Тема 10

Физические основы ультразвукового контроля

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

1.1 Акустические колебания

Упругие колебания частиц среды вблизи положения равновесия называют акустическими колебаниями. Механизм колебаний определяется двумя основными физическими свойствами вещества: упругостью и инерцией.

Под упругостью понимают способность тел восстанавливать после прекращения воздействия первоначальную форму или объем. Инерция – способность тел сохранять свою скорость в отсутствии внешних сил.

Зависимость смещения частиц среды от времени (рис. 1.1) при непрерывных колебаниях описывается периодической функцией времени. Периодом T называют минимальный интервал времени между одинаковыми положениями частицы. Период – это время одного колебания, измеряется в секундах (с), миллисекундах (мс), микросекундах (мкс).

Для целей ультразвукового контроля практическую значимость имеют импульсные колебания (рис. 1.2). В отличие от непрерывных, импульсные колебания (рис. 1.2) ограничены во времени, имеют начало и конец. Под импульсом понимают часть сигнала, амплитуда колебаний которого превышает установленный порог. Изменение амплитуды колебаний описывается огибающей.

1.2 Акустические волны

Процесс распространения акустических колебаний (рис. 1.3) в объекте контроля называют акустической волной. В процессе распространения волны происходит перенос энергии колебаний из одной точки среды в другую.

Механизм распространения волн иллюстрирует рисунок 1.4. Колебания в разных точках среды синхронизированы, например, в точках А и Б колебания смещены относительно друг друга на половину периода.

Когда в точке А частица смещена вниз, в точке Б частица смещена вверх и наоборот. Стрелками на рисунке 1.4 показаны смещения частиц среды в процессе распространения волны вправо.

1.3 Скорость распространения волны

Скорость распространения волны определяется как путь проходимый волной за единицу времени (секунду). Скорость объемных волн (продольного, поперечного, поверхностного типа) зависит только от упругости и плотности среды, типа волны:

Необходимо отметить, что для целей ультразвукового контроля считают скорость распространения объемных и поверхностных волн независимой от частоты, амплитуды и направления распространения волны.

1.4 Частота волны (колебаний)

В ультразвуковом контроле наибольшее распространение получила величина обратно пропорциональная периоду – частота:

F = 1 / T

Частота – это число колебаний совершаемой частицей среды за единицу времени. Единицы измерения частоты: Гц, кГц, МГц приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Единицы измерения частоты

Частота		Число колебаний в секунду
Обозначение	Наименование
1 Гц	герц	1
1 кГц	килогерц	1 000
1 МГц	мегагерц	1 000 000

Частота колебаний определяет характер взаимодействия акустических колебаний с веществом (Рис. 1.5). Высокочастотные колебания с частотой больше 10 МГц испытывают сильное затухание и не проникают в объект контроля на значительную глубину. Низкочастотные колебания с частотой меньше 1 МГц испытывают дифракцию, огибают дефекты с размерами меньше длины волны. Поэтому наибольшее распространение в акустическом контроле получили ультразвуковые колебания с частотой от 0,4 МГц до 10 МГц.

1.5 Длина волны

Акустические волны являются периодическими в пространстве, при этом пространственный период волны называют длиной волны. Длина волны – это минимальное расстояние между частицами среды, которые колеблются в одной фазе (одновременно, синхронно) (рисунок 1.4), обозначается символом λ и измеряется в м, мм.

От длины волны зависят параметры взаимодействия волны с неоднородностями среды (несплошностями, структурой материала). Волна слабо взаимодействует («огибает») с дефектами, размеры которых значительно меньше длины волны. Длина волны зависит от частоты и скорости распространения волны:

λ = C / f

1.6 Амплитуда волны

Амплитуда волны – это максимальное смещение частиц среды от положения равновесия. В непрерывных колебаниях амплитуда каждого последующего колебания равна предыдущему. На рисунке 1.6 показаны непрерывные колебания с амплитудой 4 мкм.

В импульсных колебаниях амплитуда изменяется во времени, при этом амплитудой импульса называют максимальную амплитуду колебаний. На рисунке 1.7 показаны импульсные колебания с амплитудой 2,8 мкм.

