1. Цели лабораторной работы

1.1. Изучить физические основы акустических методов контроля.

1.2. Изучить общее устройство и состав ультразвукового дефектоскопа.

1.3. Изучить основные принципы управления ультразвуковым дефектоскопом.

2.Общие сведения

2.1 Типы акустических волн

Акустические колебания – это механические колебания частиц упругой среды, а акустические волны – процесс распространения в этой среде механического возмущения.

При контроле применяют колебания ультразвукового и звукового диапазона частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность этих колебаний обычно невелика – не более 0,1 кВт/см². Колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

Ультразвуковой контроль основан на способности ультразвуковых колебаний (упругие волны с частотой свыше 20 кГц) распространяться в твердых веществах на большую глубину без заметного ослабления и отражаться от границы раздела двух веществ. Позволяет проводить измерение толщины материалов, обнаруживать наличие в них дефектов и получать данные об их физических свойствах. Ультразвуковой контроль наиболее удобный из всех неразрушающих методов определения толщины или дефектов при отсутствии двухстороннего доступа к поверхности.

Упругие колебания в жидкостях и газах характеризуются одной из следующих величин: изменением давления или плотности, смещением частиц из положения равновесия и, скоростью колебательного движения, потенциалом смещения или колебательной скорости.

В твердых телах акустическое поле имеет гораздо более сложный вид, чем в жидкостях и газах, потому что твердые тела имеют не только упругость объема, как жидкости и газы, но также упругость формы (сдвиговую упругость). Вместо давления для твердых тел вводят понятие напряжения, т.е. силы, отнесенной к единице поверхности.

Различают нормальные (растягивающие или сжимающие) напряжения , , и касательные или тангенциальные (сдвиговые) напряжения , и др. Напряженное состояние твердого тела, таким образом, характеризуют тензором третьего ранга – таблицей из девяти чисел-компонентов , где i и j принимают значения осей координат х, у, z. Первый индекс указывает координату, в направлении которой действует сила, а второй – площадку, перпендикулярную направлению указанной в нем координаты, к которой эта сила приложена. Тензор этот симметричный: в нем .

В жидкостях и газах, где не существует упругости формы, тангенциальные компоненты тензора напряжения отсутствуют, а нормальные компоненты равны друг другу и давлению с обратным знаком.

Давление имеет знак минус, потому что напряжение считают положительным, когда оно растягивающее, а давление считают положительным, когда оно сжимающее.

Колебания в твердом теле характеризуются изменением напряжения смещением частиц , и потенциалом смещения. Понятием колебательной скорости пользуются редко. Часто колебания характеризуют деформацией (от лат. deformatio – искажение) – изменением взаимного расположения точек тела. Это изменение относят к первоначальному расстоянию между точками, в результате чего деформация становится безразмерной величиной. Если точки сдвинулись вдоль отрезка, их соединяющего, то это деформация растяжения-сжатия, а если перпендикулярно этому отрезку – деформация сдвига.

Для жидкостей и газов деформации сдвига отсутствуют, а деформации растяжения-сжатия по всем направлениям одинаковы.

Изотропия (от греч. isos – равный, одинаковый и tropos – направление) – независимость физических свойств среды от направления в ней. Среды, в которых свойства зависят от направления, называют анизотропными (от греч. anisos – неравный).

Методы акустического контроля используют волны малой амплитуды. Это область линейной акустики, где напряжение (или давление) пропорционально деформации. Область колебаний с большими амплитудами или интенсивностями, где такая пропорциональность отсутствует, относится к нелинейной акустике.

Пропорциональную зависимость между напряжениями и деформациями называют законом Гука. В обобщенном виде его записывают в виде

, (2.1)

где когда i=j и , когда i≠j; и – константы Ламэ. В технике вместо них используют модули нормальной упругости Е и сдвига G:

, (2.2)

Также важная упругая константа – коэффициент Пуассона , равный отношению сжатия к удлинению растягиваемого стержня:

, (2.3)

Во всех случаях упругие свойства изотропного твердого тела характеризуют парой независимых упругих констант.

Продольные и поперечные волны. В неограниченной твердой среде существует два типа волн, которые распространяются с разными скоростями. Из векторного анализа известно, что любое векторное поле можно представить в виде суммы двух векторов, один из которых имеет скалярный, а другой – векторный потенциалы. Вектор в твердом теле распадается на две волны, рас­пространяющиеся с разными скоростями.

Если направление колебаний в волне совпадает с направлением ее рас­пространения то такая волна называется продольной волной или волной рас­ширения-сжатия (рис. 2.1, а).

Если направление колебаний в ней перпендикулярно направлению рас­пространения волны, а деформации в ней сдвиговые то такие волны называют поперечными или волной сдвига (рис. 2.1, б).

В жидкостях и газах поперечных волн не существует, так как в этих средах отсутствует упругость формы. Строго говоря, в жидкостях существуют волны, подобные поперечным, с передачей колебаний за счет сил вязкости, однако они быстро затухают.

