При распространении упругих волн в  металлах возможна реверберация – постепенное затухание колебаний, обусловленное повторными отражениями. Реверберация может быть объемной (из-за многократного отражения колебаний от поверхностей, ограничивающих контролируемое изделие) и структурной (из-за многократного отражения и рассеяния колебаний границами зерен металла). Возникновение структурной реверберации может быть объяснено анизотропией упругих свойств зерен металла, благодаря чему ультразвук при переходе из одного зерна в другое претерпевает отражение на их границах, преломление при переходе через границы и постепенное рассеяние во все стороны. 

4. ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ  УЗК НА ГРАНИЦЕ  РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД

 
 

      Законы  отражения и преломления ультразвуковых волн аналогичны законам геометрической акустики. Если продольная волна, распространяющаяся в некоторой среде I, встречает на своем пути среду II с другими акустическими свойствами, то часть энергии отражается от границы раздела в первой среде, а оставшаяся часть проходит в новую среду. При этом отраженные волны распространяются от границы раздела в первой среде, а прошедшие – во второй. Пусть плоская упругая продольная волна, распространяясь со скоростью C_I в однородной среде с плотностью r_I , доходит до границы со второй средой с плотностью r_II и скоростью распространения C_II . Условимся углом n падения ультразвукового луча называть угол, образованный лучтом и нормалью к поверхности в точке падения луча.

      Если  упругая волна падает перпендикулярно  на плоскую границу раздела двух сред (a=0), то часть ее энергии переходит во вторую среду, а часть отражается в первую, причем проходящая и отраженная волны будут того же вида, что и волна падающая, и направлены также перпендикулярно к границе раздела (рис. 2, а). Распределение энергии между отраженной и прошедшей волнами определяется коэффициентами отражения и прохождения.

 

Схема прохождения упругих  волн на плоской границе  двух сред при перпендикулярном (а) и наклонном (б) падении  лучей

П – пьезоэлемент, I – первая среда, II – вторая среда. (Рис. 2) 

      Коэффициентом отражения R называется отношение интенсивностей отраженной и падающей волн. Для рассматриваемого случая:

R = (r_IIC_II - r_IC_I)/(r_IIC_II + r_IC_I),

где r_IC_I и r_IIC_II – удельные акустические сопротивления I и II сред.

      Коэффициентом прохождения D называется отношение  интенсивностей прошедшей и падающей волн. Так как сумма коэффициентов отражения и прохождения при нормальном падении равна 1, то коэффициент прохождения можно определить из уравнения

D = 1 –  R.

      Если  продольная упругая волна L падает на границу раздела двух твердых  сред под углом, отличным от прямого, то отраженная и прошедшая волны преломляются и трансформируются на продольные L¢L² и сдвиговые S¢S² волны, распространяющиеся в первой и второй средах под различными углами (рис. 2, б). На практике для обеспечения падения продольных волн под углом между пьезоэлементом и контролируемой деталью располагают призму из органического стекла. В этом случае угол a между падающим лучом LO и перпендикуляром MN к поверхности раздела в точке O называется углом падения, углы b¢ и g¢ – углами отражения, b и g – углами преломления (или углами ввода) соответственно продольной и сдвиговой волн.

      Законы  отражения и преломления упругих  волн по аналогии с законами геометрической оптики формулируются так:

• отраженные и преломленные лучи лежат в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности раздела сред, проведенной в точке падения;
• угол отражения продольной волны равен углу падения;
• при r_IC_I < r_IIC_II углы падения, отражения и преломления связаны отношением sina/С_ПРI = sing¢/C_СДВI = sinb/C_ПРII = sing/C_СДВII , где С_ПРI, C_СДВI, C_ПРII и C_СДВII – скорости распространения продольных и сдвиговых волн в I и II средах соответственно.

      При увеличении угла падения a продольной волны L углы b и g также увеличиваются и при некотором значении a = a_КРI (первый критический угол) преломленные продольные волны распространяются по поверхности, не проникая в глубь среды II (рис. 2, б). При дальнейшем увеличении угла падения до a_КРII (второй критический угол) по поверхности распространяются преломленные сдвиговые волны (рис. 2, г).

      Свойства  упругих волн используют при конструировании  наклонных преобразователей для  контроля изделий сдвиговыми и поверхностными волнами. В них УЗК преломляются с помощью клинообразной призмы, изготовленной из органического  стекла, играющей роль среды I, а средой II является контролируемое изделие. Зная скорость распространения УЗК в призме и контролируемом изделии, можно рассчитать значения углов распространения продольных и сдвиговых волн в среде II в зависимости от угла a. 

5. АКУСТИЧЕСКИЙ ВИД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

 
 

      При данном виде неразрушающего контроля регистрируют упругие волны, параметры  которых тесно связаны с такими свойствами материалов, как упругость, плотность, анизотропия и другие [2]. Акустические свойства твердых материалов и воздуха настолько сильно отличаются, что акустические волны отражаются от тончайших зазоров (трещин, непроваров) шириной 10^-6 – 10^-4 мм. Этот вид контроля применим ко всем материалам, достаточно хорошо проводящим акустические волны: металлам, пластмассам, керамике, бетону и т.д.

