 31 (1993) 354; J
Mol Liquids, 54 (1992) 27; Ind J Phys, 668(1992) 135.
Рекомендуемая литература
283
272. Suryanarayana С V and Pugazhendhi Р, Ind J Pure & Appl Phys, 28 (1990)
291.
273. Mehrotra К N, Gahlaut A S and Meera Sharama, Acoustics Letters, 13 (1990)
163; Ind. J. Chem., 31A(1992) 452; Ind J Pure & Appl Phys, 29(1991) 131.
274. Giles С H, Rose T J and Vallance DGM, J Chem Soc, 3799 (1952).
275. Ramamoorthy Kand Alwan S, IndJPure&ApplPhys, 19(1981)1066.
276. Islam M R and Quadri S K, Acoustics Letters, 8 (1985) 166.
277. Srinivasa Rao A, Sundarmoorthy A and Arulmozhi V, J Mol Liq, 45(1990)
231.
278. Suryanarayana С V et al., J Acoust Soc Ind, 4 (1976) 75; 7 (1979); 9 (1981) 4;
Ind J Chem, 25A(1986) 538.
279. Dhanalakshmi Aetal, J Acoust Soc Ind, 13(1985) 124;22(1994) 1; 23 (1995)
114; 24 (1996) 1;25(1997) 6.
280. Dunn F, Edmonds P D and Fry W J, Biological Engineering, Chapter 3, Me
Graw-НШ, New-York, 1969.
281. Pethrick R A, JMacromolec Chem, 9(1973) 91.
282. Suryanarayana С V and Pugazhendi P, Ind J Pure & Appl Phys, 23 (1984)
406.
283. Varada Rajulu A, Chowdoji Rao and Venkata Rao K, J Pure Appl Ultrason,
15(1988) 115.
284. Hassun S K, EurPolymJ, 21 (1987) 1388.
285. Vijayalakshmi, Sanyal R, Nambinarayanan T K, Srinivasamanja К and
Srinivasa Rao A, Ind J Pure Appl Phys, 70 A(2) (1996) 265.
286. Rao M R, Ind J Phys, (1941) 9; Ind J Pure & Appl Phys, 3 (1965)
287. Ideka H, Jpn JApplPhys, 30 (1991) 2544.
288. Srilalitha S, Subha MLS and Chowdoji Rao K, J Pure Appl Ultrason, 16
(1995) 69.
289. Kalyanasundaram et al., J Poly Mater, 12 (1995) 323 ; 12 (1995) 177; 14
(1997) 269; 25(1997).
290. Paladhi R and Singh R P, Eur Polm J, 21(5) (1991) 421.
291. Majumdar S and Singh R P, J Acoust Soc Ind, 20 (1992) 219.
292. Kalyanasundaram et al., J Acoust Soc Ind, 24 (1996) v. 8.1.
293. Hassun S K, Acoustics Letters, 9 (1985) 9; 10 (1986) 195; Br Polym J, 11
(1989)313.
294. North A M, Pethrick R AandTeik P B, Polymer, 20 (1980) 772.
295. Bell W and Pethrick R A, Polymer, 23 (1982) 369.
296. Haque M F, Fast S J, Yun S S and Stumpf F B, J Acoust Soc Amer, 76(5)
(1983)2181.
297. Milliken W J and PowelRL, J Acoust Soc Amer, 80(1995) 1547.
298. Esquivel Sirvent R, Tan B, Abdet Iraziq I, Yun S S and Stumpf F B, J Acoust
Soc Amer, 75(3) (1989) 929.
299. Gong Xiu - Fen, Feng Rao, Zhucheng - Ya and Shi Tao, J Acoust. Soc Amer,
86(3) (1988) 949.
300. Barnes C, Evans J A and Lewis T J, J Acoust Soc Amer, 78(1) (1985) 6.
ГЛАВА 7
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ
НЕРАЗРУШАЮЩИЕ ИСПЫТАНИЯ
7.1. Введение
Испытания являются важнейшим базовым инструментом контроля
качества (QC) инженерных материалов/компонентов. Испытания
материала/компонента/продукта представляют собой неотъемле-
мую и наиболее существенную составляющую программы поддер-
жки качества (QA) в промышленности. Задачи программы QC и
QA заключаются главным образом в обеспечении безопасности,
надежности и экономии. Как правило, наиболее удобными инстру-
ментами программы QA в промышленности являются методы раз-
рушающих испытаний (DT), например проверка на растяжимость,
ползучесть, ударную вязкость, кручение, твердость и т.д. Их обыч-
но проводят на различных стадиях производства материала/компо-
нента, а также на этапе проверки изготовленных изделий и очень
редко в условиях эксплуатации. Уже из названия DT понятно, что
полуразрушенные или разрушенные в процессе испытаний про-
дукты нельзя снова использовать. Что же касается неразрушающих
испытаний (NDT), то, судя по названию, они никоим образом не
портят продукт/компонент, подвергающийся проверке. Таким об-
разом, NDT — это процедура в процессе тестирования материалов
или компонентов, которая не влияет на их пригодность к эксплу-
атации. Кроме того, испытания во время производственного про-
цесса позволяют повысить надежность товаров при эксплуатации и
улучшить техническое обслуживание системы, чтобы избежать пре-
ждевременного выхода продукции из строя.
Главное достоинство NDTзаключается в том, что они позво-
ляют производителю проверить продукт/деталь, которые дейс-
твительно будут эксплуатироваться. Помимо этого, покупатель
тоже может проверить деталь, прежде чем ее использовать. Среди
прочих достоинств NDTвыделяются следующие:
Классификация неразрушающих испытаний 285
(I) Изделия, прошедшие NDT и признанные годными, мож-
но непосредственно использовать в качестве детали/компонента
системы.
(II) NDTпроводятся как в процессе производства продукции,
так и по его окончании.
(Ill) NDTпозволяют проверять любые изделия, независимо от
того, какой частью они являются, какова их стоимость, какое ко-
личество нужно протестировать и т.д.
(IV) Одно и то же изделие можно подвергать различным видам
испытаний одновременно или последовательно.
(V) Не требуется практически никакой подготовки образца.
(VI) NDTприводит на 100%-й основе.
Существует еще один класс промежуточных испытаний, кото-
рые называются полуразрушающими (SDTy. металлография, тех-
ника высверливания отверстий, техника кольцевого сердечника и
т.д. SDTподразумевают, что после тестирования продукты можно
использовать. Как бы то ни было, следует оценивать изменения в
материале/компоненте, для того чтобы проверить, не перестал ли
он соответствовать своему предназначению. SDTтоже вносят су-
щественный вклад в программы QA, в предотвращение преждев-
ременного выхода из строя и продление срока службы продуктов/
компонентов.
7.2. Классификация неразрушающих испытаний
Ниже перечислены основные методы NDT, которые чаще всего
используются для тестирования материалов/промышленных ком-
понентов:
(I) Визуальное тестирование.
(II) Метод проникающих жидкостей.
(III) Магнитопорошковая дефектоскопия.
(IV) Метод вихревых токов.
(V) Рентгенографическое тестирование.
(VI) Ультразвуковое тестирование.
(VII) Проверка на герметичность.
(IX) Термография.
(X) Нейтронная радиография.
Подробное рассмотрение этих методов с иллюстрациями
приводится в книге «Неразрушающие испытания на практике».
286 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Ультразвуковое тестирование широко применяется для получения
характеристик материалов и компонентов, исследования микро-
структуры, дефектов и нагрузки в процессе деформации, целост-
ности материалов и т.д. Следующий раздел посвящен применению
ультразвукового тестирования материалов/компонентов.
7.3. Ультразвуковое тестирование
Ультразвуковое тестирование (UT) представляет собой один из
наиболее широко используемых методов неразрушающих ис-
пытаний и оценки промышленных материалов и компонентов.
Изначально UT проводили для исследования металлов и сплавов.
Однако этот метод тестирования также годится для полимеров,
пластмасс, композиционных материалов и керамики. В первую
очередь ультразвуковое тестирование применяется для выявле-
ния и характеристики внутренних дефектов и измерения толщи-
ны стенок. Кроме того, оно используется для обнаружения по-
верхностных дефектов, определения характеристик поверхности
и отслеживания масштабов коррозии. В последние годы UT про-
водилось для определения физических свойств, микроструктуры,
включая размер зерна, фазы и т.д., а также постоянных упругости.
Данные аспекты досконально рассматриваются в главе 5.
UT полезно не только для обнаружения, но и для оценки де-
фектов/трещин, а также отслеживания их роста, если таковой
происходит. В большинстве ситуаций для оценки дефектов нуж-
но сканировать только одну поверхность тестируемого материала.
Оценка означает точное определение типа, размера, формы и т.д.
Поверхностные и внутренние неоднородности, такие как напус-
ки, швы, пустоты, щели, пузыри, включения, отсутствие связы-
вания и т.д., тоже получают точную оценку. В этих методах, от-
носящихся к общим категориям ультраакустики, используются
высокочастотные акустические волны, генерируемые пьезоэлек-
трическими преобразователями. Как правило, применяются час-
тоты от 1 до 10 МГц, хотя в некоторых специфических областях
иногда требуются большие или меньшие значения частот. Длина
возникающих в тестируемом материале акустических волн (за-
висящая от скорости ультразвуковых волн) составляет от одного
до десяти миллиметров. Строго направленный звуковой луч пе-
редается в объект тестирования через подходящую прослойку,
Ультразвуковое тестирование 287
в качестве которой обычно выступает вода, смазка или любой
другой материал на масляной основе. Можно также передавать
ультразвуковые волны без прослойки, используя специально
сконструированные преобразователи с соответствующей колод-
кой для обеспечения согласования импедансов интересующих
нас материалов. Несмотря на то что в настоящее время доступ-
но достаточное количество инструментов и режимов отображе-
ния данных, наиболее широко применяется импульсный метод с
J-сканирующим отображением.
Поскольку акустические волны эффективно распространя-
ются в большинстве структурных материалов, рассеиваются или
отражаются при попадании на неоднородности или прерывности
среды, то измерение переданной и отраженной энергии можно
связать с целостностью как функцией неоднородности материа-
ла и параметров дефектов. Метод ультразвукового тестирования
с Л-сканирующим отображением предоставляет количественную
информацию о толщине компонента, глубине обнаруженной пре-
рывности, ее размере и т.д.
Для эффективного применения ультразвуковых NDT следу-
ет хорошо ознакомиться с аспектами распространения волн, по-
глощением, рассеянием, затуханием, волновой конверсией, реф-
ракцией/отражением/дифракцией и т.д. Вышеперечисленные
понятия подробно обсуждались в главе 2. Хотя все аспекты распро-
странения волн имеют большое значение, в ультразвуковом тести-
ровании главную роль играют понимание и применение волнового
отражения, что особенно важно при оценке толщины и дефектов.
В главе 4 рассматривались основные инструменты ультразвуковой
дефектоскопии. В данной главе помимо ознакомления с концеп-
цией обнаружения/оценки дефектов также уделяется внимание
некоторым прогрессивным инструментам обследования.
Достоинства
Главными достоинствами ультразвукового обследования по
сравнению с другими методами неразрушающих испытаний явля-
ются:
(I) Обнаружение дефектов, находящихся глубоко внутри мате-
риала, что стало возможным благодаря улучшенной проникающей
способности. Ультразвуковое обследование проводится до глуби-
ны нескольких метров. Пример: длинные стальные стержни, ро-
торные штамповки и т.д.
288 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
(II) Высокая чувствительность при обнаружении чрезвычайно
малых дефектов (длиной несколько миллиметров) в толстых ком-
понентах порядка, скажем, 50 мм.
(III) Точное определение местоположения внутренних дефек-
тов, оценка их размера, характеристика направления, формы и
природы.
(IV) Достаточность доступа только к одной из сторон изделия.
(V) Контроль процесса электронными средствами, что обес-
печивает почти мгновенное выявление дефектов. По этой причи-
не метод подходит для оперативного мониторинга производства
и контроля процессов. Кроме того, постоянная запись результа-
тов обследования может оказаться полезной для будущих обра-
щений к этой информации.
(VI) Объемное сканирование, что позволяет обследовать объ-
ем материала. Таким образом, обследование охватывает участок
от передней до задней поверхности компонента изделия, даже
если его толщина составляет 400 мм.
(VII) Отсутствие требований по мерам предосторожности,
связанным со здоровьем.
(VIII) Портативность.
Недостатки
К недостаткам методов ультразвукового тестирования можно
отнести следующие моменты:
(I) Ручная операция требует пристального внимания опытных
специалистов.
(II ) Для разработки процедур обследования нужны всесторон-
ние технические знания.
(III ) Сложно обследовать детали, которые имеют неправиль-
ную форму, очень малы, слишком тонкие или неоднородные.
(IV) Прерывности верхнего слоя, находящиеся непосредс-
твенно под поверхностью, невозможно обнаружить, если не при-
менять соответствующие процедуры.
(V) Для обеспечения эффективной передачи энергии ультра-
звуковых волн в обследуемые детали необходима контактная про-
слойка. Однако в некоторых аспектах применения возможна уль-
траакустика с сухим контактом.
(VI) Потребность в некоторых справочных стандартах для ка-
либровки оборудования и оценки/характеристики дефектов.
Классификация ультразвукового тестирования 289
7.4. Классификация ультразвукового тестирования
Ультразвуковые волны, падающие на поверхность двух сред, час-
тично отражаются/преломляются в среду. Когда ультразвуковые
волны наталкиваются на дефект во второй среде, происходит их
отражение/преломление. Различные дефекты, с которыми встреча-
ются волны, можно распределить на группы в табличной форме:
Объемные дефекты Дефекты сварки Поверхностные дефекты
Пористость, неодно- родные углубления, трещины, расслоения ИТ.Д. Недостаточное сварное соеди- нение, непровар, поднутрение, не- точное совмеще- ние / несоответс- твие и т.д. Шероховатость по- верхности, открытая трещина на поверх- ности, расслоения, пустоты пайки и прочие дефекты со- единительного шва
Ниже приведена схема, которая дает общую картину методов
тестирования с помощью объемных и поверхностных ультразву-
ковых волн.
Тем не менее чтобы получить общее представление об этих ме-
тодах и понять их с точки зрения профессионалов в области NDT,
обсудим их в следующих формах:
(I) Импульсный эхо-метод.
(II) Контактный метод.
(III) Сквозное прозвучивание.
(IV) Иммерсионный метод.
(V) Поиск — захват (pitch catch) или тандем.
(VI) Резонансный метод.
(VII) Метод поверхностной волны.
Далее приводится краткое описание вышеперечисленных ме-
тодов
7.4.1. Импульсный эхо-метод
Это наиболее часто используемый метод ультразвукового тести-
рования материалов. Звуковая энергия передается в тестируемую
среду в виде импульсов. Эти импульсы генерируются и принима-
ются обратно через определенные промежутки времени (рис. 7.1).
В течение короткого периода генерируется серия импульсов.
Длительность импульсов и промежуток времени являются двумя
Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Материал
Рис. 7.1. Ультразвуковой
контроль — импульсный
эхо-метод
важными параметрами и контро-
лируются с помощью инструмента-
рия. Импульсный эхо-метод поль-
зуется наибольшей популярностью
в области ультразвукового контроля
(UT) и применяется в разных вари-
антах: контактный, иммерсионный,
пошаговое зондирование (тандем)
и т.д. Их описание составляет пос-
ледующие разделы данной главы.
7.4.2. Контактный метод
В качестве передатчика и приемни-
ка выступает одно и то же зондиру-
ющее устройство. Это существен-
ное преимущество, потому что для
тестирования достаточно доступа
лишь к одной стороне тестируемо-
Классификация ультразвукового тестирования
29
го образца или изделия. Если в образце присутствует дефект, то
эхо-сигнал от него будет принят раньше, чем эхо-сигнал от за-
дней поверхности образца. На экране CRT отдельно показывается
расстояние между моментами прибытия обоих эхо-сигналов, что
позволяет точно оценить местоположение дефекта. Определение
наличия/отсутствия дефекта в материале с помощью импульсно-
го эхо-метода показано на рис. 7.2.
Рис. 7.2. Ультразвуковое тестирование — импульсный эхо-метод
7.4.3. Сквозное прозвучивание
В данном методе используются два ультразвуковых зонда.
Передающий зонд обозначим Т, а принимающий R. Эти зонды
размещают на противоположных сторонах образца, как показано
на рис. 7.3.
Рис. 7.3. Ультразвуковое тестирование методом сквозного
прозвучивания
292 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
В случае отсутствия дефектов принимающий зонд принимает
сигнал определенной амплитуды (рис. 7.4а). При наличии дефек-
та амплитуда принятого сигнала уменьшается (рис. 7.4b). При на-
личии крупных дефектов наблюдается полная потеря переданно-
го сигнала (рис. 7.4с). Расположение зондов и картина на экране
CRTs разных условиях приводятся на рис. 7.4.
Данный метод эффективен при контроле больших литей-
ных форм. С его помощью можно получить качественную оцен-
ку дефекта. Однако определить местоположение дефекта нельзя.
Кроме того, необходимость обеспечения хорошей механической
связи зондов с образцом привносит дополнительные проблемы в
процесс обследования.
Рис. 7.4. Тестирование материалов методом сквозного прозвучивания
Классификация ультразвукового тестирования
293
7.4.4. Иммерсионный метод
Этот метод является продолжением контактного метода контроля.
В данном методе тестируемый объект или образец погружают в ван-
ну с водой. Вода выступает в качестве связующей среды между тес-
тируемым объектом и преобразователем, что иллюстрирует рис. 7.5.
Отражение волн от передней поверхности объекта, дефекта и за-
дней поверхности выводится на экран CRT (рис. 7.5). Среди прочих
методов ультразвукового тестирования иммерсионному принадле-
жит главенствующая роль в том, что касается обнаружения дефек-
тов, автоматизации и получения изображений. Самым популярным
является иммерсионный метод с использованием нормально пада-
ющего (прямого) луча. Регулируя угол падения генерируемого уст-
ройством луча относительно нормали к поверхности тестируемого
объекта, можно создавать в тестируемой среде поперечные волны.
Выбор частоты и вида волн зависит от типа дефекта, который пред-
стоит отыскать, геометрии образца и обследуемого материала.
7.4.5. Поиск — захват, или тандем
Данный метод можно реализовать либо с прямыми лучами (сквоз-
ное прозвучивание), либо с отраженными. В обоих случаях им-
пульсы ультразвуковой энергии проходят сквозь материал, а в точ-
ке выхода измеряются интенсивности этих импульсов. Временная
развертка экрана осциллоскопа настроена на запуск одновре-
менно с начальным импульсом. При тестировании импульсным
эхо-методом изображение переданного импульса появляется на
экране справа от начального импульса (рис. 7.6). Главное достоинс-
тво метода поиска - захвата заключается в том, что можно отделять
отображения помех и побочных явлений от переданного импульса
с помощью соответствующего им времени прохождения.
294 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Рис. 7.6. Тестирование материалов методом поиска — захвата
м
Принятый
Рис. 7.7. Тестирование материалов без дефекта — метод поиска —
захвата с использованием линии задержки
Рис. 7.8. Тестирование материалов, имеющих дефект, — метод поиска —
захвата с использованием линии задержки
Классификация ультразвукового тестирования 295
Другим полезным способом применения данной методики
контроля является мониторинг сварочного процесса. Метод поис-
ка — захвата также можно реализовать с помощью двух преобразую-
щих элементов, помещаемых в одной сборке. Экспериментальная
установка показана на рис. 7.7. Данный тип преобразователей ис-
пользуется главным образом для тестирования толщины изделия и
обследования коррозий. Когда к преобразующей установке добав-
лена линия задержки (рис. 7.7 и 7.8), можно тестировать тонкие
срезы, равно как и контролировать толщину изделия.
7.4.6. Резонансный метод
Состояние резонанса существует, когда толщина материала рав-
на половине длины звуковой волны в материале или кратна ей.
Контролировать длину волны в материале можно с помощью кон-
троля частоты. Если имеется передатчик с изменяемой частотой,
его можно настроить так, чтобы вызвать резонансное состояние
для толщины тестируемого образца. Данное состояние можно лег-
ко распознать по увеличению амплитуды принятых импульсов. Зная
основную (собственную) резонансную частоту/и скорость t/ультра-
звука в образце, можно рассчитать толщину /тестируемого образца:
Поскольку распознать режим основных колебаний достаточ-
но сложно, основные частоты получают из разностей двух сосед-
них гармоник, которые изображаются в виде двух соседствующих
пиков в амплитуде импульса. Поэтому толщина:
(7.1)
(7.2)
где^ — частота исходной гармоники, fnl — частота (л-1)-й моды
колебаний.
7.4.7. Поверхностные волны
Поверхностные волны используются во многих областях техники,
особенно в авиации и автомобилестроении. С помощью поверх-
ностных волн проводится все больше и больше обследований ма-
териалов нового поколения, к которым относятся композицион-
ные материалы и керамика. Применяя подходящие поверхностные
волны (различные виды волн, см. главу 2), можно выявлять поверх-
296 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
ностные и подповерхностные дефекты в пластинах, на искривлен-
ных поверхностях или в любых образцах со сложной геометрией.
Большая часть энергии поверхностной волны сосредоточена у по-
верхности. Данное преимущество позволяет тестировать длинные
образцы на наличие поверхностных (подповерхностных) дефектов.
Однако для сталелитейной промышленности использование повер-
хностных волн с целью обнаружения дефектов нехарактерно. Это
связано с ограничением, которое проявляется в том, что если ка-
чество обработки поверхностей объекта оставляет желать лучшего,
волны стремительно затухают, ограничивая диапазон тестирования
и усиливая погрешности в измерениях. Часто присутствие масла/
смазки на тестируемом объекте также ограничивает получение тре-
буемых результатов. Волны Лэмба применяются для исследования
характеристик металлических пластин и комбинированных плит.
Волны Стоили используются для мониторинга коррозии, образу-
ющейся в местах соединения двух пластин, в то время как повер-
хностные волны Рэлея являются наиболее популярным способом
обнаружения открытых дефектов поверхностей.
7.5. Разновидности импульсного эхо-метода
В области ультразвукового тестирования материалов наиболее
предпочтительной является импульсная эхо-техника. В импульс-
ной эхо-технике выделяются несколько методов и подходов к об-
наружению дефектов в материалах. Наиболее распространенные
из них можно обобщенно разделить на две категории: контактные
и иммерсионные. В'контактном методе зонд находится в непос-
редственном контакте с тестируемым образцом, а в качестве про-
слойки, способствующей лучшей передаче ультразвуковых волн
в материал, служит тонкая пленка жидкости. В иммерсионном
методе зонд опосредованно связан с тестируемым образцом через
водяной столб, обеспечивающий передачу ультразвуковых волн в
материал. Далее описаны оба эти метода.
7.5.1. Контактный метод
Ультразвуковое тестирование контактного типа подразделяется
на три группы:
(I) прямой луч; (II) наклонный луч; (III) поверхностная волна.
Следующие подразделы посвящены описанию этих методов с
соответствующими иллюстрациями.
Разновидности импульсного эхо-метода
297
(I) Прямой луч
В данном методе ультразвуковой луч посылается в направлении,
перпендикулярном сканируемой поверхности. Здесь могут при-
меняться совмещенные, раздельные или раздельно-совмещенные
(передатчик — приемник (TR)) прямо-лучевые (прямые) зонды. Зонды
TR также называют SE (sender enphanger)-3OHdaMu. В случае совме-
щенного зонда его преобразующий элемент выступает в качестве
передатчика и приемника одновременно. В данном методе ультра-
звуковая энергия луча проникает в материал и отражается от задней
поверхности, направляясь обратно к преобразующему элементу
(рис. 7.9). Если в материале присутствует дефект/трещина, ультра-
звуковой луч отражается от этого дефекта. Поскольку совмещенные
зонды посылают большие импульсы, это создает трудности при тес-
тировании тонких срезов и при измерении толщины тонких стенок.
Применение раздельных прямых зондов полезно, когда образец
имеет неправильную форму, а
его задняя поверхность непа-
раллельна передней. Один зонд
посылает ультразвуковой луч в
материал, а другой принимает
эхо-сигналы от дефектов и за-
дней поверхности, как показа-
но на рис. 7.10. Тестирование
методом сквозного прозвучи-
вания, рассматриваемое выше,
тоже подпадает под эту кате-
горию. В методе с использо-
ванием прямых зондов SE или
Рис. 7.9. Тестирование материалов
с помощью совмещенного
преобразователя
TR два преобразующих элемента размещают в одном корпусе под
углом друг к другу. Угол определяется в зависимости от требуемой
фокусировки луча, обеспечивающей нужное разрешение вблизи
поверхности. Один из элементов действует в качестве передатчика,
а другой выступает в роли приемника. Все методы тестирования,
обсуждаемые при рассмотрении метода поиска - захвата с исполь-
зованием прямого луча, подпадают под эту категорию.
(II) Наклонный луч
Техника наклонного луча предусматривает передачу ультра-
звуковых лучей в тестируемый образец под заданным углом к
поверхности. В зависимости от выбранного угла волны, возни-
298 Глава 7, Ультразвуковые неразрушающие испытания
Рис. 7.10. Тестирование материалов с помощью раздельных
преобразователей
кающие в образце, могут быть смешанными (продольными и по-
перечными), только поперечными или только поверхностными.
Как правило, в наклонно-лучевом тестировании используются
поперечно-волновые зонды. Поперечные волны при различных
углах преломления (от 33 до 80°) в стальных объектах помогают
обнаруживать дефекты, которые ориентированы таким образом,
что их невозможно выявить прямолучевыми методами.
Определение разных расстояний для наклонно-лучевых (наклон-
ных) зондов
Разные расстояния, такие как половина длины шага (HSD),
полная длина шага (FSD), половина пути, пройденного лучом
(HSBPL), и полный путь, пройденный лучом (FSBPL), для на-
клонного зонда при угле преломления 0, показаны на рис. 7.11.
Рис. 7.11. Определение расстояний — наклонные зонды
Отрезками АВ, AC, AD и AD+DC на рис. 7.11 обозначены рас-
стояния HSD, FSD, HSBPL и FSBPL соответственно. Значения
Разновидности импульсного эхо-метода
299
HSD, FSD, HSBPL и FSBPL определяются для образца толщиной t
и угла преломления 0 и задаются следующим образом:
HSD-ttan0, (7.3)
FSD = 2ztan0, (7.4)
HSBPL = cosO (7.5)
It FSBPL = ——. cos в (7.6)
Если реальный угол зондирования равен номинальному, эти
расстояния определяют с помощью соотношения:
Требуемое расстояние = Fi, (7.7)
где F— фактор соответствующего угла зондирования (табл. 7.1).
Проверка угла зондирования проводится с помощью стан-
дартного калибровочного блока.
Наклонный луч стандартного поперечно-волнового зонда (45,60
и 70°) при использовании его на толстостенной трубе, возможно, не
проникнет до самого отверстия трубы, снова выйдет на внешнюю
поверхность, как показано на рис. 7.12, и не обнаружит дефект.
Табл. 7.1. Фактор угла зондирования для различной
толщины стенок
Фактор угла зондирования 35° 45° 60° 70° 80°
HSD 0,7 1,0 1,73 2,75 5,67
FSD 1,4 2,0 3,46 5,49 11,34
HSBPL 1,22 1,41 2,0 2,92 5,76
FSBPL 2,44 2,83 4,0 5,85 11,52
Для заданного угла зондирования максимальная толщина t
стенки трубы, которая позволяет центру луча достичь отверстия в
этой трубе, определяется по формуле:
J(l-sin0) (7 8)
300 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
где t — максимальная толщина стенки, d — внешний диаметр OD
трубы, 0 — угол зондирования.
Наибольшая глубина,
которую мы можем
обследовать со стороны
внешнего диаметра
данной трубы
Рис. 7.12. Глубина проникновения в толстостенных трубах
Перепишем уравнение (7.8) в таком виде, чтобы определить
наилучший угол для заданной толщины трубы:
(7.9)
Упростим вышеприведенное уравнение для стандартных на-
клонных зондов:
t=df
(7.10)
где f — фактор зондирования, значения которого приводятся в
табл. 7.2.
Максимальная толщина стенки для различных размеров труб
и углы зондирования даются в табл. 7.3.
Табл. 7.2. Фактор зондирования для различных углов
Угол зондирования 35° 45° 60° 70° 80°
Фактор зондирования 0,213 0,146 0,067 0,030 0,008
Разновидности импульсного эхо-метода
301
Табл. 7.3. Фактор зондирования для различной толщины
стенок (глубины проникновения луча)
Угол зондирования 35° 45° 60° (Максимальная толщина стенки)
Наружный диаметр (OD) трубы, мм ММ мм мм
100 21,3 14,6 6,70
150 31,95 21,9 10,05
200 42,60 29,2 13,40
250 53,25 36,5 16,75
300 63,90 43,8 20,10
350 74,55 51,1 23,45
400 85,20 58,4 26,80
450 95,85 65,7 30,15
500 106,50 73 33,50
(III ) Поверхностные волны
Схема метода контроля с использованием поверхностных
волн приведена на рис. 7.13. Поверхностные волны успешно при-
меняются во многих областях, особенно в авиационной промыш-
ленности. Однако в углеродисто-сталелитейной промышленнос-
ти метод не столь популярен, что связано с меньшей гладкостью
поверхностей. В этой отрасли при обнаружении поверхностных
и подповерхностных дефектов более надежным является магнит-
ный метод. Поскольку энергия поверхностных волн сконцен-
трирована в приповерхностном слое материала, они способны
преодолевать очень большие расстояния (несколько метров) при
движении по поверхности. Главное достоинство поверхностных
волн заключается в том, что они следуют плавным изменениям
контура и резко отражаются только в том случае, если контур вне-
запно меняется. Данное обстоятельство позволяет обследовать
компоненты сложной формы. Важным ограничением является
то, что волны также распространяются в слое окалины или жид-
кости, если таковой имеется на поверхности тестируемого объек-
та. По этой причине волны порой могут не обнаруживать дефек-
ты, присутствующие на поверхности.
302
Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Преобразователь
„ „ (а) Без трещины
Преобразователь
(b) С трещиной
Рис. 7.13. Тестирование материалов с помощью поверхностных волн
7.5.2. Контроль иммерсионным методом
Иммерсионный метод уже рассматривался в разделе 7.4.4 в контекс-
те импульсного эхо-метода. Как бы то ни было, учитывая значимую
роль иммерсионного метода в промышленности, мы уделим ему вни-
мание в данном разделе. В иммерсионном методе используется водо-
непроницаемый зонд, расположенный на некотором расстоянии от
тестируемого материала, а ультразвуковой луч передается через до-
рожку или столб воды. Этот метод по большей части практикуется
в лабораториях и в крупных установках для автоматического ультра-
звукового тестирования. Достоинство метода заключается в том, что
он позволяет достичь условия однородного контакта и генерировать
как продольные, так и поперечные волны одним и тем же зондом,
всего-навсего изменяя угол падения луча. В методе выделяются три
основных техники: иммерсия, барботер и колесный преобразователь.
При реализации иммерсионного метода зонд и тестируемый
образец погружают в воду. Ультразвуковой луч направляется через
воду в тестируемый образец. Для этого используется прямолуче-
вой метод для генерации продольных волн или наклонно-лучевой
метод для генерации поперечных волн, как показано на рис. 7.14.
Разновидности импульсного эхо-метода 303
В технике наклонного луча длина водной дорожки всегда должна
превышать расстояние 5:
Толщина образца х Скорость звука в воде (7 11)
Скорость звука в образце ’
где S — расстояние в воде между преобразователем и поверхностью
тестируемого объекта. Для стальных образцов путь в воде должен
превышать 1/д толщины стали, иначе первый эхо-сигнал от задней
поверхности будет перекрывать второй эхо-сигнал. В результате
дефекты, находящиеся вблизи задней поверхности, могут быть не
замечены. Данное обстоятельство связано с большими различия-
ми скорости ультразвука в воде и стали.
Манипулятор
Вода -
- - - 4 Пластина
(а) Прямой луч (перпендикулярный поверхности)
Рис. 7.14. Тестирование материала иммерсионным методом
В технике барботирования, или омывания, ультразвуковой
луч направляется через столб воды в тестируемый образец, как
показано на рис. 7.15. Эта техника обычно применяется вместе с
автоматизированной системой для высокоскоростного сканиро-
вания пластин, листов, полос, цилиндрических и других изделий
правильной формы. Ультразвуковой луч по перпендикулярной
траектории проходит в тестируемый образец и возбуждает про-
дольные волны либо регулируется под углом к поверхности тести-
Рис. 7.15. Техника барботирования
304 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
В методе колесного преобразователя ультразвуковой луч по-
сылается в тестируемый образец через шину, наполненную водой,
как показано на рис. 7.16. Зонд, установленный на оси колеса,
неподвижен, в то время как колесо можно поместить на подвиж-
ный агрегат, который перемещается по образцу, или соединить
с неподвижным креплением, чтобы образец двигался вдоль него
(рис. 7.17). Для данного метода также применимо требование на-
личия прослойки воды, как и в предыдущем случае.
Шина с водой
Неподвижная ось
Преобразователь
Тестируемый образец
Рис. 7.16. Колесный преобразователь
Движение колеса
__па, материалу
Шина с водой;
колесо неподвижно
Преобразователь
Рис. 7.17. Стационарные и движущиеся преобразователи
Местоположение и угол зонда, устанавливаемого на оси коле-
са, можно регулировать так, чтобы генерировать лучи, направлен-
ные перпендикулярно (рис. 7.17) или наклонно (рис. 7.18) к поверх-
ности изделия. Колесный преобразователь обеспечивает такую же
скорость сканирования, как барботер, или омыватель. Кроме того,
у него есть одно преимущество, заключающееся в том, что он не
сталкивается с проблемами коррозии или очистки, которые прису-
щи технике барботирования. Это связано с тем фактом, что вода и
образец не находятся в непосредственном контакте.
7.6. Дефектоскоп
Дефектоскопы играют важную роль в ультразвуковом тестиро-
вании. Дефектоскоп представляет собой модуль с электронным
Дефектоскоп 305
Звуковой луч направлен под углом в сторону и вперед
Рис. 7.18. Возможности колесного преобразователя, связанные
с регулированием угла
управлением, который выполняет операцию согласно инструк-
ции, данной инструктором. Понятно, что для эффективного
обнаружения дефектов обслуживающий персонал должен обла-
дать обширными знаниями о функционировании компонентов
дефектоскопа и о выполняемых им операциях. По этой причине
в данном разделе рассказывается об устройстве и работе типич-
ного дефектоскопа, используемого в ультразвуковом тестирова-
нии.
7.6.1. Функции дефектоскопа
Ниже рассматриваются средства управления дефектоскопом, ко-
торые упрощают процесс его работы.
(I) Функции электронных элементов
Блок-схема ультразвукового импульсного эхо-дефектоскопа
показана на рис. 7.19. Она состоит из ультразвукового приемника,
генератора временной развертки, передатчика и зонда для прове-
дения обследования.
Схема типичной электронно-лучевой трубки (CRT) изображе-
на на рис. 7.20. CRT состоит из нити накала Н, которая нагрева-
ет катод С, заставляя его испускать электроны. Напряжение,
подаваемое между катодом и анодом, придает электронам ускоре-
306 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Рис. 7.19. Блок-схема импульсного эхо-дефектоскопа
Дефектоскоп 307
ние. Возникающий электронный луч фокусируется с помощью
фокусирующего цилиндра F, появляясь на флюоресцентном
экране 5 в виде точки. При движении электронов в направлении
к экрану S электронно-лучевой трубки они проходят две пары
отклоняющих пластин хи у. Напряжение, подаваемое на пластины
х, отклоняет электронный луч в горизонтальном направлении, в то
время как напряжение, подаваемое на у, вызывает вертикальное
отклонение.
CRT оснащена ручками управления яркостью, фокусировкой,
астигматизмом, горизонтальным и вертикальным смещением.
Управление яркостью позволяет контролировать яркость или
блеск, или глубину красок. Управление фокусировкой помога-
ет настраивать резкость изображения. Аналогично управление
астигматизмом предназначено для контроля астигматизма и
дополнительного фокуса. Ручки управления горизонтальным
(х) и вертикальным (у) смещением используются для контроля
начальной настройки, горизонтального и вертикального смеще-
ния. Все вышеперечисленные регулировки важны для получения
яркой и четкой картины на экране CRT.
Генератор временной развертки подает пилообразное напря-
жение на х-пластины, чтобы равномерно перемещать пятно, об-
разованное лучом, слева направо по экрану CRT. Скорость точки
зависит от оперативного времени (то есть времени, за которое пи-
лообразное напряжение возрастает от нуля до своего максималь-
ного значения) (рис. 7.21).
Рис. 7.21. Пилообразное напряжение
Чем короче оперативное время, тем выше скорость пятна.
Оперативное время пилообразного напряжения тоже контролиру-
ется, следовательно, скорость пятна можно подобрать, исходя из
диапазона толщин или условий тестирования. Чтобы пятно, обра-
308 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
зованное электронным лучом, не создавало следа на экране при
обратном ходе, генератор временной развертки одновременно
контролирует яркость с помощью напряжения прямоугольного сиг-
нала. Это дает ответ на вопрос, почему пятно остается ярким только
в течение оперативного времени пилообразного напряжения, как
показано на рис. 7.22. Порою необходимо увеличить запаздывание
импульсов, которые запускают в действие передатчик. С этой целью
в схему вводится регулировка, которая в данном случае называется
регулировкой запаздывания.
Рис. 7.22. График «пилообразное напряжение — время»
Передатчик подает кратковременный импульс электричес-
кого напряжения порядка 300-1000 В на пьезоэлектрический
преобразователь зонда. Пьезоэлектрический преобразователь, в
свою очередь, преобразует импульс в ультразвуковую волну. В не-
которых инструментах встроен элемент контроля, позволяющий
регулировать частоту и амплитуду импульса электрического на-
пряжения, в то время как в других устройствах эти настройки осу-
ществляются автоматически. Электрическое напряжение и шири-
на импульса подбираются в соответствии с толщиной и степенью
демпфирования пьезоэлектрического преобразующего элемента
в зондирующем устройстве.
Принимающий модуль состоит из усилителя, выпрямителя и
аттенюатора. Усилитель усиливает любой импульс напряжения,
поступающий от зонда. При этом происходит усиление порядка
105. В большинстве случаев используются широкополосные уси-
лители, поддерживающие диапазон частот от 1 до 15 МГц и ос-
нащенные регулировкой, которая позволяет настраиваться на
частоту зонда. Выпрямитель в принимающем модуле выпрямля-
ет сигнал напряжения для обеспечения простоты наблюдения. В
некоторых инструментах предусмотрен элемент контроля, поз-
воляющий наблюдать за принятым сигналом в выпрямленном
Дефектоскоп 309
(содержит только положительные значения напряжения сигна-
ла) или невыпрямленном (содержит как положительные, так и
отрицательные значения) состоянии. Затухание в принимающем
модуле используется для изменения амплитуды сигнала при не-
обходимости. В данном случае контроль называется регулировкой
усиления и калибруется в децибелах (дБ).
Синхронизирующая схема или синхронизатор генерирует
электрические импульсы, которые одновременно запускают ге-
нератор временной развертки и передатчик. Эти импульсы воз-
никают периодически, стабилизируя изображение и делая его
ярким. Частота их генерации называется частотой повторения
(следования) импульсов (PRF). В принимающем модуле существует
фильтрация или подавляющий контроль, который позволяет из-
бавляться от проявлений случайных шумов, известных как поме-
хи, на экране CRT.
(II) Принцип действия импульсного эхо-дефектоскопа
Одновременный запуск генератора временной развертки и
преобразователя инициирует в зонде ультразвуковой импульс в
тот момент, когда пятно электронного луча начинает движение
по экрану электронно-лучевой трубки. Когда используется зонд с
одним кристаллом, импульс электрического напряжения, подава-
емый передатчиком на зонд, также подается на принимающий мо-
дуль, усиливается и выводится на экран, как показано на рис. 7.19,
где буквой а обозначен эхо-сигнал переданного импульса (началь-
ный, главный импульс).
Пятно электронного луча продолжает двигаться по экрану
CRT по мере движения ультразвука от зонда через образец. Когда
ультразвук достигает отражающей поверхности 6, часть его от-
ражается и через зонд и принимающий модуль показания b ре-
гистрируются на экране CRT. Другая часть, которая достигает
дальней поверхности с тестируемого образца, тоже отражается и
проецируется на экране CRT как с. Изображения, соответствую-
щие эхо-сигналу от отражающей поверхности b и эхо-сигналу с
от дальней поверхности или задней стенки, называются эхо-сиг-
налом от дефекта и эхо-сигналом от задней поверхности или дон-
ным эхо-сигналом соответственно.
Если в роли образца выступает стальная пластина толщиной
25 мм, вышеописанная операция займет около 8 миллионных до-
лей секунды (8 микросекунд). Следовательно, частота повторения
310
Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
импульса PRF должна быть достаточно высокой, чтобы сделать
картину яркой и видимой человеческому глазу. С другой стороны,
для образца толщиной 500 мм время всей операции составляет
около 160 микросекунд. Если в данном случае используется вы-
сокая частота повторения, возникнет путаница, потому что зонд
будет посылать второй ультразвуковой импульс до того, как будет
принят первый импульс. В большинстве инструментов в зави-
симости от толщины тестируемого образца PRF может варьиро-
ваться от 50 до 1250 импульсов в секунду (PPS). В современных
инструментах это осуществляется автоматически посредством на-
стройки контроля диапазона тестирования.
В раздельно-совмещенных и поперечно-волновых зондах пье-
зоэлектрические преобразующие элементы оснащены люцито-
выми блоками задержки. Ультразвуковые волны некоторое время
движутся в блоке задержки, прежде чем попадут в тестируемый
образец. Контроль запаздывания используется для того, чтобы
остановить пятно электронного луча, которое проходит расстоя-
ние, пропорциональное времени прохождения в люцитовом бло-
ке задержки. Кроме того, блок заставляет генератор временной
развертки подождать в течение некоторого времени, пока ультра-
звук проходит через люцит, и только после этого пятно начинает
свой путь из нулевого положения.
7.6.2. Различные виды сканеров
Ультразвуковые эхо-сигналы с помощью электронных средств
преобразуются в визуальное представление на экране CRT или
в других записывающих устройствах. Существуют три основных
способа представления, которые называются ^-сканирование,
^-сканирование, С-сканирование. Различные методы сканирова-
ния рассмотрены ниже.
(I) ^-сканирование
Наиболее распространенным способом представления яв-
ляется Л-сканирование. В этом способе горизонтальная линия
на экране служит для обозначения времени работы системы,
а вертикальное отклонение показывает амплитуду эхо-сиг-
нала. По местоположению и амплитуде эхо-сигнала на экране
можно определить глубину дефекта в материале и оценить раз-
мер дефекта. Типичная система Л-сканирования показана на
рис. 7.23.
Дефектоскоп
Рис. 7.23. Блок-схема получения изображения с помощью
Л-сканирования
(II) ^-сканирование
^-сканирование дает вид тестируемого образца в разрезе,
показывает ширину и глубину залегания дефекта в тестируе-
мом материале. На экран выводятся отражения от передней и
задней поверхностей материала и от дефекта. Типичная система
^-сканирования показана на рис. 7.24. Ее отличия от системы
Л-сканирования заключаются в следующем:
1) Изображение генерируется на экране CRT, покрытом лю-
минофором с длительным послесвечением. Данное свойство эк-
рана CRT позволяет просматривать воображаемое поперечное
сечение как целое, что дает возможность не прибегать к непре-
рывному формированию изображений.
2) Поступление данных на CRT для одной из осей координат
обеспечивается электромеханическим устройством, которое ге-
нерирует электрическое напряжение, пропорциональное место-
положению преобразователя относительно контрольной точки
на поверхности тестируемого образца. Большинство 5-скани-
руемых изображений генерируются следующим образом: зонд
сканирует поверхность тестируемого изделия по прямой линии,
двигаясь с постоянной скоростью. Одна из осей экрана, как пра-
312 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
вило, горизонтальная, представляет расстояние, пройденное по
этой линии.
3) Эхо-сигналы обозначаются яркими точками на экране, а не
отклонениями временной линии. Положение яркого пятна вдоль
оси, ортогональной оси местоположения зонда, как правило, из-
меряется сверху вниз и показывает глубину, с которой приходит
эхо-сигнал в тестируемом образце.
4) Чтобы эхо-сигналы записывались как яркие точки, интен-
сивность эхо-сигнала с выхода усилителя связана с контролем
яркости CRT. В некоторых системах яркость, связанная с различ-
ными значениями интенсивности эхо-сигналов, может оказаться
достаточно контрастной, что позволяет получить полуколичест-
венную оценку этой интенсивности, которую можно соотнести с
размером и формой дефектов.
Рис. 7.24. Блок-схема получения изображения с помощью
В- сканирования
Главным достоинством В- сканирования является возмож-
ность получать на экране поперечный разрез тестируемого образ-
ца и дефектов в нем. Поскольку изображение сохраняется в тече-
ние времени, достаточного для того, чтобы полностью оценить
образец, можно не фотографировать картину на экране CRT для
получения постоянной записи.
Дефектоскоп 313
Недостатки ^-сканирования заключаются в следующем:
1) Области за отражающей поверхностью находятся в тени,
поэтому получить их изображение не представляется возмож-
ным.
2) Ширина дефекта в направлении, перпендикулярном уль-
тразвуковому лучу и направлению движения зонда, не регистри-
руется, кроме тех случаев, когда она влияет на эхо-сигнал, уси-
ливая или ослабляя его интенсивность, и тем самым изменяет
яркость изображения.
3) Вследствие ограниченности ширины луча и эффекта ди-
вергенции дефекты вблизи задней поверхности образца кажутся
больше, чем дефекты вблизи передней поверхности.
4) Системы 5-сканирования более распространены в медици-
не, хотя их можно использовать в промышленности для быстрого
просмотра образцов и отбора конкретных деталей.
(III) С-сканирование
С-сканирующее оборудование обеспечивает постоянную за-
пись результатов тестирования в высокоскоростном автомати-
ческом режиме. Картина С-сканирования показывает дефекты
в горизонтальной проекции, но не дает информации о глубине
или ориентации. Система С-сканирования показана на рис. 7.25.
Хотя для С-сканирования в принципе можно использовать ос-
циллоскоп с длительным послесвечением, на практике предпоч-
тение отдается регистрации картины с помощью других средств.
Как правило, применяется какое-нибудь электромеханическое
записывающее устройство, которое осуществляет постоянную
запись.
Для проведения С-сканирования ультразвуковой тестиру-
ющий модуль должен быть оснащен электронным селектором,
который помогает принимать эхо-сигналы через заданный про-
межуток времени после исходного передаваемого импульса.
Промежуток времени выбирается пропорционально расстоя-
нию от верха до низа в обследуемом срезе тестируемого образца,
а продолжительность размыкания селектора пропорциональна
толщине обследуемого среза. Как правило, селектор глубины на-
строен таким образом, что отражения от передней и задней по-
верхностей едва видны на экране. Недостаток С-сканирования
заключается в том, что оно не дает информации о глубине и на-
правлении дефектов.
314 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Рис. 7.25. Блок-схема устройства для С-сканирования
7.7. Калибровка системы тестирования
Калибровка дефектоскопа выполняется с целью избежать неяс-
ностей во время тестирования. Чтобы произвести калибровку де-
фектоскопа, требуются контрольные блоки и стандартные преоб-
разователи. Для тестирования применяются блоки, содержащие
зазубрины, щели или просверленные отверстия, которые исполь-
зуются для того, чтобы:
1) определять рабочие характеристики дефектоскопа и зондов;
2) определять воспроизводимые условия тестирования;
3) сравнивать амплитуду или местоположение эхо-сигнала от
дефекта в тестируемом образце с характеристиками эхо-сигнала
от искусственного дефекта в контрольном блоке.
Блоки, используемые для первых двух целей, называются ка-
либровочными, в то время как блоки, применяемые для третьей
цели, называются контрольными. Один и тот же тестовый блок
Калибровка системы тестирования 315
можно использовать как для калибровки, так и для контроля.
Тестовые блоки, измерения на которых были стандартизованы и
отнесены к одной из групп, например контрольные блоки IIW,
ASTMmAWS, имеют отношение к стандартам тестирования мате-
риалов и называются стандартными тестовыми блоками.
7.7.1. Наиболее распространенные калибровочные
блоки
Наиболее распространенными калибровочными блоками явля-
ются:
(I) IIW (VI) калибровочный блок и (II) DIN 54122 (V2) блок.
Обсудим их более подробно.
Люцит
(I) IIW(Vl) блок
Самым универсальным калибровочным блоком является блок,
описанный Международным институтом сварки (IIW) и предло-
316 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
женный Международной организацией по стандартам (ISO). Блок,
называемый ЛЖили VI, изображен на рис. 7.26. Обычно этот блок
используется для (а) калибровки временной развертки, (Ь) опреде-
ления точки выхода луча, (с) определения угла зондирования и (d)
проверки рабочих характеристик (линейность временной разверт-
ки, разрешение, мертвая зона и т.д.) ультразвукового дефектоскопа.
(а) Калибровка временной развертки
Тестовые блоки калибруются с помощью прямых или наклон-
ных зондов.
Применение прямых зондов
В режиме временной развертки при калибровке диапазона, не
превышающего 250 мм, прямой зонд помещается в положение С,
как показано на рис. 7.27. В результате получают множественные
эхо-сигналы, которые распределяются по соответствующим де-
лениям шкалы CRT с помощью контроля запаздывания и тонкой
регулировки диапазона тестирования материалов.
Рис. 7.27. Калибровка временной развертки — 250 мм
Изображение на экране CRT для 100-миллиметровой калиб-
ровки (положение В) показано на рис. 7.28. Точки, где эхо-сиг-
налы поднимаются над базовой линией, были распределены по
соответствующим делениям временной развертки, чтобы пред-
ставить ее калибровку.
Калибровка системы тестирования
317
Рис. 7.28. Экран CRT— 100 мм
При калибровке временной развертки с помощью прямого
зонда в диапазоне свыше 250 мм зонд помещают в положение
А или В, как показано на рис. 7.27. В результате получают мно-
жественные эхо-сигналы, которые распределяют по соответс-
твующим делениям шкалы. Рис. 7.29 иллюстрирует экран CRT
для метрового диапазона измерений.
Для калибровки временной развертки используются множес-
твенные эхо-сигналы, потому что расстояние между переданным
импульсом и первым эхо-сигналом от задней поверхности
318 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
несколько превышает расстояние между двумя последовательны-
ми множественными эхо-сигналами. Эту исходную погрешность
вызывает прохождение ультразвука в преобразователе, протекто-
ре зонда (если таковой есть) и слое связующей среды, прежде чем
произойдет его проникновение в образец.
Применение наклонных зоццов
Для диапазона более 200 мм самым простым методом явля-
ется получение множественных эхо-сигналов, отраженных от
100-миллиметрового сектора, при помещении зонда в положение
Е, как показано на рис. 7.30а. Экран CRT для 200-миллиметрово-
го диапазона представлен на рис. 7.30b.
Рис. 7.30. Калибровка временной развертки — наклонный луч
(Ь) Определение точки выхода луча
Зонд помещается в положение L на калибровочном блоке, как
показано на рис. 7.31. При этом получают эхо-сигнал от задней
поверхности 100-миллиметрового сектора. Максимальную ам-
плитуду эхо-сигнала определяют при перемещении зонда туда и
обратно относительно положения L. Когда на экране CRT полу-
чают максимальную амплитуду, точка, которая совпадает с поло-
жением О на блоке, принимается за точку выхода луча.
Рис. 7.31. Определение точки выхода луча
Калибровка системы тестирования
319
(с) Определение и проверка угла зондирования
Зонд перемещают в соответствии с величиной угла туда и
обратно: в положение а (35—60°) или Ь (60—75°), или с (75—80°),
как показано на рис. 7.32. Зонд двигают в разные стороны, что-
бы получить максимальную амплитуду на экране CRT. В этом
положении зонда зарегистрированный угол, метка которого сов-
падает с точкой выхода луча, принимается за угол зондирования.
Максимальное отклонение от этого угла, связанное с конкретным
углом, следует сравнивать с системой правил, принятых для дан-
Рис. 7.32. Определение и проверка угла зондирования
(II) Блок DIN 54122 (V2)
Самая последняя версия данного блока показана на рис. 7.33.
Этот блок особенно подходит для калибровки временной развер-
тки для прямых и наклонных зондов малого диаметра. Используя
блок, можно определить точку выхода луча и угол. Достоинство
блока состоит в том, что его можно использовать непосредствен-
но на месте. Применение описано далее.
320 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Калибровка временной развертки для диапазона, не превышаю-
щего 100 мм
Зонд помещается на блок, как показано на рис. 7.34а. При
этом образуются множественные эхо-сигналы от задней поверх-
ности.
Рис. 7.33. Тестовый блок V2, соответствующий DIN 54122
Положение этих эхо-сигналов регулируется с помощью кон-
троля диапазона тестирования и контроля запаздывания. Экран
CRT для калибровки 100-миллиметрового диапазона показан на
рис. 7.34b.
(а) Положение зонда на блоке
Рис. 7.34. Калибровка временной развертки — прямой луч
Калибровка временной развертки для различных диапазонов вре-
менной шкалы с помощью наклонного зонда
Калибровку временной развертки для различных диапазонов,
не превышающих 250 мм, можно осуществить одним из двух ме-
тодов, в которых зонд передвигается в разные стороны до тех пор,
пока не получится максимальный эхо-сигнал.
Когда зонд установлен на квадранте 25 мм (рис. 7.35а), на эк-
ране будут показаны эхо-сигналы с длиной траектории луча 25,
Калибровка системы тестирования
321
100, 175 мм, то есть при последовательном возрастании на 75 мм.
Таким образом, временная шкала будет откалибрована соответс-
твующим образом. К примеру, если первый эхо-сигнал будет ус-
тановлен в точке 2,5, а второй — в точке 10, временная шкала бу-
дет откалибрована до 100 мм (рис. 7.35b).
Во втором методе зонд находится в контакте с 50-миллимет-
ровым сектором (рис. 7.36а). Длина траектории луча эхо-сигна-
ла составляет 50, 125, 200 мм и т.д., то есть интервал равен 75 мм.
Следовательно, если мы установим три эхо-сигнала в точках 2,5,
6,2 и 10, временная шкала будет откалибрована и настроена на
диапазон 200 мм.
Рис. 7.35. Калибровка временной развертки — наклонный луч
(первый метод)
Калибровка временной развертки для 50 мм
В данном методе эхо-сигнал от 50-миллиметрового секто-
ра устанавливается в точке 10 с помощью контроля развертки и
диапазона. После этого зонд поворачивают так, чтобы получить
эхо-сигнал от 25-миллиметрового сектора. С помощью контроля
запаздывания эхо-сигнал устанавливается в точку 5. Зонд снова
перестраивается на 50-миллиметровый сектор, чтобы проверить,
появится ли эхо-сигнал в точке 10. Если есть какое-то отклоне-
ние, применяется контроль развертки и диапазона, чтобы на-
строить эхо-сигнал на точку 10. Данная процедура повторяется до
тех пор, пока эхо-сигнал не появится в точке 5 при использова-
нии 25-миллиметрового сектора и в точке 10 при использовании
50-миллиметрового сектора.
322 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Рис. 7.36. Калибровка временной развертки — наклонный луч
(второй метод)
Определение точки выхода луча
Зонд помещают в направлении 25-миллиметрового или
50-миллиметрового сектора, чтобы получить соответствующие
эхо-сигналы на экране CRT, Затем его перемещают с целью мак-
симизации эха. Когда амплитуда эхо-сигнала принимает макси-
мальное значение, определяют точку выхода луча путем продле-
ния центральной отметки миллиметровой шкалы блока до зонда.
Определение угла зондирования
Чтобы определить действительный угол зондирования, ис-
пользуется блок с отверстием диаметром 5 мм. Точка выхода луча
устанавливается напротив соответствующего угла зондирования,
вписанного в блок, когда луч направлен в сторону отверстия (рис.
7.36а). Зонд передвигают туда и обратно до тех пор, пока эхо-сиг-
нал не примет максимальное значение. После этого производит-
ся оценка угла зондирования, которую осуществляют, отметив
положение точки выхода луча относительно углов, вписанных в
блок.
7.7,2. Проверка характеристик дефектоскопа
При калибровке дефектоскопа нужно обращать внимение на сле-
дующие важные пункты:
(I) линейность временной развертки;
(II) линейность усилителя;
(III) разрешение дефектоскопа;
(IV) оценка мертвой зоны;
(V) максимальная проникающая способность.
Калибровка системы тестирования 323
(I) Линейность временной развертки
Для измерения линейности временной развертки можно ис-
пользовать IIW, DIN54122 или любой другой блок из похожего
материала, выступающий в качестве тестового образца. Выбор
толщины определяется требованием, которое заключается в том,
что продольно-волновой зонд, помещаемый на блок, должен
произвести несколько эхо-сигналов (обычно четыре-пять) от
задней поверхности в пределах выбранного диапазона. Для про-
верки линейности два эхо-сигнала (скажем, первый и четвертый
из последовательности пяти эхо-сигналов) нужно совместить с
соответствующими делениями шкалы. После этого записывается
положение каждого из оставшихся эхо-сигналов и отмечается на
графике так, как показано на рис. 7.37. Максимальный допуск для
выбранного диапазона составляет 1%. Нелинейность временной
развертки редко создает проблемы. Как бы то ни было, наиболее
распространенным случаем явной нелинейности является плохая
калибровка нулевого уровня временной развертки, выполненная
оператором.
Предсказанное положение эхо-сигнала
Рис. 7.37. Предсказанное положение эхо-сигнала по сравнению
с реальным
При оценке линейности временной развертки следует пом-
нить об одной важной мере предосторожности, которая состоит
в том, что показания временной развертки должны считываться
после приведения каждого сигнала к общей амплитуде. Как пра-
324 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
вило, эта амплитуда составляет около половины высоты экрана.
Если же эта мера не будет выполнена, эхо-сигналы начнут появ-
ляться в разных точках, что приведет к ошибке калибровки вре-
менной развертки.
(II) Линейность усилителя
Далее описана процедура, которая позволяет определить,
действительно ли усилитель дефектоскопа усиливает маленький
сигнал в той же пропорции, что и большой, то есть является ли
усилитель линейным или нет. Временная развертка дефекто-
скопа калибруется для диапазона 250 мм. После этого получают
десять эхо-сигналов от стенки блока толщиной 25 мм. Амплиту-
ду и-го эхо-сигнала (который, как правило, находится за преде-
лами области ближнего поля) на экране CRT устанавливают
равной определенной величине (обычно 4/5 высоты экрана).