Если поперечная волна распространяется в безграничной изотропной среде, то все направления поперечных колебаний будут равноправными. Если же имеется ограничивающая поверхность, параллельно или под углом к которой распространяется поперечная волна, то становится существенным вопрос о направлении колебаний в поперечной волне по отношению к этой поверхно­сти. Волну, в которой направление колебаний параллельно ограничивающей поверхности, называют горизонтально поляризованной. Если колебания про­исходят в плоскости, перпендикулярной разделяющей поверхности, то такую волну называют вертикально поляризованной.

Продольную волну обычно возбуждают с помощью преобразователя, вы­зывающего деформацию растяжения-сжатия на части поверхности объекта контроля, а поперечную волну – вызывающего деформацию сдвига. Гораздо чаще, однако, наклонную к поверхности вертикально поляризованную волну возбуждают с помощью продольной волны, наклонно падающей на поверх­ность объект контроля из внешней среды. При этом происходит трансформа­ция падающей продольной волны в поперечную. Внешнюю среду, из которой наклонно падает продольная волна, называют призмой преобразователя.

Рисунок 2.1 – Схематическое изображение продольных (а) и поперечных (б) волн

Продольные и поперечные волны (их обобщенное название – объемные волны) наиболее широко используют для контроля материалов. Эти волны лучше всего выявляют дефекты при нормальном падении на их поверхность.

Вдоль поверхности твердого тела распространяются специфические типы волн (волна Рэлея, рис. 2.2, а).

Рисунок 2.2 – Схематическое изображение волн на свободной поверхности твердого тела: а – рэлеевский, б – головной

Волна Рэлея способна распространяться на большое расстояние вдоль поверхности твердого тела. Ее проникновение под поверхность тела невелико: на глубине длины волны X_s интенсивность составляет около 5% интенсивности на поверхности тела. При распространении поверхностной волны частицы тела движутся, вращаясь по эллипсам (рис. 2.2, а) с большой осью, перпендикуляр­ной границе. Вытянутость эллипса с глубиной увеличивается.

Волна, подобная рэлеевской (квазирэлеевская), может распространяться не только вдоль плоской, но и вдоль искривленной поверхности. На вогнутых участках поверхности она испытывает дополнительное затухание (тем боль­шее, чем меньше радиус кривизны) вследствие излучения энергии в глубь из­делия. На вогнутых участках скорость волны уменьшается, а на выпуклых уве­личивается.

Поверхностную волну возбуждают обычно с помощью продольной вол­ны, наклонно падающей из внешней среды (призмы) на ограниченный по дли­не участок поверхности твердого тела (рис. 2.2, а). Поверхность вне призмы ос­тается свободной. Поверхностную волну успешно применяют для выявления дефектов вблизи поверхности изделия. Она избирательно реагирует на дефекты в зависимости от глубины их залегания. Дефекты, расположенные на поверх­ности, дают максимальное отражение, а на глубине больше длины волны практически не выявляются.

Волны на поверхности раздела двух сред. Выше были рассмотрены волны на свободной поверхности твердого тела. Внешняя среда на ограничен­ном участке поверхности вводилась только для пояснения механизма возбуж­дения волн. Когда поверхность твердого тела нагружена жидкой или твердой средой, возникают специфические типы волн.

Если твердое тело граничит с жидкостью, скорость звука в которой С_жменьше С₃, то вдоль границы распространяется волна рэлеевского типа со скоростью, близкой к С₃. Она порождает в жидкости боковую волну и вследствие этого затухает (рис. 2.3, а; кривая вблизи осиу показывает уменьшение амплитуды волны с глубиной). Для границы сталь–вода амплитуда ее уменьшается в е раз на расстоянии . По этому признаку волну относят к классу вытекающих.

Кроме этого существует волна, распространяющаяся преимущественно в жидкости со скоростью несколько меньшей С_ж (рис. 2.3, б). В твердом теле она локализована в слое толщиной , а в жидкости – в слое толщиной, значи­тельно большей . Волну используют для контроля поверхности твердых ма­териалов иммерсионным_способом. Подобно рэлеевской волне, она очень мед­ленно затухает с расстоянием вдоль поверхности.

Если между собой граничат две твердые среды (рис. 2.3, в), модули упру­гости и плотности которых не сильно отличаются, то вдоль границы распро­страняется волна Стоунли (или Стонсли). Она состоит как бы из двух рэлеевских волн; каждая существует в своей среде, но они имеют одинаковую ско­рость распространения, меньшую, чем скорости объемных волн в обеих средах. В каждой среде волна локализована в слое толщиной порядка длины волны, имеет вертикальную поляризацию. Такие волны находят применение для кон­троля соединения биметаллов.

Поперечные волны, распространяющиеся вдоль границы раздела двух сред и имеющие горизонтальную поляризацию, называют волнами Лява. Они возникают, когда на поверхности твердого полупространства имеется слой из твердого материала скорость распространения в котором поперечных волн меньше, чем в полупространстве. Глубина проникновения волны в полупро­странство возрастает с уменьшением толщины слоя. В отсутствие слоя волна Лява в полупространстве превращается в объемную, т.е. в плоскую, горизон­тально поляризованную, поперечную волну. Волны Лява находят применение для контроля качества покрытий (плакировок), наносимых на поверхность объ­екта контроля.

а – затухающая рэлеевского типа на границе твердое тело – жидкость, б – слабозатухающая на той же границе, в – волна Стоунли на границе двух твердых тел

Рисунок 2.3 – Волны на границе двух сред