Файл: Конспект лекций Бехер С. А., Кочетков А. С. Новосибирск, 2013 1 Содержание 1 Основные понятия акустики 3.docx

12

Расхождение волны от источника приводит к уменьшению амплитуды эхо- импульсов, отраженных от дефектов. При этом, чем дальше от преобразователя расположен дефект, тем меньше регистрируемая дефектоскопом амплитуда эхо-

импульса.

2.2 Затухание

Затуханием называют процесс уменьшения амплитуды волны, связанный с поглощением и рассеянием в материале объекта контроля. Коэффициент затухания определяется свойствами материала.

Поглощение - это прямой переход энергии волны в тепловую энергию (нагрев объекта контроля) за счет внутреннего трения, теплопроводности среды и так далее. Поглощение ультразвука преобладает над рассеянием в газах, жидкостях и однородных твердых телах. В процессе контроля основным механизмом затухания в контактной жидкости и в материале призмы, протектора является поглощение. Поглощение возрастает при увеличении вязкости жидкости. Если наклон поверхности объекта позволяет для обеспечения акустического контакта рекомендуется использовать менее вязкие жидкости.



Рис. 2.3 - Составляющие затухания

Рассеяние акустических волн возникает на структурных неоднородностях среды. Реальные стали и сплавы имеют зернистую структуру, образующуюся на этапе кристаллизации (затвердевания). Размер зерна зависит от многих факторов: скорости охлаждения, химического состава, термообработки, механической обработки и так далее.

13

При распространении акустической волны в структурно-неоднородной среде (Рис. 2.4) на границах зерен возникают хаотично рассеянные волны, которые уносят часть энергии основной волны. Амплитуда волны при этом уменьшается.



Рис. 2.4 - Иллюстрация рассеяния акустических волн

2.3 Взаимодействие волны с границей раздела сред

Падение волны на границу раздела сред сопровождается тремя основными процессами (рис. 2.5): отражением, преломлением и трансформацией. При отражении от границы возникает волна того же типа, распространяющаяся обратно в первую среду. Преломление приводит к изменению направления распространения волны во второй среде. Трансформация вызывает появления в первой и второй средах волн другого типа, отличного от типа падающей волны.

---

14

---

Рис. 2.5 - Схемы падения продольной (а) и поперечной (б) волны на границу раздела сред

На рис. 2.5, а показано падение продольной волны на границу раздела сред, при котором возникают:

I о - падающая продольная волна;

II - отраженная продольная волна;

12 - преломленная продольная волна;

? ₁ - трансформированная отраженная поперечная волна;

?₂ - трансформированная прошедшая поперечная волна.

На рис. 2.5, б показано падение поперечной волны на границу раздела сред, при котором возникают:

?₀ - падающая поперечная волна;

? ₁ -отраженная поперечная волна;

С - преломленная поперечная волна;

1₁ - трансформированная отраженная продольная волна;

12 - трансформированная прошедшая продольная волна.

Углы падения, преломления и отражения связаны друг с другом законом Снеллиуса. Следствиями этого закона являются следующие утверждения:

- угол падения равен углу отражения;

- чем больше скорость волны, тем больше угол к нормали;

- продольные волны отражаются и преломляются под большими углами к нормали,

15

чем поперечные.

2.4 Связь процессов отражения, преломления и трансформации с углом падения продольной волны

Волновые процессы на границе раздела сред определяют закономерности прохождения волн из преобразователя в объект контроля и обратно. На рис. 2.6 схематично показан наклонный преобразователь, установленный на объект контроля. Под действием электрического сигнала, вырабатываемого дефектоскопом, пьезопластина совершает колебания, в процессе которых изменяется ее толщина. В призме преобразователя возбуждается акустическая волна продольного типа, падающая на границу раздела с объектом контроля под некоторым углом к нормали.



Рис. 2.6 - Схема прохождения волны из призмы преобразователя в объект контроля

В зависимости от угла падения в объект контроля проникают только продольные волны, продольные и поперечные, только поперечные или поверхностные волны.

При падении продольной волны на границу раздела сред по нормали (рис. 2.7, а) во = 0° поперечные волны не возникают, а отраженные и прошедшие волны так же распространяются по нормали.

Увеличение угла падения продольной волны (рис. 2.7, б) в0 > 0 приводит к появлению прошедших и отраженных поперечных волн. В каждой среде распространяются две волны, причем углы распространения продольных волн больше

16

углов распространения поперечных.

Первым критическим углом (рис. 2.7, в) называют минимальный угол падения продольной волны, при котором продольная волна во вторую среду не проникает. При углах падения близких к первому критическому по границе распространяется неоднородная головная-продольная волна, которая быстро затухает, переизлучая боковые поперечные волны. Для границы оргстекло-сталь первый критический угол равен в_1кр = 27°.

При падении продольной волны под углом к нормали больше первого, но меньше второго критического угла, во вторую среду проникает только поперечная волна (рис. 2.7, г). Это дает возможность проводить контроль объекта только поперечными волнами.