Регистрируются амплитуды последующих эхо-сигналов (и+1,
и+2, и+3). Затем амплитуду «-го эхо-сигнала уменьшают вдвое
по сравнению с ее исходной величиной, после чего записывают
уменьшенные значения амплитуд последующих эхо-сигналов.
Если они тоже уменьшились в два раза, то усилитель является
линейным. Отклонение от линейности для любого эхо-сигнала
можно выразить в виде относительного отклонения (в процен-
тах):
л Начальная амплитуда эхо-сигнала - Амплитуда, уменьшенная вдвое . ппс/
Отклонение=--------Начальная амплитуда эхо-сигнала------х100%‘
(7.12)
Отклонение от линейности как функция амплитуды показано
на рис. 7.38. Полученная кривая действительна только для опре-
деленных установок частоты, энергии импульса, диапазона вре-
менной развертки и для регулировки усиления, использованной
в режиме проверки.
Другим простым методом проверки линейности усилителя
является калибровка временной развертки для заданного диапа-
зона и установка эхо-сигнала в середине временной развертки.
Настраивается нужная высота амплитуды эхо-сигнала, и отме-
чаются показания аттенюатора. Затем установки аттенюатора
последовательно уменьшаются на 6 дБ четыре или пять раз. Если
каждый раз полученная величина становится вдвое меньше пре-
дыдущей, усилитель считается линейным.
Калибровка системы тестирования
325
Рисунок 7.38. График «положение временной развертки — отклонение
от линейности»
(III) Разрешение дефектоскопа
Блок IIW VI используется для определения разрешения де-
фектоскопа, в котором применяется прямой зонд. В этом блоке
есть три целевых рефлектора для диапазонов 85,91 и 100 мм, соот-
ветственно. Зонд помещается на блок, как показано на рис. 7.39.
Далее получают эхо-сигналы от трех рефлекторов. Разделение
эхо-сигналов друг от друга показывает степень разрешения де-
фектоскопа для данного зонда. Рис. 7.39b и 7.39с показывают сте-
пень разрешения дефектоскопов при использовании двух разных
прямых зондов. По рис. 7.39b понятно, что преобразователь, ис-
пользуемый в этом тестировании, дает лучшее разрешение.
Рис. 7.39. Разрешающая способность дефектоскопа — прямые зонды
(IV) Оценка мертвой зоны
Одним из способов определения мертвой зоны является
использование специального блока, который изображен на
рис. 7.40. За глубину мертвой зоны принимается величина, при
которой эхо-сигнал, отраженный от отверстия, можно четко отде-
326 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
лить от исходного импульса зонда при заданной рабочей чувс-
твительности. Этот тестовый блок помогает оценить мертвую зону
как для прямых, так и для наклонных зондов.
Для прямых зондов также применим другой метод определе-
ния мертвой зоны. В данном методе временная развертка калибру-
ется при известной толщине тестируемого материала (например,
50-миллиметровая сталь). Регулировка усиления настраивается на
нужный уровень рабочей чувствительности. Зонд помещается на
лист толщиной 0,5—1 мм, чтобы произвести последовательность
множественных эхо-сигналов. Если мертвая зона имеет большую
длину, изображение переданного импульса будет выглядеть так,
как показано на рис. 7.41.
Точка
передачи
Переданный
импульс
Мертвая зона
Рис. 7.41. Оценка мертвой зоны — прямой зонд
Калибровка системы тестирования
327
Для наклонных зондов временная развертка калибруется в со-
ответствии с наиболее удобным диапазоном, что зависит от типа
тестируемого объекта. Регулировка усиления настраивается на
рабочую чувствительность. На экране отмечается присутствие
любых шумов, образующихся от подложки кристалла и колодки
зонда. В этих условиях измеряется мертвая зона. На рис. 7.42 по-
казан выявленный участок мертвой зоны.
Рис. 7.42. Оценка точки передачи и мертвой зоны — поперечно-
волновой наклонный зонд
(V) Максимальная проникающая способность
Этот термин Британского стандарта (BS 4331) описывает про-
верку, в ходе которой сравнивается энергия, вырабатываемая
комбинацией конкретного инструмента и зонда, с предыдущими
рабочими характеристиками или аналогичным оборудованием.
Проверка осуществляется следующим образом: продольно-волно-
вой зонд помещается в пластиковую втулку блока IIW(рис. 7.43),
а усиление инструментов настроено на максимум. Отмечается
число множественных эхо-сигналов и амплитуда последнего эхо-
сигнала, что используется в оценке максимальной проникающей
способности инструмента и зонда.
7.7.3. Корректирующие кривые «расстояние —
амплитуда»
Эти характеристические кривые используются для выявления и
определения размеров дефектов. Природа кривых зависит от мате-
риала, в котором производится оценка дефекта, а также от харак-
328 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Рис. 7.43. Максимальная проникающая способность
теристики инструментария. Корректирующие кривые «расстояние —
амплитуда» (DAC) получают с помощью контрольного блока. При
использовании наклонного зонда берется блок с просверленными
сбоку отверстиями. А в случае прямого зонда применяется серия
блоков, имеющих отверстия с плоским основанием. Система ASME
(Американское сообщество инженеров-механиков) рекомендует
данный метод для предварительной настройки чувствительности.
Далее описывается процедура нахождения кривых DAC для
наклонного зонда (рис. 7.44а). Сначала устанавливается первона-
чальный ориентир посредством регулировки сигнала от просвер-
ленной контрольной мишени. Нужно быть очень осторожным
при сканировании участка траектории луча до области дальнего
поля, то есть следует руководствоваться техническими нормати-
вами ASME. Как бы то ни было, эта область должна быть не ме-
нее 3/8 ширины мертвой зоны, по крайней мере не менее 50 мм.
Пиковая амплитуда эхо-сигнала устанавливается равной 75% вы-
соты экрана CR Т. Зонд находится в положении 1, как показано на
рис. 7.44а, а картина, появляющаяся на экране, проиллюстриро-
вана рисунком 7.44b. После этого зонд перемещают в различные
положения (положения 2, 3 и 4 на рис. 7.44а), и для каждого из
Применение дефектоскопов 329
них на экране CRT отмечаются амплитуды сигнала. Соединив все
эти точки, получаем кривую, которая называется кривой DAC. Эта
линия представляет контрольный уровень для различных глубин
образца. Можно также нарисовать линии, составляющие 50 или
20% от этого контрольного уровня.
(а) Положение преобразователя
(Ь) Экран CRT
Рис. 7.44. Корректирующие кривые «расстояние — амплитуда»
7.8. Применение дефектоскопов
Ультразвуковые дефектоскопы широко применяются в тести-
ровании материалов и компонентов оборудования. Далее будут
вкратце рассмотрены наиболее интересные способы применения
дефектоскопов:
(I) Измерение толщины и выявление расслоений.
(II) Обследование сварных швов.
(III) Обследование мест ковки.
(IV) Обследование отливок.
330 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
7.8 .1. Измерение толщины и выявление расслоений
с помощью прямых зондов
(I) Измерение толщины
Когда прямой зонд помещают на пластину, которая служит в ка-
честве тестируемого образца, экран CRT показывает переданный
импульс и один или несколько эхо-сигналов. Расстояние между
двумя последовательными эхо-сигналами от задней поверхности
связано с толщиной тестируемого образца. Следовательно, отка-
либровав экран CRT в миллиметрах с помощью калибровочного
блока, можно непосредственно считывать толщину неизвестного
тестируемого образца.
Толщину тестируемого образца получают либо с помощью
одного эхо-сигнала, либо для повышения точности с помощью
множественных эхо-сигналов. В первом случае толщина образ-
ца определяется по точке возвышения левостороннего края пер-
вого эхо-сигнала относительно базовой линии. Аналогично при
использовании второго метода считывается толщина, соответс-
твующая последнему из множества эхо-сигналов, и после этого
определяют толщину образца, разделив полученную толщину на
общее число эхо-сигналов от задней поверхности. Метод множес-
твенных отражений используется для тонких образцов.
Ограниченность техники множественных эхо-сигналов про-
является в слиянии первого эхо-сигнала с переданным импульсом
и, следовательно, при определении общего числа эхо-сигналов
возникают некоторые трудности. Если у зондов хорошее разреше-
ние, то минимальная толщина стенки, которую можно измерить с
помощью множественных эхо-сигналов, составляет порядка 3 мм.
Для замеров маленькой толщины используются высокочастотные
ГК-зонды. С помощью TU-зондов можно измерять стенки толщи-
ной вплоть до 1 мм. Хотя конструкция ГК-зонда подразумевает
сверхвысокое разрешение вблизи поверхности, необходима специ-
альная процедура калибровки, которая позволит осуществлять точ-
ные замеры толщины. Специальным калибровочным блоком для
ГК-зондов является контрольный блок VW, в котором имеется 8
или 10 ступеней высотой от 1 до 8 мм или от 1 до 10 мм (рис. 7.45).
Рис. 7.45. Измерение толщины — контрольный блок VW
Применение дефектоскопов
Чтобы произвести калибровку экрана CRTдля измерения тол-
щины, выбираются две ступени блока VW в нужном диапазоне.
Сначала зонд соединяют с более тонкой ступенью и с помощью
контроля запаздывания приводят эхо-сигнал от задней поверх-
ности к соответствующему положению шкалы. После этого зонд
соединяют со второй, более толстой ступенью и с помощью кон-
троля тестируемого диапазона также приводят эхо-сигнал от зад-
ней поверхности к соответствующему положению шкалы. Эти два
шага регулировки повторяют до тех пор, пока оба эхо-сигнала не
окажутся на правильных позициях шкалы. К примеру, если нуж-
но протестировать толщину от 4 до 8 мм, экран будет выглядеть
так, как показано на рис. 7.46 и 7.47.
Рис. 7.46. Экран CRT — полоска толщиной 4 мм
Зонды TR или SE рекомендуются для измерения толщины по-
рядка 1 мм, а расчеты производятся по вышеописанному алгорит-
му. Ошибка в измерении толщины, связанная с V-образной формой
ультразвукового луча (рис. 7.48), становится ничтожно малой, если
толщина тестируемых образцов находится в промежутке между тол-
щинами двух ступенек, используемых для калибровки экрана CRT,
и если различия в толщине обеих ступенек не слишком велики.
Корректировка скорости
Если калибровочный блок используется для калибровки вре-
менной развертки при тестировании различных материалов, отлич-
ных от материала образца, то измеренную толщину образца необ-
---Преобразователь
8 мм
Образец
Рис. 7.47. Экран CRT — полоска толщиной 8 мм
Образец
Рис. 7.48. Корректировка траектории луча — измерение толщины
ходимо скорректировать с учетом различий в скорости ультразвука
в калибровочном блоке и образце.
Корректировка осуществляется следующим образом:
Толщина образца = Номинальная толщина х
Скорость продольной волны в образце
Скорость продольной волны в калибровочном блоке
(7.13)
Применение дефектоскопов
333
(II) Проверка на наличие расслоений
(а) Стандартная процедура
Стандартная процедура, используемая для обследования рас-
слоений в сварных или подвергнутых механической обработке
пластинах и трубах, описана ниже:
1) калибровка временной развертки и выявление, как мини-
мум, двух эхо-сигналов от задней поверхности;
2) установка зонда на тестируемый образец и регулировка уси-
ления таким образом, чтобы второй эхо-сигнал занимал всю вы-
соту экрана.
После этого производится сканирование тестируемого образ-
ца с целью поиска признаков расслоения, которые проявляются
на меньшей глубине одновременно с уменьшением амплитуды
эхо-сигнала от задней поверхности.
(Ь) Техника множественных эхо-сигналов
Тестирование пластины или трубы с толщиной стенок менее
10 мм на наличие расслоений может оказаться достаточно пробле-
матичным, если применять стандартную процедуру. Это связано
с тем, что множественные эхо-сигналы слишком близки друг к
другу, поэтому среди всех эхо-сигналов практически невозможно
обнаружить эхо-сигнал от расслоения. В таких случаях можно вос-
пользоваться методом, называемым техникой множественных эхо-
сигналов, в котором применяется совмещенный преобразователь.
Процедура такова:
1) зонд помещается на участок тестируемого образца, где нет
расслоений, или на калибровочный блок;
2) временная развертка и регулировка усиления настраивают-
ся таким образом, чтобы получить большое число множественных
эхо-сигналов в картине затухания на первой половине временной
развертки (рис. 7.49);
3) осуществляется сканирование тестируемого образца. На на-
личие расслоений будет указывать нарушение картины затухания,
что иллюстрирует рис. 7.50. Нарушение имеет место по той при-
чине, что при наличии расслоения множественные эхо-сигналы
находятся ближе друг к другу.
(III) Паяные соединения
Если толщина стенки позволяет четко разделить эхо-сигна-
лы от задней поверхности, можно исследовать паяные соедине-
ния с помощью стандартной процедуры. Но поскольку припой,
334
Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
разделяющий две спаянные стенки, имеет импеданс, отличный
от импеданса стенок, то в хорошей спайке будет присутствовать
незначительная интерференция эхо-сигналов. Техника требует
пристального слежения за увеличением амплитуды эхо-сигнала
на стыке областей (рис. 7.51).
Рис. 7.49. Множественные эхо-сигналы на экране CRT
Рис. 7.50. Картина затухания на экране CRT
Время Время
(а) Техника (Ь) Хорошая спайка (с) Плохая спайка
Рис. 7.51. Тестирование паяных соединений
Применение дефектоскопов
335
Если расстояние между двумя спаянными стенками слишком
мало, чтобы получить четкие эхо-сигналы от задней поверхности,
можно использовать множественные эхо-сигналы, как в выше-
описанном методе тестирования на наличие расслоений.
(IV) Стыковые соединения
К стыковым относятся клеевые соединения металлов с метал-
лами, металлов с неметаллами (например, соединения блоков ре-
зины со стальными пластинами). Для них используется техника
множественных эхо-сигналов. Каждый раз, когда импульс дости-
гает места соединения, часть энергии передается присоединен-
ному слою и поглощается. Когда же импульс достигает места, где
соединение материалов не произошло, отражается вся энергия.
(а) Техника
(Ь) Экран CRT (хорошая связь)
(а) Техника
Рис. 7.52. Тестирование стыковых соединений
(Ь) Экран CRT (плохая связь)
Рис. 7.53. Тестирование стыковых соединений
336 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Картина затухания множественных эхо-сигналов для хорошей
связи будет короче, что обусловлено большими потерями, сопро-
вождающими переход каждого эхо-сигнала в присоединенный ма-
териал (рис. 7.52). Однако в случае отсутствия соединения каждый
множественный эхо-сигнал будет заметно больше, что связано с
отсутствием потерь на границе. Таким образом, картина затухания
будет намного длиннее, что показано на рис. 7.53.
7.8.2. Ультразвуковое обследование сварных
соединений с помощью наклонных зондов
Процесс соединения двух металлических деталей посредством
расплавления называется сваркой. В случае ручной дуговой сварки
металлическим электродом и сварки в среде инертного газа жид-
кий металл из сварочных прутков смешивается с расплавленным
основным металлом на подготовленных поверхностях и сплавля-
ет вместе две детали по мере остывания и затвердевания сварного
шва.
Существуют различные виды сварных соединений:
1) стыковой сварной шов;
2) тавровый или Т-образный сварной шов;
3) сопловой сварной шов.
Стыковое соединение осуществляется, когда две пластины или
трубы приблизительно одинаковой толщины соединяют с помо-
щью любой подготовки под сварку, примеры которой изображены
на рис. 7.54. Подготовка под сварку для типичного V-образного
сваривания представлена на рис. 7.55а, где также приводятся тер-
мины, используемые для описания различных деталей подготов-
ленной сварочной области. То же самое соединение только после
сварки показано на рис. 7.55b, который иллюстрирует предвари-
тельную подготовку и число действий, необходимых для осущест-
вления сварки.
Поддерживающее кольцо или полоска
ЕВ-вкладыш
Рис. 7.54. Различные конфигурации стыковых сварочных соединений
Применение дефектоскопов
Центральная ось сварки
Угол подготовки под сварку
(а) Подготовка
Верхушка сварного
упрочнения
Пунктирная линия
показывает проход
при сварке
Главная часть
сварного соедине
Наплавленный корень
сварного шва
(Ь) После сварки
Рис. 7.55. V-образное сварное соединение
Рис. 7.56. Т-образное сварное соединение (тавровый шов)
(а) Патрубок
(Ь) Подкос трубы
Рис. 7.57. Т-образное соединение
Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
(а) Сварка с полным проплавлением — область затвердевания
(Ь) Сварка с частичным проплавлением — область схватывания
Патрубок
Расточка
с) Сварка с полным проплавлением — сопло пропущено
через отверстие
Рис. 7.58. Виды подготовки под сопловое сварное соединение
Тавровый сварной шов (Т-образное сварное соединение) по-
лучают при соединении двух пластин под прямым углом. Тавровая
сварка может осуществляться при полном проплавлении сварива-
емого металла (рис. 7.56а) или частичном (рис. 7.56b). К сопловым
относятся соединения, в которых одна труба соединяется с дру-
гой как ее патрубок, под прямым или иным углом. Как и в случае
Т-образных соединений, проплавление может быть полным или
частичным, чтобы пропускать жидкости или газы внутрь и обрат-
но. Есть и второй способ, когда патрубок просто водружается на
трубу без отверстия, как подкос трубчатой структуры. Виды со-
Применение дефектоскопов
339
готовых соединений показаны на рис. 7.57а и 7.57b, где сплошной
линией обозначена стенка трубы.
На рис. 7.58 изображены некоторые типичные способы под-
готовки под сопловое сварное соединение. На схемах выделены
стенка главной трубы или сосуда (остов) и стенка патрубка (штырь
или сопло).
Если сварное соединение находится на одном уровне с ос-
новным материалом, возможно, понадобится осуществить трав-
ление области сварки, чтобы определить ширину соединения.
Центральная ось сварки должна быть четко отмечена на скани-
руемой поверхности. Для V-образного соединения, сварное уп-
рочнение которого находится на уровне основного металла, цен-
тральную ось сварки можно найти, отметив ее двумя или тремя
предположительными линиями (рис. 7.59).
Прямой зонд
Рис. 7.59. V-образное сварное соединение — определение местополо-
жения корня шва
(II) Визуальное обследование перед ультразвуковым тестиро-
ванием
Прежде чем приступить к тестированию, следует провести визу-
альную проверку, дабы убедиться в том, что на поверхности отсутс-
твуют выбросы металла из стыка и что поверхность достаточно глад-
кая для сканирования. Некоторые дефекты, такие как поднутрение,
могут проявиться на поверхности, поэтому во время визуального
обследования их, как правило, замечают. Если число этих дефектов
превышает стандарты приемки, их нужно ликвидировать, прежде
340 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
чем проводить ультразвуковое обследование. Однако это не всегда
возможно, поэтому во время ультразвукового тестирования необхо-
димо соблюдать некоторые специальные меры предосторожности.
Другими дефектами, которые следует высматривать во время
визуального обследования, являются неточное совмещение или
несоответствие (рис. 7.60). Эти дефекты не всегда негативно вли-
яют на приемлемость сварки, но могут помешать последующему
ультразвуковому обследованию.
Рис. 7.60. Неточное совмещение
Источником неточного совмещения часто является расшире-
ние верхушки сварного соединения, потому что сварщик пытает-
ся замаскировать эту оплошность с помощью основного металла
с какой-нибудь стороны. Следует обследовать основной металл
прямым зондом на наличие дефектов, таких как расслоение, ко-
торые могут помешать исследованию сварного соединения на-
клонным зондом, а также оценить толщину основного металла.
Обследованию, как правило, подвергается полоса, кото-
рая превышает полную ширину зоны молчания для наклонного
(обычно 70°) зонда. Рис. 7.61 иллюстрирует, что произойдет, если
в основном материале присутствует расслоение. Наличие рассло-
ения заставляет луч отражаться вверх, и это отражение может быть
ошибочно принято за нормальное отражение от наплавленного
корня сварного шва. По этой причине можно упустить из виду де-
фект неполного проплавления.
Настройка чувствительности в данном обследовании долж-
на осуществляться согласно соответствующим техническим тре-
бованиям или практическому руководству. При обследовании
основного металла используется совмещенный или раздельно-
совмещенный зонд, имеющий частоту от 2 до 6 МГц. В данном
Применение дефектоскопов
341
диапазоне предпочтительнее наибольшая частота, сопоставимая с
толщиной тестируемого образца.
Сигнал от корня
сварного шва
Неполное проплавление
Половина ширины зоны молчания
для траектории луча
Половина ширины зоны молчания
для траектории луча
Неполное проплавление
Половина ширины зоны молчания
для траектории луча
Рис. 7.61. Неполное проплавление — большое расслоение
I
(II I) Критическое обследование корня сварного шва
Следующим шагом является тщательное обследование корня
сварного шва. В этой области наплавленный валик сварного шва
производит отражения, если сварка хорошая. Однако при наличии
дефекта эхо-сигналы от него возникают очень близко к стандартно-
му сигналу, отраженному от наплавленного валика, то есть вероят-
ность допустить ошибку в этой области очень велика. Технические
подробности обследования корня приводятся на рис. 7.59.
(IV) Обследование центральной части сварного соединения
После обследования корня исследуется с помощью наклонно-
го луча центральная часть сварного шва.
(V) Обследование поперечных трещин
После обследования корня и центральной части сварного шва
следующий шаг заключается в выявлении поперечных трещин,
разрушающих верхнюю или нижнюю поверхности. Очевидно,
342 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
что быстрым и эффективным способом обнаружения трещин на
верхней поверхности (в ферромагнитных материалах) является
магнитопорошковая дефектоскопия. Поэтому ультразвуковое об-
следование часто проводится лишь для того, чтобы обнаружить
трещины на нижней поверхности. Если верхушка сварного со-
единения не выровнена, как показано на рис. 7.62, сканирование
осуществляется параллельно центральной оси сварки, а зонд на-
клоняют в сторону центра. Так как у трещины обычно неровные
края, часть энергии, по всей вероятности, отразится обратно к
преобразователю. Более надежным способом является использо-
вание сразу двух зондов, один из которых играет роль передатчи-
ка, а другой - приемника.
Центральная ось
сварного шва
Рис. 7.62. Исследование поперечной трещины
Если сварное соединение выровнено, то для того, чтобы полу-
чить картину сварки целиком, осуществляют сканирование вдоль
центральной оси, а также параллельно оси с одной из сторон во
всех направлениях.
(VI) Определение местоположения, размера и природы дефекта
Если в результате подобных исследований обнаруживают
какой-нибудь дефект, следующим шагом будет тщательное об-
следование с целью выявления таких характеристик:
1) Точное местоположение дефекта в сварном шве;
2) Тип дефекта;
3) Размер дефекта;
4) Природа и происхождение;
5) Направление и т.д.
Применение дефектоскопов
343
После тщательного обследования корня путем зондирова-
ния с одной из сторон относительно центральной линии сварки,
проводится второе сканирование аналогичным образом, только
с другой стороны, чтобы подтвердить результаты, полученные в
процессе первого сканирования. К тому же, второе сканирование
помогает интерпретировать две другие разновидности дефектов
в области корня. Первая разновидность показана на рис. 7.63. К
ней относятся маленькие шлаковые включения и газовые поры,
находящиеся прямо над корнем.
Рис. 7.63. Исследование дефектов в корне — два преобразователя
При сканировании 1 может показаться, что дефект находится
ближе половины ширины зоны молчания для траектории луча, в
результате чего возникает предположение о возможном поднут-
рении или усадочной деформации корня. Если это действитель-
но так, сканирование 2 обнаружит, что возможный дефект рас-
положен дальше критического интервала. Однако на самом деле
включение проявится примерно в том же месте, то есть снова
окажется ближе. Более того, ожидается, что эхо-сигнал от под-
нутрения станет максимальным при перемещении зонда обратно
в положение сканирования 1. Однако в ходе этого сканировании
эхо-сигнал от включения максимально увеличится при переме-
щении зонда вперед. Эхо-сигнал от включения станет макси-
мальным, когда зонд передвинут вперед в положение сканиро-
вания 2.
Вторая разновидность дефектов показана на рис. 7.64. Рис. ил-
люстрирует трещину, которая начинается с самого края наплав-
ного валика корня. Со стороны 1 возникает большой эхо-сигнал,
как раз там, где предположительно находится поднутрение. Кроме
того, с этой же стороны 1 появится сопровождающий эхо-сигнал
от наплавного валика. Как бы то ни было, со стороны 2 тоже мож-
но получить эхо-сигналы от наплавного валика и от дефекта.
Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Рис. 7.64. Выявление трещины в корне сварного шва
(VII ) Выбор угла зондирования
Как правило, выбирается угол зондирования, равный 45, 60
или 70° и редко равный 80°, что позволяет достигнуть наикратчай-
шей траектории до корня сварного шва. Выбор угла зондирования
ограничивается только состоянием верхушки сварки. Если основ-
ные металлы тонкие, возможно, не получится установить угол 45
или 60°, чтобы луч, пройдя половину пути, указывал на дефекты
корня и чтобы при этом нижняя часть зонда не наезжала на вер-
хушку сварного шва.
Если верхушка сварного шва выровнена относительно основ-
ного материала, можно использовать зонд с углом 45° при усло-
вии, что материал не настолько тонок, чтобы переданный импульс
перекрывал критическую длину траектории луча. Рекомендации
по сканированию корня сварного шва для пластин различной тол-
щины приводятся в табл. 7.4.
Табл. 7.4 Толщина пластины и угол зондирования
Толщина основного металла, мм Угол зондирования, градусы
6-15 60 или 70
15-35 60 или 45
свыше 35 45
Если для сканирования корня выбран зонд с углом 60°, то при
таком угле зондирования, когда волны сталкиваются с уголковым
отражателем, в качестве которого может выступать дефект непол-
ного проплавления, возникают сильно преобразованные про-
дольные волны.
Применение дефектоскопов 345
7.8.3. Ультразвуковое обследование ковки
(I) Дефекты ковки
Дефекты могут образоваться в процессе самой операции ковки.
Так, в результате недостаточно высокой температуры, предшест-
вующей ковке, возникают разрывы. Это означает, что ось литей-
ной формы или продукта-полуфабриката деформируется из-за
низкой пластичности материала и неспособности выдерживать
напряжение, вызванное деформацией. Как следствие, в материале
происходят разрывы. В процессе ковки также могут образоваться
впадины. Их вызывает сжатие поверхности металла над выступом
другого материала, прилегающего к поверхности, поскольку по-
верхность постоянно окисляется и поверхностный слой никогда
не проплавится полностью, чтобы образовать новую, прочную
поверхность.
Возникновение дефектов также имеет место на стадии тер-
мической обработки. Это могут быть волосные трещины (или
чешуйки) и внутренние расслоения, возникающие вследствие на-
пряжения при поперечном изгибе (clinks). Последние связаны с
напряжением, вызванным трансформацией и охлаждением и до-
статочным, для того чтобы разрушить сталь. Когда с материалом
проводится механическая работа, поверхностные дефекты могут
возникнуть в результате высоких скоростей обработки, высо-
ких скоростей загрузки или локального перегрева. Дефекты так-
же образуются в результате нагрузки на структуру. Это связано с
хрупкостью или усталостными трещинами, которые могут быст-
ро распространяться при высокочастотной нагрузке. Бывает, что
зарождающиеся трещины растут достаточно медленно во время
слабой циклической усталостной нагрузки и их можно обнару-
жить даже на самой ранней стадии их распространения.
Производственные дефекты в полуфабрикатах могут нахо-
диться либо внутри, либо на поверхности. Некоторые внутренние
дефекты вырастают из дефектов литья в центральной части, таких
как усадочные поры и включения, которые удлиняются при про-
катывании или протягивании.
К прочим относятся дефекты прокатывания и вытягивания,
например трещины в центральной части, радиальные зарождаю-
щиеся трещины на поверхности стержня или расслои, которые
проникают под поверхность под небольшим углом. Поскольку
большинство дефектов в стержнях, изготовленных путем растяги-
346
Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
вания заготовок, расширяются в продольном направлении, нуж-
но, чтобы ось звукового луча находилась в плоскости поперечно-
го сечения (рис. 7.65) либо перпендикулярно, либо под углом к
поверхности. Можно также использовать поверхностные волны в
периферическом направлении.
Рис. 7.65. Виды дефектов — круглая заготовка
(II) Тестирование кованых заготовок
Тестирование можно проводить даже в необработанных кова-
ных заготовках. Данный подход позволяет обнаруживать грубые
трещины, такие как усадочные раковины и разрывы, вызванные
дефектами ковки. Тем не менее тестирование кованых заготовок
во многих отношениях значительно проще, чем обследование от-
ливок. Во-первых, зерно в поковках более тонкое, чем в отливках.
Это приводит к низким показателям затухания волн и меньшему
шуму. Во-вторых, такие дефекты, как полости и включения в ис-
ходных заготовках, расплющиваются и удлиняются во время про-
цессов ковки/прокатывания или прессования и начинают лучше
отражать, когда расположены параллельно внешней поверхности.
Исключениями являются трещины, которые растут непараллель-
но сканируемой поверхности.
Для кованых деталей желательно использовать частоты от 4
до 6 МГц и иногда до 10 МГц. Нередко можно предсказать место-
положение дефектов в кованых деталях, которые эксплуатирова-
лись в течение какого-то периода времени. В крупных ковках нас
Применение дефектоскопов 347
интересуют такие дефекты, как трещины, возникшие вследствие
усталости и напряжения или образовавшиеся в процессе произ-
водства. Всегда стоит отыскивать всевозможные изъяны, прежде
чем деталь попадет в эксплуатацию, чтобы избежать распростра-
нения дефектов, вызывающих выход из строя.
(а) Тонкое зерно — достаточный эхо-сигнал
от задней поверхности
Рис. 7.66. Положение четкого эхо-сигнала от задней поверхности
Рис. 7.67. Неясная картина грубой поковки на экране CRT
348 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Грубая зерновая структура способствует сильному затуханию
и отчетливому рассеянию волны. Даже при использовании пря-
мого продольно-волнового зонда с частотой 1 МГц в толстых по-
ковках иногда невозможно получить хотя бы один эхо-сигнал от
задней поверхности (рис. 7.66). При тестировании кованых ком-
понентов в некоторых их необработанных частях можно получить
средний размер зерна до 3 мм. Когда тестирование проводится в
такой области, сложно решить, указывают ли признаки на зер-
новую структуру или на локальные неметаллические включения
(рис. 7.67).
(III) Тестирование поковок, прошедших механическую и терми-
ческую обработку
Проведение механических работ и обработки поверхности ко-
ваных деталей позволяет получить хороший акустический кон-
такт с зондом. Если деталь прошла термическую обработку (боль-
шей частью нормализацией ную), образуется мелкое зерно, а на
экране CRT получается отчетливая картина без помех (рис. 7.68).
Вышесказанное верно для ковок, состоящих из беспримесных и
сплавных ферритных сталей. Различные виды дефектов поковки
и их изображение на экране CRT показаны на рис. 7.69. В высо-
колегированных ферритных ковках при поиске небольших неод-
нородностей на экране наблюдаются признаки, указывающие на
типичную интерференцию (рис. 7.70). Тестирование аустенитной
нержавеющей стали — сложная задача, поэтому возможна только
качественная оценка дефектов.
Рис. 7.68. Четкая картина без помех на экране CRT
Применение дефектоскопов
349
Рис. 7.69. Различные виды дефектов в поковках и изображение
их эхо-сигналов на экране
(а) Отсутствие интерференции
(Ь) Признаки интерференции («трава») на экране
Рис. 7.70. Помехи в отожженных кованых ферритных заготовках
7.8.4. Ультразвуковое обследование литья
Литье — это столь же важный металлургический процесс, как и
ковка. При литье расплавленный металл наливают в форму, что-
бы получить компонент нужного вида. В зависимости от формы,
разливаемого жидкого металла и способа охлаждения (в боль-
шинстве случаев неравномерное) в отливках возникает несколько
видов дефектов. Для тестирующего важно понимать, как образу-
ются дефекты в отливках, прежде чем приступить к обследованию
литого компонента. Далее обсуждаются наиболее распространен-
ные дефекты, а также методы их обнаружения.
350 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Дефекты, вызванные усадкой материала
К таким дефектам относятся полости, которые образуются в
процессе затвердевания (переход из жидкого состояния в твер-
дое). Эти дефекты обычно не связаны с газом, однако высокое его
содержание неизбежно увеличивает их размеры. Дефекты усадки
имеют место в стальных отливках, где наблюдаются локализован-
ные изменения толщины среза. Они также могут возникнуть в
совмещенных сечениях, где проникновение подаваемого жидкого
металла затруднено. Типичные места образования полостей по-
казаны на рис. 7.71. Там, где имеется локализованное изменение
толщины среза, из-за неравномерности подачи расплавленного
металла происходит перегрев, который имеет следствием усадоч-
ные раковины. Остроугольные соединения (V-, X- или Y-типа)
создают больше проблем по сравнению с соединениями типа Т
или L. Дефекты усадки в стальных отливках можно обобщенно
классифицировать по трем категориям: макроусадка, волокнис-
тая усадка и микроусадка.
Ниже головки питателя Вблизи отверстия для литья или литника
Рис. 7.71. Типичное местоположение дефектов в V-, X- и Т-образных
отливках
Применение дефектоскопов
351
(1) Макроусадка
Макроусадка представляет собой крупную полость, образо-
вавшуюся в процессе затвердевания. Наиболее распространенной
разновидностью является усадочная раковина, которая возника-
ет вследствие неправильной подачи материала. В хорошей конс-
трукции формирование усадочных раковин ограничивает головка
питателя. В зависимости от толщины литой заготовки выбирается
тот или иной метод обнаружения дефектов.
Так, для срезов толщиной свыше 75 мм используется попе-
речно-волновой совмещенный зонд, в то время как для толщины
менее 75 мм целесообразно применять раздельно-совмещенный
зонд. О наличии дефекта свидетельствует полная потеря эхо-сиг-
нала от задней поверхности и появление нового эха, от дефекта.
Для подтверждения информации, полученной с помощью попе-
речно-волнового зонда, следует воспользоваться наклонным зон-
дом (рис. 7.72).
Время
Рис. 7.72. Тестирование макроусадки с помощью TR-n наклонных
зондов
(2) Волокнистая усадка
Это тоже крупная форма усадки, но она имеет меньшие фи-
зические размеры, чем макроусадочная раковина. Полости мо-
гут быть пространственными, разветвляющимися и связанными
между собой. Теоретически волокнистая усадка должна проис-
ходить вдоль центральной оси заготовки, но на практике это не
всегда так, и в некоторых случаях она распространяется в сто-
рону поверхности отливки. Расширение в сторону поверхности
может сопровождаться маленькими отверстиями или червото-
чинами. Если толщина сечения не превышает 75 мм, то волок-
нистую усадку можно обнаружить с помощью комбинированно-
го раздельно-совмещенного зонда. Эхо-сигналы от дефекта по
352 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
очертанию менее ровные, чем при макроусадке. Первоначальное
сканирование должно проводиться с помощью зонда большого
диаметра (23 мм), а окончательная оценка — с помощью зонда
меньшего диаметра (10—15 мм) (рис. 7.73).
Рис. 7.73. Волокнистая усадка
(а) Расположение
преобразователя и образца
Рис. 7.74. Тестирование микроусадки совмещенным зондом
(3) Микроусадка
Микроусадка представляет собой очень мелкую волокнистую
морфологию, связанную с усадкой или выделением газа во вре-
мя затвердевания. Полости образуются либо на границах зерен
(межкристаллическая усадка), либо между осями дендрита (меж-
дендритовая усадка). С помощью поперечно-волнового зонда на
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях 353
экране CRT получают изображение микроусадки, которая имеет
вид помех, то есть группу относительно малых неярко выражен-
ных эхо-сигналов, занимающих некоторую часть временной раз-
вертки (рис. 7.74b). К примеру, при использовании 4—5-мегагер-
цового зонда эхо-сигнала от задней поверхности может и не быть,
что связано с рассеянием луча. Это позволяет предположить на-
личие большого угловатого дефекта. Однако выбор 1—2-мегагер-
цового зонда может способствовать передаче через область де-
фекта. То есть к эхо-сигналу от дефекта прибавится эхо от задней
поверхности, что докажет ошибочность впечатления о большой
полости.
7.9. Достижения в ультразвуковых неразрушающих
испытаниях
Одним из существенных недостатков ультразвукового тестиро-
вания является зависимость от оператора при оценке размера и
характера дефекта. Операторы должны быть специалистами в
данной области и иметь высокую квалификацию. Не так давно
предпринимались попытки устранить этот недостаток с помощью
робототехники, механизации, программирования и обработки
данных для осуществления быстрой, достоверной и воспроизво-
димой оценки дефектов. Далее рассматриваются некоторые из
этих техник, в которых используется автоматизированное скани-
рование на базе ПК с механическим зондированием частей ком-
понентов, а также сложные компьютерные программы для обра-
ботки и представления данных.
7.9.1. Метод фокусирования с помощью
синтезированной апертуры
Метод фокусирования с помощью синтезированной апертуры
(SAFT) аналогичен акустической голографии, поскольку обе эти
техники фокусируют луч на поверхности объекта, чтобы воспро-
извести большой расходящийся пучок. В основе SAFTлежит идея
о том, что чем чаще луч сталкивается с неоднородностью, тем точ-
нее можно рассмотреть эту неоднородность. Сильно расходящий-
ся луч позволяет дольше рассматривать дефект. В данном методе
использование маленького преобразователя, который производит
сканирование на большой апертуре, создает эффект, будто бы
354 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
происходит фокусирование большим преобразователем. Когда
преобразователь расположен непосредственно над дефектом,
задержка времени при получении эхо-сигнала от дефекта мини-
мальна. При перемещении преобразователя в сторону от этого по-
ложения запаздывание увеличивается нелинейно. Кривая, опре-
деляемая отслеживанием пиковой амплитуды (в каждом элементе
апертуры) при движении преобразователя параллельно поверх-
ности, является функцией скорости звука в материале, геометрии
преобразователя и мишени.
Предыдущая линия
сдвига фазы
Рис. 7.75. Обработка данных, полученных Л-сканированием,
с помощью синтезированной апертуры
Первым шагом обработки с помощью синтезированной апер-
туры является выбор совокупности апертурных элементов, кото-
рые будут обрабатываться как блок, называемый синтезированной
апертурой (рис. 7.75). Сущность обработки SAFTсостоит во вве-
дении в геометрию системы тестирования временного сдвига для
каждого отдельно взятого апертурного элемента, то есть во вве-
дении величины, противоположной временному запаздыванию.
После этого индивидуальные сигналы от апертурных элементов
суммируются, а результат присваивается центру выбранной апер-
туры. Если апертура расположена вне центра мишени, операции
сдвига и суммирования производят слабый сигнал (деструктив-
ная интерференция). Сумма отражений от дефекта дает конструк-
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях 355
тивный результат, а сумма других сигналов, таких как зерновые
шумы, электронные шумы и т.д., — деструктивный. Как следс-
твие, получается хороший показатель отношения сигнал/шум для
дефекта. Поскольку вдоль глубины тестируемого образца проис-
ходит одновременная фокусировка, достигается лучшая точность
обнаружения и определения размера дефекта. Улучшенное разре-
шение по сравнению с традиционными методами проиллюстри-
ровано рис. 7.76.
Время (глубина)
Рис. 7.76. Улучшенное разрешение при обработке SAFT
Ниже приводятся примеры улучшенного определения размера
дефектов методом SAFT в образце из аустенитной нержавеющей
стали размером 500x100x40 мм с искусственными отражателями
(щелями). Щели различной ширины, а именно 2, 3 и 4 мм, были
проделаны на глубине 90 мм. Другой набор щелей шириной 5,6,7,
8, 9 и 10 мм находится на глубине 80 мм. Щели равноудалены друг
от друга с шагом 50 мм. В данном эксперименте применялись не-
сфокусированные преобразователи с частотой 2 МГц. Блок-схема
испытательной установки системы SAFT и схематическое изобра-
жение образца приводятся на рис. 7.77.
В системе SAFT проводилось автоматизированное сканиро-
вание и цифровая запись ультразвуковых данных. На каждом шаге
сигналы радиочастоты оцифровывались с частотой дискретизации
30 МГц. Движение шагового электродвигателя контролируется
356
Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Ультразвуковой дефектоскоп
Рис. 7.77. Блок-схема испытательной установки системы SAFTвместе
с образцом
Рис. 7.78. Определение размеров щелей с помощью 2-мегагерцовых
зондов различных диаметров: (а) точное определение
размеров, (Ь) зонд диаметром 25 мм, (с) зонд диаметром
10 мм, (d) зонд диаметром 6 мм
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях
357
интеллектуальной манипулирующей системой. В зависимости от
частоты тестирования выбирается размер шага сбора данных. По
завершении каждого линейного сканирования ультразвуковые
данные сохраняются в файле SAFT для последующей обработки
и воссоздания изображения. При определении размеров щелей
практикуется общепринятая оценка по уровню сигнала — 6дБ от
максимального. В тестировании участвуют зонды различного
диаметра для заданной частоты.
Рис. 7.78 демонстрирует результаты определения размеров
различных видов щелей с помощью зондов разных диаметров при
использовании традиционной 6-децибельной техники снижения.
По рис. 7.78 видно, что ни один из зондов не смог в точности из-
мерить размер щелей. Зонды с диаметром би 10 мм обнаружили
щели шириной 8 мм и даже меньше, однако их точность была
меньше, чем у 25-миллиметрового зонда. Что касается щелей ши-
риной от 8 мм и более, то все три зонда определили их с примерно
одинаковым отклонением, то есть найденный размер не зависел
от диаметра зонда.
Результаты (типичные), полученные SAFTпри определении
размеров различных щелей, а также результаты Л-сканирования
приводятся на рис. 7.79. Изображения, полученные SAFT для
различных размеров щелей (2—10 мм) показаны на рис. 7.80.
Судя по изображениям SAFT, размер щелей был опреде-
лен с помощью 6-децибельного метода, основанного на цвето-
вой шкале в децибелах. Использование 2-мегагерцового зонда
диаметром 6 мм (рис. 7.79) показало, что размеры, полученные
SAFT, наиболее близки к реальному размеру щелей. Так, при ис-
следовании 9- и 10-миллиметровых щелей SAFT показал почти
реальный размер с точностью ±0,5 мм (щели были больше, чем
эффективная ширина луча). При исследовании щелей размером
8 мм и менее мм отклонение от реальных величин повышается
с уменьшением размера щели. Эксперименты продемонстри-
ровали, что традиционные ультразвуковые методы определили
размеры щелей с высокой погрешностью. Например, в случае,
когда размер отражателей составлял менее 0,8 диаметра пре-
образователя, традиционная техника сильно преувеличива-
ла результаты. Об аналогичных наблюдениях сообщил Стаурт
Крамер, который экспериментировал с просверленным отвер-
стием диаметром 1,6 мм.
358
Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Искажение X: LL.000 Y:L.OOO
Рис. 7.79. Определение размеров щелей с помощью 2-мегагерцового
зонда диаметром 6 мм: (а) точное определение размеров,
(Ь) определение размеров с помощью SAFT, (с) традицион-
ный метод определения размеров по уровню -6 дБ
Зарегистрированные
данные
A03608C2.REK
Максимум: 4870 abc.
Модуль: [мм]
Искажение X: LL.000 Y:L.OO
Рис. 7.80. SAFT-изображения, полученные для щелей различного
диаметра (2—10 мм)
7.9.2. Время пробега дифракционных волн
В обычном импульсном эхо-методе ультразвукового тестирова-
ния для измерения расстояния от дефекта до зонда используется
время прохождения сигнала, а для определения приблизитель-
ного размера дефекта — амплитуда отраженного сигнала. В ме-
тоде времени пробега дифракционных волн (TOFD) задействуются
два зонда: сенсорный передатчик Т и приемник R, а также при-
меняется формула конверсии и дифракции волн. Этот метод был
впервые описан и использован Силком, особенно при опреде-
лении размеров трещин в сварных соединениях. В большинстве
областей применения ГОТТ) задействуются волны сжатия. Что же
касается волн сдвига, то они редко используются. Чтобы понять
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях 359
1
V
1 - Переданный импульс
2 - Волна вдоль боковой поверхности
3 и 4 - Продольные волны, преобразованные
при отражении от вершин трещины
5 - Отражение от задней поверхности
Время
Рис. 7.82. Цуг эхо-сигналов на экране CRT
принцип TOFD и определения размеров дефектов с его помощью,
рассмотрим устройство, показанное на рис. 7.81. Предположим,
что трещина (дефект) расположена в материале вертикально и не
является следствием поверхностного разрушения.
Передающий и принимающий зонды находятся на рассто-
янии S друг от друга. Ультразвуковой луч от передающего зонда
360 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
сталкивается со всей областью трещины, а энергию, преломлен-
ную вершинами трещины, обнаруживает принимающий зонд.
Дифракция на вершинах трещины приводит к волновой конвер-
сии, и преобразованные продольные волны первыми достигают
принимающего зонда. Передающий и принимающий зонды рас-
положены симметрично относительно трещины, а принимающий
зонд может обнаруживать дифракционные волны. Эхо-сигналы
(Л-сканирование) появляются на экране CRT, как показано на
рис. 7.82. Измерив расстояние S между зондами, толщину мате-
риала х и различное время прохождения сигнала непосредствен-
но от передающего зонда, от вершин трещины и отраженного от
задней поверхности, можно рассчитать глубины (dt и J2) и размер
трещины (J; —t/2).
7.9.3. Обследование труб в процессе эксплуатации
В нефтехимической промышленности, энергетике, при про-
изводстве удобрений для почв и т.д. используются различные
теплообменники и конденсаторы пара для эффективной теп-
лопередачи и в качестве элемента технологических требований.
Сравнительно новым оборудованием для обследования трубо-
проводов и труб теплообменников и паровых генераторов явля-
ется внутренняя вращающаяся система обследования (IRIS). Она
может обнаруживать утончение стен и точечную коррозию в тру-
бах теплообменников и паровых генераторов.
Принцип действия, системы заключается в измерении тол-
щины с помощью ультразвуковой иммерсионной импульсной
эхо-техники. Высокочастотный преобразователь (10—15 МГц)
преобразует импульс электрической энергии в ультразвуковые
колебания. Ультразвуковой импульс проходит через воду к стенке
трубы, где большая часть энергии импульса отражается обратно в
сторону преобразователя. Однако незначительная часть энергии,
всего около одной десятой, проходит в стенку и отражается от ее
внешней поверхности обратно к внутренней. И опять маленькая
часть от одной десятой передается в воду и движется в направле-
нии преобразователя.
Два импульса (от внутренней и внешней поверхностей стенки)
отражаются в сторону преобразователя, генерирующего электри-
ческие сигналы. Сигналы следуют друг за другом через промежут-
ки времени, достаточные для того, чтобы совершить полное про-
хождение через стенку трубы туда и обратно. Поскольку это время
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях
361
пропорционально толщине стенки трубы, эту толщину можно
определить, измерив время запаздывания между отражениями от
внутренней и внешней поверхностей стенки. Это осуществляет-
ся с помощью электронных средств. Если в стенке с внутренней
или внешней поверхности или и с той и другой есть утончение,
в картине на осциллоскопе будут наблюдаться соответствующие
сдвиги (изменения).
Система состоит из следующих компонентов: (1) исследующая
головка с зондом, зеркалом, гидравлической турбиной и устройс-
тво центрирования зонда, (2) регулятор водоснабжения, водяной
насос и кабели, (3) осциллоскоп и соответствующая электрони-
ка. На рис. 7.83 изображена схема исследующей головки с высо-
кочастотным ультразвуковым преобразователем и вращающим-
ся зеркалом. Маленький ротор турбины подсоединен к зеркалу.
Турбину вращает вода, закачиваемая погружаемым компрессор-
ным насосом под давлением от 0,13 до 0,55 МПа (20—80 фунтов
на квадратный дюйм). Вода под большим давлением проходит че-
рез маленький диаметр поливинилхлоридной трубы. Труба при-
соединена к тестирующей головке, которая вращает турбину t со
скоростью 1800 об/мин. Таким образом, зеркало, прикрепленное
к турбине, тоже вращается со скоростью 1800 об/мин. Каждое
вращение зеркала составляет ровно один цикл ультразвуково-
го луча. Проволочный маркер в турбине пересекает луч во время
каждого цикла, в результате чего на экране осциллоскопа можно
наблюдать импульс.
Маркер
Турбина,
вращаемая водой
Рис. 7.83. Вид обследующей головки IRIS в разрезе
362 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Перед обследованием любых компонентов оборудования IRIS
требует предварительной подготовки и калибровки инструмента-
рия. Подготовка зависит от типа трубы/трубопровода, который
подлежит обследованию. Однако во всех случаях подготовка под-
разумевает очистку внутренней поверхности трубы, чтобы освобо-
дить ее от рыхлых окалин, обрезков и технологических жидкостей.
Очищенная, четко обозначенная граница между движущимся по-
током воды и внутренним диаметром трубы создает резкую и от-
носительно высокую амплитуду эхо-сигнала от передней стенки.
Любая ржавчина/отложения на внутренней/внешней поверхности
трубы снижает отражательную способность границы и приводит к
менее четкому эхо-сигналу от передней/задней стенки.
Точное измерение утончения помогает контролеру принять
решение о том, достигла ли труба своего предела эксплуатации.
Способность системы выявлять утончения на поверхностях внут-
реннего и внешнего диаметра позволяет предпринимать коррек-
тирующие действия по контролю среды, воздействию которой
подвергаются трубы, уменьшить степень коррозии и тем самым
продлить срок службы труб. Если калибровка была правильно
выполнена, то ни один фактор не окажет большего воздействия
на разрешающую способность IRIS, чем состояние внутренней
поверхности трубы. Следовательно, рекомендуется, чтобы струя
воды, находящаяся под большим давлением и движущаяся по
внутренней поверхности трубы, была достаточно сильной, чтобы
устранить рыхлую окалину и напластования. В исключительных
случаях, когда внутренние отложения накрепко прилипли, необ-
ходимо произвести -очистку внутренней поверхности проволоч-
ной щеткой. Эффективными способами очистки являются хими-
ческая и пескоструйная.
Оборудование калибруется в соответствии со стандартом сис-
темы. Это позволяет оператору проверять правильность функци-
онирования всех компонентов системы и установки соответству-
ющих уровней в отдельных функциях контроля. По возможности
рекомендуется иметь трубу, аналогичную той, которой предстоит
пройти обследование, чтобы использовать ее в качестве калибро-
вочного стандарта.
Выбрав правильные уровни в различных контрольных фун-
кциях, таких как запуск сигнала, затухание, демпфирование,
диаметр трубы и т.д., можно получить четкое прямолинейное
изображение на экране осциллоскопа (рис. 7.84). Левая грани-
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях 363
ца изображения показывает состояние внутренней поверхности
трубы, а крайняя правая полоса представляет состояние внешней
поверхности. Высотой обозначена длина окружности, а толщину
стенки трубы показывает ширина изображения.
После калибровки оборудования IRIS с помощью калибро-
вочных труб (табл. 7.5) исследованию подверглись несколько труб
различной толщины из различных материалов с искусственно
сделанными дефектами, а также трубы, используемые в обраба-
тывающей промышленности и имеющие сильную внутреннюю и
внешнюю точечную коррозию.
Внутренний
диаметр______>
(ID)
Рис. 7.84. Типичное представление стенки трубы
Табл. 7.5 Измерения толщины стенки с помощью IRIS
и физических методов
Материал Толщина стенки, полученная физическими методами, мм Толщина стенки, полученная с помощью IRIS, мм
Люцит 3,30 3,30
Нержавеющая сталь 3,30 3,289
Латунь 1,70 1,696
Углеродистая сталь 2,65 2,650
Картина 5-сканирования, полученная во время /ЯЛУ-исследо-
ваний, показана на рис. 7.85. Очень четкое изображение дают лю-
цитовые трубы различной толщины, а также трубы из углеродис-
364 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
той стали, латуни и нержавеющей стали. Наблюдаемые изменения
ширины изображения на экране CRT (толщина стенки) указы-
вают на различные скорости звука в тех или иных обследуемых
материалах. Так, для люцитовой трубы (скорость звука 2730 м/с)
с толщиной стенки 3,30 мм была получена максимальная шири-
на (25 делений), в то время как для трубы из нержавеющей стали
(скорость 5690 м/с), имеющей такую же толщину стенки, ширина
изображения значительно меньше (13 делений). Есть корреляция
результатов измерений толщин стенок труб с результатами IRIS.
Данная методика была расширена для изучения некоторых труб в
обрабатывающей промышленности, в частности на заводах тяже-
лой воды и в системах ядерных реакторов. Чтобы оценить чувстви-
тельность измерения толщины стенок с помощью IRIS, проводит-
ся сравнительное исследование наиболее корродированной трубы
из углеродистой стали посредством оптического метода. Участок
трубы, где проводятся замеры IRIS, отмечается и надсекается для
оптических измерений. На образце с надсечкой очерчивают гра-
ницы 30 сегментов и проводят оптические измерения.
(а) Хорошая труба
Рис. 7.85. Картина на экране CRT
В табл. 7.6 проводится сравнение толщины стенок, получен-
ной в результате IRIS и оптических измерений для соответствую-
щих позиций сегмента. Табл. 7.5 и 7.6 показывают, что для изме-
рений толщины однородных стенок оптическим методом и IRIS
характерно идеальное согласование.
Тем не менее в трубах с неоднородной коррозией, в том числе с
сильной точечной коррозией, при реализации IRISn проведении
оптической металлографии наблюдаются различия в оценках тол-
щины стенок порядка 50—75 микрометров. Сравнительно боль-
шие значения толщины, полученные IRIS, обусловлены сильным
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях 365
рассеянием и отражением ультразвукового луча вследствие неод-
нородности трубы. В результате на осциллоскопе не получается
четких очертаний. Исследование явным образом подтверждает
значимость обработки поверхности, позволяющей повысить точ-
ность и разрешение в измерениях, а также свидетельствует о не-
обходимости предварительной подготовки труб.
Табл. 7.6 Сравнение значений толщины стенки, полученных
IRIS и оптическими измерениями
Контрольная точка,0 Оптические измерения, мм Значения IRIS, мм
0 2,201 2,251
20 1,997 2,050
60 1,717 1,790
90 2,205 2,278
120 2,370 2,428
150 1,210 1,283
180 1,385 1,457
210 0,939 1,013
240 1,437 1,511
270 1,169 1,243
300 1,501 1,575
330 1,941 2,015
При выявлении дефектов в трубах парогенераторов/теплооб-
менников методом вихревых токов возникает ряд трудностей, что
связано с присутствием листов водоотделителя. Хотя многочас-
тотное обследование методом вихревых токов решает проблему
обнаружения дефектов под листами, оценить дефект достаточно
затруднительно, особенно когда трубы теплообменника изготов-
лены из углеродистой стали, поскольку для данного материала
характерны сильные вариации проницаемости. Чтобы проверить
применимость IRIS в качестве альтернативного или дополнитель-
ного метода множественной ЕСТ (дефектоскопии вихревыми то-
366 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
ками), были обследованы трубы теплообменников с листами во-
доотделителя при фиксированном зазоре между листом и стенкой
трубы, а также трубы, в которых листы контактировали с их внут-
ренним диаметром в некоторых точках, и трубы, имеющие дефек-
ты в точке соприкосновения с листами.
Исследования показали, что если лист не контактирует с тру-
бой, то на картине, полученной 5-сканированием, не наблюдает-
ся наличия листа; видно только поперечное сечение трубы. Если
труба соприкасается с листом из-за провисания или нароста, IRIS
дает четкое изображение поперечного сечения трубы и места кон-
такта с листом (рис. 7.86а). Рис. 7.86b показывает, что IRIS спо-
собна разглядеть сквозную природу дефекта в стенке трубы. В
этом случае изменение характера сигнала от места контакта стен-
ки трубы с листом хорошо соотносится с наличием соответствую-
щего разрыва. Вышеописанные лабораторные исследования поз-
воляют сделать вывод о том, что использование IRIS дает более
высокую степень надежности по сравнению с дефектоскопией
методом вихревых токов. IRIS можно использовать преимущест-
венно для изучения природы дефекта, его глубины и положения
на окружности под листом водоотделителя, то есть получить всес-
тороннюю оценку дефекта.
(а) В области контакта
(Ь) Сквозная природа
Рис. 7.86. Картина, полученная от листа водоотделителя, на экране CRT
Достоинства IRIS заключаются в следующем:
(1) измеряет остаточную толщину стенок труб или трубопро-
водов вплоть до 500 микрометров;
(2) указывает на уменьшение толщины стенки, происходящее
с внешней и/или внутренней поверхности труб/трубопроводов;
(3) показывает дефекты, находящиеся на окружности трубы,
такие как локализованная точечная коррозия, а также дефекты
под опорной плитой.
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях
367
7.9.4. Обнаружение дефектов в сварных соединениях
анизотропных материалов
В химической, нефтехимической, обрабатывающей, ядерной и
многих других отраслях промышленности промышленные ком-
поненты делаются из нержавеющей стали, а в наиболее значимых
областях аэрокосмической промышленности часто встречаются
мартенситные стали. Обнаружение дефектов в сварных соедине-
ниях этих материалов с помощью ультразвука представляется до-
вольно сложным из-за низкого показателя отношения сигнала к
шуму 5/Удля ультразвука. Шум, обусловленный зерновым рассе-
янием, заглушает сигнал, относящийся к дефекту.
Методы цифровой обработки сигналов (DSP) классифициру-
ют в соответствии с их применением:
• Улучшение показателя отношения S/N и сокращение дан-
ных.
• Метод корреляции.
• Деконволюция временной развертки.
• Изменение сигнала посредством преобразования Фурье и
прочие преобразования.
• Изображение дефектов в виде «серого» уровня и улучшение
характеристик изображения в режиме сканирования.
• DSPc распознаванием картины.
Сокращение данных
Сокращение данных является важным шагом в обработке
сигналов. Традиционное исследование требует оцифровывания
большой области памяти и сохранения картины ^-сканирования.
