Физические основы и методы ультразвуковой дефектоскопии.

Ультразвуковой контроль (УЗК) относится к акустическому виду неразрушающего контроля, основанному на анализе результатов взаимодействия звуковых волн с объектом контроля (ОК) => УЗК относится к методам активного контроля (подразумевает воздействие на ОК и последующий анализ изменения первичного воздействия для характеристики дефектов).

Все многообразие акустических методов неразрушающего контроля основано на взаимодействии упругих сред (жидких, твердых и газообразных) с акустическими колебаниями и волнами. Они отличаются способами возбуждения колебаний и их регистрацией.

Из числа акустических методов чаще всего применяют ультразвуковую дефектоскопию (УЗД), ультразвуковую толщинометрию (УЗТ) и акустико-эмиссионный неразрушающий контроль. На УЗД в мировой практике приходится в настоящее время 60 % всего объема неразрушающего контроля.

Акустические колебания и волны

Акустические колебания представляют собой механические колебания частиц упругой среды. Процессы распространения этих колебаний в среде называют акустическими волнами. Линию, указывающую направление распространения волны, называют лучом, а границу раздела колеблющихся частиц от неколеблющихся - фронтом волны.

Акустические колебания характеризуются частотой, интенсивностью и видом. Виды колебаний в основном определяются свойствами упругой среды и способом их создания. В жидкостях и газах, обладающих упругостью объема, акустические колебания распространяются с одинаковой скоростью во всех направлениях. В твердых телах, характеризуемых помимо упругости объема еще и упругостью формы (сдвиговой упругостью) и неодинаковостью деформаций растяжение-сжатие по различным направлениям (для анизотропных тел), закономерности распространения акустических волн значительно сложнее.

Колебания с частотой до 16...20 Гц называют инфразвуковыми. Колебания с частотой от 16...20 до (15...20)10³ Гц составляют диапазон слышимости, воспринимаемый человеческим ухом. При увеличении частоты колебаний звука более 20 кГц он переходит в ультразвук; при этом способность его распространения меняется: в воздухе способность распространения уменьшается, в твердых и жидких средах - увеличивается. При неразрушающем контроле металлических материалов используются частоты ультразвукового диапазона 0,5...25 МГц (500…25000 кГц).

Распространение акустической ультразвуковой волны в материале происходит с определенной постоянной скоростью С, определяемой свойствами среды. Распространение волны сопровождается образованием в материале зон, в которых частицы находятся в одинаковом колебательном состоянии (фазе). Минимальное расстояние между такими зонами называют длиной волны . Величина  связана со скоростью распространения С и частотой колебаний f выражением

.

Изменить длину ультразвуковой волны в конкретном материале можно только путем изменения частоты f возбуждаемых колебаний.

Направление колебаний частицы в твердых телах может быть различным по отношению к направлению распространения волны. По характеру смещения частиц и распространению колебаний волны бывают нескольких типов.

Характер деформации твердых тел при распространении в них упругих волн некоторых типов (величины деформации тела очень малы и измеряются долями процента от длины волны):

а - продольные (растяжение-сжатие);

б - поперечные (сдвиговые).

Продольными называют волны, когда частицы упругой среды колеблются в направлении распространения волны, подвергаясь при этом поочередно деформациям растяжения-сжатия.

Скорость  продольной волны определяют по формуле

, где Е - модуль упругости;  - коэффициент Пуассона;  - плотность среды.

Если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения, испытывая деформации сдвига, такие волны называют поперечными или сдвиговыми. Поперечные волны могут возникать только в твердых средах, обладающих сдвиговой упругостью. Скорость поперечной волны

.

При проведении УЗД и УЗТ металла и сварных соединений используют в основном поперечные и продольные волны.

Затухание ультразвука

Распространение ультразвуковой волны, вызванной колебательными движениями возбужденных частиц благодаря упругим силам между ними, сопровождается переносом энергии. Количество энергии, переносимое волной за 1 с через 1 см² площади, перпендикулярной направлению распространения, называют интенсивностью ультразвука. Интенсивность ультразвуковых колебаний частиц обычно невелика (энергия волны не более 100 Вт/см² и не выходит за пределы упругих деформаций, где напряжения и деформации связаны линейной зависимостью.

Интенсивность ультразвука по мере прохождения в среде уменьшается за счет ее волнового сопротивления z. Величина этого сопротивления, часто называемого характеристическим импедансом, зависит от плотности среды , скорости распространения волн С и определяется выражением

.

Интенсивность ультразвука J пропорциональна квадрату амплитуды упругого смещения и квадрату частоты колебаний

,

где A - амплитуда упругого смещения частиц среды; f - частота колебаний.

Из последнего выражения следует, что чем большим акустическим сопротивлением обладает среда, тем большая энергия требуется для возбуждения в ней волн заданной частоты и амплитуды. По мере прохождения волны от источника излучения амплитуда упругого смещения частиц уменьшается и интенсивность ультразвука падает. Затухание интенсивности происходит по двум основным причинам: поглощения и рассеяния. Коэффициент затухания  соответственно состоит из двух слагаемых

,

где  - коэффициент поглощения, определяемый вязкостью среды и частотой колебаний;  - коэффициент рассеяния, зависящий от структуры, упорядоченности расположения и размера зерен кристаллов.

Поглощение - это процесс перехода энергии колебаний в тепловую, обусловленный трением колеблющихся частиц. Поглощение будет тем больше, чем больше частота колебаний.

При рассеянии происходят преломление и трансформация ультразвуковых волн. Рассеяние обусловлено кристаллической структурой металлов и сплавов. При прохождении ультразвуковой волны через границы кристаллов волна частично отражается, преломляется и трансформируется. Рассеяние по этим причинам может быть значительным. Максимальное рассеяние имеет место при , где  - средний размер зерна.

Снижение интенсивности ультразвука вследствие его затухания в зависимости от пройденного в материале расстояния происходит по экспоненциальному закону

,

где  - интенсивность ультразвука на расстоянии х от источника излучения, интенсивность излучения которого ;  - коэффициент затухания.

Чем больше коэффициент затухания, тем значительнее ослабление ультразвука, а следовательно, меньше глубина его проникновения. Поскольку амплитуда волны пропорциональна корню квадратному из интенсивности ультразвука (), влияние затухания на амплитуду описывается формулой

.

Для оценки ослабления в большинстве случаев нет необходимости определять интенсивность J или амплитуду A в абсолютных единицах. Чаще бывает достаточно определить их величину относительно некоторого постоянного (опорного) уровня . В этом случае для выражения относительной величины используют специальные единицы - децибелы. Число децибел дБ определяют по формулам

.

В практике УЗД, когда контролируется соотношение амплитуд колебаний, для определения дБ обычно используют вторую формулу.

Различные методы ультразвукового контроля отличаются схемами установки излучателя и приемника ультразвуковых колебаний, их положением относительно объекта контроля. Применяют:

Наиболее широкое распространение получил импульсный эхо-метод, основанный на отражении УЗ колебаний от несплошности и приеме отраженных эхо-сигналов. Амплитуда эхо-сигнала на экране дефектоскопа при этом будет пропорциональна размерам дефекта.