Экзамен узк. Учебное пособие УЗТ. Арц нк ультразвуковая толщинометрия учебные материалы
 Скачать 2.09 Mb.
|
1 АРЦ НК УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ Учебные материалы 2 Содержание Предисловие ................................................................................................................................. 3 Глава 1. Акустические волны и их распространение .............................................................. 5 1.1. Понятие об акустических колебаниях и волнах ............................................................ 5 1.2. Акустические свойства сред ............................................................................................ 8 1.3. Отражение и преломление акустических волн ............................................................ 11 1.4. Другие типы волн ........................................................................................................... 17 Глава 2. Преобразователи ультразвуковой толщинометрии ................................................ 18 2.1. Физические эффекты для получения акустических колебаний ................................. 18 2.2. Основные уравнения прямого и обратного пьезоэффекта ......................................... 18 2.2. Акустическое поле преобразователя ............................................................................ 18 2.3. Преобразователи для ультразвуковой толщинометрии .............................................. 21 Глава 3. Методы ультразвуковой толщинометрии ................................................................ 24 3.1. Общие сведения .............................................................................................................. 24 3.2. Аппаратурная реализация УЗ толщинометрии ........................................................... 25 Глава 4. Методология ультразвуковой толщинометрии ....................................................... 27 4.1. Условия применимости УЗ толщинометрии ............................................................... 27 4.2. Средства ультразвуковой толщинометрии .................................................................. 29 4.3. Подготовка к измерению толщины............................................................................... 30 4.4. Проведение измерений ................................................................................................... 30 4.5. Некоторые сведения об ошибках измерений ............................................................... 32 Список литературы .................................................................................................................... 34 Приложение 1 - Значения физических величин ..................................................................... 35 Приложение 2 - РД 34.17.418 (И 23 СД-80) ............................................................................ 36 Приложение 3 - РД РОСЭК-006-97 ......................................................................................... 38 Приложение 4 - ГОСТ 2789-73 ................................................................................................ 53 Приложение 5 - ГОСТ Р ИСО 10543-99 .................................................................................. 61 Приложение 6 - Боевой устав по УТ ....................................................................................... 65 Приложение 7 - Таблица децибелов ........................................................................................ 