4.2. Акустическое поле вблизи излучателя пэп

Рис.4.2. Акустическое поле вблизи излучателя: 2а1<2а2, θ1>θ2.

Вблизи от излучателя (пьезоэлемента) на расстоянии (rб) называемой ближней зоной (зоной Френеля) ультразвуковой пучок практически не расходится, а на границе ближней зоны наблюдается некоторое его сужение. Протяженность ближней зоны (rб) для прямого пьезопреобразователя (ПЭП) составляет , а для наклонного , где а – радиус пьезоэлемента; λ – длина волны в материале; α – угол преломления; β – угол падения.

За пределами ближней зоны начинается дальняя зона излучателя или зона дифракции Фраунгофера. В этой зоне звуковое давление монотонно убывает с увеличением расстояния от излучателя. В дальней зоне поле имеет вид лучей, выходящих из центра излучателя. На расстоянии (r > 3N) кривая, показывающая изменение давления в звуковой волне с расстоянием приближенно следует закону:

(22)

где Sa – площадь излучателя.

Как видно, на большом расстоянии давление не испытывает осцилляций, а монотонно убывает обратно пропорционально расстоянию.

Акустическое поле в дальней зоне характеризуют диаграммой направленности, показывающей изменение звукового давления в зависимости от угла между направлением луча и акустической осью на постоянном расстоянии от излучателя (рис.4.3). За единицу принимают амплитуду Ра на оси излучателя. Диаграмма направленности не зависит от расстояния до излучателя.

Центральную часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда поля уменьшается от единицы до нуля, называют основным лепестком. В пределах основного лепестка сосредоточено около 85 % энергии поля излучения. Вне основного лепестка диаграмма направленности имеет вид боковых лепестков. Уровень боковых лепестков определяется отношением поля на акустической оси к максимальной величине поля вне основного лепестка.

Рис.4.3. Диаграмма направленности поля излучения круглого излучателя в полярных (а) и в декартовых (б) координатах.

Диаграмма направленности при r > 3N для круглого излучателя определяется формулой

где (23)

I1 (х) – функция Бесселя, значение которой берется из таблиц. Угол раскрытия основного лепестка диаграммы

(24)

В практике УЗ контроля иногда определяют угол раскрытия основного лепестка на уровнях, отличающихся от нулевого. На уровне 20 дБ (или уровень 0,1 от максимума)

(25)

На уровне 6 дБ (или уровень 0,5 от максимума)

(26)

На уровне 3 дБ (или уровень 0,7 от максимума)

(27)

4.3. Электромагнито-акустическое преобразование

Электромагнитно-акустические методы (ЭМА) возбуждение и прием УЗ-колебаний основаны на явлениях электродинамического взаимодействия и магнитострикции.

Электромагнито-акустическое преобразование (эффект Лоренца)

Рис.4.4. Схема ЭМА возбуждения поперечных (а) и продольных (б) волн: 1 – катушка преобразователя, 2 – контролируемое изделие, 3 – электромагнит.

При пропускании через катушку (1) переменного высокочастотного тока (Jв) в результате в поверхностном слое наводится переменный по направлению вихревой ток. В результате взаимодействия переменного вихревого тока и поля постоянного магнита частицы металла, по которым течет вихревой ток, будут совершать колебательное движение в плоскости параллельной плоскости объекта, возбуждая поперечную волну, распространяющуюся перпендикулярно этой плоскости. При достижении поперечной волной поверхности объекта колебательное движение частиц, в магнитном поле приведет к возникновению вихревых токов. Колебательное движение частиц в магнитном поле приводит к возникновению вихревых токов. Электромагнитное поле этих токов, пересекая катушку преобразователя, будут наводить в ней переменную ЭДС. В зависимости от формы катушки и источника магнитного поля можно возбуждать в изделии различные типы волн: Лэмба, Релея. Наиболее эффективно возбуждение упругих волн с помощью ЭМАП производить в немагнитных материалах.

Чувствительность метода резко падает с уменьшением зазора между высокочастотной катушкой и контролируемым объектом. Наиболее эффективно применение f = 0,5÷0,6 МГц.

Рис.4.5.Изменение чувствительности с величиной зазора d.

Большим недостатком является образование на датчиках магнитной окалины и стружки. Снятие ей с помощью воздуха пока не дает достаточного эффекта.

Следует заметить, что преобразование, основанное на электродинамическом эффекте эффективно при контроле немагнитных материалах. Особенно эффективно применение УЗД при контроле аустенитных сварных швов при возбуждении SH-волн.

ЭМА преобразования на основе эффекта магнитострикции

Магнитострикцией называют явление изменения геометрических размеров ферромагнитных материалов под воздействием изменяющегося внешнего магнитного поля. Обратный эффект называют магнитоупругостью. Схема бесконтактного возбуждения УЗ-колебаний за счет магнитострикционного, магнитоупругого эффектов, наблюдаемых непосредственно в контролируемом изделии представлена на рис.4.6.

В намагниченном магнитом (1) изделии (3) под действием катушки (2) с переменным током возбуждается переменное магнитное поле, которое вызывает в объеме изделия вблизи поверхности эффект магнитострикции.

Рис.4.6. Схема ЭМА преобразования (эффект магнитострикции).

Магнитное взаимодействие заключается во взаимном притяжении и отталкивании ферромагнитного материала и проводника (катушки) с переменным электрическим током. Под действием постоянного магнитного поля изделие намагничивается. Катушка с переменным током будет притягиваться и отталкиваться от него в зависимости от направления образовавшегося в ней магнитного поля. Притяжение и отталкивание катушки будет оказывать обратное механическое воздействие на изделие, что приведет к возбуждению упругих колебаний на его поверхности. Прием упругих колебаний будет происходить в том, что поверхность изделия будет приближаться и удаляться от катушки, изменяя в ней магнитное поле, что в свою очередь приведет к возникновению электрического тока в катушке.

ЭМАП имеет большое преимущество перед ПЭП если речь заходит о автоматизации ультразвукового контроля. Системы с ЭМАП не требуют контактной жидкости, так как метод является бесконтактным, а так же не требует высокой степени подготовки поверхности контроля. В настоящий момент передовой системой автоматизированного контроля с использованием ЭМАП в мире является ЭМА АВТОКОН МГТУ, разработанный специалистами МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством академика РАН Алешина Н.П.

Система ЭМА-АВТОКОН МГТУ