ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

II

представляется диаграммой. Программа дает возможность выбирать временной промежуток, в пределах которого строится развертка типа С; это позволяет выделить импульсы интересующих волн.

Была детально исследована структура акустического поля в монокристаллах алюминия. Наиболее важные результаты получены для направления распространения вблизи оси [111] кристалла. Известно, что при распространении поперечной волны вдоль такого направления кубического кристалла должен наблюдаться эффект внутренней конической рефракции (ВКР). Для направления точно вдоль оси [111] распределение амплитуд показано на рис.1,а. Временной интервал наблюдения соответствует времени прихода импульса поперечных волн. Овальная линия на рисунке - это граница плоской грани образца. Видно, что излучение распределено внутри конического сектора. В пределах этого сектора видны два максимума амплитуды.

Распределение излучения в кристалле, отклоненном на показано на рис.1,6. Здесь также видно, что значительная часть упругой энергии распределена по широкой области образца, по площади, намного превышающей площадь излучателя. Однако, на рис. 1,6 трудно связать какойлибо определенный радиус распределения энергии с радиусом конуса ВКР. Помимо распределенной части, на рис. 1,6 присутствуют еще два отчетливых максимума, один из которых очень близок к центру образца.

Наличие распределенной по дугам окружностей части энергии излучения свидетельствует, что в обоих случаях рис.1а,б наблюдается эффект внутренней конической рефракции, искаженный присутствием дополнительных максимумов. Дополнительные максимумы, вероятно, вызваны небольшими отклонениями от оси [111] центрального луча пучка, а также наличием боковых лучей пучка, которые в условиях нашего эксперимента отклонены от оси на значительные углы. Нужно учесть, что отношение

12

- радиус излучателя). При такой величине отношения дифракционное расхождение вызывает отклонение до от центрального луча.

Увеличение угла отклонения от оси [111], очевидно, должно привести к исчезновению эффекта ВКР, а вместе с этим привести к радикальным изменениям распределения энергии. Для больших углов отклонения вырождение собственных квазипоперечных волн по скоростям снимается, пучок разделяется на два, соответственно двум модам. В предельном случае больших отклонений должны наблюдаться два максимума без следов растекания энергии между ними. В нашем случае измерения проводятся на относительно низкой частоте 10 МГц. Для угла отклонения (рис.1,в) энергия излучения разделена между двумя максимумами, образованными двумя квазипоперечными модами. Энергия излучения, соответствующая удаленной от центра части пучка, распределена по дуге окружности.

Теоретически рассмотрен отклик лазерного интерферометра на продольные и поперечные ультразвуковые волны, падающие нормально отражающей поверхности. Рассматриваются отражающие поверхности с учетом шероховатости, но достаточно гладкие, так что максимальная разность

высот	существенно		меньше длины волны	Тогда переменная
компонента		выходного	сигнала ультразвукового	интерферометра	для
продольных волн пропорциональна амплитуде упругой волны.
	Иное положение получается в случае поперечных волн. Здесь вклад в
фазу	отражения лучей, падающих в разные точки i отражающей поверхности,
зависит от деталей структуры поверхности					В этом
выражении		- круговая несущая частота ультразвуковою импульса, а - угол

между лучом лазера и локальным направлением касательной к отражающей поверхности. Поскольку амплитуда упругих волн

, то разность фаз для любых двух точек в пределах луча лазера тоже мала , Однако эта разность фаз отлична от нуля. Это обстоятельство приводит к интерференции вкладов от лучей. Очень существенно, что импульс ультразвуковой волны содержит набор

спектральных составляющих, отстоящих от несущей	частоты	на величину,
пропорциональную частоте повторения импульсов F.	В результате в выходном

сигнале интерферометра оказывается составляющая, соответствующая разностной частоте спектральных составляющих ультразвукового импульса. Существует еще один источник низкочастотных сигналов на выходе интерферометра - взаимодействие спектральных компонент сигнала сравнения и отраженного от образца. Спектральная

компонента	сигнала		сравнения совместно с		компонентой
	отраженной	от	i - ой точки	образца,	приводит к
возникновению	компоненты	с	частотой	амплитуда которой

13

пропорциональна

Таким образом, переменная

компонента интенсивности поперечных волн содержит низкочастотную составляющую, которая зависит от произведения С-скан, полученный лазерным интерферометром, отражает как распределение упругого поля, так и шероховатость отражающей поверхности.