В неразрушающем контроле амплитуда акустического импульса является одной из основных величин, по которой принимается решение о браковке изделия. Абсолютное значение амплитуды импульса на практике не применяется, так как это значение зависит не только от характеристик дефекта, но и от посторонних факторов: состояния поверхности ввода ультразвуковых волн, расстояния до дефекта, акустических свойств материала объекта контроля. Поэтому в основу ультразвукового метода контроля положено сравнение амплитуд импульсов отраженных от дефектов с амплитудой импульсов отраженных от эталонных отражателей.

На рисунке 1.8 показаны акустические импульсы отраженные от дефекта и эталонного отражателя с амплитудами A_д и A_эо, соответственно. Отношение амплитуд A_д/A_эо = 0,5 напрямую характеризует отражательную способность дефекта, а при прочих равных условиях – размер дефекта.

Отношение амплитуд, коэффициент выявляемости, коэффициент усиления, условную чувствительность, принято измерять в относительных логарифмических единицах – децибелах (дБ):

N = 20·Lg(A /A₀)

где A – амплитуда импульса, А₀ - амплитуда эталонного импульса, Lg() – десятичный логарифм.

Использование единиц дБ позволяет существенно упростить расчеты в ультразвуковой дефектоскопии: знаки умножения и деления заменяются на знаки сложения и вычитания, соответственно. В таблице 1.1 приведены соотношения между относительными единицами и дБ.

Таблица 1.1 – Значения амплитуд импульсов N в дБ и соответствующие значения относительной амплитуды A/А₀

A / А0	N, дБ
100	40
10	20
2	6
1	0
0,5	- 6
0,1	- 20
0,01	- 40

1.7 Типы волн

В безграничной среде могут распространяться несколько типов волн: продольные, поперечные и поверхностные. Каждая из этих волн отличается от других направлением колебаний в волне и скоростью распространения.

Продольные волны – это акустические волны, в которых частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. Под действием волны материал испытывает деформацию сжатия и растяжения. Волны способны распространяться во всех телах кроме вакуума и обладают самой высокой скоростью распространения в сталях C_l = 5950 м/с.

Поперечные волны – это акустические волны, в которых частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Под действием волны материал испытывает деформацию сдвига. Данный тип волн может распространяться только в твердых телах. В жидкостях и газах поперечные волны не распространяются. Скорость сдвиговых волн (C_t) в одном материале всегда меньше скорости продольных волн (C_l), для стали выполняется следующее соотношение:

C_t ≈ 0,55 ⋅ C_l

Поверхностные волны (волны Релея) – это акустические волны, которые распространяются по границе раздела сред, в слое с характерной толщиной от 1,5 до 2 длины волны (1,5−2)∙λ.

Колебания частиц среды волны объединяют в себе продольные и поперечные колебания, при этом частицы движутся по замкнутым эллиптическим траекториям скорость (С_п), самая низкая, в сталях приближенно выполняется соотношение:

C_n ≈ 0,96 ⋅ C_t

В общем случае в одном материале всегда выполняется соотношение:

C_l> C_t > C_n

2 ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

2.1 Акустическое поле

В ультразвуковом контроле в большинстве практических задач принимается прямолинейный закон распространения акустических волн. Для описания акустического поля волны применяют понятия: фронт и луч (рис. 2.1). Луч волны – прямая линия, вдоль которой распространяется волна, фронт волны – поверхность все точки которой колеблются в одной фазе.

В процессе распространения волны лучи расходятся, площадь фронта увеличивается. На рис. 2.1 показано, что площадь поверхности фронта 2 больше, чем у фронта 1. Так как площадь увеличивается, а количество энергии при этом остается величиной постоянной, следовательно, амплитуда уменьшается. Это один из основных механизмов уменьшения амплитуды волны, связанный с расхождением лучей.

Понятия луч и фронт широко применяются для построения схем прозвучивания объектов контроля. На рис. 2.2 приведена схема прозвучивания сварного шва наклонным преобразователем. Акустическая волна представлена только одним центральным лучом. Контроль шва проводится в двух положениях преобразователя:

1 – контроль верхней части шва отраженным от донной поверхности лучом;

2 – контроль нижней части шва прямым лучом.

