Акустические методы
УДК 620.179.16
ДОСТИЖЕНИЯ В ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ВОПРОСАХ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ, ЗАДАЧИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
И.Н. Ермолов
Предлагаемый материал подготовлен по просьбе организаторов XVIII Санкт-Петербургской конференции "Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций УЗДМ 2004". В работе кратко рассмотрены достижения в теоретических вопросах ультразвуковой дефектоскопии приблизительно за последние 20 лет, затронуты также некоторые практические вопросы. Сформулированы отдельные задачи, ждущие своего разрешения, и представлен взгляд автора на перспективы развития ультразвуковой дефектоскопии. В подготовке статьи очень помогла недавно вышедшая книга [1].
ВОЛНЫ И ИХ СВОЙСТВА Новые или мало употребляемые типы волн
Головные волны в настоящее время хорошо известны, но в этом вопросе имеются положения, требующие обсуждения. Головные продольные волны — это волны вдоль поверхности. Другое название — поверхностно-продольные. Название "головная" получило распространение только среди дефектоскопистов в России. Акустики относят ее к одному из типов вытекающих волн [2]. Сейсмоакустики и дефектоскописты за границей ее называют ползущей волной (creep wave) или боковой волной (lateral wave). Между этими волнами существуют различия. Например, при распространении этих волн вблизи поверхности выпуклого цилиндра ползущей называют волну, распространяющуюся вдоль поверхности, а боковой — волну, распространяющуюся по хорде. Использовать головные волны для целей дефектоскопии предложил Н.П. Разыграев (ЦНИ-ИТМАШ) в 1974 г. [3].
Probe
Рис. 1. Система волн в металле, возникающих при падении продольной волны из пластмассовой призмы преобразователя на границу с металлом (сталью) под первым критическим углом.
С
На рис. 1 показана система волн, возникающих при падении продольной волны из пластмассовой призмы преобразователя "probe" на границу с металлом (сталью) под первым критическим углом [4, с. 649]. Наибольшую скорость имеет продольная волна с фронтом Р. От наклонного преобразователя эта волна (в том числе головная-ползущая С вдоль поверхности) распространяется в виде расходящегося пучка лучей. Этим объясняется зависимость амплитуды эхосигнала, получаемого от плоскодонных отверстий при разной глубине их залегания h и разном расстоянии / преобразователь — отражатель, показанная на рис. 2. Максимальную амплитуду имеют лучи под углом приблизительно 80°.
Когда продольная волна распространяется вдоль поверхности, она одна не может удовлетворить граничное условие на свободной поверхности объекта контроля (ОК): напряжения равны нулю. В каждой точке поверхности она порождает поперечную волну S, распространя-
ющуюся под углом к нормали поверхности. Этот угол равен третьему критическому. Благодаря этой поперечной волне удовлетворяется условие на свободной поверхности. Поперечная волна уносит энергию, в результате волна С быстро ослабляется. Фронт поперечных волн Н — наклонная плоскость. В акустике и заграничной дефектоскопической литературе именно эта волна Н называется головной, а в кругах российских дефектоскопистов ее называют поперечной боковой. Поперечная волна порождает продольную волну Р, отстающую по времени от упомянутой ранее волны Р, хотя среди теоретиков в ее существовании имеются сомнения.
Рис. 2. Возбуждение и прием головной волны по схемам тандем (а) и дуэт (б). Амплитуда отражения А'/Л (для схемы тандем) от плоскодонного отверстия в зависимости от глубины залегания /г (в).
Для возбуждения и приема головной волны обычно применяют наклонные РС-преобразователи с углом падения, равным первому критическому, как на рис. 2. Разделение излучателя и приемника необходимо ввиду высокого уровня помех. Однако в [4, с. 3064] сообщается о разработке совмещенного преобразователя головных волн на частоту 5 МГц. Конструкция преобразователя не приводится.
Л.В. Юозонене сообщила [5], что существование поверхностно-продольной волны следует из характеристического уравнения Рэлея, которым, как известно, доказывается существование поверхностных волн рэ-леевского типа. Однако В.Н. Данилов [6] показал, что эта интерпретация комплексных корней характеристического уравнения ошибочна. При коэффициенте Пуассона V > 0,26 уравнение имеет только один корень, соответствующий рэлеевской волне. Корень, обнаруженный Л.В. Юозонене, является корнем характеристического уравнения, возведенного в квадрат (что приходится делать при его решении), но не является корнем исходного уравнения.
Поперечные головные волны. В [7, док. 1.28] М.В. Асадчая и др. сообщают о существовании и возможности использования подповерхностных вертикально поляризованных сдвиговых волн. Их скорость почти в
два раза меньше, чем скорость подповерхностных продольных волн, поэтому соответствующим образом уменьшается глубина контролируемого слоя. Наиболее эффективный способ возбуждения волн при контроле металлов — использование пьезопреобразователей с призмами из плексигласа, расположенных по схеме дуэт. Анализируется экспериментально диаграмма направленности этих волн.