На рис.2, показана развертка типа С, то есть распределение упругой энергии по поверхности (001) монокристалла алюминия. Цифры по осям абсцисс и ординат - это координаты в миллиметрах в пределах поля сканирования. Возбуждение проводилось продольными волнами вдоль оси [001]. На рис.2а показано распределение, соответствующее импульсу, прошедшему одну длину образца,

В левой части диаграммы аксиальная симметрия поля нарушена внутренней частью дефекта Кроме того, виден подковообразный след дефекта на поверхности. Развертка типа С, соответствующая приходу второго п=2 (то есть прошедшего три длины образца) импульса, приведена на рис.2б Сравнение рис.2,а и 2,6 показывает, что четкость выявления дефекта в последнем случае более высока

14

В целом, в этой части главы рассмотрены вопросы практического использования анализа ультразвуковых полей, детектированных лазерным интерферометром с целью обнаружения и локализации дефектов в контролируемом образце. Предложены методы ультразвукового контроля монокристаллических материалов на базе анализа ультразвукового поля. Кроме того показано, что вейвлетное преобразование является эффективным инструментом исследования особенностей акустического поля. Приведены примеры практического применения вейвлет-преобразования для анализа поля продольной ультразвуковой волны, детектированного при помощи лазерного интерферометра в различных точках на поверхности алюминиевого образца: в центре ультразвукового пучка, в его периферийной области, а также в точке выхода дефекта на поверхность образца. Показано, каким образом изменения в структуре сигналов отражаются на вейвлет-спектрах, которые представляют собой результаты вейвлет-преобразования, а также на скалограммах - функциях, показывающих распределение энергии анализируемых сигналов по временным масштабам, которые получены на основе вейвлет-спектров.

Показано, что появление	на скалограмме HOBOI О локального максимума в
области малых значений	временного масштаба является признаком наличия

дефекта на данном участке поверхности контролируемого образца, точное

местоположение	точки выхода	дефекта	на поверхность может быть
определено по	наибольшему	значению	амплитуды этого локального
максимума.

В третьей главе рассмотрено влияние намагничивания и гиротропии на распространение упругих волн. Особенность предлагаемой теории состоит в том, что рассматриваемые среды обладают упругой анизотропией помимо гирофопии, наведенной намагниченностью. Специально рассмотрено распространение волн в намагниченных кубическом кристалле и трансверсально-изотропной среде. Рассмотрено преобразование собственных волн при намагничивании среды. Особое внимание уделено малоизученному вопросу о потоке энергии упругих волн в намагниченной среде. Теоретические результаты применены для предсказания магнитоакустических явлений в стали с аустенитно-ферритной структурой. Постановкой экспериментов доказана возможность использования магнитоакустических явлений в УЗ контроле.

Получим вид тензора модулей упругости трансверсально - изотропной гиротропной среды, полученной усреднением компонент модулей упругости кубического кристалла вокруг оси гиротропии. Исходя из вида тензора для магнитнополяризованного кубического кристалла, проведем усреднение по углу вокруг оси трансверсально-поляризованной среды. В результате получим, что у тензора модулей упругости трансверсально-изотропной среды, моделирующей упругие свойства аустенитного материала сварного шва, в приближении длинных волн будут следующие отличные от нуля компоненты

Выражения (8а,б,в) записаны через векторы поляризации невозмущенных магнитной поляризацией собственных мод р01. Направление распространения волны определяется направляющими косинусами mi и углом 9 между направлением распространения и осью трансверсально-изотропной среды.

Компоненты поляризации собственных квазипродольной (QL) и квазипоперечной (QSV) волн подчиняются условию

18

Добавки к компонентам групповой скорости в намагниченной среде находятся из выражений для законов дисперсии собственных волн, причем добавки к фазовым скоростям определены выше, а производные добавок по компонентам вектора рефракции находятся дифференцированием выражений (10),(11). Применимость формул (10) и (11) ограничивается условием . Рассмотрим зависимость добавки к групповой скорости от направления вектора рефракции. Зависимость от угла добавки к компонентам групповой скорости, нормированной на квадрат добавки к модулю для первой моды приведена на рис.5.