Построение и анализ схемы прозвучивания позволяет определить расположение и ориентацию выявляемых дефектов, зону контроля и т.д.

Различают следующие фронты волны: плоский, цилиндрический и сферический. У волны с плоским фронтом ультразвуковые лучи параллельны, площадь фронта не увеличивается, поэтому амплитуда волны остается постоянной. У волн с цилиндрическим и сферическим фронтами лучи расходятся, фронт увеличивается, поэтому амплитуда волны при распространении волны уменьшается. Плоский фронт имеют волны в стержнях, цилиндрическим фронтом – поверхностные или волны в пластинах, сферический продольный и поперечные волны массивных образцах.

Расхождение волны от источника приводит к уменьшению амплитуды эхо-импульсов, отраженных от дефектов. При этом, чем дальше от преобразователя расположен дефект, тем меньше регистрируемая дефектоскопом амплитуда эхо-импульса.

2.2 Затухание

Затуханием называют процесс уменьшения амплитуды волны, связанный с поглощением и рассеянием в материале объекта контроля. Коэффициент затухания определяется свойствами материала.

Поглощение – это прямой переход энергии волны в тепловую энергию (нагрев объекта контроля) за счет внутреннего трения, теплопроводности среды и так далее. Поглощение ультразвука преобладает над рассеянием в газах, жидкостях и однородных твердых телах. В процессе контроля основным механизмом затухания в контактной жидкости и в материале призмы, протектора является поглощение. Поглощение возрастает при увеличении вязкости жидкости. Если наклон поверхности объекта позволяет для обеспечения акустического контакта рекомендуется использовать менее вязкие жидкости.

Рассеяние акустических волн возникает на структурных неоднородностях среды. Реальные стали и сплавы имеют зернистую структуру, образующуюся на этапе кристаллизации (затвердевания). Размер зерна зависит от многих факторов: скорости охлаждения, химического состава, термообработки, механической обработки и так далее. При распространении акустической волны в структурно-неоднородной среде (Рис. 2.3) на границах зерен возникают хаотично рассеянные волны, которые уносят часть энергии основной волны. Амплитуда волны при этом уменьшается.

2.3 Взаимодействие волны с границей раздела сред

Падение волны на границу раздела сред сопровождается тремя основными процессами (рис. 2.5): отражением, преломлением и трансформацией. При отражении от границы возникает волна того же типа, распространяющаяся обратно в первую среду. Преломление приводит к изменению направления распространения волны во второй среде. Трансформация вызывает появления в первой и второй средах волн другого типа, отличного от типа падающей волны.

На рис. 2.5, а показано падение продольной волны на границу раздела сред, при котором возникают:

l₀ – падающая продольная волна;

l₁ – отраженная продольная волна;

l₂ – преломленная продольная волна;

t₁ – трансформированная отраженная поперечная волна;

t₂ – трансформированная прошедшая поперечная волна.

На рис. 2.5, б показано падение поперечной волны на границу раздела сред, при котором возникают:

t₀ – падающая поперечная волна;

t₁ – отраженная поперечная волна;

t₂ – преломленная поперечная волна;

l₁ – трансформированная отраженная продольная волна;

l₂ – трансформированная прошедшая продольная волна.

Углы падения, преломления и отражения связаны друг с другом законом Снеллиуса. Следствиями этого закона являются следующие утверждения:

- угол падения равен углу отражения;

- чем больше скорость волны, тем больше угол к нормали;

- продольные волны отражаются и преломляются под большими углами к нормали, чем поперечные.

2.4 Связь процессов отражения, преломления и трансформации с углом падения продольной волны

Волновые процессы на границе раздела сред определяют закономерности прохождения волн из преобразователя в объект контроля и обратно. На рис. 2.6 схематично показан наклонный преобразователь, установленный на объект контроля.

Под действием электрического сигнала, вырабатываемого дефектоскопом, пьезопластина совершает колебания, в процессе которых изменяется ее толщина. В призме преобразователя возбуждается акустическая волна продольного типа, падающая на границу раздела с объектом контроля под некоторым углом к нормали.

