Дифракция на препятствии и рефракция

При использовании методов НК, основанных на ультразвуковых волнах, исходят из представления геометрической акустики о распространении волн. В этом приближении считают, что лучи распространяются в среде по прямым линиям, а на границах раздела сред происходят явления отражения и преломления, происходящие по закону Снеллиуса. Если упругая волна на своем пути встречает звуконепроницаемое препятствие, то, по законам геометрической акустики, за препятствием должна возникнуть область звуковой тени. Приближенно геометрическая акустика находит применение во многих средах широкой области частот и углов падения. Однако, если размеры препятствия или отражателя сравнимы или меньше длины волны, то в области геометрической тени есть волны, которые как бы огибают препятствия.

Дифракция – это явление частичного огибания волной препятствия, находящегося на пути ее распространения.

Если волна встречает звуконепроницаемую преграду с точечным отверстием, то по другую сторону от преграды волна распространяется как от точечного источника (рис. 2.13, а). Явление частичного огибания препятствия волной иллюстрирует рис. 2.13, б. Дифракция проявляется тем сильнее, чем меньше размеры препятствий, например, отражателей. Если размеры отражателя существенно меньше длины волны, то волна огибает отражатель и сколько-нибудь существенного отражения не возникает.

Рис. 2.13. Дифракция волн: а – сферическая волна от точечного источника;
б – огибание пучком препятствия

Принято разделять четыре типа дифракции в зависимости от типов зон, в которых законы геометрической акустики не применимы.

Дифракция 1-го типа. Возникает при взаимодействии волны с острыми краями несплопшостей, в частности, с краями трещин (рис. 2.14, а). Помимо зеркального отражения от плоскостного дефекта, края трещин становятся вторичными излучателями и возбуждают сферические волны. Этот тип дифракции используется для определения высоты трещин по разности времен прихода дифрагированных волн, рис.53б. Разность времен прихода импульсов в положениях преобразователей (1-1') и (2 -2') пропорциональна высоте трещины.

Рис. 2.14. Дифракция 1-го типа: а – возникновение краевых волн от плоскостного
отражателя; б – схема дифракционно-временного метода

Дифракция 2-го типа. Возникает при касании лучами поверхностей гладких тел, например объемного дефекта (рис. 2.14, а). За счет дифракции волна частично огибает дефект, формируя так называемую огибающую волну. Огибающая волна порождает волны соскальзывания. Осциллограмма изображения на экране дефектоскопа для поперечной волны, излученной наклонным преобразователем и падающей на дефект округлой формы, показана на рис. 2.14, б. Серия импульсов за первым (зеркальным) отражением от объемного дефекта образована волнами соскальзывания, возникшими после обхода огибающей волной поверхности дефекта один и более раз.

Рис. 2.14. Дифракция 2-го типа: а – волны обегания и соскальзывания;
б – осциллограмма на экране дефектоскопа

Дифракция 3-го типа. Образуется при падении волн на границу раздела двух сред под первым, вторым или третьим критическими углами. При этом образуются головные волны, которые порождают дифракционные боковые волны (рис. 2.15). Боковые волны отходят от границы раздела под критическими углами.

Рис. 2.15. Дифракция 3-го типа

Дифракция 4-го типа или рефракция. Образуется в слоисто-неоднородных средах и проявляется в непрямолинейном распространении лучей (рис. 2.16). За счет явления рефракции могут возникать каустики, то есть малые области, в которых собирается семейство нескольких лучей. Рефракция проявляется тем сильнее, чем более резко изменяется скорость волны с глубиной и чем больше угол падения на неоднородную среду. Волны в неоднородной среде могут выйти на ту же поверхность, с которой производится ввод (рис. 2.16). Рефракция упругих волн наблюдается в слоистых пластиках, в поверхностно-закаленных стальных изделиях, в зоне термического влияния сварных швов.

2.5. Возбуждение и прием упругих волн
электроакустическими преобразователями

Излучение и прием упругих волн осуществляют с помощью электроакустический преобразователей. Электроакустические преобразователи трансформируют электрическую энергию в механические колебания и обратно. Преобразователи классифицируют по нескольким признакам.