      По  характеру взаимодействия с объектом различают пассивный и активный методы. Пассивный акустический метод  предусматривает регистрацию упругих  волн, возникающих в самом объекте. Шумы работающего механизма позволяют судить о исправности или неисправности механизма и даже о характере неисправности. Этот пассивный метод акустического контроля называется шумовибрационным. Многие машины снабжают датчиками, регистрирующими уровень вибрации определенных узлов и прогнозирующими их работоспособность. Это вибрационный метод контроля или диагностики.

      Перестройка структуры металла, вызываемая движением  групп дислокаций, возникновением и  развитием трещин, аллотропическими превращениями в кристаллической решетке, сопровождается появлением упругих волн ультразвукового (реже звукового) диапазона. На использовании этих волн основан метод акустической эмиссии. Используя такие информативные параметры, как количество сигналов в единицу времени, их частота, амплитудное распределение, локация места возникновения упругих волн, судят о состоянии материала, проходящих в нем изменениях, прогнозируют работоспособность конструкции.

      Активные  ультразвуковые методы разнообразнее  по схемам применения и получили гораздо более широкое распространение. Для контроля используют стоячие волны (вынужденные или свободные колебания объекта контроля или его части), бегущие волны по схемам прохождения и отражения. Методы колебаний используют для измерения толщин при одностороннем доступе и контроля свойств материалов (модуля упругости, коэффициента затухания). Информативным параметром служат частоты свободных или вынужденных колебаний и их амплитуды. Используют также метод, основанный на измерении режима колебаний преобразователя, соприкасающегося с объектом (импедансный метод). По амплитудам и резонансным частотам такого преобразователя (часто имеющего вид стержня) судят о твердости материала изделия, податливости (упругому импендансу) его поверхности. Податливость, в частности, улучшается под влиянием дефектов, близких к поверхности изделия. 

6. СУЩНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ЭХО-МЕТОДОМ

 
 

      Ультразвуковая  дефектоскопия – комплекс методов контроля, использующих упругие колебания ультразвукового диапазона [1]. Она основана на свойстве упругих волн распространяться в однородном твердом теле и на его плоских или кривых поверхностях в виде лучей прямолинейно и отражаться от границ тела или нарушений сплошности, а также на свойстве упругих волн рассеиваться и поглощаться структурными составляющими контролируемых объектов.

      Эхо-метод  является наиболее распространенным методом  ультразвуковой дефектоскопии, применяемым  для контроля металлических изделий, в том числе крупногабаритных и сложной формы. Контроль проводят различными волнами при одностороннем доступе к объекту контактным или иммерсионным способами.

      Эхо-метод  основан на посылке в контролируемое изделие коротких импульсов УЗК  и регистрации интенсивности  и времени прихода сигналов, отраженных от дефектов или границ изделия.

      УЗК вводят в изделие, как правило, с  одной стороны совмещенным преобразователем. Излучаемые импульсы УЗК называют зондирующими. Их посылают в контролируемое изделие  один за другим через определенные промежутки времени – паузы или  интервалы. Периодом импульсов T называется время, прошедшее от начала действия одного импульса до начала действия следующего. Период равен сумме длительностей импульса t и паузы t.

 

Схема прозвучивания изделия  эхо-методом продольными  УЗК

1 – изделие, 2 –  совмещенный преобразователь, 3 – дефект, 4 – зондирующий импульс УЗК, 5 – донный сигнал, 6 – промежуточный сигнал. (Рис. 3) 

      Зондирующий импульс УЗК, пройдя через металл, отражается от противоположной поверхности  изделия и, возвращаясь, частично попадает на преобразователь. На экране возникает донный (концевой) сигнал. При наличии дефекта импульс УЗК отразится от него раньше, чем от противоположной поверхности детали. Между начальным и донным (концевым) сигналами возникает промежуточный сигнал. Если дефект полностью перекрывает путь ультразвуковому пучку, то на экране наблюдается только начальный сигнал и сигнал от  дефекта. На экране строится график, по горизонтальной оси которого отложено время, пропорциональное глубине залегания дефекта, а по вертикальной – интенсивность отраженного от дефекта сигнала, зависящая от его размеров и ориентировки относительно лучей пучка УЗК. 

7. МЕТОДИКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

 
 

      Выбор методики являются важной задачей, от правильного решения которой  зависит надежность ультразвукового  контроля [3]. Приступая к разработке методики, необходимо изучить характеристики контролируемого изделия, материала, из которого оно изготовлено, и дефектов, подлежащих обнаружению. К характеристикам контролируемого изделия относятся форма, размеры, технология изготовления, состояние поверхности, наличие припусков на термообработку, условия нагружения в эксплуатации. К характеристикам материала относятся степень деформации, макроструктура, термическая обработка, плотность, степень упругой анизотропии и акустические характеристики (скорость распространения УЗК, удельное акустическое сопротивление, коэффициенты рассеяния и затухания УЗК, уровень структурной реверберации). К характеристикам дефекта относятся тип, размеры, место и глубина залегания, ориентировка относительно поверхностей изделия и растягивающих напряжений, действующих на него в эксплуатации.

      При составлении методики должны быть выбраны  частота и вид УЗК, направление  их распространения в изделии; тип  преобразователя, места установки  его на изделии и схема сканирования; вид акустического контакта; чувствительность и настройка дефектоскопа, регистрация и способы расшифровки показаний дефектоскопа. 

7.1. Выбор частоты УЗК