Акустические методы контроля качества продукции (стр. 2 из 4)
φp≈arcsin0,61λ/a=0,61C/(af)=1,22λ/(2a).
Для малых углов sinφp≈φp. Как видно из выражения, направленность УЗ-поля тем выше (угол φp меньше), чем больше произведение аf.
Рисунок 4. Структура ультразвукового поля излучателя: а - акустическое поле; б – изменение интенсивности вдоль луча; в – диаграмма направленности
Направленность УЗ-поля удобно представлять в виде графика в полярных координатах, называемого диаграммой направленности (рис. 4, в). Диаграмма характеризует угловую зависимость Ф (φ) амплитуды поля в дальней зоне. Полярный угол φ отсчитывают от полярной оси, совпадающей с направлением излучения максимальной амплитуды.
Диаграмму направленности прямого преобразователя выражают через цилиндрическую функцию Бесселя (первого рода и первого порядка):
Анализ этого выражения показывает, что с увеличением аλ илиaf направленность поля возрастает. При аλ>0,6 в диаграмме, кроме основного, возникают боковые лепестки. Однако в них обычно сосредоточена малая часть (до 20 %) излучаемой энергии.
Ближняя и дальняя зоны. Приведенная выше формула показывает направленность УЗ-пучка в так называемой дальней зоне или зоне Фраунгофера. В ближней зоне, называемой зоной Френеля, амплитуда поля осциллирует (изменяется) как вдоль оси (рис. 4,б), так и по сечению пучка, а УЗ-волна при этом распространяется почти без расхождения.
Протяженность ближней зоны r0 для цилиндрического излучателя
r0=a2/λ=a2f/C
Из формулы видно, что увеличение диаметра излучателя, сужая направленность пучка, увеличивает ближнюю зону преобразователя.
Отражение от несплошностей. Это свойство УЗ-волн служит основой для их использования в эхо-импульсном методе дефектоскопии материалов. При падении волны на поверхность раздела двух сред в общем случае часть энергии проходит во вторую среду, а часть отражается и первую. Если УЗ-волна перпендикулярна к границе двух сред, то проходящая и отраженная волны будут такого же типа, что и падающая. Коэффициент отражения R как отношение интенсивностей отраженной и падающей волн зависит от соотношения удельных акустических сопротивлений Z1=ρ1C1 и Z2=ρ2C2 первой и второй сред:
Из формулы видно, что R не зависит от направления УЗК через границу раздела сред Z1 и Z2.
Коэффициент прохождения волны D=1—R. Чем больше разница в акустических сопротивлениях, тем больше интенсивность отраженной волны.
Раскрытие несплошности также влияет на отражение УЗ-волн. Однако заполненные воздухом трещины раскрытием Δг= 10-4—10-5 мм отражают около 90 % падающей энергии УЗК. Можно считать, что пределом выявляемости трещин служит несплошности раскрытием Δг> 10-5λ.
Если размеры дефектов малы, то УЗ-волны огибают небольшую несплошность без существенных отражений.
Свойство отражения УЗ-волн служит основой для выявления несплошностей в металлах, поскольку акустические свойства таких дефектов, как поры, шлаки, непро-вары, существенно отличаются от свойств основного металла. Коэффициент отражения от трещин, несплавлений и пор близок к единице, если величина их раскрытия более 10-4 мм, а поперечный размер соизмерим с длиной волны. Для шлаков R=0,35—0,65 в зависимости от марки флюса.
Стандартная УЗ-аппаратура позволяет уверенно выявлять несплошности площадью S≥1 мм2. При увеличении частоты УЗК можно выявлять несплошности и с меньшей площадью, но при этом значительно повышается затухание УЗК.
Затухание. Коэффициент затухания δ в приведенных выше формулах возрастает с увеличением частоты не линейно, а в повышенной степени. Причем коэффициент затухания различен для различных материалов и складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния δ=δп+δр.
Поглощенная звуковая энергия переходит в теплоту. Рассеянная энергия остается по форме звуковой, но уходит из направленного пучка, отражаясь от неоднородной среды. В однородных средах (пластмасса, стекло) затухание определяется главным образом поглощением ультразвука: δп>δр. Причем δп пропорционально либоf (стекло), либо f2 (пластмассы).
