вап. Лекции по УК новые. Курс лекций по ультразвуковому контролю материалов и изделий разработал Специалист iii уровня по ук, к т. н
 Скачать 2.27 Mb.
|
|
I.1.4.2. Отражение от выпуклой поверхности (цилиндра, сферы). Дифракция Если в звуковой поток попадает несплошность сферической или цилиндриче- ской формы (ось цилиндра перпендикулярна потоку), то различные лучи пучка падают на поверхность несплошности под разным углом, отмеренным от перпендикуляра к поверхности, восстановленного из точки падения на нее данного луча. При этом отра- жение каждого луча индивидуально подчиняется закону Снеллиуса. При падении на округлую несплошность параллельного пучка продольных волн лишь центральный луч отражается строго обратно без трансформации типа волн (см. рис. I.1.15-а). Прочие лучи падают на несплошность не перпендикулярно, и поэтому их отражение отклоняется от исходного направления, с трансформацией части энергии в другие типы. Так происходит рассеяние пучка - основное явление, характерное для от- ражения от сферы или цилиндра. Но рассеяние - не единственное связанное с этим яв- ление. Во-первых, энергия луча, падающего на поверхность несплошности под первым критическим углом (для границы "основной материал - материал, заполняющий не- сплошность"), в точке падения переходит в головную волну, которая в свою очередь Рис. I.1.13. Рис. I.1.14. 24 вырождается в другие типы, включая слабую поверхностную, устремленную по конту- ру несплошности. Во-вторых, то же происходит и с лучом, падающим на несплошность по касательной. При падении на округлую несплош- ность параллельного пучка поперечных волн также лишь центральный луч отражается строго обратно без трансформации (см. рис. I.1.15-б). Большинство прочих лучей падает на несплошность под наклоном, и поэтому происходит рассеяние пучка, но опять же без трансформации. Энергия луча, падающего на поверхность несплошности под третьим кри- тическим углом, переходит в головную вол- ну, которая в свою очередь вырождается в другие типы, включая слабую поверхност- ную, устремленную по контуру несплошно- сти. Более активно в поверхностную волну трансформируется луч, падающий на несплошность по касательной. Обегающая не- сплошность поверхностная волна непрерывно вырождается в другие типы волн, "от- брасывая" их веером в основной материал. Волны, "налипающие" на поверхность округлой несплошности, принято назы- вать "волнами обегания", а эффект веерного переизлучения - "соскальзыванием". В со- вокупности эти явления представляют собой механизм дифракции звукового потока на округлом препятствии. Дифракция - изменение направления волнового потока вследствие возникнове- ния волн обегания и последующего "соскальзывания" энергии с искривленной поверх- ности. Дифракция проявляется в большей степени на несплошностях, имеющих мень- ший диаметр. Это легко понять, представляя длину окружности несплошности как дли- ну пути вырождающихся волн обегания: чем меньше диаметр, тем короче этот путь и тем более велика активность этой волны после прохождения ею этого пути. Когда округлый дефект имеет размеры, близкие к длине волны, пропуск дефекта при поиске эхометодом возможен по двум причинам: 1) отражение от дефекта не происходит, так как ввиду дифракции волновой по- ток огибает препятствие; 2) длина окружности кратна половине длины волны обегания, но не кратна це- лой длине этой волны; в результате волны отражения и волны соскальзывания накла- дываются противофазно, и амплитуда отражения сильно ослабевает. Отражение от несплошности считается гарантированным, если меньший из га- баритов ее отражающей площадки превышает длину волны. Однако экспериментально установлена возможность получения отражений и в случае, когда этот предел составля- ет четверть длины волны. I.1.4.3. Отражение от вогнутой поверхности Если звуковой поток падает на вогнутую поверхность (сферическая или цилин- дрическая дуга), то различные лучи пучка ориентированы к ней под разным углом, от- меренным от радиуса. При этом отражение каждого луча индивидуально подчиняется закону Снеллиуса. а) б) Рис. I.1.15. 1 - падающий поток; 2 - нетрансформи- рованные отраженные волны; 3 - волны обе-гания; 4 - волны соскальзывания; 5 - трансформированные волны. 