71 3 Предисловие Ультразвуковая толщинометрия – основной метод, применяемый с целью оцен- ки фактического значения толщины стенок элементов конструкций способом однократ- ных измерений в местах, недоступных для измерения толщины механическим измери- тельным инструментом. Наиболее часто используемые приборы - ультразвуковые толщиномеры, которые измеряют время прохождения ультразвукового импульса от излучателя до противопо- ложной поверхности объекта контроля и обратно к преобразователю. Для проведения та- ких измерений доступ к противоположной поверхности объекта контроля не требуется. Благодаря этому, если противоположная поверхность объекта контроля является трудно- доступной или полностью недоступной, необходимость разрезать объект контроля (что требуется при использовании микрометра или штангенциркуля) отсутствует. С помощью ультразвуковых толщиномеров может быть измерена толщина изделий из большинства конструкционных материалов, таких как металлы, пластики, керамика, композиты, эпок- сидная смола и стекло, а также толщина слоя жидкости или биологических образцов. Так как ультразвук плохо распространяется в воздухе, между преобразователем и поверхностью объекта контроля наносится небольшое количество контактной жидкости. Обычно в роли контактной жидкости выступает глицерин, пропиленгликоль, вода или масло. Ультразвуковой импульс, излучаемый преобразователем, проникает в объект кон- троля, проходит до противоположной поверхности, отражается от нее и попадает обрат- но на преобразователь. Подобно эхолокатору, толщиномер точно измеряет временной интервал между отправкой зондирующего импульса и получением отраженного эхосиг- нала, составляющий обычно несколько микросекунд. Для проведения измерений может потребоваться настройка параметра, называемого сдвигом нуля, необходимая для ком- пенсации времени аппаратной задержки импульса в самом толщиномере и преобразова- теле. Полученный временной интервал толщиномер делит на два, получая время прохо- ждения ультразвука в одну сторону. Это значение умножается на скорость распростра- нения ультразвука в данном материале. Таким образом, рассчитывается толщина объекта контроля. Значение скорости ультразвука является существенной частью этих расчетов. Раз- личные материалы проводят ультразвуковые волны с различной скоростью. Кроме этого, в некоторых материалах, особенно в пластмассах, скорость ультразвука колеблется с из- менением температуры. Таким образом, настройка ультразвукового толщиномера на правильную скорость ультразвука в материале, из которого выполнен объект контроля, является очень важной. Для этого используются опорные образцы известной толщины. При любом измерении толщины выбор толщиномера и преобразователя зависит от материала, из которого выполнен объект контроля, диапазона измеряемой толщины и требуемой точности измерений. Кроме этого, необходимо учитывать форму объекта кон- троля, его температуру и другие специальные условия. Одной из самых важных областей применения ультразвукового контроля является измерение остаточной толщины стенок металлических труб, резервуаров или баллонов, подверженных коррозии с внутренней стороны. Многие современные ультразвуковые толщиномеры оснащены сложными систе- мами регистрации и передачи данных, обеспечивающими сопряжение толщиномеров с компьютерными базами данных. Тысячи показаний могут быть получены и сохранены под идентификационными номерами (идентификаторами) в полевых условиях или при проведении контроля работающего оборудования на промышленном предприятии и за- 4 гружены в компьютер для регистрации и статистического анализа. Некоторые портатив- ные толщиномеры также предусматривают отображение эхосигналов на дисплее. Эти эхосигналы могут быть использованы опытным оператором для проверки точности пока- заний в сложных случаях контроля, а также для установки оптимальных значений пара- метров работы толщиномера. В данном пособии рассмотрены вопросы, касающиеся физических основ метода, основы построения преобразователей для ультразвуковой толщинометрии, методы аку- стического контроля, применяемые для целей ультразвуковой толщинометрии и ее аппа- ратурная реализация, методология ультразвуковой толщинометрии 5 ГЛАВА 1. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ И ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЕ 1.1. Понятие об акустических колебаниях и волнах Акустическими волнами называют распространяющиеся в упругой среде механические колебания частичек среды. При движении волны частицы не перемещаются, а совершают колебания около своих положений равновесия. Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны Длина волны связана со скоростью распространения С и частотой f (или периодом Т) соотношением C C T T (1.1) где: - длина волны [м]; С –скорость распространения [м/с]; Т – период [с]; f – частота [Гц]. Например для воздуха: С= 330 м/с f= 20 Гц = 16,5 м; f= 20000 Гц = 1,65 см; f= 20000000 Гц = 0,165 мм; В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению распространения волны различают: продольные, поперечные, поверхностные и нормальные волны (волны в пластинах). В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения волны. Колебания могут распространяться в твердой, жидкой и газообразных средах. Если направление колебаний частиц среды перпендикулярно направлению распространения, то такие колебания называются поперечными (или сдвиговыми). Они могут распространяться только в среде, которая обладает упругостью формы. Продольные и поперечные волны могут распространяться в чистом виде только в неограниченной среде ( или /2) или в теле, размеры которого в направлениях, не совпадающих с направлением распространения волны, значительно превышают длину последней. Схематично продольные и поперечные волны представлены на рис. 1.1. Рис. 1.1. Распространение продольных и поперечных волн На свободной поверхности могут распространяться поверхностные волны (волны Рэлея). Направление колебаний частиц Направление колебаний частиц Направление распространения волны Направление распространения волны Продольная волна Поперечная волна 6 В поверхностной волне частицы одновременно совершают колебания в направлении распространения и перпендикулярно ему, описывая эллиптические или более сложные траектории. Амплитуда колебание по мере удаления от поверхности вглубь убывает по экспоненте, поэтому волна локализована в тонком поверхностном слое толщиной в одну – полторы длины волны и следует изгибам поверхности рис. 1.2. Рис. 1.2. Распространение поверхностных волн При распространении волны в плоских телах с постоянной толщиной (листах, тонких пластинках, проволоке) могут возникать нормальные волны или Волны Лэмба. При этом частицы совершают колебания по таким же траекториям, как в поверхностной волне, но на всю толщину листа, пластины оболочки. Обычно возникают и распространяются независимо две нормальные волны симметричная (волна сжатия или растяжения) и антисимметричная (волна изгиба) рис. 1.3. Рис. 1.3. Волны в пластинах а - симметричная, б - ассиметричная Скорости распространения продольной, поперечной и поверхностной волн определяется упругими свойствами материала (модулями упругости и сдвига, коэффициентами Пуассона) и его плотностью. [1] Скорость распространения нормальных волн в отличие от скорости распространения других типов волн зависит не только от свойств материала, но и от частоты звуковых колебаний и толщины изделия. С l С t С S ; С t 0,55 C l С S 0,93 С t Акустические волны различают также по форме фронта волны или волновой поверхности. Фронт волны это геометрическое место точек среды, в которых в рассматриваемый момент времени фаза волны имеет одно и то же значение. 7 Если в среде распространяется кратковременное возмущение (импульс), то фронтом волны называется граница между возмущенной и невозмущенной областями среды. Фронт или волновая поверхность непрерывно перемещается в среде и при этом деформируется. В неограниченной изотропной среде распространение упругих волн имеет пространственный характер, и, в зависимости от формы фронта, волны могут быть плоскими, сферическими и цилиндрическими рис 1.4. Плоские волны возбуждаются пластинкой, если ее поперечные размеры намного превосходят длину волны. Волновые поверхности плоской волны имеют вид параллельных плоскостей. Сферические волны возбуждаются точечным источником или колеблющимся шаровым телом, размеры которого малы. Волновые поверхности сферической волны имеют вид концентрических сфер. Цилиндрические волны возбуждаются цилиндрическим телом (стержень, цилиндр и т.