Лабораторная работа № 3. Ультразвуковой контроль

3.1. Физические основы ультразвукового контроля и основные понятия

Типы ультразвуковых волн. Ультразвуковыми колебаниями называют механические колебания упругой среды, частота которых лежит за порогом слышимости человеческого слуха, т.е. более 20 кГц.

Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной. Граница, отделяющая колеблющиеся частицы от частиц, еще не начавших колебаться, носит название фронта волны. Упругие волны характеризуются скоростью распространения С (м/с), длиной волны λ (м) и частотой f (с^-1). Длина волны связана со скоростью её распространения и частотой колебаний соотношением

. (3.1)

Скорость распространения волны определяется физическими свойствами среды. Поэтому изменение длины ультразвуковой волны в любой среде может быть достигнуто только путем изменения частоты возбуждаемых колебаний.

В зависимости от упругих свойств среды в ней могут распространяться упругие колебания различных типов, отличающиеся направлением смещения колеблющихся частиц. В связи с этим различают следующие типы колебаний: продольные, поперечные, поверхностные и т.д.

Если колебания частиц среды происходят в направлении, совпадающем с направлением распространения волны, то такие колебания называются продольными (рис. 3.1 а).

Эти колебания могут распространяться в твердой, жидкой и газообразной средах. Если направление колебаний частиц среды перпендикулярно направлению распространения волны, то такие колебания называются поперечными (рис. 3.1. б). Они могут распространяться только в твердой среде, которая обладает упругостью формы, т.е. способна сопротивляться деформации сдвига.

Значения скоростей распространения волн в безграничном твердом теле приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Скорости распространения волн в безграничном твердом теле

Волны		Скорость распространения
Тип и название	Характеристика
Продольные (волны расширения-сжатия)	Частицы колеблются в направлении распространения волны
Поперечные (волны сдвига)	Частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны
Примечание: Е – модуль упругости; ν – коэффициент упругости; ρ – плотность среды. Для стали: Е≈20∙10^10 Н/м^2; ν≈0,3; ρ≈7,8∙10^3 кг/м^3.

Продольные и поперечные упругие волны (объёмные однородные волны) наиболее широко используются при дефектоскопии материалов для обнаружения внутренних дефектов. Помимо этого для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов используются и другие типы волн (неоднородные).

Из неоднородных волн в дефектоскопии в основном применяются поверхностные (волны Рэлея) и нормальные (волны Лэмба). Поверхностная волна представляет собой линейную комбинацию продольной и поперечной волн. При её распространении частицы тела движутся по эллипсам, большая ось которых перпендикулярна границе. Эти фигуры вытягиваются с глубиной, т.е. в направлении, перпендикулярном от поверхности ввода. Проникновение волны вглубь тела приблизительно равно длине волны λ. Поверхностная волна способна распространяться на большое расстояние вдоль поверхности твердого тела.

Нормальные волны (Лэмба) образуются при наклонном падении волны на пластину, толщина которой соизмерима с длиной волны. В этом случае вследствие взаимодействия падающей волны с многократно отраженными волнами внутри пластины возникают резонансные явления. Они приводят к образованию нормальных волн, бегущих вдоль пластины, и стоячих в перпендикулярном направлении.

Условия образования нормальных волн в твердой пластине усложняется из-за наличия в ней продольных и поперечных волн. При отражении эти волны частично трансформируются одна в другую.

Волна Лэмба обеспечивает достаточную чувствительность при длине листа в направлении прозвучивания 0,3…0,5 м. Нормальные волны успешно применяются для контроля листов, труб, оболочек, имеющих небольшую толщину (3…5 мм и менее). Этими волнами обнаруживаются поверхностные трещины не только с наружной, но и с внутренней стороны, а также дефекты, ориентированные вдоль поверхности, которые трудно обнаружить объемными волнами.