Рефракция акустических волн

Отражение и преломление акустических волн

Падающая на границу двух полубезграничных сред акустическая волна частично проходит через границу, а частично отражается от нее. При этом мо­жет происходить трансформация типов волн. В наиболее общем случае грани­цы двух твердых сред (рис.2.4) возникают две (продольная и поперечная) от­раженные и две преломленные волны. Направления отраженных и прошедших волн определяются из закона синусов (закона Снелиуса):

(2.4)

где С – скорость падающей (продольной или поперечной) волны;

C_l и C_t – скорости продольных и поперечных волн, для нижней среды они помечены индексом «штрих». Этот закон следует из равенства фазовых скоростей вдоль границы для всех волн. Амплитуды прошедшей А_пр и отра­женной А_отр воли характеризуются соответствующими коэффициентами про­зрачности D = А_пр/А₀ и отражения R = А_отр / Ао для каждого типа возникающих волн (А₀ – амплитуда падающей волны).

Рисунок 2.4 – Отражение и преломление волн на границе двух твердых сред

Граница двух твердых тел или жидкость (газ) – твердое тело.

Если одна или обе среды–твердые тела, то из закона синусов (2.4) выте­кает возможность существования нескольких критических углов. Для твердой нижней среды существует два таких угла. Первый критический угол существует, когда падающая волна продольная и Он соответствует условию слияния с поверхностью (превращения в неоднородную) преломленной продольной волны, т.е.

Второй критический угол существует, когда падает продольная волна и . Он соответствует условию слияния с поверхностью (превращения в не­однородную) преломленной поперечной волны, т.е. .

Третий критический угол существует, если из твердого тела на его гра­ницу падает поперечная волна. Поскольку , при угле продольная отраженная волна сольется с поверхностью и станет неоднородной.

Для практики важны случаи, когда на границу твердого тела (объекты контроля) падает из жидкости продольная волна (иммерсионный контроль) или она падает из другого твердого тела.

Дифракция волн

Дифракция (от лат. (diffractus – разломанный) волн – это отклонение волн от геометрических законов распространения при взаимодействии с пре­пятствиями. Соответственно дифракция звука (и ультразвука) – отклонение поведения звука от законов геометрической (лучевой) акустики, обусловленное волновой природой звука. Звуковые поля, созданные дифракцией исходной волны на препятствиях, называют рассеянными или дифрагированными вол­нами.

Ниже рассмотрена дифракция упругих волн на объектах правильной гео­метрической формы, имитирующих реальные дефекты. Точное решение боль­шинства задач о дифракции упругих волн обычно вызывает затруднение, по­этому пользуются приближенными методами.

Согласно теории Юнга, поле, возникающее в результате дифракции волн,– это результат интерференции волн, распространяющихся по геометри­ческим законам, и дифрагированных волн, возникающих в особых точках, в которых граничные условия имеют разрыв. Геометрическим местом таких то­чек являются границы препятствия, ребра на его поверхности. Согласно теории Френеля, поле дифракции возникает как результат действия фиктивных вто­ричных источников, возбуждаемых падающей волной на препятствии (при от­ражении) или вне его (при прохождении). В равных условиях результаты вы­числений обоими методами совпадают.

Рефракция акустических волн

Рефракция (от позднелат. refractio – преломление) в широком смысле то же, что преломление волн. Применительно к акустическим волнам под рефрак­цией понимают непрерывное изменение направления акустического луча в не­однородной среде, скорость волн в которой зависит от координат. Это явление наблюдают в слоисто-неоднородных и анизотропных средах, в которых ско­рость меняется по определенному закону. Такую среду можно представить как состоящую из бесконечного количества бесконечно тонких слоев, в каждом из которых скорость звука постоянна, но меняется скачком на границах между слоями. Для определения поведения луча применяют закон синусов к границе двух таких слоев , где – угол скольжения. В результате изменения скорости с лучиотклоняются от прямолинейного направления, образуются «зоны молчания» и наоборот – зоны концентрации энергии, в которых возникают каустические поверхности.

Примерами сред с изменяющейся скоростью распространения волн, встречающихся в практике акустического контроля, служат сварные швы из аустенитной стали, трансверсально изотропные неметаллические материалы, поверхностно закаленные изделия (рельсы, валки холодной прокатки, оси и втулки некоторых механизмов). В них специальной термической обработкой придают повышенную твердость наружным слоям, а внутренние слои металла остаются незакаленными, вязкими. Их называют сырыми.

