Дифракция света на ультразвуке

По изменению спектрального  состава дифрагированного света можно определить степень нелинейности модулей упругости среды. Это связано с тем, что в упруго-нелинейной среде при распространении гармонического сигнала возникают кратные и иные гармоники, наличие и интенсивность которых влияют на спектральный состав дифрагированного света.

Существуют методы визуализации акустического поля, в которых  используется режим Брэгга.

Промышленно выпускаются  акустооптические модуляторы света, работающие как в режиме Рамана - Ната, так и в режиме Брэгга.

Известны отклоняющие  устройства, предназначенные для  изменения направления распространения  света, например, лазерного. Такие устройства бывают двух типов: градиентные и  дифракционные. В градиентном устройстве используются низкочастотные акустические колебания, когда диаметр светового  луча много меньше длины волны  звука. Тогда луч отклоняется  в сторону градиента показателя преломления.

В дифракционном устройстве используется явление дифракции  света на ультразвуковых волнах, описанное  в настоящем пособии.

Существуют и другие полезные применения эффекта дифракции света  на ультразвуковых волнах.

Например, во второй половине 30-х годов ХХ века была разработана  система проекционного телевидения. В этой системе использовалась жидкостная ячейка, в которой возбуждались упругие  волны на частоте 10 МГц, модулированные по интенсивности видеосигналом. Чтобы  в ячейке поместилась вся телевизионная  строка, она делалась достаточно длинной  и равномерно освещалась световым пучком, направленным параллельно фронту упругой  волны. Недифрагированный свет отклонялся фокусировкой на светонепроницаемый экран, а дифрагированный свет, пройдя через экран, давал изображение видеосигнала.

3.1Ультразвуковые дефектоскопы

Ультразвуковые дефектоскопы обычно работают в импульсном режиме, значительно реже — в непрерывном  режиме излучения упругих колебаний. Четкая классификация импульсных ультразвуковых дефектоскопов определена ГОСТ 23049—84. В зависимости от области применения ультразвуковые дефектоскопы (УД) подразделяют на две группы: общего назначения —  УД и специализированные — УДС, а  в зависимости от функционального  назначения на четыре группы (табл. 1). Условное обозначение дефектоскопа состоит из букв УД (или УДС), номера группы и порядкового номера модели, а также буквы М с номером модернизации и номера исполнения по устойчивости к воздействию внешней среды.

Таблица 1. Классификация  ультразвуковых дефектоскопов

Дефектоскопы разрабатывают  из расчета на перемещение преобразователя  вручную (далее ручной контроль, ручные дефектоскопы), на механизированное сканирование (механизированные дефектоскопы) или  на механизированное сканирование и  автоматическую обработку и регистрацию информации (автоматизированные дефектоскопы).

В практике неразрушающего контроля наиболее широко используют ручные импульсные ультразвуковые дефектоскопы 2-й и 3-й групп общего или специального назначения. Общим для этих дефектоскопов  является наличие электронно-лучевого и звукового индикаторов, электронного глубиномера для определения  координат залегания отражающей поверхности, аттенюатора для измерения  отношения амплитуд сигналов в децибелах.

Импульсные ультразвуковые дефектоскопы

Основными параметрами сигнала  в методе отражений, подлежащими  измерению, являются амплитуда U (дБ) и  временной сдвиг Т (мкс) принятого сигнала (импульса) относительно излученного, называемого зондирующим сигналом (импульсом).

Для возбуждения импульсов  упругих колебаний с частотой f и приема их отражений в дефектоскопах используют в основном пьезоэлектрические преобразователи, реже — электромагнитно-акустические.

Обобщенная структурная  схема импульсного УЗД 2-й и 3-й групп приведена на рис. 1 (ГОСТ 23049—84).

Рисунок 1. Обобщенная структурная  схема импульсного УЗД

Генератор синхронизирующих импульсов обеспечивает синхронизацию работы узлов дефектоскопа, реализуя импульсный режим излучения — приема УЗ-колебаний. При ручном контроле этот генератор работает в режиме самовозбуждения; при использовании дефектоскопа в многоканальной аппаратуре механизированного и автоматизированного контроля его переключают в режим внешнего запуска. Независимо от режима генератор вырабатывает импульсы, используемые для пуска генератора радиоимпульсов, генератора напряжения развертки, блока цифровой обработки, схемы временной селекции автоматического сигнализатора дефектов.

Генератор радиоимпульсов предназначен для формирования высокочастотных электрических импульсов, используемых для возбуждения УЗ-колебаний в преобразователе. До последнего времени наиболее часто применяли схемы генераторов радиоимпульсов с контуром ударного возбуждения. В дефектоскопах, созданных недавно, чаще используют схемы, позволяющие получать радиоимпульсы с колоколообразной огибающей, характеризующиеся большим КПД и наиболее узким спектром при заданной длительности.

Высокочастотные электрические  колебания пьезопластиной преобразователя трансформируются в механические, которые при наличии акустического контакта вводятся в контролируемый объект. Дойдя до границы с какой-либо инородной средой (дефектом), эти колебания частично отражаются, регистрируются и преобразуются в приемном преобразователе в электрические импульсы, поступающие на вход приемно-усилительного тракта дефектоскопа.

Приемно-усилительный тракт дефектоскопа предназначен для усиления и детектирования сигналов, регистрируемых приемным преобразователем. Тракт содержит, как правило, следующие элементы: двусторонний диодный ограничитель, ограничивающий амплитуду зондирующего импульса на входе усилителя; калиброванный делитель напряжения — измерительный аттенюатор; усилитель высокой частоты; детектор; видеоусилитель; формирователь управляющего напряжения временной регулировки чувствительности. Измерительный аттенюатор позволяет оператору сравнивать уровни эхо-сигналов от различных отражателей.

