3.2. Источники ультразвуковых колебаний

В практике ультразвуковой дефектоскопии металлов применяют ультразвуковые колебания частотой от 0,5 до 25 МГц. Для получения ультразвука таких частот используют генераторы электрических колебаний, являющиеся источниками переменного тока, и специальные искатели. Основной частью излучателя является пьезоэлектрический преобразователь, представляющий собой пластину, изготовленную особым образом из монокристалла кварца или из синтетических кристаллов титаната бария, цирконат-титаната свинца и других. Такие пластины обладают свойством прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта. Если пьезоэлектрическую пластину сжимать или растягивать в определенном направлении, она поляризуется и на ее поверхностях появляются заряды, знак которых определяется направлением деформации, а величина – приложенной силой (рис. 3.2). Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект – явление обратимое, так как под влиянием электрического поля пластина деформируется. Если пьезоэлектрическую пластину внести в переменное электрическое поле, то ее толщина будет уменьшаться или увеличиваться с частотой подведенного тока, т.е. пластина будет совершать вынужденные колебания. В этом случае электрическая энергия преобразуется в энергию механических колебаний. Такое явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Мощность колебаний пластины зависит от напряжений на электродах и соотношения частоты переменного тока и собственной частоты колебаний пластины. Наибольшую излучаемую мощность можно получить при резонансе, когда собственная частота колебаний пьезопластины будет соответствовать частоте переменного тока генератора, возбуждающего её. Собственная частота пластины может быть определена из соотношения:

(3.2)

где S – толщина пьезопластины, мм;

λ – длина волны, мм;

С – скорость распространения ультразвука, м/с;

f – частота ультразвука, МГц.

Для создания электрического контакта на поверхность пьезопластины наносят тонкие слои серебра, служащие электродами. Если к электродам пластины подвести переменный ток частотой более 2х10⁴ Гц, она будет колебаться с ультразвуковой частотой. Эти колебания могут быть переданы упругой среде, с которой она соприкасается, в виде ультразвуковых волн. Наоборот, если ультразвуковые волны воздействуют на пьезопластину, то с ее электродов можно снимать переменный ток с частотой равной частоте ультразвуковых колебаний.

Устройства, служащие при дефектоскопии для получения и ввода ультразвуковых волн в контролируемое изделие, называют излучающими искательными головками, а устройства, преобразующие ультразвуковые волны в переменный ток, - приемными искательными головками.

3.3. Распространение ультразвуковых колебаний.

Распространение ультразвуковых колебаний происходит по законам геометрической акустики, которая по аналогии с геометрической оптикой соответствует предельному случаю малых волн, когда λ → 0. В однородной изотропной упругой среде ультразвуковые лучи ортогональны к волновым поверхностям и направлены в сторону внешних нормалей к этим поверхностям.

Рассмотрим волновое поле дискового излучателя (рис. 3.3). Если окружающая упругая среда однородна и изотропна, то излучатель создает в ней волновое поле, имеющее вблизи него почти цилиндрическую форму (ближняя зона, зона дифракции Френеля), а с некоторого расстояния r₀ приобретающее форму усеченного конуса с углом 2θ при вершине (дальняя зона Фраунгофа).

Протяженность ближней зоны может быть определена по формуле:

(мм), (3.3)

где D - диаметр излучателя, мм,

λ – длина волны УЗК, мм.

Половина угла раствора конуса, в котором почти полностью концентрируется генерируемая излучателем энергия, может быть определена из соотношения:

, (3.4)

где θ – угол между осью пучка ультразвуковых колебаний и крайним лучом (рис3.3).

Однако в пределах этого конуса интенсивность ультразвука неодинакова: она уменьшается по направлению от оси пучка к периферии. Это свойство излучателя характеризуется его диаграммой направленности, представляющей собой полярную или прямоугольную диаграмму изменения акустического поля (интенсивности или давления) в зависимости от направления. Если размеры излучателя меньше длины волны, то от него распространяются сферические волны и излучение будет не направленным. Если размеры излучателя больше длины волны, то излучаемая энергия концентрируется преимущественно по одному направлению, совпадающему с направлением нормали к излучающей поверхности.