Рассмотрим явление рефракции в изделиях, закаленных токами промыш­ленной частоты – 50 Гц. В отличие от закалки токами высокой частоты, когда закаленный слой тонок и переход от него к сырому металлу происходит резко, при закалке токами промышленной частоты закаленный слой имеет толщину 2...30 мм, а переходной слой 5... 50 мм. Характерным примером такого изделия является валок, используемый в станах для прокатки ненагретых или слабо на­гретых изделий – валок холодной прокатки.

3. Излучение и прием акустических волн

Для излучения и приема акустических волн в акустическом контроле ис­пользуют преобразование электрических колебаний в механические и обратно с помощью электроакустических преобразователей (ЭАП).

3.1.Пьезоэлектрические преобразователи

В ЭАП для акустических методов контроля чаще всего используют пье­зоэлектрический эффект. Пьезоэлектричество (от греч. Piezo – давлю) – возникновение электрической поляризации некоторых диэлектриков при их механической деформации. Соответствующие преобразователи называют пье­зоэлектрическими (ПЭП). Чувствительный элемент из пьезоматериала (пьезо- элемент) обычно имеет форму пластины. На противоположные ее поверхности наносят металлические (серебряные, медные) электроды. Значительно реже применяют пьезоэлементы другой формы, поэтому здесь они не рассматрива­ются.

При подаче на электроды электрического напряжения пластина изменяет свои размеры или испытывает деформацию сдвига вследствие так называемого обратного пьезоэффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина ко­леблется в такт с этими изменениями, создавая в окружающей среде упругие колебания, при этом пластина работает как излучатель. Наоборот, если пьезопластина воспринимает импульс давления или сдвига (акустическую волну), то на электродах вследствие прямого пьезоэффекта появятся электрические заряды. В этом случае пластина работает как приемник.

Способы акустического контакта. Преимущества пьезоэлектрического способа излучения и приема перед другими, описанными далее, состоят в вы­сокой эффективности преобразования и малогабаритности преобразователей. Основной недостаток – необходимость контактной среды (обычно жидкости) для передачи акустических колебаний от преобразователя к объекту контроля и

обратно. В зависимости от толщины слоя контактной жидкости различают три способа ввода ультразвуковых колебаний (акустического контакта).

При контактном способе слой жидкости имеет толщину меньше длины волны ультразвука в ней л. Этого достигают путем плотного прижатия преоб­разователя (давление должно быть не меньше 200 Па) к объекту контроля, на поверхность которого предварительно наносят хорошо смачивающую жид­кость (масло, глицерин, воду со смачивающими добавками и др.). Нарушение жидкой прослойки или изменение ее толщины приводит к изменению качества акустического контакта и, как следствие, к снижению достоверности результа­тов контроля. При контактном ручном способе контроля для обеспечения ста­бильности контакта, как правило, производят подготовку поверхности.

Для снижения нестабильности акустического контакта применяют щеле­вой и имерсионный способы ввода колебаний. При щелевом способе конструк­ция преобразователя предусматривает поддержание постоянного слоя контакт­ной жидкости толщиной порядка л. Такой способ ввода применяют как при ручном, так и при автоматизированном ультразвуковом контроле. Шерохова­тость поверхности Rz<40 мкм.

В иммерсионном способе (от позднелат. immersio– погружение), приме­няемом преимущественно при автоматическом контроле, слой жидкости имеет толщину, значительно большую длины волны. Если используют акустические импульсы, то слой считают толстым или протяженным, если в нем не возника­ет интерференции, связанной с отражением импульсов от границ слоя.

Для обеспечения иммерсионного варианта акустического контакта объ­ект контроля целиком погружают в иммерсионную ванну. Иногда в зоне кон­троля создают локальную иммерсионную ванну либо применяют струйный контакт (через струю жидкости). Иммерсионный способ применяют при кон­троле объектов с сильно шероховатой поверхностью, но без макронеровностей.

Иногда в качестве передающей среды используют не жидкость, а тонкие слои резины или эластичной пластмассы (например, полиуретана). При кон­троле низкочастотными (до 100 кГц) методами (например, импедансным) применяют сухой точечный контакт:

преобразователь со сферическим наконечником прижимают к поверхно­сти объекта контроля без применения контактной жидкости.

При контроле изделий из пластмассы и композитных материалов иногда применяют акустический контакт через слой воздуха: воздушно-акустическую связь. Такой способ связи не употребляют при контроле металлов из-за боль­шой разницы акустических сопротивлений и малом коэффициенте прозрачно­сти. Разница волновых сопротивлений для воздуха и пластмассы существенно меньше, поэтому доля прошедшей в объект контроля акустической энергии достаточна для выполнения контроля.