В зависимости от угла падения в объект контроля проникают только продольные волны, продольные и поперечные, только поперечные или поверхностные волны.

При падении продольной волны на границу раздела сред по нормали (рис. 2.7, а) β₀ = 0º поперечные волны не возникают, а отраженные и прошедшие волны так же распространяются по нормали.

Увеличение угла падения продольной волны (рис. 2.7, б) β₀ > 0 приводит к появлению прошедших и отраженных поперечных волн. В каждой среде распространяются две волны, причем углы распространения продольных волн больше углов распространения поперечных.

Первым критическим углом (рис. 2.7, в) называют минимальный угол падения продольной волны, при котором продольная волна во вторую среду не проникает. При углах падения близких к первому критическому по границе распространяется неоднородная головная-продольная волна, которая быстро затухает, переизлучая боковые поперечные волны. Для границы оргстекло-сталь первый критический угол равен β_1кр = 27º.

При падении продольной волны под углом к нормали больше первого, но меньше второго критического угла, во вторую среду проникает только поперечная волна (рис. 2.7, г). Это дает возможность проводить контроль объекта только поперечными волнами.

Вторым критическим углом (рис. 2.7, д) называют минимальный угол падения продольной волны при котором поперечная волна во вторую среду не проникает. При углах падения близких ко второму критическому по границе распространяется неоднородная головная-поперечная волна, которая быстро затухает. Для границы оргстекло-сталь второй критический угол равен β_2кр = 55º. При углах больше второго критического (рис. 2.7,е) объемные волны (продольные и поперечные) во вторую среду не проникают.

Поверхностная волна возникает на границе второй среды при падении на нее продольной волны под углом β₀ ≈ 59º (рис. 2.8).

Рассмотрим падение поперечной волны на границу раздела сред, например, стали с воздухом. При углах падения меньше третьего критического β₀ < β_3кр (рис. 2.9, а) от границы отражаются две волны: продольная и поперечная.

Третьи критическим углом (рис. 2.9,б) называют угол падения поперечной волны при котором исчезает отраженная продольная волна. При угла близких к третьему критическому по границе распространяется неоднородная головная-продольная волна (аналогично первому критическому углу), которая быстро затухает, переизлучая боковые поперечные волны. Для стали третий критический угол равен β_3кр = 34º.

При углах больше третьего критического угла β₀ > β_3кр от границы отражается только поперечная волна (рис. 2.9, в).

В рассмотренных выше примерах отражения, преломления и трансформации приведен только один центральный луч. На практике на границу раздела сред падает пучок лучей. Для волн с плоским фронтом все лучи будут взаимодействовать с границей одинаково, поэтому описанные выше процессы остаются справедливыми.

2.5 Диффузное и зеркальное отражение и преломление

Шероховатость и неровность границы раздела сред может искажать общую картину прохождения и отражения волн.

Поверхность считается зеркальной (рис. 2.10, а), если ее шероховатость существенно меньше длины волны:

λ≪ Rz

Отраженное и прошедшее излучение является диффузным, параллельный пучок хаотично рассеивается на неровностях среды. происходит рассеяние волны во всех направлениях.

Оптимальной шероховатостью поверхности для контроля прямым преобразователем является Rz = 10..20 мкм, наклонным – Rz = 20..40 мкм.

3 ПРИЕМ И ИЗЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

Ультразвуковые дефектоскопы регистрируют, измеряют, обрабатывают и сохраняют электрические сигналы. В объекте контроля распространяются, отражаются от дефектов и границ ультразвуковые волны. Для организации контроля необходим элемент (рис. 3.1), преобразующий электрические сигналы дефектоскопа в акустические колебания объекта контроля и обратно.

В настоящее время наиболее эффективные и надежные преобразователи создают на основе материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом.

3.1 Пьезоэлектрический эффект

Прямым и обратным пьезоэлектрическим эффектом обладают материалы из класса диэлектриков, которые называют пьезоэлектриками.

Прямой пьезоэлектрический эффект – это преобразование акустических колебаний в электрический сигнал используется для регистрация акустических волн.

Обратный пьезоэлектрический эффект – это преобразование электрического сигнала в акустические колебания используется для излучения акустических волн.