Если частотное содержание не представляет интереса, уровень
интенсивности сигнала рассматривается только выше установ-
ленного порога. Другим методом сокращения данных является
одновременное усреднение различных данных ^-сканирования
одного и того же элемента объема. В таком случае усреднение мо-
жет быть ориентированным, специальным, направленным или
частотным. Для получения большей информации используются
цифровые аналитические методы более высокого уровня.
Деконволюция временной развертки
Деконволюция временной развертки (TDD) — это важный ме-
тод, используемый для улучшения разрешения ультразвуковых
368 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
данных. Алгоритм TDD восстанавливает два сигнала из эхо-сигна-
ла, сформированного двумя четкими отражениями, что позволяет
улучшить разрешение. Данный метод пригоден для структурных
материалов, налагающих ограничения на ширину полосы частот,
таких как, например, аустенитная сталь. Окончательное разреше-
ние в SAFT является функцией частоты дискретизации и ампли-
тудного разрешения полученных данных.
Исследование корреляции
Исследование корреляции используется для извлечения перио-
дического сигнала из случайных шумов. Данный процесс подразу-
мевает введение временного запаздывания между двумя сигналами.
Сигнал может быть одним и тем же (автокорреляция), либо можно
использовать два различных сигнала (взаимная корреляция) и взять
их результат, величина которого является мерой подобия этих сиг-
налов, с последующим усреднением на протяжении некоторого вре-
менного периода. Метод корреляции позволяет усиливать сигналы,
отраженные от дефекта, по сравнению со случайными шумами.
Метод обработки разложения спектра
Обработка разложения спектра (SSP) является одним из попу-
лярнейших методов устранения когерентного шума, возникающе-
го из неразрешенного рассеяния, чтобы обеспечить разрешение
переданных ультразвуковых импульсов. У полученного широко-
полосного ультразвукового сигнала меняется частотная область с
помощью быстрого преобразования Фурье (FFT). Сигнал разла-
гается на ряд узкополосных частотных спектров с помощью по-
лосного фильтра. Для того чтобы это осуществить, сигнал под-
вергается воздействию нескольких равноотстоящих гауссовых
полосных фильтров. Полученные узкополосные частотные спек-
тры переводятся обратно во временную развертку. Данный метод
устраняет когерентный шум, вызванный неразрешенным рассея-
нием в объеме разрешения.
Модифицированный метод ультразвуковой компьютерной томо-
графии
В данном методе две разные волны принимаются за первич-
ные. В результате нелинейного взаимодействия образуется вто-
ричная волна низкой частоты. Для воссоздания акустического
изображения используются операции свертки. Поскольку вто-
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях
369
ричная волна зависит от затухания и нелинейных параметров,
возможно воссоздание томографии нелинейных параметров.
В этих случаях применяются прогрессивные концепции анали-
за сигналов, такие как
спектральный анализ,
распознавание карти-
ны, анализ нейронной
сети и т.д. Ветвящиеся
(следовательно, анизо-
тропные) микрострукту-
ры сварных соединений
ASS, особенно таких,
толщина которых со-
ставляет от 10 до 40 мм,
создают проблемы для
ультразвукового тести-
рования. Учитывая эти
факты, правила работы
с бойлерами и резерву-
арами высокого давле-
ния ASME, в случае
сварных соединений из
аустенитной стали ре-
комендуют записывать
и отслеживать любой
дефект, составляющий
10% толщины. В неко-
торых случаях целесо-
образно выявлять де-
фекты, которые меньше
10% толщины. В этой
связи были разработа-
ны процедуры анализа
сигналов (5Л), исполь-
зующие эффективные
Рис. 7.87. Спектры собственной мощности
ультразвуковых сигналов от геометри-
ческой высадки (отсутствие дефектов)
и дефекта
алгоритмы кластерного
анализа и анализа общей картины. Они позволяют выявлять и ха-
рактеризовать дефекты, которые составляют 1% толщины сварных
соединений из нержавеющей стали (толщина сварного соединения
- 14,0 мм) (рис. 7.87). Сложность данной проблемы открывает за-
370 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
мечательную область для разработки экспертной системы, которая
будет давать советы насчет эффективной неразрушающей оценки
(NDE) этих соединений.
С помощью принципов кластерного анализа и анализа общей
картины в сварных соединениях деталей из мартенситной стали,
используемых в обшивке ракетных двигателей в аэрокосмической
промышленности, выявляются и характеризуются узкие трещины
(3x1 мм), вызванные усталостной нагрузкой. Обнаружение столь
малых дефектов в данных областях увеличивает полезную грузо-
подъемность ракеты, что имеет следствием получение экономи-
ческих и технологических выгод.
В обоих вышеописанных случаях методы кластерного анализа
и анализа общей картины используют взаимные спектры мощнос-
ти (шумовых сигналов от сварного шва и сигналов от дефектов) для
получения кластерных элементов. В методе анализа общей карти-
ны генерируется картина, называемая демодулированной автокор-
релограммой (DMАС) и получаемая из функции автокорреляции
сигнала. Характеристики DMAC изучаются для интерпретации и
оценки. Картина шумов /ШД С имеет больше выступов по сравне-
нию с картиной сигнала от дефекта. Физическое взаимодействие
ультразвуковых волн со сложной микроструктурой материала про-
является в виде ряда выступов на картине обработанного сигнала
DMAC. Истинная природа взаимодействия и подход к пониманию
картин DMAC, основанный на данной модели, пока что не были
установлены. Подробное обсуждение этого аспекта не являет-
ся предметом исследований данной книги. Кластерный анализ
данных взаимной мощности в сварных соединениях из мартен-
ситной стали показал, что координаты центроидов для сигналов
шум-дефект выше, чем у сигналов шум-шум. Другой областью
применения прогрессивных концепций анализа сигналов являет-
ся ультразвуковое обследование сварных соединений в заглушках
топливных элементов, находящихся в ядерных реакторах с тяже-
лой водой под давлением (PHWR).
В PHWR топливные таблетки из диоксида урана инкапсулиру-
ются в трубы-оболочки из циркалоя-2, имеющие толщину 0,37 мм
и запечатанные с помощью заглушек. Контактная сварка заглу-
шек с трубами-оболочками приводит к высадке материала внутри
и снаружи сварного соединения. Наружные высадки можно уда-
лить механическим путем, оставляя лишь крошечный след между
заглушкой и трубой, однако внутренние останутся. По этой при-
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях
371
чине все сварные соединения проходят испытания на герметич-
ность с помощью гелия, а для проверки целостности в некоторых
соединениях проводят разрушающие металлографические иссле-
дования. Испытания на герметичность с помощью гелия выяв-
ляют только те дефекты, которые проходят толщину трубы «на-
сквозь». Металлография относится к разрушающим испытаниям
и демонстрирует лишь поперечное сечение, кроме того, ее нельзя
проводить во всех соединениях. Процедуры проверки качества
тоже не дают достаточной уверенности, когда цель заключается в
нулевых показателях выхода из строя, а задача состоит в том, что-
бы поддерживать наименьший возможный уровень радиоактив-
ности в охладителях ядерных реакторов. Решение было найдено в
разработке ультразвукового тестирования с использованием про-
грессивного цифрового анализа сигналов.
Ультразвуковое тестирование заглушек, соединенных с помо-
щью сварки, сопряжено с рядом значительных трудностей: (1) малые
размеры (диаметр трубы, толщина стенок и т.д.), (2) нестандартные
контуры сварных швов, (3) высокие требования к чувствительнос-
ти. Ожидается, что использование техники анализа применительно
к ультразвуковым сигналам решит вышеперечисленные проблемы.
Чтобы смоделировать идеальные условия, на внутренней и внешней
поверхностях сварного соединения с помощью стандартного метода
электроэрозионной обработки были нанесены контрольные дефек-
ты (отверстия) диаметром 0,1 мм и глубиной 5, 10 и 20% от толщи-
ны трубы. Такие дефекты были выбраны для того, чтобы оценить
чувствительность обнаружения и получить информацию о размерах
дефектов. Ультразвуковое тестирование области сварки основано
на наклонном зондировании поперечными волнами с использова-
нием иммерсионного импульсного эхо-метода.
Удалось установить, что отраженные сигналы, связанные с
геометрией сварных соединений, составляют 17—35% полной
шкалы высот (FSH). Следовательно, вероятность обнаружения де-
фектов внешней поверхности, составляющих 20% и более, с помо-
щью традиционной техники ультразвукового тестирования доста-
точно велика. В случае 10- или 5-процентных дефектов сигналы,
отраженные от них, были полностью замаскированы сигналами,
связанными с геометрией соединений. По этой причине, для того
чтобы увеличить чувствительность выявления дефектов глубиной
10% и меньше, применяется техника цифрового анализа сигналов,
и особенно спектрального анализа собственной мощности.
372
Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Спектр собственной мощности сигналов, отраженных от
дефектов, имеет обширную огибающую картину с небольши-
ми колебаниями (рис. 7.88). Если сигналы спектра собственной
мощности связаны с геометрическими высадками, спектральная
огибающая демонстрирует сильные колебания мощности (ряд уз-
ких пакетов), которые часто достигают нуля или значений, близ-
ких к нулю (рис. 7.88), что невозможно наблюдать в спектре собс-
твенной мощности сигналов, отраженных от дефектов.
(микросекунды)
Типичный шум
(микросекунды)
5%-й надрез
- Искусственный дефект
- Искусственный дефект
Группа отверстий
- Искусственный дефект
Временное запаздывание
(микросекунды)
Типичный линейный дефект
Рис. 7.88. Картина ультразвуковых сигналов типичного шума,
пористости, надрезов и трещины в сварных соединениях
нержавеющей стали
Временное запаздывание
(микросекунды)
Типичная пористость
При отражении сигналов от геометрических высадок происходит
следующее: большое количество отражающих точек на границе этих
высадок создают сигналы с аналогичным спектральным содержани-
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях 373
ем, однако со смещением фазы, что связано с временными разли-
чиями (различные значения времени прохождения ультразвукового
сигнала, отражающегося от точек геометрической высадки). Это же
можно объяснить следующим образом. Сумма спектральных состав-
ляющих сигналов от любых двух точек геометрической высадки, име-
ющих одинаковые амплитуды, но различающихся по фазе на 180°,
равна нулю. Таким образом, спектральная картина высадки проявля-
ется в виде сильных колебаний мощности и состоит из ряда узких па-
кетов. Присутствие дефекта, который затеняет часть геометрической
высадки, уменьшает вероятность получения сигналов с разностью
фаз 18°, тем самым снижая шансы наблюдения сильных колебаний.
Даже если дефект (0,034 мм) намного меньше длины волны (0,236
мм), его можно обнаружить благодаря эффекту затенения. Данное
объяснение предполагает, что даже если имеется дефект порядка
длины волны, его можно выявить, не сталкиваясь с проблемой мно-
жественных эхо-сигналов и колебаний в спектре мощности. Следует
указать на тот факт, что эта методология позволяет обнаруживать
дефекты, которые намного короче, чем длина волны используемого
ультразвукового луча. Если дефекты сопоставимы с длиной волны,
целесообразно применять традиционные ультразвуковые подходы
и не прибегать к технике прогрессивного анализа сигналов. После
обоснования данного подхода с помощью искусственных дефектов
было подвергнуто тестированию с цифровым анализом ультразву-
кового сигнала большое количество производственных заглушек
со сварными швами, прошедших гелиевое испытание на герметич-
ность. Результаты этих тестов подтвердили информацию, получен-
ную в ходе предыдущих обследований искусственных дефектов, и
тем самым доказали правильность техники анализа сигналов при де-
фектоскопии сварных соединений. Данный подход также проложил
дорогу проектированию и применению автоматизированной рабо-
чей станции, которая будет выполнять зондирующее сканирование,
обнаружение сигнала, оцифровку и анализ, а также классификацию.
7.9.5. Ультразвуковая неразрушающая оценка (NDE)
композиционных материалов
Композиционные материалы очень популярны в промышлен-
ности благодаря высокой прочности и легкому весу. Передовые
композиционные материалы играют важную роль в аэрокосми-
ческой и автомобильной отраслях промышленности, находят
применение в инженерно-строительных конструкциях, например
374 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
в укреплении мостов и опор автомагистралей, и используются в
биомедицинских продуктах, таких как протезы. В последние годы
в тестировании композиционных структур были опробованы не-
которые техники NDE, что доказало полезность ультразвуковых
методов.
Композит в самой простой форме представляет собой матери-
ал, составленный как минимум из двух элементов, которые при
соединении друг с другом обладают характеристиками, не прису-
щими им по отдельности. На практике большинство композитов
состоят из основного материала («матрицы») и некоторого упроч-
нителя, добавляемого в первую очередь для увеличения прочнос-
ти и жесткости матрицы. Как правило, упрочняющий материал
представлен в виде волокон. В настоящее время наиболее распро-
страненные композиты, созданные человеком, можно разделить
на три группы. Самыми популярными являются полимерные
матричные композиты (РМС) — они и будут главным объектом
обсуждений в данном руководстве. Так, в волоконных усиленных
полимерах (или пластике), известных как FRP, в качестве мат-
рицы используется полимерная смола, а в качестве упрочнителя
выступают разнообразные волокна, такие как стекло, углерод и
арамид. В автомобильной промышленности находят все большее
применение металлические матричные композиты (МД/С). В этих
материалах матрицей служит металл, например алюминий, а уп-
рочнителями — волокна карбида кремния. Керамические мат-
ричные композиты (СМС) используются в высокотемпературных
средах. В них роль матрицы выполняет керамика, упрочненная
короткими волокнами или контактными волосками, сделанными
из карбида кремния и нитрида бора.
Кроме того, дополнительно выделяется четвертая группа, к
которой относятся углеродисто-волоконные композиты (CFC).
CFC, как и другие композиционные материалы, состоят из угле-
родных волокон, встроенных в матрицу из смолы, которая их ок-
ружает и крепко с ними связана. CFC обладают определенными
преимуществами перед традиционными материалами, однако им
также свойственны некоторые недостатки. К примеру, им при-
суща высокая анизотропность, то есть их прочность, жесткость и
другие параметры изменяются в зависимости от ориентации ком-
позиционного материала. Это может создавать проблему, если ма-
териал будет применяться в структурах, которые воздействуют на
свои составные элементы посредством многонаправленных сил.
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях 375
Недавно Паланичами и Буссе охарактеризовали дезориента-
цию углеродных волокон в CFC с помощью амплитуды обратного
рассеяния боковых волн в ультразвуковом С- и ^-сканировании.
Они также попытались определить процентное содержание
стекловолокна, рассредоточенного в полимерных компози-
тах, путем статистической оценки сигналов в Л-сканировании.
Бесконтактное тестирование композиционных материалов с по-
мощью лазерной ультраакустики показало, что, используя методы
лазерного обследования, можно выявлять и характеризовать раз-
нообразные внутренние и поверхностные дефекты. В последнее
время поверхностные дефекты были всесторонне изучены и уда-
лось доказать, что во многих случаях лазерные методы работают не
хуже пьезоэлектрических преобразователей и даже демонстриру-
ют более высокую пространственную разрешающую способность.
Тем не менее до настоящего времени данные о дефектах внутри
образцов были менее ясными и воспроизводимыми. Несмотря на
это, предварительные результаты позволяют предположить, что
лазерная ультраакустика прекрасно подходит для измерений вре-
мени пробега при наличии дифракции. Другой полезный способ
применения — выявление дефектов, расположенных вблизи по-
верхности, что представляет собой сложную задачу для контакт-
ных зондов из-за эффектов ближнего поля.
Лазерная ультраакустика применялась для измерений па-
раметров множества материалов. К определяемым параметрам
относились толщина образца, упругие постоянные, грануломет-
рический состав, микроструктура, стадия фазных превращений,
качество покрытия, качество связи т.д. в металлах и композици-
онных материалах. В большинстве случаев потенциал лазерной
техники еще только демонстрировался, и лишь очень малое число
исследований было доведено до ее применения на коммерческой
основе.
7.9.6. Ультразвуковое тестирование с использованием
твердых прослоек
Ультразвуковое тестирование с использованием твердых просло-
ек, которое обобщенно называется методом сканирования «всу-
хую», или сухое ультразвуковое тестирование, позволяет исследо-
вать материалы без какой бы то ни было связующей среды. Метод
сухого сканирования можно успешно применять, когда использо-
вание связующей среды представляется невыполнимым или не-
376 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
целесообразным по причине возможного загрязнения и ущерба.
Главное достоинство метода заключается в том, что требованиями
к геометрии, характерными для традиционного ультразвукового
тестирования, можно пренебречь, а в поверхностной обработке
материалов нет надобности. Метод сухого сканирующего ультра-
звукового тестирования применяется для выявления связи, рас-
слоений композитных материалов и тестирования сварных швов
или твердого припоя в тонких срезах и маленьких компонентах.
Метод также подает большие надежды в области ультразвукового
обследования важнейших компонентов ядерных реакторов в про-
цессе их эксплуатации, где неудобная геометрия и необходимость
использования прослойки являются проблемой, требующей тща-
тельного планирования и анализа перед проведением тестирова-
ния.
Метод подразумевает передачу ультразвуковой энергии пере-
дающим зондом в материал в некоторой точке и прием энергии
принимающим зондом в другой точке, после того как ультра-
звуковые волны проходят через этот материал. Ультразвуковая
энергия передается в тестируемый объект и принимается от
объекта через прорезиненные подушечки, плотно соединенные
с зондами. Подушечки помогают связать зонд с объектом под
давлением, тем самым, устраняя потребность в традиционной
прослойке.
Существуют два способа реализации данного метода: (1) пос-
редством прозвучивания, когда зонды находятся по разные сторо-
ны объекта, (2) посредством поиска - захвата (pitch catch), когда
оба зонда находятся с одной стороны объекта.
В первом случае нет необходимости располагать передаю-
щий зонд под углом, однако во втором передающий зонд уста-
навливается под нужным углом к поверхности объекта, чтобы
прохождение энергии в материал было максимальным. Если
приемник зафиксирован, можно передвигать передатчик в раз-
личные положения, добиваясь получения максимальной энер-
гии. Таким образом, данный метод основан скорее на перена-
правлении звуковой энергии, чем на однократном ее отражении
(рис. 7.89), следовательно, его можно обозначить как теневую тех-
нику. Интерпретация и оценка области дефекта осуществляются
через анализ картины пульсаций, формируемой на экране CRT
(рис. 7.90). У этой картины есть две характеристики, а именно,
интенсивность и смещение (рис. 7.90).
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях
377
Рис. 7.89. Метод сухого сканирования — расположение образца
и преобразователя
Рис. 7.90. Картина на экране CRT— метод сухого сканирования
Вариации этих двух параметров позволяют судить о дефектной
области. Перед тестированием следует настроить дискриминатор
на соответствующий выбираемый частотный диапазон для полу-
чения оптимальной картины пульсаций. Если картина пульсаций
выглядит нормально, то есть без резких изменений в смещении и
интенсивности между соседствующими циклами, считается, что
материал хороший (рис. 7.91). Смещение будет ярко выражен-
ным, если дефект расположен далеко от зонда.
378
Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
Рис. 7.91. Частичная передача энергии вокруг края расслоения.
Низкий процент приема сигнала
В различных компонентах ракет широко используются рези-
новые материалы, а именно для тепловой изоляции, в баллонах,
перегородках и т.д. Наличие внутренних разрывов, таких как рас-
слоения и пустоты, — нежелательное явление в этих материалах
вследствие важности применения последних. Ультразвуковой
метод сухого сканирования оказался полезным при тестировании
резиновых листов толщиной 1—3 мм. Чтобы стандартизировать
процедуру тестирования, на листе резины делался искусственный
распил перпендикулярно плоскости толщины и параллельно ши-
роким поверхностям (имитация расслоения).
После этого теневым методом проводилось наблюдение и осу-
ществлялась запись картины пульсаций в хорошей области (вдали
от распила) и дефектной области (в месте распила). При той же
самой настройке инструментария 100%-е тестирование прошли
другие листы резины. Рис. 7.92 показывает картину, относящую-
ся к дефекту в одном из листов. Наблюдаемая картина аналогична
картине расслоений в стандартном образце (рис. 7.92). Здесь нуж-
Достижения в ультразвуковых неразрушающих испытаниях
379
но указать на тот факт, что в этом материале невозможно реализо-
вать традиционное ультразвуковое и радиографическое тестиро-
вание (£/Ги RT).
Применимость метода сухой прослойки при тестировании
связующего материала можно продемонстрировать, изготовив
стандартные образцы из листов эбонита и пластика, связанных
с помощью хлороформа. В процессе соединения в определенных
областях намеренно создается отсутствие связи путем помещения
постороннего вещества между эбонитом и пластиком. Различная
интенсивность пульсации в области хорошей связи и в области
отсутствия связи отчетливо видна на рис. 7.93.
Результаты ультразвукового тестирования различных неме-
таллических материалов методом сухой прослойки четко проде-
монстрировали реализуемость данного метода в разнообразных
материалах. Среди тестируемых материалов были пластмассы,
композиционные материалы, резина, полиэтилен высокой плот-
ности (HDPE) и т.д., которые играют важную роль в аэрокосми-
ческой, ядерной и авиационной промышленности.
(а) Хорошая область (Ь) Расслоение
Рис. 7.92. Картина интенсивности на экране CRT
(Ь) Разрыв связи
(а) Хорошая связь
Рис. 7.93. Картина на экране CRT, характеризующая степень связи
380 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
7.10. Заключение
В данной главе рассматриваются основные методы ультразвуко-
вого тестирования, к которым относятся прямолучевой, наклон-
но-лучевой, контактный и иммерсионный, и приводятся соот-
ветствующие иллюстрации. Вкратце освещаются достоинства и
недостатки ультразвукового тестирования. Функции дефектос-
копа обсуждаются вместе с тремя базовыми режимами операций
сканирования, включающими Л-, В- и С-сканирование, с рас-
смотрением их плюсов и минусов. Описывается реализация пря-
молучевого тестирования в измерениях толщины и исследовании
связи компонентов. Рассматривается довольно подробно, с по-
нятными иллюстрациями ультразвуковое тестирование сварных
соединений, поковок и отливок. Приводятся со схемами и приме-
рами варианты иммерсионного метода, которые находят широкое
применение. Уделено также внимание прогрессивным методам,
таким как SAFT, IRIS и TOFD. Продемонстрировано тестирова-
ние материалов методом сухого сканирования. И, в завершение,
рассматриваются композиты как наиболее важные новые мате-
риалы в промышленности, а также применение лазерной ультра-
акустики в исследовании композитов.
Рекомендуемая литература
1. Дате Lipponen, 5th WCNDT, Roma 2000.
2. Albert S Briks, Robert E Green Jr (Tech Edt.), Non-Destructive Testing
Hand Book, 2nd Edition, American Society for Non Destructive Tesyting,
(1991).
3. Baldev Raj, Subramanium С V and Jayakumar T, Non-destructive Testing of
Welds, Narosa Publishers, New Delhi, (2000).
4. Baldev Raj, Thavasimuthu M and Jayakumar T, Practical Non-destructive
Testing, Narosa Publishers, New Delhi, (1998).
5. Banks B, Oldfield and Rawding H, Ultrasonic Flaw Detection in Metals,
Theory and Practice, ILIFFE Book Ltd, London, (1962).
6. Berger H, Chang Y T, Jones T S, Pietsch В E, Rosen M, Industrial Quality
report No: IQI-F-88-0729, NSA Langley Research Centre, (1988).
7. Bindal V N, Ultrasonic Transducers for non-destructive Testing, Narosa
Publishers, New Delhi, (1999).
8. Browne В Insight, 39(9) (1997), 658
9. Chang F H, Drake T E, Osterkamp M A, Prowant R S, Monchalin J-P,
Heon R, Bouchard P, Padioleau C, Froom D A, Frazier W and Barton J P,
Рекомендуемая литература
381
Review of Progress in Quantitative Non-destructive Evaluation, 12, (1993),
611.
10. Drury J C, Ultrasonic flaw detection for Technicians, Pub Unit Inspection
Co. Ltd., Swansea, (1978) 26.
11. Frederick J R, Seydel J A and Fairchild R C, NUREG-0007-1, First Annual
Report, University of Michigan, Michigan, (1976).
12. Frederick J R, Vanden Broek C J H, Fairchild R C and Elzinga M B,
NUREG-CR-0135, Third Annual Report, University of Michigan,
Michigan, (1978).
13. Halmshaw R, Introduction to the Non-Destructive Testing of welds Joints,
The Welding Institute, UK, 48- 75.
14. Hutchins D A Can J Phys 64, (1986), 1247.
15. Jean F Bussiere, Tutorial Lecture Notes, 14th World Conference on NDT,
New Delhi, India, December 7- 14,1996.
16. Joseph A. Thavasimuthu M Jayakumar T and Baldev Raj, Insight, 38(11),
(1996), 797.
17. Kalyanasundaram P, Baldev Raj, Barat P and Jayakumar T, Int J of Press
Vess & Piping, 36(1989), 103.
18. Kalyanasundaram P, Rajagopalan C, Baldev Raj, Prabhakar О and Sarma,
DOR, Brit J of NDT, 33 (1991) 290.
19. Krautkramer J and Krautkramer H, Ultrasonic Testing of Materials, 4th
Edition, Springer, New-York, 1983.
20. Kumar P, J Non Dest Eval., 10 (1990) 19.
21. Monchalin J-P IEEE Trans Sonics, Ultrasonics, Freq Control, UFFC-33,
485(1986).
22. Newhouses, V L, Furgason E S, Bilgutay N M, and Saniie J, Proc U S
International Symp, Butterworth Scientific, Guildford, UK (1979) 152.
23. Nondestructive Inspection and Quality Control: Metals Hand Book, Vol. 11,
8th Edition, Metals Park, OH: American Society for Metals, 1976.
24. Palanichamy, P and Busse, G DAAD-1998 Fellowship Report, 2000.
25. Palanichamy, P International Confemece and Exhibition on Ultrasonics
(ICEU-99), Vol. 2,1999.
26. Padioleau C, Bouchard P, Heon R, Monchalin J-P Chang F H Drake
T E and McRae KI Review of Progress in Quantitative Nondestructive
Evaluation, 12, (1993), 1345.
27. Procedures and Recommendation for the Ultrasonic Testing of Butt Welds,
Welding Institute, 2/e, The Welding Institute, Cambridge, (1971).
28. Ramesh A S, Subramanian С V, Joseph A, Jayakumar T, Kalyanasundaram
P and Baldev Raj, J of Non- destructive Evaluation, 19(3-4) (1998), 22.
29. Rajendran, V and Palaniappan, M Ultrasonic testing techniques and their
limitations (A course notes for ISNT level III), 2002, ISNT, India.
30. Ravindran V К Narayanan E Revindran P Panicker M P R Bhaumik В C
Proceedings of the 14th World Conference on Non-Destructive Testing,
New Delhi, 2 (1996), 441.
31. Rose J L and Goldberg, В В Basic physics in diagnostic ultrasound, John
Wiley & Sons, New-York, 1979.
382 Глава 7. Ультразвуковые неразрушающие испытания
32. Rose J L and Goldberg, В В Basic physics in diagnostic ultrasound, John
Wiley & Sons, New-York.
33. Scruby С B, Dewhurst R J, Hutchins D A and Palmer S В Research
Techniques in Nondestructive Testing, R S Sharpe, ed. (Academic Press,
1982), V, 281.
34. Scruby CB and Drain L E Laser-Ultrasonics:Techniques and Applications
(Adam Hilger, Bristol, UK, (1990).
35. Sharpe, Research Techniques in NDT, Vol. II, 365.
36. Silk M G, Research Techniques in Non-destructive Testing, Academic Press,
London, 3(1977).
37. Simpson W A, J Mater Eval, 34 (1976) 261.
38. Simpson W A, J Mater Eval, 44 (1986) 998.
39. Subramanian С V, Joseph A, Ramesh A S, Jayakumar T, Kalyanasundaram
P and Baldev Raj, 14th WCNDT, 2, (1996) 985.
40. Subramanian С V, Joseph A, Ramesh A S and Baldev Raj, 7th ECNDT,
COPENHAGEN (1999).
41. Subramanian С V, Palanichamy P, Thavasimuthu M, Bhattacharya D К and
Baldev Raj, Quality Evaluation, 8, (1988), 11.
42. Subramanian С V Thavasimuthu M Palanichamy P Bhattacharya D К and
Baldev Raj, J PureAppl Ultrasonics 12(2), (1989), 57.
43. Subramanian, С V, Thavasimuthu M, Rajagopalan C, Kalyanasundaram P
and Baldev Raj, Materials Evaluation, 53 (1995) 1290.
44. Szilard, J (ed.) Ultrasonic Testing, John Wiley & Sons, New-York, 1982.
45. Truel, Elbaum, Introduction to Ultrasonics in Solid State Physics,
46. Whaley H Land Adler L, J Materi Eval, 29(8) (1971) 182.
47. Yoshikatsu Nakagawa, Masao Nakagawa, Mashide Yoneyame and Makoto
Kikuchi, IEEE, US Symp, (1984) 673.
ГЛАВА 8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ХАРАКТЕРИСТИК
МАТЕРИАЛОВ
8.1. Введение
Технологический прогресс в ядерной, химической, аэрокосмичес-
кой и других отраслях промышленности требует применения пе-
редовых материалов, таких как аустенитные нержавеющие стали,
дисперсионно-твердеющие стали, керамика, композиционные ма-
териалы. Определение характеристик материалов важно не толь-
ко для выявления макро-, микротрещин и их распространения,
но и для определения параметров микроструктуры и прочности.
Определение характеристик требуется как до начала изготовления
компонентов из материалов, так и в процессе производства и пос-
ле него, во время эксплуатации и т.д. Получение характеристик не-
обходимо для того, чтобы максимально эффективно использовать
компоненты в течение всего срока их службы. Другим не менее
значимым моментом является выбор материала для изготовления
того или иного компонента, что определяется условиями, в кото-
рых материал/компонент будет эксплуатироваться. Эта обширная
тематическая характеристика материала, в сущности, включает
оценку модуля упругости, микроструктуры материалов, морфоло-
гических параметров и связанных с ними механических свойств.
Для получения полной характеристики применяются различные
методы тестирования (разрушающее, полуразрушающее и нераз-
рушающее). Среди разнообразных неразрушающих методов ис-
пытаний ключевую роль играют ультразвуковые неразрушающие
испытания и оценка (NDTE). Так, модули упругости определяют
из замеров скорости ультразвука. Микроструктуру материалов [1—
8] можно охарактеризовать с помощью измерений скорости и за-
384 Глава 8. Определение характеристик материалов
тухания. Ультразвуковые измерения механических свойств (про-
чности или жесткости) являются косвенными и основаны либо на
теоретических изысканиях, либо на эмпирических связях. Данная
глава посвящена одному из наиболее важных способов примене-
ния ультраакустики — получению характеристик материалов.
В следующих разделах рассматривается классификация способов
получения характеристик материалов с помощью ультраакустики.
8.2. Классификация способов получения
характеристик материалов
Неразрушающая оценка (NDE) включает различные методы: рентге-
новские лучи, ультраакустику, вихревые токи, лазер, магнитный ме-
тод, радиографию и т.д. Все они играют важную роль в определении
характеристик материалов. Ультразвуковая NDE является одним из
наиболее широко используемых методов получения характеристик
материалов и классифицируется по четырем категориям (рис.8.1).
К первой категории относится определение постоянных упругости:
модуля Юнга, модуля сдвига, модуля объемной упругости и коэф-
фициента Пуассона. Под вторую категорию подпадают микрострук-
турные и морфологические характеристики, такие как размер и
распределение зерна, текстура и т.д. Третью и четвертую категорию
формируют прерывности (микропористость или микротрещины) и
механические свойства (прочность, жесткость и твердость).
В первой части данной главы обсуждаются измерения, не-
обходимые для определения характеристик материалов. Вторая
и третья категории (рис. 8.1) характеристик рассматриваются в
разделе, посвященном постоянным упругости и их применению
в материалах. Далее, руководствуясь классификацией (рис. 8.1),
мы обсудим микроструктуру и механические свойства. Различные
параметры, оценить которые можно на основе ультразвуковых
измерений, перечислены в табл. 8.1.
Наиболее значимыми для полной характеристики материалов
представляются величины скорости ультразвука (продольных и
поперечных волн), его затухания, плотности материала, произ-
водных параметров, таких как постоянные упругости, температу-
ра Дебая, и их связь с температурой и давлением в материале.
Экспериментальные методы определения скорости, затуха-
ния, плотности и т.д. рассматриваются в следующих разделах.
Экспериментальные методы и теория 385
Рис. 8.1. Определение свойств материалов с помощью ультраакустики
8.3. Экспериментальные методы и теория
Определение характеристик материалов с помощью ультраакус-
тики включает следующие шаги:
(1 ) Подготовка образца.
(2 ) Измерение скорости и затухания ультразвука.
(3 ) Измерение плотности.
(4 ) Определение постоянных упругости.
8. 3.1. Подготовка образца
Важным моментом в измерении скорости и затухания ультразву-
ка в материале является подготовка образца. Как правило, для
того чтобы обеспечить распространение ультразвуковых волн,
следует хорошо отполировать и выровнять поверхности образца.
Желательно, чтобы образец, предназначенный для измерений,
имел круглую или прямоугольную геометрическую форму. Обе
поверхности должны быть отполированы. Параллельность повер-
386 Глава 8. Определение характеристик материалов
хностей проверяется микрометром. В большинстве случаев изме-
рение осуществляется с обеих сторон образца.
Табл. 8.1 Измерения свойств материалов с помощью
ультраакустических методов
Свойства материалов Материалы Метод измерения
Модули упругости Структурные твердые тела, монокристаллы [2,9—11] поликристаллы [9— 11 Керамика, хрупкие металлы [12, 13] Криогенные металлы [14] Тугоплавкие металлы [15] Волоконные композиты [16] Скорость Резонанс Скорость, резонанс Скорость, резонанс Скорость волн в стержне Скорости комплекс- ных мод
Предел прочности при растяжении и при сдвиге Хрупкие материалы, литые металлы [17—18] Зернистый чугун [19] Стали [20], прошедшие термообработку волокон- ные композиты [21] Скорость продоль- ных, поперечных волн Скорость продольных волн Резонанс Акустическое возбуждение
Межслойная прочность при сдвиге Волоконные композици- онные слоистые материа- лы [22-23] Узкополосное затухание
Когезионная прочность Адгезионное сцеплениеы [24, 25] Диффузионная связь [26] Резонанс Затухание из-за рас- сеяния Спектральный анализ
Прочность при сжатии Бетон [27] Скорость продольных волн
Предел текучести Поликристаллические металлы [20, 28] Резонанс Широкополосное затухание
Ударная вязкость Поликристаллические металлы [29, 30] Узкополосное затухание
Экспериментальные методы и теория 387
Окончание табл. 8.1.
Свойства материалов Материалы Метод измерения
Трещиностой- кость Поликристаллические металлы [28, 31] Широкополосное затухание
Жесткость Поликристаллические металлы [17,32] Затухание и скорость
Подготовка образца играет ключевую роль в точном измере-
нии затухания и скорости ультразвука контактным методом. Для
хорошей передачи генерируемых волн в материал преобразователь
контактного типа должен быть плотно соединен с образцом и меж-
ду ними должен сформироваться тесный контакт (никаких воз-
душных промежутков). Как говорилось выше, огромное значение
в устранении воздушных промежутков между преобразователем и
образцом имеет прослойка. Кроме того, качество обработки и па-
раллельность поверхностей образца тоже играют важную роль в
передаче и приеме волн, повышая точность измерения затухания и
скорости. Вообще, для передачи/приема ультразвуковых волн по-
верхности должны быть гомогенными (изотропными), обработан-
ными и их плоскости должны быть параллельны. Шероховатость
поверхности должна составлять не более нескольких микронов, а
непараллельность плоскостей поверхностей образца — не более ±5
мкм. Шероховатость тоже вносит свой вклад в выбор прослойки.
Например, для тестирования необработанных поверхностей тре-
буется густое смазочное вещество, чтобы не допустить износа пре-
образователя. По понятным причинам, которые мы привели для
обоснования необходимости подготовки образца к контактному
тестированию, в настоящее время разрабатываются бесконтактные
методы, к которым относятся ЕМАТ. лазеры и воздушная прослой-
ка. В бесконтактном тестировании (ЕМАТ. лазеры и т.д.) требова-
ния к предварительной подготовке образца не столь строгие.
8. 3.2. Измерения скорости и затухания
Скорость и затухание ультразвука формируют базу для точной
оценки упругих постоянных, микроструктуры и механических
свойств материалов. Эти величины можно измерять с помощью
эхо-импульсов, незатухающей волны или низкочастотного ме-
тода. Выбор наиболее подходящей техники для точного измере-
388 Глава 8. Определение характеристик материалов
ния скорости и затухания рассматривался в главе 4. При работе с
очень тонкими образцами следует применять высокочастотные
зонды или зонды с линиями задержки.
8. 3.3. Измерения плотности
Измерения плотности образца характеризуются высокой досто-
верностью и точностью (±0,01%). Обычно для измерения ис-
пользуются различные методы, такие как рентгенография, ме-
тод Гей-Люссака, пикнометрия, гидростатическое взвешивание,
стандартное замещение и т.д. Среди прочих методов точного из-
мерения плотности твердых тел широкое применение нашло пра-
вило Архимеда.
Сначала с высокой степенью точности замеряют вес образца в
воздухе (w;) и в жидкости (w2) с помощью ковшовых весов. В ка-
честве суспензии может выступать бензол или толуол. Плотность
образца рассчитывается по формуле:
--------Р/, (8.1)
W-^2) ге/
где pref— плотность суспензии, величина которой берется из лите-
ратуры [33].
Точность определения плотности зависит от измерения веса с
помощью весов. Весы, имеющие точность ±0,1 мг, позволяют оп-
ределить плотность с точностью ±0,05%.
8. 3.4. Постоянные упругости
Исследование распространения ультразвуковых волн в материа-
лах позволяет определить постоянные упругости, знание которых
способствует лучшему пониманию поведения конструкционных
материалов. Постоянные упругости связаны с фундаменталь-
ными явлениями состояния твердого тела, такими как удель-
ная теплоемкость, температура Дебая и параметры Грюнейзена.
Постоянные упругости можно определить через скорость про-
дольных и поперечных волн [2].
Скорости ультразвука и постоянные упругости связаны следу-
ющими соотношениями:
Модуль продольной упругости: L = U2Lp
Модуль сдвига: G = U2sp-
(8.2)
(8.3)
Экспериментальные методы и теория 389
Модуль объемной упругости: К = L - (4/3) G. (8.4)
( L-2G
Коэффициент Пуассона: ст = ————- . (8.5)
)
Модуль Юнга: Y = (1 + a)2G (8.6)
Постоянная Ламе [34]: A = (Ul~2Uj) р- (8.7)
Температура Дебая [35], которая используется для объяснения
известной проблемы твердого состояния (колебания кристалли-
ческой решетки), тоже определяется через скорость. Соотношение
выглядит так:
D 4лУ )
ит,
(8.8)
где h — постоянная Планка, к — постоянная Больцмана, N— число
Авогадро, V — объем, рассчитанный через эффективную молеку-
лярную массу и плотность (то есть Л//р), Р — число атомов в моле-
кулярной формуле, Um — средняя скорость звука, рассчитываемая
следующим образом:
т 3 )
Постоянные упругости связаны с межатомными силами, ко-
ординационными изменениями и т.д., а также с ударной нагруз-
кой, ростом разломов и трещин [36]. В пористых материалах, на-
пример в литых металлах, керамике и большинстве композитов,
соотношения между постоянными упругости и скоростью доста-
точно сложные. В этих материалах постоянные упругости являют-
ся функциями размера, формы и ориентации пор [5] ( подробное
исследование приводится в данной главе в разделе 8.6). Другие
микроструктурные факторы, такие как размер зерна, межзерен-
ные границы, текстура и осадки, оказывающие ярко выраженное
воздействие на соотношение постоянных упругости и скорости
[3,4, 6], рассматриваются в разделе 8.5.
Измерения скорости и затухания ультразвука, плотности, а так-
же оценка постоянных упругости, температуры Дебая и т.д. исполь-
зуются для характеристики материалов согласно рис. 8.1.
390 Глава 8. Определение характеристик материалов
8.4. Использование постоянных упругости материалов
Передовые материалы, такие как порошковые металлы, керамика
и композиты, широко используются в промышленности [37—40].
По этой причине их характеристика, полученная посредством не-
разрушающих методов тестирования, имеет огромное значение.
Ключевыми параметрами в характеристике материалов являются
постоянные упругости и коэффициент Пуассона. Оценка посто-
янных упругости на различных стадиях производства помогает
улучшить качество конечного продукта, а также протестировать
его качество на различных этапах производственного процесса.
Во время производственных операций в материале неизбежно об-
разуются поры, которые имеют разные размеры, форму, величину
и распространение. Наличие пор в материале снижает прочность
изготавливаемых из него компонентов. Анализ данных, получен-
ных в процессе неразрушающих исследований пористых мате-
риалов, показывает, что замеры скорости ультразвука можно ис-
пользовать для мониторинга постоянных упругости, не прибегая
при этом к измерениям плотности. Ультразвуковые измерения
применяются главным образом для того, чтобы охарактеризо-
вать средний размер зерна, а также выявить пористость в зернис-
той структуре металлов или керамики и в волокне композитов. В
большинстве твердых тел скорость линейно уменьшается с уве-
личением пористости. А увеличение пористости, в свою очередь,
уменьшает плотность.
В следующих разделах вкратце рассматриваются различные
подходы к определению постоянных упругости и коэффициента
Пуассона в пористых материалах, а также их применение.
8.4.1. Изменение модулей упругости в зависимости
от пористости
Как было сказано в начале главы, модули упругости и коэффици-
ент Пуассона для пористых материалов выводят из измеренных
величин скорости и плотности с помощью различных соотноше-
ний.
Чтобы объяснить поведение постоянных упругости в зави-
симости от пористости, было выведено несколько уравнений.
Наиболее распространенное [39,40] выглядит так:
Y = Y^exp{-a р),
(8.10)
Использование постоянных упругости материалов
391
где Yo — модуль Юнга для материала без пор, а — константа, р -
пористая доля.
Пористая объемная доля р рассчитывается по формуле:
? = I, (8.11)
кРо)
где р — объемная плотность, определяемая через массу и объем эк-
спериментальным путем, р0 — теоретическая плотность, получае-
мая с использованием дифракции рентгеновских лучей (XRD).
Уравнение можно записать, осуществив подбор методом на-
именьших квадратов:
Y = Уоехр-(/>/> +с />2), (8.12)
где b и с — константы.
Измеренный коэффициент Пуассона можно соотнести с фун-
кцией пористой доли. Используя метод наименьших квадратов,
вышеприведенное соотношение с коэффициентом корреляции,
превышающим 0,99 [41] можно заменить на:
а = а'ехр-Ь' р •> (8.13)
где а 'и bконстанты, определяемые с помощью анализа подбо-
ра, выполненного методом наименьших квадратов.
Модули упругости и коэффициент Пуассона сравнивают с
теоретическими изысканиями. Базовая предпосылка данной те-
ории заключаются в том, что поры имеют сферическую форму
и распространяются в материале, обладающем гомогенными и
изотропными упругими свойствами. Эффективные модули упру-
гости получают из деформации, производимой в среде напряже-
нием, создаваемым неоднородностями, то есть порами. Далее мы
обсудим различные подходы к определению модулей упругости с
помощью различных теорий.
(I) Теория упругости
Модули упругости как линейная функция пористости в матери-
алах (например, керамике), содержащих сферические поры и имею-
щих низкую степень пористости [39,42-44], записываются в виде:
U l ~ lo Q-ClP} -> (8-14)
us — Uso (1 — Csp\ (8.15)
392 Глава 8. Определение характеристик материалов
Y = Y^\-CEp), (8.16)
(7 = (70(l-CGp), (8.17)
<7=^(1-^), (8.18)
где СЕ, CGnCQ- константы материала. Индексом 0 отмечены не-
пористые материалы.
Точные выражения для констант выглядят так:
СЛ=^){[С£+2С„а2(2- СТо)]/[(1-Ч)(1+ <70)(1-2<70)-1]},
(8-19)
С5 = 1/3, (8.20)
СЕ = (1/18)(29+11сг0), (8.21)
Сс=5/3, (8.22)
Св =(5/9)+(11<т0/18)-(1/18сг0). (8.23)
Вышеприведенные соотношения используются для выведе-
ния модулей упругости и коэффициента Пуассона в пористом ма-
териале из теоретических значений модулей и коэффициента.
Предпринимались попытки определить постоянные упру-
гости в пористых материалах с помощью теории упругости [37].
Изменения модулей упругости сравнивают со значениями, рас-
считанными по теории упругости и отмеченными на рис. 8.2
пунктирной линией. Значения постоянных упругости непорис-
того UO2 были взяты из величин, полученных в измерениях с по-
мощью кристалла. Значения, которые были выведены разными
авторами теоретическим путем [39, 42—44], аналогичны тем, что
были рассчитаны по формуле (8.16), и, в общем-то, согласовыва-
ются с экспериментальными значениями в материалах с низкой
степенью пористости. Расчеты, учитывающие форму пор, также
не продемонстрировали серьезных улучшений, поскольку пара-
метры пор сами изменяются как функция объемной пористой
доли и условий спекания.
Использование постоянных упругости материалов
393
Рис. 8.2. Изменение модулей упругости в зависимости от объемной
пористой доли в оксиде урана
(II) Модель порошковой металлургии
Модули упругости и коэффициент Пуассона в пористых ма-
териалах, таких как керамика, определяют, исходя из предполо-
жения о том, что сферические порошковые частицы расположе-
ны в простом кубическом порядке [44]. Если применить закон
Гука [44] к единичной ячейке кубического массива, подвергае-
мого напряжению, то точное выражение модуля упругости будет
выглядеть так:
Y = Уо exp- (bp+ ср2}, (8.24)
G = Go exp- (bp+ср2}, (8.25)
где b и с — константы.
Значения, рассчитанные по этой модели, обычно меньше зна-
чений, полученных по другим теориям. В пределах всего диапа-
зона согласование достаточно хорошее. Так, в литературе отме-
чалось хорошее согласование измеренных значений для А12О3 и
спеченных железных прессовок в пределах экспериментальной
погрешности [46]. Неравномерная картина распределения исход-
ных порошков с вариациями размеров частиц порошка в конкрет-
ном образце отличается от простой кубической картины распре-
деления частиц одинакового размера. Именно эти расхождения
несут ответственность за наблюдаемое отклонение.
394 Глава 8. Определение характеристик материалов
(III) Теория смешанного совместного рассеяния
Теория смешанного совместного многократного рассеяния
предполагает, что отклонения от эффективных свойств среды вы-
зываются двумя видами рассеивателей [48]. Модуль упругости,
рассчитываемый как функция пористости в теории смешанного
совместного рассеяния, представлен на рис. 8.3. Тем не менее для
железных прессовок соответствие теоретических величин изме-
ренным лучше по сравнению с традиционной теорией упругости.
Возможно, это связано с более сферичной формой пор в спечен-
ной керамике по сравнению со спеченными порошковыми ме-
таллическими частицами.
(IV) Коэффициент Пуассона
Коэффициент Пуассона рассчитывается по теории упругости и
теории рассеяния. Здесь отмечается большой разброс по сравнению
с измеренными значениями. Вероятно, это обусловлено тем, что ко-
эффициент Пуассона мало зависит от различий в упругих свойствах
и очень чувствителен к ошибкам в их определении, как отмечалось
ранее для керамики [49]. Для большинства пористых материалов
ошибка в оценке коэффициента Пуассона варьируется от 4 до 8%.
Анализ данных позволил вывести следующие уравнения для коэф-
фициента Пуассона, изменяющегося как функция пористости:
<7 = 0,316(1-0,361 р- 2, Пр1) (8-26)
<т = 0,324(1-1,043 р) (8.27)
Модули упругости пористых материалов являются функци-
ями пористости и ее структуры [39]. Эти параметры зависят от
характеристик исходных порошков и параметров производствен-
ных процессов, таких как уплотняющее давление, температура
спекания и время. Скорость ультразвука также не является одно-
значно определяемой функцией пористости и зависит от формы
и ориентации пор. Если зависимости модулей и скорости от фор-
мы, размера и структуры пор одинаковы, можно рассчитывать на
хорошую корреляцию скорости и модулей. Значения коэффици-
ента Пуассона рассчитывают по теориям упругости и рассеяния,
как показано на рис. 8.3 для оксида урана. На рис. 8.3 наблюдает-
ся хорошая связь между экспериментальными и теоретическими
значениями.
Использование постоянных упругости материалов 395
Рисунок 8.3. Изменение коэффициента Пуассона в зависимости от
объемной пористой доли в оксиде урана
Было замечено, что значения модулей упругости, предсказан-
ные моделью порошковой металлургии и теориями смешанного
совместного рассеяния, в наибольшей степени соответствуют
измеренным значениям. Согласование феноменологической
модели (порошковая металлургия) лучше при более высокой по-
ристости, поскольку эта модель рассматривает превращение по-
ристой структуры с переходом пор из объединенного состояния в
изолированное. Теория рассеяния предполагает, что поры явля-
ются изолированными сферическими рассеивающими элемента-
ми. Теория упругости действует только в отношении малых зна-
чений объемной пористой доли. Экспоненциальное соотношение
между модулем упругости и пористостью здесь не рассматривает-
ся, поскольку это эмпирическое соотношение. График «модуль
упругости — скорость продольных ультразвуковых волн» для спе-
ченного диоксида урана приведен на рис. 8.4 . Подбор данных ме-
тодом наименьших квадратов позволяет получить уравнение сле-
дующего вида:
M = M0-Cm(U0-U), (8.28)
где М — модуль, См — константа материала, U — скорость ультра-
звука.
396 Глава 8. Определение характеристик материалов
Рис. 8.4. График «модуль упругости — скорость продольных ультра-
звуковых волн»
Таким образом, изменение скорости и параметров упругости
как функцию объемной пористой доли можно сравнить с теори-
ей упругости и другими теориями. Вышеупомянутый ультразву-
ковой метод NDE учитывает для объяснения скорости ультра-
звука, модуля упругости и коэффициента Пуассона совместное
воздействие формы, размера и распределения пор, их измене-
ние в зависимости от изменения пористости. Количественное
знание различных ультразвуковых параметров позволяет полу-
чить полную характеристику материалов. С учетом всего вы-
шесказанного, мы вкратце рассмотрим упругие свойства следу-
ющих материалов:
(I) Конструкционные материалы.
(II) Стекло.
(III) Высокотемпературное сверхпроводящее стекло и стекло-
керамика.
(IV) Биоактивное стекло.
8.4.2. Конструкционные материалы
Упругие постоянные являются фундаментальными параметрами,
которые помогают понять и предсказать поведение материалов.
Крэер (и др.) [49] обосновал соотношение между скоростью про-
дольных/поперечных волн и модулями упругости в пористых ма-
териалах. Локьер и Праудфут [13] получили отличное соотношение
Использование постоянных упругости материалов
397
между модулем продольной упругости и модулем растяжения, ко-
торое было выведено ими в результате разрушающего исследования
хрупкого графита и спеченных вольфрамовых заготовок. Позднее
это соотношение было распространено на композиционные мате-
риалы [50—51].
Ультразвуковые измерения также использовались для опре-
деления модулей упругости при экстремальных температурах.
Для таких материалов, как мартенситные стали [14], уже были
получены некоторые данные. Зависимость модулей от темпера-
туры для многих материалов невелика. Тем не менее Линн Ворт
(и др.) [15] предпринимал попытки исследовать модули при тем-
пературах, близких к точке кипения в тугоплавких металлах, с
помощью самонагревающихся проводов. Величина постоян-
ных упругости непосредственно связана с прочностью матери-
алов, таких как бетон, чугун, керамика и некоторые композиты.
Определение предела прочности материалов при растяжении, то
есть модуля растяжения, выполняется путем измерений скоро-
сти продольных и поперечных волн. Предпринимались попытки
[17, 18] установить зависимость прочности чугуна при растяже-
нии от скорости продольных волн и измерений твердости, по
Бринеллю. Так, с помощью ультразвуковой резонансной техни-
ки тестирования была обнаружена корреляция предела прочнос-
ти и предела текучести [20].
В таких материалах, как бетон, большой интерес представля-
ет оценка возрастной прочности, которая имеет отношение к на-
пряжениям в опалубке, целостности сборки и перераспределению
нагрузки. Рис. 8.5 демонстрирует приближенную оценку возрас-
тной прочности бетона, полученную с помощью ультразвуковых
измерений [27].
Предпринимались попытки [23, 52] измерить силу сдвига и
изучить, как она соотносится с акустическими параметрами, та-
кими как скорость и затухание в слоистых волоконных компози-
тах. Зубрик [53] выявил хорошую корреляцию между прочностью
при растяжении, измеренной в ходе разрушающего исследования,
и модулем, определенным с помощью ультразвука. Измерения
скорости ультразвука и упругих свойств использовались для изу-
чения ориентации волокон в материалах. Эмпирическое соотно-
шение между скоростью Uv плотностью р и модулем продольной
упругости L в ряде композитных материалов:
398 Глава 8. Определение характеристик материалов
Продолжительность испытания, которому
подвергается бетон (часы)
Рис. 8.5. Зависимость скорости от возрастной прочности бетона
pU2e = Ьв,
(8.29)
где 0 — угол расположения волокна в серии слоистых веществ.
С помощью ультразвуковой техники можно определить трещи -
ностойкость высокопрочных сплавов [29, 30, 54, 55]. Измерения
скорости ультразвука и затухания эффективно использовались
для установления их корреляции с ударной вязкостью и трещи-
ностойкостью. Количественное исследование явления затухания
открывает много возможностей как в теоретической, так и в при-
кладной области. Затухание в твердых телах и соответствующие
взаимосвязи показаны на рис. 8.6.
Большое значение для определения свойств материалов имеет
измерение затухания в зависимости от частоты. Как было сказа-
но в главе 2, потери энергии, сопровождающие распространение
ультразвуковых волн в среде, связаны с механизмом поглощения,
который уменьшает упругие колебания, обращая их в тепловую
энергию. Данный механизм известен как истинное поглощение,
в отличие от механизма поглощения, связанного с рассеянием.
Механизм затухания, обусловленного рассеянием, преобладает в
поликристаллических материалах. Коэффициенты затухания [56]
зависят от размера зерна (D) и частоты (/) ультразвукового луча.
Механизмы рассеяния в твердых телах классифицируются по
трем категориям (табл. 8.2).
Использование постоянных упругости материалов 399
Метод
Многократные отражения микросекундных импульсов
от плоских параллельных поверхностей. Уменьшение
амплитуды импульса с расстоянием
I
Детали
Волны сжатия, имеющие частоту 5-500 МГц,
Ультразвуковая спектроскопия, поперечные волны
Совмещенный преобразователь
Импульсный компаратор
Экспоненциальный компаратор
I----------
Геометрические
потери и потери
на связь
Мало связаны или практи-
чески не связаны со
свойствами материалов
Дифракционные потери,
связанные с эффектами
расхождения луча и фазы
волнового фронта
Методы связи, прямой
контакт(потери на
отражение), водяная
прослойка
Отсутствие параллелизма /
непараллельность
поверхностей (клин) и/или
неоднородность упругих
свойств материала
Поглощение
Демпфирование,
связанное с дислокациями
(т.е. смещение, поврежде-
ние, вызванное излучени-
ем, внутреннее окисление)
Движение границ домена
Эффект вращения
магнетика вблизи
насыщения
Термоупругие потери
ь—1
Одинарный кристалл
Германий - дислокационное
демпфирование
Кремний - дислокационное
демпфирование
Повреждение, вызванное
радиацией
Щелочные галоидные соедине-
ния - воздействие радиации
Никель
Железо-кремний - ферромагнит-
ные ультразвуковые эффекты
Алюминиевый одинарный крис-
талл (чистый) и алюминий с
серебром
Исследование деформации
Термальное окисление - в оди-
нарном кристалле из сплава С AI
_________
Рассеяние
Межзеренная граница
Трещины/пустоты
Осадки, включения и т.д.
—I
Материалы LRLN -
зерна
Измерение размера зерна
Сплавы - изменение фазы
(потери, связанные, главным
образом, с рассеянием)
Водород в титане
Пластическая деформация
в поликристаллическом AI
Усталость в поликристалли-
ческом AI
Исследование хрупкости
в стали
Рис. 8.6. Источники затухания и их взаимосвязи
Табл. 8.2 Коэффициенты затухания в поликристаллических
твердых телах
Диапазон длин волн Механизм затухания Коэффициент затухания
Независимый Истинное затухание
X >D Рэлеевское рассеяние a=CrD3f4
\<D Фазовое рассеяние v.=CDf2
X«D Диффузное рассеяние u=C,/D а а'
400 Глава 8. Определение характеристик материалов
Три вышеперечисленные категории механизмов рассеяния
были проверены экспериментальным путем в разнообразных ма-
териалах, имеющих простую структуру и ярко выраженные зерна.
Экспериментальные данные показывают, что зависимость зату-
хания от третьей и четвертой степеней размера зерна (D) и час-
тоты (/) редко находит подтверждение. Применительно к экспе-
риментальному диапазону частот для фазового (стохастического)
рассеяния, то есть при X < D, преобладают функции более низких
степеней. В поликристаллических материалах это обусловлено
гранулометрическим составом зерна и субзерна.
В неоднородных конструкционных материалах отношение меж-
nyfviD, показанное в табл. 8.2, принимает следующую форму:
<8-30)
df ,
где а =<?/" +... (с и т — константы для многих материалов в частотном
диапазоне, в котором преобладают специфические механизмы зату-
хания). В выбранном частотном диапазоне [28] величина р5 корре-
лирует со свойствами материалов, зависящими от микроструктуры.
На рис. 8.7 показана корреляция ультразвукового затухания
и трещиностойкости [31] в двух мартенситных сталях и титане.
Вэри [28] предпринял попытку исследовать, насколько выпол-
нимо измерение трещиностойкости с помощью ультразвука при
плоской деформации в мартенситной стали и титане.
Согласно рис. 8.7, эмпирическое соотношение, связывающее
градиент затухания ультразвука, трещиностойкость и предел те-
кучести, выглядит так:
К V (II R W2
Ьс_ \=м , (8.31)
<jy ) \ т )
где UL — скорость продольных волн, р6 = da/df — величина, оце-
ненная при определенной частоте и основанная на размере зерна
5, М— экспериментальная константа для конкретного материала
или типа материала, т — экспоненциальная зависимость коэффи-
циента затухания от частоты (табл.8.2).