д.) длина которого значительно его поперечных размеров. Волновые поверхности имеют вид концентрических цилиндров. Рис. 1.4. Плоские, сферические, цилиндрические волны На очень больших расстояниях сферические и цилиндрические волны переходят в плоские. В зависимости от частот различают следующие волны: Инфразвуковые f= до 16-20 Гц; Звуковые f= 16 – 20000 Гц; Ультразвуковые f=20 кГц – 1000 МГц; Гиперзвуковые f 1000 МГц. Для целей дефектоскопии используются волны различных диапазонов: Звуковой f=1-8 кГц; Ультразвуковой f= 20 кГц – 50 МГц; В настоящее время ведутся работы и удается получать частоты до 1000 МГц. Длина волны гиперзвуковых колебаний сравнима с длиной волны видимых световых волн. Это делает их похожими по своим свойствам со свойствами световых лучей, поэтому многие задачи рассматриваются с точки зрения геометрической акустики. Геометрическая акустика – упрощенная теория распространения звука, пренебрегающая дифракционными явлениями. 8 Геометрическая акустика основана на представлении о звуковых лучах, вдоль каждого из которых звуковая энергия распространяется не зависимо от соседних лучей. В однородной среде звуковые лучи – прямые линии. С математической точки зрения геометрическая акустика есть предельный случай волновой теории распространения звука при стремлении длины волны к 0 и в этом отношении аналогична геометрической оптике в теории распространения света. Коротковолновые УЗ - колебания распространяются в виде направленных лучей. Как и световые лучи, они могут отражаться, преломляться, фокусироваться, интерферировать, причем не только сами с собой, но и со светом, испытывать дифракцию и затухать по мере распространения. Длина волны гиперзвуковых волн может стать сравнимой с размерами атомов. В этом случае начинается проявляться квантовый характер такой волны и, по аналогии со световым потоком, такой поток звуковой энергии оказывается возможно рассматривать в виде потока частиц (фононов), которые взаимодействуют уже не с конечными объемами вещества или кристаллами, а уже с электронами атома. При этом возникают различные эффекты такого взаимодействия, которые позволяют изучать более широкий круг физических характеристик материалов. С другой стороны инфразвуковые волны обладают большими длинами, проходят на большие расстояния, что позволяет контролировать физические свойства больших массивов вещества (напр. в геологоразведке). Акустические волны ультразвукового диапазона обладают свойствами очень сильно отражаться от границы твердое тело – воздух. Расчеты показывают, что слои воздуха толщиной 10 -5 мм и более при f= 5МГц происходит 100% отражение посланной энергии, при толщине слоя 10 -5 мм отражение составляет 90%, а слой толщиной 10 -6 мм отражает 80% посланной энергии. Благодаря этому свойству УЗ - колебания эффективно отражаются от трещин, воздушных полостей и т.д., что позволяет их легко обнаружить. [3, 4] Все выше сказанное привело к широкому распространению акустических методов контроля качества материалов и изделий. 1.2. Акустические свойства сред Энергетические характеристики волн Независимо от типа волн, все они характеризуются важным параметром – звуко- вая энергия. Полная энергия звуковой волны складывается из кинетической энергии движения частиц среды и внутренней энергии. Плотность кинетической энергии равна 2 2 k V E (1.2) В бегущей волне плотность внутренней энергии равна плотности кинетической энергии, поэтому полная плотность энергии равна 2 k в E E E V (1.3) Измеряется в 3 3 ; см эрг м дж Тогда плотность потока энергии звуковой волны равна 2 W C E C V (1.4) 9 Измеряется в с см эрг с м дж 2 2 ; Среднее значение энергии за период называют интенсивностью или силой звука. Для плоской бегущей гармонической волны интенсивность равна 2 1 1 2 2 J W C V (1.5) Величина p C V (1.6) называется акустическим давлением звуковой волны и измеряется в 2 2 ; г дин см с см Для УЗ дефектоскопии большое значение имеет удельное волновое сопротивле- ние среды или импеданс, которое выражается как p z C V (1.7) Измеряется в 2 кг м с Коэффициент затухания Ослабление амплитуды плоской гармонической волны в результате взаимодейст- вия ее со средой происходит по закону x e , где х - путь в среде, а - коэффициент зату- хания. В дальнейшем термин «затухание» будем относить только к ослаблению, учиты- ваемому