2.1.2. Типы волн. Области применения

В акустическом контроле используются различные типы колебаний и волн, отличающихся направлением колебаний, распределением амплитуд колебаний и волн в среде, скоростью распространения волн.

В акустике различные типы колебаний и волн принято называть модами.

В твердых, жидких и газообразных средах существует упругость объема, т. е. среда стремится сохранить свой объем. В твердом теле также существует упругость формы, т. е. твердое тело стремится сохранить не только свой объем, но и свою форму. Это свойство твердого тела связано со сдвиговой упругостью. Например, два слоя жидкости можно легко сдвинуть друг относительно друга, а две плоскости в твердом теле сопротивляются сдвигу. Попытка расширить или сжать объем, сдвинуть соседние слои ударом или переменной по направлению силой приведет к возникновению упругих колебаний.

Таким образом, во всех средах (кроме вакуума) могут существовать колебания растяжения-сжатия. Волны с такими колебаниями — это продольные волны, или волны растяжения-сжатия. При распространении в твердом теле колебания частиц среды в продольной волне в основном происходят вдоль направления распространения волны (см. рис. 2.1, а).

В твердом теле существуют также волны сдвига. Частицы в них колеблются поперек направления распространения волны. Их поэтому называют поперечными или сдвиговыми волнами (см. рис. 2.1, в). На рисунке показаны колебания границ слоя, в котором распространяется поперечная волна, но в действительности среда считается безграничной.

Существование двух независимых типов волн (продольной и поперечной) с разными скоростями следует из волнового уравнения. Сводка основных типов волн в твердом теле и формулы для расчета их скоростей (через скорость продольной волны) приведены (в табл. 2.2).

Скорость распространения поперечной волны приблизительно в два раза (точнее, в 1,8 ... 1,9 раза) меньше, чем продольной.

Поперечные волны, распространяющиеся наклонно к какой-либо поверхности (например, к поверхности ввода колебаний) или вдоль нее, разделяют на волны с направлением колебаний, параллельным поверхности (их называют горизонтально-поляризованными, SH, ТН), и волны с направлением колебаний, перпендикулярным к этой поверхности (их называют вертикально-поляризованными, SV, ТV). Они по-разному отражаются от поверхностей и структурных неоднородностей. На практике обычно применяют SV-волны, однако по отношению к поверхности отражателя они могут быть SH-волной или иметь SV- и SH-составляющие. Общее название продольных и обоих типов поперечных волн - объемные волны.

Продольную волну возбуждают с помощью прямого преобразователя (см в приложении 2)

Поперечную волну, перпендикулярную к поверхности, можно возбудить прямым пьезопреобразователем, если снабдить его пьезопластиной, совершающей сдвиговые колебания. Такие преобразователи в России не выпускают. Пластину лучше всего приклеить к поверхности контролируемого объекта, например, воском, так как поперечная волна практически не распространяется в жидкости. Для передачи поперечной волны можно также применить очень вязкие жидкости, например неотвержденную эпоксидную смолу.

Продольная и вертикально-поляризованная поперечная волны — основные типы волн, используемых для ультразвукового контроля материалов. Ими можно выявлять как объемные, так и поверхностные дефекты .

В твердом теле кроме объемных существуют также специфические волны, распространяющиеся вдоль поверхности, -поверхностные и головные.

Поверхностная волна (волна Рэлея) представляет линейную комбинацию продольной и поперечной волн. Такая комбинация дает возможность удовлетворить условие равенства нулю напряжений на свободной поверхности, вдоль которой распространяется волна. В жидкости поверхностных волн нет. Волны, наблюдаемые на поверхности воды, например, связаны в основном с гравитационными, а не с упругими силами.

Амплитуда рэлеевской волны имеет максимум на поверхносте и уменьшается в десять раз на глубине ~ = длины поверхностной волны. Рэлеевская волна распространяется на большие расстояния (порядка 1 ...2 м), следуя изгибам поверхности, как бы "облизывая" плавные выпуклости и впадины на поверхности объекта контроля. На выпуклой поверхности скорость ее увеличивается, а на вогнутой уменьшается и одновременно растет затухание. При резком изменении профиля поверхности рэлеевская волна частично отражается, частично проходит через препятствие, а частично трансформируется в объемные волны. Например, при падении на прямой двугранный угол коэффициент отражения (по амплитуде) 0,3; коэффициент прохождения 0,7; доля трансформированной энергии ~20 %.

Рэлеевские волны рассеиваются на неровностях поверхности и хорошо выявляют дефекты на самой поверхности. Чувствительность быстро убывает с глубиной залегания дефектов. Дефекты на глубине, большей длины рэлеевской волны, практически не выявляются. Рэлеевские волны иногда применяют для контроля изделий на поверхностные дефекты вместо магнитного или капиллярного методов контроля. Если нажать на поверхность перед отражателем УЗ пальцем, смоченным в масле, амплитуда эхосигнала рэлеевской волны уменьшится. Так определяют место, где расположен дефект.

Следует отметить, что поверхностная горизонтально поляризованная поперечная волна не является волной Рэлея, поскольку последняя - комбинация вертикально поляризованной поперечной волны и продольной волны, которые в рассматриваемом случае отсутствуют.

Самостоятельно, с помощью рекомендованной литературы изучить специфические типы волн типа волн Стоунли, боковых волн, головных волн, вытекающих волн, ползущих волн и т .д.

Каждый тип волны имеет свой характер распространения в исследуемом материале и свою скорость распространения. Исследуя эти волны можно получить большое количество информации о размерах изделия, его внутренней структуре, наличии дефектов, термообработки и т. д.