Скорость и предел текучести связаны линейным соотношением:
ау + АКгс + В/Зг=С, (8.32)
где р, — градиент затухания (da/df), оцененный при данной часто-
Использование постоянных упругости материалов
401
те для коэффициента затухания а, А, В и С — экспериментальные
константы, зависящие от материала.
Рис. 8.7. Корреляция затухания ультразвука и трещиностойкости
Из уравнения (8.32) понятно, что в результате проведения
ультразвуковых измерений в поликристаллических материалах
можно получить калибровочные кривые для трещиностойкости и
предела текучести [31].
В аэрокосмической и других отраслях промышленности широ-
кое применение находят такие материалы, как адгезивно-связанные
структуры и слоистые композиты, благодаря высокому показателю
отношения прочности к весу. Неразрушающее тестирование ком-
позиционных материалов играет важную роль в измерении пара-
метров прочности после изготовления, а также в оценке снижения
прочности в условиях неблагоприятной рабочей среды, приводя-
щих к проникновению влаги, стационарным перегрузкам, сотря-
сению, усталости и т.д. Было получено соотношение, связывающее
скорости, затухание и факторы прочности в связанных и слоистых
структурах, что позволило исследовать ультразвуковой метод на
предмет возможности предсказания внутренней, внутрислойной и
адгезивно-связывающей прочностей. В данной области существу-
ют различные подходы: (1) ультразвуковое резонансное измерение,
позволяющее определить адгезивную прочность соединения метал-
ла с металлом, (2) использование модулей упругости, полученных из
измерений скорости ультразвука и объясняющих прочность слоис-
тых композиционных материалов, армированных волокном, (3) из-
мерения методом акустического возбуждения, использующиеся для
402 Глава 8. Определение характеристик материалов
объяснения межволоконной прочности волоконных композитов
при сдвиге, чтобы связать отношение волокно/смола с содержани-
ем пустот. Прочность адгезивной связи металл—металл оценивается,
исходя из известной резонансной частоты fr, толщины адгезивного
слоя / и модуля упругости (Z или G) адгезивного слоя [24]:
ИЛИ fr=C]/^- (8-33)
где с — калибровочный коэффициент, который зависит от конфи-
гурации соединения, толщины металла и т.д.
Силу связи, определяемую уравнением (8.33), получают из
ультразвуковых резонансных измерений. К примеру, соотноше-
ние между межслойной прочностью при сдвиге и прочностью при
сдвиге, выведенной из скоростей в волоконном слоистом компо-
зиционном материале графит/полиамид [52], показано на рис. 8.8.
Рис. 8.8. Соотношение между межслойной прочностью при сдвиге
и прочностью при сдвиге, оцененной с помощью ультразвука
8.4.3. Стекла
Наиболее распространенными методами измерения модулей уп-
ругости стекол являются использование кривой «напряжение-
деформация», ультразвуковые измерения и метод резонансной
частоты. Из трех вышеперечисленных методов ультразвуковые
Использование постоянных упругости материалов 403
измерения представляют собой точную технику, что связано с ма-
лым размером используемого в них образца. Измерения чувстви-
тельны к наличию пористости или трещин.
Зависимость акустических параметров стекол от состава и тем-
пературы предоставляет ценную информацию для разработки но-
вых стеклянных материалов. Такие стекла, как борат с примесью
других стеклообразующих оксидов, находят широкое применение
в электронной промышленности [57, 58], благодаря высокой про-
водимости, терморезистивности и другим сопутствующим свойс-
твам стеклянных систем. Аналогично в последние годы вызвали
большой интерес стекла, представленные полупроводниковы-
ми оксидами металлов (ТМО), что было обусловлено большими
возможностями их применения в различных областях [59—61].
Стекла из ванадата со стеклообразующими оксидами BiO2 и Sb2O3
по причине их высокой стабильности использовались в качестве
переключающих запоминающих устройств [60]. Также большой
интерес представляет применение стекла из ванадата с примесью
титаната бария, поскольку такие стекла использовались для разра-
ботки конденсаторов с барьерным слоем [62]. Предпринимались
попытки [63—69] изучить структурные изменения и физические
свойства различных двухкомпонентных и трехкомпонентных сте-
кол при комнатной и криогенной температурах.
На рис. 8.9 показана зависимость модуля Юнга, модуля сдвига,
модуля объемной упругости и коэффициента Пуассона от состава
при изменении щелочного содержания двухкомпонентных стекол,
состоящих из силиката лития [70] и силиката натрия [71]. Из рис. 8.9
Рис. 8.9. Зависимость модуля Юнга, модуля сдвига, модуля объемной
упругости и коэффициента Пуассона от изменения кислот-
ного содержания состава
404 Глава 8. Определение характеристик материалов
ясна зависимость модуля Юнга и модуля объемной упругости от
концентрации щелочного катиона (Na+, Са2+, Ва2+) и объема.
С помощью ультразвуковых исследований удалось объяс-
нить роль двойной структуры РЬО в переходных ионах оксидов
металлов (TMI) и полупроводящих стеклах. Роль РЬО в качестве
модификатора [69] и создателя структуры стекол из окиси свин-
ца и висмуто-свинцовых стекол с добавлением сегнетоэлектрика
ВаТЮ3 [72] тоже объяснялась с помощью ультразвуковых иссле-
дований. Аналогичным исследованиям подвергался РЬО, содер-
жащий двух- и трехкомпонентные стеклянные системы [73—75].
Добавление РЬО к стеклянной структуре PbO-SiO2, то есть при
меньшем составе РЬО (PbO<SiO2, % веса), приводит к разруше-
нию структуры стекла, состоящей из групп Si-0-Si. При меньшем
составе РЬО стеклянная структура состоит из четырехгранников
SiO4, а в стекле из силиката свинца ионы РЬ+ занимают промежу-
точное положение в структуре. В результате происходит умень-
шение скорости, а следовательно, ослабление прочности и струк-
туры свинца. Это показывает, что если РЬО меньше SiO2, то РЬО
выступает в качестве модификатора структуры.
Когда РЬО превышает SiO2 (то есть PbO>SiO2, % веса), наблю-
дается обратная тенденция изменения скорости продольных волн и
сопутствующих параметров( рис. 8.10). При добавлении РЬО более
высокого состава формирование немостикового кислорода (NBO)
Концентрация РЬО (% веса)
Рис. 8.10. Изменение скорости и импеданса в зависимости
от содержания РЬО в стеклах PbO-SiO2
Использование постоянных упругости материалов 405
изменяет структуру стекла. Это означает, что связи структуры меня-
ются с Si-0-Si на Pb-0-Pb. Многие исследователи [73—75] отмечали
поэтапное выстраивание силикатного четырехгранника и существо-
вание ионной ковалентности. Наблюдаемые результаты подтверж-
дают, что РЬО при высоком составе выступает в качестве создате-
ля структуры. Влияние изменения структуры висмуто-свинцового
стекла с добавлением сегнетоэлектрика ВаТЮ3 на скорость и зату-
хание ультразвука [72] показано на рис. 8.11.
Помимо этого, изучалась зависимость упругих свойств стекол
Na2O-B2O3-SiO2 и Li2O-Al2O3-SiO2 от изменения щелочности [76,
77]. Зависимость упругих свойств от температуры тоже представ-
ляет собой интересный объект для изучения. Изменения затуха-
ния и скоростей звука в стеклах при низких температурах обус-
ловлены структурными преобразованиями, причиной которых
являются загрязнения, межзеренные границы или энгармонизм
пространственной решетки [78—80]. Вышеперечисленные изме-
нения можно изучать, учитывая взаимодействие ультразвуковых
волн и тепловых фононов, поскольку последние представляют
собой единственно важные элементарные возбуждения, присутс-
твующие при низких температурах [81].
Рис. 8.11. Изменение скорости (а) и затухания (Ь) в зависимости
от содержания РЬО в стекле состава висмут-свинец
с добавлением сегнетоэлектрика BaTiO,
Изучение поглощения в стеклах показало наличие ярко выра-
женного пика затухания при понижении температуры в простых
стеклах [82, 83], таких как GeO2, В2О3, As2O3 и т.д., и многокомпо-
нентных [84—85], как, например, NaO2-B2O2-SiO2/Na2O-GeO2 и
т.д. Были предприняты попытки исследовать сложный механизм
структурных связей в стекле, исходя из величины затухания и его
406 Глава 8. Определение характеристик материалов
вариаций, . Зависимость затухания от температуры в некоторых
халькогенидных стеклах (полученная с помощью 20-мегагерцовых
продольных звуковых волн) [86] проиллюстрирована рис. 8.12.
Рис. 8.12. Изменение затухания в зависимости от температуры
в халькогенидном стекле
При температуре стеклования для малой системы As2S3 и
As20S80 помимо резкого увеличения поглощения наблюдается ус-
туп. Зависимость скоростей звука (продольных и поперечных
волн) [87] на частоте 90 МГц от состава боросиликатного стекла
(главный компонент SiO2 — 80%, В2О3 — 14%) при очень низкой
температуре показана на рис. 8.13.
Относительное изменение скорости можно выразить так:
и и(Та)
где То — произвольная исходная температура, принятая равной 0,3 К.
Рис. 8.13 показывает существование резкого наклона кривой из-
менения скорости в боросиликатном стекле при очень низкой тем-
пературе. Подробное исследование аномалий в стеклах при низкой
температуре можно найти в соответствующей литературе [81].
Предпринимались попытки изучить температуру Дебая в по-
лупроводящих стеклах, сверхпроводящих стеклах с высокой тем-
пературой фазового перехода (Тс) и ГМ/-содержащих оксидных
стеклах. Температура Дебая использовалась для объяснения явле-
ния твердого состояния. В сверхпроводящем материале [88] темпе-
Температура (К)
Рис. 8.13. Относительное изменение скорости (а) продольных
и (Ь) поперечных волн в боросиликатном стекле
как функция температуры
ратура Дебая явно связана с температурой сверхпроводимости фа-
зового перехода (Г). С помощью температуры Дебая был хорошо
изучен процесс проводимости в полупроводящих стеклах [89—91].
Более того, она применяется для получения знаний об аморфной
природе и структурных изменениях [91—94] в таких стеклах, как
борат, силикат и теллурит, а также определения характеристики
спектра колебаний в кристаллических материалах [95].
Другим важным аспектом является выбор изопаузных (isopaus-
tic) стекол с помощью ультразвуковых исследований. В данном
контексте целесообразно рассмотреть способы применения многих
акустических устройств, таких как линии задержки, фильтры и вол-
новоды. В таких приборах материалы должны обладать максималь-
ной термостойкостью в диапазоне рабочих температур. Стекла,
связанные в четырехгранную структуру [96], такие как SiO2, GeO2
и BeF2, будут иметь положительный температурный коэффициент
скорости звука с минимумом температурной стабильности.
Такие стекла, как В2О3, As2S3, с планарной структурой имеют
отрицательный температурный коэффициент в широком диапазо-
408
Глава 8. Определение характеристик материалов
не: от экстремально низких до высоких температур [96]. В много-
компонентных стеклах можно добиться изопаузы путем изменения
состава стеклянной системы. Изопаузная природа двухкомпонен-
тной стеклянной системы V2O5-GeO2 [96] была замечена в составе
<V2O5> 0,3184<GeO2> 0,6816 И 0,3951<GeO2) 0,6049 В ТСМПературНЫХ ДИЭ-
пазонах от 265 до 300 К и от 230 до 300 К соответственно. Вариации
скорости и затухания в стеклянной системе V2O5-GeO2 показаны на
рис. 8.14и 8.15.
3.45 -]-----------------------------
(У’ООоЛМ ~ (Ge02)o,6816
2.05 -----------------------------—
(V205)o,3184 - (Ge02)o.6816
1
о
3.35-
(Уг05)о.з951 ~ (Ge02)o.6049
3.25-|----------1--------1---------1--------1---------г-1
50 100 150 200 250 300
1
ъ
1.975 -
и
о
I
(^2^5)0.3951 - (Ge02)o.«049
1.90 - [ г — - --у- --• - J---------г~
50 100 150 200 250 300
Температура (К)
Температура (К)
Рис. 8.14. Температурная зависимость скорости (а) продольных
и (Ь) поперечных волн в стекле V2O5-GeO2
Рис. 8.15. Температурная зависимость затухания в стекле
V2O5-GeO2
Работа сил упругости в атомистическом подходе
Постоянные упругости стекол можно определить с помощью
атомистического подхода, который описан ниже. Как правило, в
твердых телах кривые потенциальной энергии Кондона—Морзе,
Использование постоянных упругости материалов 409
показанные на рис. 8.16, используются для изучения отдаления
атомов друг от друга. Если г — межатомное расстояние, V — потен-
циальная энергия, то сила межатомного взаимодействия F рав-
на —dV/dr.
Сила /’представляет собой сумму силы притяжения и мощной
силы отталкивания согласно принципу запрета Паули:
где а — константа, N = 2 для электростатического (кулоновского)
притяжения.
Из рис. 8.16 понятно, что суммарная сила равна нулю при рас-
стоянии Гд, соответствующем равновесию сил. Поэтому прилага-
емая сила должна действовать в направлении, противоположном
F, чтобы «оторвать» атом. Локальный модуль упругости микро-
скопической области при г= г0 равен:
£ = —(^74), (8.36)
Эг
где А — эффективная зона ионов, подвергающихся воздействию
прилагаемой силы.
Рис. 8.16. Изменение силы в зависимости от расстояния г между
атомами (кривая Кондона—Морзе)
410 Глава 8. Определение характеристик материалов
Согласно Гилману [98], величина, обозначающая зону в вышеп-
риведенном уравнении (8.36), приближенно равна г ° и поэтому:
Е~2ктег/~2ит/, (8.37)
где кт — константа Мэйдланга, е — заряд электрона, ит — энергия
Мэйдланга.
Энергию Мэйдланга, приходящуюся на единицу объема, в
многокомпонентной стеклянной системе [99] можно получить
через энергию диссоциации g., приходящуюся на единицу объема
каждого оксида, умноженную на плотность размещения:
(8.38)
/
Плотность размещения (рр) равна:
<8-39>
где М— эффективная молекулярная масса, х. — мольная доля ком-
понента /, р;— фактор уплотнения, получаемый из нижеприведен-
ной формулы для оксидной системы АхОу:
р,. =^Зх10^4л^3 (8 40)
Воспользовавшись данным подходом, можно рассчитать ко-
эффициент Пуассона [101] для оксидного стекла:
<7 = 0,5-
1
7,2рР
(8.41)
Предпринимались попытки [102-107] определить постоянные уп-
ругости стекол, таких как щелочноземельный алюминосиликат, борат
натрия, боросиликат натрия и боросиликатное известково-натриевое
стекло. Оказалось, что во всех системах упругие постоянные, опреде-
ленные с помощью атомистического подхода, соответствовали зна-
чениям, полученным экспериментальным путем.
8.4.4. Стекла и стеклокерамика с высокотемпературной
сверхпроводимостью
В сверхпроводящих материалах с высокой Тс исследования с при-
менением ультразвука играют важную роль в изучении фазового пе-
Использование постоянных упругости материалов 41
рехода. Значимость ультразвуковых измерений была подтверждена
теорией Бардина-Купера-Шриффера (BCS) [108], в которой экс-
поненциальное снижение затухания ультразвука после достижения
Т использовалось для получения энергетического интервала в тра-
диционных металлических сверхпроводниках. В случае проводни-
ков II типа изменение скорости ультразвука при низкой температуре
использовалось для объяснения фазового перехода в сверхпроводя-
щих материалах. Природа затухания, уменьшающегося после дости-
жения Г, объяснялась через взаимодействие ультразвуковых волн и
электронов проводимости в металле. Снижение скорости звука при
низкой температуре впервые было измерено в новых сверхпровод-
никах, а именно в бариевом купрате лантана, сплаве II типа [109].
Позже аналогичным измерениям подвергались другие семейс-
тва сверхпроводников с высокими температурами фазового пере-
хода. На начальных стадиях вклад ультразвуковых свойств в оцен-
ку состояния сверхпроводимости был не на должной высоте. Как
результат были определены постоянные упругости в зависимости
от диффузии кислорода. Многие исследователи изучали влияние
пористости на ультразвуковые волны. Элмонд [110] попытался
провести обзор непоследовательностей в измеренной скорости
ультразвука в бариевом купрате иттрия (YBCO). Пористость игра-
ет существенную роль в измерениях скорости в образцах.
Пористость
Материалы с высокотемпературной сверхпроводимостью име-
ют керамическую природу. По этой причине пористость является
единственным наиболее важным параметром, который определяет
общую прочность сверхпроводников. Самым распространенным
способом подготовки сверхпроводящего материала является так на-
зываемый метод встряска-обжиг. В данном методе нужное количест-
во порошков хорошо смешивают и подвергают обжигу для получения
смешанного порошка. Затем порошок спрессовывают, придавая ему
форму таблетки. После этого посредством спекания таблетки, то есть
расплавления частиц порошка, получают твердое тело. Пористость
образца зависит от размера частиц порошка и времени спекания.
Понятно, что скорость ультразвука представляет собой убывающую
функцию пористости среды распространения. Измерения скорости
ультразвука успешно применяются для оценки пористости матери-
алов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью. К
тому же используется теоретическая оценка пористости в сверхпро-
412 Глава 8. Определение характеристик материалов
водящих материалах [111, 112], которая основана на теориях мно-
гократного рассеяния, предложенных Сэйерсом и Смитом [113].
Ультразвуковой метод не только дает общую оценку пористой доли,
но и предоставляет информацию об изолированных скоплениях пор
или порах крупного размера, наличие которых недопустимо [114].
Модуль упругости
Определение модуля упругости является первоочередным фак-
тором в исследовании сверхпроводящих материалов. Хорошо из-
вестно, что в поликристаллах существуют два независимых модуля
упругости, например модуль объемной упругости и модуль сдвига.
Их можно оценить посредством измерения скорости продольной и
поперечной волн в сверхпроводящих материалах, как описано в дан-
ной главе. Все остальные модули рассчитывают на основе двух вы-
шеназванных. Некоторые исследователи сообщали об аномалиях в
изменении модулей упругости в сверхпроводящих материалах [115—
118]. Аналогичные аномалии в вариациях скорости в образце сверх-
проводящего материала YBa2Cu3O7 5 [119] показаны на рис. 8.17.
Рис. 8.17. Относительная скорость звука как функция температуры
в крупнозернистом образце YBa2Cu3O7 s (Тс = 87 К)
Содержание кислорода
Влияние содержания кислорода, микротрещин и т.д. на модули
упругости представляет очередную важную тему, которая еще не
была полностью изучена с помощью ультразвуковых измерений.
Использование постоянных упругости материалов 413
Такие свойства, как сверхпроводимость, температура фазового
перехода и критическая плотность тока в сверхпроводнике, силь-
но зависят от содержания кислорода. Предпринимались попытки
объяснить зависимость скорости звука от содержания кислорода.
Анизотропия
Измерения затухания и скорости ультразвука использовались
для выявления крупной анизотропии в спеченных кованых образ-
цах сверхпроводящего материала. При использовании продоль-
ных и поперечных волновых мод возможны пять разных конфигу-
раций звуковых волн относительно оси ковки. Когда продольные
волны распространяются перпендикулярно оси ковки, на кривой
зависимости затухания от температуры наблюдаются три пика
при температурах 70,180 и 250 К. Однако, когда продольные и по-
перечные волны движутся параллельно оси, наблюдается только
один пик при 180 К. Затухание поперечных волн, распространяю-
щихся вдоль оси ковки, усиливается с понижением температуры.
Аномальное поведение поперечных волн вдоль оси объясняется
релаксационным процессом, включающим сдвиговые смещения
неодинаковых кристаллитов в окружающей матрице. Кроме того,
сообщают об анизотропии в вариациях скорости при измерениях
в диапазоне температур от 50 до 300 К.
Фазовый переход
Переход в сверхпроводящее состояние представляет со-
бой термодинамическое фазовое превращение второго типа.
Следовательно, различия проявляются в производных от термо-
динамических потенциалов в сверхпроводящем и нормальном со-
стояниях. Эти различия ясно отражены в результатах измерений
удельной теплоемкости, затухания, модулей упругости и скорости
звука [125]. Измеренное затухание [126] в спеченных и кованых
сверхпроводящих материалах демонстрирует несколько пиков
при температуре от 70 до 300 К. Наблюдаемые пики затухания
обусловлены релаксацией, которую можно связать с возбуждени-
ем, ответственным за высокую температуру перехода сверхпро-
водников. Однако в сверхпроводящих структурах, основанных на
таллии, пики появляются вблизи фазового перехода в сверхпро-
водящее состояние. В некоторых материалах измерения скорости
демонстрировали скачок величины до 200 промиль (ррт) в пере-
ходной области [125].
414 Глава 8. Определение характеристик материалов
Измерения скорости ультразвука в системе LaSrCuO [126]
показывают ее значительное уменьшение при температуре ма-
териала 200 и 100 К. Некоторые исследователи [127, 128] также
наблюдали прерывности в изменении скорости при температу-
ре перехода. Пики затухания тоже отмечаются в измерениях при
200 и 100 К. Пик, наблюдаемый при 200 К, связан со структур-
ным переходом от высокотемпературной тетрагональной фазы к
орторомбической фазе, проявляющимся в значительном умень-
шении скорости. Аналогично пик при 100 К вызван структур-
ным переходом от орторомбической фазы к низкотемпературной
тетрагональной фазе. Кроме того, после перехода в состояние
сверхпроводимости тоже наблюдался пик, возникновение ко-
торого приписывается релаксационным процессам. Подобные
особенности поведения затухания и скорости также наблюдались
в YBaCuO [124, 128—130]. Ражендран (и др.) [121] изучал зави-
сящие от концентрации акустические и электрические свойства
высокопроводящего материала Bi3 5Pb0 5Sr3Ca3Cu4Oz+xAg2O, яв-
ляющегося предшественником сверхпроводников с высокой Тс.
8.4.5. Биоактивные стекла
Важной деятельностью в области медицины является замена пов-
режденных или больных частей тела подходящими твердыми мате-
риалами. Выбор материалов зависит от ряда факторов. Физические
и биологические свойства материала должны соответствовать тка-
ням, с которыми он соприкасается, чтобы избежать отрицательных
реакций и достичь полезного взаимодействия материала и тканей.
Биоматериалами, которые обладают вышеназванными свойства-
ми, являются металлы, полимеры и керамика. Иногда применяется
комбинация этих веществ. Имплантанты следует выбирать так, что-
бы обеспечить эффективное взаимодействие материала с тканями.
В последние годы значительный интерес завоевали биоактив-
ные стекла [131]. Эти стекла способны образовывать химическую
связь с костью [132]. Первым шагом в процессе соединения кости
со стеклом является выщелачивание последнего, в результате чего
на поверхности стекла формируется гидратированный слой. После
этого на стеклянной поверхности наращивают слой фосфата каль-
ция, что позволяет связать стекло и новую кость [133]. Для эффек-
тивного соединения важно изготовить правильный состав раствора
и выбрать подходящую структуру стекла с помощью процедуры оп-
тимизации [134].
Использование постоянных упругости материалов 415
Хенч [135] был первым исследователем, который предпринял
попытку сформировать слой апатита на стеклах системы Na2O-
CaO-SiO2-P2O5 как в пробирке, так и в живом организме. С тех
пор многие исследователи считали, что Р2О5 важен для образова-
ния апатитного слоя на поверхности в моделирующей тело жид-
кости (SBF). Кокубо (и др.) [136, 137] показал, что стекла Na2O-
CaO-SiO2, которые не включают Р2О5, образуют слой апатита на
поверхностях в SBF. Недавние исследования [138, 139] системы
Na2O-CaO-P2O5-Al2O3-SiO2 подтвердили биоактивность этих сте-
кол. В последние годы лишь несколько групп [140, 146] проявили
интерес к разработке биоактивных стекол, изучению воздействия
SBF, микроструктурных, механических и химических свойств сте-
кол. Некоторые группы [141] лишь недавно сосредоточились на
разработке биоактивных стекол. Например, Хеймо Илайнен (и др.)
[142] изучал пористые стекла, которые образуются в результате
спекания биоактивных стеклянных микросфер, и их воздействие
при погружении в SBF. Изабо (и др.) [143] уделял особое внимание
микроструктурным механическим и химическим свойствам стек-
локерамики, содержащей апатит и кристаллы лейцита. Джеймс
[144] исследовал новую структуру и способы применения стекло-
керамики. Подобно тепловому расширению, электрическим и диэ-
лектрическим свойствам и т.д., изучение распространения ультра-
звуковых волн в биоактивных стеклах и стеклокерамике является
важным инструментом, позволяющим оценить коэффициенты уп-
ругости, микротвердости, коэффициент Пуассона и связанные с
ними свойства для последующего применения в биомедицине.
Зависимость различных акустических параметров [150] от со-
става четко указывает на тот факт, что добавление Р2О5 в систе-
му стекла влияет на все свойства материалов. Было замечено, что
степень формирования апатитного слоя в SBF повышается при
добавлении Р2О5 к В2О3 и Na2O-CaO-SiO2, не содержащему А12О3,
и понижается при добавлении Р2О5 к стеклам Na2O-CaO-B2O3-
Al2O3-SiO2. Аналогичные результаты в такой же системе были по-
лучены с использованием дифракции рентгеновских лучей (XRD)
и в ходе инфракрасной спектроскопии с фурье-преобразованием
(FTIB) [151]. Таким образом, наблюдаемые повышение и по-
нижение степени формирования апатитного слоя отражаются
в зависимостях различных акустических параметров от состава
материала. Ражендран (и др.) [152] попытался исследовать моду-
ли упругости, твердость, трещиностойкость и их связь с механи-
416 Глава 8. Определение характеристик материалов
ческими свойствами биоактивных стекол SiO2-Na2O-CaO-P2O5 в
биоактивной области или вблизи нее. Ультразвуковые исследо-
вания помогли выяснить, каково воздействие термообработки на
физические свойства биоактивного стекла SiO2-Na2O-CaO-K2O-
MgO-P2O5-B2O3 [153].
8.5. Микроструктурная характеристика
Очень важно удостовериться в том, что в компонентах, прошедших
механическую и тепловую обработку, микроструктура соответству-
ет требуемой. Кроме того, огромное значение имеет оценка износа
материалов и компонентов (в результате микроструктурного разру-
шения) в процессе эксплуатации, что связано с условиями работы.
Главными механизмами, ответственными за износ, являются кор-
розия, ползучесть, усталость, коррозия под напряжением и хруп-
кость. Эти разрушающие механизмы связаны с прогрессирующими
изменениями микроструктуры и субструктур, которые приводят к
ухудшению механических характеристик, возникновению и рас-
пространению трещин. Обнаружение и оценка изменений микро-
структур и субструктур методами NDT помогают выявить старение
компонентов и структур, предсказать и продлить срок службы. В
настоящее время методом NDT, который преимущественно ис-
пользуется для реальных компонентов, является внутренняя метал-
лография. Данный метод дает информацию только о выборочных
участках материала, в то время как другие методы NDT позволяют
получать информацию о нескольких участках и даже обо всем объ-
еме в целом. В последние годы ультразвуковое NDT проявило себя
как один из потенциальных методов оценки микроструктурного
разрушения в компонентах, находящихся в процессе эксплуатации.
Следующие разделы посвящены рассмотрению микрострук-
турных характеристик, оцениваемых с помощью методов NDT:
размер зерна, текстура, рекристаллизация, выпадение осадка и т.д.
8.5.1. Измерения размера зерна
Средний размер зерна поликристаллического материала является
важным конструкционным параметром. Размер зерна в матери-
алах обычно определяют с помощью металлографических мето-
дов. Для этого производится надрезание, шлифовка, травление.
Микроструктуру рассматривают через микроскоп или делают
Микроструктурная характеристика 417
микрофотографические снимки и анализируют. В последние годы
было разработано несколько ультразвуковых методов, позволяю-
щих исследовать размер зерна в поликристаллических металлах и
сплавах. Методы основаны на измерении различных физических
ультразвуковых параметров, с помощью которых можно опреде-
лить размер зерна:
(I) Затухание [11,157].
(II) Спектр затухания [158].
(III) Обратное рассеяние [148].
(IV) Относительное затухание [160].
(V) Поверхностные волны Рэлея [161].
(VI) Скорость [162].
(VII) Спектральный подход [163].
Вне зависимости от выбранного метода, при определении
среднего размера зерна в поликристаллических материалах [149,
150] с помощью ультраакустики нужно соблюдать последователь-
ность шагов:
(1) Подготовка образца.
(2) Оптическая металлография.
(3) Измерение ультразвукового параметра.
(4) Построение контрольного графика.
(5) Измерение ультразвукового параметра в новом образце.
(6) Оценка размера зерна в новом образце с помощью калиб-
ровочного графика и верификация контрольного графика для
дальнейшего использования.
(I) Затухание
В данном методе [11, 157] в зависимости от требований к раз-
меру зерна и вида обследуемого компонента готовятся стандарт-
ные образцы и производится отжиг раствора для гомогенизации
микроструктуры. Достижение нужного размера зерна в образцах
осуществляется с помощью термообработки или холодной обра-
ботки после тепловой. После этого в зависимости от размера об-
разцов и фактора затухания выбирают ультразвуковой преобра-
зователь и частоту. Затем образцы подвергаются металлографии,
и для каждого из них записывается размер зерна. Образцы мик-
рофотографий отожженных растворов и других микроструктур,
прошедших термообработку, показаны на рис. 8.18.
Во всех стандартных образцах производятся измерения за-
тухания ультразвука согласно процедуре, описанной в главе 2.
418 Глава 8. Определение характеристик материалов
Эксперимент повторяется для различных частот. На основе изме-
ренного затухания и размера зерна, полученного в металлографии,
строится главный график (рис. 8.19). По рис. 8.19 понятно, что гра-
фик, нарисованный для частоты 4 МГц, представляет собой прак-
тически линейную функцию от изменения среднего размера зерна.
Отметим, что при рассмотрении размеров зерна именно этот гра-
фик больше всего подходит, чтобы называться контрольным. Если
имеется образец того же химического состава и размеров с неизвес-
тным размером зерна, то размер зерна определяется простым изме-
рением величины затухания в образце с использованием далее кон-
трольного графика. Существенным недостатком метода затухания
является то, что в нем не предусмотрено поправок на прослойки,
дифракцию и т.д., поэтому в результаты могут закрасться ошибки.
Главное достоинство метода затухания, применяющегося для
определения среднего размера зерна, — это его простота. Любой
человек с минимальным техническим опытом может воспользо-
ваться данным методом. Однако надежность метода затухания
ультразвука зависит от состояния прослойки и умения пользова-
теля рассчитать поправки на дифракцию, особенно если образец
имеет большую толщину, и включить их в измеренную величину
затухания. Следовательно, применение метода в некоторых случа-
ях может оказаться проблематичным, если невозможно добиться
однородности прослойки, а расхождение лучей / профиль зонда,
позволяющие определить поправку на дифракцию, неизвестны.
(II) Спектр затухания
В данном методе [158] образец, размер зерна которого известен
(стандартный образец), подвергается исследованию с помощью се-
рии зондов или одного зонда с плоской амплитудно-частотной ха-
рактеристикой. После этого строится график измеренных значений
затухания в зависимости от частоты (рис. 8.20). Если величины раз-
мера зерна и длины волны (частоты) относятся к рэлеевской области
рассеяния, можно ожидать, что соотношения между логарифмичес-
кими значениями частоты и затухания будут линейными. Рис. 8.20
иллюстрирует типичный схематический контрольный график.
Рис. 8.20 наглядно показывает, что углы наклона графика для
крупного (120 мкм и более), среднего (60—120 мкм) и мелкого (ме-
нее 60 мкм) зерна различаются. У образца с крупным размером зе-
рен наклон более крутой по сравнению с мелкозернистым образцом.
Микроструктурная характеристика
419
Рис. 8.18. Примеры оптических микрофотографий микроструктур
в нержавеющей стали AISI316: (а) обожженный раствор (SA),
(Ь) SA+ термообработка, 30 мкм, (с) 85 мкм, (d) 138 мкм
Рис. 8.19. Типичное представление контрольного графика - метод
затухания
420 Глава 8. Определение характеристик материалов
Рис. 8.20. Типичное представление контрольного графика —
микрометровые спектры
Таким образом, если требуется определить размер зерна для похо-
жего образца, обладающего аналогичным химическим составом, это
можно сделать с помощью контрольного графика. Нужно получить
несколько значений затухания в заданном частотном диапазоне и
по наклону построенного графика определить размер зерна.
(III) Обратное рассеяние
В данном методе [159] типичные сигналы, полученные в мел-
ко- и крупнозернистых образцах, показаны на рис. 8.21 и 8.22. На
рис. можно увидеть сигналы, возникающие в интервале между
переданным импульсным сигналом и эхо-сигналом от задней по-
верхности, а также сигналы между двумя эхо-сигналами.
Сигналы, о которых идет речь, отражаются от отдельных зе-
рен и обычно называются зерновыми шумами. По ним можно оп-
ределить размер и рассеивающую эффективность зерен в образ-
це. Некоторое количество сигналов (скажем, 1500) подвергается
стробированию, выпрямлению, суммированию через определен-
ные доли времени и выводится на экран CRT. Типичная картина
стробированных сигналов в мелкозернистых и крупнозернистых
структурах после суммирования приводится на рис. 8.23. Рисунок
наглядно показывает, что с увеличением размера зерна средние
пиковые амплитуды отраженных сигналов также повышаются.
Таким образом, сопоставляя амплитуды сигналов обратного рас-
сеяния с контрольным графиком, можно определить размер зерна
в новом образце (рис. 8.23).
Микроструктурная характеристика
421
Рис. 8.21. Типичный сигнал временной области в тонкозернистом
материале
Эхо-сигнал 1
Переданная
картина
Время (мкс)
Зерновые
шумы
Зерновые шумы
плюс область
эхо-сигналов
Рис. 8.22. Типичный сигнал временной области в крупнозернистом
материале
Вместо сигналов временной области для определения размера
зерна можно использовать сигналы частотной области. Метод об-
ратного рассеяния также полезен в измерениях глобальных неод-
нородностей, возникающих от выделений сплавов и включений в
металлах и керамике.
Глава 8. Определение характеристик материалов
Рис. 8.23. Суммирование выпрямленных сигналов зерновых шумов
(IV) Относительное затухание
Относительным называется затухание в материале, рассмат-
риваемое относительно затухания в контрольном материале. Этот
метод [160] является продолжением метода затухания, рассмот-
ренного выше. При измерении относительного затухания, а не аб-
солютного устраняются ошибки, связанные с расчетом поправок
на прослойку и дифракцию, следовательно, значительно повыша-
ется точность определения затухания и оценки среднего размера
зерна. Как и в предыдущих случаях для калибровки и получения
контрольного графика необходим набор стандартных образцов с
известным размером, зерен. Нужно рассматривать только первый
эхо-сигнал в образцах. Как бы то ни было, все измерения следует
проводить при одном уровне усиления.
Сначала выбирается образец с наименьшим размером зерна
(контрольный образец), и соответственно, с наибольшей ампли-
тудой эхо-сигнала. Уровень усиления первого эхо-сигнала регу-
лируется таким образом, чтобы его амплитуда занимала 90% вы-
соты экрана CRT. Затем берутся другие образцы и производятся
измерения амплитуды первого эхо-сигнала. Величины относи-
тельного затухания получают путем сравнения с показателями,
определенными по контрольному образцу, и наносят на график
как функцию размеров зерен, найденных с помощью металло-
графии. Таким образом, строят контрольный график, показан-
ный на рис. 8.24.
Микроструктурная характеристика
423
Рис. 8.24. График относительного затухания как функции размера
зерна, полученного с помощью металлографии. Обратите
внимание на расширение полосы разброса значений
затухания при переходе к крупнозернистым материалам.
Если какой-то образец с неизвестным размером зерна имеет
аналогичный химический состав, можно вычислить относитель-
ное затухание и по графику определить средний размер зерна. В
некоторых случаях можно непосредственно по точкам построить
график «амплитуды первых эхо-сигналов от задней поверхнос-
ти — размеры зерна, полученные с помощью металлографии»
и использовать его в качестве контрольного. Однако оба неизвес-
тных образца должны иметь одинаковую толщину.
(V) Поверхностные волны Рэлея
В вышеописанных процедурах было продемонстрировано ис-
пользование только объемных волн. Если нас интересует поверх-
ностная и подповерхностная морфология зерен, для измерения их
размера можно применять поверхностные волны Рэлея. В данном
методе [ 161 ] на некотором расстоянии друг от друга, зависящем от
размеров образца, размещают два зонда для поверхностных волн,
один из которых выступает в качестве приемника, а другой — из-
лучателя.
Так же как и в предыдущих измерениях, для стандартных
образцов записывают измерения амплитуды рэлеевских волн.
После этого строится контрольный график «амплитуда рэлеевс-
424 Глава 8. Определение характеристик материалов
ких волн — средний размер зерна, полученный с помощью метал-
лографии» (рис. 8.25). Руководствуясь той же самой процедурой
метода относительного затухания, можно построить контрольный
график для оценки размера зерна в новых образцах.
Рис. 8.25. График «амплитуда волн Рэлея— размер зерна, полученный
с помощью металлографии»
(VI) Измерения скорости
В отличие от рассмотренных выше зависимостей между зату-
ханием и средним размером зерна, скорости ультразвука не име-
ют четкой функциональной связи со средним размером зерна.
Для всех практических целей, например при оценке постоянных
упругости в поликристаллических материалах [162], скорости
ультразвука считаются постоянными факторами. Изменение ско-
рости ультразвука в зависимости от частоты и среднего размера
зерна представляет особый интерес и было теоретически изучено
Хирзекорном [163, 164]. На типичном графике, показывающем
функциональные отношения между скоростью, размером зерна и
длиной волны в отожженном растворе, отчетливо выделяются три
области: убывания, возрастания и осцилляций (рис. 8.26).
Если во второй области выбрать размер зерна D и волновое чис-
ло к, можно определить линейное отношение по аналогии с зави-
симостью затухания ультразвука от размера зерна (положительный
наклон). В то же самое время, если выбираются различные величи-
ны для данного продукта, возможно получение отрицательного на-
клона. Обе области I и II пригодны для определения размера зерна,
в то время как область III, представленная осцилляциями, для этого
Микроструктурная характеристика 425
kD
Рис. 8.26. Скорость ультразвука как функция KD
а) Средний размер зерна (мкм)
Ь) Размер зерна (мкм) (металлография)
Рис. 8.27. Измерения размера зерна: а) контрольный график,
Ь) сравнение со значениями, полученными с помощью
металлографии
не подходит. На рис. 8.27а изображен контрольный график, полу-
ченный для области I с помощью измерений скорости 2-мегагерцо-
вых ультразвуковых продольных волн в аустенитной нержавеющей
стали типа 316. Сравнение размеров зерен, выявленных с помощью
ультразвукового метода и металлографии, показано на рис. 8.27b.
Рис. 8.28 демонстрирует график [31], полученный в области II для
титанового сплава Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al. Точность измерений скоро-
сти ультразвука в образце обычно составляет ±5 м/с. Важным плюсом
использования измерений скорости ультразвука с целью определения
размера зерна является точность определения времени прохождения
ультразвука с помощью электронного инструментария. Кроме того, в
отличие от измерений затухания, на измерения скорости ультразвука
не сильно влияют поправки на прослойку и дифракцию.
426 Глава 8. Определение характеристик материалов
Рис. 8.28. Соотношение между скоростью и размером зерна
в мартенситной стали на частоте 30 МГц
d, мкм
1У'а (мкм-1/2)
Рис. 8.29. Изменение предела текучести, пиковой частоты и FWHM
в зависимости от D—1/2
(VII ) Спектральный подход
В данном методе [163] для первого ультразвукового эхо-сигнала
от задней поверхности образца определяются значения спект-
ральной пиковой частоты и полной ширины спектра собствен-
ной мощности (FWHM) по половинному от максимума уровню.
Используется корреляционная связь этих параметров с размером
зерна. Рис. 8.29 демонстрирует хорошее линейное соотношение
Микроструктурная характеристика 427
между значениями пиковой частоты и FWHM, отложенными по
одной оси графика, и значениями D~I/2, нанесенными по другой
оси, для образцов толщиной 5 мм.
Рис. 8.29 также показывает вариации предела текучести в зави-
симости от IF1/2. Получается, что два ультразвуковых параметра,
пиковую частоту и FWHM, можно использовать для определения
не только размера зерна, но и предела текучести, если не наблю-
дается никаких других микроструктурных изменений, которые бы
повлияли на предел текучести. Кроме того, метод можно приме-
нять на базе ПК, что позволяет отслеживать изменение размера
зерна в режиме реального времени.
8.5.2. Рекристаллизация
При выборе метода изучения поведения заданного материала при
отжиге следует принимать во внимание его свойства, состояние
и особые характеристики. Восстановление, рекристаллизация и
рост зерен — вот три процесса отжига, которые приводят к из-
менениям в микроструктуре, подвергнутой холодной обработке.
Из них рекристаллизация [165, 166] является микроструктурным
процессом, в ходе которого из деформированной микрострукту-
ры образуются новые зерна, не подвергающиеся напряжению. В
зависимости от материала рекристаллизацию часто сопровожда-
ют микроструктурные изменения, такие как разложение твердо-
го раствора, выпадение второй фазы в осадок, фазовый переход
и т.д. Эти изменения влияют на ход рекристаллизации и нередко
маскируют ее воздействие, не предоставляя информации, кото-
рую можно получить с помощью некоторых методов анализа.
Наиболее распространенными методами изучения поведения
металлов и сплавов являются испытания на прочность и оптическая
металлография. Часто эти методы дают разные значения температу-
ры и времени начала или завершения процесса рекристаллизации.
Количественные металлографические методы, нередко применя-
ющиеся для измерения степени рекристаллизационного процесса,
требуют больших затрат времени и подвержены ошибкам. В этой ра-
боте был использован метод измерения скорости ультразвука.
Измерения скорости ультразвука для 4-мегагерцовых попереч-
ных волн проводились в образцах 15Cr-15Ni-2,2Mo-Ti модифици-
рованной аустенитной нержавеющей стали (сплав D9), прошедшей
20%-ю холодную обработку (растягивающие усилия) и отжиг. Эти
измерения имели целью получение характеристики поведения ма-
428 Глава 8. Определение характеристик материалов
териала при изотермическом отжиге [167, 168]. Рис. 8.30 и 8.31 де-
монстрируют изменение скорости поперечных и продольных уль-
тразвуковых волн в зависимости от продолжительности отжига.
Продолжительность
испытания (часы)
Рис. 8.30. Изменение скорости попе-
речных волн в зависимости
от продолжительности отжига
Рис. 8.31. Изменение скорости про-
дольных волн в зависимости
от продолжительности отжига
При изменении скорости поперечных волн наблюдалось не-
значительное повышение ее в области восстановления, за которым
последовало резкое повышение в области рекристаллизации и на-
сыщение в области завершения кристаллизации. Незначительное
увеличение скорости было обусловлено уменьшением искажений
решетки, на что, в свою очередь, повлияло сокращение количес-
тва точечных дефектов в связи с их аннигиляцией. Увеличение
скорости во время кристаллизации объясняется изменением на-
пряженности плоскостей (111), что было выявлено методом диф-
ракции рентгеновских лучей (XRD). Напряженность плоскостей
(111) при кристаллизации уменьшается. Изменение скорости
продольных волн (рис. 8.31), демонстрирует тенденцию, противо-
положную тому, что наблюдается в поперечных волнах. Данный
факт объясняется изменением текстуры и зависимостью скорости
от направлений поляризации и распространения волн.
Рис. 8.32 демонстрирует оптические микроструктуры образ-
цов, прошедших холодную обработку и отжиг. На рис. 8.32а пока-
зано выравнивание зерен в направлении холодной обработки. Рис.
8.32b демонстрирует типичную микроструктуру в области восста-
новления. На рис. 8.32с межзеренные границы начинают исчезать,
Микроструктурная характеристика
429
в то время как двойники отжига (annealing twins) становятся види-
мыми. Это означает, что рекристаллизация находится на стадии
прогресса. На рис. 8.33d видны только двойники отжига и осадки.
Это значит, что через 500 часов отжига при температуре 1073 К
рекристаллизация завершается. При измерениях скорости можно
более точно распознать начало, прогресс и завершение кристал-
лизации по сравнению с измерениями твердости и прочности. В
одном исследовании (неопубликованном) обнаружили, что изме-
нение скорости в зависимости от продолжительности отжига не
зависело от частоты (2, 10 и 20 МГц) ультразвуковых волн, исполь-
зуемых для измерения скорости.
Рис. 8.33 показывает изменение отношения скоростей UL/UT
в зависимости от продолжительности отжига. Изменение UL/UT
отчетливо проявляется в режиме рекристаллизации. Данный па-
раметр отношения скоростей целесообразно выбирать по той
причине, что он позволяет не учитывать толщину образца и ха-
рактеризуется высокой точностью оценки. В результате достига-
ется высокая точность предсказания времени начала и заверше-
ния рекристаллизации. Время начала более важно в том смысле,
что именно с этого момента оптимизированные свойства компо-
нента начинают деградировать.
8.5.3. Выпадение осадка
Выпадение осадка, как и кристаллизация, тоже способствует
достижению требуемой прочности компонента. Затвердевание
осадка, или дисперсионное твердение, является важным метал-
лургическим процессом, который улучшает прочность структур-
ных металлов. Упрочнение зависит от расположения, размера,
формы и распределения осаждающихся частиц.
Аустенитные нержавеющие стали с содержанием азота — это
материалы, которые потенциально пригодны для разнообразного
прикладного применения в силу их превосходных механических
и химических свойств по сравнению с другими сталями, такими
как 304L, 304, 316 и т.д. Значительно улучшенные свойства азо-
тосодержащих сталей обусловлены сильной энергией связи азо-
та и хрома, а также хорошим эффектом закрепления дислокаций
по сравнению с углеродистыми сталями. Наличие азота приво-
дит к сильному воздействию термомеханической предыстории и
микроструктур на свойства материалов, поскольку термомехани-
ческая предыстория контролирует распределение азота в стали.
Глава 8. Определение характеристик материалов
Рис. 8.32. Оптическая микроструктура образцов (а), подвергнутых
20%-й холодной обработке и отжигу (Ь) 5 часов, (с) 50 часов,
(d) 500 часов
Рис. 8.33. Изменение отношения скоростей как функция
продолжительности отжига
Микроструктурная характеристика
43
Различные стадии перераспределения азота и осаждения в не-
ржавеющей стали ядерного класса 316LN во время дисперсион-
ного твердения при температуре 1123 К были охарактеризованы
с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ).
Хорошо изучено и нашло свое отражение в отчетах образование
кластеров Cr-N при дисперсионном твердении в течение 10 ча-
сов, за которым следовало внутризеренное осаждение связанного
Cr2N за 25 часов и, наконец, ячеистое осаждение Cr2N и форми-
рование хи-фазы за 500 часов [169,170].
Измерения скорости ультразвука проводились в нержавею-
щей стали ядерного класса 316LNv различных условиях термооб-
работки. Рис. 8.34 показывает изменение скорости продольных
волн с частотами 10, 25, 50 и 75 МГц в процессе дисперсионного
твердения. По графику видно, что скорость ультразвука повы-
шается в течение 25 часов, а дальнейшее дисперсионное тверде-
ние до 2000 часов приводит к снижению скорости. Никаких раз-
личий в тенденциях изменения скорости для всех четырех частот
не наблюдалось. Увеличение скорости в течение 10 часов дис-
персионного твердения (стадия А) главным образом связано с
матричным эффектом. Формирование обширных кластеров Сг-
N через 10 часов приводит к относительному устранению азота
и отсутствию напряжения в матрице. Образование связанного
внутризеренного осаждения Cr2N при дисперсионном твердении
до 25 часов также сопровождается незначительным повышени-
ем скорости (стадия В). Это связано с воздействием модулей, а
именно со значительными различиями модулей упругости в мат-
рице и осадке. Так, при осаждении меди в сталях класса 17-4 PH,
проходящих дисперсионное твердение, в результате воздействия
модулей наблюдалось повышение скорости ультразвука на на-
чальных стадиях [171].
Образование ячеистого осадка после 500 часов и наступление
крупнозернистой фазы после 1000 часов приводят к усиленному
рассеянию на границе осадка и матрицы и, следовательно, сни-
жению скорости ультразвука (стадия С). Значительное снижение
скорости с повышением частоты ультразвуковых волн на стадии
С видно на рис. 8.34. Оно вызвано тем, что при повышении час-
тоты с 5 до 50 МГц длина волны уменьшается примерно в 10 раз.
Половина длины 50-мегагерцовой ультразвуковой волны, состав-
ляющая около 58 мкм, практически равна размеру зерна в аусте-
нитном материале. Поскольку ячеистый осадок распространяется
432 Глава 8. Определение характеристик материалов
поверх всего чистого зерна, 50-мегагерцовая волна имеет больше
шансов взаимодействовать с осадком и, следовательно, претерпе-
вает большее рассеяние, чем 5- или 10-мегагерцовая волна. Таким
образом, можно понять суть наблюдаемых на рис. 8.31 существен-
ных различий между скоростями волн различной частоты после
500 часов дисперсионного твердения. Анализируя ситуацию, мож-
но предположить, что ультразвуковая оценка может стать подхо-
дящим инструментом для изучения реакции осаждения, в которой
участвуют внедряемые элементы, такие как азот, поскольку меха-
низм осаждения связан со значительными изменениями напряже-
ний в кристаллической решетке.
Время дисперсионного твердения (часы)
Рис. 8.34. Изменение скорости при дисперсионном твердении
Характеристика твердых интерметаллидов в р-закаленном
циркалое-2
Циркалой-2 широко используется в ядерных реакторах с тя-
желой водой под давлением (PHWR). Он характеризуется малым
сечением захвата тепловых нейтронов и хорошими свойствами
прочности при высоких температурах, что делает его отличным
материалом для использования в компонентах активной зоны
ядерного реактора [172, 173]. Сплав циркалоя-2 и Zr-2,5%Nb ши-
роко применяется в реакторах PHWR типа CANDU (канадский
тяжеловодный урановый ядерный реактор). Из циркалоя-2 изго-
тавливают три важнейших компонента: обшивочные трубы, на-
гнетательные трубы и трубы каландра [173].
Одним из наиболее важных шагов в процессе производства
компонентов из циркалоя-2 является В-закалка заготовок, полу-
Микроструктурная характеристика 433
ченных горячим прессованием, р-закалка производится для гомо-
генизации химического состава и рандомизации текстуры [174].
Во многих случаях р-закалка не воспроизводится, и после р-обра-
ботки возникает неприемлемое состояние микроструктуры. Если
неприемлемая микроструктура не будет обнаружена, то это может
привести к выбраковке конечных продуктов, изготовленных из
Р-закаленных заготовок, потому что они не обладают заданными
свойствами. В результате имеют место потери продукции и излиш-
ние затраты рабочей силы и денег. Одной из причин неприемлемо-
го состояния микроструктуры в р-закаленных заготовках являются
различия в скорости остывания. Скорость остывания, не отвечаю-
щая заданным требованиям, приводит к осаждению твердых интер-
металлических фаз, что может помешать последующим процессам
деформирования, входящим в производственный цикл.
В циркалой-2 добавляют Sn, Fe, Сг и Ni, которые являются
легирующими элементами, позволяющими получить нужные
механические свойства, а также добиться коррозийной стой-
кости в воде при высокой температуре. Растворимость этих эле-
ментов (кроме Sn) в низкотемпературной a-Zr-фазе ограничена
из-за неблагоприятного фактора размера и/или кристалличес-
кой структуры [174]. Тем не менее высокотемпературная р-фаза
может растворять эти элементы в значительной степени. Среди
легирующих элементов, используемых в циркалое-2, Sn является
a-стабилизатором, в то время как Fe, Ni и Сг являются р-стаби-
лизаторами. р-закалка приводит к образованию перенасыщенно-
го твердого раствора в виде мартенситной структуры. Чтобы по-
лучить мартенситную структуру без каких-либо вторичных фаз,
нужно обеспечить приемлемые темпы охлаждения. На рис. 8.35
изображен график трансформации [175] в циркалое-2 при неко-
торой температуре на протяжении времени. По рис. 8.35 можно
получить представление о том, какая минимальная скорость ох-
лаждения во время Р-закалки необходима, чтобы избежать осаж-
дения твердых интерметаллических фаз.
При температуре около 873 К время, требуемое для того,
чтобы началось осаждение твердых интерметаллидов, состав-
ляет всего несколько секунд. Это доказывает важность дости-
жения нужных темпов охлаждения во всем объеме заготовки,
чтобы во время р-закалки не происходило образование твердых
интерметаллических фаз. Последние не образуются при темпе-
ратуре, превышающей 1093 К, а время, необходимое для того,
434 Глава 8. Определение характеристик материалов
Время
Рис. 8.35. График трансформаций «изотермическое время —
температура» для циркалоя-2
чтобы началось осаждение интерметаллидов, составляет при
такой температуре около 30 секунд [175]. Однако при темпера-
туре 873 К это время составляет 5 секунд. Следовательно, если
в процессе закалки темпы охлаждения в горячей штампованной
заготовке недостаточны, то при соответствующих температурах
велика вероятность осаждения интерметаллидов.
В циркалое-2 выделяются два типа (А и В) интерметалличес-
ких осадков [176]: (I) тип А включает интерметаллическое соеди-
нение Zr-Ni-Fe, сферическую или эллипсоидную морфологию,
тетрагональную структуру (типа Zr2Ni) с приблизительным со-
ставом Zr2Ni04Fe06; (II) тип В включает интерметаллическое со-
единение Zr-Cr-Fe-, сферическую или прямоугольную морфоло-
гию с гексагональной структурой (типа ZrCr2). Неразрушающая
оценка приемлемости p-закаленной микроструктуры поможет
избежать выбраковки конечных продуктов, что снизит затраты
времени и приведет к экономии. При более высоких темпера-
турах дисперсионного твердения (т.е. свыше 773 К) существует
вероятность разложения мартенсита и образования изолирован-
ных a-фаз маленького размера. Измерения скорости и затухания
ультразвука использовались для неразрушающей характеристики
микроструктур в циркалое-2, особенно для выявления твердых
интерметаллических фаз. Изучалось влияние микроструктурных
изменений [3-закаленного циркалоя-2, связанных с изохронным
дисперсионным твердением в течение часа при температуре от
473 до 973 К, на скорость и затухание ультразвука.
Микроструктурная характеристика 435
Рис. 8.36. Микрофотографии P-закаленного циркалоя-2, прошедшего
температурное дисперсионное твердение
Рис. 8.36а демонстрирует микрофотографию р-закаленной
микроструктуры циркалоя-2. На рис. 8.36(b) и рис. 8.36(c) изобра-
жены микроструктуры образцов, прошедших дисперсионное твер-
дение при температурах 773 и 973 К соответственно. Сообщалось,
что мартенситная структура сохраняется в различных сплавах
циркония до 773 К и влияет на прочность [177]. Отмечалось, что
все термически обработанные образцы сохранили мартенситную
структуру. В образцах, прошедших дисперсионное твердение при
773 К (рис. 8.36b), можно увидеть осадки, в роли которых высту-
пают твердые интерметаллиды. Аналогичное осаждение наблю-
дается в образцах, отвердевших при 673 и 873 К. Образец, отвер-
девший при 973 К, демонстрирует признаки формирования в
мартенситной структуре a-фазы (отмечена на микрофотографии
8.36с). Рис. 8.37 показывает изменение твердости в зависимости
от температуры дисперсионного твердения. Твердость сначала
повышается с температурой, имеет широкий максимум в темпе-
ратурном диапазоне от 673 до 873 К, а потом понижается. В тем-
пературном диапазоне, связанном с широким максимумом твер-
дости, можно наблюдать интерметаллический осадок с помощью
436
Глава 8. Определение характеристик материалов
Температура (К)
Рис. 8.37. Изменение твердости при дисперсионном твердении
P-закаленного циркалоя-2
оптической металлографии. Это доказывает, что осаждение твер-
дых интерметаллидов в микроструктурах приводит к повышению
твердости материала. Широкий максимум твердости указывает
(при трех температурах: 673, 773 и 873 К) на то, что осаждение по
большей части происходит в течение одного часа дисперсионного
твердения. Плотность в зависимости от температуры дисперсион-
ного твердения изменяется практически также, как твердость.
Рис. 8.38 демонстрирует изменение скорости ультразвука,
оцененное с помощью прямолучевых 2-мегагерцовых продоль-
но-волновых преобразователей. На этом рисунке наблюдается
уменьшение скорости при повышении температуры дисперсион-
ного затвердевания до 773 К. А дальнейшее повышение темпера-
туры приводит к повышению скорости ультразвука.
Эту типичную тенденцию при измерениях скорости ультразвука
можно наблюдать и для продольных волн различных частот, вплоть
до 50 МГц. Отмечают, что максимальное снижение скорости, свя-
занное с присутствием твердых интерметаллидов в p-закаленном и
прошедшем дисперсионное твердение циркалое-2, составляет 1,2%
в случае поперечных волн и 0,7% в случае продольных волн.
При измерении твердости (см. рис. 8.37) наблюдалась тенден-
ция, противоположная тенденции изменения скорости. Так, твер-
дость повышалась до 773 К, а после достижения этой температуры
имело место резкое ее снижение. Плотность до 773 Кдемонстриро-
Микроструктурная характеристика 437
Температура (К)
Рис. 8.38. Скорость ультразвука как функция дисперсионного
твердения в бета-закаленном циркалое-2
вала похожее поведение, как у твердости. После 773 К происходит
насыщение плотности. В условиях р-закалки все растворимые эле-
менты, такие как Sn, Fe, Ni, Сг и т.д., будут находиться в твердом
растворе. Во время процесса дисперсионного твердения раство-
римые элементы выйдут из твердого раствора и выпадут в осадок
как твердые интерметаллические фазы. Однако дисперсионное
твердение при более высоких температурах, повышенная раство-
ряемость растворенных элементов в матрице циркония приводят
к уменьшению осадка или его отсутствию в зависимости от темпе-
ратуры и состава раствора. Следовательно, степень формирования
интерметаллических фаз будет максимальной при некоторой сред-
ней температуре дисперсионного твердения. Это объясняет наблю-
даемые в циркалое-2 минимум скорости и максимумы твердости и
плотности с ростом температуры твердения. Ранние исследования,
проведенные Бушем (и др.) [178], показали, что во время рекрис-
таллизации холоднообработанного циркалоя-2 при 723 К происхо-
дит вторичное затвердевание. Кроме того, выяснилось, что напря-
жение не оказывало воздействия на наклон графика «логарифм
критического напряжения (при рекристаллизации) — температу-
ра» до 533 К, в то время как напряжение при 755 К изменяло этот
наклон. Подобное поведение в диапазоне от 723 до 755 К обуслов-
лено осаждением твердых интерметаллических фаз. Эти исследо-
вания были подтверждены металлографическими наблюдениями
за формированием осадка в образцах, прошедших дисперсионное
твердение при 773 К (см. рис. 8.37b), а интерпретация увиденного
438 Глава 8. Определение характеристик материалов
объяснила изменение скорости, твердости и плотности в зависи-
мости от температуры.
