Глава 14. Акустический вид неразрушающего контроля

14.1. Физические основы ультразвукового неразрушающего контроля

Ультразвуковыми называются упругие колебания, частота кото­рых больше 20 кГц, т.е. выше частоты слышимого человеком звука. Ультразвуковые колебания, также как и звуковые, представляют со­бой механические колебания частиц упругой среды. Упругие колеба­ния могут быть возбуждены в твердой, жидкой и газообразной среде. Упругие колебания представляют собой колебания частиц среды от­носительно своего положения равновесия, которые могут передаваться от одних частиц к другим. Такие колебания сопровождаются распро­странением энергии. Колебательные движения возбужденных частиц благодаря наличию упругих связей вызывают волны. В неограничен­ном пространстве могут возникать волны трех типов: продольные, поперечные и поверхностные, причем поперечные и поверхностные волны возникают только в твердых телах. Поверхностные волны мо­гут распространяться в твердых телах только в поверхностном слое, глубина которого не превышает длины волны λ.

Длина волны равна пути, пробегаемому волной за время полно­го цикла колебаний — периода колебаний Т. Число периодов коле­баний в секунду называется частотой колебаний f. Частота колеба­ний с периодом колебаний связаны зависимостью:

Длина волны выражается зависимостью:

где с – скорость распространения волны в данной среде, м/с. Скорость волны зависит от физических свойств среды и от типа волны (табл. 6).

Таблица 6.

Зависимость скорости распространения волны от среды

66

Учитывая две выше рассмотренные формулы, длина волны зави­сит от скорости волны и частоты ультразвуковых колебаний (f).

Чем больше скорость волны и меньше частота колебаний час­тиц, тем больше длина волны, поэтому ее в любой среде можно изменить путем изменения частоты ультразвуковых колебаний. При одной и той же частоте длина продольной волны (λ_j ) в данной сре­де будет приблизительно в два раза больше длины поперечной вол­ны (λ_t).

Важным параметром ультразвука является интенсивность волны I, которая представляет величину энергии, проходящую через пло­щадь 1 м² в единицу времени и направленную перпендикулярно к направлению волны, и измеряется как Вт/м² (сила звука). Но посколь­ку на практике интенсивность звуковых волн измеряется в больших пределах, то для удобства их сравнения применяются относитель­ные логарифмические единицы — децибелы (дБ). В этом случае уро­вень звука определяется формулой:

где I₀ – некоторое пороговое значение интенсивности звуковой волны. В акустике эта величина принята равной 10 ^-16 Вт/см² – на уровне нижнего порога слышимости человеческого уха;

I – интенсивность звука или сила звука, Вт/м².

Важными характеристиками для ультразвукового контроля яв­ляются значения амплитуд колебаний (А) и звукового давления (Р):

где p – плотность среды;

с – скорость распространения волны;

ω = 2рf – круговая частота колебаний

Поскольку преобразователи энергии ультразвуковой волны в электрическую, используемые в ультразвуковых дефектоскопах, реагируют на величину давления, то необходимо знать связь между интенсивностью и давлением:

Как видно из этого выражения, интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления, поэтому уровень давления, а следовательно, и уровень электрического напряжения на выходе преоб­разователя, помещенного в ультразвуковое поле, можно определить как:

где Р₀ – величина давления, соответствующая нижнему порогу слышимости (210 Н/м²);

U₀ – соответствующее значение электрического напряжения на выходах преобразователя

Волновое сопротивление среды играет большую роль при пере­ходе ультразвука из одной среды в другую на границе раздела. Одна часть звука проходит через границу, а другая отражается от нее.

67

В этом случае интенсивность отраженной волны l_отр. будет пропор­циональна интенсивности падающей волны l_пад. и коэффициенту от­ражения R:

l_отр. = R· l_пад.

Коэффициент отражения, в свою очередь, равен разности волно­вых сопротивлений граничных сред, т.е. R = Z₁ – Z₂. При R = 0 бу­дет наблюдаться полное прохождение ультразвука через границу раз­дела сред. Чем больше различие волновых сопротивлений сред, тем большая часть энергии отразится от границы раздела сред.

Поскольку технологические и усталостные трещины в металло­изделиях представляют собой неоднородности с границами перехо­да металл—газ, металл—жидкость, металл—шлак и т.д. то эти гра­ницы представляют собой поверхности, способные эффективно от­ражать ультразвук. Благодаря этому явлению такие дефекты могут быть обнаружены с помощью приборов, регистрирующих отражен­ные ультразвуковые волны, называемые эходефектоскопами.

В общем случае, когда граница двух твердых сред облучается па­дающей волной под углом падения β < 90° (рис. 144), в обеих средах возникают по две волны (в первой среде «отраженные», во второй «преломленные»): продольного и поперечного типов. Картина уп­рощается, если одна из сред — жидкая или газообразная, так как в этих средах существуют только продольные волны.

Рис. Схема отражения и преломления волн на границе твёрдых сред:

L – продольные волны; Т – поперечные волны

68

Углы отражения и преломления принято отсчитывать от нормали к поверхности раздела сред. Эти углы для всех типов волн подчиня­ются «закону синусов»:

Из этого выражения видно, что угол отражения волны β_L равен углу падения β. Видно также, что величина всех углов отражения и преломления тем больше, чем больше скорость распространения заданного типа волны в среде.