Направленность излучателей определяют относительными измерениями или экспериментально. Для некоторых простейших случаев характеристики направленности излучателей могут быть рассчитаны.

На (рис. 3.4) показана полярная диаграмма направленности излучения – приема для пьезоэлемента диаметром 12 мм на частоте 2,5 МГц (λ=2,34 мм). Боковые лепестки вследствие их малости не показаны.

По мере удаления от излучателя амплитуда колебаний уменьшается. Это обусловлено геометрическим расхождением лучей, что приводит к увеличению площади фронта волны, а также наличием потерь в среде, приводящих к постепенному затуханию колебаний при их распределении.

Затухание ультразвуковых колебаний с расстоянием опреляется коэффициентом затухания δ. Затухание ультразвуковых колебаний происходит по экспоненциальному закону

, (3.5)

где А – амплитуда в точке измерения;

r – расстояние, пройденное волной, м;

А₀ – амплитуда волны, прошедшей расстояние r без учёта затухания;

δ – коэффициент затухания, м^-1.

Коэффициент затухания

(3.6)

выражается в неперах/м (Нп/м) и имеет размерность м^-1. Часто его представляют также в децибелах/м (дБ/м). При этом 1 Нп/м=8,686 дБ/м. 1 дБ/м=0,1151 Нп/м. Общее ослабление сигнала вследствие затухания в среде <А/А₀>=<δ>r. Эту величину добавляют к ослаблению, вызываемому другими факторами.

Коэффициент затухания (δ) различен для различных материалов и складывается из коэффициентов поглощения (δ _n) и рассеяния (δ _r):

δ = δ _n + δ _r. (3.7)

В однородной изотропной упругой среде и в монокристаллах металлов затухание определяется поглощением ультразвука. При этом энергия упругих колебаний переходит в тепловую.

В поликристаллической среде и в металлах, обладающих упругой анизотропией, затухание определяется рассеянием энергии колебаний зернами металла. Это приводит к дополнительному уменьшению интенсивности колебаний в направлении распространения волн.

Для твердых тел коэффициент поглощения чаще всего пропорционален частоте δ_n/f для стали 0,1-1,5 Нп/МГц×м; для алюминия – 0,05-0,06; для магния – 0,1. Поглощение определяет затухание акустических волн в аморфных твёрдых телах, а также в монокристаллах.

Большинство твёрдых тел состоит из большого числа зёрен-кристаллов, на границах которых происходит рассеяние ультразвуковых волн. Вследствие этого роль рассеяния оказывается значительной и часто превалирующей. Особенно велико рассеяние в материалах, состоящих из разнородных частиц (чугун), и в материалах с большой упругой анизотропией – разной скоростью упругих волн для разных направлений в кристалле (медь, аустенитная сталь).

Для металлов δ_p увеличивается с ростом упругой анизотропии, среднего размера кристаллитов D и частоты: δ_p~fⁿ(n=2-4). В области λ/D= 4-10 δ_p ~Df², а при λ>D δ_p ~D³f⁴. К примеру, в малоуглеродистой стали для продольных и поперечных волн при λ >10D:

δ_l≈0,12f+20D³f⁴,

δ_t≈0,1f+105D³f⁴.

Здесь D – в мм, f – в МГц, δ – в Нп/м.

Значения коэффициентов затухания в зависимости от частоты для некоторых материалов приведены на рис. 3.5.

Рис. 3.5а. Коэффициент затухания продольных волн в сталях (даны марка стали и средний размер зерна в мм).

Рис. 3.5б. Коэффициент затухания в металлах (даны химический символ, тип волны, средний размер зерна в мм).

При распространении ультразвуковых волн в металлах возможна реверберация – постепенное затухание колебаний, обусловленное повторными отражениями.

Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от граней контролируемого изделия) и структурной (из-за многократного отражения и рассеяния колебаний границами зерен металла). Возникновение структурной реверберации может быть объяснено анизотропией упругих свойств зерен металла, благодаря чему ультразвук при переходе из одного зерна в другое претерпевает отражение на их границах, преломление при переходе через границы и постепенное рассеяние во все стороны.

При распространении ультразвуковых волн в упругой среде могут наблюдаться интерференционные и дифракционные явления.