25 При падении на вогнутую поверхность параллельного пучка продольных волн лишь центральный луч отражается строго обратно без трансформации типа волн (см. рис. I.1.16- а). Прочие лучи падают на поверхность не перпендикулярно, и поэтому их отражение отклоняется от исходного направ- ления, с трансформацией части энергии в другие типы. Так происходит фокусирование пучка - основное явление, харак- терное для отражения от вогнутой поверхности. Для случая продольных волн имеют место два фокальных центра: пере- сечение отраженных продольных волн и пересечение транс- формированных поперечных волн. При падении на вогнутую поверхность параллельного пучка поперечных волн также лишь центральный луч отра- жается строго обратно без трансформации (см. рис. I.1.16-б). Прочие лучи падают на участки поверхности под наклоном, и поэтому происходит рассеяние пучка, но опять же без трансформации. Энергия луча, падающего на поверхность несплошности под третьим критическим углом, переходит в головную волну, которая в свою очередь вырождается в другие типы, включая слабую поверхностную, устремленную по контуру вогнутой поверхности. Если вогнутая поверхность представляет собой элемент цилиндра, ось которого перпендикулярна плоскости поляризации поперечных волн, то при их отражении про- исходит поворот плоскости поляризации на 90 I.1.4.4. Отражение из прямого двугранного угла При падении параллельного пучка про- дольных волн в прямой двугранный угол эф- фективность отражения зависит от ориента- ции потока относительно биссектрисы. При движении потока вдоль одной из граней отра- жение происходит от другой грани строго об- ратно без трансформации типа волн (рис. I.1.17-а). В прочих случаях лучи падают на грани не перпендикулярно, и поэтому их отражение, во-первых, отклоняется от исходного направ- ления и возвращается в параллель к нему по- сле отражения от второй грани, во-вторых, претерпевает частичную трансформацию в другие типы волн, степень которой зависит от угла падения лучей на грани (рис. I.1.17-б). При строго биссекторном направлении пуч- ка лишь центральный луч отражается обратно без трансформации. Поэтому биссектор- ное отражение пучка продольных волн - слабое. Существуют такие углы (для границы "сталь - воздух" 68 70 ), при которых практически вся энергия переходит в головные волны при гранях угла-отражателя. При падении параллельного пучка поперечных волн в прямой двугранный угол эффективность отражения в меньшей степени зависит от ориентации потока, чем в слу- чае с продольными волнами. При движении потока вдоль одной из граней отражение также происходит от другой грани строго обратно без трансформации типа волн (рис. а) б) Рис. I.1.16. 1 - падающий поток; 2 - нетрансформированные отраженные волны; 3 - волны обегания; 4 - трансформированные волны. а) б) в) Рис. I.1.17. 1 - основной (падающий и отражен- ный) поток; 2 - отходящие трансфор- мированные поперечные волны; 3 - отходящие подповерхностные волны. 26 I.1.17-а). В прочих случаях лучи падают на грани не перпендикулярно, и поэтому их отражение отклоняется от исходного направления и возвращается в параллель к нему после отражения от второй грани (рис. I.1.17-в). Трансформация в головные волны проис- ходит только в области третьего критического угла падения лучей на грани. При падении в широком угловом диапа- зоне, симметричном от- носительно биссектрисы, итоговое отражение пуч- ка благодаря возврату лучей в параллель направлению падения может считаться зеркаль- ным и происходит без трансформации. Поэтому биссекторное отражение поперечных волн - мощ- ное, но существуют такие углы, при которых вся энергия переходит в го- ловные волны при гранях угла-отражателя. Диаграмма отражения ультразвука из пря- мого угла показана на рисунке I.1.18. I.1.4.5. Явления на краях плоскостных несплошностей Край плоскостного дефекта в сечении представляет собой закругле- ние очень малого радиуса (рис. I.1.19- а). Поэтому при облучении ультразву- ковыми волнами края трещины или расслоения на нем происходит актив- ная дифракция, и понятие "блестящая точка" в первую очередь относится к такому краю. При наклонном падении уль- тразвука на плоскостную несплош- ность на ее берегах образуются по- верхностные волны Рэлея или волны Стоунли, которые, добегая до края, дифрагируют на нем в другие типы волн, обеспечивая "блеск" краев (см. рис. I.1.19-б). Этот эффект использу- ется в некоторых методах ультразвуковой дефектоскопии (временной теневой, дельта), однако для его применения требуется высокая чувствительность. Рис. I.1.18 Рис. I.1.19. 1 - падающий волновой поток; 2 - отраженный волновой поток; 3 - поверхностные волны; 4 - дифрагированные волны. 27 I.1.4.6. Краевой (волноводный) эффект в узких стержнях При движении расходящегося пучка продольных волн вдоль узкого стержня краевые лучи падают на боковые поверхности и от- ражаются к центральной оси с частичной трансформацией в другие типы (рис. I.1.20-а). В длинных стержнях это не происходит лишь с центральным и ближайшими к нему лучами. Это явление способ- ствует сохранению общей энергии звукового импульса, но поскольку траектория переотраженных неосевых лучей зависит от их углового положения в пучке, общая протяженность импульса по мере его движения вдоль стержня увеличивается. В случае движения пучка поперечных волн (рис. I.1.20-б) концентрация энергии более выра- жена, так как трансформация волн при отражениях не происходит. I.