I. Акустические характеристики некоторых сред

Вещество

Скорость волны . 1 0-3.

л ч о ч;

о s & о с я

<и & <и

с ; о о с я

Длина волны Х, мм, при частоте 2,5 МГц

Ч о ч

о D. О с я

&

Плотность

г/см-

Характеристический импеданс для волны рс 10- ,

Г/(СМ2 . с)

о о. о с а

&

с о о с я

Бериллий

Вольфрам

Вода

Воздух

Глицерин

Дюралюминий

Кварцевое стекло

Магний

Масло трансформаторное Медь

Плексиглас

Полистирол

Сталь

Титан

Шлаковые (спекшийся флюс АН-348)

Фторопла);;т

Эпоксидная Дая

включения сварочный

смола твер-

12,5 5,46 1,49 0,53 1,923 6,26 5,57 5,79 1,425 4,7 2,67 2,35 5,85 6,0 6,0

1,35 2,5

8,7 2,87

3,08

3,515

2.26

1,121

1,12

3,26 3,5

2,17

0,59

0,13

0,78

2,22

2,31

0,57

1.89

1,06

0,94

2,36

0,54 1,0

3,48 1.15

1,23 1,4

0,91

0,45

0,45

1,85 19,1

1,0 0,0013 1.261 2,7 2,6 1,74 0,9 8,9 1,18 1,06 7,8 4,5 3,3

2,3 10,4 0,149 0,00004 0,242 1.7 1,45 1,01 0,128 4,18 0,32 0,25 4,55 2,7 1,98

0,3 0,3

1,33 5,5

0,83 0,91 0,58

2,05

0,132

0,119

2,52

1,58

0.132

Иногда коэффициент затухания выражают в отрицательных дБ/м, обозначая через б*; б* = 8,686 б.

При измерении Ь* для поперечной волны по схеме, приведенной на рис. 2,

.(Л/1 Л/ 1-6),

0,17 Нп/м при

г должно быть более 50 мм. Для низколегированных сталей bt f = 2,5 мГц.

Коэффициент затухания складывается нз коэффициентов поглощения и рассеяния. В металлах величина б в основном определяется рассеянием на кристаллах и зависит от соотношения D/k, где D - средняя величина зерна (рис. 3). В сварных соединениях значение б, как правило, максимально в переходной зоне (зоне термического влияния) и возрастает с увеличением /.

Децибелы

6д 59 5S т 3S JS ° IS IS

57 58 55 5153 37 36 353133 15

П 16 Mrr

52 51 50

32 31 30 10

Н 13 П 7/

19 4S11 2S 28 27

3 8 7

16 15 11 26 25 21 5

43211 11 12 13 41 15 iiB 1718 19 50 51 52 53 51 Ь5SB575SS3 60 I 22 22 71 21 22 23 21 25 26 27 28 2Э 30 31 32 33 31 3536 3 7 38 39 10 Л 2 3 it i 5 7 8 9 и !2 13 Н 16 17 IS 1Й Ш

13 2 1

I I I и fMIlllpHI IIII пи llf

liliilliii III

0,01

0,001

0,2 0,02 0002

0.1 0,01 0.001

0,5 0.6 0,06 0.036

0,7 0,8 0,9 1 0,08 Q.008

2.0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8.0 S,0 70 Ж

20 10 eo 80 100 Ж

200 400 600 800 WOQI

Рис, 1. Ьомограмма перевода децибел в относительные величины

При падении волны нормально на границу двух сред отраженная и прошедшая волны будут того же типа, что и падающая; коэффициенты отражения R и прохождения D по энергии равны (табл. 2):

PiCi-pjCY. 5 iPi£iM2 y.

Ci -f P2C2 / *

plCi -f- P2C2

При падении плоской ультразвуковой волны под углом Р на границу раздела двух твердых сред в общем случае возникают одновременно две отраженные {сц ct-ij и две преломленные (ci, ct волны, углы отражения Рь Р< и преломления а/, а/ которых связаны с углом р соотноншнием Снеллиуса (рис. 4, а)

sin fj sin Р/ sin sin щ sin at

П(П) n /2 2

Если одна из сред является жидкостью или газом, то поперечные волны в ней отсутствуют.

Значения углов Р падения волны, при которых исчезают волны тех или иных типов, называют критическими

% й i 1 Дирфузия i I

II 1111 1

i =0

Рис. 2. Схема расположения искателей при измерении коэффициента затухания поперечных волн:

и - излучаюо;ий искатель; П - приемный искатель

Рис. 3. Зависимость затухания ультразвука от среднего размера D кристаллов поликрксталлических тел и основные причины, обусловливающие затухание

(Ркр) (рис. 4, б и г). Если сц < ci, то при р = Ppj (первый критический угол) во второй среде продольная волна превращается в неоднородную (головную) волну (а; == 90°); при Р = ркрз (второй критический угол) преломленная поперечная волна превращается в неоднородную ( ( = 90°):

Ркр1 = arcsin cix/ci; ркрг = arcsin с/са. (4)

Для границы плексиглас - сталь Ркр 27 , Ркр2 ~ 55°.

