Скорость распространения ультразвуковых волн в материалах

М атериалы	Скорость распространения волн, м/с
	продольных	поперечных	Поверхностных
Воздух	335	—	—
Масло трансформаторное	1400	—	—
Стекло органическое	2670	1300	1050
Вода	1490	—	—
Ст3	5860	3230	3000
Титан	6000	3500	2790
Алюминий	6250	3080	2800

В дальней зоне начинается постепенное расхождение ультра­звуковой волны, и пучок приобретает форму усеченного конуса (рис.19).

Распределение энергии в поперечном сечении этого конуса не­равномерно: максимальная интенсивность излучения сосредоточена по оси пучка, а минимальная — на периферии конуса. Распределе­ние интенсивности излучения в дальней зоне, представленное в ви­де графика в полярных координатах, называют диаграммой нап­равленности (рис. 20). Диаграмма направленности ультразвуково­го поля тем острее, чем больше произведение радиуса а излучателя на частоту f излучаемых колебаний. При распространении ультразвуковых волн от источника интенсивность излучения падает. Это обусловлено не только расхождением пучка по конусу, но и затуха­нием. Затухание ультразвуковых колебаний происходит по экспо­ненциальному закону

,

где А — амплитуда ультразвука на расстоянии r от излучателя, А₀ — амплитуда зондирующего им­пульса, ν — коэффициент затухания, е — основание натуральных логарифмов.

Коэффициент затухания в металлах в основном зависит от со­отношения между средней величиной зерна D и длиной волны ультразвука λ. Если λ>10∙D, то можно контролировать изделия толщи­ной до 10 м. Если зерно металла имеет соизмеримые или большие размеры, чем длина волны λ, то ультразвуковой контроль осуще­ствлять невозможно из-за большого затухания ультразвука. По этой причине нельзя проконтролировать, например, сварные швы литых деталей, швы, выполненные электрошлаковой сваркой без термообработки, и швы аустенитных (нержавеющих) сталей.

Р ис. 19. Структура ультразвукового Рис. 20. Диаграмма направленности

поля излучателя ультразвукового поля

Важной характеристикой среды, в которой распространяются ультразвуковые колебания, является ее акустическое сопротивление Z=ρС, где ρ — плотность среды, С — скорость распространения зву­ка в данной среде. При прохождении ультразвука из одной среды в другую происходит отражение части энергии волн от границы раз­дела сред. Коэффициенты отражения κ и прохождения d ультразвука зависят от соотношения акустических сопротивлений двух сред. Чем больше разница акустических сопротивлений Z₁ и Z₂, тем больше коэффициент отражения ультразвука κ. Чтобы увеличить коэффициент прохождения ультразвука, на поверхность контроли­руемого изделия наносят контактную жидкость (воду, масло, глице­рин и др. ), акустическое сопротивление которой значительно боль­ше, чем акустическое сопротивление воздуха. При наличии воздуш­ного зазора между искателем и поверхностью изделия ультразвук в металл практически не входит.

Если размеры площадки раздела двух сред (например, дефекта) меньше поперечных размеров пучка и соизмеримы с длиной волны, то возникает дифракция (явление огибания волной препят­ствия), в результате чего доля отраженной дефектом энергии умень­шается. Наличие дифракции ультразвуковых волн приводит к тому, что округлые дефекты небольших размеров (поры) выявляются плохо.

При наклонном прохождении (под углом β) продольной волны из одной твердой среды I в другую твердую среду II на границе раздела происходит отражение, преломление и трансформация (расщепление) волны. В общем случае (рис. 21, а) возникают четыре волны: две преломленные (продольная С_l^΄ и поперечная С_t^΄ ) и две отраженные (продольная С_l и поперечная С_t ). Углы отражения и преломления волн связаны с углом падения выражением Снеллиуса:

,

где С_l , С_t — скорости распространения продольной и поперечной волн в первой среде; С_l', С_t' — скорости распространения продоль­ной и поперечной волн во второй среде; β_l , β_t — углы отражения продольной и поперечной волн; α_l , α_t — у глы преломления продоль­ной и поперечной волн.

Рис. 21. Отражение и преломление продольной

волны на границе раздела двух твердых сред

Углы, при которых исчезают те или иные типы волн в процессе преломления или отражения ультразвука, называют критическими (рис. 21,б,в). По мере увеличения угла падения β, начиная с неко­торого значения β_кр1, называемого первым критическим углом, исчезает преломленная продольная волна С_l' (α_l=90°). При дальней­шем увеличении угла β наступает момент, когда исчезает поперечная волна С_t' (α_t=90°). Это явление соответствует второму крити­ческому углу β_кр2.

При углах падения меньших, чем второй критический угол, и больших, чем первый, во второй среде возникает лишь поперечная волна. Для системы оргстекло — сталь критические углы равны со­ответственно 28 и 59°. Отмеченное свойство имеет большое практи­ческое значение. В частности, если разместить излучатель на приз­ме из оргстекла и выбрать угол β в пределах 30—55°, то в стальном изделии будет распространяться только одна поперечная волна, что существенно упрощает дешифровку результатов контроля.

Рис. 22. Схема ультразвукового контроля эхо-импульсным (а) и теневым

(б) методами: Г—генератор зондирующих импульсов, П—приемник

Методы ультразвукового контроля. Ультразвуковая дефектоско­пия (УЗД) основана на свойстве ультразвуковых волн направленно распространяться в средах в виде лучей и отражаться от границ сред или нарушений сплошности (дефектов), обладающих другими акустическими свойствами. В практике контроля качества сварных соединений используют в основном эхо-импульсный метод (или ме­тод эхо-локации). Он заключается в озвучивании изделия короткими импульсами 1 ультразвука и регистрации эхо-сигналов 3, от­раженных от дефекта к приемнику. Признаком дефекта является появление эхо-сигнала (импульса) 3 на экране дефектоскопа (рис. 22, а).

В некоторых случаях ультразвуковой контроль целесообразно осуществлять теневым (рис. 22, б) или зеркально-теневым методом. При теневом методе признаком дефекта является уменьшение ам­плитуды сигнала 4, прошедшего от излучателя к приемнику. Тене­вой метод позволяет использовать не импульсное, а непрерывное излучение. Признаком дефекта при зеркально-теневом методе является уменьшение амплитуды сигнала 2 (см. рис. 22, а), отражен­ного от противоположной (данной) поверхности изделия.

К основным преимуществам ультразвуковой дефектоскопии от­носятся высокая чувствительность, мобильность аппаратуры, опе­ративность в получении результатов, низкая стоимость контроля, от­сутствие радиационной опасности. Метод получил широкое распро­странение в промышленности для выявления дефектов: трещин, непроваров, шлаковых и других включений в сварных швах толщи­ной от 1,0 мм до 2800 мм. Например, в энергомашиностроении, су­достроении, химическом машиностроении и других отраслях уль­тразвуковая дефектоскопия является основным методом неразрушающего контроля ответственных швов как при их изготовлении, так и в процессе эксплуатации.