По способу акустического контакта различают:

– контактные преобразователи, которые прижимают к поверхности ОК, предварительно смазанной контактной жидкостью. Иногда слой жидкости заменяется эластичным протектором. Толщина слоя контактной среды не превышает l/2;

– иммерсионные преобразователи, между поверхностью которых и изделием находится слой контактной жидкости толщиной в несколько длин волн. Изделие целиком или частично погружается в ванну;

– контактно-иммерсионные преобразователи с локальной иммерсионной ванной;

– щелевые преобразователи, между поверхностью которых и ОК создается зазор, равный приблизительно длине волны, а контактная жидкость удерживается силами поверхностного натяжения;

– преобразователи с сухим точечным контактом. Они имеют шарообразную поверхность, соприкасающуюся с изделием;

– бесконтактные преобразователи, возбуждающие упругие волны через слой воздуха (воздушно-акустическая связь) или с помощью трансформации электрической энергии в акустическую в самом объекте контроля, при этом используются те или иные физические эффекты.

По способу соединения преобразователей с УЗ дефектоскопом различают:

– совмещенные преобразователи, которые одновременно соединяются и с генератором, и с приемником дефектоскопа. Они служат как для излучения, так и для приема ультразвука;

– раздельные преобразователи. Излучатель подсоединяют к генератору дефектоскопа, приемный преобразователь подсоединяют ко входу приемно-усилительного блока дефектоскопа;

– раздельно-совмещенные преобразователи, состоящие из излучающей и приемной частей, объединенных конструктивно между собой.

По направлению акустической оси преобразователи разделяют:

– на прямые, излучающие волны нормально к поверхности ОК;

– наклонные, в том числе с переменным углом наклона.

По форме акустического поля различают:

– обычные преобразователи с плоской пьезопластиной;

– фокусирующие преобразователи. Пучок волн, который излучают такие преобразователи, сужается в определенной (малой) области пространства;

– мозаичные преобразователи, в том числе фазированные решетки. Состоят из нескольких элементов, управляемых по отдельности.

Наибольшее применение находят пьезоэлектрические преобразователи.

Пьезоэлектрические преобразователи. В основу положен принцип прямого и обратного пьезоэффекта. Прямым пьезоэффектом называется возникновение связанных электрических зарядов на поверхности тела при его деформации (рис. 2.17, а). Если на пластинку из пьезоэлектрического материала падает упругая волна, вызывая его деформацию, то на поверхности пластинки возникают переменные электрические заряды. Это явление используется при приеме упругих волн. Обратным пьезоэффектом называется изменение размеров тела в электрическом поле (Е на рис. 2.17, б). Явление обратного пьезоэффекта применяют для возбуждения волн.

Рис. 2.17. Явления прямого (а) и обратного пьезоэффекта (б)

Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты наблюдаются в некоторых кристаллах, например в кварце. Для возбуждения нужного вида колебаний пластинку вырезают вдоль определенного кристаллографического направления. В преобразователях, предназначенных для ультразвуковой дефектоскопии, чаще всего применяют сегнетоэлектрическую пьезокерамику. Пьезокерамическому материалу придают требуемую форму, пока он находится в пластичном состоянии. Затем его спекают при высокой температуре около 1000 °С и. выше и поляризуют в сильном электрическом поле.

Обычно пьезоэлементу придают форму пластины. На обе поверхности пластины наносят тонкие металлические электроды. Резонансная частота пьезопластины зависит от ее толщины h. Условие резонанса таково: на толщине hдолжна укладываться половина длины волны ультразвука: h= . Отсюда резонансную частоту f_o находим по формуле

f_o=c/2h, (2.22)

где с – скорость ультразвука в материале пьезоэлемента. Поперечные размеры пьезопластины выбирают из условия, мм:

a f_o =(12…15), (2.23)

где а – радиус пьезопластины. Эффективность возбуждения волн пьезоэлементом зависит от пьезомодуля d:

q = dP, (2.24)

где Р – давление, q – величина связанных зарядов на единицу площади.

Пьезоэлектрические свойства сохраняются до температуры, называемой точкой Кюри T_k . Выше T_k пьезосвойства материала пропадают. Для изготовления пьезопластин ультразвуковых преобразователей в настоящее время применяют кристаллический кварц, титанат бария и пьезокерамику цирконат-титанат свинца марки ЦТС-19. Их основные свойства представлены в табл. 2.5.

Таблица 2.5