2. Значения R для продольных волн

Максимум интенсивности головной волны при Р Ркр1 соответствует лучу, составляющему угол -9° с поверхностью. Головная волна при распространении рассеивается в виде поперечной (рис. 4, б).

При наклонном падении волны коэффициенты и D зависят также от угла Р [6]. В случае падения поперечной волны при Р= Ркрз отраженная продольная волна трансформируется в неоднородную (Р; 90°), называемую волной скольжения; Ркрз = arcsin cj/c/i.

Ри .. 4. Схемы отражения и преломления продольной волны на границе двух твердых сред (сд < ct)

Для стали Ркрз = 33°. Волна скольжения распространяется и рассеивается в первой среде так же, как головная во второй.

Если две среды разделены плоскопараллельным слоем, то коэффициенты отражения и прохождения зависят также от соотношения толщины d слоя и длины волны % в нем [3]. При / == 2,5 МГц трещина в стали, заполненная водой или минеральным маслом, будет отражать до 90% энергии падающих на нее продольных волн, если раскрытие трещины d> 0,01 мм.

Амплитуда волны, отраженной от границы раздела двух сред в направлении к излучателю, зависит от угла падения волны на границу и от соотношения неровностей отражающей поверхности к длине падающей волны (рис. 5). Большинство дефектов в сварных соединениях вызывают диффузное отражение распространяющихся в металле ультразвуковых волн, применяемых при дефектоскопии.

Нормированную функцию Фд (0), описывающую поле ультразвуковой волны, отражаемой дефектом в направлении к излучателю, называют индикатрисой обратного рассеяния. Индикатриса рассеяния зависит от размеров Ь, I, формы и ориентации дефекта, длины волны Л и шероховатости отражающей поверхности. Отражатели (дефекты), для которых Фд (Э) = 1, образуют группу ненаправленных отражателей; к ним относятся отражатели сферической и цилиндрической

формы, а также плоские отражатели, размеры которых близки к длине волны {Ь, I < Я).

Если отражатель в твердом теле образует двугранный угол (например, угол листа в сварном соединении), грани которого существенно больше а, то вследствие трансформации падающей волны на гранях индикатриса рассеяния может иметь ряд лепестков.

Оптимальным по выявляемости отражателем является дисковый с зеркальной поверхностью, ориентированной нормально к акустической оси ультразвукового

Рис. 5. Схемы отражения: зеркального (а) и диффузного (б):

/ - схемы распространения УЗК; - распределение 30 времени t ультразвуковых импульсов на преобразователе

пучка. В практике контроля отражающие свойства реального дефекта сопоставь ляют с отражающими свойствами дискового отражателя. Площадь дискового ot ражателя, нормального к акустической оси ультразвукового пучка, расположенного на той же глубине, что и выявленный дефект, н дающий эхо-сигнал такой же амплитуды, что и дефект, называют эквивалентной площадью дефекта (5э, мм2).

Эквивалентную площадь дефекта измеряют путем сопоставления максимальной амплитуды эхо-сигнала от дефекта с максимальной амплитудой эхо-сигнала от плоскодонных отверстий в контрольном образце, имитирующих дисковые отражатели различной площади, или рассчитывают, используя АРД- или SKH-диа-граммы и стандартные образцы № 3 и № 2 (2А) соответственно [1, 3, 14]. Допускается вместо плоскодонных отверстий использовать угловые, сегментные и другие отражатели U. 3].

ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ УПРУГИХ ВОЛН

При неразрушающем контроле для возбуждения и регистрации ультразвуковых волн используют пьезоэлектрические преобразователи в виде пластин из кварца, цирконата титаната свинца (ЦТС), титаната бария и др.

Преобразователь размещают в прямом искателе, возбуждающем в изделии продольную волну перпендикулярно к поверхности, или в наклонном искател-(призматическом), возбуждающем в зависимости от угла призмы Р продольную, поперечную или головную волну под углом к поверхности или поверхностную волну.

Призму изготовляют из материала с малой скоростью и большим затуханием ультразвуковых колебаний (плексиглас, капролон, фторопласт, полистирол), что способствует гашению отраженной в призму волны.

