Дефектоскопические истории
А ЕСТЬ ЛИ МИНИМУМЫ?
И.Н. Ермолов
Обсуждается отражение ультразвука от цилиндрического отверстия.
Боковое цилиндрическое отверстие — очень удобный для настройки дефектоскопа искусственный дефект. Изготовить его легко и с большой точностью, отражение от него одинаково независимо от угла ввода. Всем хорош отражатель, но есть у него существенный недостаток.
Покойный Александр Сергеевич Голубев рассчитал с помощью дифракционной теории зависимости амплитуды отражения В от диаметра цилиндра d [1]; точнее — от отношения диаметра цилиндра к длине волны ультразвука d/X. Оказалось, что если для продольных волн амплитуда монотонно увеличивается с ростом диаметра и соответствует лучевому приближению, то для поперечных волн амплитуда изменяется немонотонно: имеются весьма заметные минимумы и максимумы (см. рисунок, кривая 1). В области, где есть немонотонность, использовать боковое цилиндрическое отверстие для настройки чувствительности аппаратуры, конечно, нельзя.
Позднее многие исследователи обращались к отражению от бокового цилиндрического отверстия и нашли, что причина немонотонности в волнах обегания и соскальзывания. Поперечная волна вблизи поверхности отверстия распространяется как обегающая его волна. Она порождает поперечную волну, которая соскальзывает по касательной к поверхности отверстия. При диаметрах отверстия, существенно больших длины поперечной волны, становится заметной головная волна обегания и волна соскальзывания в виде поперечной волны, которая распространяется под третьим критическим углом, но это нас здесь не интересует.
Рэлеевскую волну обегания легко наблюдать на СО-2. После сигнала, отраженного от отверстия диаметром б мм, заметны слабые импульсы волн обегания и соскальзывания. Немонотонность амплитуды отраженных поперечных волн объясняется интерференцией прямо отраженной волны и первой волны обегания и соскальзывания для цилиндра малого диаметра (меньше 6 мм).
Ничего из этого не было известно в 1972 г., когда я решил экспериментально проверить, как изменяется амплитуда отражения от цилиндрического отверстия. Дело в том, что в работе A.C. Голубева экспериментальные точки приведены, но они расположены редко и немонотон-ностей убедительно не подтверждают. Кроме того, A.C. Голубев экспериментировал с импульсами большой длительности и для возбуждения и приема поперечных волн использовал кварц У-среза.
Я заказал образцы из алюминия с боковыми отверстиями диаметрами от 3 до 6 мм с шагом в зоне предполагаемой немонотонности 0,1—0,2 мм. Уже при таком небольшом шаге немонотонности пропустить было нельзя. Кроме того, были просверлены два отверстия диаметрами, гораздо
большими длины волны (9 и 12 мм), для привязки к кривой В = 0,5-J d/X,
которая описывает изменение амплитуды отражения на основе лучевых представлений геометрической акустики (рис. 1, кривая 2). Контроль выполнял обычными стандартными наклонными и прямыми преобразователями и дефектоскопами. Измерения амплитуды я проводил на трех частотах (0,8; 1,8 и 2,5 МГц) с погрешностью не более 0,5 дБ. И немонотон-ностей не обнаружил!
Для проверки попросил повторить измерения опытного дефектоско-писта И.А. Вятскова, и он тоже немонотонностей не обнаружил [2]. На-
А есть ли минимумы?
97
ши экспериментальные точки (рис. 1, кривая 3) располагались между максимумами и минимумами кривой A.C. Голубева. Для продольных волн немонотонностей не было, как и предсказывал A.C. Голубев; точки хорошо совпадали с лучевой теорией.
В, дБ О
4
-8
-12
-16
-20
0 0,8 1,6 2,4 3,2 4,0 4,8 5,6 d
X
Амплитуда отражения от цилиндрического отверстия в зависимости от отношения диаметра цилиндра к длине волны. Экспериментальные точки для наклонных (х, ■) и прямых (•) преобразователей, настроенных на частоты: х — 0,8; А — 1,8; ■,• — 2,5 МГц.
Об этом я сделал доклад на Международной конференции в Варшаве. Й. Крауткремер, который вел заседание, задал мне много вопросов. Он был в курсе проблемы немонотонности. В частности, он выразил сомнение, что диаметры отверстий измерены правильно. Потом в Москве я проверил диаметры отверстий с помощью калибров и подтвердил правильность измерений.
06 этом эпизоде я вспомнил во время конференции УЗДМ-2004. В своем докладе проф. А.К. Гурвич утверждал, что немонотонности существуют. В личной беседе Анатолий Константинович сказал, что по его поручению кривую изменения амплитуды отражения в зависимости от диаметра цилиндрического отверстия многократно снимали студенты и обнаружили область немонотонностей. Не верю я студенческим результатам. Я сам две недели тер образцы щупами, добиваясь максимальной достоверности.
Чем объясняется отсутствие немонотонности? Расчеты показали, что для обычно применяемых ультразвуковых импульсов в три-четыре периода колебаний ширина спектра частот соответствует интервалу частот, на котором укладывается минимум и максимум кривой A.C. Голубева. Таким образом импульсный характер излучения вызывает усреднение кривой A.C. Голубева.
С точки зрения интерференции импульсов это следует понимать так. При образовании минимума обежавшая цилиндр волна приходит по отношению к непосредственно отраженной волне в противофазе. Но суммируемая амплитуда обежавшего сигнала гораздо меньше, чем непосредственно отраженного и происходит уменьшение амплитуды без воз-
7 Дефектоскопия, № 10, 2004
98
И.Н. Ермолов
никновения минимума. Подобное суммирование импульсов (одинаковых по фазе, но разных по амплитуде) происходит в месте, где должен быть максимум.
Возможно, сказывается также то обстоятельство, что мы ищем максимум амплитуды эхосигнала от отверстия. При этом мы двигаем преобразователь и немного изменяем положение точки падения на отражатель. Может быть, мы невольно приходим к таким условиям, когда интерференция, приводящая к образованию минимума, нивелируется. Но этот вариант объяснения вызывает сомнение, так как в этом случае максимумы кривой должны были бы сохраниться.
Во всяком случае, я уверен, что немонотонностей в зависимости амплитуды отражения поперечной волны в функции от диаметра бокового цилиндрического отверстия при обычных условиях контроля не наблюдается с точностью 0,5 дБ.
НПЦ "ЭХО" Поступила в редакцию
Москва 22 июня 2004 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Голубев A.C. Передовой научно-технический и производственный опыт.— М.: ЦНИТЭИН, 1961, вып. 16.
2. Ермолов И.Н., Вятсков И. А. Особенности отражения от бокового цилиндрического отверстия при дефектоскопии импульсным эхометодом.— Дефектоскопия, 1973, № 2, с. 66—72.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.