Связь между первым и вторым критическими углами
При наличии свободной границе второй среды преломленная поперечная волна, возникшая при первом критическом угле, достигнув свободной поверхности, падает на нее под третьим критическим углом.
1 – изменение амплитуды сигнала головной волны в пластинах; 2 – изменение амплитуды сигнала головной волны в полубезграничной среде.
При переотражении поперечной волны, она образует и усиливает продольную головную волну.
Задача 2
Рассчитать первый, второй и третий критические углы, если Cl1 = 1,26 мм/мкс, Cl2 = 2,46 мм/мкс, Ct2 = 1,18 мм/мкс.
,
>
1 – угол не существует,
.
Образование поверхностной Рэлейской волны
При β > βкр.2 объемные волны не существуют, возбуждается только поверхностная Рэлейская волна.
Из-за расхождения лучей в призме, при углах α > 600, одновременно с объемной поперечной волной излучается поверхностная Рэлейская волна.
Рисунок 5.5 – Образование Рэлейской волны при контроле преобразователями с углами ввода более 600 и типичная осциллограмма
Ближняя и дальняя зоны преобразователя
При излучении УЗВ наблюдается:
1 Ближняя зона – характеризуется явлением интерференции (увеличение либо уменьшение амплитуды волны в точке от двух лучей пришедших от разных участков преобразователей);
2
Дальняя зона – характеризуется
расхождением УЗВ.
a – радиус пьезопластины; rб – расстояние ближней зоны; θ – угол раскрытия диаграммы направленности; а.о – акустическая ось; rа..о – расстояние вдоль акустической оси
Рисунок 6.1 – Ближняя и дальняя зона преобразователя
Ближняя зона
Для прямого ПЭП:
rб =
Для наклонного ПЭП:
rб =
,
,
– мнимый радиус пьезопластины (
<
a).
Задача 1
Рассчитать расстояние ближней зоны при условии, что 1) для прямого ПЭП Ø6 мм, f = 2,5 МГц, С = 5,9 мм/мкс 2) для наклонного ПЭП Ø12 мм, f = 2,5 МГц, Сt = 3,25 мм/мкс, С1 = 2,67 мм/мкс, α = 400
Для прямого ПЭП
,
,
rб =
,
a = Ø/2,
a = 6/2 =3мм,
rб =
.
Для наклонного ПЭП
β =
β =
=
320,
rб = ,
rб =
.
Свойства ближней зоны
1 Фронт волны ближней зоны распространяется по закону близкому к прямолинейному без расхождения УЗВ.
2 Из-за явления интерференции невозможно точно определить количество дефектов и их координаты, так как максимальное значение амплитуды может наблюдаться не от акустической оси, а от бокового луча.
N1 << N2 ,
N1 – амплитуда сигнала акустической оси, находящаяся в точке минимума; N2 – амплитуда от дефекта, полученная боковым лучом, находящаяся в точке максимума.
Дальняя зона
1 Наблюдается расхождение УЗВ и зависит от скорости УЗВ в материале, частоты и угла ввода УЗВ и коэффициента формы ПЭП.
Для прямого ПЭП
.
Для наклонного ПЭП
Коэффициент для круглого ПЭП равен 0,61, для квадратного равен 0,5.
Задача 2
На сколько изменится угол раскрытия, если αв = 1,3α0 , при условии, что α0 = 400, а = 12 мм, f = 2,5 МГц, nкр. = 0,61, Сt = 3,25 мм/мкс, С1= 2,62 мм/мкс.
β0 =
β0 =
βв =
βв =
Вывод: При увеличении угла призмы мнимый радиус уменьшается, угол раскрытия увеличивается, расстояние ближней зоны уменьшается.
Диаграмма направленности (ДН)
Д
Н
характеризует изменение амплитуды
сигнала при отражении луча от акустической
оси, представляется в векторных или
декартовых координатах.
I – основной «лепесток» ДН; II – боковые «лепестки» ДН, связаны с радиальным колебанием пьезопластины.
Ширина ДН и ее изменение в районе акустической оси определяет угол ввода.
Угол ввода
Угол ввода – угол между нормалью и линией, соединяющей точку выхода УЗВ и точку на неправленом отражателе, дающим максимальную амплитуду эхо-сигнала.
Обычно при малой глубине залегания отражателя и узкой ДН, αв = α0 и определяется на государственном стандартном образце СО-2 или СО-3Р по засверловке Ø6 мм на глубине 44 мм.
При глубине отражателя более 150 мм или большом затухании в материале наблюдается отклонение угла ввода от акустической оси.
В следствие увеличивается ширина ДН.
где ΔN1 = f (r); φ – угол отклонения от акустической оси.
При смещении ПЭП в сторону меньших углов из точки, в которой акустическая ось находится в центре отражателя, амплитуда сигнала уменьшается за счет отклонения от акустической оси на угол φ и одновременно увеличивается за счет уменьшения расстояния пройденного волной. Если ДН широкая, то отклонение от акустической оси до определенного угла φ практически не изменяется и амплитуда увеличивается в сторону меньших углов.
αв<< α0
При контроле деталей более 150 мм, αв определяется на образце с засверловкой (цилиндр) с максимальной глубиной залегания.
Ближняя и мертвая зоны
Если ближняя зона не позволяет выявлять дефекты за счет явления интерференции, то в мертвой зоне дефекты не выявляются за счет слияния двух сигналов.
Р
азличают
мертвую зону зондирующего импульса
(з.и) и донного сигнала (д.с).
Сигналы считаются различимыми между собой, если между местом слияния сигналов и максимальной амплитудой наименьшего сигнала больше 6 дБ.
Факторы, определяющие мертвую зону
1 Частота
Каждый дефект имеет определенное число периодов зондирующего импульса. Увеличение частоты и уменьшение длины волны ведет к уменьшению пространственной длительности импульса и уменьшению мертвой зоны.
Пример 1
Оценить мертвую зону для двух ПЭП, при условии, что n = 3, C = 4,6 мм/мкс, f1= 1,25 МГц, f2 = 2,5 МГц.
2 Угол ввода
Чем больше угол ввода, тем меньше мертвая зона.
Пример 2
Оценить мертвую зону по глубине, если пространственная длительность импульса составляет τимп = 3,5 мкс, α1 = 400, α2= 700, Ct = 3,25 мм/мкс.
AB = C·τимп,
AB = 3,25·3,5 = 11,4мм,
rm = AB·cosα,
rm1 = 11,4·cos400 = 8,7 мм,
rm2 =11,4·cos700 = 3,9 мм.
Мертвую зону определяют по цилиндрическим отражателям Ø2 мм, залегающих на глубине 3, 6, 8, 12 мм.
α0 |
rm, мм |
0 |
12 |
40 |
8 |
50 |
6 |
70 |
3 |
РС |
3 |