Углы призм из плексигласа составляют: Р = 4ч-9° при возбуждении (приеме) в сталях продольной волны; Р я: 27* - головной волны; Р 58 - поверхностной волны; 29° < Р < 55° - поперечной волны.

Искатели включают по совмещенной или по раздельной, или по раздельно-совмещенной схемам (рис. 6) [3]. Последняя реализует преимущества первых двух схем [3J.

Рис. 6. Блок-схемы дефектоскопов, работающих по эхо-методу с включением искателей по схемам;

а - раздельной; б - совмещенной; в - раздельно-совмещенной; F генератор высокочастотных электрических импульсов; Пр - приемный тракт; ГР - генератор развертки; Э - индикатор (электронно-лучевая трубка); / 2 - дефекты

Два наклонных искателя, включенных по раздельной схеме и объединенных в одном корпусе, называют раздельно-совмещенным искателем (рис. 7) [14]. Для предотвращения передачи зондирующего импульса от излучающего преобразователя к приемному в таком искателе устанавливают экран. Искатели с углом Р = А~9° и р яа 29° часто выполняют раздельно-совмещенными (рис. 7).

Рис. 7. Искатели:

а - прямой; б - наклонный; в раздельно-совмещенный для возбуждения и приема продольных волн; е - то же, головных волн: J - пьезоэлектрический преобразователь; 2 - демпфер; 3 корпус; 4 - протектор; 5 - призма; 6 - экран

Классификация искателей и их основные характеристики определены ОСТ 25391-73 [101.

Акустический контакт искателя с изделием обеспечивают заполнением контактирующей средой пространства между плоскостью искателя и поверхностью изделия (контактной поверхностью). В зависимости от толщины слоя контактирующей среды различают контактный, щелевой и иммерсионный способы акустического контакта [3]; При иммерсионном, в отличие от контактного и щелевого способов, толщина контактирующего слоя превышает половину длины волнового пакета в нем.

Вблизи излучателя, на участке длиной (ближняя зона), волна распространяется без расхождения, а амплитуда поля как вдоль оси пучка, так и по его сечению претерпевает осцилляции. При этом 80% энергии сосредоточено в пределах цилиндра, ограниченного контуром преобразователя.

В дальней зоне, расположенной за ближней, поле приобретает форму усеченного конуса с углом фр:

rQd/X=a-f/c; (5\

фр а arcsin 0,6\к/а = arcsin 0,61с/с/. (6)

Прямую, соединяющую в дальней зоне точки поля с максимальной амплиту-дой, и продолжение ее в ближней зоне называют акустической осью искателя. Точка пересечения акустической оси с рабочей гранью искателя образует точку выхода луча.

Угловое распределение амплитуды поля в дальней зоне описывается нормированной диаграммой направленности Ф (ф). Угол ф отсчитывают от акустической оси, а за единицу принимают амплитуду поля на ней:

ф (ф) =

2У] (а sin ф

2л а-г- S

2J, (х)

Рис. 8. Схема расчета поля наклонного искателя:

у - призма с ловушкой; 2 - пьезоэлемеит;. 3 - мнимый излучатель; 4 - акустическая ось; п - стрела искателя; -средний путь ультразвука в призме; а - угол наклона акустической оси; О - точка выхода луча

где Jj - символ цилиндрической функции Бесселя первого порядка.

Графическое представление функции (7), по которому может быть рассчитана диаграмма направленности для заданного соотношения а/к, дано в [3, И]. Центральная часть диаграммы в пределах углов ф, соответствующих О <: Ф (ф) < 1, образует основной лепесток, в котором сосредоточено ~80% излучаемой энергии.

Диаграмма направленности наклонного искателя будет задана, если даны диаграмма Ф (а) в плоскости падения луча или Ф (ф) и угол наклона акустической оси (Хо (рис. 8), а также диаграмма Фр (ф) в плоскости, нормальной к плоскости падения луча.

Для поперечной волны диаграмма Ф (ф) сужается с увеличением произведения с/ до 20 мм-МГц и cii, а также с уменьшением Р; она может быть рассчитана на ЭВМ по формулам работы [5] или определена экспериментально по методике, описанной в работе [3]; основной лепесток диаграммы Ф (ф) аппроксимируется выражением Ф (ф) cos (лф/5фо), где фо - половина угла раскрытия основного лепестка на уровне 0,8; определяется по графикам работы [3] или экспериментально по стандартному образцу № 2 (или 2А) [3].

Диаграмма Фр (ф) не зависит от угла Р и может быть рассчитана по выражению (7).

В практике де()ектоскопии для приближенного расчета поля нак. онных искателей действительный преобразователь радиусом а, расположенный в материале призмы на расстоянии от границы ее с металлом, заменяют мнимым преобразова-