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ I.2.1. Непрерывный и импульсный режимы излучения ультразвуковых колеба- ний. Типы импульсов, применяемых в ультразвуковой дефектоскопии. Понятие о демпфировании Непрерывный режим излучения колебаний - неограниченное во времени излуче- ние колебаний (см. рис. I.2.1). Когерентные колебания - непрерывные колебания строгой амплитуды и частоты (см. рис. I.2.2). Импульсный режим излучения колебаний - излучение колебаний ограниченны- ми во времени импульсами, посылаемыми через определенные интервалы "молчания". Рис. I.2.1. Рис. I.2.2. а) б) Рис. I.1.20. 28 Основные характеристики импульсного режима: частота заполнения, пиковая амплитуда, длительность импульса, пространственная протяженность импульса, часто- та следования импульсов, тактовый интервал. Частота заполнения импульса - номинальная частота колебаний f, образующих импульс (МГц). Пиковая амплитуда импульса - максимальная амплитуда колебаний U и или А и , образующих импульс (V или дБ). Длительность импульса - промежуток времени ("тау", мкс), в пределах которо- го амплитуда колебаний отдельно взятого импульса превышает заданный уровень: = nT = n/f, (I.2.1) где n - количество осцилляций, превышающих заданный уровень. Пространственная протяженность импульса - длина отрезка пути L и (мм), изме- ренная вдоль распространения звука в зафиксированный момент времени и занимаемая набором волн импульса, амплитуда которых превышает заданный уровень (*II): L и = n = nС/f (I.2.2) Уровень измерения длительности или протяженности импульса обычно назна- чают в отрицательных децибелах относительно его пиковой амплитуды. Как правило, это - уровень отсечки шумов А ш (рис. I.2.3). Рис. I.2.3. Чем длиннее импульс, тем меньше его "маневренность" при эхометоде. Поэтому его стараются принудительно сократить, снижая добротность колебательного контура "катушка-емкость пьезопреобразователя" электронными и механическими средствами. Добротность колебательного контура - способность колебательного контура "ка- тушка-емкость" сохранять колебания после окончания возбуждающего электроимпуль- са. Демпфирование - принудительное снижение добротности колебательного кон- тура. Частота следования импульсов - количество импульсов, посылаемых в единицу времени (f с , КГц или Гц). Тактовый интервал - промежуток времени между посылками импульсов (Т с , S): Т с = 1/f с (I.2.3) 29 Основные типы импульсов: Колоколообразный радиоимпульс (рис. I.2.4): недемпфированный демпфированный Рис. I.2.4. Экспоненциальный (ударно-затухающий) радиоимпульс (рис. I.2.5): недемпфированный демпфированный Рис. I.2.5. В целях ультразвуковой дефектоскопии обычно возбуждаются демпфированные ударно-затухающие импульсы, которые по мере движения по акустическому тракту постепенно приближаются к колоколообразной форме. Далее речь идет только о демп- фированных импульсах. Название "экспоненциальный" связано с тем, что убывание амплитуды импульса происходит по закону экспоненты: А=А 0 е -х , где е=2,71 - число Непера (основание натурального логарифма), х - коэффициент ослабления сигнала за единицу времени. Инверсия - преобразование специальным электронным устройством (инверто- ром) отрицательных пиков радиоимпульса в положительные (рис. I.2.6). Рис. I.2.6. Модулирование - построение специальным электронным устройством (модуля- тором) огибающей проинвертированного радиоимпульса. Видеоимпульс - модулированный радиоимпульс (рис. I.2.7). 30 колоколообразный общая форма: изображение на экране: экспоненциальный общая форма: изображение на экране: Рис. I.2.7. Вспомогательные типы импульсов, применяемые в электронных блоках дефек- тоскопов (рис. I.2.8): "Метка": П-образный импульс (строб): Пилообразные импульсы: Рис. I.2.8. I.2.2. Пьезоэлектрическое преобразование Пьезоэффект – свойство некоторых материалов преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот. Природные материалы, обладающие этим эффек- том, называют пьезоэлектриками, а искусственные пьезоэлектрики – пьезокерамиками. Обратный пьезоэффект – это возникновение колебаний растяжения-сжатия кри- сталлов пьезоэлектрика при подаче на его грани переменного электрического напряже- ния. Прямой пьезоэффект – это возникновение электрических зарядов на гранях пье- зоэлектрика при приложении к нему упругой деформации растяжения-сжатия. Коэффициент двойного электромеханического преобразования К дп – это доля полученной полезной энергии, сохранившаяся после обратного и прямого преобразо- вания некоторой