Ультразвуковая дефектоскопия

1. Физические основы

Р аспространение ультразвуковых волн. Ультразвуковыми коле­баниями называют механические колебания упругой среды, часто­та которых лежит за порогом слышимости человеческого уха, т. е. больше 20 000 Гц (20 кГц). Для ультразвукового контроля приме­няют колебания частотой 0,5—10 МГц.

Рис. 17. Схема работы пьезопластииы при приеме (а) и излучении (б) ультразвука

В качестве излучателей и приемников ультразвука используют пьезопластины из пьезоэлектрической керамики или пьезокварца. Излучатели и приемники ультразвуковых волн называют искателя­ми. При подаче на пьезопластину электрического напряжения она изменяет свою толщину, вследствие так называемого обратного пьезоэлектрического эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт с этими изменениями, создавая в окру­жающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель (рис. 17,б), и наоборот, если пьезоэлектрическая пласти­на воспримет импульс давления (отраженная ультразвуковая вол­на), то на ее обкладках вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появятся электрические заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пьезопластина работает как приемник (рис. 17,а). Для приложения и съема электрического поля на противоположных поверхностях пьезопластины нанесены серебря­ные электроды.

Процесс распространения ультразвука в пространстве является волновым. Граница, отделяющая колеблющиеся частицы среды от частиц, еще не начавших колебаться, носит название фронта волны. Упругие волны характеризуются скоростью распространения С, длиной волны λ и частотой f. При этом под длиной волны понима­ется расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися одинаковым образом (в одинаковой фазе). Число волн, проходящих через данную точку пространства в каждую секунду, определяет частоту ультразвука. Длина волны связана со скоростью ее распро­странения и ч астотой колебаний соотношением λ=С/f.

Рис. 18. Схематическое изображение типов волн:

а—продольная, б—поперечная, в—поверхностная

В зависимости от направления колебаний частиц различают нес­колько типов волн. Если частицы среды колеблются вдоль направ­ления распространения волны, то такие волны (рис. 18, а) назы­вают продольными (волнами растяжения — сжатия). Если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, то такие волны (рис. 18,б) называют поперечными (волна­ми сдвига). Поперечные волны могут возникать лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвига. Поэтому в жидкой и газообраз­ной средах образуются только продольные волны. В твердой среде могут возникать как продольные, так и поперечные волны. Скорость поперечной волны С_t в металлах составляет примерно 0,55 от ско­рости продольной волны С_l.

Вдоль свободной поверхности твердого тела могут распростра­няться поверхностные волны (волны Релея). Глубина распростра­нения этих волн в теле примерно равна длине волны, а скорость со­ставляет 0,9С_t (рис. 18, в, табл. 1). В пластинках, толщина кото­рых соизмерима с длиной волны, распространяются нормальные волны, или, как их еще называют, волны Лэмба. Они заполняют всю толщину пластины.

Рассмотрим процесс прохождения короткого (зондирующего) импульса ультразвуковых колебаний в среде. Пьезоэлемент в виде круглого диска диаметром 2а (см. рис. 20) служит одновременно излучателем и приемником ультразвука. При излучении зондирую­щего импульса в среде возникает ультразвуковое поле излучения, которое имеет вполне определенные пространственные грани­цы и распределение звукового давления внутри пучка.

Вблизи от излучателя на участке, называемом ближней зоной (рис. 19), ультразвуковой пучок почти не расходится и имеет ци­линдрическую форму. Протяженность r этой зоны равна

Таблица1