Существуют условия, когда при падении продольной волны на границу раздела двух твердых сред преломления продольная волна во вторую среду не проникает. Это происходит при некотором уве­личении угла падения до значения β_кр1, называемого первым кри­тическим углом. В этом случае угол увеличивается до 90°, что при­водит к образованию во второй среде так называемой «головной» волны. Эта волна распространяется почти параллельно поверхнос­ти раздела сред, быстро затухая. Скорость ее распространения и на­правление смещения частиц аналогичны характеристикам продоль­ной волны. Дальнейшее увеличение угла падения продольной вол­ны приводит к тому, что во второй среде возбуждается лишь поперечная волна. Эта ситуация имеет место при углах падения, не достигших значения второго критического угла β_кр2. Если же угол падения равен β_кр2, то поперечная волна во второй среде начинает «скользить» вдоль границы раздела сред (а_т= 90°). Значения крити­ческих углов могут быть определены из соотношений:

Для обеспечения наклонного ввода ультразвука в металлоизде­лие в практике часто находят применение ультразвуковые призмы из оргстекла. При переходе продольной ультразвуковой волны че­рез границу оргстекло-сталь значение первого и второго критичес­ких углов составляют β_кр1 = 28°; β_кр2 = 55°. Это значит, что призмы из оргстекла с углами падения, значения которых лежат в пределах 28°—55°, обеспечивают в стали существование только поперечной ультразвуковой волны. Призмы из оргстекла с углами падения про­дольной волны свыше 55° возбуждают в стальном изделии лишь по­верхностную волну. Для удобства определения углов преломления в стали при применении призм и по известному углу падения β пользу­ются графиками зависимостей α_т и α_L от β.

В практике большой интерес представляет случай падения попе­речной волны на границу раздела сталь — воздух или жидкость. При этом в стали возникает продольная или поперечная отраженная вол­на, а во второй среде — только продольная.

69

С увеличением угла па­дения или критического его значения β_кр3 продольная отраженная волна исчезает. Величина третьего критического угла может быть определена из соотношения:

Для границы сталь—воздух β_кр3 = 33°. Важно отметить, что если падающая волна в стали продольная и имеет угол падения β, близ­кий к 90°, то угол отражения поперечной волны равен 33°. Эта ситу­ация часто имеет место при ультразвуковой дефектоскопии продоль­ными волнами с торца таких длинномерных деталей, как оси колес­ных пар. В этом случае наблюдается явление трансформации (превращения) продольной волны в поперечную волну за счет явлений от­ражения ультразвуковых волн от цилиндрической поверхности оси.

Еще одно важное для акустики свойство материалов состоит в неидеальной упругости межмолекулярных сил. Это означает, что при распространении упругих колебаний в среде часть их энергии пре­образуется в тепловую энергию за счет внутреннего трения между частицами среды. Такое явление ослабляет ультразвуковую волну тем сильнее, чем больший путь она проходит в среде. При этом зву­ковое давление в среде снижается в е^δ раз на каждую единицу длины пути r, проходимой волной. Если в какой-то точке акустическое дав­ление равно Р₀, то на расстоянии r от нее оно будет равно:

где е = 2,718 – основание натурального логарифма.

Аналогично определяется интенсивность ультразвуковой волны I:

Величина δ называется коэффициентом затухания среды — имеет размерность 1/см² (или 1/м) и зависит от частоты ультразвука и тем­пературы. Поскольку с повышением частоты ультразвука увеличи­вается количество циклов колебаний в единицу времени, то это при­водит к росту потерь на переход энергии ультразвука в тепло. А при увеличении температуры практически все материалы в какой-то сте­пени увеличивают свою вязкость, т.е. их упругие свойства ослабева­ют, что и ведет к росту коэффициента затухания ультразвуковой энергии. Ослабление интенсивности ультразвуковой волны может происходить также по причине зернистости среды. Например, струк­тура металлов, используемых на транспорте, состоит из отдельных зерен, размеры которых зависят от химического состава, вида меха­нической и термической обработки детали. Форма зерен может быть самой разнообразной, поэтому отражение происходит в случайных направлениях. Такой процесс называют рассеянием ультразвука на неоднородностях среды. Это явление проявляется тем сильнее, чем больше средний диаметр зерна по сравнению с длиной ультразвуко­вой волны.

70

Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе частоты ультразвука для дефектоскопии, т.е. длины волны. Длина волны должна быть значительно больше среднего размера зерна в металле, чтобы были меньше потери энергии волны на рассеяние. Поэтому литые детали, имеющие крупнозернистую структуру ме­талла, должны проверяться ультразвуком одной частоты, а детали, выполненные из стали мелкозернистой структуры (оси колесных пар, валы якорей тяговых двигателей) — другой частоты.

На достоверность дефектоскопирования сильно влияет состояние (шероховатость) поверхности контролируемой детали. Качество по­верхности определяется средним размером высоты шероховатостей. Поверхности с меньшей высотой шероховатости относятся к более высоким классам частоты. При этом, если размер длины ультразву­ковой волны хотя бы в несколько раз превышает средний размер вы­соты неровностей, то поверхность может считаться «акустически зер­кальной». Если же размеры шероховатостей соизмеримы с длиной волны, то поверхность считается диффузной, а отраженные и прелом­ленные волны случайным образом рассеиваются в различных направ­лениях. Такое явление называют диффузным отражением. Следует отметить, что при отражении ультразвуковых волн одна и та же по­верхность может вести себя либо как зеркальная, либо как диффузно отражающая. Ситуация определяется частотой ультразвука. На низ­ких частотах длина волны велика, например, при частоте ультразву­ка f=0,6 мГц длина продольной волны в стали будет равна:

При такой величине длины волны поверхность со средним раз­мером высоты неровностей R_z = 160 мкм (второй класс чистоты) вполне может считаться зеркальной. А для частоты ультразвука равной 6 мГц эта поверхность будет вести себя как диффузно отра­жающая, так как длина волны будет равна λ = 1 мм, приближаясь к средней величине неровностей на поверхности и соизмеримой с ее величиной.