приложенной энергии, принятой за 1. К дп представляет собой своеоб- разный КПД пьезоматериала. Точка Кюри – температура, по мере достижения которой материал безвозвратно теряет пьезоэлектрические свойства. Природа пьезоэффекта несколько схожа с природой электромагнетизма. Пьезо- электрики обладают некоторыми электрическими зарядами элементов кристаллической решетки, и в спокойном состоянии эти заряды уравновешены. При подаче на грани кристаллов дополнительных электрических зарядов равновесие нарушается, возникают внутренние механические напряжения, стремящиеся восстановить равновесие, что и 31 приводит к деформации кристаллов. И, напротив, при механическом воздействии на кристалл происходит перераспределение зарядов на его гранях. Коэффициент двойного электромеханического преобразования и точка Кюри – основные характеристики пьезоматериалов, определяющие их пригодность к примене- нию в ультразвуковой дефектоскопии. В таблице I.4 приведены характеристики неко- торых пьезоматериалов, применяющихся или применявшихся ранее. Таблица I.4. Наименование пьезоматериала Коэффициент двойного электромеханического преобразования К дп Точка Кюри, С Природные пьезоэлектрики Сегнетова соль 0,9 28 Кварц 0,09 560 Пьезокерамики Титанат бария кристаллический ТБК-3 0,6 90 Цирконат-титанат свинца ЦТС-19 0,45 240 Как видно из таблицы, самым эффективным пьезоэлектриком является сегнетова соль. В первые годы ультразвуковой дефектоскопии ее часто применяли для изготовле- ния ПЭП. Однако крайне низкая точка Кюри обуславливала необходимость специаль- ной защиты пластины даже от тепла руки оператора и приводила к быстрому разряду пьезоэффекта (долговечность которого пропорциональна точке Кюри). Напротив, кварц обладает очень высокой термоустойчивостью, химической стойкостью и стабильностью пьезоэлектрических параметров, в связи с чем его приме- няют при дефектоскопии неохлаждаемых сильно нагретых объектов. Но широкому применению кварца препятствует крайне низкий коэффициент К дп . Поэтому и возникла необходимость создания искусственных пьезокерамик. Из числа показанных пьезокерамик более эффективна ТБК-3, но относительно низкая точка Кюри сокращает долговечность пьезоэффекта. Поэтому наиболее широ- кое применение сегодня находит ЦТС-19. Промышленное изготовление пьезокерамик состоит из следующих процессов. 1. Заготовка, измельчение и смешивание сырьевых компонентов. 2. Спекание смеси в клинкер (небольшие шарики) во вращающейся печи до обеспечения химического соединения компонентов. 3. Измельчение клинкера в шаровой мельнице до пылеобразного состояния. 4. Формовка полученного порошка в соответствии с требованиями к толщине и контуру пьезопластины. 5. Спекание в форме. 6. Гальваническая металлизация рабочих поверхностей (покрытие серебром пу- тем выдержки в растворе гипосульфита с последующей зачисткой торцов). 7. Поляризация: зарядка пластины пьезоэффектом путем пробоя ее разрядом по- стоянного электрического тока большой силы. Толщина пластины h пп назначается по условию резонанса, так как номинальная частота колебаний ПЭП – это есть резонансная частота f рез пьезопластины: h пп = С пм /2f рез (I.2.4) 32 I.2.3. Затухание ультразвука при движении по материалу. Затухание представляет собой одну из главных причин ослабления сигнала, движущегося по материалу. Затухание ультразвука - ослабление энергии акустического сигнала вследствие сопротивления окружающего материала его перемещению. Затухание складывается из двух механизмов: поглощения материалом акустиче- ской энергии и ее рассеянии на зернистости. Поглощение ультразвука - преобразование части акустической энергии в другие виды (тепловую, магнитную, электрическую и др.). Рассеяние ультразвука - хаотическое отклонение части акустической энергии от основного направления вследствие отражения от границ зерен материала. Доля механизма рассеяния в затухании в 10 000 раз выше, чем доля поглощения. Поэтому затухание, прежде всего, зависит от зернистости материала и от частоты уль- тразвука. Чем более крупное зерно материала и/или выше частота ультразвука f, тем выше затухание: длина волны становится соизмеримой с величиной зерна. Затухание определяется коэффициентом ("дельта"), который характеризует степень ослабления сигнала по мере прохождения им единицы длины пути по материа- лу, и выражается в 1/м, дБ/м, 1/мм, дБ/мм. Как и большинство явлений постепенного естественного ослабления энергии, снижение амплитуды за счет затухания выражается экспоненциальным законом: А = А 0 е - L = А 0 exp(- L), (I.2.5) где А 0 - исходная амплитуда сигнала; А - амплитуда сигнала после прохождения им дистанции L. Конфигурация графика ослабления амплитуды от затухания показана на рис. I.2.9. Рис. I.2.9. |