Через контактную жидкость (или газ) вводят продольную и наклонную поперечную вертикально полязированную волну. В последнем случае падаю­щая из жидкости продольная волна трансформируется в поперечную верти­кально поляризованную волну. Поперечную волну, у которой колебания частиц параллельны контактной поверхности (горизонтально поляризованную), по­добным способом не возбуждают.

Поперечные колебания, имеющие такое направление смещения, практически не пройдут через слой жидкости. Строго го­воря, за счет явления вязкости поперечную горизонтально поляризованную волну можно передать через тонкий слой контактной жидкости, но при этом велики потери энергии.

Характеристики ПЭП. Пьезопластина является основным чувствитель­ным элементом ПЭП. Она электрически соединена с генератором и приемни­ком прибора, а механически – с другими элементами преобразователя: демп­фером, в который излучается (и там гасится) часть колебательной энергии; протектором – тонкой прослойкой, предохраняющей пьезопластину от внеш­них воздействий. Иногда пьезопластина механически соединена с толстой плоскопараллельной или клиновидной призмой, в которую излучается акусти­ческая волна прежде чем попасть в объект контроля.

Современные дефектоскопы комплектуют набором излучателей и прием­ников ультразвуковых волн – электроакустических преобразователей (ЭАП). Здесь рассмотрены только пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), на­шедшие наиболее широкое применение.

Прямой преобразователь контактного типа (рис. 3.1, а) предназначен для работы по совмещенной схеме. Пьезопластину 1 обычно изготовляют из пъезокерамики (как правилоцирконат-титанат-свинца (ЦТС) или твердые четырехкомпонентные системы, включающие титанат свинца и цирконат свинца (ПКР).

а – прямой, б – наклонный, в – раздельно-совмещенный

Рисунок 3.1 – Основные типы преобразователей

Толщину пьезопластины делают равной половине длины волны. Для ЦТС на частотах 1... 10 МГц она равна 0,16... 1,6 мм.

На поверхности пьезопластины методами вжигания, осаждения или на­пыления в вакууме наносят серебряные или медные электроды, которые систе­мой проводников 5 соединяют с кабелем 7, а через него–с дефектоскопом. Внешнюю оплетку кабеля и наружную сторону пьезопластины соединяют с металлическим корпусом 6 преобразователя. В преобразователе (или вблизи него) располагают катушку индуктивности 4 для настройки на резонансную, частоту. Пьезопластину приклеивают к демпферу 2, который повышает ее меха­ническую прочность и расширяет полосу пропускания. Для того чтобы ультра­звуковые колебания, отраженные от задней поверхности демпфера, не вызыва­ли помех, демпфер изготовляют из звукогасящего материала, например из эпоксидной смолы с порошкообразным наполнителем из тяжелого металла (вольфрама) в весовой пропорции 1/6...1/12. Это приближает волновое сопро­тивление демпфера и увеличивает широкополосность преобразователя. При контроле изделий большей толщины, когда разрешающая способность не имеет существенного значения, а повышение чувствительности весьма желательно, применяют демпфер с малым акустическим сопротивлением.

Протектор 3 ПЭП должен обладать высокой износоустойчивостью, обес­печить высокую чувствительность преобразователя и стабильность акустиче­ского контакта его с изделием. Протектор, изготовленный из металла или ке­рамики, хорошо удовлетворяет лишь первым двум из указанных условий, а из материала с повышенным затуханием ультразвука–эпоксидной смолы с металлическим (предпочтительно бериллиевым) наполнителем или из пластика (полиуретана) – повышает стабильность акустического контакта, однако износостойкость такого протектора ниже, чем металлокерамического. Протектор делают тонким (0,2...0,5 от ), чтобы ускорить гашение многократных отражений в нем ультразвука.

Пьезопластину ПЭП делают обычно круглой. Размеры выбирают с уче­том поля излучения-приема. Увеличение диаметра сужает диаграмму направ­ленности в дальней зоне, но в то же время увеличивает протяженность ближ­ней зоны, где оценка размеров и местоположения дефектов затрудняется нали­чием максимумов и минимумов сигнала. Целесообразно применять пластины малого размера для контроля тонких изделий и большого–для контроля изде­лий значительной толщины.

Наклонный преобразователь (рис. 3.1, б) отличается от нормального на­личием призмы 8. Пьезоэлемент излучает в призму продольные волны, которые на границе призмы с изделием преломляются, а частично – отражаются. Не вошедшая в изделие часть ультразвуковой энергии попадает в ловушку (перед­няя и верхняя части призмы) и гасится в ней. Демпфер 2 иногда совсем отсут­ствует, что повышает коэффициент преобразования. Пьезопластине для уменьшения пути ультразвука в призме часто придают не круглую, а квадрат­ную или прямоугольную форму, ее приклеивают к призме.