Рис. 8.39 показывает изменение модуля Юнга и модуля сдвига в
зависимости от температуры дисперсионного твердения. Рис. 8.39
наглядно демонстрирует четкий минимум в обоих модулях при
773 К. Интегральный модуль для материала с множественными
фазами устанавливается, исходя из объемной доли и модулей отде-
льных фаз [179]. Частичное устранение таких элементов, как Fe, Ni
и Сг, из матрицы для формирования твердых интерметаллидов пов-
лияет на модуль. Поскольку объемная доля твердых интерметалли-
дов чрезвычайно мала, ее воздействие на общий модуль материала
будет незначительным. Следовательно, только изменение модуля
самой матрицы, связанное с ее внутренним составом (которое сле-
дует за устранением Fe, Ni и Сг), будет определять ее интегральный
модуль. На основе наблюдаемых результатов можно сделать вывод
о том, что изменение состава матрицы уменьшает интегральный
модуль.
Измерения скорости продольных ультразвуковых волн вы-
полнялись также на частоте 50, 75 и 100 МГц. Рис. 8.40 показы-
вает вариации скорости продольных волн как функции темпера-
туры дисперсионного твердения на частотах от 25 до 100 МГц. До
50 МГц тенденция изменения скорости такая же, как и при низких
частотах. Однако на частотах 75 и 100 МГц (на рис. 8.40 приведе-
ны результаты только для 100 МГц) отмечалось постоянное пони-
жение скорости в образцах при повышении температуры (выше
773 К). Данный факт объясняется началом процесса диссоциации
р-закаленного мартенсита и формированием мелких изолирован-
ных a-фаз (размером 100 мкм) (см. рис. 8.36с).
На низких частотах отсутствие постоянного уменьшения
скорости после 873 К связано с большой длиной ультразвуковых
волн и, следовательно, недостаточно выраженным взаимодейс-
твием волн и изолированных a-фаз, имеющих маленький раз-
мер и очень низкую объемную долю. В отдельном исследовании
[114] скорость продольных волн с частотой 2 МГц в a-фазе того
же самого материала составляла 4770 м/с. Это примерно на 15 м/с
меньше скорости в p-закаленном циркалое-2 (то есть 4785 м/с).
Данный факт объясняет уменьшение скорости на высоких часто-
тах (75 и 100 МГц) в образцах, содержащих изолированные мел-
кие a-фазы и прошедших дисперсионное твердение при темпера-
туре 973 К. Из рисунка 8.36с видно, что ос-фаза составляет 12—15%
Рис. 8.39. Модуль как функция температуры дисперсионного
твердения
Температура (К)
Рис. 8.40. Изменение скорости продольных волн в зависимости
от температуры дисперсионного твердения для ультра-
звуковых частот 25, 50 и 100 МГц
от общего объема. Присутствие a-фазы приводит к уменьшению
скорости ультразвука на 8—10 м/с по сравнению с р-закаленным
состоянием. В процентах это составляет 0,17—0,21%. Данное ис-
следование указывает на то, что с помощью измерений скорости
ультразвука можно выявить присутствие а-фазы.
Рис. 8.41 и 8.42 показывают изменение затухания ультразву-
ка с температурой для низких (2 и 10 МГц) и высоких (25, 50 и
100 МГц) частот. Изменение затухания, связанное с дисперсион-
ным твердением, на частоте 2 МГц незначительно. На всех осталь-
40 Глава 8. Определение характеристик материалов
ных частотах вариации затухания в зависимости от температуры
дисперсионного твердения, как правило, подчиняются противо-
положной тенденции. То есть сначала затухание повышается и
достигает пика при 873 К, а при дальнейшем повышении темпера-
туры (973 К) начинает уменьшаться. Полоса разброса измеренных
значений низкочастотного затухания широка. Даже в испытаниях
иммерсионным методом она составляет 0,04 дБ/мм. Таким обра-
зом, измерения низкочастотного затухания не дают достоверной
характеристики различных микроструктур в p-закаленных и про-
шедших дисперсионное твердение образцах.
Однако на высоких частотах (25, 50 и 100 МГц) полоса раз-
броса при измерениях затухания относительно узка (0,005 дБ/мм).
Наблюдаемую тенденцию можно использовать для интерпре-
тации результатов, касающихся микроструктурных изменений.
Первоначальный рост затухания до 873 К связан с осаждением
твердых интерметаллидов. Последующее уменьшение затухания
при 973 К объясняется сокращением объема осаждаемых интерме-
таллидов при более высоких температурах. Уменьшение затухания
происходит, несмотря на то что небольшой объем a-Zr осаждается.
И хотя измерения затухания можно использовать для получения
микроструктурных характеристик [3-закаленного и прошедшего
дисперсионное твердение циркалоя-2, общее изменение затухания
незначительно. Поэтому практиковать измерения затухания даже на
высоких частотах достаточно сложно, если не производить огромное
количество измерений, чтобы избежать статистических погрешнос-
тей. С другой стороны, более надежными все же являются измере-
ния скорости.
Характеристика холоднообработанных микроструктур и оценка
текстурных коэффициентов
Текстура [180] играет важную роль во всех кристаллических
материалах. Она изучалась в металлических компонентах главным
образом с помощью рентгеновских лучей. Недостаток данного
метода заключается в том, что он позволяет производить измере-
ния только на поверхности (< 50 мкм). Термин «текстурирован-
ный» указывает на анизотропию упругих свойств, связанную с
неслучайным распределением направлений в отдельных кристал-
лах поликристаллической совокупности. И наоборот, изотроп-
ное нетекстурированное твердое тело характеризуется случайным
распределением зерен. Анизотропию упругих свойств, порожден-
Микроструктурная характеристика
441
Рис. 8.41. Низкочастотное затухание — температура дисперсионного
твердения
Температура (К)
Рис. 8.42. Высокочастотное затухание — температура дисперсионного
твердения
ную текстурой, можно соотнести с анизотропией в пластичном
поведении. Исследования текстуры позволяют понять пластич-
ные свойства материалов. Измерения скорости ультразвука дают
информацию о состоянии текстуры во всем объеме. Эти функции
определяют вероятность нахождения одинарного кристалла с
конкретной ориентацией относительно ориентации образца.
Для измерений скорости ультразвука использовались образ-
цы, имеющие форму 10-миллиметрового куба и вырезанные из
холоднообработанных пластин нержавеющей стали AISI типа
304. Измерения при 4 МГц в различных направлениях распро-
442 Глава 8. Определение характеристик материалов
странения и поляризации (3 продольных и 6 поперечных) осу-
ществлялись с помощью метода взаимной корреляции. Скорости
обозначаются как IL, где i — направление распространения (1 —
направление прокатки, 2 — поперечное, 3 — по нормали), у — на-
правление поляризации. Соответственно скорости продольных
волн представлены обозначениями Ulp U22, U33, а шесть попереч-
ных скоростей — U]2, U2], U23, U32, U3], U13.
Процентное изменение скорости в продольном и поперечном
направлениях при холодной обработке [181] показано на рис. 8.43.
Скорость продольных волн в направлении прокатки (t//;) непре-
рывно снижается с увеличением холодной обработки, для 50%-й
обработки понижение составляет 2,4%. Скорость продольных
волн U22 изначально повышается в образцах, обработанных на
10%, по сравнению с отожженными образцами. Потом происхо-
дит понижение U22 до 27%-й обработки, после чего она снова по-
вышается. U33 уменьшается до тех пор, пока не будет выполнена
20 %-я обработка, а дальнейшая холодная обработка приводит к
увеличению U33. Мор (и др.) сообщал о повышении скорости про-
дольных волн U33 с увеличением холодной обработки (холодная
прокатка при 300 К) в нержавеющей стали AISI304L. Он также
сообщил, что образцы, прокатанные при 77 К, сначала демонс-
трировали снижение скорости, пока холодная обработка была
меньше 30%, а потом, с увеличением обработки до 50%, наблюда-
лось повышение скорости.
И хотя абсолютные величины неодинаковы, изменение U33 в не-
ржавеющей стали AISI 304L, прокатанной при 77 К, и в нержавею-
щей стали AISI 304„ прокатанной при комнатной температуре, про-
исходит похожим образом. Поскольку текстура, сформированная в
стали обоих типов, сопоставима, наблюдаемое нелинейное поведе-
ние U33 обусловлено образованием а-мартенсита в результате холод-
ной обработки нержавеющей стали AISI 304 с мартенситным аусте-
нитом. Следует отметить, что хотя аустенитная фаза нержавеющей
стали AISI304L стабильна при комнатной температуре, при 77 К она
метастабильна. Измерения, выполненные с помощью рентгеновской
дифракции и эквивалента 8-феррита в образцах, выявили наличие
а -мартенсита в образце, прокатанном более чем на 27% [ 182].
Все шесть скоростей (рис. 8.43) понижаются с увеличением
холодной обработки. Скорости практически идентичны, когда
направления распространения и поляризации чередуются (из-за
кристаллической симметрии), что свидетельствует о хорошей
Микроструктурная характеристика 443
Рис. 8.43. Изменение скорости при холодной обработке:
(а) продольные волны, (Ь) поперечные волны
повторяемости измерений. Скорости поперечных (сдвиговых)
волн U23 и U32 изменяются наиболее сильно, на втором месте UI2 и
U21, а замыкают этот ряд UJ3 и U3].
Видно, что для скоростей U23 и {/^характерно почти линейное
снижение в процессе холодной обработки. Кроме того, при увели-
чении холодной обработки эти две скорости снижаются до мини-
мума. Измерять U32 на практике достаточно легко, поскольку это
можно сделать, расположив датчик на плоскости прокатки плас-
тины. Следовательно, U32 лучше всего подходит для оценки холод-
ной обработки этих материалов. Другим полезным на практике
параметром является отношение И33/И32, которое возрастает почти
линейно с увеличением процента холодной обработки (рис. 8.44а).
Прямая линия, которая проходит через данные, соответствующие
этому отношению, показана на рис. 8.44b. Определяющее уравне-
ние прямой и коэффициент корреляции задаются в виде:
С/33/(/32 - 0,00527(% холодной обработки)-1,83 (8.42)
Коэффициент корреляции = 0,9941.
Используя формулу (8.42) и измеряя скорости продольных и
поперечных волн, распространяющихся перпендикулярно на-
правлению прокатки, можно очень точно рассчитать степень хо-
лодной обработки. Отношение U33/U32 чрезвычайно полезно для
практики, потому что обе скорости U33 и U32 определяются путем
размещения зонда на плоскости прокатки пластин.
Рис. 8.45 показывает изменение скорости волн Рэлея в на-
правлении, перпендикулярном холодной обработке. Уменьшение
скорости при холодной обработке происходит почти линейно.
444 Глава 8. Определение характеристик материалов
Рис. 8.44. Изменение отношения скоростей при холодной обработке
После 50%-й обработки скорость волн уменьшается на 13,5%.
Относительно высокое затухание в измерениях главным образом
связано с локальным изменением степени деформации, особенно
вблизи поверхности. Должно быть, это единственная причина за-
тухания. Следовательно, скорость волн Рэлея и отношение U33/U32
являются очень чувствительными и достаточно точными парамет-
рами оценки процента холодной обработки в нержавеющей стали
AISI304. Измерения U33/U32 можно осуществлять для непрерывной
оценки процента холодной обработки во время процесса прокатки.
Через измеренные различные скорости были рассчитаны ко-
эффициенты расширения четвертого порядка (FOEC) функции
распределения направлений (ODF), которая представляет тексту-
ру в материале. Для определения FOECиспользовались уравнения
Спайза [180], а также Спайза и Саламы [183]. Эти соотношения
были получены путем подстановки упругих постоянных тексту-
рированного поликристаллического материала, предложенных
Банджем для кубической структуры, в уравнение Кристофела для
орторомбической симметрии образца [182].
Уравнения, которые связывают скорости с FOEC [167], выгля-
дят так:
С;'=4(рР,2,-(Л+2д)), (8.43)
сг=4(2/1-(^,+^)). |8-441
c;l=4(p((/lil+b'!i!+t/2)-2(Z+2)1)),
(8.45)
Микроструктурная характеристика
445
Рис. 8.45. Изменение скорости волн Рэлея при холодной обработке
C\2 = A2p(U2l-Ul2), (8.46)
C;2=4p(tZ222 -£/2), (8.47)
С12 = А2(Л + 4 p-p(t72+2£7322)), (8.48)
С>2 = А(2(Л + 4 р)-р(1^ +U222 + 2U22 + 2U22)), (8.49)
С]3 = А3 (бр-Л +p(U23 -8t/2)), (8.50)
С]3 =Л3(10-р(С731+£7322 +8t/12)) > (8.51)
С” = А3 (р(4С/2 + 4U22 -ЗС7323)-5)(Л+2р), (8.52)
С]3 = А3 (р(4£72 + 4С/22 + ЗС72 + 3U22) - 2(4Л+11д)), (8.53)
где X и ц — константы Ламе, Лу = (210/8с)л/(3/7), А2 = (2/^(5))А2 и
А2 = 1/^/(35)Ар с — коэффициент анизотропии, с=Сп—2С44— С12,
где СИ, С44и С]2 — постоянные упругости.
Спайз и Салама [183] предположили, что, используя эти урав-
нения, можно получить лучшие результаты с минимальными
экспериментальными ошибками при оценке всех трех FOEC по
446 Глава 8. Определение характеристик материалов
следующим двум причинам: (I) предпочтительнее использовать
разницу в скоростях, а не абсолютные величины, так как это поз-
воляет устранить ошибки измерений, которые часто возникают в
процессе эксперимента; (II) желательно использовать минималь-
ное число скоростей для расчета всех трех коэффициентов.
Изменения FOEC функции ODF показаны на рис. 8.46.
Коэффициенты расширения С7/и С]2 уменьшаются практически
линейно с увеличением холодной обработки. С 134также уменьша-
ется, но после 27%-й холодной обработки происходит некоторое
замедление. Подобное понижение очень похоже на изменение U]2
(или С72;) и U3y И хотя ожидается, что текстура развивается линей-
но в соответствии с коэффициентами Сп4 и С12, нелинейное по-
ведение С13, аналогичное U]2 и U33, должно также вносить вклад
в формирование а -мартенсита. Следовательно, при определении
коэффициентов текстуры с помощью ультразвуковых измерений
нужно принимать во внимание воздействие трансформации по-
верхности, вызванное напряжением.
В данной работе была представлена процедура, оценивающая
FOEC функции ODF в холоднообработанных пластинах нержа-
веющей стали AISI304. Помимо этого, было показано, что изме-
рение скорости объемных ультразвуковых волн и поверхностных
волн Рэлея в холоднокатаных пластинах является инструментом,
позволяющим отслеживать процент холодной обработки во время
операций прокатки и понять ход формирования а -мартенсита.
Рис. 8.46. Изменение коэффициентов четвертого порядка в функции
распределения направлений при холодной обработке
Оценка механических свойств 447
8.6. Оценка механических свойств
Оценка механических свойств, таких как предел текучести, про-
чность при растяжении, жесткость и т.д., подразумевает затраты
денег и времени на подготовку тестовых образцов и их тестиро-
вание. Разрушающее тестирование дает информацию, которую
не могут воспроизвести неразрушающие методы. Разрушающее
тестирование в лаборатории является основой для установ-
ления корреляции ультразвука с механическими свойствами.
Потенциальным преимуществом непрерывного внутрипроцес-
сного мониторинга механических свойств является появление
веских стимулов к исследованию и промышленному примене-
нию неразрушающих методов характеристики материалов [158,
183, 184]. В литературе описаны эмпирические связи между ско-
ростью, затуханием ультразвука и различными механическими
свойствами. Однако теоретические основы корреляции недоста-
точно хорошо разработаны по ряду причин, к которым относятся
расхождения между измеренными и теоретически рассчитанны-
ми величинами ультразвуковых параметров, различия в опреде-
лении наиболее важного ультразвукового параметра, связанного
с механическим свойством, и т.д. Как бы то ни было, существуют
теоретические модели, предсказывающие корреляционные связи,
которые можно выявить между ультразвуковыми и механически-
ми свойствами.
Модули упругости материалов наиболее удобно определять
посредством измерения скоростей ультразвука. Поскольку мо-
дули, в свою очередь, непосредственно связаны с межатомными
силами, предпринимались попытки соотнести скорость с про-
чностью материала. Но прочность материала зависит не только
от модулей или постоянных упругости. К примеру, тогда как не-
которые сплавы можно обработать и тем самым повысить их тре-
щиностойкость в десять и более раз, постоянные упругости, такие
как модуль Юнга, остаются неизменными величинами.
Важную роль в механических свойствах поликристаллических
материалов играют микроструктура и морфология. Например, тре-
щиностойкость является внешним фактором для упругих свойств
отдельных кристаллитов или зерен. Критическая прочность при
растяжении и предел текучести, ковкость, жесткость и другие ме-
ханические свойства управляются микроструктурными факторами,
которые включают плотность дислокаций, размер, отношение дли-
448 Глава 8. Определение характеристик материалов
ны к диаметру и ориентацию зерен, примеси, структуру фазы и дру-
гие характеристики в совокупности. Хотя скорость можно связать с
некоторыми из этих параметров, измерения затухания более чувс-
твительны к микроструктурным факторам, которые управляют про-
чностью, жесткостью и другими механическими свойствами. Чтобы
установить связи с микроструктурными факторами, управляющими
механическими свойствами, необходимы точные ультразвуковые из-
мерения, основанные на эхо-импульсном подходе. Для каждого ма-
териала нужно определить спектр затухания (кривые «коэффициент
затухания — частота»), потому что важные изменения микрострук-
туры проявляются в виде изменения наклона и других параметров,
которые обуславливают спектр затухания. Акцент на затухании не
препятствует установлению корреляции скорости или других базо-
вых параметров с механическими свойствами. Конечно, нужно реа-
лизовывать и изучать любой подход, который чувствителен к микро-
структурным переменным. К примеру, было показано, как скорости
волн связаны с дисперсионным твердением сталей. С помощью уль-
тразвуковых коэффициентов затухания был оценен средний размер
зерна в аустенитных нержавеющих сталях.
8.6.1. Прочность при растяжении и предел текучести
Модель Холла-Петча предлагает следующее соотношение между
пределом текучести о и размером зерна D материала:
<т = сг,+-у=, (8.54)
где ст— начальный предел текучести.
Модель Холла-Петча предполагает, что движения дислокаций
в зерне сдерживаются межзеренными границами, а любое рас-
тягивающее напряжение, связанное с наложением дислокаций,
способно вызвать трещины. В нелегированной углеродистой ста-
ли соотношение Холла-Петча (рис. 8.47) позволило достичь очень
хорошей корреляции. Хотя прочность при растяжении также под-
чиняется соотношению Холла-Петча, она менее чувствительна к
размеру зерна. Параметр А для прочности при растяжении в два
раза меньше, чем для предела текучести. Вообще говоря, с помо-
щью соотношения Холла-Петча можно охарактеризовать любой
параметр, который зависит от движения дислокаций. К ним от-
носятся твердость, предел усталости, воздействие и температура
фазового перехода из пластичного состояния в хрупкое.
Оценка механических свойств 449
Рис. 8.47. График «рассчитанный предел текучести — измеренный
предел текучести в нелегированной углеродистой стали»
8.6.2. Твердость
Прочность при растяжении, предел текучести и твердость в поли-
кристаллических материалах взаимосвязаны. Для оценки прочнос-
ти при растяжении и предела текучести часто используется опре-
деление микротвердости путем вдавливания благодаря простоте и
неразрушающей природе тестирования. Измерения твердости мо-
гут также сопровождаться реализацией метода резонансных коле-
баний, связанной с микровдавливаниями. В резонансном методе
для измерения твердости используется механизм пьезоэлектричес-
кого преобразователя. Неразрушающие методы точного определе-
ния твердости пользуются большим спросом. Ультразвуковые ме-
тоды могут сформировать основу для непрерывного мониторинга
твердости как контрольной опции производства [187].
Экспериментальные данные показывают, что измерения ско-
рости и затухания эхо-импульсов способны однозначно опреде-
лять твердость (в соответствующих рамках, которые зависят от ма-
териала). В эксперименте участвовали сплавы алюминия и меди
с различными степенями дисперсионного твердения. Оказалось,
что в зависимости от твердости сплава скорость изменяется по
параболическому закону, а затухание — линейно и обратно про-
порционально твердости (рис. 8.48).
Затухание ультразвука (дБ/м1)
Рис. 8.48. График « затухание ультразвука - твердость»
8.6.3. Трещиностойкость
Трещиностойкость определяет критическую интенсивность напряже-
ния, при которой трещина определенного размера становится неста-
бильной и начинает катастрофически расти [188]. Размер зерна — не
единственный фактор, который обусловливает трещиностойкость,
поскольку помимо него важную роль играют межзеренные границы,
форма, отношение длины к диаметру, субзерновая структура, плот-
ность дислокаций и другие морфологические факторы.
В основе ультразвуковой оценки трещиностойкости лежит
концепция участия волны напряжения в процессе разрушения во
время катастрофического роста трещин. Согласно этой концеп-
ции, параметры затухания, определяемые микроструктурой мате-
риала, важны для процесса разрушения. Модель взаимодействия
волны напряжения, основанная на этой концепции, помогает
объяснить существующую корреляцию между затуханием ультра-
звука и трещиностойкостью.
Используя модель взаимодействия волны напряжения в со-
четании с концепциями механики разрушения, можно получить
факторы трещиностойкости и затухания. Жесткость и ультразву-
ковые факторы связаны следующим соотношением:
т
Заключение
(8.56)
где К1с — трещиностойкость при плоской деформации, — пре-
дел текучести, М — константа материала, UL — скорость продоль-
ных волн, т — показатель степени для частоты f в уравнении для
коэффициента затухания а = cf” рэлеевского процесса рассеяния,
Р5 — производная, которая задается следующим образом:
da
где оценивается при частоте, которая связана с критической
длиной ультразвуковой волны в материале.
Величина (Kf /<зу)2 является определяющим линейным раз-
мером, а также мерой трещиностойкости. Она пропорциональна
размеру зоны затупления активной вершины трещины. Данное
обстоятельство предполагает, что в материале существует плас-
тичная деформация или похожий микромеханизм поглощения
энергии волны напряжения на фронте трещины, как это происхо-
дит в поликристаллическом материале.
Предыдущее уравнение для определяющего линейного разме-
ра можно переписать:
^ = М^, (8.57)
где а§ — удельное фазовое затухание для критических микрострук-
турных характеристик [189].
Правда, для оценки определяющего линейного размера нужно
сделать предположение о критической характеристике и ее сред-
нем значении 5. Однако в теории 5 можно вывести из спектра за-
тухания, потому что оно определяется по средней (фазовой) дли-
не волны, при которой начинается стохастическое рассеяние.
8.7. Заключение
Восьмая глава посвящена определению характеристик свойств
материалов с помощью ультразвука. Предмет рассмотрения
можно классифицировать по нескольким категориям, но только
четыре из них являются основополагающими, как показано на
рис. 8.1. Для удобства первая и третья категории были объедине-
ны и тщательно изучены, в частности было рассмотрено влияние
постоянных упругости при наличии пор в различных материалах.
452 Глава 8. Определение характеристик материалов
В третьей части обсуждались характеристика микроструктур (раз-
мер зерна, осаждение, рекристаллизация и т.д.) и оценка тексту-
ры с помощью измерений скорости и затухания ультразвука. В
последней части уделяется внимание корреляции ультразвуковых
измерений и механических свойств. Приводятся соответствую-
щие эмпирические соотношения, которые можно найти в лите-
ратуре. В каждом обсуждении рассматриваются специально по-
добранные ситуации для анализа. Выбор зонда и инструментария
играет ключевую роль в разработке ультразвуковых методов для
конкретного применения. Поэтому в зависимости от задач нужно
выбрать лучшую комбинацию инструментария, зонда и метода,
которая удовлетворяет определенным ограничениям, касающим-
ся размера, формы, толщины и состояния поверхности образца/
компонента. Стоит отметить, что нужно избегать любой двусмыс-
ленности в измерении ультразвуковых параметров. Погрешности
в измерении значений должны быть рассчитаны отдельно и свя-
заны с результатами. Рекомендуется использовать относительные
измерения, которые в меньшей степени подвержены ошибкам,
чем абсолютные.
В данном разделе была предпринята попытка показать чита-
телям способ разработки ультразвуковой техники, зависящей от
типа решаемой проблемы, а не от свойств изучаемого материала.
При этом полагается, что при разработке метода, в основе которо-
го лежит ультразвук, за стандарт должны приниматься результаты
разрушающей техники или металлографии. Тем не менее ультра-
звуковая техника имеет явное преимущество, которое состоит в
том, что ее можно применять непосредственно к компонентам.
Рекомендуемая литература
1. Hunklinger S and Arnold W, Physical Acoustics, Ed. W P Mason & R N
Thurston, Vol.XII, (1976) 155.
2. Schrieber E, Anderson О and Soga N, Elastic Constant and their
Measurement, McGraw Hill Pub. Ltd., New-York, (1973).
3. Serabian S, Materials Analysis by Ultrasonics, A Vary ed., Park Ridge,
Noyes Data Corporation, (1987) 211.
4. Serabian S, British J NOT, 22, (1980) 69.
5. Rice R, Treatise on Materials Science and Technology, Vol. 11, R
MacCrone ed., Academic Press, New York, (1977) 199.
6. Green R., NDE Microstructure Characterisation and Reliability Strategies, О
Рекомендуемая литература
453
Buck and S Wolf edsWarrensdale, MSAIME, (1981) 115.
7. Nowich A and Berry B, An Elastic relaxation in Crystalline Solids,
Academic Press, London, (1972).
8. Kolsky H, Stress Waves in Solids, Dover Publisher, New-York, (1963).
9. Green R E, Ultrasonic Investigation of Mechanical Properties, Treatise on
Materials Science and Technology, Vol.3. Academic Press, New-York and
London, (1973).
10. Rajendran V, Muthukumaran S, Sivasubramanian V, Jayakumar T and
Baldev Raj, physica status solidi (a) 195(2003)350.
11. Papadakis E P, Physical Acoustics Principles and Methods, Ed Mason W
P and Thurston R N, Academic Press, London Vol.XII, 1976.
12. Wachtman J H Jr; In Fracture Mechanics of Ceramics , Eds., R C Bradt, D
P H Hasselman and F F Lange, Plenum Press, New-York, Vol. I (1974) 49.
13. Lockyer G E and Proudfoot E A, Amer Ceram Soc Bull, 46 (1967) 521.
14. Ledbetter H M and Read D T, Metall Trans A, 8A (1977) 1805.
15. Lynnworth L C, Papadakis E P and Fowler К A, In International Advances
in Nondestructive Testing, Ed., McGonnagle W J, Gordon and Breach,
New-York, London and Paris, Vol.5 (1977) 71.
16. Dean G D and Lockett F J, Analysis of Test Methods for High Modulus Fibers
and Composites, ASTM STP 521, (1973)326, Amer Soc for Testing and
Materials, Philadelphia, Pennsylvania.
17. Krautkramer J and Krautkramer H, Ultrasonic Testing of Materials,
Springer-Verlag, New-York, (1977).
18. Felix W A, Afe/aZ Prog, 83 (1963) 91.
19. Flynn P L, Cohesive Strength Prediction of Adhesive Joints, AFMLTR-
77-44, (1977) 59-65, Air Force Materials Laboratory, Dayton, Ohio.
20. Levitan L Ya, Fedorchenko A N and Sharko A V, Defektoskopiya, Soviet
Journal of Nondestructive Testing, 21 (1976) 335.
21. Vary A and Lark RF, J Tert PvoZ, 7 (1979) 185.
22. Jones В Rand Stone DEW, J Non Dest Test, 9 (1976) 71.
23. HayfordDT, HenneckeEGandStinchcombWW, J Compos Mat, 11(1977)
429.
24. Schliekelmann R J, J Non Dest Test, 5(1972) 144.
25. Alers G A, Flynn P L and Buckley M J, Mat Eval, 35 (1977) 77.
26. Regalbuto J A, Mat Eval, 30 (1972) 66.
27. Elvery R H and Ibrahim LAM, Mag ConcrRes, 28 (1976) 181.
28. Vary A., Mat Eval, 36 (1978) 55-64. Also NASATM X- 71889 (1976) &
Quantitative Ultrasonic Evaluation of Mechanical Properties of Engineering
Materials, NASATM - 78905, (1978).
29. Lavender J.D., Ultrasonic Testing of Steel Castings, Steel Founders Society of
America, Rocky River, Ohio, (1976).
30. Papadakis E P, JAcoust Soc Am, 32 (1960)1628.
31. Vary A, Correlations between Ultrasonic and Fracture Toughness Factors
in Metallic Materials, NASATM- 73805, (1978). In Fracture Mechanics,
ASTM, STP 677, Ed. C.Smith, (1979) 563.
454
Глава 8. Определение характеристик материалов
32. Tamburelli С and Quaroni A, N DT, 8 (1975) 152.
33. David R Lide (ed), CRC Hand Book of Chemistry and Physics, 75th edition,
(1994).
34. Truell R, Elbaum C and Chick В В, Ultrasonic Methods in Solid State Physics,
New-York, Academic Press, (1969).
35. Wert C, Physical Acoustics, ed. W P Mason, Vol. 3, (1976).
36. Kanninen M and Popelar C, Advanced Fracture Mechanics, Oxford,
Clarendon Press, (1985) 392.
37. Panakkal J P, IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics & Freq Control, 38,
(1991)161.
38. Phani К К and Niyogi S K, J Mater Sci Lett, 6, (1987), 511.
39. Rice R W, Treatise on Material Science and Technology, ed: R К MacCrone
(Academic Press), New-York, 1977, Vol.l 1 p 199.
40. James C Wang, J Mater Sci, 19 (1984) 801.
41. Panakkal J P, Willium H and Arnold W, J Mater Sci, 25 (1990) 1397.
42. Mackenzie J K, Procc Roy Soc Phys, 63, (1950) 2.
43. Hashin Z, J Appl Meeh, 29 (1962) 143.
44. Ondracek G Z Werkstofftechnik, 9 (1978) 31.
45. Wang J C, J Mater Sci, 19(1984)801.
46. Panakkal J P, Franunhofer Institute for NOT, Saarbrucken, FRG Report
No: 890103-TW, 1989.
47. Sayers С M and Smith R L, Ultrasonics, 19 (1982) 201.
48. Kreher W, Ranachowski J and Rejmunb F, Ultrasonics, 14 (1977) 70.
49. Kreher W, Ranachowski J and Rejmund F, Ultrasonics, 15 (1977) 70.
50. Proudfoot E A, Advanced technology for Production of Aerospace Engines,
AGARD Conference Proceedings, Paris, Nu.ber 64-70, pp 17.0-17.15.
51. Smith R E, JApplPhys, 43 (1972) 2555.
52. Vary A and Bowles К J, Proceedings of the Eleventh Symposium on
Nondestructive Evaluation, (1977) 242-258. American Society for Non-
destructive testing, Columbus, Ohio and Southwest Research Institute, San
Antonio, Texas. Also NASATM X-73646.
53. Zurbrick J R, J Test Eval, 1 (1973) 13.
54. Canella G, L’Erede Aand Monti F, J Non Dest Testlnt, 11 (1978) 185.
55. Vary A, J Test Eval, 4 (1976) 251-256 & Non-Destructive Evaluation
Technique Guide, NASA SP-3079, (1973).
56. Serabian S and Williams R S, Mat Eval, 36 (1978) 55.
57. Chowdari В V R. and Akhter S K, J Non-Cryst Solids, 116 (1990) 16.
58. Pradel A, PagierT and Kriedl M, Solid State Ionics, 17 (1985) 147.
59. Lines M E and Glass A M, Principles and application of ferroelectrics and
related materials, Clarendon press, Oxford (1979).
60. Grahlman H and Brackner R J Non-Cryst Solids, 13 (1974) 355.
61. DimitrovVandDimitrievY,JNon-CrystSolids, 122(1990) 133.
62. Wernicke R, Grain Boundary phenomena in electronics, ed. L H Lavirison,
The American Ceramic Society Inc, Westerville, OH Vol. 1, (1981) p. 261.
63. Anita Pasricha, Neena C and Abhai Mansingh, Key Engg. Mater, 13-
Рекомендуемая литература
455
15(1987)901.
64. Dentschuk Р, Hellier A G, Palmer S В and Coply G J, J Mater Sci, 17
(1982)31.
65. Shinkai N, Bradt R C and Rindone G E, J Am Ceram Soc, 65(2) (1982) 123.
66. El-Adawy A and El-Mallawany R, J Mater Sci Lett, 15 (1996) 2065.
67. Ghosh U S, Bull Mater Sci, 18(1) (1995) 61.
68. Sudha Mahadevan, Giridhar A and Singh A K, J Non-Cryst Solids, 57
(1983)423.
69. Rajendran V, El-Batal H A and Khalifa F A, 14th World Conference on
Non Destructive Testing (14th WCNDT), New Delhi, India, December 8-
13(1996).
70. Shaw R R and Uhlmann D R, J Non-Cryst. Sol. 5 237
71. Manghnani M H and Singh В К, Proc Xth Int cong On Glass, Kyoto, Nil,
P104,1974
72. Rajendran V, Palanivelu N, Jeyakumar T, Palanichamy P, Baldev Raj,
Modak D К and Chaudhri В K, J Non-Cryst Sol, 296 (2001) 39.
73. Damodaran К V, Selvaraj Vand Rao К J, Mat. Res. Bull., 23 (1988) 1151.
74. Kim К S, Bray P J and Merrin S, J Chem. Phys., 64 (1976) 4459.
75. Worrel C A and HensheU T, J Non-Cryst Solids, 29 (1978) 283.
76. Imaoka, M, Hasegawa H, Hamaguchi Y and Kurotaki, Y, Yogyo Kyokai
Shri. 79(1971) 164.
77. Bansal N P and Doremus R H, Handbook of Glass properties, Academic
press, New-York, (1986).
78. Rajendran V, Palanivelu N, Modak D К and Chaudhri В К, phys stat
soilids(a), 180 (2000) 467.
79. Rajendran V, Palanivelu N, Chaudhri В К and Goswami K, phys stat
soilids(a), 191 (2002) 445.
80. Rajendran V, Palanivelu N, Chaudhri В К and Goswami K, J Non-Cryst
Sol, 320 (2003) 195.
81. Hunklinger S and Arnold W, Physical Acoustics principles and methods, Ed
WP Mason & RN Thurston, Vol XII (1976).
82. Strakna R.E. and Savage H T, J Appl Phys, 35 (1964) 1445.
83. Krause J T and Kurkjian C R, J Amer Ceram Soc, 51 (1968) 226.
84. Manghnami M H, Pressure and temperature studies of glass properties related
to vibrational spectra report HIG-74-11. University of Hawaii, Honolubu
(1974).
85. Jackie J, Piche L, Arnold W and Hunklinger S, J Non-Cryst Sol, 20 (1976)
365.
86. Kurkjian C R, Krause J T and Sigety E A 1972, Proc Int Congr Glass, 9
(1971) P508.
87. Hunklinger S. and Piche L., Solid State Common, 17 (1975) 1189.
88. Filippini С E, Konate K, Buder R, Marcus J and Schlenker C, Physica C,
153-155 (1988) 1030.
89. Sayer M and Mansingh A, Phys Rev, B6 (1972) 4629.
90. Greaves G N, J Non-Cryst Solids, 11 (1973) 427.
456 Глава 8. Определение характеристик материалов
91. Farley J М and Saunders G A, Phys Stat Solid(a), 28 (1975) 199.
92. Muthupari S, Lakshmi Raghavan S and Rao KJ, Materials Science & Engg,
B38 (1996) 237.
93. Pakade S V, Yawale S P and Gawande W, Acoustics Letters, 18 (1995) 212.
94. Rajendran V and El-Batal H A, Ind J Pure & Appl Phys, 35 (1997) 82.
95. El-Mallawany R, Phys Stat Solid(a), 130 (1992) 103.
96. Hunklinger S and Schickfus M V, Amorphous Solids, ed. by W A Philips
(Springer-Verlag, Berlin, 1981) p81.
97. Pal A, Maiti A, Mukheijee S and Basu C, J Mater Sci, 15 (1996) 329.
98. Oilman J J, Prog In Ceram Sci, Pergamon Press, New-York, 1 (1961) 146.
99. Makishima A and Mackenzie J D, J Non-Cryst Sol, 12(1) (1973) 35.
100. Sandiitov D S and Tselypov Sh B, Sov J Glass Phys Chem, 4 (1978) 62.
101. Makishima A and Mackenzie J D, J Non-Cryst Sol, 17 (1975) 147.
102. Sidkey M A, Faltah, A M B, Latif LAB and Nakhla R I, J Pure & Appl
Ultrason, 12(1990) 93.
103. Bhatti S S and Singh A P, Acustica, 68 (1989) 181.
104. Rajendran V, Khalifa FA and El-Batal H A, Ind J Phys, 69A( 1995) 237.
105. Singh A P, Singh К J and Bhatti S S, J Pure & Appl Ultrason, 12 (1990)
70.
106. Charles R J, Prog Ceram Sci, 1 (1961) 1.
107. Rajendran V, Khalifa F A and El-Batal H A, Egypt J Chem, 41 (1998)
329.
108. Bardeen J, Cooper L N and Schrieffer J R, Phys Review, 106 (1957)
162.
109. Fossheim K, Laegried T, Sandvoid E, Vasenden F, Mullar К A and
Gbednorz J, Solid State Commns, 63 (1987)531.
110. Almond D P, Development in Acoustics and Ultrasonics, ed. M J W
Povey and D J McClements, IPP, (1991) 183.
111. Hoire Y et al, J Phys. Soc Jpn, 58 (1989) 279.
112. Cankurttartan et al, Phy Rev, B39 (1988) 2872.
113. Sayers С M and Smith R L, Ultrasonics, 20 (1982) 201.
114. Jayakumar T, Microstructural characterisation in Metallic Materials using
Ultrasonic and Magnetic Methods, Ph.D. Thesis, University of Saarland,
Saarbruecken, Germany, 1996.
115. Subba Rao G V, Varada Raju U V and Srinivasan R, Chemical and
Structural aspects of high temperature superconductors, ed. Rao CNR,
World Scientific, 42-50.
116. Chandra Sekhar M, Gopala Krishna B, ravinder Reddy R, Venugopal
Reddy P and Suryanarayana S U, Supercond Sci Tech, 9 (1996) 29.
117. Ledbetter H, Ming Lei, Allen Hermann and Sheng Z, Physica C, 225
(1994) 397.
118. Tittmann В R, Proc 5th Inter Conf Industrial Friction and Ultrason
Attenuation in Crystalline Solids, ed. Lenz and Lucke, (1975) 52.
119. Ewert S, Guo S, Lemmem P, Stellmach F, Wynants J-, Arlt G,
Bonnenberg D, Kliem H, Comberg A and Passing H, Solid State
Рекомендуемая литература
457
Commu, 64(1987) 1153.
120. Namgung С, Irvine ITS, Binks J H and West A R, Supercond Sci
Technol, 1 (1988) 169.
121. Rajendran V, Bhattacharya S, Modak D К, Bera A K, Chatteijee and
Chaudhuri В К, Phil Mag B, 75 (1997) 647.
122. Almond D P, Wang Q, Freestone J, Lambson E F, Chapman В and
Saunders G A, J Phys Condens Mater., 1 (1989) 6853.
123. Robinson Q et al, Adv Ceramic Mater, 2 (1987) 380.
124. Xu M F, Phy Rev, B39 (1989) 843.
125. Dominec J, Supercond Sci Tech, 6 (1993) 153.
126. Physical Acoustics, Academic Press, XX (1992) 238.
127. Bourine L C et al, Phy Rev, B35 (1987) 8785.
128. Bishop D J et al, Phy Rev, B36 (1987) 2408.
129. Xu M F, Physica, B165-166 (1990) 1281.
130. Golding В et al, Proc IEEE Ultrasonic Symposium, (1988) pp 1079. >31.
Doremus R H, Review Bioceramics J Mater Sci, 25 (1990) 285.
132. Hench L L, Splinter R J, Allen W C and Greenlee T K, J Biomed Mater
Res, 5 (1972) 117.
133. Chepers E S, Declercq M and Ducheye P, M S Thesis, University of
Florida, Gaines Ville, (1977) P-117.
134. Westerland T, Hatakka L and Karlsson К H, J Amer Ceram Soc, 66
(1983) 574.
135. Hench L L, Fundamental aspects of Bio-compatibility, Vol 1, ed. by D F
Williams, CRC Press, Boca Raton, (1981) p 67 & J Am Ceram Soc, 74
(1991) 1487.
136. Nakamura T, Yamamuro T, Higashi S, Kokubo T and Ito S, J Biomed
Mater Res, 19, (1985) 685; Mater in Medi, 3 (1992) 79.
137. Kiksugi T, Yamamuro T, Nakamura T and Kokubo T, International
Othopaedics, 13, (1989) 199: Mater, in Medi, 3 (1992) 95.
138. Andersson О H, J Mater Sci Mater Medi, 3 (1992) 326.
139. Andersson О H, Karlsson К H and Kangasniemi K, J Non-Cryst Solids, 19
(1990) 240.
140. Kelly A, Strong Slides, Clarendon, Oxford, (1966) p 3.
141. Sahar M R and Abidin A Z, J Mater Sci Letts, 13 (1994) 227.
142. Heimo Ylanen, Kaj H Karlsson, Ari Itala and Hannu T Aro, J Non-Cryst
Solids, 275 (2000) 107.
143. Szabo I, Nagy B, Volksch G and Holand W, J Non-Cryst Solids, 272 (2000)
191.
144. James P F, J Non-Cryst Solids, 181 (1995) 1.
145. Holand W, Rheinberger V and Frank M, J Non-Cryst Solids, 253 (1999) 170.
146. Knowles J C, Franks К and Abrahams I, Biomater, 22 (2001) 3091.
147. Oscar Peitl, Edgar Dutra Zanotto and Larry L Hench, J Non-Cryst Solids
292 (2001)115.
148. Zhang R and Ma PX, J Biomed Mater Res, 44 (1999) 446.
149. Miyazaki T, Kim H M, Kokubo T, Miyaji F, Kato H and Nakamura T, J
458
Глава 8. Определение характеристик материалов
Mater Sci: Mater Med, 12 (2001) 683.
150. Rajendran V, Bera A K, Modak D К and Chaudhuri В К, Acoust Letts, 20
(1997)168.
151. Ebisawa Y, Kokubo T, Ohura К and Yamamuro T, J Mater Sci Mater Med,
1 (1990) 239.
152. Rajendran V, Nishara Begum A, Azooz M A and El Batal F H, Biomater 23
(2002) 4263.
153. Rajendran V, Nishara Begum, Heimo Ylanen and Mikko Hupa, J Non-
Cryst Solids, (2002) submitted.
154. Papadakis, Inter, Metals Rev, 1 (1985) pp 1-24.
155. Paul McLntire (Ed) Non- Destructive Testing Hand Book, 2/e, ASNT
Publications, Vol.7 (1991).
156. Goebbles K, Research Techniques in Non-Destructive Testing, Sharpe R S
(Ed),Academic Press, London, Vol. IV (1980).
157. Palanichamy P, Barat P, Subramanian С V, Bhattacharaya D К and
BaldevRaj, TransIIM, 41(5) (1981) pp485-488.
158. Vary A, Material Property Characterisation, ASTM Hand Book, Vol. 7,
389.
159. Hecht A, Theil R, Newmann E. and Mundoy E, Mat Eval, 39 (1981) 934.
160. Palanichamy P, Joseph A and Jayakumar T, Insight, 36(11) (1994) 874.
161. Palanichamy P and Jayakumar T, Proc 15th WCNDT, India, December,
(1996) 2253.
162. Palanichamy P, Joseph A, Jayakumar T and BaldevRaj, NDT& E
International,28(3) (1995) 179.
163. Hirsekom, J Acoust Soc Am, 72(3) (1983) 1021.
164. Hirsekom, J Acoust Soc. Am., 73(4) (1983) 1160.
165. Vasudevan M, Palanichamy P and Venkatesan S, Scripta Metall. Materials,
30(11),(1994)1479.
166. Palanichamy P, Vasudevan M, Jayakumar T, Venugopal S and Baldev Raj,
NOT & E International, 33 (2000) 253.
167. Vasudevan M, Palanichamy P, Jayakumar T and Baldev Raj, Procc 21st
RISO International Symp on Materials Scinece, September 4-8, (2000)
261.
168. Shankar P, Sundaraman D and Ranganathan S, Scr Metall. Trans, 27A
(1996) 1175.
169. Sundaraman D, Shankar P and Ranganathan S, Metall Trans, 27A (1996).
170. Shankar P, Sundaraman D. and Ranganathan S, J Nucl Materials, 254
(1996) 1175.
171. Bhattacharya D K, Jayakumar T, Palanichamy P and Baldev Raj, J Non-
DestEval, 13(1-4), (1993) 15.
172. Douglass D L, Matellaurgy of Zirconium Atomic Energy Review
Supplement, 1971.
173. Krishnan R, Asundi M K, Proc Ind Academy of Sci, (Engg Sci) 4 (1981).
174. Asundi M К and Banerjee S, Proc Symp Nuclear Fabriction (NUF AB-
88), Board Nuclear Sciences, BARC, Bombay, Dec 1988, p 201.
Рекомендуемая литература
459
175. Oestberg G, Jomknot Ann 145 (1961) 119.
176. Chemdle P, Knorr D B, Van der Sande J В and Pelloux RM, JNucl Mater,
113(1983) 58.
177. Banerjee S, Vijayakumar S and Krishnan R, J Nucl Mater, 62 (1976) 229.
178. Ondracek Z, Werkstofftech, 9 (1978) 31.
179. Bush S H and Kemper R S, Recovery and Recrystallisation of Zirconium
and its Alloys - Part 3, Annealing Effects in Zircaloy-2 and Zircaloy-3, HW-
69680(1961).
180. Spies M, Non-destructive determination of materials texture by ultrasonic
techniques, MS Thesis, University of Housten, Texas, USA, 1989.
181. Jayakumar T, Mukbopadhyai C, Kasiviswanathan К V and Baldev Raj, Trans
Ind Instt Metals, 51(6) (1998) 485.
182. Bunge, Krist. U Tech, 3 (1968) 431.
183. Spies M and Salama, Res Nondestructive Eval 1 (1989) 99.
184. Bussiere J, Review of Progress in Quantitative NDE, Thomson D &
Chimenti D (ed), Plenum, New-York, 6B, (1987) 1377.
185. Yada H and Kawashima K, Non - Dest Characterisation of Materials
II, Bussiere J, Monchalin J, Ruud C. and Green R (ed), Plenum, New-
York, (1987) 195.
186. Hall E, Yield point Phenomena in Metal and alloys, Plenum, New-
York, (1970).
187. Uygur E, Research Technique in NOT, Sharpe R (Edt), London,
Academic, (1980) 205.
188. Kanninen M and Popelar C, Advanced fracture Mechanics, Clarendon,
England, (1985) 392.
189. Vary A, Materials Evaluation, 46 (1988) 642.
190. Smith R, Review of Progress in Quantitative NDE, Thomson D & Chimenti
D (ed), Plenum, New-York, 6B, (1987) 1475.
ГЛАВА 9
УЛЬТРАЗВУК В МЕДИЦИНЕ
9.1. Введение
Термин «ультразвуковое сканирование» используется повсемес-
тно. Он знаком каждой матери, и множество полученных с его
помощью изображений доказывают это. Сканирование безболез-
ненно, безопасно и надежно. Его успех с момента изобретения в
60-х годах воистину ошеломляет. Успешное применение ультра-
звука в различных областях медицины стало возможным благода-
ря совместным усилиям медиков, ученых и инженеров, которые
разрабатывали преобразователи, методы и инструментарий, со-
ответствующие отдельным медицинским диагнозам. Инновации,
произведенные в преобразователях и инструментах с целью NDT,
были с готовностью восприняты и соответствующим образом мо-
дифицированы для применения в области медицины на начальных
стадиях. Базовая техника распространения волны, широко изу-
ченная в твердых телах, жидкостях и газах, стала применяться для
понимания процессов распространения, поглощения и затухания
ультразвука в частях человеческого тела. За последние два десяти-
летия ультразвук занял в медицине прочную позицию. Потенциал
роста в настоящее время наиболее велик. Ультразвуковые измере-
ния скорости кровотока, обнаружение и уничтожение почечных
камней, лечение рака и т.д. являются поистине инновационными.
Ультразвук применяется для получения изображений различных
структур в брюшной полости, таких как печень, желчный пузырь,
поджелудочная железа, почки, мочевой пузырь, матка, аорта и т.д.
С помощью ультразвука можно легко выявлять нарывы, опухоли и
камни в этих структурах. Кроме того, он помогает отличать меди-
каментозную желчь от хирургической. Существует ряд известных
причин, обусловливающих применение ультразвуковых методов
в медицине. К примеру, известно, что традиционные методы, та-
Введение
461
кие как рентген и ядерная медицина, могут стать причиной по-
явления рака. Что касается методов, основанных на химическом
анализе, то они отнимают много времени.
В настоящее время ультразвуковое сканирование способ-
но работать в реальном масштабе времени, что позволяет отсле-
живать самые быстрые движения тканей с высокой точностью.
Карл Теодор Дуссик, невролог-психиатр Венского университета
в Австрии, стал первым врачом, который применил ультразвук в
медицинской диагностике. Врач Фридрих определял местополо-
жение опухолей в головном мозге и мозговых желудочков пос-
редством передачи ультразвукового луча через голову, с одной
стороны которой помещался преобразователь. Джордж Лудвиз,
доктор Пенсильванского университета, был одним из пионеров
в области использования эхо-импульсного ультразвука в 1940-х,
когда впервые произвел опыты на мышцах животных. Его иссле-
дования в биоакустической лаборатории Массачусетского инсти-
тута технологий в сотрудничестве с врачом-биоинженером Р.Х.
Болтом и инженером Теодором Хойтером из компании Siemens
(Германия), позволили измерить скорость передачи звука в мяг-
ких тканях животных, которая составила 1500—1600 м/с. Более
того, сочетание динамической визуализации с физиологической
информацией о кровотоке, полученное с помощью доплеровских
методов, представляет собой уникальное объединение анатоми-
ческих и физиологических данных. Другим способом примене-
ния ультразвука является отслеживание положения иглы во вре-
мя биопсии. С помощью серийных ультразвуковых исследований
можно лучше спланировать процесс радиотерапии. Еще одной
важной областью применения ультразвука является устранение
камней из мочеточника. При ультразвуковом сканировании по-
чек/мочеточника можно находить камни и дробить их. Ультразвук
представляет собой безопасный (неразрушающий) недорогой и
доступный метод визуализации, применяемый в первую очередь
при изучении многих болезней.
Главным недостатком применения ультразвука является то, что
он не проходит через газы при частотах, используемых для целей
диагностики. Другое ограничение состоит в том, что для проведе-
ния исследования и интерпретации результатов необходимы осо-
бые навыки, полученные на практике и в процессе обучения. От
данного недостатка удалось избавиться при появлении ПК, роботи-
зированного сканирования и программного обеспечения. Прежде
462 Глава 9. Ультразвук в медицине
чем ознакомиться с различными ультразвуковыми сканерами и их
применением в медицинской диагностике, нужно выяснить аспек-
ты распространения ультразвука в тканях и других частях органов
тела. Кроме того, необходимо иметь представление о различных
типах преобразователей и инструментария, выполняющих задачи
визуализации. Они рассматриваются в следующих разделах.
9.2. Ультразвук в тканях
При температуре тела скорость ультразвука во всех мягких тканях
составляет примерно 1400—1600 м/с. Наименьшая скорость на-
блюдается в жировых тканях, а наибольшая — в коже. Во многих
мягких тканях, включая мышцы, кровь, печень и почки, диапа-
зон скоростей достаточно близок к среднему значению. Поэтому
во всех системах диагностики используется скорость 1540 м/с,
предложенная для калибровки. Дисперсия скорости ультразвука
в мягких тканях весьма незначительна и, как правило, состав-
ляет 0,1%/К. Реальная изменчивость звука в тканях приводит к
получению ложных изображений (артефактов), вызванных пре-
ломлением. Более высокие и более низкие скорости ультразвука
в костях и легких не создают трудностей на практике, поскольку
эти ткани обычно не подвергаются диагностическому обследова-
нию. Однако скорость в кости может иметь диагностическое зна-
чение при остеопорозе и прочих болезненных состояниях. Было
предложено использовать температурное изменение скорости в
тканях в качестве метода мониторинга температуры тканей при
гипертермии. Были продемонстрированы методы передачи, кото-
рые отображают пространственные изменения скорости в тканях,
но они не нашли клинического применения. При частоте 1—10
МГц, преимущественно используемой в медицине, длина волн,
движущихся с такой скоростью, находится в диапазоне от 1,5 до
0,15 мм, следовательно, пространственное разрешение также ог-
раничено данным диапазоном.
Обычно принимается, что величина, характеризующая затуха-
ние в мягких тканях, приближенно составляет 0,5 дБ-МГц_'-см-1.
Данное значение использовалось в ряде экспериментальных ре-
зультатов. При рабочих частотах медицинского ультразвука за-
висимость затухания от частоты считается линейной. Причиной
этого затухания являются множественные релаксационные про-
Ультразвук в тканях 463
цессы, происходящие в границах тела, то есть в связях между во-
дой и длинноцепными биохимическими молекулами. Для жиро-
вых тканей и тканей с высоким содержанием коллагена, таких
как сухожилия и кожа, характерно затухание выше среднего, в то
время как в мозговых и зародышевых тканях затухание низкое.
Скелетные и сердечные мышцы демонстрируют значительную
анизотропию в затухании и обратном рассеянии. Так, затухание
вдоль волокон в три раза больше, чем поперек них. Рассеяние па-
дающей звуковой волны, используемой в эхо-импульсных или
доплеровских исследованиях, составляет очень незначительную
долю, поскольку коэффициент обратного рассеяния имеет по-
рядок 10“3 дБ/см. Рассеяние также зависит от частоты: в мягких
тканях оно пропорционально первой или второй степени часто-
ты, в крови — четвертой. В кости и в тканях легких, наполненных
воздухом, затухание, по крайней мере, на порядок выше, кроме
того, отличаются скорость, плотность и акустический импеданс.
По этой причине внутричерепные исследования у взрослых лю-
дей ограничиваются доплеровской техникой, а исследование лег-
ких проводится лишь при отеке последних. Сильное рассеяние от
газовых пузырьков широко используется в ультразвуковых конт-
растных исследованиях.
Ультразвуковые свойства тканей определяют точность эхо-
импульсного и доплеровского методов обследования. Выбор на-
иболее оптимальной частоты — это компромисс между необхо-
димостью обнаружения (проникновения) и пространственным
разрешением. Помимо этого, очень низкие коэффициенты об-
ратного рассеяния требуют чрезвычайно высокой чувствитель-
ности приемника, которая позволила бы обнаруживать вторич-
ное рассеяние и отраженные эхо-сигналы, выводить их на экран
в виде помех и помутнений в изображении. Это ограничивает
доступный динамический диапазон. Еще одна проблема эхо-им-
пульсной визуализации обусловлена естественной изменчивос-
тью затухания и его взаимодействием с временной регулировкой
усиления. Возникающие обычно затенения и просветления ог-
раничивают правдоподобность изображения, в результате чего
обнаружение границ на основе пороговой величины становится
очень ненадежным. Наконец, задача достижения сходства огра-
ничена пятнистой структурой изображения, которая обусловле-
на когерентным взаимодействием волны, матрицы рассеяния и
апертуры преобразователя-приемника.
464 Глава 9. Ультразвук в медицине
При акустическом давлении и частотах, используемых в био-
медицине, распространяющийся в тканях ультразвук может быть
сильно нелинейным. По этой причине был измерен параметр не-
линейности В/A (где А и В - соответственно квадраты амплитуд
первой и второй гармоник). В воде, при температуре тела, пара-
метр В/А примерно равен 5,3. В тканях В/А выше (около 7) и до-
ходит до 10 в жире. Визуализация параметра В/А не имела успеха,
но сравнительно недавно во многих коммерческих сканерах была
введена визуализация гармоник. В таких сканерах используются
более высокие частоты, генерируемые процессами нелинейного
распространения в тканях. При этом на получающемся изображе-
нии не только достигается более высокое пространственное разре-
шение, но и значительно уменьшаются помехи и помутнения, что
улучшает динамический диапазон диагностирования. Другие тех-
нические устройства, создаваемые с учетом свойств тканей, тоже
находятся в стадии разработки и имеют целью автоматизацию ре-
гулировки усиления колебаний и уменьшение пятен. В сочетании
с визуализацией гармоник и методами корректировки рефракции
эти устройства должны вывести получение изображений в меди-
цине на уровень точной томографии в режиме реального времени.
9.3. Преобразователи для визуализации в медицине
Преобразователи играют важную роль в получении изображения
тканей и частей человеческого тела. Ультразвуковые преобразо-
ватели, применяющиеся для визуализации в медицине, как пра-
вило, имеют форму, показанную на рис. 9.1. Рис. демонстрирует
одинарный преобразующий элемент, однако каждый отдельный
элемент многоэлементного преобразователя имеет аналогичную
базовую структуру.
Тыльный слой
(демпфер)
Электроды
Линза
Выравнивающий
слой
Преобразующий элемент
на основе пьезокерамики PZT
Рис. 9.1. Структура типичного преобразователя
Преобразователи для визуализации в медицине 465
Помимо параметров, рассмотренных в главе 5, преобразова-
тели, используемые в медицине, обладают следующими важными
характеристиками:
(I) Это простой преобразователь съемного типа, что позволяет
оператору быстро менять тип зонда и частоту.