экспоненциальным множителем, в отличие от уменьшения амплитуды, связан- ного с расширением волнового фронта, например, в сферической волне. [10, 11] Величина, обратная коэффициенту затухания, показывает, на каком пути амплиту- да волны уменьшается в е раз, где е - число Непера, поэтому размерность коэффициента затухания м -1 В литературе иногда эту единицу записывают непер/м (Нп/м), однако ГОСТом такая единица не предусмотрена. Часто коэффициент затухания выражают чис- лом N отрицательных децибел, на которое уменьшается амплитуда волны на единичном участке пути 1 1 20lg 8,68 / x м N e дБ м , поэтому 1 1 1 / 8,686 / м Нп м дБ м Коэффициент затухания складывается из коэффициентов поглощения п и рас- сеяния р п р (1.8) При поглощении звуковая энергия переходит в тепловую, а при рассеянии энер- гия остается звуковой, но уходит из направленно распространяющейся волны. В газах и жидкостях, не засоренных инородными частицами, рассеяние отсутствует и затухание определяется поглощением. Коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. В связи с этим в качестве характеристики поглощения звука в жидко- стях и газах вводят величину 2 f Коэффициент поглощения в твердых телах пропорционален f (стекло, биологи- ческие ткани, металлы, некоторые пластмассы) или f 2 (резина, многие пластмассы). Для одной и той же среды поглощение поперечных волн при f=const меньше, чем продоль- ных. Это обусловлено тем, что поперечные колебания не связаны с изменением объема и потери на теплопроводность отсутствуют. 10 Рассеяние отсутствует в однородных аморфных твердых материалах типа стекла, пластмассы. Слабое рассеяние в них может возникать под влиянием внутренних напряжений, вызывающих изменение скорости звука и преломление (отклонение) упругих волн. В гетерогенных материалах (чугун, гранит, бетон) рассеяние весьма велико. Большое рассеяние наблюдают также в большинстве металлов даже при высокой степени их однородности. Металлы, применяемые на практике, имеют поликристаллическую структуру, они состоят из большого количества кристаллитов (зерен) - монокристаллов, не имеющих явно выраженной огранки. Чаще всего кристаллиты ориентированы случайным образом; при переходе ультразвука из одного кристаллита в другой скорость звука из-за анизотро- пии может измениться в большей или меньшей степени. В результате возникает частич- ное отражение, преломление ультразвука и трансформация типов волн, что определяет механизм рассеяния. Чем больше упругая анизотропия кристаллов, тем больше рассеяние. Анизотропию характеризуют параметром упругой анизотропии. В кубическом кристалле он представ- ляет собой меру относительного сопротивления кристаллов, двум типам сдвиговой де- формации. Велика анизотропия в меди, цинке, аустенитной (нержавеющей) стали. Мала упругая анизотропия в вольфраме, алюминии. Альфа-железо и углеродистую сталь отно- сят к промежуточным материалампо величине упругой анизотропии и рассеяния. Большое влияние на величину коэффициента рассеяния в средах оказывает соот- ношение среднего размера неоднородностей и, среднего расстояния между неоднородно- стями с длиной волны ультразвука. В металлах параметр среды, влияющий на рассеяние, - средний размер кристаллитов D. При D коэффициент р пропорционален f 4 (рэле- евское рассеяние) (рис. 1.5). Общее затухание определяют в этом случае формулой 4 3 Af Bf D (1.9) где А и В – постоянные; f - частота колебаний. Рис. 1.5. Схематическая зависимость коэффициента затухания от соотношения среднего диаметра зерна и длины волны Член Af обусловлен поглощением, он имеет превалирующее значение при малых f. В области 4 10 D коэффициент р пропорционален произведению 2 Df . В разно- зернистых металлах показатель степени при f меняется от 2 до 4. Максимальное затуха- ние наблюдается при D . В углеродистой стали зерна состоят из очень большого числа мелких пластинок железа и цемента (Fe 3 C). Размеры их значительно меньше среднего размера зерна D . С этим, по-видимому, связан тот факт, что в широком диапазоне частот в мелкозернистых 11 углеродистых сталях (вплоть до значений f=4...5 МГц) затухание определяется поглощением, т. е. пропорционально частоте. В сварных швахиз аустенитной стали происходит упорядочение ориентации кристаллов. 