Пьезоэлектрическим эффектом прямым и обратным обладают материалы из класса диэлектриков – пьезоэлектрики.

3.2 Конструкция пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП)

Наибольшее распространение получили ПЭП трех конструкций:

- прямой совмещенный (рис. 3.2, а);

- наклонный совмещенный (рис. 3.2, б);

- прямой раздельно-совмещенный (рис. 3.2, в)

Общими элементами для всех ПЭП являются:

1 – электрические выводы соединяют грани пьезопластины с разъемом (2) на корпусе (3);

2 – разъем предназначен для подключения ПЭП к дефектоскопу с помощью коаксиального кабеля;

3 – корпус обеспечивает целостность конструкции и защиту ПЭП;

4 – демпфер, изготовленный из материала поглощающего ультразвуковые колебания, приклеивается к пьезопластине и гасит ее свободные колебания;

5 – пьезопластина преобразует акустические колебания в электрический сигнал и обратно;

6 – протектор прямого ПЭП расположен между объектом контроля и пьезопластиной и предназначен для ее защиты;

7 – призма наклонного преобразователя обеспечивает на границе с объектом контроля трансформацию продольных волн в поперечные и их наклонный ввод;

8 – экран в раздельно-совмещенном преобразователе предотвращает прохождение ультразвука напрямую от источника к приемнику.

Прямой совмещенный ПЭП (рис. 3.3, а) излучает и принимает продольные волны, которые распространяются вдоль нормали к поверхности перпендикулярно поверхности ввода.

Наклонный совмещенный ПЭП (рис. 3.3, б) излучает и принимает поперечные волны, которые распространяются под углом α к нормали. Наклонный ввод поперечных волн обеспечивается с помощью призмы. Пьезопластина возбуждает в призме продольные волны, которые падают на границу раздела с объектом контроля под углом больше первого, но меньше второго критического. В такой ситуации в объект контроля проходят только поперечные волны, угол их распространения зависит от угла призмы.

3.3 Чувствительность ПЭП и коэффициент преобразования

Чувствительность ПЭП характеризуется коэффициентом преобразования. Для преобразователей работающих на прием и излучение можно определить коэффициенты излучения и приема.

Коэффициент излучения равен отношению амплитуды излучаемой волны к амплитуде электрического сигнала (зондирующего импульса):

K_И = Δx_max/U_max

Коэффициент прима равен отношению амплитуды регистрируемого электрического импульса (эхо-, донного) к амплитуде принимаемой акустической волны:

K_П = U_max/Δx_max

На практике наибольшее распространение получил коэффициент двойного преобразования, равный отношению амплитуды электрического сигнала на приемнике (эхо-, донного импульса) к амплитуде электрического сигнала подаваемого на источник (зондирующего импульса):

K_UU = ΔU_п/U_и

Оценку коэффициента двойного преобразования можно выполнить по раздельной схеме (рис. 3.4, а), установив на объект источник и приемник или по совмещенной схеме (рис. 3.4, б). В совмещенной схеме ПЭП является источником и приемником одновременно.

3.4 Резонансная частота ПЭП

Чувствительность (коэффициент преобразования) ПЭП зависит от частоты принимаемых и излучаемых сигналов. ПЭП способен эффективно преобразовывать сигналы только в ограниченной полосе частот. Сигналы с другими частотами преобразуются в сигналы с незначительной амплитудой, ниже порога чувствительности дефектоскопа.

В ультразвуковом контроле используются резонансные преобразователи, которые имеют резкий максимум чувствительности на определенной частоте. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (рис. 3.5) резонансного преобразователя является колоколообразной.

Максимальный коэффициент преобразования K_max наблюдается на резонансной частоте f_р, которая близка к собственной частоте свободных колебаний пьезопластины:

f_р ≈ f_c = c/(2·h)

где C – скорость волны в пьезопластине, м/с; h – толщина пьезопластины, м.