Вторым критическим углом (рис. 2.7, д) называют минимальный угол падения продольной волны при котором поперечная волна во вторую среду не проникает. При углах падения близких ко второму критическому по границе распространяется неоднородная головная-поперечная волна, которая быстро затухает. Для границы оргстекло-сталь второй критический угол равен [>2_кр = 55°. При углах больше второго критического (рис. 2.7,е) объемные волны (продольные и поперечные) во вторую среду не проникают.

17



^а)



б)



в) г)



д)

^е)

Рис. 2.7 - Схема падения продольной волны на границу под углом во иллюстрирует

первый и второй критические углы

18

Поверхностная волна возникает на границе второй среды при падении на нее

продольной волны под углом во

59° (рис. 2.8).

---

Рис. 2.8 - Схема падения продольной волны на границу под углом в ₀, иллюстрирует возбуждение поверхностной волны

Рассмотрим падение поперечной волны на границу раздела сред, например, стали с воздухом. При углах падения меньше третьего критического в₀ < взкр (рис. 2.9, а) от границы отражаются две волны: продольная и поперечная.

Третьи критическим углом (рис. 2.9,б) называют угол падения поперечной волны при котором исчезает отраженная продольная волна. При угла близких к третьему критическому по границе распространяется неоднородная головная-продольная волна (аналогично первому критическому углу), которая быстро затухает, переизлучая боковые поперечные волны. Для стали третий критический угол равен в_3кр = 34°.

При углах больше третьего критического угла в₀ > взкр от границы отражается только поперечная волна (рис. 2.9, в).

В рассмотренных выше примерах отражения, преломления и трансформации приведен только один центральный луч. На практике на границу раздела сред падает пучок лучей. Для волн с плоским фронтом все лучи будут взаимодействовать с границей одинаково, поэтому описанные выше процессы остаются справедливыми.

19



Рис. 2.9 - Схема падение поперечной волны на границу под углом во иллюстрирует

третий критический угол

2.5 Диффузное и зеркальное отражение и преломление

Шероховатость и неровность границы раздела сред может искажать общую картину прохождения и отражения волн.

Поверхность считается зеркальной (рис. 2.10, а), если ее шероховатость существенно меньше длины волны:

Л « Иг, где X - длина волны, & - шероховатость поверхности.

В этом случае волна практически не взаимодействует с неровностями среды. Падающий параллельный пучок лучей отражается и преломляется в виде параллельных пучков (рис. 2.10, а).

Поверхность является диффузной, если ее шероховатость сравнима с длиной волны:

Л « Иг.

Отраженное и прошедшее излучение является диффузным, параллельный пучок хаотично рассеивается на неровностях среды. происходит рассеяние волны во всех направлениях.

20

---

Рис. 2.10 - Схематичное изображение зеркального (а) и диффузного (б) отражения и

преломления

Оптимальной шероховатостью поверхности для контроля прямым преобразователем является Яг = 10. .20 мкм, наклонным - Кг = 20. .40 мкм.

21

3 ПРИЕМ И ИЗЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

Ультразвуковые дефектоскопы регистрируют, измеряют, обрабатывают и сохраняют электрические сигналы. В объекте контроля распространяются, отражаются от дефектов и границ ультразвуковые волны. Для организации контроля необходим элемент (Рис. 3.1), преобразующий электрические сигналы дефектоскопа в акустические колебания объекта контроля и обратно.

В настоящее время наиболее эффективные и надежные преобразователи создают на основе материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ



АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ

Рис. 3.1 - Преобразование дефектоскопа и объекта контроля

3.1 Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрическим эффектом прямым и обратным обладают материалы из класса диэлектриков, которые называют пьезоэлектриками.

Прямой пьезоэлектрический эффект - это преобразование акустических колебаний в электрический сигнал используется для регистрация акустических волн.

Обратный пьезоэлектрический эффект - это преобразование электрического сигнала в акустические колебания используется для излучения акустических волн.

Пьезоэлектрическим эффектом прямым и обратным обладают материалы из класса диэлектриков - пьезоэлектрики.

22

3.2 Конструкция пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП)

Наибольшее распространение получили ПЭП трех конструкций:

- прямой совмещенный (рис. 3.2, а);

- наклонный совмещенный (рис. 3.2, б);

- прямой раздельно-совмещенный (рис. 3.2, в)

Общими элементами для всех ПЭП являются:

1 - электрические выводы соединяют грани пьезопластины с разъемом (2) на корпусе (3);

2 - разъем предназначен для подключения ПЭП к дефектоскопу с помощью коаксиального кабеля;

3 - корпус обеспечивает целостность конструкции и защиту ПЭП;

4 - демпфер, изготовленный из материала поглощающего ультразвуковые колебания, приклеивается к пьезопластине и гасит ее свободные колебания;



Рис. 3.2 - Конструкция ПЭП: а - прямой совмещенный, б - наклонный совмещенный

---