(II) Выпуклая передняя поверхность зонда обеспечивает луч-
ший контакт с телом пациента и позволяет избежать вовлечения
воздуха в область контакта. Для этого требуется линза из специ-
ального резинового полимерного материала, импеданс которого в
точности соответствует импедансу мягких тканей.
Достижения в области композиционных преобразователей
и материалов, материалов подложки и улучшение согласования
импедансов привели к увеличению полосы пропускания частот
(в настоящее время до 140% от центральной частоты преобразо-
вателя). К примеру, если используется преобразователь с цент-
ральной частотой 2 МГц, то диапазон плоского участка амплитуд-
но-частотной характеристики находится в пределах 0,6—3,4 МГц.
Широкая полоса пропускания частот необходима для хорошего
осевого разрешения. Важную роль в улучшении качества изобра-
жения и разрешения играет фокусировка ультразвукового луча.
Существуют четыре различных способа фокусировки ультра-
звукового луча:
изогнутый пьезоэлек- (Ь) Присоединенная структура
трический элемент в форме линзы
Фокус
(с) Отражающая система
(рефлектор)
Рис. 9.2. Применение ультразвуковой фокусировки луча
Элементы
задержки
Пластинки
? преобразователя
Круговые волновые
--фронты
(d) Фазированный массив
466 Глава 9. Ультразвук в медицине
(1) чашеобразный преобразователь;
(2) структура линз на излучающей поверхности плоского пре-
образователя;
(3) подходящий рефлектор;
(4) многоэлементный (фазированный) массив.
Примеры структур, применяющихся в каждом из подходов,
приводятся на рис. 9.2. Самым простым способом фокусировки
является использование преобразователя, который уже изначаль-
но укомплектован всем необходимым.
9.3.1. Зонды с механическим сканированием
Схема механического секторного сканера качающегося типа при-
ведена на рис. 9.3. Базовыми элементами конструкции преобразо-
вателя являются опорная ось (в идеале находится вблизи передней
поверхности преобразователя), электродвигатель (показан в виде
секторных обмоток Л и В и постоянного магнита или ротора элект-
ромагнита), ванночка, наполненная водой или маслом и играющая
роль прослойки. В некоторых сканерах имеются два преобразова-
теля с разной частотой или фокусным расстоянием, развернутых в
противоположные стороны, чтобы любой из них можно было по-
вернуть в нужное положение. Альтернативное устройство (вертуш-
ка) имеет четыре различных преобразователя, установленных на
ободе колеса. Колесо непрерывно вращается в одном направлении,
что уменьшает проблемы, связанные с вибрацией. Имеется возмож-
ность более широкого выбора преобразователей в одном зонде.
Рис. 9.3. Схематическое представление механического секторного
сканера
Преобразователи для визуализации в медицине
467
Обратное движение при механическом сканировании с помо-
щью линейного массива элементов порождает проблемы вибра-
ции, присущие всем преобразователям, кроме наиболее легких.
Поэтому ограничиваются использованием высокочастотных пре-
образователей, не ниже 10 МГц. При частотах выше 15 МГц на-
иболее предпочтительным является применение линейного или
секторного механического сканирования, поскольку изготовле-
ние высокочастотных многоэлементных преобразователей сопря-
жено со значительными трудностями.
9.3.2. Матрицы
Матрица преобразователей представляет собой несколько пре-
образователей, расположенных на некотором расстоянии друг
от друга. Сигналы, поступающие от этих преобразователей, под-
вергаются некогерентной обработке. Следует отличать данную
конструкцию от преобразующей матрицы, которая представляет
собой преобразователь из нескольких преобразующих элементов
с когерентной обработкой сигналов от них. Матрицы преобразо-
вателей применяются для создания преобразователя с большой
апертурой, который избавляет от необходимости сложного ска-
нирования. Что касается преобразующих матриц, то они исполь-
зуются для формирования и направления ультразвуковых лучей
путем учета фаз сигналов от каждого элемента.
9.3.3. Кольцевые матрицы
Кольцевые матрицы были разработаны для того, чтобы преодо-
леть проблему разрешения по плоскости, свойственную одно-
элементным преобразующим системам. Разрешение по плоскос-
ти — это способность отличать две точки, находящиеся на одном
расстоянии от преобразователя, но разнесенные в плоскости, па-
раллельной поверхности преобразователя. Разрешение по плос-
кости, как правило, на порядок меньше осевого разрешения. На
практике, низкое разрешение по плоскости приводит к плохому
распознаванию целей, расположенных вдоль луча.
Разрешение по плоскости можно улучшить двумя способами:
либо с помощью линзы (рис. 9.2b), либо с помощью перестраи-
ваемой фокусируемой системы, в которой используется кольце-
вая матрица. Она состоит из центрального диска и нескольких
коаксиальных колец (рис. 9.4). Можно осуществить фокусиров-
ку в нужном интервале на центральной оси путем введения эле-
468 Глава 9. Ультразвук в медицине
мента запаздывания в путь сигнала к каждому элементу матрицы.
Положение фокуса можно связать с изменением положения эле-
мента изображения вдоль центральной оси. Кроме того, можно
достичь некоторого улучшения посредством незначительной фо-
кусировки переданного луча.
Путем замены однодискового преобразователя устройством в
виде кольцевой матрицы (рис. 9.4), состоящей из концентричес-
ких кольцевых преобразующих элементов, могут быть реализова-
ны переменная частота, аподизация (для уменьшения боковых ле-
пестков) и меняющаяся апертура преобразователя. Фокусировка
при передаче достигается путем излучения импульсов от разных
элементов в разное время так, чтобы они одновременно достига-
ли фокуса луча. В результате образуется импульс большой ампли-
туды в нужной фокальной зоне (рис. 9.5), но акустических шумов,
кроме слабых, нигде не наблюдается. Аподизация достигается
посредством возбуждения каждого из элементов матрицы с раз-
личной амплитудой.
Рис. 9.4. Пятиэлементная кольцевая матрица
внешние элементы производят
передачу раньше, чтобы
скомпенсировать дополни-
тельное расстояние до фокуса
|/v> f <
Сильный импульс
в желаемом месте
фокусировки
Преобразующая
матрица
(а) Передатчик
Сильный Суммирующий
сигнал усилитель
Сигналы не
в фазе Различные длины пути сигнала
/7 для каждого из элементов
Основной пульт
Сигналы
в фазе
Соедине-
ниес
зондом _
Преобразующая
матрица
Источник
эхо-сигналов
в желаемом фокусе
приема
(Ь) Приемник
Рис. 9.5. Фокусировка в передающей и принимающей преобразующей
матрице
Преобразователи для визуализации в медицине
469
Фокусировка в зоне обследования (рис. 9.5) выполняется с
помощью электронной временной задержки во всех элементах
(кроме крайних), прежде чем импульсы будут просуммированы.
Время запаздывания выбирается таким образом, чтобы сумма
времени прохождения ультразвука между фокусом приема и лю-
бым элементом и этого времени запаздывания была одинаковой
для всех элементов. В результате эхо-сигналы, поступающие из
зондируемой фокальной зоны, образуют сильный суммарный
сигнал. Для того чтобы осуществить аподизацию, сигналы от раз-
ных элементов усиливают по-разному.
9.3.4. Линейные и криволинейные многоэлементные зонды
Типичная линейная матрица преобразователей, состоящая из
примерно 100 узких прямоугольных преобразующих элементов
(от 2° до 30° каждый), изображена на рис. 9.6а. Эквивалентная
конфигурация одного из элементов приводится на рис. 9.6b.
Каждый элемент оснащен электрическим проводом, соединен-
ным с задним электродом. Что касается переднего электрода, то
он общий для всех элементов. Каждый элемент обычно дополни-
тельно нарезается на два или три узких элемента, чтобы подальше
разнести частоты резонансов по ширине и по толщине элемента.
Однако эта механическая нарезка не влияет на число элементов,
адресуемых электрическим путем.
Цилиндрическая
линза
(Ь) Отдельный
компонент
Рис. 9.6. Схематическое представление линейного многоэлементного
зонда
470 Глава 9. Ультразвук в медицине
В другой линейной матрице 20 преобразователей диаметром
3 мм выстроены линейно так, чтобы общая длина линейки составля-
ла 66 мм. Каждый преобразователь излучает частоту 3 или 4,5 МГц
в зависимости от конструкции зонда. Все они работают поочередно.
Кроме того, матрица может быть выстроена по выгибающейся
линии, по аналогии с рис. 9.3, образуя криволинейный многоэле-
ментный зонд. Достоинство данной конструкции заключается в ее
способности обозревать большую область, выслеживая более глу-
бокие цели. Однако в некоторых случаях такие зонды неприемле-
мы, к примеру при обследовании артерий, расположенных вблизи
поверхности, и чувствительных или костных структур.
9.3.5. Фазированные многоэлементные зонды
Типичный фазированный многоэлементный преобразователь в
разрезе показан на рис. 9.7. Этот тип зондов электронным обра-
зом направляет луч в пределах сектора под углом до 45° в обе сто-
роны от главной оси.
В данном виде зондов, так же как и в линейных, используется
около сотни прямоугольных элементов, но их разделение гораздо
уже (<Х/2). Элементы образуют общую многоэлементную пря-
моугольную апертуру с типичным размером 30 X. Все элементы
участвуют в формировании передаваемых и принимаемых лучей
для каждой линии сканирования. Как и в линейной матрице, ци-
линдрическая линза обеспечивает фиксированную слабую фоку-
сировку по глубине. Следовательно, толщина слоев среза будет не
лучше, чем для линейной матрицы.
Рис. 9.7. Вид фазированного многоэлементного зонда в разрезе
Преобразователи для визуализации в медицине
471
Для осуществления фокусировки применяются техники запаз-
дывания, аналогичные вышеописанным (см. рис. 9.3). Однако запаз-
дывание выбирается таким образом, чтобы создать один или нес-
колько фокусов для излучаемого сигнала и много фокусов приема,
плотно расположенных вдоль линии сканирования, которая, как пра-
вило, ориентирована под некоторым углом к главной оси (рис. 9.8).
Таким образом, обеспечиваются фокусировка и ориентация луча.
Рис. 9.8. Фокусировка луча и его ориентация выполняются путем
введения соответствующих временных запаздываний
Сделать выбор между фазированными многоэлементными сек-
торными сканерами и механическими весьма затруднительно. Фази-
рованные многоэлементные системы очень дорогостоящие, а элек-
троника, необходимая для синхронизации механической системы,
сложная. Боковые лепестки обычно не являются проблемой для вра-
щающихся преобразователей, но создают трудности в случае приме-
нения фазированных матриц. В будущем многоэлементный фазиро-
ванный секторный сканер станет общепринятым инструментом.
9.3.6. Гибридные линейно-секторные трапецеидальные
форматы сканирования
Некоторые линейные многоэлементные системы обеспечивают тра-
пецеидальную область обзора посредством управления поворотом
лучей в небольших областях у каждого из краев линейной разверт-
ки (рис. 9.9). Это порождает проблемы дифракционного максиму-
ма решетки, что обусловлено относительно большой высотой эле-
ментов (~2Х), обычно используемых в линейном многоэлементном
зонде. Однако для криволинейной матрицы данный фактор создает
определенное преимущество, обеспечивая большую область обзора
и при этом не вызывая проблемы сжатия тканей на поверхности.
472
Глава 9. Ультразвук в медицине
Рис. 9.9. Расположение линий сканирования в различных
форматах ^-сканирования
9.4. Инструментарий
Инструментарий наряду с преобразователями играет ключевую
роль в медицинской диагностике и визуализации. Революция в
электронике изменила ультразвуковые модули — они стали ма-
ленькими, портативными и менее дорогими. В большинстве ме-
ханизмов можно воспользоваться несколькими сканирующими
головками, что позволяет применять один и тот же модуль разно-
образными способами. Ультразвук представляет собой безопас-
ную технику, которую хорошо переносят взрослые и пациенты
педиатра. Метод требует незначительной подготовки пациента
или вообще не требует таковой. Схематическое представление
базового инструментария можно увидеть на рис. 9.10, что очень
похоже на инструменты, используемые в ультразвуковых NDT.
Тем не менее главные отличия кроются в методах сканирования,
обработке сигнала и выводе на экран.
Рис. 9.10. Базовые элементы экспериментальной системы
Инструментарий 473
9.4.1. Обработка сигнала и вывод на экран
Существование целого ряда механизмов взаимодействия ультра-
звука с биологическими и другими средами приводит к глубокой
зашифровке информации, содержащейся в эхо-сигналах. В пос-
ледние десятилетия удалось добиться значительного прогресса
в изучении компонентов сканеров, ответственных за обработку
сигнала и изображения, чтобы по максимуму использовать их воз-
можности. К примеру, часто возникает необходимость разделить
информацию нескольких типов, компенсировать взаимодействие
между переменными, разобраться с обширным динамическим
диапазоном и представить информацию в форме, наиболее при-
емлемой для наблюдателя. Для того чтобы это реализовать, не-
обходима соответствующая обработка, которая производится на
одном или нескольких уровнях (рис. 9.11).
Детализа- ция пере- данной импульс- ной волны Обработка в приемном канале Формиро- вание луча Однолиней- ная обра- ботка радио- частотных сигналов Многоли- нейная обработка радио- частотных сигналов
Рис. 9.11. Уровни обработки сигнала и изображения
9.4.2. Обработка передаваемого сигнала
Обработка сигнала в ультразвуковом сканировании начинает-
ся с формирования и задержки импульсов возбуждения, посту-
пающих от каждого элемента матрицы, с целью генерирования
фокусированной направленной и аподизированной импульсной
волны. Так, стандартное формирование импульса включает ре-
гулировку длины импульса для различных линз в зависимости
от того, как возвращающиеся эхо-сигналы в конечном счете бу-
дут способствовать режимам сканирования и визуализации. Не
менее важна центральная частота импульса, которая в современ-
ных широкополосных преобразователях может перестраиваться в
широком диапазоне в зависимости от того, какая часть тела будет
сканироваться. Из-за показателя отношения сигнала к шуму и по
ряду других причин данный фактор часто взаимосвязан с полосой
пропускания фильтра в приемнике.
Новым поводом для совершенствования формы передаваемых
импульсов явилась необходимость улучшить визуализацию газо-
вых микропузырьков, основанную на ультразвуковом контрасте.
474 Глава 9. Ультразвук в медицине
Цель заключается в том, чтобы воспользоваться нелинейностью
рассеяния от газовых включений и, к примеру, поочередно пере-
давать импульсы с инверсией фазы 180°. Опять же, все это долж-
но быть привязано к соответствующей обработке в приемнике,
чтобы воспользоваться преимуществами, которые дает новая ин-
формация, потенциально генерируемая при использовании таких
импульсов. Другие примеры включают ограничение полосы про-
пускания переданного импульса таким образом, чтобы фильтра-
ция в приемнике выявляла нелинейное генерирование гармоник
в эхо-сигнале и вариации пикового давления импульса и, следо-
вательно, обнаруживала нелинейное изменение амплитуды эхо-
сигнала.
9.4.3. Обработка принимаемого сигнала
Обработка эхо-сигналов, принятых каждым элементом матрицы,
обычно начинается с применения функций аподизации, динами-
ческого фокусирования или управления задержками, обработки
смешанных фонограмм, чтобы снизить стоимость разработки.
Здесь важно знать скорость звука. И наоборот, в некоторых экс-
периментальных сканерах неоднократно использовалось среднее
значение звуковой скорости, а резкость полученного изображе-
ния использовалась для оценки реальной скорости звука в среде.
Данное свойство обычно не выделяется в повседневном приме-
нении ультразвуковых сканеров, но оно оказалось полезным для
решения проблем диагностирования.
В других экспериментальных системах предпринимались
попытки применить корректировку фазовых искажений, чтобы
улучшить разрешение по плоскости, контрастность и/или отно-
шение сигнал—шум (SNR), которые страдают от эффектов иска-
жения волны, возникающих при распространении в негомоген-
ной среде, и от некогерентных рассеивающих структур. Методы,
изученные для выведения корректирующих функций, включали
применение геометрической информации, полученной из изоб-
ражений, в сочетании со знаниями о скоростях звука, исполь-
зование алгоритмов регулировки итеративной фазы на уровне
канала, которые задействуют весовые функции, включающие
яркость пятен или измерение когерентности сигналов в разных
каналах, и так называемый временной интервал. Была исследо-
вана как способ устранения шумов обработка сигналов в каналь-
ных интервалах.
Инструментарий 475
9.4.4. Формирование луча
В настоящее время используются аналоговые и цифровые фор-
мирователи луча. Формирование когерентного луча улучшает
зернистость и SNR за счет разрешения по плоскости и в то же
самое время полезно для выявления малоконтрастных телесных
поражений. Другими важными методами являются однолиней-
ная и многолинейная обработка радиочастотных сигналов, пре-
образование сканирующей развертки, завершающая обработка
и т.д.
9.4.5. Выбор частоты
Как обсуждалось ранее в разделе 9.2, ультразвук затухает при
прохождении через ткань в процессе рассеяния, частичного от-
ражения и тепловой конверсии (поглощения). Различные ткани
по-разному ослабляют звук. Например, степень затухания в мыш-
цах больше, чем в жире. Кроме того, затухание повышается с час-
тотой, а выбор ультразвуковой частоты является компромиссом
между разрешением и проникновением, поскольку первое требу-
ет высокой частоты, а второе — низкой. В результате этого комп-
ромисса высокие частоты применяются для получения изображе-
ний органов, расположенных вблизи поверхности, а низкие — для
рассмотрения более глубоко залегающих структур.
9.4.6. Эхо-импульсная визуализация
Когда ультразвук падает на границу двух тканей, он частично про-
ходит внутрь, а остальная его часть отражается таким же образом,
как свет от поверхности стекла. Степень остаточного отражения
обусловлена акустическими импедансами обеих тканей, кото-
рые, в свою очередь, зависят от плотности и сжимаемости тканей.
Сильные различия акустических импедансов приводят к высокой
степени отражения. К примеру, на границах мягкой ткани и кости
или разных видов мягких тканей (например, мышц и жира) отра-
жение невелико. Если ультразвук попадает на грубую поверхность
или на мелкие объекты, то он скорее рассеивается, чем отражается.
В инструментах эхо-импульсной визуализации на преобразователь
периодически подается электрический импульс, что приводит к
передаче ультразвукового импульса, который принимается преоб-
разователем после отражения или рассеяния на поверхностях тка-
ней. Для оценки глубины залегания отражателя инструмент может
использовать время с момента передачи до прихода эхо-сигнала.
476 Глава 9. Ультразвук в медицине
Преобразователь передает и принимает ультразвук по лучу,
имеющему форму карандаша. Толщина луча определяется разме-
ром преобразователя, операционной частотой и настройками фо-
кусировки. Таким образом, если инструмент принимает эхо-сиг-
нал, то понятно, что поверхность, его генерирующая, находится в
пределах ультразвукового луча, а глубина ее залегания определяет-
ся исходя из времени прихода эхо-сигнала после передачи. Ясно,
что ориентация ультразвукового луча и время прихода позволяют
рассчитать и вывести на экран местоположение этой поверхнос-
ти. Поскольку амплитуда эхо-сигнала обусловлена структурой и
физическим строением отражателя или рассеивателя, она играет
важную роль в диагностике и используется для регулировки ярко-
сти изображения эхо-сигнала на экране.
9.5. Различные виды сканеров
Методы сканирования можно обобщенно разделить на простые и
составные. Простое сканирование включает две разновидности,
которые проиллюстрированы рисунками 9.12а и 9.12b.
(а) Простейшее линейное сканирование (Ь) Простейшее секторное сканирование (с) Составное сканирование
Рис. 9.12. Методы сканирования — эхо-импульсная визуализация
Для простейшего линейного сканера (рис. 9.12а) при обследова-
нии тела требуется большое окно обзора, однако он дает наилучшее
изображение с обширной областью обзора вблизи кожи. Что каса-
ется простейшего секторного сканера (рис. 9.12b), то его преиму-
щество заключается в том, что он позволяет легко передвигать луч с
большой скоростью и использовать более узкое окно обзора. В качес-
тве примера визуализации такого плана можно привести получение
изображения сердца через межреберные пространства. Составное
Различные виды сканеров
477
сканирование (рис. 9.12с) дает более полную картину границ и улуч-
шает эффективное разрешение по плоскости путем усреднения шу-
мов или пятен изображения. Тем не менее метод требует большого
окна обзора, является технически сложным и его нельзя реализовать
быстро. При составном сканировании невозможно получать изобра-
жение движущихся объектов, поскольку процесс усреднения шумов
зависит от степени фиксации положения объекта.
Ультразвук проходит сквозь мягкие ткани человека со скоро-
стью примерно 1540 м/с. Когда ультразвуковой импульс наталки-
вается на границу двух структур, имеющих различные акустичес-
кие импедансы, часть его отражается от границы обратно в виде
эхо-сигнала, а другая часть проникает внутрь, чтобы отразиться от
дальней границы или быть поглощенной. Эти сигналы использу-
ются для создания иллюстрирующего изображения движения час-
тей человеческого тела, попавших в область луча. Информация,
получаемая эхо-импульсной системой, содержит данные о диапа-
зоне и амплитуде. Эта информация обрабатывается различными
способами, чтобы получить три основных типа картин, полезных
в медицине: Л-сканирование, 5-сканирование и сканирование
местоположения во времени.
9.5.1. Л-сканирование
Как говорилось в предыдущих главах, картина Л-сканирования яв-
ляется первоочередным фактором, позволяющим получить все ос-
тальные виды сканирования и качественные изображения органов.
Когда ультразвуковая волна падает на границу сред с различными
акустическими импедансами, она частично отражается обратно в
сторону преобразователя и создает разность потенциалов его перед-
ней и задней поверхностей. Полученный сигнал производит верти-
кальное отклонение пятна на экране CRТ. Величина вертикально-
го смещения является мерой амплитуды эхо-сигнала. Отклонение
вдоль горизонтальной оси представляет собой время, которое тре-
буется эхо-сигналу для того, чтобы вернуться обратно. Важным
способом применения Л-сканирования является точное измерение
размеров. На рис. 9.13 изображена типичная схема Л-сканера.
9.5.2. ^-сканирование
Информацию, получаемую эхо-импульсной системой, можно
изобразить в виде амплитудно-модулированной временной раз-
вертки (Л-сканирование) или яркостно-модулированной времен-
478
Глава 9. Ультразвук в медицине
Рис. 9.13. А-сканирование
ной развертки (Б-сканирование), где яркость связана с амплиту-
дой эхо-сигнала. Положение и направление временной развертки
на экране связаны с положением и направлением ультразвукового
луча, движущегося в теле пациента. Если перемещать зонд вдоль
тела и сохранять все картины Б-сканирования, то будет воспро-
изведена двухмерная картина поверхностей, производящих эхо-
сигналы, в плоскости сканирования.
Поверхности, генерирующие эхо-сигналы, представлены гра-
ницами органов, размеры которых, как правило, намного превы-
шают длину падающих ультразвуковых волн, а также маленькими
группами клеток, размер которых примерно равен или меньше
длины волны. Поверхность большой ткани производит зеркаль-
ное отражение, а маленькие структуры рассеивают падающий луч
во всех направлениях. Эти моменты имеют большое значение в
технике сканирования, позволяя воспроизводить анатомические
изображения отличного качества. При зеркальном отражении
максимальная амплитуда эхо-сигнала выявляется тогда, когда
преобразователь направлен по нормали к отражающей поверх-
ности. Учитывая особенности формы таких органов, как печень
и почки, при движении преобразователя вокруг пациента ультра-
звуковой луч перемещают по маленькой дуге (рис. 9.14).
Различные виды сканеров
479
Положения
ультразвукового луча
Рис. 9.14. ^-сканирование
Такая методика повышает вероятность перпендикулярного
падения луча и называется составным сканированием. Если нуж-
но рассмотреть маленькие структуры в органе или ткани, состав-
ное сканирование ухудшает картину, так как наиболее маленькие
структуры рассеивают ультразвук во всех направлениях, а также
воздействуют такие факторы, как движение тканей. По этой при-
чине более четкое изображение можно получить, если использо-
вать простое линейное сканирование.
Двухмерная система сканирования бывает двух типов. К пер-
вому относят сканеры с водяной ванной, которая отделяет пре-
образователь от тела пациента. Второй тип включает контактные
сканеры, где преобразователь контактирует с телом через тонкий
слой жидкости, например геля на водной основе, жидкого пара-
фина или оливкового масла. Назначение и тех, и других систем
состоит в том, чтобы устранить воздух из зазора между преобра-
зователем и кожей. Большинство сканирующих систем представ-
лено контактными сканерами. И хотя оба типа имеют свои до-
стоинства и недостатки, контактное сканирование в целом более
удобно и приемлемо для пациента. Минус метода заключается в
том, что из-за давления, оказываемого преобразователем на кожу,
происходит деформация ткани. В сканерах на основе водяной
ванны существует проблема ложных изображений, создаваемых
480 Глава 9. Ультразвук в медицине
многократными отражениями от зонда и поверхности кожи. Зато
при их применении не происходит деформации тканей, потому
что зонд находится на расстоянии от пациента. Данный фактор
позволяет размещать обследуемые структуры в области, которая
наиболее оптимальна для ультразвукового луча, а движения пре-
образователя можно легко механизировать, чтобы обеспечить
равномерность сканирования.
9.5.3. Сканирование местоположения во времени
Движение тканей, генерирующих эхо-сигналы, можно изобразить
в виде функции времени, воспользовавшись Л/-режимом (или ТМ)
экрана. Сканеры «время—местоположение» используются для
того, чтобы получать на экране изображения движущихся отра-
жателей, а в медицине их главная задача состоит в изучении дви-
жущихся структур сердца. Система записи аналогична системе,
используемой в ^-сканировании, поскольку возвращающиеся эхо-
сигналы являются яркостно-модулированными. Преобразователь
обычно устанавливают в некоторое положение на груди, а вторая
медленная временная развертка двигает временную развертку ос-
циллоскопа вниз по вертикали экрана, как показано на рис. 9.15.
Рис. 9.15. Ультразвуковой сканер в Af-режиме
Запись производится на основе ряда В-сканированных изоб-
ражений, которые следуют друг за другом. Если в ходе обследо-
Различные виды сканеров
481
вания цель перемещается, можно записать картину движений
и провести измерения, чтобы определить амплитуду движения,
скорость отражателя и хронометраж движения относительно не-
которого фиксированного стандарта, такого как электрокардио-
грамма (ЭКГ). Типичный сигнал сканирования местоположения
во времени показан на рис. 9.16.
Рис. 9.16. Картина сканирования местоположения во времени
(ЛУ-режим)
9.5.4. Другие виды сканирования
Далее рассмотрены другие популярные в области медицины виды
сканирования.
(I) Сканирование в режиме реального времени
Сканеры, действующие в режиме реального времени, перио-
дически пропускают луч через обследуемую область в достаточно
высоком темпе, обновляя изображение при каждом прохождении
луча, так что когда ткань движется (сердечный клапан или эмбри-
он), это можно видеть на экране.
(II) Доплеровское сканирование
Движение отражателей или рассеивателей изменяет также
частоту принимаемого сигнала. Изменение частоты переданного
сигнала происходит благодаря доплеровскому эффекту, и величи-
на изменения (доплеровский сдвиг) пропорциональна скорости
отражателя или рассеивателя. Измеряя доплеровский сдвиг час-
тоты ультразвука, рассеивающегося от крови, можно отслеживать
циклическое изменение скорости крови в артериях, а также на-
482 Глава 9. Ультразвук в медицине
блюдать изменения формы волны и расширение диапазона частот
доплеровского сдвига в распространяющемся потоке, вызванные
заболеванием.
(Ш) Двойное сканирование
Двойные сканеры, сочетающие сканирование в режиме ре-
ального времени с инструментарием доплеровского эффекта, ис-
пользуются для одновременного отображения анатомии сосудов
и волн скорости потока крови.
(IV) Цветопоточная визуализация
Цветопоточные формирователи изображений в еще большей
степени объединяют режим реального времени и доплеровский
инструментарий, накладывая цветное изображение движущейся
крови на полутоновую картину в реальном времени. При этом с
помощью соответствующих цветовых кодировок могут быть от-
мечены области нарушения кровопотока, направление и скорость
движения крови.
9.6. Применение различных сканеров в медицине
О применении различных сканеров в медицине рассказывается в
следующих разделах.
9.6.1. ^-сканирование
(I) Акушерство
Наиболее распространенной областью применения //-скани-
рующего ультразвука является акушерство, где он обычно исполь-
зуется для определения наличия беременности, возраста зароды-
ша и положения плаценты. Используются частоты в диапазоне
1,5-3 МГц.
(П) Ранние сроки беременности
С помощью ультразвука можно определять беременность уже
на пятой неделе после последней менструации. Положение мат-
ки, где развивается эмбрион, достаточно сложно рассмотреть,
потому что перекрывающий ее кишечник содержит газ, который
сильно отражает падающий ультразвук. Однако если сканирова-
нию подвергается пациентка с полным мочевым пузырем, кишеч-
ник отодвигается, а пузырь, наполненный жидкостью, выступает
Применение различных сканеров в медицине 483
в качестве акустического отверстия, через которое можно обсле-
довать матку. Применяя данную технику, можно уже на седьмой
неделе рассматривать характерные движения сердца эмбриона с
помощью сканирования местоположения во времени. А начиная
с тринадцатой недели, можно разглядеть череп эмбриона.
На ранних сроках беременности ультразвук играет неоцени-
мую роль в выявлении наличия или отсутствия жизни в зародыше.
Наиболее важным методом получения подобной информации яв-
ляется измерение сердечного ритма. Скорость сердцебиения эм-
бриона, как правило, составляет от 160 до 180 ударов в минуту, а
подобный ритм не свойственен никакой другой структуре. Если
сердцебиение не обнаруживается на восьмой неделе аменореи,
велика вероятность, что эмбрион не выжил.
Расчет объема гестационной полости (gestational sac) дает цен-
ную информацию о вероятном исходе начинающейся беремен-
ности. Отсутствие эмбриональных эхо-сигналов от гестационной
полости, превышающей 2,5%, указывает на смерть эмбриона.
Гестационная полость такого размера должна увеличиваться в
объеме каждую неделю, поэтому повторные измерения исполь-
зуются для оценки темпов ее роста. Объем можно вычислять
приблизительно путем определения максимальных диаметров в
нескольких проекциях. Наверное, стоит указать на тот факт, что
смерть зародыша на раннем сроке является довольно распростра-
ненным явлением и происходит в 25% случаев беременности.
(III) Зрелость плода
Ультразвуковые методы оценки зрелости плода включают
измерение бипариетального диаметра головки (BPD) и копчико-
во-теменного размера, то есть длины от макушки до ягодичной
области (CRL). Бипариетальный диаметр, по всей видимости,
является параметром, наиболее часто измеряемым в акушерской
практике, и означает максимальный диаметр, измеряемый под
прямыми углами к средней линии между двумя полушариями го-
ловного мозга. В настоящее время большинство 5-сканеров ос-
нащены штангенциркулями, которые накладываются на картины
А- и 5-сканирования. Маркеры штангенциркуля помещаются на
передние фронты эхо-сигналов от ближайших и наиболее отда-
ленных костей черепа, а с цифрового дисплея считывается интер-
вал между ними. Из вышесказанного понятно, что более точные
данные дает Л-сканирование по сравнению с 5-сканированием.
484 Глава 9. Ультразвук в медицине
Связь BPD со сроком беременности показана на рис. 9.17. Длина
от макушки до ягодичной области, измеренная на сроке от семи
до четырнадцати недель, является наиболее полезным индикато-
ром зрелости плода.
Срок беременности (недели)
Рис. 9.17. Связь бипариетального диаметра и срока беременности
Чтобы выполнить подобное измерение, зонд помещают вер-
тикально над животом матери и определяют положение эмбриона
внутри гестационной полости. Затем зонд в том же вертикальном
положении перемещают вдоль тела эмбриона до самой крайней
точки. Места приема эхо-сигналов от двух крайних точек плода
помечаются маркерами, помещаемыми на животе. Расстояние
между ними принимается за CRL. На рис. 9.18 показана связь
между CRL и зрелостью плода.
(IV) Плацента
Важную роль играет определение местоположения плаценты
в матке, когда плацента выстилает родовые пути. Перед проведе-
нием амниоцентеза, то есть взятия образца околоплодных вод в
матке, следует узнать, лежит ли плацента на передней или задней
стенке матки.
(V) Отклонения в развитии эмбриона
С появлением памяти у сканирующих преобразователей и эк-
ранов с полутоновой шкалой стало возможным выявлять некото-
рые виды отклонений в развитии эмбриона. К таковым относятся
Применение различных сканеров в медицине 485
анэнцефалия, при которой наблюдается недоразвитость черепа и
кожи головы (летальный исход), гидроцефалия, когда в желудоч-
ке мозга находится большое количество жидкости, и незаращение
позвоночника, когда спинные дуги не соединяются.
Срок беременности (недели)
Рис. 9.18. Связь длины от темени до ягодичной области со зрелостью
зародыша
(VI) Патологии органов и тканей
По количеству процедур сканирования акушерские обследо-
вания занимают первое место в области применения 5-сканирую-
щего ультразвука. Вторая популярная сфера применения ультра-
звукового сканирования представлена исследованием патологий
органов и тканей, особенно с целью изучения новообразований. В
данной области важно уметь отличать кисты, заполненные водой,
от фибром. Поскольку кисты содержат жидкость, они создают
незначительное затухание падающих лучей и не производят эхо-
сигналов внутри себя. Фибромы, наоборот, сильно ослабляют луч
и производят эхо-сигналы в границах своего роста. Большинство
кист инкапсулированы, и при 5-сканировании на экране наблю-
дается гладкая граница. Однако если некоторые кисты содержат
как жидкую, так и твердую субстанцию, картина на экране услож-
няется.
(VII) Почки
При обследовании почек частота используемого ультразвука
варьируется от 2 до 5 МГц. Во время обследования пациент ле-
486 Глава 9. Ультразвук в медицине
жит, держа руки за головой. В продольном сечении почки имеют
овальные очертания с гладкой поверхностью, и они хорошо отли-
чимы от окружающих мышц и прочих органов брюшной полости.
Почечные чашки, почечная лоханка и кровеносные сосуды изоб-
ражаются на экране как центральная группа эхо-сигналов высо-
кого уровня. В поперечном сечении почка имеет овальную или
округлую форму с центральными эхо-сигналами.
(VIII) Печень
Для обследования печени используется частота 2—3 МГц.
Печень является самым большим органом тела и имеет вес от 1,28
до 1,55 кг. Первоначально от диафрагмы вниз по телу осущест-
вляется продольное сканирование, чтобы определить положение
и протяженность печени. Для получения полного изображения
печени необходимо установить зонд под углом ниже диафрагмы.
Внешний вид нормальной печени зависит от плоскости сечения.
Однако для определения нормального состояния нужно, чтобы
оператор обладал определенным опытом. При обследовании пе-
чени с помощью ультразвука одной из важнейших задач является
выявление кист, первичных и вторичных злокачественных обра-
зований и циррозов.
(IX) Желчный пузырь
Желчные камни можно достаточно легко обнаружить по нали-
чию акустической тени позади них. Положение желчного пузыря
может быть различным, но обычно он находится параллельно гра-
нице печени. Его-появление на экране ультразвукового сканера
зависит от того, съел ли пациент жирное блюдо или нет. Желчь в
желчном пузыре голодного человека выглядит как поверхностная
киста. После приема жирной пищи желчный пузырь сжимается и
выбрасывает желчь в пищеварительную систему.
(X) Селезенка
На экранах ультразвуковых сканеров селезенка выглядит как
гомогенные эхо-сигналы низкого уровня. Важную роль в обсле-
довании селезеночных патологий играет использование полу-
тоновой шкалы. Сканирование обычно проводят, когда паци-
ент лежит на правом боку, и используют частоту 2—3 МГц. При
ультразвуковом сканировании главная задача заключается в том,
чтобы определить, увеличена селезенка или нет.
Применение различных сканеров в медицине
487
(XI) Поджелудочная железа
Поджелудочная железа находится впереди аорты и верхней
брыжеечной артерии, а ее верхняя часть расположена перед ниж-
ней полой веной. На экране поджелудочная железа выглядит как
разграниченная структура с гомогенными эхо-сигналами.
(XII) Лимфатические узлы
В некоторых случаях можно детально рассмотреть лимфати-
ческие узлы. Они выглядят как дискретные области вокруг аорты,
относительно свободные от эхо-сигналов.
(XIII) Щитовидная железа
В ультразвуковом обследовании щитовидной железы обыч-
но используются частоты из диапазона 3—5 МГц, применяются
контактные методы сканирования и методы на основе ванночки
с водой. Ультразвук способен отличать простые кисты от множес-
твенных, а также твердые новообразования.
(XIV) Молочные железы
Сканеры, использующие ванны с водой, производят наибо-
лее детальное ультразвуковое сканирование молочных желез. Это
обусловлено двумя важными причинами: во-первых, зонд, отсто-
ящий от груди, позволяет просматривать ее поверхностные струк-
туры, во-вторых, грудь, расположенная в ванне с водой, находится
в расслабленном состоянии. При обследовании молочных желез
пациент лежит на спине в резервуаре с водой, в которую погружен
сканирующий механизм. Пациент лежит так, что его грудь нахо-
дится на плаву в теплой дегазированной воде. Поскольку данный
тип систем позволяет получать отличные изображения, стало воз-
можным выявлять карциномы, гематомы, увеличенные протоки,
жировые отложения и кистозно-фиброзные заболевания. Как
правило, используется частота 2—3 МГц.
9.6.2. Сканирование местоположения во времени
Наиболее важную диагностическую информацию при исследо-
вании сердца можно получить, если перемещать преобразователь
вдоль сагиттальной плоскости, следуя по продольной сердечной
оси (рис. 9.19). На рисунке аорта, левое предсердие, левый желу-
дочек, правый желудочек и митральный клапан обозначены как
A LA, LV,RVtt MV.
488 Глава 9. Ультразвук в медицине
Рис. 9.19. Положение преобразователя при обследовании сердца
(I) Митральный клапан
Чтобы обнаружить митральный клапан, преобразователь
помещают на грудную клетку в положение 1, как показано на
рис. 9.19. При обследовании наблюдается типичная Л/-образная
картина движений митрального клапана. Движение в различные
периоды сердечного цикла проиллюстрировано рис. 9.20. В на-
чале диастолы желудочков митральный клапан открывается. На
рис. 9.20 это отражено как движение переднего листка в направ-
лении грудной стенки. В начальной стадии диастолы клапан час-
тично закрывается и отодвигается от грудной стенки, затем снова
открывается с внутренней стороны при сокращении левого пред-
сердия, и в конце диастолы он закрывается сзади. Во время сис-
толы желудочков эхо-сигнал от митрального клапана медленно
перемещается в направлении грудной стенки и дает картину дви-
жения всей клапанной структуры в данном направлении.
Рис. 9.20. Движение митрального клапана в различные периоды
сердечного цикла
Диастола
Применение различных сканеров в медицине 489
(II) Аорта и левое предсердие
Чтобы запечатлеть аорту и левое предсердие при сканировании
местоположения во времени, преобразователь направляют по траек-
тории 3 (см. рис. 9.19), устанавливая его в срединном положении и
направляя немножко в сторону головы. Ультразвуковой луч проходит
грудную стенку, переднюю стенку сердца, путь оттока правого желу-
дочка, аорту и левое предсердие. Аорту легче всего заметить по па-
раллельному движению ее передней и задней стенок. В систоле аорта
движется в направлении к преобразователю, а в диастоле — от него.
(III) Левый желудочек
Стандартное направление преобразователя при обследовании
левого желудочка обозначено цифрой 4 на рис. 9.19. Луч прохо-
дит через переднюю стенку сердца, правый желудочек, межжелу-
дочковую перегородку и левый желудочек. Для оценки размеров
левого желудочка сканирование должно охватывать обе поверх-
ности желудочковой перегородки и заднюю стенку, а также свя-
зочные сухожилия в полости желудочка.
(IV) Легочные и трехстворчатые клапаны
Легочный клапан находится непосредственно над митральным
(рис. 9.21). Чтобы его обследовать, нужно направить преобразо-
ватель в сторону головы относительно стандартного положения.
Луч проходит через путь оттока правого желудочка и находящий-
ся позади него выступ легочного клапана.
Рис. 9.21. Связь клапана аорты, легочного и трехстворчатого клапанов
с митральным клапаном
490 Глава 9. Ультразвук в медицине
Трехстворчатый клапан расположен справа от митрального, и
его можно обнаружить, направив луч срединно из стандартного
положения.
9.7. Заключение
В начале данной главы на первый план выдвигается значимость
ультразвуковых методов в области медицины по сравнению с дру-
гими методами, такими как рентгеновские лучи, термография и
т.д., и проводится краткий экскурс в историю. Дается общее пред-
варительное рассмотрение аспектов распространения волн, к ко-
торым относятся скорость, поглощение и рассеяние ультразвука
в частях человеческого тела. Обсуждаются техники визуализации.
В настоящее время электронный инструментарий играет чрез-
вычайно важную роль в медицинской ультраакустике. В данном
обзоре невозможно рассмотреть все детали, имеющие отношение
к инструментарию, поэтому лишь вкратце обсуждается важность
техник обработки сигналов для создания подходящей формы из-
лучаемой волны и извлечения максимальной информации из
принятых сигналов. И наконец, на обозрение выносятся различ-
ные механизмы сканирования и важность их применения.
Рекомендуемая литература
1. Delchar Т A, Physics in Medical Diagnosis, Chapman & Hall (London),
1997.
2. Fish P, Physics and Instrumentation of Diagnostic Medical Ultrasound,
John Wiley & Sons (New-York), 1990.
3. Mason W P, Sonics and Ultrasonics: early history and applications, IEEE
Trans Son Ultrasonics, SU-23, (976)224.
4. Rose T J and Goldberg В В, Basic Physics in Diagnostic Ultrasound, John
Wiley & Sons (New-York), 1979.
5. Schueler C F, Lee H and Wade G, Fundamentals of Digital Ultrasonic
Imaging, IEEE Trans Sonics and Ultrasonics, SU-31, (1984) 195.
6. Thangaraju В and Gopal E S R, J Pure Appl Ultrasonics, 22 (2000) 20.
7. Whittingham TA, INSIGHT, 41(1), Jan (1999) 8.
ГЛАВА 10
ПОДВОДНАЯ АКУСТИКА
10.1. Введение
Подводная акустика — это наука о звуковых волнах в воде, вклю-
чающая исследование распространения волн и маскировки звука
поверхностными акустическими явлениями. В условиях постоян-
ного роста населения и увеличения потребностей океаны и моря
представляют собой огромнейший потенциальный источник жи-
вых и неживых ресурсов. Главным живым ресурсом океана яв-
ляются морепродукты, прежде всего рыба. Морских животных
классифицируют по двум категориям: позвоночные, к которым
относятся тунец, черепахи, морские змеи, киты, дельфины, тюле-
ни, и беспозвоночные, например медузы, кораллы, улитки, кре-
ветки и т.д. Неживые ресурсы океана, так же как и живые, тоже
имеют большой потенциал. На дне океана и под ним находятся
некоторые наиболее важные минералы, не говоря уже о раство-
ренных в воде веществах, таких как соли, магний и бром. Добыча
минералов из океанов дает определенные уникальные преиму-
щества по сравнению с традиционной разработкой наземных
месторождений.
Электромагнитные волны при зондировании подводной об-
ласти рассеиваются и поглощаются в сильно неоднородной среде,
каковой является для них морская среда. Однако и звуковые вол-
ны, чтобы быть эффективными, должны распространяться в оке-
ане на большие расстояния с минимальным затуханием. Поэтому
подводный инструментарий разрабатывают таким образом, чтобы
он соответствовал конкретным задачам. Последние достижения в
технологическом прогрессе преобразователей, мощных источни-
ков питания, звукоулавливающих антенн с высокой чувствитель-
ностью и совершенствование техники обработки сигналов позво-
ляют подводной акустике исследовать живые и неживые ресурсы
океана для расширения их использования.
Глава 10. Подводная акустика
В данной главе вкратце рассматриваются основы подводной
акустики, методы исследования и способы применения, чтобы
дать читателям представление о данной сфере.
10.2. Основы подводной акустики
Подводная акустика связывает океан как акустическую среду и
его свойства с поведением распространяющихся в нем волн, шу-
мами и реверберацией. Звуковые волны, генерируемые источ-
ником/преобразователем, передаются в океан. Распространение
звука в океане сопряжено со всеми акустическими явлениями,
такими как отражение, рассеяние, поглощение и т.д. Таким обра-
зом, изучение распространения звуковых волн в океане позволяет
получить динамические характеристики живых и неживых ресур-
сов и геологическую информацию.
Для понимания современного положения подводной акусти-
ки важны знания о том, как звуковые параметры связаны с физи-
ческими и химическими свойствами среды, поверхностями, гра-
ницами и биологией.
10.2.1. Физические и химические свойства
К океанографическим параметрам, влияющим на скорость звуко-
вых волн в океане, относятся распределение температуры, плот-
ность, соленость и водные массы. Температура является базовым
параметром в любом описании, имеющем отношение к океану.
От нее сильно зависит плотность морской воды. Любое изменение
поверхностной температуры океана приводит к соответствующим
изменениям океанографических параметров. Морская вода пред-
ставляет собой двухкомпонентную жидкость, содержащую раз-
личные соли. Термин «соленость» применяется для обозначения
относительного содержания соли, растворенной в морской воде.
Соленость выражается в частях на тысячу (ppt). Морская вода
менее сжимаема по сравнению с пресной. Оценка сжимаемости
морской воды на большой глубине основывается на определен-
ных зависимостях.
Изотермическая сжимаемость 0и, скорость звука U и плот-
ность р морской воды связаны соотношением:
U = J^, (Ю.1)
Основы подводной акустики 493
где у — отношение удельных теплоемкостей при постоянном дав-
лении и объеме.
Океанографические параметры, такие как температура, со-
леность и водные массы, непостоянны и изменяются с глуби-
ной моря. Следовательно, перечисленные параметры отразятся
в сложных изменениях скорости звука в морской воде по про-
странству океана.
10.2.2. Свойства звука
Скорость звука является функцией физических и химических
свойств океана. Любое изменение океанографических парамет-
ров вызывает соответствующие изменения скорости звука в оке-
ане. Для того чтобы связать все океанографические параметры,
было разработано эмпирическое соотношение. Упрощенная эм-
пирическая формула скорости звука в океане как функция темпе-
ратуры Т, солености S и глубины Zвыглядит так:
С7 = 1449,2+4,6Т-0,0557’2 + 0.00029713+(1,34-0,0107’)(5-35) + 0,016Z
(Ю.2)
Наиболее распространенными приборами, измеряющими
скорость звука в океане как функцию глубины моря, являются
батитермограф {ВТ) и велосиметр. Раскладной (expandable) ба-
титермограф (ХВТ) используется для измерения температуры как
функции глубины. Скорость звука получают по эмпирической
формуле, предполагая, что соленость воды является постоянной
величиной. Однако в прибрежных зонах и вблизи рек или льда
предположение о постоянстве солености не действует.
Велосиметр, также называемый XSV, представляет собой при-
бор, используемый для прямого измерения скорости звука по
времени распространения. В большинстве морских исследований
велосиметр является наиболее предпочтительным инструментом
для определения скорости звука, чтобы анализировать информа-
цию в таких областях, как динамическое моделирование океана,
исследования взаимодействия воздуха и воды и различные биоло-
гические обследования.
Распространение звука в океане зависит от нескольких слоев,
каждый из которых имеет различные характеристики и местопо-
ложение (рис. 10.1). Первый слой называют звуковым, здесь на
скорость звука влияют локальные изменения, такие как нагрева-
494 Глава 10, Подводная акустика
ние, охлаждение и воздействие ветра. Его нижняя граница опре-
деляет глубину звукового слоя (SLD). Океанографы называют дан-
ную границу глубиной перемешанного слоя (MLD), поскольку этот
поверхностный слой представляет собой хорошо перемешанный
изотермический слой воды. Область под перемешанным слоем
носит название термоклина, то есть зоны, в которой температура
резко снижается с глубиной. Следующим слоем является изотер-
мический, он начинается после термоклина и доходит до морского
дна (рис. 10.1). Изотермический слой имеет постоянную темпера-
туру, и, следовательно, в его границах повышение скорости звука
с глубиной обусловлено ростом давления.
Глубина горизонта ниже оси звукового канала, на котором
скорость звука равна ее максимальному значению вблизи поверх-
ности, называется критической глубиной. Расстояние по вертикали
между критической глубиной и дном моря известно как избыточ-
ная глубина. Предполагаемый профиль скорости звука не распро-
страняется на океанические пространства крайних широт или на
некоторые малоразмерные области.
Рис. ЮЛ. Схематическое представление связи температуры
и профилей скорости звука по глубине океана
10.2.3. Границы
Границами толщи воды в океане являются поверхность и дно. Эти
границы влияют на распространение акустической энергии, что
обусловлено отражением, рассеянием и поглощением. Звуковые
Основы подводной акустики 495
волны претерпевают отражение и рассеяние, когда падают на по-
верхность моря. Если поверхность идеально гладкая, звуковые
волны отражаются из-за несоответствия импедансов соприкаса-
ющихся воздуха и воды. Потерь при отражении нет и при волне-
нии моря и воздействии ветра на его поверхность.
Неровность поверхности моря обычно выражается в показате-
лях высоты волн. Погодные условия моря описываются с исполь-
зованием скорости ветра, а не высоты волны. Общее уравнение,
выведенное для высоты волны из скорости ветра, выглядит так:
Я1/3 =0,55х10’2И2,
1 / э
(10.3)
где К— скорость ветра, Н1/3— среднее значение одной трети высо-
ты волн.
Двумя наиболее распространенными измеряемыми величи-
нами являются среднеквадратическая высота Hms и одна десятая
высоты большой волны Н1/1(Г Эти две величины связаны с одной
третью высоты волны соотношениями:
Яти=0,70Я1/3, (10.4)
Я1/10=0,80Ягав. (10.5)
Поведение скорости звука в дне моря более сложное, чем на
поверхности, из-за многообразных и многослойных структур.
Типичная картина океана в разрезе с соответствующими глубина-
ми и скоростями звука в толще воды и верхнем слое дна показана
на рис. 10.2. Поскольку морское дно представляет собой много-
слойную структуру, плотность которой с глубиной изменяется
либо плавно, либо резко, скорость звука будет также претерпевать
соответствующие изменения. Следовательно, акустические пара-
метры морского дна являются измеримыми величинами, содер-
жащими информацию о различных субстанциях: от пластичной
массы (осадочные породы) до крепких пород (верхняя мантия),
как показано на рис. 10.2.
Для математического описания распространения звука в оке-
ане как среде с граничными условиями используется уравнение
волны. Существуют различные модели, объясняющие распро-
странение звука в море: (I) теория Рэя, (II) теория быстрого поля
(FFP), (III) нормальные моды(ЯЛ/), (IV) теория уравнения пара-
496 Глава 10. Подводная акустика
болы (РЕ). Все эти теории в большей мере применимы на низких
частотах, в то время как теория Рэя более подходит для высоких
частот порядка нескольких килогерц или выше.
Рис. 10.2. Скорости звука в толще воды и верхних слоях дна
Важная информация, полученная из вышеприведенных рас-
суждений, заключается в том, что характеристики морского дна
считаются постоянными на протяжении времени, в то время как
поверхность моря статистически зависит от изменений скорости
ветра. Таким образом, звуковые продольные и поперечные волны
часто используют для зондирования дна, получая преломленные
и отраженные от его внутренних слоев волны, что позволяет оха-
рактеризовать слои, из которых состоит морское дно.
10.2.4. Биологические организмы
Биологические организмы влияют на подводный звук в несколь-
ких проявлениях. Главные морские организмы делятся на четы-
ре основные категории: планктон, нектон, бентос и водоросли. К
планктону относятся как животные, так и растения. Нектон (или
свободно плавающие организмы) — это животные, которые спо-
собны целенаправленно передвигаться в воде. Нектон включает
рыб и млекопитающих, обитающих на всех глубинах. К бентосу
относятся обитатели морского дна.
Биологические организмы оказывают воздействие на подвод-
ный звук одним из следующих способов: создавая шумы, вызывая
затухание и рассеяние сигналов, исполняя роли фальшивых целей
и загрязняя гидроакустические преобразователи.
Методы исследования 497
10.3. Методы исследования
Для того чтобы исследовать живые и неживые материи океанов,
нужно излучать акустическую энергию в среду. Гидроакустическая
энергия, так же как при работе с радаром, излучается в виде энер-
гетического импульса, чтобы получить как можно больше ин-
формации о материале цели. Излучаемая энергия преобразуется
(рассеивается) средой и целью. Наблюдатель обнаруживает цель с
помощью рассеянной энергии, используя сложные техники пос-
ледующей обработки принятого эхо-сигнала. Для получения ин-
формации о цели служат запаздывание импульса и затухание, вы-
званное средой и целью. Как правило, в морских исследованиях
используются акустические волны диапазона 10—20 кГц. Частоты
выше 50 кГц неприемлемы для применения под водой, поскольку
поглощение звуковой энергии в морской воде повышается про-
порционально квадрату частоты. Если используются высокое раз-
решение и малые дистанции, например при изучении рыб, часто-
та составляет порядка 500 кГц.
С возникновением электроники, развитием преобразовате-
лей и усовершенствованием методов обработки сигнала техника и
инструментарий, используемые для измерения океанических па-
раметров, были также усовершенствованы, произошел переход от
инструментов, управляемых вручную, к многофункциональной
системе с дистанционным управлением на базе микропроцессо-
ра/компьютера. Наиболее часто измеряемые океанографические
параметры и инструменты, используемые для проведения этих
измерений, перечислены в табл. 10.1.
Табл. 10.1 Наиболее часто измеряемые океанические параметры
и применяемый инструментарий
Океанический параметр Диапазон значений Типовая точность Типовые инструмен- ты, относящиеся к категории прямых
Температура от 271 до 305 К ±0,002 К Опрокидывающи- еся термометры МВТ, ХВТ, ЕВТ, STD, CTD
Соленость отО до 36 ppt от ±0,003 ppt до ±0,02 ppt Солемер, STD, CTD
498
Глава 10. Подводная акустика
Окончание табл. 10.1.
Океанический параметр Диапазон значений Типовая точность Типовые инструменты, относящиеся к катего- рии прямых
Скорость и направление океанических течений до 2600 м/ч 0-360° от ±1 до ±2% полной шкалы от +2 до +10° Поплавки, поверхнос- тные и с нейтральной плавучестью, ротор- ные измерители тече- ний, ультразвуковые и электромагнитные измерители течений
Высота волны отО до 20 м ±10 см Волномер-самопи- сец, волноизмери- тельный буй,волно- граф, обращенный эхолот
Период волны от 2 до 20 с ±0,5 с
Направление волны отО до 360° от ±2 до ±10°
Высота прилива отО до 10 м ±1% Самописец уровня моря
Коэффициент оптического поглощения отО до 100% ±1% полной шкалы Прозрачномер, нефе- лометр, измеритель интенсивности излу- чения
Скорость звука от 1400 до 1600 м/с от ±0,1 до 1% Звуковой велосиметр, SVTD
Глубина океана до 4000 м ±5% полной шкалы Эхолот, точный глу- биномер
Океанографические инструменты с точки зрения их функ-
ционирования классифицируют по двум категориям: прямые и
дистанционные. Дистанционные зондирующие инструменты за-
воевали популярность в конце 80-х годов. Эти инструменты ис-
пользуются для измерения океанических параметров и не создают
помех, обеспечивая получение синоптических данных посредс-
твом быстрого и обширного охвата пространства. Сигналы, при-
Классификация инструментов 499
нятые от цели, требуют корректировки, поскольку несущие элек-
тромагнитные и акустические волны проходят через воздушную и
водную среду.
Следовательно, дистанционные зондирующие инструменты
требуют корректировки и наземного контроля данных, для чего не-
обходимы дополнительные эксперименты. Поэтому традиционно
используются прямые инструменты, которые не имеют недостат-
ков, присущих дистанционным. Наиболее распространенными
прямыми инструментами, разрабатываемыми для инженерных со-
оружений, являются фиксированная платформа или вышка, буи на
растяжках (expandable buoys), которые действуют самостоятельно,
контролируются дистанционно или человеком из подводного аппа-
рата, а также структуры, размещаемые на дне моря. Дистанционные
зондирующие инструменты снабжены связью с самолетами и спут-
никами, а в некоторых случаях — с береговыми сооружениями.
Океанографические инструменты имеют различные формы
представления результатов. Корабельные и воздушные инстру-
менты оснащены визуальным и аналоговым/цифровым дисплеем
с возможностью хранения данных для возврата к ним и обработ-
ки в будущем. Если инструментарий установлен на буях, данные
передаются либо записываются с помощью кабеля или акустичес-
кой/радиотелеметрической аппаратуры в соответствии с програм-
мой, действующей в онлайн-режиме или введенной в память. В
случае буев на растяжках или зондов данные передаются на стан-
цию мониторинга либо по кабелю, либо посредством телеметрии.
Для переноса данных от соответствующих бортовых инструментов
используются программируемые инструкции/комментарии.
10.4. Классификация инструментов
Океанографические инструменты имеют такое же базовое устройс-
тво, как их наземные аналоги. Океанические инструменты содер-
жат три основных элемента: преобразователь для распознавания
параметра, электронику, которая обеспечивает предварительное
формирование сигнала и обработку, а также устройство вывода.
В дистанционных техниках измерения спутниковые инструмен-
ты, используемые для исследования океана или суши, одинако-
вы. Однако прямые океанографические инструменты отличают-
ся от наземных аналогов по своей конструкции и комплектации,
500 Глава 10. Подводная акустика
что связано с условиями морской среды. При конструировании
прямых инструментов следует предпринимать специальные меры
предосторожности, такие как защита от давления, коррозии, об-
растания морскими организмами и т.д.
Океанические инструменты в зависимости от условий работы
делятся на различные категории, как показано на рис. 10.3.
Рис. 10.3. Классификация океанографических инструментов
Для того чтобы получить представление о наиболее сущест-
венных характеристиках, далее вкратце рассматриваются различ-
ные океанографические инструменты, используемые для иссле-
дования океанических параметров.