Интерференция – это результат сложения двух или нескольких когерентных колебаний, воздействующих на одну и ту же точку пространства. Она существенно влияет на характер акустического поля излучателя и определяет направленность распространения ультразвукового пучка.

Интерференция может привести к образованию стоячих волн, характеризующихся тем, что вдоль оси поля наблюдается чередование неподвижных точек и точек, колеблющихся с максимальной амплитудой.

Явление дифракции широко распространено в акустике. Оно связано с тем, что в случае наличия в среде препятствий, размеры которых соизмеримы с длиной звуковой волны или меньше ее, уже нельзя рассматривать распространение звука на основе лучевых представлений. В этом случае звук может огибать препятствия, образуя акустическое поле в таких местах, куда не проникает прямой луч от источника.

Если размеры препятствия равны длине волны или меньше, то лучи почти не отражаются от него, а огибают препятствие и рассеиваются в окружающей среде. Отражение лучей будет наблюдаться только в том случае, если размеры препятствий больше длины волны ультразвука.

Законы отражения и преломления ультразвуковых волн аналогичны законам геометрической оптики. Встречая на своем пути среду с другими акустическими свойствами, часть ультразвуковой энергии отражается от границы сред, а оставшаяся часть входит в новую среду. Рассмотрим явления, наблюдающиеся на плоской поверхности раздела двух сред.

Пусть плоская упругая продольная волна, распространяясь со скоростью С₁ в однородной среде с плотностью ρ₁, доходит до границы со второй средой с плотностью ρ₂ и скоростью распространения волны в ней С₂.

Условимся углом α падения ультразвукового луча называть угол, образованный лучом и нормалью к поверхности в точке падения луча.

При перпендикулярном падении ультразвукового луча на границу раздела сред отраженный луч будет также перпендикулярен к этой границе (рис. 3.6, а). При наклоном падении ультразвукового луча на границу раздела волна отразиться под углом β`, равным углу падения α (рис. 3.6, б). Если первая среда твердое тело, в котором могут распространяться как продольные, так и сдвиговые волны, то часть энергии падающей волны преобразуется в сдвиговую. Так как скорость распространения продольной волны примерно в два раза больше, чем сдвиговой, последняя отразится под углом γ`, меньшим угла β`.

Т ак отражаются ультразвуковые волны от гладкой поверхности (зеркальное отражение). Если поверхность раздела имеет неровности, высота которых превышает 0,05 – 0,1 длины волны, то наблюдается диффузное отражение (рис. 3.6, в).

Если лучи падают на границу раздела двух сред под углом, отличным от прямого, то наряду с отражением наблюдается также и преломление, причем отношение синусов углов падения, отражения и преломления равно отношению скоростей распространения колебаний соответствующего вида в первой и второй средах. Если ρ₁С₁<ρ₂C₂, то при переходе продольных упругих волн из одной твердой среды в другую, кроме двух отраженных лучей, будут наблюдаться также и два преломленных (рис. 3.7).

Р ис. 3.7. Преломление ультразвуковых волн на плоской границе двух твёрдых сред.

Углы падения, отражения и преломления связаны следующим соотношением:

(3.8)

где С_LI, C_LII, C_SI, C_SII – скорости распространения продольных и сдвиговых волн в первой и второй средах соответственно.

При увеличении угла падения α продольной волны L углы β и γ будут также увеличиваться и при некотором значении α = α_крI (первый критический угол) преломленные продольные волны будут распространяться по поверхности, не проникая в глубь второй среды (рис. 3.8, а). При дальнейшем увеличении угла падения до значения α_крII (второй критический угол) по поверхности будут распространяться преломленные сдвиговые волны (рис. 3.8, б).

Для ультразвуковых лучей в полной мере справедлив закон обратимости или, как его еще называют в оптике, закон взаимности. Если луч падает из первой среды на границу со второй под углом α, преломляется и входит во вторую среду под углом β, то луч, падающий из второй среды на границу с первой под углом β, после преломления войдет в первую среду под углом α. Отсюда следует известное из оптики соотношение для относительных показателей преломления обеих сред:

(3.9)

г де n₁ и n₂ – абсолютные показатели преломления обеих сред.