Резонансная частота в первую очередь зависит от толщины пластины и указывается в маркировке на ПЭП. Современные дефектоскопы дают возможность оператору изменять частоту излучаемых и принимаемых сигналов. При подготовке к контролю необходимо установить в настройках дефектоскопа частоту, соответствующую выбранному ПЭП

На рис. 3.5 показана АЧХ ПЭП, на резонансной частоте f_p наблюдается максимальный коэффициент двойного преобразования. На частотах f₁ и f₂ коэффициент преобразования составляет половину максимального или на 6 дБ меньше.

3.5 Акустическое поле ПЭП

Излучаемые ПЭП волны распределены в пространстве неравномерно. Для описания распределения энергии волны вводят понятие акустического поля. Акустические поля вблизи ПЭП и на удалении от него существенно отличаются (рис. 3.6).

Ближняя зона (рис. 3.7) – это область объекта контроля вблизи источника волны, в которой наблюдается немонотонное изменение амплитуды колебаний (стоячих волн), связанное с интерференция волн от разных частей ПЭП.

Дальняя зона (рис. 3.7) – это область ОК вдали от источника волны в которой распространяется бегущая волна с цилиндрическим (сферическим) фронтом. Амплитуда волны монотонно убывает из-за расхождения лучей от источника.

В дальней (волновой) зоне угловое распределение амплитуды волны описывается диаграммой направленности (рис. 3.8). На диаграмме направленности выделяют основной лепесток (85 % всей энергии излучения) и боковые лепестки (15 % всей энергии излучения). Технологию контроля разрабатывают таким образом, что бы дефекты выявлялись основным лепестком.

Угловое распределение амплитуд (рис. 3.8) имеет максимум в направлении акустической оси, амплитуда боковых лучей убывает при удалении от нее. Максимальная амплитуда от ненаправленного округлого отражателя будет наблюдаться в положении отражателя на акустической оси.

Диаграмму направленности принято характеризовать двумя параметрами: углом наклона акустической оси и углом раскрытия диаграммы направленности (рис. 3.9).

Угол наклона акустической оси φ_АО (рис. 3.9) определяется углом призмы и отношением скоростей волн в призме и в объекте контроля.

Угол раскрытия диаграммы направленности θ (рис. 3.9) зависит от длины волны в объекте контроля, радиуса пьезопластины, угла призмы, скоростей ультразвуковых волн.

Угол раскрытия диаграммы направленности прямого ПЭП с круглой пьезопластиной радиусом a без протектора определяется:

sin(θ) = 0,61·(λ/a) = 0,61·(c/(f·a))

где λ – длина волны в объекте контроля, мм; f – частота, МГц; C – скорость волны в объекте контроля, мм/мкс.

Широкая диаграмма направленности с большим углом раскрытия имеет преимущества на этапе поиска дефектов, так как позволяет озвучивать значительные объемы материала.

Узкая диаграмма направленности позволяет проводить измерения координат дефектов, оценивать их форму и размеры с меньшей погрешностью. Это достигается за счет возможности установить более точно преобразователь в положение максимальной амплитуды.

На практике для настройки дефектоскопа используют следующие параметры преобразователя: точка выхода луча, время ПЭП, угол ввода, погрешность глубиномера дефектоскопа.

Точка выхода луча (рис. 3.10) – это условная точка на поверхности преобразователя, из которой выходит расходящийся пучок лучей. Точка выхода луча наклонных ПЭП обозначается на боковой поверхности риской. Контроль точки выхода луча проводят на стандартном образце СО-3 или СО-3Р по боковой цилиндрической поверхности.

Время ПЭП (рис. 3.10) – это время задержки волны, связанное с распространением волны в призме и протекторе ПЭП. Время ПЭП напрямую влияет на точность определения координат дефектов. Время ПЭП компенсируют при настройке на стандартном образце СО-3 или СО-3Р по боковой цилиндрической поверхности.

Угол ввода (рис. 3.10) – это угол между нормалью поверхностью и линией, соединяющей центр ненаправленного (округлого отражателя) с точкой выхода луча в положении максимальной амплитуды эхо-сигнала от ненаправленного отражателя. Угол ввода указывается в маркировке преобразователя и проверяется при настройке на стандартном образце СО-2 или СО-3Р по боковому цилиндрическому отверстию диаметром 6 мм на глубине 44 мм. Угол ввод приблизительно равен углу наклона акустической оси, но всегда меньше его.