10.4.1. Измерения температуры
Измерение температуры морской воды на поверхности и на раз-
личных глубинах чрезвычайно востребовано, поскольку темпе-
ратура влияет на многие другие океанографические процессы и
параметры. Для получения вертикального профиля температур
морской воды используется МВТ (механический батитермограф).
Данный метод подразумевает значительные затраты времени,
поскольку проведение измерений и считывание данных требуют,
чтобы корабль медленно двигался или оставался неподвижно на
одном месте. Вышеназванные проблемы преодолеваются с помо-
щью ХВТ (раскладного батитермографа), позволяющего прово-
дить измерения во время движения корабля со скоростью 25—30
узлов. Результатом является получение глубинного профиля тем-
пературы на ленточном самописце за 90 секунд. Главное досто-
инство системы ХВТзаключается в том, что она позволяет быстро
получать данные даже на обычной скорости корабля.
Электрическая версия механического батитермографа (ЕВТ)
оснащена датчиками температуры и глубины. Цифровые выход-
ные данные выдают температуру по всей глубине с интервалами
1 метр. Блок-схема ЕВТ приведена на рис. 10.4. В преобразовате-
ле для измерения температуры используется устройство с медным
резистивным элементом, а для измерения давления (или глуби-
ны) — тензометр. Данное устройство помещается на дно стально-
го цилиндрического корпуса, находящегося в клетке открытого
типа. Оно оснащено 12-вольтовым аккумулятором, электронным
блоком на четырех печатных платах и микропроцессором. Для на-
стройки системной функции на верхнем крае корпуса установлен
магнит с переключателем. Диапазон глубин ЕВТ составляет 250
метров с точностью ±0,5 метра, а диапазон температур 283—308 К
с точностью ±0,1 К. Система может работать, только если корабль
неподвижен или движется с медленной скоростью.
Модуль SEA
Рис. 10.4. Блок-схема ЕВТ
10.4.2. Измерения солености, температуры и глубины
Наиболее распространенными параметрами в океанографии яв-
ляются соленость и температура, как функции глубины моря.
Типичный инструмент, используемый для измерений солености,
температуры и глубины, называется системой STD. Блок-схема
простейшей системы STD изображена на рис. 10.5.
Датчик температуры представляет собой терморезистор, заклю-
ченный в стальную капсулу. Датчик солености — это ячейка для
измерения электропроводности, где сопротивление между двумя
платиновыми электродами пропорционально солености. Датчик
502
Глава 10. Подводная акустика
Рис. 10.5. Блок-схема системы STD
глубины — это, по своей сути, реле давления индуктивного типа.
Давление в контрольной точке под водой прямо пропорционально
высоте водяного столба над этой точкой. Давление заставляет сер-
дечник перемещаться в обмотке, вызывая изменение импеданса.
Измеряющий модуль представлен мостом Уитстона, возбуждае-
мым 1-килогерцовым осциллятором, а его результирующие дан-
ные выводятся на жидкокристаллический экран (LCD) с помощью
аналого-цифрового преобразователя. Температура измеряется в
диапазоне 283—383 К с точностью 0,5 К, величина солености име-
ет диапазон от 0 до 40 ppt с точностью ±0,05 ppt. Диапазон глубин
составляет от 0 до 50 м с точностью ±0,1 % от полной шкалы.
Усовершенствованная версия данного инструмента (называе-
мая CTD) приводится на рис. 10.6. Температурный датчик пред-
ставляет собой четыре зонда с медными резисторами и режимом
Классификация инструментов 503
постоянного тока. Ячейкой для измерения проводимости служат
четыре электрода, которые обеспечивают линейность; результа-
ты, полученные датчиками, обрабатываются независимо друг от
друга. Датчик глубины, которым оснащен данный инструмента-
рий, относится к типу тензодатчиков. Сигналы датчика сохраня-
ются в буфере и поступают на двухканальный перьевой самопи-
сец, чтобы отметить глубину по оси х и два другие параметра на
каналах ур у2. Обе системы имеют одинаковую спецификацию,
однако вторая более надежна и компактна.
10.4.3. Измерения параметров потока
Для океанических циркуляционных процессов, а также для инже-
нерных применений, таких как удаленные от берега и подводные
структуры, плавающие и погружаемые буи, подводная буксировка
или движущиеся кабели и подводные трубопроводы, чрезвычайно
важную роль играют скорость и направления океанических тече-
ний как на поверхности, так и на различных глубинах. В насто-
ящее время применяемый инструментарий основан на техниках
измерения потока воды, предложенных Эйлером или Лагранжем.
Причем первые более распространены, чем последние.
Датчик расхода Лагранжа — это довольно старый инстру-
мент, применяющийся для измерения поверхностных течений.
Лагранжевские измерения потока на практике подвержены зна-
чительным ошибкам и порождают проблемы практического
характера в данной области. Единственным фактором, говоря-
щим в их пользу, является простая конструкция и простое фун-
кционирование приборов. Эйлеровский расходомер состоит из
крыльчатки или ротора и счетного устройства для определения
количества оборотов, по которому оценивается скорость потока.
Направление потока воды измеряют по отклонению магнитной
стрелки, прикрепленной к инструменту.
Число оборотов лопасти можно определить с помощью фо-
тотранзистора и узла осветителя. Если скорость потока повыша-
ется, число импульсов, попадающих на фототранзистор, также
увеличивается, что можно использовать для калибровки скоро-
сти потока. Вместо фототранзисторного устройства допускается
применять индуктивный датчик, в котором крошечная железная
полоска, зафиксированная на роторе, проносится около малень-
кой электрической катушки. В результате происходит изменение
индуктивности, которую измеряет мост Уитстона, возбуждаемый
1-килогерцовым осциллятором. Выходные данные проходят че-
рез стробирующее устройство так, что импульс, проходящий в
конкретный момент времени, обозначает соответствующий по-
ток воды (рис. 10.7).
Рис. 10.7. Блок-схема измерителя потока
Электромагнитный датчик содержит два электрода, магнит-
ное поле и текущую через него проводящую жидкость (морская
вода обычно соленая, поэтому по своей природе является про-
водящей). Сигнал с выхода преобразователя, прошедший через
усилитель на полевых транзисторах (FET) и фазочувствительный
детектор, сравнивают с контрольным напряжением. При реали-
зации этого процесса на самописец поступает только один сигнал
потока. Остальные сигналы расцениваются как шум (рис. 10.8).
Для измерения направления используется магнитный ком-
пас — потенциометр Эндерея, скользящий контакт потенциомет-
ра (относительно земли) задает направление относительно маг-
нитного поля земли. Допускается оснащение микропроцессором,
чтобы производить дистанционное считывание информации.
Оцифровывание и управление данными осуществляется с помо-
щью микропроцессора или микроконтроллера (в систему можно
также включить сигнализацию).
10.4.4. Измерения параметров волны и прилива
Чтобы изучить процессы, происходящие на береговой линии, схе-
му и поведение морских структур, важно проводить измерения волн
и прилива. Подобные измерения дают информацию об амплитудах
и периодах, равно как и о направлениях волн, которые зависят от
Классификация инструментов 505
Датчик
Рис. 10.8. Блок-схема замкнутой электромагнитной системы
измерения потока
изменений уровня моря. Применяемые для этого инструменты раз-
личаются по диапазону частот (периоды приливов больше, чем у
волн), а также по параметрам соответствующих механических/элек-
трических фильтров. Для измерения волн и приливов используются
различные виды инструментов. К первой категории относятся вол-
номерные рейки, которые погружают в воду и замеряют изменение
сопротивления или емкости, связанное с волнами и приливами.
Следующую категорию представляют датчики давления, распола-
гаемые на морском дне, или же для измерений используется обра-
щенный эхолот. К последней категории относятся дистанционные
измерительные датчики. Существуют различные виды волнографов
и мареографов: емкостные, резистивные и на основе давления.
Типичный волнограф — мареограф с полностью автоматизи-
рованными самопишущими инструментами, контролируемыми
микропроцессором, приведен на рис. 10.9. Кварцевый преобра-
зователь играет роль датчика давления, как было показано выше.
Его собственная частота/изменяется в зависимости от внешнего
давления Р согласно соотношению:
Р = А\ 1-4 -Д 1-4
(10.6)
где Р — абсолютное внешнее давление, fow.f — собственные час-
тоты преобразователя при внешнем давлении, равном 0 и Р, А и
В — эмпирические константы.
506 Глава 10. Подводная акустика
Рис. 10.9. Схематическое представление волнографа и мареографа
10.4.5. Скорость звука
Скорость звука в морской воде является функцией плотности
и сжимаемости, так как температура и соленость изменяются в
пространстве и во времени. В акустических инструментах, таких
как эхолот, гидролокатор и навигационные системы, скорость
звука является основой всех измерений. Следовательно, измере-
ние скорости звука в различные моменты времени, на различных
глубинах, в разные дни и времена года представляется важной со-
ставляющей океанографических исследований.
Рис. 10.10. Схема цепи измерителя скорости звука
Классификация инструментов
507
Измерительная система (рис. 10.10) включает морской модуль.
Он выполнен в виде каркаса из инвара, на одном из концов кото-
рого закреплены два обращенных друг к другу пьезокерамичес-
ких преобразующих элемента одинаковой резонансной частоты
(1 МГц), покрытые полиуретаном. Каркас заключен в перфори-
рованную камеру из нержавеющей стали, оснащенную подвод-
ным коннектором, кабелем и проволочным канатом для подъема/
погружения. Палубный модуль содержит импульсный передат-
чик, электрическую цепь, процессор, частотомер и светодиодный
дисплей (LED) с переключателем «вкл/выкл». Для измерения ха-
рактеристик морской воды SVTD (соленость—скорость—темпера-
тура—глубина) необходима калибровка инструмента.
10.4.6. Акустическая система измерения глубины
и уровня моря
Для измерения глубины океана и его топографии применяются эхо-
лот и его разновидности. Преобразователь эхолота передает акус-
тический импульс частоты 25-40 кГц вертикально в направлении
морского дна. Эхо-импульс от дна принимается тем же преобразо-
вателем (посредством переключения с режима передачи на режим
приема) и поступает на экран CRT. По местоположению принятого
импульса на экране CR Т можно оценить время пробега акустичес-
кого импульса туда и обратно. Таким образом, зная скорость в мор-
ской воде, можно определить глубину моря под корпусом корабля.
Не так давно в измерениях глубины и уровня моря стали ис-
пользовать ультразвуковой преобразователь, устанавливаемый
на платформу, и береговой модуль. Блок-схема принимающей
и передающей цепи устройства проиллюстрирована рис. 10.11.
Рабочая частота передачи составляет 150 кГц, а ширина луча
22,5°. Принимаемые от поверхности моря эхо-импульсы с помо-
щью электроники передаются на цифровой принтер / аналоговый
диаграммный самописец.
10.4.7. Гидролокатор
Гидролокатор — это основная система, применяемая для исследо-
вания живых и неживых ресурсов океана. Система используется
для прощупывания внутренних областей под поверхностью моря,
дна и структуры под дном. Гидролокационные системы разделя-
ют на две категории: пассивные и активные. Пассивный гидроло-
катор записывает сигналы, излучаемые объектами. Эти сигналы
508
Глава 10. Подводная акустика
используются для обнаружения, классификации и определения
местоположения их источников. Активный гидролокатор приме-
няется для генерации сигналов, которые отражаются или рассеи-
ваются от объекта или океанической характеристики и в результа-
те доносят информацию об этом объекте до приемника.
(I) Эхолот
Эхолот является наиболее распространенной гидролокаци-
онной системой. Он состоит из передатчика, преобразующего
электрический сигнал в звук, принимающего преобразователя,
преобразующего звук в электрический сигнал, электрического
принимающего модуля и системы индикации. Типичный эхолот с
отдельными преобразователями для приема и передачи сигналов
показан на рис. 10.12.
Рис. 10.11. Блок-схема ультразвукового регистратора волн и приливов
Рис. 10.12. Эхолот
Классификация инструментов 509
В эхолоте используется временная регулировка усиления
эхо-сигнала. На основе принятого эхо-сигнала можно получить
качественную характеристику цели. Эхо-сигналы, принятые от
отдельных целей, например рыб, на экране выглядят как малень-
кие черные точки. Стая рыб представляется в виде облака пятен,
так как эхо-сигналы от отдельных рыб перекрывают друг друга.
Между дном моря и нижней поверхностью преобразователя воз-
можно образование многократных отражений эхо-сигналов. По
причине сложности механизма обратного рассеяния необходим
тщательный анализ полученных эхо-сигналов.
(II) Гидролокатор бокового обзора
В основе концепции гидролокатора бокового обзора лежит
модель эхолота. В таком гидролокаторе эхолот направлен в сторо-
ну, как показано на рис. 10.13.
Рис. 10.13. Гидролокатор бокового обзора
Передатчик производит луч, имеющий форму веера, а при-
емник имеет меняющееся усиление, чтобы скомпенсировать
дальность передачи. Время возвращения импульса интерпрети-
руют как расстояние до участка дна, который вызвал рассеяние.
Дисплей воспроизводит характеристики дна в виде необработан-
ного изображения. Как правило, гидролокатор бокового обзора
применяется в геологических исследованиях для рассмотрения
характеристик неровностей морского дна.
(III) Многолучевой гидролокатор
Многолучевая гидролокационная система, по сути, пред-
ставляет собой объединение множества однолучевых систем.
510 Глава 10. Подводная акустика
Типичная многолучевая гидролокационная система, используе-
мая для картографического обследования морского дна, приво-
дится на рис. 10.14.
Рис. 10.14. Многолучевая гидролокационная система
Данная система прикрепляется к корпусу корабля и исполь-
зуется для обследования и нанесения на карту глубин по пути
следования. Элементы массива преобразователей-приемников
располагаются в разных точках с учетом килевой и бортовой кач-
ки судна. Это позволяет вводить поправки в полученные данные,
чтобы учесть движение корабля и положение принимающего мас-
сива в момент прихода эхо-сигналов. Временные задержки в це-
пях принимающих элементов регулируются таким образом, чтобы
можно было измерять глубины в различных местах (см. позиции
1... 7 на рис. 10.14). Компьютер выдает контурный план глубин по
ходу движения корабля. С помощью цветового кодирования мож-
но получать очень точное изображение профиля морского дна.
(IV) Доплеровский гидролокатор
Доплеровский гидролокатор также известен как велосиметр,
используемый для измерения скоростей движения корабля от-
носительно воды /морского дна. Он также применяется для из-
Классификация инструментов 51
мерения движения поверхности океана, плывущих объектов или
внутренних волн в пределах некоторого объема. Схематическое
представление доплеровской гидролокационной системы показа-
но на рис. 10.15.
Рис. 10.15. Блок-схема доплеровского гидролокатора
У доплеровских гидролокаторов, как правило, четыре канала:
два направлены вперед и назад, а два других обследуют пространс-
тво сбоку по бортам (рис. 10.15а). Акустические импульсные сиг-
налы от передатчика вызывают сигналы обратного рассеяния от
зоопланктона. Доплеровский сдвиг в акустических импульсах оп-
ределяется относительными скоростями зоопланктона и гидро-
локационных преобразователей. Рис. 10.15b иллюстрирует блок-
схему одного канала доплеровской системы.
10.4.8. Интегрированная система сбора информации
Была разработана интегрированная система сбора информации с
предварительно запрограммированным автоматическим контрол-
лером, записывающая ряд океанографических данных. Она вы-
полнена в виде берегового и морского модулей. В морском модуле
для определения океанических параметров используется преоб-
разователь резистивного или индуктивного типа. Схематическое
представление применяемых метеорологических и океанографи-
ческих датчиков показано на рис. 10.16. Шестнадцать датчиков
(рис. 10.17) последовательно подсоединены к мосту Уитстона,
который активизируется 1-килогерцовым осциллятором через
мультиплексор. В морской модуль также включены электромеха-
нические элементы и элементы формирования сигналов. С помо-
щью морского модуля можно измерять такие океанические пара-
метры, как температура, соленость, плотность и глубина.
512
Глава 10. Подводная акустика
Метеорологические датчики
Рис. 10.16. Схематическое представление метеорологических
и океанографических датчиков
Океанографические датчики
Приливная волна
Течение А
Температура воды
Течение В
Длинные кабели - наращиваемые
S1 О-
S2 О’.
S3 Q:
S4 О:
S5 О:
S6 О:
S7 О:
S8 О:
S9O:
sioo:
sii О:
S12 О:
S13O:
S14O:
S15 О:
S16O:
Самописец
Принтер
СО О 03
СО Q 03
Корректировка
Цифровой
дисплей
Сигнал, готовый
к транзакции
Контроллер
первичного
сигнала
Энергоснабжение
всех остальных частей
Т Аналого-.
' цифровой
преобразователь
Рис. 10.17. Блок-схема системы сбора информации
Береговой модуль состоит из предварительно запрограммиро-
ванного таймера и светодиодного дисплея LED. В систему вклю-
чены блок самопроверки, таймеры и сигнализация, контроли-
руемые с помощью микропроцессора. В модуле предусмотрена
возможность запуска процедуры самопроверки. В этой процеду-
ре происходит передача тестовых сигналов береговым модулем и
прием сигналов датчика.
Классификация инструментов 513
10.4.9. Интегрированная система для подводных
исследований
Большинство гидротехнических средств и подводных проектов
требуют быстрых измерений глубины моря и геотехнических об-
следований для получения характеристик морского дна. Для сбо-
ра информации о морском дне используются океанические инс-
трументы, такие как эхолот, многолучевой гидролокатор. Однако
для того чтобы получить профильное изображение областей, на-
ходящихся под дном, требуется более высокое разрешение и про-
филометр с глубоким проникновением.
В середине 1990-х годов было разработано новое поколение
цифровых систем картографирования морского дна и областей в
толще дна. Эти системы включают многолучевое картографиро-
вание с высоким разрешением и акустическую систему профи-
лирования дна, использующую импульсные сигналы с линейной
частотной модуляцией. Они обеспечивают эффективный сбор
справочных географических, гидрографических данных о глуби-
нах и характеристиках толщи дна. Кроме того, эти системы про-
изводят изображения, как гидролокаторы бокового обзора, и ка-
либруют данные об обратном рассеянии.
Недавно была создана интегрированная система для подводных
исследований (IUSS), которая нашла применение в разнообразных
областях, таких как обследование кабелей и трубопроводов, дноуг-
лубительные, поисковые и восстановительные работы и т.д. Система
IUSS состоит из эхолота, гидролокатора бокового обзора и профило-
метра дна. Она имеет модульную структуру и общий интерфейс кон-
троля. IUSSсхематично представлена на рис. 10.18.
Профилометр дна состоит из излучателя звуковых волн (ис-
точника) и матрицы гидрофонов. Акустические волны, отража-
емые последовательными слоями песка и разломами под дном
моря, используются для получения информации о природе на-
пластований. Система гидролокатора бокового обзора состоит из
двух трансиверов (один по правому, а другой по левому борту).
Она используется для получения изображения морского дна пу-
тем регистрации амплитуды обратно рассеянной акустической
волны. Соответственно одночастотный эхолот оснащен одним
низкочастотным трансивером. Вертикальный луч эхолота ис-
пользуется для определения глубины моря. Блок-схема системы
IUSS показана на рис. 10.19.
Рис. 10.18. Схема интегрированной системы для подводных
исследований
Рис. 10.19. Конфигурация системы IUSS
Гидролокатор бокового обзора, гидролокатор для исследова-
ния толщи дна и одночастотный эхолот размещены в прицепном
агрегате, способном работать на глубине до 300 метров. Для пере-
ключения режимов передачи/приема сигналов используется опе-
режающий линейный энергетический импульс с применением
модуляционной коммутационной технологии. Для осуществле-
ния корреляции согласованной фильтрации и других процедур
Применение 515
преобразования результатов, полученных в процессе бокового
сканирования/профилирования дна, применяется процессор
цифровой обработки сигналов. Для контроля работы гидролока-
ционного оборудования и вспомогательных датчиков, таких как
датчики определения курса, DGPS (дифференциальная глобаль-
ная система позиционирования) и т.д., используется компьютери-
зированная рабочая станция. Она контролируется программами с
оконным интерфейсом, что позволяет получать множественные
изображения по мере сбора информации гидролокатором и со-
хранения ее на носителях с высокой плотностью записи. Чтобы
ввести корректировки на волнение моря и положение буксирного
фиша (в якорном устройстве), используются датчик давления и
транспондер.
10.5. Применение
Подводная акустика — это чрезвычайно эффективная техника
исследования живых и неживых ресурсов океана с помощью ряда
методов. Ниже перечислены наиболее важные способы примене-
ния подводной акустики:
(1) определение глубины моря;
(2) обнаружение косяков рыбы и грунтов;
(3) обследование подводных препятствий, таких как скалы
или обломки затонувших кораблей;
(4) исследование морских минералов на дне моря и в толще
дна;
(5) использование в военных целях, таких как поиск подвод-
ных лодок, мин, вражеских кораблей и т.д.
10. 5.1. Глубина моря
Важным аспектом применения подводной акустики является
измерение глубины моря/океана и определение топографии дна.
При измерении глубины моря эхолот/гидролокационная систе-
ма излучает акустическую энергию в направлении дна. Сигналы,
рассеянные дном моря, отражаются обратно. Отраженный сиг-
нал принимается либо тем же, либо отдельным преобразовате-
лем-приемником. Результирующий сигнал выводится на экран
CRT. Расстояние между переданным и принятым импульсами
дает время прохождения акустического импульса туда и обрат-
516 Глава 10. Подводная акустика
но. Записанные результаты используются для определения глу-
бины моря и топографии морского дна. Экспериментальная
установка, применяемая в подобных измерениях, показана на
рис. 10.20.
Рис. 10.20. Глубина моря
10. 5.2. Рыбный промысел
Подводная акустика нашла широкое применение в рыбном про-
мысле. В данной области главную роль играют (1) обнаружение
рыбы и косяков рыб, определение расстояния до них, (2) слеже-
ние за рыбьими стаями, (3) классификация рыб по размерам и
видам, (4) приблизительное определение численности совокуп-
ности, (5) изучение поведения рыб, (6) проведение измерений пе-
ремещений.
Живые ресурсы океана изучаются только с помощью специ-
ализированных акустических систем и техник, включающих об-
работку сигналов и всесторонний анализ данных. В рыбном про-
мысле используются такие акустические системы, как эхолот и
многолучевые гидролокаторы. Типичная конфигурация многолу-
чевой гидролокационной системы приводится на рис. 10.21.
Акустическая энергия излучается в море. Записывается сиг-
нал, рассеянный целью (рыбой). Записанные сигналы вместе с
фоновым шумом используются для определения местоположения
стаи рыб. При отслеживании рыбьих стай одновременно опреде-
ляется численность совокупности и оценивается реакция рыб на
прохождение гидрографического судна или трала. Данные, полу-
ченные с помощью эхолота, позволяют проанализировать клас-
Применение 517
сификацию рыб и их распределение в соответствии с размером.
Определение численности совокупности — это многоэтапный
процесс, который начинается с акустического измерения плот-
ности рыбьей стаи и заканчивается получением числа, отражаю-
щего поголовье или устойчивость популяции. Аналогично изу-
чение вертикальной миграции, горизонтальных перемещений,
ориентации, реакции, структуры стаи и скорости ее движения
позволяет понять поведение рыб.
Рис. 10.21. Схематическое представление многолучевого
гидролокатора — рыбный промысел
10. 5.3. Акустическое исследование подводных
месторождений
Акустические инструменты применяются при исследовании и
эксплуатации месторождений морских минералов, отложений на
дне моря и в толще дна. В плане выявления месторождений морс-
ких минералов акустические методы имеют ряд преимуществ пе-
ред методами бурения. Месторождения минералов, находящиеся
в морском дне, делятся на две категории: (1) отложения на малых
глубинах, такие как тяжелые металлы, песок, прииски и залежи
нефти, (2) отложения на больших глубинах, к которым относятся
марганцевые руды, отложения металлических руд.
Исследование морских минералов требует сочетания геоло-
гического, геохимического и геофизического опыта. Детализи-
рованная методология геологии, геохимии, выбора судна и т.д.
представляет отдельную область, которая не рассматривается в
данной книге. Техники исследования, применяемые в разработ-
518 Глава 10. Подводная акустика
ке минералов, аналогичны техникам изучения живых ресурсов.
В них для передачи и приема широкополосных сигналов исполь-
зуются подводные гидролокаторы и гидрофоны. Схематическое
представление системы профилирования показано на рис. 10.22.
С помощью гидролокационного устройства на морское дно и в
толщу дна посылается импульс акустической энергии.
Рис. 10.22. Акустические исследования при разработке подводных
месторождений — однолучевая система
Отраженные импульсы принимаются гидрофонами. В дан-
ном методе очень эффективно использование однолучевого эхо-
лота или многолучевого гидролокатора. На основе отраженных
сигналов можно получить карту морского дна и его внутренней
структуры. Современная технологическая система позволяет осу-
ществлять картографирование на глубинах от 0,5 до 1200 метров
с точностью от ±10 см до ±100 м (для глубин от 0,3 до 6000 м).
Для выявления распространения и характеристик месторождений
материалов посредством получения высококачественных акус-
тических изображений морского дна широко используется но-
вая технология профилирования дна, известная как гидролокатор
дна с линейной частотной модуляцией (chirp). Данная технология
позволяет проникать в дно на глубину от 10 до 100 метров с раз-
решением 4—20 см в зависимости от материалов дна и частоты,
используемой в операции профилирования. В табл. 10.2 перечис-
лены различные виды минеральных ресурсов, которые можно об-
наружить в морском дне.
Заключение 519
Табл. 10.2 Различные виды минералов морского дна
Вид месторождения Материалы или элементы Геологическая область моря
1. Строительные материалы Галька, кварц, кар- бонатный песок Морское побе- режье и континен- тальный шельф / Эксклюзивные экономические зоны (EEZ)
2. Прииски Железо, золото, пла- тина, олово, алмазы, редкоземельные элементы цирко- ний, титан и др. (Ь) Береговая и прибрежная зона
3. Углеводороды Нефтяной газ Преимущественно латентные пригра- ничные зоны матери- ков / основные EEZ
4. Фосфориты Фосфор, уран, ред- коземельные эле- менты и др. Береговая и прибреж- ная зона
5. Марганцевые РУДЫ Марганец, железо, кобальт, медь, ни- кель, титан, молиб- ден и др. Глубины моря / основная зона (а)
6. Гидротерми- ческие Железо, марганец, медь, цинк, свинец, серебро и др. Зоны разлома / основная зона (а)
Примечание: (а) Обычно эта область моря находится за пределами
EEZ, (Ь) существует 14 редкоземельных элементов, к основным
относятся титан Ti, церий Се, лантан La, иттрий Уи торий 77г.
10.6. Заключение
В данной главе проведен обзор подводной акустики с целью пре-
поднести читателю базовые основы и информацию о применении
ее технологий. Объясняется поведение звуковых волн, скорость
звука, и их связь с физическими и химическими свойствами сре-
520 Глава 10. Подводная акустика
ды, взаимодействие звука с границами и биологическими объ-
ектами океана. Отдельно описываются техники исследования
живых и неживых морских/океанических ресурсов. Кроме того,
обсуждаются технологическое развитие морских акустических
инструментов и различные методы измерения в их связи с оке-
анографическими параметрами, стратегиями изучения живых
и неживых ресурсов, профилированием дна и т.д. Описываются
различные виды гидролокаторов, и приводятся соответствующие
иллюстрации. И наконец, рассказывается о применении подвод-
ной акустики в измерении глубины моря, рыбном промысле и ис-
следовании минералов.
Рекомендуемая литература
1. Bobber R J, Underwater Electroacoustic Measurements, Peninsula,
Loss Altos, (1988)
2. Chan T, Underwater Acoustic Data Processing, Dordrecht, Kluwer
Academic (1989).
3. Clay C S and Medwin H, Acoustical Oceanography, Wiley Interscience,
New-York, (1977).
4. Coates RFW, Underwater Acoustic Systems, Hampshire, Macmillan
(1990)
5. DeMoustier C, Inti. Hydrographic Review, LXV (No. 2) (1988) 25.
6. DeMoustier C, Signal Processing for Swath Bathymetry and Concurrent
Sea Floor Acoustic Imaging, NATO ASI Series - C., Vol. 388 (1993)
329.
7. Denbigh P N, Swath Bthymetry: Principles of Operation and an Analysis
of Error, IEEE,eJ Oceanic Engg, 14(1989)289.
8. Engas A et al., Rapp P-V Reun Cons Inti Explo Mer, 189 (1990) 123.
9. Foote К G et al, J Acoust Soc Amer, 83, (1988) 9.
10. Hackman R G, Physical Acoustics (ed. By Pierce, A D and Thurston R N),
Academic Press, New-York, Vol. XXII (1993).
11. Hassab J C, Underwater Signal and Data Processing, CRC Press,
(1989).
12. Hewitt R P, Fish Bull U S, 74 (1976) 281.
13. Hilde TWC et al, TAMU: New Generation Sea Floor Mapping
Technology, Sea Technology, 32 (1991) 45.
14. Holiday DU, J Acoust. Soc Amer., 51, (1971) 1322.
15. Kerman В R (ed), Sea Surface Sound, Natural Mechanisms of Surface
Generated Noise in the Ocean, Dordrecht, Kluwer Academic (1988).
16. Kuperman W A and McDonald В E, Linear and Nonlinear Ocean
Acoustic Propagation Models (ed. Akai T and Berkson J M), Ocean
Seismo Acoustics, Plenum, New-York (1986).
Рекомендуемая литература
17. Mac Lennan DN,J Acoust Soc Amer, 87, (1990) 1-15.
18. Marine Geology: Mineral Resources of the Sea, article by Peter Rotne as
reproduced in UNESCO magazine impact No. 3/4 (1983).
19. Paul C Ett, Underwater Acoustic Modeling, Chapman & Hall,
Hampshire, 1999.
20. Ravindran M and Rajendran V, J Acoust Soc India, XXVII, (1999) 57.
21. Ravindran M and Rajendran V, Proc Seventh Nati Sym Ultrasonics, (ed.
Rajendran, V), Allied Publishers, New Delhi, (1996) 43.
22. Roonwal G S, The Indian Ocean: Exploitable Mineral and Petroleum
Resources, Springer Verlag, 1986.
23. Schock S G et al., Chirp Sonar: New Technology, Sea Technology,
(1990) 32.
24. Somers M L, Sonar Imaging of Seabed technique perforance, application,
NATO ASI Series -C, Vol. 388, (1993) 355.
25. Srinivasan D, Ind J Pure & Appl Ohys, 27 (1989) 491.
26. Stephens RWB (ed), Underwater Acoustics, Wiley Interscience, New-
York, (1988).
27. Sun et al, J Acoust Soc Amer, 78, (1985) 1772.
28. Tressler J F, Cao W, Uchino К and Newnham R E, ISAF’96, Proc. 10th
IEEE Intematl Symp On Applications of Ferroelectrics, 2, (1996) 561.
29. Urick R J (ed), Principles of Underwater Sound, McGraw Hill, New-
York, (1983).
30. Weydert M (ed), Underwater Acoustics, Appl Sci, London (1992).
ГЛАВА 11
СИСТЕМЫ ПРАВИЛ, СТАНДАРТЫ,
СПЕЦИФИКАЦИИ И ПРОЦЕДУРЫ
ПРОВЕДЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ
НЕРАЗРУШАЮЩИХ ИСПЫТАНИЙ
11.1. Введение
Неразрушающие испытания проводятся с целью качественной
проверки компонентов и структур. Как правило, тестирование осу-
ществляется на базе обозначенных систем правил, стандартов, спе-
цификаций и процедур. При использовании традиционных техник,
таких как ультраакустика, во многих областях можно найти четко
обозначенные системы правил, спецификации и стандартные про-
цедуры. Как бы то ни было, в других отраслях ультраакустики, в
частности в области оценки материалов, измерении остаточного
напряжения и т.д., пока только предпринимаются попытки создать
все вышеперечисленное. В данной главе приводятся существующие
системы правил, стандарты, спецификации и процедуры, которым
нужно следовать при проведении ультразвукового тестирования и в
процессе характеристики материалов посредством ультразвуковых
измерений. Прежде чем подробно рассмотреть системы правил и
стандарты, остановимся на их фундаментальных аспектах, а также
на основах спецификаций и процедур.
11.2. Системы правил
Система правил — это всесторонний документ, затрагивающий
все аспекты, к которым относятся разработка, выбор материалов,
производство, конструкция, сооружение, техническое обслужива-
ние, контроль качества, а также документация к специфическим
Спецификации 523
промышленным компонентам, таким как сосуды высокого давле-
ния, самолеты и т.д. Составлением систем правил по конкретному
предмету занимаются профессиональные организации или прави-
тельственные органы. В таких мероприятиях, как ультразвуковое
испытание (UT), характеристика материалов/микроструктуры,
конструирование и т.д., системы правил могут ссылаться на стан-
дарты, которые являются независимыми и параллельными доку-
ментами. Системы правил по ультраакустике вкратце освещают
следующие аспекты: какой метод UT следует применять, какие
требования предъявляет UTи каковы допустимые пределы, каким
стандартам нужно следовать в связи с процедурой испытаний.
11.3. Стандарты
Как упоминалось выше, системы правил ссылаются на стандарты,
указывающие, каким образом следует проводить конкретное тес-
тирование/обслуживание/процедуру. В стандартах учитываются
технология, операционные навыки и т.д., доступные в настоящее
время, с целью показать, что на результаты испытаний меньше
всего влияют различия в индивидуальных навыках, технологичес-
кий уровень и т.д. Подготовкой стандартов по конкретной теме
занимаются профессиональные организации или правительствен-
ные органы. Задача стандартов заключается в стандартизации того
или иного вида деятельности для достижения унифицированности
и применимости широким кругом пользователей. В свою очередь,
эти стандарты помогают в подготовке систем правил.
11.4. Спецификации
Документ, предписывающий конкретные требования, которым
должны подчиняться продукт или услуга, называется специфи-
кацией. Спецификация продукта является первоочередным фак-
тором достижения наилучшего качества. Существуют отдельные
спецификации для сырья, процесса, контроля и приемки, уста-
новки, сооружения, размещения и т.д., которые нацелены на по-
лучение качественного продукта. Спецификациям нужно следо-
вать неукоснительно. В роли разработчика спецификаций может
выступать государственная организация или производитель, опи-
рающийся на собственный опыт.
5 24 Системы правил проведения ультразвуковых неразрушающих испытаний
11.5. Процедуры
Документами последнего уровня, регламентирующими любой
процесс, обслуживание (тестирование) и т.д. в заводском цехе
или мастерской, являются процедуры. В них приводятся спе-
цифические детали, имеющие отношение к сфере деятельнос-
ти. Таким образом, процедура представляет собой документ для
мастерской, которому нужно полностью следовать. Ни при ка-
ких обстоятельствах не допускается изменения процедуры без
письменного разрешения уполномоченного человека из органи-
зации.
11.6. Общепринятые ультразвуковые стандарты
Ультразвуковой стандарт — это документ, изданный организаци-
ей по стандартизации с целью получения воспроизводимых ре-
зультатов ультразвукового обследования вне зависимости от того,
когда, где и кем проводится исследование. Стандартами/специ-
фикациями, затрагивающими аспекты ультразвукового NDT, за-
нимаются:
(I) Бюро стандартов Индии,
(II) Британский институт стандартов,
(III) Американское общество по испытанию материалов,
(IV) Международная организация по стандартизации.
В следующих разделах вниманию читателей предлагается пе-
речень стандартов и кодов с соответствующими им номерами.
11.6.1. Бюро стандартов Индии
В 1965 году в Индии в сфере NDT был образован Частный ко-
митет по неразрушающим испытаниям MTD 21 в составе
Металлургического инженерного подразделения Совета Бюро
стандартов Индии (BIS). BIS заботится о формулировке систем
правил и стандартов неразрушающих испытаний в различных об-
ластях. На международном уровне системы правил, стандарты и
т.д. готовят аналогичные организации каждой из стран. BIS под-
держивает контакты с Международной организацией по стандар-
тизации (ISO). Формулировка систем правил и стандартов, при-
нятая BIS, всегда соответствует Стандартам ISO для поддержания
связи с деятельностью последней.
Общепринятые ультразвуковые стандарты
№ Номер стандарта Название
1. IS:2417-1977 Словарь терминов ультразвуковых испытаний
2. IS:3664-1981 Свод правил ультразвукового эхо-импульсного тестирования контактным и иммерсионным методами
3. IS:4225-1979 Рекомендованные правила прямолучевого ультразвукового тестирования стальных пластин
4. IS:4260-1986 Рекомендованные правила ультразвукового тестирования стыковых сварных соединений из ферритных сталей
5. IS:4904-1982 Спецификация к калибровочному блоку для оценки оборудования, предназначенного для ультразвуковой дефектоскопии
6. IS:6394-1986 Система правил ультразвукового тестирования бесшовных трубчатых продуктов контактным и иммерсионным методами
7 IS:7281-1986 Система правил иммерсионного ультразвукового тестирования с помощью метода отражения и с использованием импульсных продольных волн (взамен IS:3664)
8. IS:7343-1986 Система правил ультразвукового тестирования железных сварных труб и трубчатых продуктов
9. IS:7666-1975 Рекомендованные правила ультразвукового обследования ферритных отливок из углеро- дистых и низколегированных сталей
10. IS:8791-1978 Система правил ультразвуковой дефектоскопии кованых заготовок из ферритной стали
И. IS:9346-1976 Система правил аттестации персонала по NDT для проведения экзамена по ультразвуку
12. IS:11626-1986 Рекомендованная практика ультразвуковых испытаний и приемки кованых стальных блюмов
526 Системы правил проведения ультразвуковых неразрушающих испытаний
№ Номер стандарта Название
13. IS:11630-1986 Метод ультразвукового тестирования стальных пластин, применяющихся в сосудах высокого давления и других областях
14. IS:11701-1986 Руководство по тестированию и калибровке терапевтического оборудования
15. IS: 11880-1986 Спецификация пьезоэлектрических, керамических, трехслойных элементов, используемых в звукоснимателях, ультразвуковых преобразователях и аналогичных устройствах
16. IS:12666-1988 Методы оценки функционирования оборудования для ультразвуковой дефектоскопии
11.6.2. Британский институт стандартов
№ Номер стандарта Название
1. BS:2704-1978 Калибровочные блоки и рекомендации по их использованию в ультразвуковой дефектоскопии
2. BS:3683-1965 Словарь терминов, используемых в неразрушающих испытаниях (ч. 4) — ультразвуковая дефектоскопия
3. BS:3889-1965 Ультразвуковое тестирование железных труб
4. BS:3923-1968 Методы ультразвукового обследования сварных соединений Часть 1: Методы ручного обследования стыковых швов в ферритных сталях, сваренных плавлением (1986) Часть 2: Автоматизированное обследование стыковых швов в ферритных сталях, сваренных плавлением Часть 3: Ручное обследование патрубковых соединений
Общепринятые ультразвуковые стандарты
№ Номер стандарта Название
5. BS:4080-1966 Методы неразрушающих испытаний стальных отливок
6. BS:4124-1987 Ультразвуковое обследование дефектов в стальных кованых заготовках
7 BS:4331-1968 Методы оценки рабочих характеристик ультразвукового оборудования для дефектоскопии Часть 1: Общая характеристика: прямые методы (1978) Часть 2: Электрические характеристики Часть 3: Руководство по мониторингу зондов (включая иммерсионные зонды) в процессе эксплуатации
8. BS:4336-1968 Методы неразрушающего тестирования материалов пластин
9. BS:4408-1974 Рекомендации по реализации методов неразрушающего тестирования бетона (ч. 5). Измерение скорости ультразвуковых импульсов в бетоне
10. BS:M3b 1970 Ультразвуковое тестирование специальных кованых заготовок иммерсионным методом
11. BS:5996-1980 Методы ультразвукового тестирования и определение стандартов качества для ферритных стальных пластин
11.6.3. Американское общество по испытанию материалов
Американское общество по испытанию материалов (ASTM)
представляет системы правил и стандарты, которым следуют в
Соединенных Штатах Америки. Стандарты ASTMв значительной
степени структурированы, чтобы определить понятия базовых
операций, которые должны осуществляться в рамках методич-
ного технического процесса неразрушающих обследований, не-
редко применительно к конкретным материалам. Американское
общество по испытанию материалов можно найти по адресу: 1916,
Race Street, Philadelphia, РА 19103, USA.
528 Системы правил проведения ультразвуковых неразрушающих испытаний
№ Номер стандарта Название
1. Е114-90 (1990) Ультразвуковое эхо-импульсное прямолучевое тестирование контактным методом
2. Е127-82-а(1989) Производство и проверка контрольных блоков из алюминиевого сплава, соответствующих ультразвуковым стандартам
3. Е164-88 Ультразвуковое контактное обследование сварных соединений
4. Е213-86 Ультразвуковое обследование металлических труб и трубопроводов
5. Е214-68(1985) Ультразвуковое обследование методом отражения с использованием импульсных продольных волн и иммерсии
6. Е273-83(1989) Ультразвуковое обследование прямошовных сварных камер (pie) и трубопроводов
7 ЕЗ17-85 Оценка рабочих характеристик систем ультразвукового эхо-импульсного тестирования без использования инструментов для электронных измерений
8. Е428-71(1985) Производство и контроль стальных контрольных блоков, используемых в ультразвуковых обследованиях
9. Е494-75(1989) Важные методы измерения ультразвуковой скорости в материалах
10. Е500-89 Стандартная терминология, относяща- яся к ультразвуковому обследованию
11. Е587-82(1988) Ультразвуковое наклонно-лучевое обследование контактным методом
Общепринятые ультразвуковые стандарты
529
№ Номер стандарта Название
12. Е588-82(1988) Обнаружение крупных включений в качественной подшипниковой стали с помощью ультразвукового луча
13. Е664-78(1989) Измерение видимого затухания продольных ультразвуковых волн иммерсионным методом
14. Е797-87 Измерение толщины посредством ручного ультразвукового контактного импульсного эхо-метода
15. Е840-88 Калибровка ультразвуковой системы тестирования посредством экстраполяции между двумя размерами отверстий с плоским дном
16. Е1001-84 Обнаружение и оценка прерыв- ностей иммерсионным импульсным эхо-методом с использованием продольных волн
17. Е1065-87а Оценка характеристик приборов для ультразвуковых исследований
18. Е1315-89 Ультразвуковое обследование стали с входными поверхностями в виде цилиндрически выпуклых кривых
19 Е1324-90 Измерение некоторых электронных характеристик инструментов для ультразвуковых исследований
11.6.4. Международная организация по стандартизации
В 1969 году был учрежден Международный технический комитет
высокого уровня с целью стандартизации систем правил и стан-
дартов NDT. Главный комитет подразделяется на шесть подко-
митетов, каждый из которых отвечает за определенную технику.
Задача ISO заключается в поддержании единых систем правил и
стандартов контроля качества, подтверждения и сертификации
продуктов во всем мире.
Системы правил проведения ультразвуковых неразрушающих испытаний
№ Номер стандарта Название
1. ISO 2400-1972 Сварные соединения в стальном контрольном блоке, предназначенном для калибровки оборудования для ультразвукового обследования
2. ISO 4386-1-1982 Подшипники скольжения - Металлические многослойные подшипники скольжения — Часть 1: Неразрушающее ультразвуковое тестирование связи металлических слоев подшипника, имеющих толщину 2 мм и более
3. ISO 5948-1981 Материалы в железнодорожных подвижных составах — Ультразвуковое испытание на соответствие техническим условиям
4. ISO 7963-1985 Сварные соединения в стали — Калибровоч- ный блок № 2 для ультразвукового обследо- вания сварных швов
5. ISO 9303-1989 Бесшовные и сварные (кроме дуговой сварки под флюсом) стальные трубы для эксплуатации под давлением — полное периферийное ультразвуковое тестирование с целью выявления продольных дефектов
6. ISO 9764-1989 Стальные трубы, соединенные посред- ством контактной или индукционной электросварки — Ультразвуковое тестирование сварного шва с целью выявления продольных дефектов
7 ISO 9765-1990 Стальные трубы для эксплуатации под давлением, соединенные посред- ством дуговой сварки под флюсом — Ультразвуковое тестирование сварного шва с целью выявления продольных и/или поперечных дефектов
11.6.5 Европейские стандарты
Европейский комитет по стандартизации — это ассоциация
организаций по национальным стандартам, представляющих 18
стран Европейского сообщества (EU) и Европейской ассоциации
свободной торговли {EFTА).
Общепринятые ультразвуковые стандарты
531
Под европейским стандартом понимается набор технических
спецификаций, которые определяются при участии и с одобрения
сторон, представляющих страны — членов Европейского комитета
по стандартизации (CEN). Европейский стандарт устанавливается по
принципу консенсуса, то есть если за него отдано взвешенное боль-
шинство голосов. Принятые стандарты должны в полной мере реа-
лизовываться как национальные вне зависимости от того, как прого-
лосовала страна-участница, а любые стандарты, которые вступают в
противоречие с принятым, должны быть отменены. Существующие
стандарты EN созданы на базе BSI и Организации по стандартам
Германии/Deutsches Institutfur Normung (DIN). Европейские стандар-
ты, основанные непосредственно на BSIи DIN, приводятся ниже:
№ Номер стандарта Название
1. EN 10228-3 (BS/DIN) 1998 Неразрушающее тестирование стальных кованых заготовок — Часть 3: Ультразвуковое тести- рование заготовок из ферритной или мартенситной стали
2. EN 10228-4 (BS/DIN) 1999 Неразрушающее тестирование стальных кованых заготовок — Часть 4: Ультразвуковое тестирование аустенитной и аустенитноферритной нержаве- ющей стали
3. EN 10246 Pl (DIN) 1996 Неразрушающее тестирование стальных труб — автоматическое электромагнитное тестирование бесшовных и сварных труб (кроме соединенных посредс- твом дуговой сварки под флюсом)
4. EN 10246 Р7 (DIN) 1996 Неразрушающее тестирование стальных труб — автоматическое полное периферийное ультра- звуковое тестирование бесшов- ных и сварных труб (кроме со- единенных посредством дуговой сварки под флюсом)
532 Системы правил проведения ультразвуковых неразрушающих испытаний
№ Номер стандарта Название
5. EN 10246-13 (BS/DIN) 2000 Неразрушающее тестирова- ние стальных труб — Часть 13: Автоматическое полное пери- ферийное ультразвуковое тести- рование бесшовных и сварных труб, уменьшенных посредством горячей вытяжки
6. EN 10246-14 (BS/DIN) 2000 Неразрушающее тестирование стальных труб — Часть 14: Ультразвуковое тестирование бесшовных и сварных труб (кро- ме соединенных посредством дуговой сварки под флюсом)
7 EN 10246-15 (BS/DIN) 2000 Неразрушающее тестирование стальных труб — Часть 15: Автоматическое ультразвуковое тестирование полос/пл астин, используемых в производстве сварных труб
8. EN 10246-16 (BS/DIN) 2000 Неразрушающее тестирование стальных труб — Часть 16: Авто- матическое ультразвуковое тестирование областей, прилегающих к сварному шву в сварных трубах
9. EN 10246-17 (BS/DIN) 2000 Неразрушающее тестирование стальных труб - Часть 17: Авто- матическое ультразвуковое тестирование концов труб и сварных стальных труб с целью выявления многослойности
10. EN 10246-6 (BS/DIN) 2000 Неразрушающее тестирование стальных труб — Часть 6: автома- тическое полное периферийное ультразвуковое тестирование бесшовных стальных труб
Общепринятые ультразвуковые стандарты 533
№ Номер стандарта Название
И. EN 10246-7 (BS) Неразрушающее тестирование стальных труб — Часть 7: автома- тическое полное периферийное ультразвуковое тестирование бесшовных и сварных труб
12. EN 10246-8 (BS/DIN) 2000 Неразрушающее тестирование стальных труб — Часть 8: ав- томатическое ультразвуковое тестирование сварного шва в электрически сваренных сталь- ных трубах
13. EN 10246-9 (BS/DIN) 2000 Неразрушающее тестирование стальных труб — Часть 9: автома- тическое ультразвуковое тести- рование сварного шва в стальных трубах, соединенных дуговой сваркой под флюсом
14. EN 12223 (BS/DIN) 2000 Неразрушающее тестирова- ние — ультразвуковое обследова- ние — спецификации для калиб- ровочного блока номер 1
15. EN 12668-1 (BS/DIN) 2000 Неразрушающее определение характеристик и проверка обо- рудования для ультразвуко- вого обследования — Часть 1: Инструменты
16. EN 12668-2 (BS) 2001 Неразрушающее определение характеристик и проверка обо- рудования для ультразвукового обследования — Часть 2: Зонды
17. EN 12668-3 (BS/DIN) 2000 Неразрушающее определение характеристик и проверка обо- рудования для ультразвуко- вого обследования — Часть 3: Комбинированное оборудова- ние
534 Системы правил проведения ультразвуковых неразрушающих испытаний
№ Номер стандарта Название
18. EN 1330-1 (BS/DIN) 1998 Неразрушающие испыта- ния — терминология — Часть 1: Список общих терминов
19. EN 1330-2 (BS) 1998 Терминология неразрушающих испытаний — Часть 2: Общие термины в методах неразруша- ющих испытаний
20. EN583P3(DIN) 1997 Неразрушающее тестирова- ние — ультразвуковое обсле- дование — Часть 3: Техника передачи
21. EN 583-1 (BS) 1999 Неразрушающее тестирова- ние — ультразвуковое обследо- вание — Часть 1: Общие при- нципы
22. EN 583-2 (BS) 2001 Неразрушающее тестирова- ние — ультразвуковое обсле- дование — Часть 2: Настройка чувствительности и диапазона
23. EN 583-3 (BS) 1997 Неразрушающее тестирова- ние — ультразвуковое обсле- дование — Часть 3: Техника передачи
24. EN 583-5 (BS) 2001 Неразрушающее тестиро- вание — ультразвуковое обследование — Часть 5: Характеристика и определение размеров прерывностей
11.7. Заключение
Данная глава определяет понятия систем правил, стандартов,
процедур, а также некоторых национальных и международных
практикуемых систем правил. Каждая страна устанавливает свои
собственные стандарты в соответствии с требованиями отрас-
лей промышленности и с целью удовлетворения потребителей.
Рекомендуемая литература 535
В главе 11 приводится перечень стандартов, действующих в об-
ласти ультразвукового тестирования и характеристики материа-
лов, которые были приняты BIS, BSI, ASTM, ISO и EN. Системы
правил и стандарты периодически обновляются посредством
включения в них новых результатов, что позволяет повысить эф-
фективность использования и расширить ихграницы.
Рекомендуемая литература
1. Shanthi Swaroop and Jain V К, J Non-Destructive Evaluation, 110 (2),
(1990) 12.
2. ASTM Standards 1989.
3. McIntire P and Rommie К Miller, NOT Handbook, Second ed, (1987).
ГЛАВА 12
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ
В НАУКЕ И ТЕХНОЛОГИИ
УЛЬТРААКУСТИКИ
В данной главе приводятся различные термины, используемые в
книге. Эти термины позволяют лучше понять прочитанное, и их
можно использовать для получения справочной информации.
Словарь терминов ультразвукового NDTоснован на BSI.
Акустическая микроскопия — общий термин, обозначающий
применение высокого разрешения и техник высокочастотного уль-
тразвука для получения изображений областей, находящихся под
поверхностью тестируемого объекта.
Акустический импеданс — свойство материала, определяемое как
произведение значений скорости звука и плотности материала.
Амплитуда (эхосигнала) - расстояние по вертикали от основа-
ния до вершины пика импульсного сигнала, воспроизводимого на
экране электронно-лучевой трубки, для видеоимпульса или между
вершинами разнополярных пиков для радиоимпульса.
Анизотропия — состояние, при котором свойства среды (к при-
меру, скорость) зависят от направления в среде.
Аттенюатор — инструмент контроля, позволяющий регулиро-
вать усиление, которому подвергается полученный сигнал. Обычно
калибруется в децибелах.
Базисная (основная) линия — горизонтальная линия, идущая
поперек картины ^сканирования на экране электронно-лучевой
трубки. Она обозначает время и обычно связана с расстоянием или
толщиной материала.
Базовая калибровка — процедура стандартизации инструмента с
помощью калибровочных блоков.
Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
537
Барботер — см. водяной столб.
Вертикальный предел — предельный читаемый уровень по оси у в
^сканировании.
Видеопрезентация (эхосигналов) — изображение выпрямленных
импульсов на экране CRT, характеризующееся отклонением следа
вверх от горизонтальной линии.
Водный путь — расстояние от преобразователя до передней по-
верхности тестируемого объекта в иммерсионном методе.
Водомет — свободный поток воды, несущий ультразвуковые сиг-
налы от преобразователя к поверхности тестируемого объекта. Также
называется омывателем.
Водяной столб - трубка, заполненная водой и присоединенная
к преобразователю спереди для передачи ультразвукового луча к
тестируемому объекту. Он обеспечивает запаздывание сигнала, от-
раженного от передней поверхности объекта, относительно началь-
ного импульса. Водяной столб также играет роль согласующего уст-
ройства. См. линия задержки.
Волна Лява - поверхностная волна, в которой движение частиц
происходит параллельно поверхности и перпендикулярно направле-
нию распространения.
Волна Рэлея — ультразвуковая волна, которая распространяется
вдоль поверхности тестируемого объекта. Частицы совершают эл-
липтические движения в плоскости, перпендикулярной поверхности.
Проникающая способность составляет порядка одной длины волны.
Волна сдвига - тип волны, в которой движение частиц происхо-
дит перпендикулярно направлению распространения.
Волна сдвига с вертикальной поляризацией - волна сдвига, в ко-
торой движение частиц происходит перпендикулярно поверхности
падения. Сокращенное обозначение 8Уволна.
Волна сдвига с горизонтальной поляризацией — волна сдвига, в ко-
торой движение частиц происходит параллельно поверхности паде-
ния. Сокращенное обозначение 8Нволна.
Волна сжатия — волна, в которой движение частиц материала па-
раллельно направлению распространения волны. Также называется
продольной или Рволной.
Волновая конверсия (трансформация волн) - изменение формы
распространения волны при отражении от поверхности.
Волновое сопротивление — см. акустический импеданс.
Волновой фронт — местоположение точек одной фазы в волновом
возмущении.
538 Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
Волновой цуг — серия или группа волн, движущихся в одном на-
правлении через постоянные промежутки времени. Также называ-
ется цугом эхосигналов.
Волны в пластинах — см. волны Лэмба.
Волны Лэмба — 1) тип распространения ультразвуковой волны,
при котором она направляется между двух параллельных повер-
хностей тестируемого объекта. Режим и скорость зависят от про-
изведения тестовой частоты и расстояния между поверхностями;
2) волны, распространяющиеся на пластинах.
Временная развертка — см. развертка.
Временное запаздывание — см. задержка начала развертки.
Время звона — время, в течение которого продолжаются меха-
нические колебания преобразователя, даже после того как электри-
ческие импульсы прекратились.
Время пробега — время, требуемое акустической волне для про-
хождения расстояния между двумя точками. Например, время, тре-
буемое импульсу для прохождения от передатчика к приемнику при
преломлении волны на краю прерывности или вдоль поверхности
тестируемого объекта.
Гармоника — составляющая сложного колебания с частотой,
кратной основной резонансной частоте (первой гармонике). Так,
вторая гармоника вдвое превышает основную частоту.
Герц — единица частоты, равная одному циклу в секунду.
Голография (акустическая) — система представления данных с по-
мощью акустических волн по аналогии с оптической голографией.
Горизонтальная линейность — мера пропорциональности между
положениями эхо-сигналов на экране CRT и положениями их ис-
точников в объекте.
Граничная частота (частота среза) — верхняя и нижняя частоты,
где спектральная чувствительность фильтра или усилителя мень-
ше максимальной чувствительности на определенную величину
(обычно 6 дБ).
Групповая скорость — скорость, с которой огибающая ультра-
звукового сигнала (многочастотного) распространяется в среде.
Движение частиц — движение частиц материала во время рас-
пространения волны.
Двухкристальный (раздельносовмещенный) зонд — зонд, в кор-
пусе которого содержится два кристалла. Один из кристаллов иг-
рает роль передатчика, а другой—детектора/приемника. Подобное
устройство также называют спаренным или TR, или SRsondoM.
Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики 539
Демпфирование - 1) ограничение продолжительности или
уменьшение амплитуды колебаний, как при демпфировании пре-
образователя; 2) преднамеренная попытка рассеять механическую
энергию.
Демпфирование (ультразвуковое) — уменьшение или затухание
амплитуды ультразвуковой волны со временем или с расстоянием.
Демпфирующая способность — мера способности материала рас-
сеивать механическую энергию.
Демпфирующий материал — материал с высокой поглощающей
способностью, используемый для того, чтобы вызвать резкое угаса-
ние колебаний.
Демпфирующий элемент (преобразователя) - материал, прикреп-
ленный к задней поверхности пьезоэлектрического элемента пре-
образователя для обеспечения быстрого затухания колебаний.
Децибел (дБ) — единица, выражающая соотношение мощнос-
тей. Она равна десяти десятичным логарифмам отношения двух
мощностей.
Диаграмма DGS (расстояние-усиление-размер) - обобщенное
семейство кривых, представляющих амплитуды эхосигналов в де-
цибелах в зависимости от расстояния до дефекта для различных
размеров эквивалентных дефектов. В немецком языке диаграмма
называется A VG.
Диапазон — максимальная демонстрируемая на CRT длина пути
ультразвука. См. также длительность развертки.
Диапазон глубин - длина ультразвукового пути, представленная
на экране электронно-лучевой трубки заданной настройкой вре-
менной развертки. Также используется термин диапазон временной
развертки или диапазон.
Дивергенция (расхождение луча) — термин, применяемый для
описания распространения ультразвуковых волн вне области ближ-
него поля. Данная величина является функцией диаметра преобра-
зующего элемента и длины волны в среде.
Дисперсионная среда — среда, в которой скорость распростране-
ния зависит от частоты волны.
Дисперсия - изменение фазовой скорости при изменении час-
тоты.
Дифракция — отклонение волнового фронта при прохождении
вблизи края объекта, не пропускающего ультразвук.
Длина волны — расстояние, которое проходит волна в направле-
нии распространения за время одного цикла колебаний.
540 Словарь терминов, используемых в науке и технологии улътраакустики
Длительность импульса — мера продолжительности импульса,
выражаемая в единицах времени или числе циклов.
Длительность развертки — временной или пространственный
интервал, представленный горизонтальной базисной линией в
Л-сканировании.