1.3. Отражение и преломление акустических волн В ультразвуковой дефектоскопии для контроля материалов и изделий используют- ся преобразователи, возбуждающие в объекте контроля волны различных типов в зави- симости от поставленной задачи. Акустическая волна проходя через границу раздела двух сред частично отражается, а частично проходит. Знание углов преломления и отра- жения в зависимости от угла ввода позволяет изготавливать преобразователи, возбуж- дающие в объекте контроля необходимую волну. Также важными характеристиками, определяющими количественно долю прой- денной и отраженной волны, являются коэффициенты отражения R и прохождения (про- зрачности) D. Граница двух полубесконечных сред Падающая на границу двух сред акустическая волна частично проходит через гра- ницу, а частично отражается от нее. При этом может происходить трансформация типов волн. В общем случае на границе двух твердых сред (рис. 1.6) возникают по две (про- дольная и поперечная) отраженных и преломленных волны. [6] Т Т L L D D R R t t l l ,C , C 1 l t 1 l ,C , C 1 l t 1 l ,C , C 1 t 1 ,C , C 2 2 t 2 Рис. 1.6. Отражение и преломление волн на границе двух твердых тел Направления отраженных и прошедших волн определяются из закона синусов: 1 2 2 1 1 sin sin sin sin sin t l l t l t l l t C C C C C (1.10) где 1 1 2 2 , , , l t l t C C C C - скорости распреостранения продольных и поперечных волн в верхней и нижней средах. Этот закон следует из равенства фазовых скоростей вдоль границы для всех волн. Угол отражения продольной волны будет равен углу падения (т.к. падает продольная волна и скорости падающей и отраженной продольных волн равны). Т.к. скорость распространения поперечной волны t C меньше ( 2 раза) чем l C , то поперечная волна отразится под углом t , меньшим, чем l Прошедшие продольные и поперечные волны также будут преломляться под раз- ными углами, причем t l . При увеличении угла падения углы и будут увеличи- 12 ваться и при некотором значении кр1 (первый критический угол) преломленные про- дольные волны будут распространяться по поверхности, не проникая вглубь среды, а преломленная поперечная волна будет уходить вглубь среды, что видно из рисунка 1.7, а. При дальнейшем увеличении угла до значения кр2 (второй критический угол) по поверхности пойдут поперечные (сдвиговые волны), как показано на рисунке 1.7, б. а б Рис. 1.7. Критические углы при падении волны на границу раздела двух сред: а - первый критический угол; б – второй критический угол Если построить график зависимости углов , , , l t l t от угла падения , то он бу- дет иметь вид, представленный на рисунке 1.8. 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 0 10 , град t t t t l l l l Рис. 1.8. Зависимость значений углов отражения и преломления от угла падения Такой график строится для конкретного материала и позволяет быстро определять значения углов распространения отраженных и преломленных волн в средах в зависимо- сти от При =0 расщепления падающей продольной волны на продольную и поперечную, отражение волны не происходит. Увеличение угла от 0 до 90 0 вызывает трансформа- цию падающей продольной волны, в результате чего в первой среде возникают отражен- ные, а во второй среде – преломленные продольные поперечные волны. При малых углах поперечные (сдвиговые) волны очень слабы, однако с увеличе- нием угла происходит перераспределение звуковой энергии, вследствие чего интенсив- ность поперечной волны увеличивается. Для оргстекла при <27 0 во второй среде нельзя получить поперечных, а при >57 0 – продольных волн. Эти углы соответствуют кр1 и кр2 (для оргстекла), при которых 13 происходит полное внутреннее отражение УЗК, падающих на поверхность раздела двух сред. Амплитуда прошедшей А пр и отраженной А отр волн характеризуются соответст- вующими коэффициентами прозрачности 0 пр A D А (1.11) и отражения 0 отр A R А (1.12) где А 0 - амплитуда падающей волны. Решая относительно R, получим коэффициент отражения по