Рэлеевские БН-волны. В [4, с. 3160] сообщается о разработке пьезоэлектрических преобразователей для излучения и приема наклонных горизонтально поляризованных поперечных волн, в том числе с углом преломления 90°. Следует отметить, что поверхностная горизонтально поляризованная поперечная волна не является волной Рэлея, поскольку последняя — комбинация вертикально поляризованной поперечной волны и продольной волны, которые совместно обеспечивают равенства нулю напряжений на поверхности твердого тела. В рассматриваемом случае поверхностных 5Н-волн продольная волна с поперечной взаимодействовать не может, так как колебания происходят в разных плоскостях.
Измерение коэффициента затухания
При измерении затухания волн необходимо учитывать дифракционное ослабление ультразвуковых лучей в акустическом поле преобразователя и неполное отражение ультразвука от границы объекта контроля с преобразователем при многократном отражении в объекте контроля. В литературе по измерению коэффициента затухания эти поправки часто не рассматриваются. Подробно, с поясняющими примерами методика измерения коэффициента затухания изложена в справочнике [8]. В нем впервые указано, что дифракционное ослабление донного сигнала в ближней зоне зависит от волнового размера преобразователя (установлено В.Н. Даниловым) и предложено применение для акустического контакта толстого слоя животного жира (сала) вместо неудобной для использования иммерсионной жидкости.
Эта методика обеспечивает довольно высокую точность (около 10 %) при измерении затухания только продольных волн. При измерении затухания поперечных волн точность существенно меньше, поскольку для их возбуждения и приема приходится использовать наклонные преобразователи и перемещать их по поверхности объекта контроля, чтобы зафиксировать отражение от двугранного угла прямым и однократно отраженным лучами. При этом возникает трудно контролируемое изменение качества акустического контакта. Прямые пьезопреобразователи для возбуждения и приема поперечных волн, нормальных к поверхности, имеют недостаточную чувствительность и реализовать с их помощью ту же методику, что при измерении затухания продольных волн, не удается. Возможно применение ЭМА преобразователей, но для этого нужна специальная аппаратура.
Отражение и прохождение волн
Отражение от тонкого воздушного слоя. Через слой воздуха толщиной Ис, расположенный между двумя твердыми телами, ультразвук проходит очень плохо. Если обе среды одинаковы с волновым сопротивлением г, а слой с волновым сопротивлением гс — тонкий (/гс « А,с — длины волны в слое), то коэффициент отражения по энергии рассчитывают по формуле Рэлея
На рис. 3 представлены кривые для коэффициента отражения от воздушного слоя в стали, соответствующие теоретическим данным 1, и результатам экспериментальных измерений [9] 2 и 3. Верхняя шкала по оси абсцисс соответствует произведению ширины воздушного зазора на частоту ультразвука /?с/, а нижняя — ширине воздушного зазора /гс в мм для частоты 2,5 МГц. Экспериментальные значения, при которых коэффициент отражения резко возрастает, на два-три порядка больше предсказанных теорией.
А/, мм-МГц 4-10-7 4-Ю"6 410"5 4-10-4 4 1(Г3 И, мм
Рис. 3. Коэффициент отражения по энергии Я и от воздушного слоя в стали.
Чем объясняется такое существенное расхождение? Известно, что плитки Иогансона имеют чистоту поверхности 12 класса. Это означает, что шероховатость поверхности не превосходит 4-Ю-5 мм. Простое прижатие друг к другу плиток Иогансона не изменяет отражение ультразвука от свободной поверхности. Если плитки притереть уголками, а затем надвинуть друг на друга, то плитки слипнутся под действием межатомного притяжения, а донный сигнал уменьшится. Этот эксперимент подтверждает, что воздушный зазор порядка 10~5 мм уменьшает отражение ультразвука.
Возникает предположение, что в этом случае прохождение ультразвука определяется не чисто геометро-акустическими факторами, из которых исходит формула Рэлея, а силами межатомного взаимодействия поверхностей воздушного зазора. Межатомные расстояния в кристаллической решетке твердого тела имеют величину 10"6—10~7 мм, но межатомное взаимодействие также проявляется при расстояниях порядка 10~5 мм и способствует передаче ультразвука.
Прохождение через границу плексиглас — сталь под критическими углами. На рис. 4 показан график изменения в функции от угла падения коэффициента прозрачности (по энергии) границы плексиглас — сталь, разделенных тонким слоем жидкости в зависимости от угла падения, рассчитанный Д.Б. Диановым. Коэффициент прозрачности по энергии равен произведению коэффициентов прозрачности по амплитуде при прохождении границы в прямом и обратном направлениях. Наши экспериментальные измерения, выполненные преобразователем с переменным углом ввода и постоянной точкой выхода (отражателем служила полуцилиндрическая поверхность СО-3), подтвердили правильность теории во всей области углов падения за исключением области вблизи первого кри-
тического угла. Здесь экспериментальная кривая показана
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.