Дно отверстия — плоская отражающая поверхность в контроль-
ном блоке, которую получают путем шлифования и выравнивания
просверленного отверстия с помощью наилучших практических ме-
тодов. Дно отверстия параллельно поверхности вхождения в блоке.
Задержка начала развертки - 1) запаздывание запуска развертки
после начального импульса; 2) контроль регулировки времени.
Закон Снеллиуса — физический закон, который определяет со-
отношение между углами падения и преломления.
Затухание — 1) потери акустической энергии сигнала, которые
происходят при его прохождении между двумя точками среды.
Причиной этих потерь могут стать поглощение, отражение, рассея-
ние или другие характеристики материала; 2) изменение силы сиг-
нала, вызванное электронным прибором, таким как аттенюатор.
Затухающая волна — исчезающая волна.
Затухающие колебания — колебания, в которых амплитуда коле-
бательной величины уменьшается со временем.
Зацикливание — выведение на экран вводящих в заблуждение
отражений, связанных с предыдущим переданным импульсом, что
обусловлено чрезвычайно высокой частотой повторения импуль-
сов.
Звон — 1) близко расположенные множественные сигналы, вы-
званные многократными отражениями в тонком материале; 2) сиг-
налы, вызванные непрерывными колебаниями преобразователя.
Значимые показания — показания от прерывности, требующей
оценки в неразрушающих испытаниях.
Зона молчания — область, находящаяся непосредственно под
поверхностью образца, в которой импульс, отраженный от дефек-
та, невозможно отделить от переданного импульса. Ее также назы-
вают мертвой зоной.
Зона тени — область тестируемого объекта, куда не попадает уль-
тразвуковая волна, движущаяся в заданном направлении, что обус-
ловлено геометрией или наличием прерывностей.
Зона Фраунгофера — см. область дальнего поля.
Зонд — см. поисковый блок.
Зондирующий сигнал — см. начальный импульс.
Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
Износостойкая накладка - защитная поверхность, сделанная из
люцита (оргстекла), для предотвращения износа пьезоэлектричес-
кого элемента.
Изотропия — состояние, при котором наиболее значимые свойс-
тва среды (например, скорость звука) одинаковы во всех направле-
ниях.
Иммерсионный метод (метод погружения) - метод тестирования,
при котором тестируемые объекты и преобразователь погружены
в жидкость (обычно в воду), выступающую в качестве связующей
среды. Преобразователь, как правило, не контактирует с тестируе-
мым объектом.
Импеданс (акустический) — см. акустический импеданс.
Импульс — кратковременный электрический или ультразвуко-
вой сигнал.
Импульсный эхометод — метод ультразвукового тестирования,
в котором для обнаружения прерывностей используются возвра-
щающиеся эхосигналы, возникающие при отражении переданных
импульсов.
Интенсивность — средняя скорость потока энергии через еди-
ницу площади, перпендикулярной направлению распространения
волны.
Интерпретация - определение источника и значимости ультра-
звукового показания.
Интерференция волн — возникновение серии максимумов и ми-
нимумов звукового давления как следствие наложения волн с раз-
личными фазами.
Инфразвук — обобщенная характеристика звука в частотном
диапазоне ниже среднего диапазона, слышимого людьми.
Калибровка - тщательное установление или определение на-
строек инструмента с помощью стандарта, имеющее целью получе-
ние приемлемого изображения на электронно-лучевом осциллос-
копе или другого выходного сигнала.
Калибровочный блок - фрагмент блока определенного состава,
прошедший термическую обработку и т.д. и имеющий искусствен-
ные дефекты, с помощью которых можно оценивать и калибровать
показания ультразвукового оборудования, что позволяет обследо-
вать материал с аналогичной общей структурой.
Калибровочный рефлектор - отражатель с определенными па-
раметрами поверхности, предназначенный для обеспечения точно
воспроизводимого контрольного уровня.
542 Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
Картина Всканирования — метод представления данных, исполь-
зуемый в импульсной эхо-технике. В результате получается двух-
мерное изображение плоскости тестируемого объекта в разрезе.
Картина А-сканирования — электронно-лучевой регистратор,
на котором амплитуда принятого сигнала представлена в виде вер-
тикального отклонения от горизонтальной линии временной раз-
вертки. По горизонтали отмечено расстояние между любыми двумя
состояниями, вызывающими сигналы. В линейной системе верти-
кальное отклонение пропорционально амплитуде сигнала.
Картина Ссканирования — метод представления данных, приме-
няемый в импульсной эхо-технике и технике прозвучивания. Метод
дает двухмерную горизонтальную проекцию объекта. Глубина объ-
екта при этом не видна, если только не применять специальные
процедуры стробирования.
Кварц — один из пьезоэлектрических материалов, широко ис-
пользуемых в ультразвуковых преобразователях.
Клин — устройство для направления ультразвуковой энергии в
тестируемый объект под острым углом. См. также колодка.
Колесный преобразователь - устройство, которое переносит
ультразвуковую энергию к тестируемому объекту посредством вра-
щающейся контактной области, содержащей жидкость и один или
более преобразователей.
Коллиматор - прибор, ограничивающий эффекты расхождения
луча.
Колодка — прибор, используемый для регулировки положения
прямолучевого преобразователя с целью использования послед-
него в специфических видах тестирования: наклоннолучевом и
поверхностноволновом тестировании, тестировании на искрив-
ленных поверхностях. См. также клин.
Компенсатор — электрическая согласующая схема, компенсиру-
ющая различия электрических импедансов.
Контактный метод - метод тестирования, при котором лицевая
сторона преобразователя непосредственно контактирует с тестиру-
емым объектом через тонкую пленку прослойки.
Контактный преобразователь - преобразователь, используемый
в контактном методе.
Контрольный эхосигнал — сигнал от постоянного отражателя,
принимаемый за опорный, например отражение от гладкой регу-
лярной поверхности.
Корректировка зависимости расстояние - амплитуда DAC - вы-
Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
543
равнивание усиления как функции времени с учетом разницы ам-
плитуд отражений от одинаковых рефлекторов при различных рас-
стояниях до них, которые проходит звук.
Коэффициент затухания - фактор, определяемый как степень
уменьшения энергии звуковой волны, приходящегося на единицу
пройденного расстояния.
Коэффициент поглощения (линейный) - относительное умень-
шение передаваемой интенсивности на единицу толщины погло-
щающего материала. Как правило, обозначается символом альфа и
выражается в единицах на сантиметр.
Коэффициент пропускания - отношение интенсивности или ам-
плитуды волны, переданной через поверхность, к интенсивности
или амплитуде падающей волны. Также называется фактором про-
хождения.
Кристалл - см. преобразователь.
Кристалл (Асрез) - такой разрез, при котором поверхности среза
перпендикулярны оси х пьезоэлектрического кристалла. Когда эти
поверхности подвергаются электростимуляции, возникают про-
дольные (по толщине) колебания кристалла.
Кристалл (Усрез) — разрез, при котором поверхности среза пер-
пендикулярны оси у. Когда поверхности подвергаются электрости-
муляции, возникают поперечные колебания.
Кристаллическая мозаика — множественные кристаллы, по-
мещенные на одну поверхность держателя и соединенные таким
образом, чтобы они могли совершать колебания как единый мо-
дуль.
Критический угол - угол падения ультразвукового луча, при
превышении которого преломленные волны определенной моды
больше не возбуждаются.
Линейность (амплитуды) - мера пропорциональности ампли-
туды входного сигнала, поступающего на приемник, и амплитуды
сигнала, появляющегося на экране ультразвукового инструмента
или вспомогательном дисплее.
Линейность (расстояния) - характеристика ультразвуковой сис-
темы тестирования, свидетельствующая о ее способности пропор-
ционально реагировать на диапазон эхосигналов, производимых
определенными рефлекторами, изменяющихся во времени и обыч-
но представляющих собой серию многократных отражений от за-
дней поверхности.
Линия задержки — материал (жидкий или твердый), помещав-
544 Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
мый перед преобразователем, чтобы вызвать временное запаздыва-
ние между начальным импульсом и отражением от передней повер-
хности.
Логарифмический декремент — натуральный логарифм отноше-
ния амплитуд двух последовательных циклов в демпфированном
волновом цуге (цуге эхосигналов).
Ложное показание — показание теста, которое можно ошибочно
принять за сигнал от прерывности, однако на самом деле никакой
прерывности нет.
Ложные эхосигналы — общий термин для обозначения показа-
ний, которые нельзя связать с границей прерывности в наблюдае-
мой области.
Луч - однонаправленный ультразвуковой сигнал, передавае-
мый через материал.
Манипулятор — прибор для углового ориентирования преобра-
зователя при тестировании иммерсионным методом.
Маркеры — серия меток на горизонтальной линии экрана
электронно-лучевой трубки, демонстрирующих время или рассто-
яние.
Материал подложки - материал, прикрепленный к задней по-
верхности кристалла и предназначенный для усиления глушения.
Его также называют подложкой кристалла или демпфером.
Мертвая зона — интервал от начального импульса на поверхнос-
ти тестируемого объекта до глубины, начиная с которой обследова-
ние возможно.
Микроструктура — структура и фазы, в частности в поликрис-
таллических материалах, где размер составляет от нескольких мик-
ронов до нескольких сотен микронов.
Многократные отражения от задней поверхности — повторяющи-
еся эхосигналы от дальней границы тестируемого объекта.
Многоэлементный преобразователь — преобразователь, состав-
ленный из нескольких пьезоэлектрических элементов, которые по
отдельности связаны так, что передаваемые или принимаемые ими
сигналы обрабатываются отдельно или комбинируются нужным
образом.
Мода (режим) — форма распространения ультразвуковой волны,
которая характеризуется характером движения частиц среды.
Модуль (упругости) — отношение приращения определенной
формы напряжения к приращению определенной нагрузки, напри-
мер модуль Юнга, модуль объемной упругости или модуль сдвига.
Словарь терминов, используемых в науке и технологии улътраакустики 545
Также известен как коэффициент упругости или модуль упругости,
или упругий модуль.
Наклонное падение — столкновение волны с поверхностью под
любым утлом относительно нормали к касательной плоскости, так
что в точке падения угол отличен от нуля или падение является
скользящим.
Наклоннолучевое тестирование - метод ультразвукового тести-
рования, при котором передача ультразвука происходит под ост-
рым углом к поверхности вхождения.
Наклоннолучевой (наклонный) зонд — контактный зонд, кото-
рый излучает/принимает волны под углом, отличным от 0 или 90°
относительно перпендикуляра к плоскости касания в том месте, где
установлен зонд.
Наклоннолучевой (наклонный) преобразователь — преобразова-
тель, который передает или принимает ультразвуковую энергию
под углом к поверхности.
Наклонный луч - ультразвуковой луч, проходящий в среду под
острым углом. Угол вхождения (угол преломления) измеряется от-
носительно перпендикуляра, проведенного к поверхности, куда
проходит луч.
Насыщение — состояние, при котором высокие амплитуды сиг-
налов на дисплее не возрастают при увеличении усиления и выгля-
дят сплющенными.
Начальный импульс - импульс (электрический), который на-
правляется в преобразователь с целью его возбуждения. Его пока-
зания первыми появляются на экране, если в развертке не исполь-
зуется задержка.
Незатухающая волна - волна, которая существует не прерыва-
ясь.
Непер (Нп, Np) - натуральный логарифм отношения двух ам-
плитуд (0,1151 дБ), используемый в качестве меры затухания.
Отношения мощностей выражаются в виде половины натурально-
го логарифма.
Непрямое сканирование - использование поверхности (или по-
верхностей) обследуемого тела для перенаправления луча в недо-
ступные теневые зоны тела.
Нормальное (прямое) падение — 1) состояние, при котором ось
ультразвукового луча перпендикулярна поверхности вхождения в
тестируемый объект; 2) состояние, при котором угол падения равен
нулю.
546 Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
Область ближнего поля — область, находящаяся непосредствен-
но перед преобразователем, где ультразвуковой луч демонстрирует
сложные и изменяющиеся волновые фронты. Также называется зо-
ной Френеля.
Область дальнего поля - зона, расположенная за пределами
ближнего поля перед преобразователем, в которой происходит мо-
нотонное уменьшение амплитуды сигнала пропорционально рас-
стоянию от преобразователя. Также называется зоной Фраунгофера.
Обратное рассеяние - рассеянные сигналы, которые направля-
ются обратно к передатчику/приемнику.
Обратный пьезоэлектрический эффект — эффект возникновения
механического напряжения в определенных материалах при при-
ложении к ним электрического напряжения.
Ограничение (помех) — функция ультразвукового инструмен-
та дефектоскопии или регулировка, используемая для минимиза-
ции или устранения низкоамплитудных сигналов (электрического
шума или шума, издаваемого материалом) так, чтобы другие сигна-
лы могли усиливаться. Применение регулировки позволяет умень-
шить линейность по вертикали. Также используется термин подав-
ление.
Озвучивание — облучение звуком.
Омыватель — см. водомет или водяной столб.
Оптимальная связь — связь, которая обеспечивает наилучший
перенос энергии.
Оптимальная частота - частота, которая обеспечивает наиболее
высокий показатель отношения сигнала к шуму, подходящий для
обнаружения конкретной прерывности.
Ориентация — угловое соотношение поверхности, плоской пре-
рывности или оси с контрольной плоскостью или поверхностью.
Основная резонансная частота - самая низкая частота, при ко-
торой в системе происходит резонанс. Также называется основной
частотой резонанса.
Осциллоскоп — многофункциональный электронный инстру-
мент для точного измерения тока, напряжения и т.д., имеющий ус-
тройство отображения. См. также электроннолучевая трубка.
Ось луча - местоположение точек максимальной интенсивнос-
ти в области дальнего поля луча ультразвуковых волн и его геомет-
рическое продолжение в области ближнего поля.
Отношение сигнал/шум — отношение амплитуды нужного сиг-
нала к амплитуде флуктуационного шума. См. шум.
Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
547
Отражение волн — перенаправление ультразвуковой волны по-
верхностью в ту сторону, откуда она пришла. При этом волна либо
сохраняет исходную моду, либо преобразуется, либо частично со-
храняется, частично преобразуется.
Отражение от задней поверхности — сигнал, принятый от даль-
ней границы или задней поверхности тестируемого объекта.
Оценка - процесс определения степени повреждения после
интерпретации полученных показаний. Оценка позволяет узнать,
как поступить с тестируемым объектом: забраковать, починить или
принять.
Передатчик — преобразователь, излучающий ультразвуковую
энергию.
Плоская волна — волна, в которой точки одной фазы лежат на
параллельных плоских поверхностях.
Плоскодонное отверстие — тип отражателя, обычно используе-
мого в справочных стандартах. Базовая поверхность (поверхность
дна) отверстия является отражателем.
Поверхностная волна — см. волна Рэлея.
Поверхностно-активное вещество — вещество, добавляемое в
жидкую прослойку для уменьшения поверхностного натяжения и
увеличения смачивающей способности.
Поверхность соприкосновения — физическая граница между дву-
мя соседними средами.
Поглощение — потери или рассеяние энергии звука по мере его
прохождения в среде.
Поглощение (истинное) — поглощение, связанное с колебания-
ми решетки/частиц.
Поглощение (рассеяние) — поглощение, связанное с рассеянием,
отражением, рефракцией и т.д. волны.
Поглощение ультразвука — затухание ультразвуковых волн по
мере их прохождения в среде. См. коэффициент затухания.
Подавление — см. ограничение.
Поиск — захват (Pitch and Catch) — метод тестирования, в кото-
ром один преобразователь излучает ультразвуковую энергию, а дру-
гой — принимает ее на той же самой или противоположной повер-
хности объекта. Метод также называется подачей-улавливанием,
методом двух преобразователей или двойного кристалла.
Поисковый блок — конструкция, состоящая из пьезоэлектри-
ческого элемента, материала подложки (демпфера), пластины,
компенсирующей износ, или клина (по выбору), а также соедини-
548 Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
тельных проводов, помещенных в корпус. См. также преобразова-
тель или зонд.
Показания — ответ, полученный от образца, или свидетельство
прерывности в неразрушающем тестировании.
Показатель преломления — отношение скорости падающей вол-
ны к скорости преломленной. Его называют показателем преломле-
ния второй среды относительно первой.
Полное внутреннее отражение - отражение, которое имеет мес-
то, когда угол падения превышает критический угол.
Полоса пропускания частот - разность двух частот, лежащих
по обе стороны от резонансной частоты, на которых амплитуды
уменьшаются до заданного значения (обычно 0,7) от амплитуды на
резонансной частоте.
Поляризация — процесс переориентирования групп кристаллов
(доменов) в определенных материалах посредством воздействия
сильным электрическим полем при повышенных температурах.
Материалы, обработанные таким образом, демонстрируют пьезоэ-
лектрические свойства.
Помехи — см. фоновый шум.
Поперечная волна — см. волна сдвига.
Поперечноволновой преобразователь — преобразователь, пред-
назначенный для генерирования поперечных волн либо непо-
средственным образом с помощью кристаллов /среза, либо путем
конверсии продольных волн в поперечные под определенным уг-
лом к преобразователю.
Потери при передаче — потери мощности при передаче, выража-
ются в децибелах.
Потеря отражения от задней поверхности — отсутствие или зна-
чительное уменьшение показаний, поступающих от задней поверх-
ности тестируемого объекта.
Предельный угол — в периферическом сканировании трубчатых
продуктов угол, при превышении которого ультразвуковой луч не
касается внутренней стенки.
Презентация — метод, используемый для представления ультра-
звуковой информации. Включает Л, 5 или Ссканирование, демонс-
трируемые на различных самопишущих приборах или инструмен-
тах с CRT.
Преломленный луч — луч, который образуется во второй среде
после падения луча под острым углом на поверхность раздела двух
сред, имеющих разные скорости звука.
Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
549
Преобразователь — 1) устройство, которое преобразует одну
форму энергии в другую, скажем электрическую в механическую и
наоборот; 2) электроакустический или магнитоакустический при-
бор, содержащий элемент преобразования электрической энергии
в механическую и наоборот. См. поисковый блок.
Преобразующий элемент - см. преобразователь.
Прерывность — нарушение или изменение физической структу-
ры или характеристики материала.
Приемник — часть ультразвукового инструментария, предназна-
ченная для усиления эхосигналов, возвращающихся от тестируемо-
го объекта, а также преобразователь, принимающий эхосигналы.
Приемопередающий (разделыюсовмещенный) преобразователь
— преобразователь, состоящий из двух пьезоэлектрических элемен-
тов, установленных рядом друг с другом и разделенных акустичес-
ким барьером. Один элемент передает, а другой принимает.
Продольноволновой зонд — электроакустический прибор, ис-
пользуемый для генерирования и/или обнаружения продольных
волн.
Продольные волны — распространенное название волн сжатия.
Проникающая способность — максимальная глубина в материа-
ле, на которой можно выявлять прерывности.
Проникновение, ультразвуковое — распространение ультразву-
ковой энергии в материале. См. также проникающая способность.
Прослойка — вещество (обычно жидкость), помещаемое между
преобразователем и тестируемой поверхностью, чтобы обеспечить
или улучшить передачу ультразвуковой энергии в тестируемый
объект.
Прямой луч — ультразвуковая волна, движущаяся перпендику-
лярно тестируемой поверхности.
Прямолучевой зонд - зонд, который излучает ультразвуковой
луч перпендикулярно своей поверхности. Также называется пря-
мым зондом.
Пучность — точка стоячей волны, где определенные характерис-
тики волнового поля имеют максимальную амплитуду.
Пьезоэлектрический эффект — способность определенных мате-
риалов преобразовывать электрическую энергию в механическую и
наоборот.
Развертка — единообразное повторяющееся движение пятна по
экрану CRT, формирующее горизонтальную базисную линию (ли-
нию развертки).
550 Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
Разрежение - увеличение расстояния между частицами в среде
распространения в связи с релаксационной фазой ультразвукового
цикла (противоположной фазе сжатия). Волна сжатия состоит из
чередующихся сжатий и разрежений.
Разрешающая способность — мера или способность ультразвуко-
вой системы разделять два сигнала, близкие друг к другу по време-
ни или расстоянию.
Разрешение (около) поверхности вхождения - способность уль-
тразвуковой системы дефектоскопии отделять эхосигнал, отражен-
ный от дефекта вблизи поверхности вхождения, от переданного
импульса.
Разрешение задней поверхности — способность ультразвуко-
вой системы обнаружения различать эхосигналы, отраженные от
задней поверхности, и эхосигналы, принятые от расположенного
вблизи нее дефекта.
Распространение — продвижение волны в среде.
Рассеяние - 1) случайные отражения ультразвуковых волн от
мелких прерывностей или поверхностных неровностей; 2) множес-
твенные отражения/разрежения волн на межзеренных границах в
поликристаллических материалах, вызванные несоответствием им-
педансов.
Расслоение — слоистая прерывность, как правило, возникаю-
щая в области отсутствия связи материалов.
Раствор луча - расхождение звукового луча по мере его прохож-
дения в среде.
Растянутая развертка - горизонтальная развертка малой дли-
тельности, позиционированная так, чтобы обеспечить детальное
обследование определенного сигнала.
Регулировка импульсов — контроль частоты или ширины им-
пульсов с целью оптимизации реагирования системы.
Режим колебаний — вид волнового движения. Наиболее распро-
страненными режимами в ультразвуковом тестировании являются
продольные, поперечные и поверхностные волны.
Резонанс — состояние, при котором частота вынужденных ко-
лебаний (ультразвуковая волна) совпадает с собственной частотой
тела, где распространяется волна (тестируемого объекта), что при-
водит к возникновению колебаний с большой амплитудой.
Резонансная частота - частота, с которой тело свободно совер-
шает максимальные колебания, после того как некая внешняя сила
привела его в движение.
Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
55
Резонансный метод — метод, использующий принцип резонан-
са и определяющий скорость, толщину или наличие слоистых пре-
рывностей.
Рефракция (преломление) - изменение направления акустичес-
кой волны при прохождении ультразвукового луча из одной среды
в другую, имеющую иную скорость звука. При остром угле падения
исходная и преобразованная моды в другой среде имеют разные
направления. Если угол падения мал, во второй среде могут сосу-
ществовать обе эти волновые моды.
Сверхзвуковой — термин для обозначения скоростей, превыша-
ющих скорость звука в воздухе.
Свободный объем — в жидкости, объем воображаемой ячейки, в
которой свободно передвигается заданная молекула, когда ее бли-
жайшие соседи зафиксированы на своих положениях в решетке.
Сжимаемость — свойство вещества, заключающееся в способ-
ности уменьшаться в объеме в результате воздействия давления. В
количественном виде соответствует величине, обратной модулю
объемной упругости.
Сканирование — контролируемое перемещение преобразовате-
ля над поверхностью тестируемого объекта для полного покрытия.
Может быть реализовано посредством контактного или иммерси-
онного метода.
Сквозное прозвучивание — метод тестирования, в котором уль-
тразвуковая энергия передается через объект и принимается вто-
рым преобразователем, находящимся на противоположной сторо-
не. Изменения амплитуды принятого сигнала рассматриваются как
индикатор колебаний в толще материала.
Скорость продольной волны — групповая скорость, с которой
распространяются продольные волны в заданном материале.
Случайные показания — показания, которые не имеют отноше-
ния к выявляемой прерывности.
Спаренный преобразователь — преобразователь,
содержащий два
пьезоэлектрических элемента: для передачи и для приема.
Спектр - частотное распределение амплитуд в сигнале.
Спектральная характеристика — усиление приемника по частот-
ному диапазону.
Стандарт — 1) контрольный объект, используемый в качестве
базы для сравнения и калибровки; 2) понятие, установленное
уполномоченным органом или представителем,
которое служит
как модель или правило количественного измерения, а также
552 Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
утверждения практики или процедуры. См. также стандарт
приемки.
Стандарт приемки — 1) контрольный образец, содержащий естес-
твенные или искусственные дефекты/прерывности, которые четко
обозначены по размеру и протяженности и являются максималь-
но приемлемыми для продукта; 2) также документ, определяющий
пределы приемлемого размера прерывности. См. также стандарт.
Стандартный образец - 1) контрольный объект с отражателями,
которые представляют критерии приемки или отбраковки; 2) про-
стые тестовые объекты.
Стоячая волна - волна, в которой не происходит переноса энер-
гии. Такие волны возникают вследствие взаимодействия одинако-
вых волн, движущихся в противоположных направлениях, когда
отраженные волны сталкиваются с падающими. Частным случаем
является распространение волн в теле, толщина которого составля-
ет целое число половин длины волны, как в резонансном тестиро-
вании.
Стробирование — выбор области на экране CRT для обнаруже-
ния, наблюдения и оценки показаний, поступающих от дефектов.
Стробирующее устройство, селектор — 1) электронное устройство
для отслеживания сигналов в выбранном сегменте следа на картине
^сканирования; 2) отслеживаемый интервал вдоль базисной линии.
Сферическая волна — волна, в которой точки одной фазы лежат
на поверхностях концентрических сфер.
Сфокусированный луч — схождение звукового луча в одной точ-
ке, размер которой меньше исходного поперечного сечения этого
луча, генерируемого преобразователем.
Сфокусированный преобразователь — преобразователь с вогну-
той поверхностью, которая сводит акустический луч в точке фокуса
или на линии, расположенной на определенном расстоянии от по-
верхности.
Тестируемая поверхность - поверхность тестируемого образца, в
которую входит или из которой выходит ультразвуковая энергия.
Тестовая частота - номинальная частота ультразвуковых волн,
генерируемых преобразователем и используемых в неразрушаю-
щем обследовании.
Тестовый блок — то же самое, что контрольный блок.
Техника барботирования - техника тестирования, в которой ис-
пользуется трубка, наполненная водой, с целью связывания ультра-
звукового луча с тестируемым объектом.
Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики 553
Техника двух зондов — техника, в которой один зонд использу-
ется для передачи ультразвуковой энергии, а второй — для ее обна-
ружения.
Техника прозвучивания — см. сквозное прозвучивание.
Тональная посылка — волновой цуг, состоящий из нескольких
циклов одинаковой частоты.
Точка входа луча — точка на поверхности тела, через которую
проходит ось ультразвукового луча (как правило, используется
только в случае наклонных зондов).
Точка выхода луча — отметка на наклонно-лучевом или
поверхностно-волновом преобразователе. Отметка указывает на
точку, через которую проходит ось выходящего луча.
Точка выхода луча — см. точка падения (метка на зонде).
Точка падения — точка, в которой центр звукового луча покидает
пластмассовый клин наклоннолучевого преобразователя и входит в
тестируемый объект. Также называется точкой выхода луча.
Точка передачи — точка временной развертки, соответствующая
моменту, когда ультразвуковая энергия проникает в обследуемый
материал.
Точка передачи (поправка) - регулировка запаздывания (вре-
менной развертки) с целью корректировки времени, которое тре-
буется импульсу для прохождения через материал, прикрепленный
перед кристаллом (в случае наклоннолучевого зонда) так, чтобы
точка передачи соответствовала нулю на оси Xэлектронно-лучевой
трубки.
Трещина — изъян или непреднамеренная прерывность.
Угол падения — угол между осью луча падающей/отраженной
волны и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке от-
ражения.
Угол передачи — угол падения переданного ультразвукового
луча. Равен нулю градусов, когда луч перпендикулярен поверхнос-
ти тестирования.
Угол преломления — угол между осью луча преломленной волны
и перпендикуляром к преломляющей поверхности.
Узел — точка стоячей волны, где заданная характеристика вол-
нового поля имеет нулевую амплитуду.
Узкая полоса частот — сравнительный термин, свидетельствую-
щий об ограниченном диапазоне частотной характеристики.
Ультраакустика — термин, относящийся к частоте колебаний
свыше 20000 Гц.
554 Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
Ультразвуковая волна - возмущение, которое распространяет-
ся в среде на ультразвуковых частотах в силу упругих свойств этой
среды.
Ультразвуковая спектроскопия — анализ частотного компонента
акустической волны. Как правило, выполняется математически с
помощью быстрого преобразования Фурье.
Ультразвуковое тестирование — неразрушающий метод исследо-
вания материалов путем передачи через них высокочастотных зву-
ковых волн.
Ультразвуковой спектр — как правило, диапазон частот от 20 000
до 107 Гц, однако в некоторых специфических областях примене-
ния он может превышать данные рамки.
Уровень (порог) ограничения — уровень, выше или ниже кото-
рого сигнал индицирует дефект, эквивалентный пороговому зна-
чению.
Фаза — параметр, определяющий положение относительно на-
чала цикла (выражается в единицах времени, радианах или граду-
сах).
Фазированный массив — совокупность преобразующих элемен-
тов, для каждого из которых можно контролировать время возбуж-
дения, чтобы получать определенные результаты, например фоку-
сирование луча.
Фазовая скорость — скорость одночастотной незатухающей вол-
ны.
Фантом - справочный стандарт, используемый для проверки
рабочих характеристик медицинских диагностических ультразву-
ковых систем.
Фокальная зона — расстояние до и после фокуса, где интенсив-
ность отличается от интенсивности в фокусе на заданную величи-
ну (обычно 6 дБ). Также называется глубиной поля или глубиной фо-
куса.
Фоновый шум - посторонние сигналы, вызванные случайными
источниками в пределах ультразвуковой системы тестирования или
вне нее, включая саму систему.
Хаотические помехи — см. фоновый шум.
Цуг эхосигналов — см. волновой цуг.
Частота - число полных волновых циклов, проходящих через
заданную точку за одну секунду, или число колебаний в секунду.
Частота (основная) — частота в резонансном тестировании, при
которой длина волны вдвое превышает толщину материала.
Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
555
Частота (повторение импульсов или частота повторения импуль-
сов) — число импульсов в секунду.
Частота (тестовая) — номинальная частота ультразвуковой вол-
ны, используемая в тестировании.
Частота повторения — число генерируемых или передаваемых
импульсов в единицу времени (обычно в секунду).
Частота повторения импульсов — см. частота повторения.
Чувствительность — способность обнаруживать слабые сигналы.
Ограничивается показателем отношения сигнал/шум (S/N) и час-
тотой волны.
Ширина зоны молчания - расстояние от точки вхождения до
первой точки отражения на той же самой поверхности в наклонно-
лучевом тестировании пластин или труб.
Ширина импульса — интервал времени между передней и задней
кромками импульса.
Широкополосность — относительно широкий частотный диапа-
зон в противоположность узкой полосе частот.
Шкала DGS— шкала, полученная из диаграммы /)(75для конк-
ретного зонда и конкретного диапазона глубин. На экране CRT по
этой шкале при правильно отрегулированном усилении можно не-
посредственно определить размер дефекта. В немецком языке ис-
пользуется термин шкала A VG.
Шкала обнаружения дефектов — специальным образом градуи-
рованная линейка, которую прикрепляют к поперечноволновому
зонду и связывают с положением эхосигнала от дефекта на экране
электронно-лучевой трубки. Шкала позволяет непосредственно
считывать данные о местоположении прерывности в объекте.
Шлирен-система — оптическая система, которая используется
для визуального отображения ультразвукового луча, проходящего
сквозь прозрачную среду.
Шум - любые нежелательные сигналы, которые мешают нор-
мальному приему нужного сигнала. Шум может возникать из элек-
трического или акустического источника, маленьких прерывностей
или непредвиденного изменения акустических свойств тестируе-
мого материала.
Шум материала — случайные сигналы, производимые струк-
турой материала тестируемого объекта. Компонент фонового
шума.
Эквивалентный размер дефекта - диаметр цели, имеющей фор-
му округлого диска и расположенной перпендикулярно ультразву-
556 Словарь терминов, используемых в науке и технологии ультраакустики
ковому лучу, если эта цель дает такое же отражение, как и естест-
венный дефект.
Экранные маркеры - короткие электрически генерируемые
импульсы, следующие друг за другом через заданные интервалы
времени и представленные на временной развертке. Они делают
калибровку диапазона менее зависимой от линейности временной
развертки. Также используется термин метки времени.
Электрический шум — посторонние сигналы, вызванные сиг-
налами, излучаемыми извне, или электрическими помехами от
ультразвукового инструмента. Является компонентом фонового
шума.
Электромагнитный акустический преобразователь (ЕМАТ) -
прибор, использующий магнитный эффект для генерирования и
приема ультразвуковых сигналов.
Электронная корректировка зависимости расстояние — амплит-
уда — корректировка и компенсация уменьшения амплитуды отра-
женного эхосигнала с увеличением расстояния, на котором распо-
ложена цель. Эту процедуру также называют усилением, откор-
ректированным по времени, или временной регулировкой усиления.
Электронно-лучевая трубка (CRT) — вакуумная трубка с эк-
раном, на котором отображается ультразвуковое сканирование.
Используется в Л и ^сканировании.
Электронный пучок — поток электронов, излучаемых нагретой
нитью накала, формируемый в более-менее замкнутый луч под воз-
действием магнитного или электрического поля.
Энергия импульса — общая энергия, связанная с отдельным им-
пульсом.
Эхо — отраженный ультразвуковой сигнал.
Эхосигнал от границы — отражение ультразвуковой волны от по-
верхности раздела.
Эхосигнал от дна — см. отражение от задней поверхности.
Эхосигнал от задней поверхности — эхосигнал от поверхности,
противоположной поверхности сканирования. Также называет-
ся отражением от задней поверхности, отражением от дна или эхо-
сигналом от дна.
Рекомендуемая литература
557
Рекомендуемая литература
1. ASTM Е: 500 Standards Terminology relating to ultrasonic examination,
American Society for Testing and Materials, (1989).
2. В S 3683 (Part 4): Ultrasonic Flaw Detection - The glossary of terms used in
non-destructive testing, British Standards Institution, (1985).
3. Birks A S, Green (Jr) R E and McIntire, NDT Hand Book, American Society
for NOT, Vol. 7 (1991).
4. Hart S, Glossary of terms for ultrasonic testing, NDT Hand Book, American
Society for Non-destructive Testing, Vol. 7 (1991).
5. IS : 2417 Glossary of terms relating to ultrasonic testing, Bureau of Indian
Standards, (1977).
6. Krautkramer J and Krautkramer H, Ultrasonic Testing of Materials,
Narasosa Publishing House, New Delhi, (1993).
7. McGraw Hill Dictionary of Physics, Edi., Parker S.P., New York, (1986).
8. Non-destructive Inspection and Quality Control- Metal Hand Book,
American Society of Metals, 8th Ed., Vol. 11 (1976).
9. The Krautkramer Booklet, Krautkramer, Germany.
Приложение
1. Приставки СИ - названия и обозначения
Степенное выражение Множитель Приставка Символ
1018 1000000000000000000 экса Е(Э)
1015 1 000 000 000 000 000 пета Р(П)
ю12 1000000000000 тера Т(Т)
ю9 1 000 000 000 гига G(F)
106 1000000 мега М(М)
103 1000 кило к (к)
ю2 100 гекто h(r)
ю1 10 дека da (да)
10° 1 базовая единица
10-' 0,1 деци 4(д)
ю-2 0,01 санти с (с)
ю-3 0,001 милли ш (м)
10-6 0,000 001 микро ц(мк)
ю-9 0,000 000 001 нано п(н)
ю-12 0,000000000001 ПИКО р(п)
10-'5 0,000 000 000 000 001 фемто ПФ)
10-18 0,000000000000 000001 атто а (а)
Примечание: приставки следует выбирать для шага 103, что-
бы результирующее число перед приставкой составляло от 0,1 до
1000. Эти приставки не следует использовать для единиц линей-
ных измерений, они предназначены для единиц более высокого
порядка. К примеру, в линейном измерении не рекомендуется
применять обозначение дециметр, однако квадратный дециметр
вполне приемлем.
Аббревиатуры и символьные обозначения
559
2. Аббревиатуры и символьные обозначения
А — амплитуда
АЕТ — акустическое тестирование методом эмиссии
ADC — аналого-цифровой преобразователь
AISI - Американский институт железа и стали.
ASTM — Американское общество по испытаниям и материалам
аг — коэффициент отражения
at — коэффициент
Вп — эхо-сигналы от задней поверхности 1, 2...п
BS — Британский стандарт
ВТ - батитермограф
BSI — Британский институт стандартов
BNC — байонетный соединитель для коаксиального кабеля
BPD — бипариетальный диаметр
BCS - Бардин—Купер-Шриффер
BIS — Бюро индийских стандартов
С — емкость;
удельная теплоемкость
CEN - Европейский комитет по стандартизации
Ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении
Cv— удельная теплоемкость при постоянном объеме
Сп — упругая постоянная
С и — упругая постоянная
С12 — упругая постоянная
СС — взаимная корреляция
CRL — длина от макушки до ягодичной области
CRT - электронно-лучевая трубка
CCF - функция взаимной корреляции
CCD — прибор с зарядовой связью
CW — незатухающая волна
CFT — теория фактора столкновений
CANDU — канадский тяжеловодный урановый ядерный реактор
D — размер зерна;
плотность дислокаций
DIN — Организация по стандартам Германии
DT - разрушающая техника
DAC — корректировка амплитуды в зависимости от расстояния
DSO — цифровой запоминающий осциллоскоп
DSP — цифровая обработка сигналов
DMAC — демодулированная автокореллограмма
560
Приложение
dB (дБ) - децибел
d — толщина;
диаметр;
расстояние
Е — энергия
ЕМ — электромагнитный
EDC — тестирование методом вихревых токов
ECG — электрокардиограмма
ЕВТ — электронная версия механического батитермографа
ЕМАТ — акустический магнитный преобразователь
Eqn. — уравнение
Eqs. — уравнения
emf - электродвижущая сила
ZT — эффективность передачи
ZR — эффективность приема
F - сила
FS — первый эхо-сигнал
FF — полный флаг (математ.)
FSD — полная зона молчания
FET — полевой транзистор
FLT — статистическая теория Флори
FFT - быстрое преобразование Фурье
FOEC — коэффициент расширения четвертого порядка
FIFO - обработка данных в порядке их поступления
FSBPL — полная ширина зоны молчания для траектории луча
f— частота
fL или LF — низкая частота
/^или HF — высокая частота
А/— разность частот
G — модуль сдвига
GPIB — универсальная интерфейсная шина
Н1/3 — средняя величина одной трети от высоты волны
Hnns - среднеквадратическая высота волны
HF — высокая частота
HSD — половина ширины зоны молчания
HSBPL - половина ширины зоны молчания для траектории луча
h — постоянная Планка
I — ток;
акустическая интенсивность
ISO — Международная организация по стандартизации
Imin — минимальный ток
I — максимальный ток
max
Аббревиатуры и символьные обозначения
I. — интенсивность падающего ультразвука
1г — интенсивность отраженного ультразвука
IR — инфракрасное излучение
ID — внутренний диаметр
IMR — идеальное соотношение смеси Ван Дэйла
IQI — индикатор качества изображения
IPM — интеллектуальная обработка материалов
IIW — Международный институт сварки
ISO — Международная организация по стандартизации
IUSS — Интегрированная система для подводных исследований
IEEE — Институт инженеров по электротехнике и электронике
IRIS — Внутренняя вращающаяся система обследования
J — плотность тока
JR — соотношение Джанджи
К — модуль объемной упругости
К — температура, кельвины
KF — формулировка Хазэйра
Ке — электрическая проводимость
КЕ — коэффициент связи
К1С — трещиностойкость
к — волновое число;
постоянная Больцмана
L — индуктивность;
продольный модуль;
длина
Lf — длина свободного пробега
LI — лазерная интерферометрия
LT — испытания на утечку
LPT — дефектоскопия методом проникающих жидкостей
LED — светоизлучающий диод
LCF — усталость при низких периодических нагрузках
LCL — нижний контрольный предел: нижний предел доверия
LLW — вытекающая освещающая волна
LPF — фильтр нижних частот
М — молекулярная масса
Мт — средняя молекулярная масса
Meff — эффективная молекулярная масса
MLD — глубина смешанного слоя
МРТ — магнитопорошковая дефектоскопия
МВТ — механический батитермограф
ш — масса
N — число Авогадро;
Приложение
число циклов;
индекс суммирования;
порядок интерференции;
длина ближнего поля;
произвольное число перекрываний
NR — соотношение Номото
NM — нормальный режим
NBO — немостиковый кислород
NDE — неразрушающая оценка
NDI — неразрушающее обследование
NDT — неразрушающее испытание
NMR - ядерный магнитный резонанс
NBS — Национальное бюро стандартов
п — нейтроны
OD — внешний диаметр
ODF — направление ориентации
Р — давление;
акустическое давление;
объемная доля пористости
Р. — акустическое давление падающего ультразвука
Рг — акустическое давление отраженного ультразвука
Pt — акустическое давление прошедшего ультразвука
РЕ — уравнения параболического типа
PC — печатная схема
PS — метод смещения фазы
PS — наложение импульсов
РТ — импульсная техника
pH — отрицательный логарифм активности иона водорода
PH — дисперсионное твердение
Р/М — порошковая металлургия
РМТ — фотоэлектронный умножитель
РЕО — перекрывание эхо-импульсов
PID — пропорциональное интегрально-дифференциальное
регулирование
PPI — программируемый периферийный интерфейс
PZT — цирконат титанат свинца
РСВ — плата с печатной схемой
PRF — частота повторения импульсов
PPS — число импульсов в секунду
PHWR - ядерный реактор с тяжелой водой под давлением
PVDF — поливинилиденфторид
PIND — обнаружение шума столкновений частиц
Аббревиатуры и символьные обозначения
ppm - частей на миллион
ppt — частей на тысячу;
частей на триллион
psi — фунтов на квадратный дюйм
Q — фактор резонатора;
фактор качества (добротность);
калиброванное рассеяние потока
QC — контроль качества
QA — поддержка качества
QBASIC - язык программирования кью-Бейсик
R — сопротивление;
коэффициент отражения;
время нарастания (сигнала);
газовая постоянная;
молярная скорость звука
Ra — относительная связь
RADAR — радиопеленгование и измерение расстояния;
радиодальномером
RUS - резонансная ультразвуковая спектроскопия
RT — тестирование методом радиографии
RTR — радиография в режиме реального времени
г — радиус
межатомное расстояние
if— радиочастота
rms — среднеквадратический
S — соленость
Sn — число сольватации
SA — циклическое возбуждение
SA — анализ сигналов
SE — передатчик-премник сигналов
S/N — отношение сигнал/шум
SAM — сканирующая акустическая микроскопия
SBF — жидкость, моделирующая тело
SHM — гармоническое движение
SEM — сканирующая электронная микроскопия
SLD — глубина звукового слоя
SPT — теория взвешенных частиц
STD — соленость, температура, глубина
SVTD - соленость, скорость, температура, глубина
SAFT — метод фокусировки с помощью синтезированной апертуры
SLAM — сканирующая лазерная акустическая микроскопия
SONAR — акустическая навигация и дальнометрия
564 Приложение
std — стандарт
Т — температура;
фазовый угол;
период времени
Тс — температура перехода
ТЕ — поперечная электрическая волна
ТМ — поперечная магнитная волна
TR — приемник-передатчик
TAB — автоматизированная сборка с использованием;
ленты-носителя
ТЕМ — передающая электронная микроскопия
TDD — деконволюция временной области
тмо - окисел переходного металла
TMI — ион переходного металла
TOF — время пробега
t — время
UL— скорость продольной волны (волны сжатия)
UT— скорость поперечной волны (волны сдвига)
Um — средняя скорость звука
U(f) — групповая скорость
U/U — отношение фазовых скоростей
Us — скорость поверхностной волны
UM - ультразвуковая микроскопия
UT — ультразвуковое тестирование
USW — ультразвуковая сварка
и — скорость звука
V — объем;
потенциальная энергия;
скорость ветра
V— напряжение
Vf— свободный объем
V. — степень уплотнения
VT — плотность упаковки (размещения)
Vе — избыточный объем
Vm — молярный объем
VT — визуальное исследование
V - скорость частицы
W — константа Вада
W. — вес смеси i
ХВТ — раскладной батитермограф
XRD — дифракция рентгеновских лучей
х — мольная доля смеси i
Аббревиатуры и символьные обозначения
565
х — расстояние
Y — модуль Юнга
Yo — модуль Юнга при отсутствии пористости
YBCO — иттрий-бариевый купрат
Z — акустический импеданс;
глубина
со — угловая частота
р — плотность
рг — плотность упаковки
ц - магнитная проницаемость
8 — глубина скин-слоя
к —длина волны;
разность хода;
константа Ламе
0 — температура Кюри
0 —угол
0. — угол падения
0г — угол преломления
0С— критический угол
о — коэффициент Пуассона ;
поверхностное натяжение
оу— предел текучести
а — коэффициент затухания;
объемное расширение
a/f2 — коэффициент поглощения
— адиабатная сжимаемость
Р — константа распространения
Р/5 — изотермическая сжимаемость
р/е — изоэнтропийная сжимаемость
у — отношение удельных теплоемкостей;
фазовый угол
Ду — ширина полосы частот
я — разность фаз
я. — внутреннее давление
т — интервал запаздывания
фл — кажущаяся молярная сжимаемость
фи — кажущийся моляльный объем
ф. — объем компонента i
е — относительная диэлектрическая проницаемость
Предметный указатель
А
А-сканирование 310
В
В-сканирование 477
С
С-сканирование 380
V
V-образного соединения 339
А
Адиабатная сжимаемость 223
Акустическая микроскопия 201
Акустическая мощность 63
Акустическая сигнатура материала 203
Акустические параметры 223, 252, 263
Акустический импеданс 223, 253, 265
Американское общество по испытанию
материалов 524,527
Амплитуда 25
Амплитуды эхо-сигналов 146, 232
Анизотропия 413
Анизотропные материалы 367
Аппроксимация с помощью кубической
сплайн-функции 140
Б
Бегущая волна 25
Бесконтактное тестирование 375
Биоактивное стекло 396
Биологические организмы 496
Ближнее взаимодействие 222
Предметный указатель
Британский институт стандартов 524
Бюро стандартов Индии 524
В
Визуализация в медицине 464
Визуальное обследование 339
Внутреннее давление 223
Внутренняя вращающаяся система
обследования 360
Волна Лява 40
Волна сдвига 37
Волны Лэмба 33, 38
Волны на границах 48
Волны при наклонном падении 50
Волны Рэлея 33, 37
Волны сжатия 33
Волны Стоили 38
Волокнистая усадка 350
Волоконные усиленные полимеры 374
Высокотемпературные сверхпроводящие
материалы 204
Вязкость 232
Г
Газы 237
Геометрическая ультразвуковая
оптика 56
Гидролокатор 196,507
Гидролокатор бокового обзора 509
Гиперзвук 31
Глубина звукового слоя 494, 563
Глубина моря 515
Глубина скин-слоя 79
Голограмма 205
Гребень волны 36
Д
Дальнее взаимодействие 222
Дальнее поле 111
Двойное сканирование 482
568 Предметный указатель
Двухкомпонентные смеси 233
Двухкристальный преобразователь 101
Демодулированная
автокоррелограмма 370
Деструктивная интерференция 354
Дефектоскоп 166, 304
Дефекты, вызванные усадкой 350
Дефекты ковки 345
Децибелы 62, 63
Диапазон частот 29
Дисперсия 66, 542
Дифракция 68
Дифракция Фраунгофера 70
Длина межмолекулярного
свободного пробега 253
Добротность резонанса 60
Доплеровский гидролокатор 510
Доплеровское сканирование 481
Е
Европейские стандарты 530
Ж
Жидкие смеси 222, 262
3
Затухание 62,145
Затухание из-за рассеяния 64
Зона Фраунгофера 69, 111, 114
Зона Френеля 69, 111
И
Идеальное соотношение смеси 242
избыточная глубина 494
Избыточная энтальпия 258
Избыточные величины 256
Измерение давления 195
Измерение толщины 194,330
Измерения температуры 175,500
Изоэнтропийная сжимаемость 565
Импульсная акустическая голография
в отраженных лучах 207
Индикатор уровня (уровнемер) 197
Интегрированная система для
подводных исследований 513
Интегрированная система сбора
информации 511
Интеллектуальная обработка
материалов 175, 209
Инфразвук 30
Испытания бетона 175,190
Истинное затухание 170
К
Кавитации 180
Кажущаяся (средняя) молярная
сжимаемость 224
Кажущийся (средний)
молярный объем 224
Калибровка 166
Калибровка толщины 330
Калибровочные блоки 315
Калибровочный блок IIW (VI) 315
Керамические материалы 89
Керамические матричные
композиты 374
Классическое поглощение 258
Кованые заготовки 346
Композиционные материалы 204, 295
Компьютерная томография 368
Конверсия волн 52
Конструкционные материалы 396
Контроль качества 522
Контрольные блоки 314
Корректирующие кривые
«расстояние — амплитуда» 327
Коэффициент затухания 62
Коэффициент истинного
поглощения 62
Коэффициент поглощения 223, 226, 229
570 Предметный указатель
Коэффициент Пуассона 40
Криволинейные множественные
зонды 469
Кривые потенциальной энергии
Кондона—Морзе 408
Критическая глубина 494
Критический угол 54, 540
Критическое обследование корня
сварного шва 341
Л
Лазерная интерферометрия 158
Линейная акустическая голография 207
Литье 349
М
Магнитно-индуктивный метод 75
Магнитострикция 76
Макроусадка 351
Массовая доля 225
Международная организация
по стандартизации 524
Мертвая зона 316, 542
Металлические матричные
композиты 374
Метод взаимной корреляции 136
Метод видимого затухания 165,168
Метод Доплера 185
Метод наложения импульсов 127
Метод незатухающей волны 122,123, 146
Метод передачи 462
Метод перекрывания эхо-импульсов 128
Метод пересечения нулевого уровня 157
Метод сравнения 166
Метод сухого сканирования 375
Метод тестирования с помощью
эхо-отклика на механическое
воздействие 191
Метод фокусирования с помощью
синтезированной апертуры 353
Метод циклического возбуждения 126
Механические волны 30
Механические свойства 41
Механический метод 73
Микроструктура 20
Многолучевой гидролокатор 509,513
Модель порошковой металлургии 393
Модель Холла-Петча 448
Модуль сдвига 384
Модуль Юнга 384
Молекулярное взаимодействие 256
Мольная доля 225
Молярный объем 254
Мост Уитстона 503
Н
Наклонно-лучевой (наклонный)
зонд 298
Наклонный луч 297
Незатухающая волна 146
О
Область ближнего поля 112
Область дальнего поля 69,114
Обработка разложения спектра 368
Обработка сигнала 473
Обратное рассеяние 420
Обследование труб 360
Объемная доля 225
Океанографические
инструменты 498,499
Оптический метод 121
Организация по стандартам
Германии 531
Относительное затухание 422
Очистка 175,179
Очистка в промышленности 184
П
Параметр взаимодействия 259
572 Предметный указатель
Параметры Грюнейзена 259
Паяные соединения 333
Поверхностная волна Рэлея 33, 37
Поверхностные волн 295
Поверхностные волны 38
Поглощение ультразвуковых
волн 65
Погружаемые преобразователи 181
Подводная акустика 19, 491
Поддержка качества 284
Подошва волны 36
Поиск — захват, или тандем 293
Поиск — захват или тандем 289
Поле эхосигналов 116
Поливинилиденфторид 90
Полимерные растворы 272
Полное внутреннее
отражение 51, 555
Полуволновой резонанс 59
Поляризация 90
Поперечные волны 76, 81
Поперечные трещины 341
Пористость 119,204
Постоянная Ламе 389
Постоянные упругости 384, 388
Предел текучести 400
Преобразователи 19: 72
Преобразователь
емкостного типа 107
Применение ультразвука 174
Принимающий модуль 308
Продольная волна, преломленная
под критическим углом 53
Продольная скользящая волна 38
Продольные волны Лэмба 39
Прослойка 108
Простое гармоническое
движение 35
Профиль луча 109
Прямой луч 297
Прямой метод 144
Прямой пьезоэлектрический
эффект 81
Прямолучевой преобразователь 100
Пьезокерамический
преобразователь 507
Пьезоэлектрические кристаллы 81
Пьезоэлектрический осциллятор 82
Р
Размер зерна 416
Рассеяние ультразвуковых волн 63
Растворы электролита 270
Расходомеры 175, 184
Регулировка усиления 326
Резонанс 58
Резонансная ультразвуковая
спектроскопия 158
Рекристаллизация 416, 427
С
Сбор данных 357
Сварка 175,176
Свободная энергия Гибба 258
Свободный объем 223,254
Системы правил 522
Сканирование в режиме реального
времени 481
Сканирующая акустическая
микроскопия 201
Скользящая волна 38
Слышимый звук 30
Соотношение Джанджи 243
Соотношение Номото 241
Сопловой сварной шов 336
Спектральный подход 426
Спектр затухания 418
Стандарты 523
Статистическая теория Флори 246
Стационарная волна 58
574 Предметный указатель
Стекла 402
Стохастическое рассеяние 64
Стоячие волны 58
Стыковой сварной шов 336
Стыковые соединения 335
Т
Тавровый или Т-образный
сварной шов 336
Твердость 284, 449
Твердые прослойки 375
Текстурные коэффициенты 440
Температура Дебая 384,406
Теории термодинамики 243
Теория Бардина-Купера-Шриффера
(BSC) 411
Теория взвешенных частиц 238,249
Теория свободного пробега 238
Теория смешанного
совместного рассеяния 394
Теория упругости 391
Теория фактора столкновений 238, 239
Тестирование поковок, прошедших
механическую и термическую
обработку 348
Техника множественных
эхо-сигналов 333
Точка выхода луча 318, 322
Традиционный метод 167
Траектория луча 109
Трещиностойкость 450
У
Углеродисто-волоконные
композиты 374
Угол зондирования 322
Угол раствора луча 70,115
Удельный акустический импеданс 253
Ультразвуковая микроскопия 175,201
Ультразвуковая сварка 176
Ультразвуковая система очистки 180
Ультразвуковое тестирование 286
Ультразвуковой термометр 194
Ф
Фазированные многоэлементные
зонды 470
Фазовый переход 413
Формулировка Хазэйра 250
X
Характеристика материалов 174
Характеристики дефектоскопа 314
Ч
Частота 29
Частота повторения импульса 309
Четвертьволновой резонанс 60
Э
Электрический метод 122
Электромагнитная энергия 73
Электромагнитные волны 491
Электромагнитный акустический
преобразователь 76
Электростатический метод 74
Эффект акустической упругости 215
Эхо 121
Эхо-импульсная визуализация 475
Эхолот 175,196
Заявки на книги присылайте по адресу:
125319 Москва, а/я 594
Издательство «Техносфера»
e-mail: knigi@technosphera.ru
sales@technosphera.ru
факс: (495) 956 33 46
В заявке обязательно указывайте
свой почтовый адрес!
Подробная информация о книгах на сайте
http://www.technosphera.ru
Балдев Радж, В. Раджендран, П. Паланичами
Применения ультразвука
Компьютерная верстка — А.В. Бабич
Дизайн — И.А. Куколева
Корректор - И.И. Никитина
Ответственный за выпуск — С.В. Зинюк
Формат 60 х 90/16. Печать офсетная.
Гарнитура Ньютон.
Печ. л. 36. Тираж 3000 экз. (1-й завод 1500 экз.) Зак. № 1420.
Бумага офсет №1, плотность 65 г/м2.
Издательство «Техносфера»
Москва, Лубянский проезд, дом 27/1
Диапозитивы изготовлены ООО «Европолиграфик»
Отпечатано в ООО «Чебоксарская типография №1»,
428019, г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, 15
ИНТЕРПРИБОР
НАУЧН0'ЛР0ИМСАСТМНН01 ПРЕДПРИЯТИЕ
МЯШЮТКАИ ПРОИЖЙОТВО ПРИВОДОВ НВЛАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
УЛЬТРАЗВУК!)
ф ПУЛЬСАМ.С • ихмвригвпь прочнее»
строительных матермлог
РИВОРЫ
е и поверхностное прозву-
МНие при напряжении до 1 кВ
-. эмерение Т. v, R, pt Е^С, h, V, S
ф ПУЛЬСАР-1.1 - универсальный прибор • Режим осциллографе с А-сигналом
а. фейс, сервис!-
W ПУЛЬСАР-1.1- дефектоскоп бетона «полная архив
ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРИ
ОНИКС-2.7 ударно-акустический дефектоскоп бетона. Контре
толщины беконе, обнаружение дефектов. Методы волны у
е сейсмо-
ение де-
ости и
ударного им-
пульс»
СПвКТР-1.0/2.0 - одно и двухканальные сейсмостанц
стирального профиля грунтов, определение длины ci
срок юн.
ВИБРАН-2.0/3.0 - одно и четырехканальные виброанализаторы-регистраторы.
Приборы малогабаритны, имеют легкие и удобные датчики. Внесены в Гэсудар-
ственные реестры средств измерений РФ, Белоруссии, Украины и Казахстана.
Предприятие также производит измерители прочности и морозостойкости бето-
на, плотномеры, адгезиметры, влагомеры, измерители напряжений, многопара-
метрические многоканальные регистрирующие комплексы, измерители тепло-
проводности, вихретоковые дефектоскопы, термогигроанемометры, датчики,
сервисные компьютерные программы и другую продукцию.
г. Челябинск: (351) 265-56-38, 262-91-69
г. Москва: (495) 174-75-13, 789-28-50
г. С-Петербург: (812) 998-45-86, 570-64-96
http ://www. i nterpri bor. r u
info@interpribor.ru, interpribor@mail.ru
г
мир
физики и техники
БАЛДЕВ РАДЖ,
В. РАДЖЕНДРАН,
П. ПАЛАНИЧАМИ
Применения
ультразвука
ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ
УЛЬТРАЗВУКА, МЕТОДЫ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН,
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА
В МЕТАЛЛУРГИИ,
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ,
МЕДИЦИНЕ, ПОДВОДНОЙ
АКУСТИКЕ, РАСХОДОМЕТРИИ
ДОКТОР БАЛДЕВ РАДЖ -
ВЫДАЮЩИЙСЯ УЧЕНЫЙ, ДИРЕКТОР
ГРУППЫ ХИМИИ, МАТЕРИАЛОВ
И ПЕРЕРАБОТКИ В ЦЕНТРЕ АТОМНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ИНДИРЫ ГАНДИ
В КАЛПАККАМЕ.
ДОКТОР В. РАДЖЕНДРАН -
ПРОФЕССОР И РУКОВОДИТЕЛЬ
КАФЕДРЫ ФИЗИКИ В ИНЖЕНЕРНОМ
КОЛЛЕДЖЕ ТАМИЛ НАДУ В ИНДИИ.
ДОКТОР П. ПАЛАНИЧАМИ -
КАНДИДАТ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК
(ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИЙ В ДЕЛИ)