амплитуде 2 1 2 1 Z Z R Z Z (1.16) Снизу от границы в рассматриваемом случае 2 2 2 cos c Z , поэтому 2 2 1 1 / cos / cos / cos / cos c c R c c (1.17) В дальнейшем рассмотрим случаи, когда импеданс границы Z 2 характеризуется бо- лее сложными выражениями, однако формула (1.16) останется справедливой. Используя закон равенства импедансов сверху и снизу от границы (его можно получить из равенст- ва давлений при х=0), получим 1 + R = D. Отсюда 2 2 2Z D Z Z (1.18) Рассмотрим соотношение энергии падающей и преломленной волн. Интенсивность звука 2 2 I p pc . Для определения доли прошедшей и отраженной энергии можно вы- делить компоненту потока энергии, нормальную к границе. Эти компоненты для падаю- щей и преломленной волн соответственно равны: cos ; n I I 2 2 cos n I I . Отсюда коэффициент прозрачности по энергии 2 2 2 4ZZ D Z Z (1.19) Сопоставление со значением D по амплитуде давления показывает, что D равен произведению величин D при прохождении через границу в прямом и обратном направ- лениях. Это положение важно для дефектоскопии, поскольку при введении акустических в объект контроля через какую-либо промежуточную среду волна обычно проходит че- рез границу в двух направлениях; оно сохраняется для границ любых сред. Коэффициент отражения по интенсивности 2 R R и равен 2 2 1 2 1 Z Z R Z Z (1.20) С учетом этого легко проверить соблюдение закона сохранения энергии 1 R D (1.21) 14 Рассмотрим случай, когда скорость звука в нижней среде больше, чем в верхней. Мы знаем, что с увеличением угла волна в нижней среде быстро приближается к гра- нице и при 1 2 arcsin l l C C сольется с ней. Значение 1 кр называют критическим. Если 1 кр , то 1 2 sin sin 1 l l С C . Это вполне допустимо с точки зрения теории комплекс- ных чисел 2 1 2 cos 1 sin l l C jC C (1.22) В выражение для преломленной волны в этом случае войдет множитель x kC e . Он показывает, что эта волна, распространяясь вдоль оси у, затухает с увеличением расстоя- ния х от поверхности, причем тем быстрее, чем угол больше критического значения. Волна такого вида относится к типу неоднородных волн. Импеданс 2 Z будет мнимым 2 2 2 2 2 2 2 2 1 cos sin 1 l l C C Z jZ C j C (1.23) 2 2 2 2 2 2 2 2 1 cos sin 1 l l C C Z jZ C j C (1.24) Коэффициент отражения 2 2 jZ Z R jZ Z является комплексной величиной, причем R =1, т. е. отраженная волна имеет амплитуду, равную амплитуде падающей волны, но изменяет при отражении свою фазу. Изменение этой фазы на величину, не кратную , при углах больше критического приводит к явлению незеркального отражения. Экспериментально установлено, что если на границу раздела сред падает ограниченная плоская волна под углом, несколько боль- шим критического, то отраженный пучок лучей как бы смещается вдоль поверхности те- ла относительно падающего (рис. 1.9). Рис. 1.9. Смещение пучка волн при незеркальном отражении 15 Смещение такое, как если бы отражение происходило зеркально от некоторой мнимой границы расположенной на некоторой глубине h под действительной поверхно- стью 2h tg . Разность фаз волны, отразившейся от мнимой границы, т. е. прошед- шей путь АED, и прямой волны, прошедшей путь АBС, равна 2 cos kh . Оказывается, что значение совпадает с изменением фазы коэффициента отражения. Смещение пучка тем больше, чем ближе угол падения к критическому значе- нию. Поэтому данное явление можно рассматривать как перенос энергии вдоль поверх- ности неоднородной волной. Чем ближе угол к критическому значению, тем больше амплитуда неоднородной волны на заданной глубине, тем больше расстояние она пробе- гает вдоль поверхности. Если первой и второй средой являются твердые тела, то из закона синусов выте- кает возможность существования целого ряда критических углов. Первый критический угол существует, когда падающая волна продольная и 1 2 l l C C . Он соответствует усло- вию слияния преломленной продольной волны с поверхностью, т. е. 1 1 2 arcsin l кр l C C (1.25) Вдоль границы в этом случае распространяется неоднородная волна. Эту волну на- зывают головной, используют для целей дефектоскопии. Если преобразователь соприка- сается лишь с небольшим