В УЗ-дефектоскопах измерительные аттенюаторы выполняют, как правило, путем цепочечного соединения звеньев на резисторах с изменением вносимого затухания путем переключения звеньев. Общее затухание, установленное на аттенюаторе, равно сумме затуханий, определяемых положением ручек аттенюатора. Точность аттенюатора характеризуют пределом допускаемой абсолютной погрешности измерения отношения амплитуд сигналов на входе приемника, которая в современных дефектоскопах не превышает 1 ... 2 дБ.

Видеоусилители современных дефектоскопов включают в себя схему регулируемой отсечки, обеспечивающую передачу сигналов, превышающих заданный уровень, называемый уровнем подавления, без искажений.

Формирователь управляющего напряжения автоматической временной  регулировки чувствительности (ВРЧ) предназначен для выработки напряжения, управляющего во времени коэффициентом усиления приемного тракта дефектоскопа. Применение системы ВРЧ позволяет уменьшить время восстановления усилителя после перегрузки его зондирующим импульсом. Кроме того, система ВРЧ позволяет компенсировать ослабление УЗ-колебаний в контролируемом изделии, обусловленное дифракционным расхождением и затуханием ультразвука. В некоторых дефектоскопах форму управляющего напряжения ВРЧ можно наблюдать на экране электронно-лучевой трубки.

В большинстве эхо-импульсных дефектоскопов в качестве индикаторов используют электронно-лучевые трубки электростатическим отклонением луча в виде индикаторов типа А. На экране такого индикатора воспроизводится в масштабе процесс распространения УЗ-колебаний в контролируемом объекте. Длительность развертки регулируется в зависимости от скорости распространения УЗ-колебаний в материале объекта и толщины контролируемого слоя. Для формирования изображения на горизонтально отклоняющие пластины подается пилообразное напряжение, вырабатываемое генератором напряжения развертки.

Напряжение видеосигналов  подается с выхода приемно-усилительного  тракта на вертикально отклоняющие  пластины, в результате чего на линии  развертки появляются импульсы, положение  которых позволяет судить о расстоянии до отражающей поверхности. При большой  толщине изделия масштаб изображения  на экране электронно-лучевой трубки может оказаться слишком мелким, что не позволяет наблюдать эхо-сигналы  от близко расположенных отражателей. Для устранения этого недостатка в современных дефектоскопах предусмотрена плавная регулировка длительности развертки. Кроме того, для этой же цели вводят режим пуска генератора напряжения развертки с задержкой, которую можно плавно регулировать. Это позволяет наблюдать процесс распространения УЗ-колебаний в любом слое контролируемого изделия в достаточно крупном масштабе и в сочетании со схемой автоматического сигнализатора дефектов реализовать принцип контроля по слоям.

Цифровой индикатор предназначен для измерения координат выявленных дефектов, а также для измерения длительности и задержки развертки, временных параметров автоматического сигнализатора дефектов и системы ВРЧ. Координаты h и L расположения отражателя вычисляют по известным значениям времени t распространения УЗ-колебаний в контролируемом объекте до отражателя и обратно, а также угла ввода α:

где — коэффициенты, учитывающие скорость  и угол ввода луча α поперечной волны.

Преобразование длительности неизвестного временного интервала  в цифровой код осуществляют путем  заполнения этого интервала тактовыми  импульсами специального генератора, следующими с фиксированной частотой, и счета числа этих импульсов. Результат отображается на цифровом индикаторе с учетом масштабного  коэффициента, зависящего от частоты  следования тактовых импульсов. При  определении координат дефектов значения коэффициентов  учитываются с помощью подстроечных элементов подбором частоты следования импульсов тактового генератора.

Автоматический  сигнализатор дефектов управляет дополнительными индикаторами. В этом блоке осуществляется временная селекция сигналов, поступающих на его вход с выхода усилительного тракта. Временная селекция эхо-сигналов необходима для того, чтобы на дополнительные индикаторы дефектоскопа не поступал зондирующий импульс, а также эхо-сигналы от несплошностей, расположенных вне контролируемого слоя. Принцип временной селекции состоит в том, что на выход селектора (каскада совпадений) приходят только те сигналы, которые совпадают по времени со специально сформированным селектирующим (стробирующим) импульсом, временное положение которого соответствует распространению УЗ-колебаний в заданном слое. Длительность t этого импульса определяет толщину контролируемого слоя H, а интервал времени Т между моментом излучения зондирующего импульса и моментом начала стробирующего импульса — глубину h расположения ближней границы контролируемого слоя.

Величины Н, t, h и T связаны между собой соотношениями

где  — время прохождения упругой волны через призму (протектор) преобразователя.

Для измерения интервала  времени Т при определении координат отражателя обычно используют метод максимума, предусматривающий установку преобразователей в положение, соответствующее максимальной амплитуде отраженного сигнала. Как правило, максимум амплитуды отраженного сигнала определяют по экрану трубки.

Использование в дефектоскопах микропроцессорной техники существенно повышает достоверность и надежность результатов УЗ-контроля. В дефектоскопах 3-й группы она позволяет измерять эквивалентную площадь и линейные условные размеры выявленных дефектов, осуществлять настройку параметров дефектоскопа по предварительно введенным в него программам, а в дефектоскопах 4-й группы — вести обработку информации в процессе сканирования и идентифицировать дефекты по видам с учетом их потенциальной опасности, отображая результаты обработки на документе контроля (ультразвукограмме).