Призму делают чаще всего из органического стекла (плексигласа). Этот материал достаточно хорошо пропускает ультразвуковые волны, но в то же время быстро гасит их в ловушке. В высокочастотных преобразователях при­меняют, материалы с меньшим затуханием ультразвука (полистирол), а в низ­кочастотных–с большим, так как коэффициент затухания возрастает с часто­той.

Угол наклона призмы (рис. 3.2) должен обеспечить введение в объект контроля воли требуемого типа под нужным углом. Чаще всего вводят попе­речные волны, а углы выбирают между первым и вторым критическими. Одна­ко, чтобы не возникали другие (мешающие) типы волн, углы призмы делают такими, чтобы они на 2...3° не доходили до критических значений.

Рисунок 3.2 – К конструированию призмы наклонного преобразователя; поперечные волны показаны штриховыми линиями

Для контроля аустенитных сварных соединений с большим затуханием и рефракцией поперечных волн применяют продольные волны, распространяю­щиеся под углом к поверхности. Для их возбуждения угол призмы делают меньше первого критического. Поперечные волны, возникающие одновремен­но спродольными, создают при этом помехи. Выбирая соответствующие углы наклона, возбуждают поверхностные, головные волны и различные моды волн в пластинах и стержнях.

При конструировании призмы преобразователей, предназначенных для работы по совмещенной схеме, обращают внимание на то, чтобы не возникало ложных сигналов в результате отражения от элементов призмы. Пучок волн при этом считают параллельным, так как отражатели находятся в ближней зоне пьезопластаны.

Раздельно-совмещенный (PC) преобразователь (рис. 3.1, в) имеет излу­чающий и приемный пьезоэлементы, которые разделены акустически и элек­трически экраном 9. В то же время они объединены конструктивно в одном корпусе 6. Благодаря разделению электрический и акустический зондирующие импульсы и сопровождающие их помехи практически не попадают на прием­ник. В результате уменьшается минимальная глубина прозвучивания (мертвая зона).

Пьезоэлементы 1 PC-преобразователей обычно имеют прямоугольную или полукруглую форму. Их располагают на призмах из оргстекла 8 с неболь­шими углами наклона (0...10°), при которых в изделие излучаются продольные волны, а поперечные имеют небольшую амплитуду. Варьируя углы призм, их высоту, расстояние между ними и размеры пьезоэлементов, можно изменять положение максимума чувствительности (фокуса), минимальную и максималь­ную глубину прозвучивания. Возможно даже обеспечить постоянную чувстви­тельность к дефектам при их различном расстоянии от поверхности.

На рис. 3.1, в показан прямой раздельно-совмещенный преобразователь. Его общая акустическая ось, проходящая посередине между одинаковыми из­лучателем и приемником, направлена нормально к поверхности.

Наклонные PC-преобразователи применяют в двух вариантах (рис. 3.3): тандем, когда из­лучатель и приемник расположены один за другим в плоскости падения, и дуэт, когда они расположены рядом. Угол 6 между проекциями акустических осей на поверхность ввода и биссектрисой называют углом разворота

Для возбуждения и приема головных волн используют только РС- преобразователи, так как в противном случае большой уровень шумов полно­стью маскирует полезный сигнал. Чаще применяют вариант дуэт, имеющий бо­лее высокую чувствительность к дефектам.

РРисунок 3.3 – Наклонные PC преобразователи типа тандем (а) и дуэт (б)

Иммерсионный преобразователь для контроля изделия, погруженного в иммерсионную ванну, отличается от прямого тем, что имеет повышенное волновое сопротивление демпфера. Протектор изготовляют обычно из эпок­сидной смолы толщиной в четверть длины волны. Он обеспечивает просветле­ние границы пьезоэлемент– иммерсионная жидкость и гидроизоляцию пьезопластины. Вариантами иммерсионного преобразователя являются струйный (с контактом через струю жидкости) и с локальной иммерсионной ванной.

Другие типы преобразователей укажем, чтобы дать их определения и области применения. Широкозахватные ПЭП имеют сильно вытянутую прямо­угольную пьезопластину; они позволяют контролировать широкую полосу из­делия за один проход. Широкополосные ПЭП работают в полосе частот боль­ше одной октавы. Фокусирующие ПЭП дают концентрацию ультразвуковой энергии в небольшой зоне – фокусе.Веерные ПЭП излучают расходящийся в широком диапазоне углов пучок лучей для выявления разноориентированных плоскостных дефектов.

Щелевые ПЭП предназначены для контроля изделий через слой контактной жидкости небольшой толщины, причем зазор обеспечи­вает конструкция преобразователя. ПЭП с переменным углом позволяют изме­нять угол ввода.