участком поверхности объекта контроля (изделия), а остальная часть его поверхности свободна, то головная волна должна обращаться в нуль на этой поверхности для выполнения граничных условий - напряжения на поверхности равны нулю. Под поверхностью объекта головная волна имеет максимальное значение напря- жения. Это значение располагается на луче, составляющем угол 12 с поверхностью (для стали). Итак, с помощью головной волны можно обнаружить подповерхностные де- фекты, при этом головная волна нечувствительна к неровностям объекта контроля. Второй критический угол кр.2 существует, когда падает продольная волна и 1 2 l t C C . Он соответствует условию слияния с поверхностью преломленной поперечной волны, т. е. 1 2 2 arcsin l кр t С C (1.26) Соответствующую неоднородную волну трудно отличить от поверхностной рэле- евской волны. Третий критический угол кр3 существует при падении поперечной волны. По- скольку 2 2 t l C C при 2 3 2 arcsin t кр l С C (1.27) продольная отраженная волна сольется с поверхностью и станет неоднородной. Граничных условий всегда достаточно для определения амплитуд всех отраженных и преломленных волн. Например, на границе двух плотно соединенных твердых тел имеются четыре условия (равенство нормальных и тангенциальных смещений и напряжений по обе стороны от границы), позволяющих рассчитать четыре волны, показанные на рис. 1.6. На практике часто встречается случай двух твердых тел, разделенных очень тонким слоем жидкости. Слой считается настолько тонким, что изменением фазы волны при его прохождении можно пренебречь, однако наличие его приводит к появлению четырех других граничных условий: нормальные напряжения и 16 смещения равны, а тангенциальные напряжения по обе стороны от границы обращаются в нуль. Формулы для коэффициентов отражения и прозрачности для случая двух твердых тел или жидкости и твердого тела могут быть получены путем обобщения соотноше- ний, выведенных ранее для границы двух жидкостей. Формулы (1.16) и (1.19) можно за- писать 2 / пад R Z Z Z (1.28) 2 4 пад пр D Z Z Z (1.29) где Z - сумма импедансов всех отраженных и преломленных волн; Z пад - импеданс падающей волны; Z пр - импеданс прошедшей волны. В этом обобщенном виде формулы пригодны для случая, когда одна или обе среды - твердое тело, причем формулу (1.28) применяют для расчета отраженной волны, одина- ковой по типу с падающей, а формулу (1.29) - для расчета всех коэффициентов прозрач- ности и коэффициента отражения для волны, не одинаковой по типу с падающей. Импе- дансы для продольной и поперечной волн в твердом теле имеют вид 2 cos 2 cos l l t l c Z (1.30) 2 sin 2 cos t t t t c Z (1.31) где l и t - углы между направлением распространения соответствующих волн и нормалью к поверхности. При углах, больших критического значения, соответствующие импедансы стано- вятся мнимыми подобно. На рис. 1.10 приведены зависимости коэффициентов прозрачности по энергии, рассчитанные для сред, весьма часто встречающихся в дефектоскопии оргстекло – масло – сталь. Значения некоторых физических характеристик для различных материалов приве- дены в Приложении 1. Рис. 1.10. Коэффициенты прозрачности для границы оргстекло - сталь 17 1.4. Другие типы волн В ограниченных твердых телах кроме объемных волн существуют другие типы волн. Так вдоль свободной поверхности твердого тела могут распространяться поверх- ностные волны. Вопросы для самопроверки 1. Как движутся частицы среды при прохождении упругой волны? 2. Какие частоты колебаний характерны для ультразвуковых волн? 3. В каких средах (материалах) могут распространяться продольные волны? 4. От чего зависит длина упругой волны в безграничной среде? 5. У волны с каким фронтом амплитуда наиболее быстро уменьшается при распро- странении в идеальной безграничной среде? 6. Как изменится угол преломления прошедшей волны при увеличении угла паде- ния волны на границу двух сред? 7. Как изменяется коэффициент затухания ультразвука с ростом частоты? 8. Во сколько раз уменьшилась амплитуда, если волна ослабла на б дБ? 9. Чем обусловлено затухание ультразвуковых колебаний в углеродистых сталях 18 |