Параметр показывает соотношение между добавками . При приближении к оси величина д о б а в к и р е з к о возрастает по абсолютной величине. Такое поведение связано с тем, что при квадратичная по малым добавка (10) должна перейти в линейную. В формулах (10), (11) это выражается в резком уменьшении величины а при Как легко видеть, величина добавок к фазовой и групповой скоростям при определяется величиной и не зависит от При влияние добавки явно преобладает, поэтому в этом предельном случае величина параметра оказывается очень существенной. Если , то изменение компоненты "2" групповой скорости любой моды мало. К о г д а в (10) можно пренебречь по сравнению с П р и этом зависимости четны по Подобные заключения можно сделать для всех трех собственных волн. Вырождение волн QSV и SH по скоростям в ненамагниченном материале при приводит к резким аномалиям добавок к групповым скоростям вблизи точки вырождения.

19

Вращение плоскости поляризации, эллиптичность, преобразование волн и другие магнитоакустические явления имеют перспективы для применения в неразрушающем контроле структуры и фазового состава ферромагнитных материалов. Наши эксперименты выполнены на частотах упругих волн от 14 до 50 МГц на образцах монокристаллического никеля. Измерения выполнены при комнатной температуре в магнитных полях Я до 6 кЭ. Направление магнитного поля перпендикулярно направлению распространению ультразвука. Использовались два монокристалла никеля, подготовленные для ультразвуковых измерений. Оба образца имели две плоские параллельные друг другу грани с расстоянием Z между ними. Первый образец ориентирован таким образом, что нормаль к граням совпадала с кристаллографическим направлением [001], a Z=l 1.99 мм. Образцы имеют приблизительно цилиндрическую форму с диаметром 16 18 мм.

Особое внимание уделялось определению поляризации сдвиговых волн, прошедших образец в магнитном поле. Предварительно было установлено, что поляризация ультразвука, прошедшего ненамагниченный образец никеля, остается линейной и сохраняется направление смещений, как у излучающего преобразователя. Измерения угла поворота плоскости поляризации в магнитном поле и эллиптичности были выполнены по известной методике. Согласно этой методике, измерения полевой зависимости амплитуды А{Н) и фазы принятого сигнала производятся дважды, причем чувствительные направления излучателя и приемника развернуты в первом случае на угол

,а в втором на . Для восстановления эллипса поляризации существенно отношение амплитуд двух измерений в одном и том же магнитном поле. По измеренному временному интервалу сдвига радиоимпульса в магнитном поле легко определить сдвиг фазы

. Угол поворота плоскости поляризации определяется следующим образом

Для определения эллиптичности то есть отношения меньшей оси эллипса поляризации к большей, имеем

Результаты измерения представлены ниже.

20

В обсуждении экспериментальных результатов основное внимание уделим интерференции собственных волн и поляризационным магнитоакустическим эффектам. Во внешнем постоянном магнитном поле, перпендикулярном направлению распространения, сдвиговая волна распадается на компоненты, соответствующие двум собственным сдвиговым волнам линейной поляризации. Одна из них имеет поляризацию, параллельную внешнему полю; снабдим относящиеся к ней величины индексом " / /". Вторая поляризована перпендикулярно внешнему полю, и все относящиеся к этой волне величины пометим индексом Результат интерференции этих волн приводит к повороту плоскости поляризации на угол и эллиптичности 8 упругих смещений, достигших приемного пьезопреобразователя. Пусть внешнее магнитное поле наводит в магнетике ось симметрии, ориентированную под углом к первоначальной плоскости поляризации излучателя. Тогда угол поворота и эллиптичность определяются по формулам

В этих формулах введены разности действительных и мнимых составляющих волновых чисел собственных волн а Разность действительных компонент приводит к магнитоакустическому двулучепреломлению из-за разности фазовых скоростей собственных волн. Разность мнимых компонент возникает за счет различного поглощения волн в магнитном поле и вызывает дихроизм. Магнитоакустические эффекты, возникающие при распространении сдвиговых