В металлах рассеяние преобладает над поглощением δр>>δп, причем δп пропорционально f, а δр пропорционально f3 или f4. Коэффициент от соотношения средней величины зерен D и длины λ УЗ-волны. Увеличение размера зерен приводит к росту затухания УЗК, при этом δР=D3f4.
Для того чтобы рассеяние УЗК на зернах не искажало результаты дефектоскопии, практически необходимо иметь λ>(10...100)D. Если это условие выполняется по верхнемy пределу (λ≥100D), то можно обычно контролировать металл на глубину вплоть до 8— 10 м и даже более.
При распространении УЗ-волн в металлах возможна реверберация — постепенное затухание колебании, обусловленное повторными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от поверхностен, ограничивающих контролируемое изделие) и структурной (из-за многократного отражения и рассеяния колебаний границами зерен металла).
Рассеяние УЗК значительно зависит от анизотропии кристаллов. При этом скорость по одной из осей кристалла или зерна существенно отличается от скорости вдоль его другой оси. У алюминиевых сплавов и у сталей упругая межзерениая анизотропия кристаллов обычно мала. У нержавеющих (аустенитных) сталей и чугуна явления межзеренной анизотропии резко выражены, что приводит к рассеянию УЗК и плохой прозвучиваемости этих материалов.
Зависимость коэффициента затухания от величины зерна используют для измерения размеров зерна. При этом принимают диапазон волн примерно в области λ=(4 - 10)D.
Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м). Затухание 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1 м амплитуда волны уменьшается в е раз (е = 2,718 — основание натуральных логарифмов, или число Непера). Эти единицы связаны соотношением 1 Нп/м = 8,68 дБ/м.
В практике УЗ-дефектоскопии коэффициент затухания часто измеряют в Нп/см или, что то же самое, в см-1.
Вследствие значительной зависимости коэффициента затухания ультразвука от величины зерна металла этот коэффициент имеет весьма большие колебания в тех изделиях, которые склонны к образованию разнозернистой структуры, например в крупногабаритных поковках из аустенитной стали.
С ростом частоты коэффициент затухания увеличивается, поэтому крупнозернистые металлы прозвучивают обычно на более низких частотах 0,5—1,8 МГц.
Трансформация УЗК.
Рассмотренные выше процессы отражения УЗ-волн относились к нормальному их падению на границу раздела сред. При контроле сварных швов применяют, как правило, наклонные преобразователи с вводом УЗК под некоторым углом к вертикали. В общем случае при падении продольной волны наклонно под углом β к границе двух твердых сред происходит трансформация (расщепление) этой волны (рис. 5, а). Возникают две преломленные волны (продольная Cl' и поперечная Ct') и две отраженные Clи Cl. Углы преломления и отражения зависят от скоростей соответствующих волн в данных средах. Эту зависимость называют законом Снеллиуса. Записанный только для преломления волн этот закон имеет вид
sinβ/Cl= sinαl/Cl'= sinαt/Ct'.
При увеличении угла падения β, который соответствует углу плексигласовой призмы в наклонных преобразователях, углы ввода УЗК в металл αl и αt также меняются и вся диаграмма как бы поворачивается против часовой стрелки вокруг точки 0 (рис. 5, б, в). При этом сначала возможно исчезновение в прозвучиваемом металле луча Cl', а потом — луча Ct'. Углы β соответствующие исчезновению продольной, а затем поперечной волн в металле, называют соответственно первым и вторым критическими углами. Значению βкр1 отвечает угол αl = 90°, а значению βкр2 угол αt=90°.
 |
Рисунок 5. Отражение и преломление продольной волны на границе разделов двух твердых сред
При УЗ-дефектоскопии сварных швов во многих случаях целесообразно вводить в металл только поперечную волну. Поэтому угол призмы наклонных преобразователи выбирают обычно в интервале между двумя критическими значениями:
(βкр1+3°)<β<(βкр2-3°).
Поправку на 2—5° вводят для большей помехозащищенности контроля: в первом случае от продольной, а во втором — от поверхностной волны.
Акустический тракт.
Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех так называемых трактах УЗ-дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом.
Электроакустический тракт — это участок схемы дефектоскопа, который состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора на входе приемника.
В электроакустическом тракте электрические колебания преобразуются в ультразвуковые и обратно, поэтому он определяет резонансную частоту УЗК, длительность зондирующего импульса и коэффициенты преобразования электрической энергии в акустическую.