книги / Ультразвуковой контроль сварных соединений

При первом критическом угле ,наиболее интенсивно возбуждает­ ся головная волна. В интервале между первым и вторым критиче­ скими углами существует только поперечная волна. Эту область наиболее часто используют в дефектоскопии для возбуждения в контролируемом материале поперечных волн. За вторым крити­ ческим углом при определенном угле падения возбуждается по­ верхностная волна.

Рис. 2.20. Изменение коэффициентов прохождения продольной ( Dt )

н поперечной ( D, ) волн в зависимости*от угла падения |3

Следует отметить, что в определенном диапазоне углов тео­ ретические значения коэффициентов прохождения отличаются от экспериментальных. Это приводит к несоответствию закону Снеллиуса. Например, при (Р = 30° ас =37°, а а э= 39°, при

Р = 53° а с = 76°, а а э = 72е, где а с - угол ввода, рассчитанный

по закону Снеллиуса, а а э - экспериментальный угол ввода.

Указанное обстоятельство объясняется тем, что закон Снел­ лиуса и полученные выражения для расчета коэффициентов от­ ражения и прохождения справедливы для случая плоской волны. У реальных преобразователей, как правило, пучок расходящийся и каждый из лучей пучка имеет свой коэффициент прохождения. Установлено также, что центральный луч отклоняется от направ­ ления акустической оси, расчитанного по закону Снеллиуса, в зависимости от произведения радиуса пьезоэлемента на частоту. Отклонение тем меньше, чем больше это произведение (рис. 2.21). Ранее рассматривались свойства ультразвуковых ко­ лебаний как в жидкости, так и в упругой среде. Рассмотрим свой­ ства волн, имеющие особенности, связанные с упругой средой. К ним относятся поляризация, дифракция и рефракция.

Рис. 2.21. Отклонение центрального луча (кривые 7 ,2), соответствующего максимуму амплитуды сигнала от акустической осн (кривая J)

для преобразователя с плексигласовой призмой, излучающей в сталь:

1 - а/ = 5 мм • МГц; 2 - а / = 15 мм • МГц

Поляризация ультразвука. В общем случае в среде вдоль направления п могут распространяться три плоские волны, каж­

дая со своей скоростью, причем вектор смещения и не является параллельным или перпендикулярным направлению распростра­ нения п. Волна, смещение в которой наиболее близко к вектору п,

называется квазипродольной волной. Ее скорость обычно больше скоростей двух других волн, называемых квазипоперечными. Смещения частиц в этих трех волнах взаимно перпендикулярны.

В изотропном твердом теле распространяются две волны с разными скоростями - продольная и поперечная. Скорости этих волн не зависят от направления распространения.

При падении плоской продольной волны на границу раздела двух сред возникают смещения и напряжения, ориентированные только в плоскости падения (рис. 2.19). Следовательно, векторы смещения частиц в отраженных и преломленных волнах лежат в этой же плоскости. В продольных волнах векторы смещений на­ правлены вдоль направления распространения волны, а в попе­ речных - перпендикулярны им. Таким образом, в данном случае поперечная волна линейно поляризована в плоскости падения.

В реальных условиях, когда излучатель продольной волны имеет ограниченные размеры, на линейно поляризованную попе­ речную волну, вводимую в изделие, накладывается так называе­ мая естественная, или неполяризованная поперечная волна. Она возникает в связи со случайными изменениями каких-либо свойств излучателя ультразвука, например, неравномерностью распределения пьезомодулей по поверхности пьезопластины или случайными локальными нарушениями плоскости контактных поверхностей. Колебания частиц в таких волнах лежат в плоско­ сти, перпендикулярной направлению распространения волны, но с равной вероятностью могут быть ориентированы в любом на­ правлении этой плоскости.

Для оценки степени поляризации по аналогии с оптикой вве­ ден коэффициент

g = ( 4 nax Длт)/(Дпах Дпт)>

где А, и Лmm - сигналы, измеренные при повороте приемника-анализатора (кварц - Y-срезка или ЭМА-преобразователь) в плоскости фронта регистрации волны на 90°

Коэффициент поляризации линейно поляризованной волны Р = 1, волны с круговой поляризацией Р = 0, а эллиптически по­

ляризованной волны (ее понятие будет дано ниже) - промежу­ точное значение. Экспериментами показано, что соотношение амплитуд линейно поляризованной и естественной частей со­ ставляет не менее 30 дБ.

Таким образом, во всех случаях, представляющих интерес, можно считать, что поперечная волна, вводимая в изделие с по­ мощью наклонных пьезопреобразователей, линейно поляризова­ на в плоскости, перпендикулярной границе раздела сред.

Такая волна называется вертикально поляризованной, или SV-волной. Если предположить, что частицы в поперечной вол­

не колеблются перпендикулярно плоскости падения, т.е. вдоль границы раздела двух сред, то такая волна называется горизон­ тально поляризованной, или SH-волнои. Такие волны могут

быть реализованы с помощью специальных преобразователей, которые рассмотрим далее. Для того чтобы назвать поперечную волну SH-поляризованной, необходимо учитывать взаимную ориентацию отражателя (неоднородности) и плоскости поляри­ зации волны.

Рассмотрим подробнее вопрос о вычислении коэффициента отражения поляризованной волны от свободной плоскости гра­

ницы упругой среды. Назовем его R^ . Если волна вертикаль­

но поляризована относительно этой границы, то можно пока­ зать, что от границы распространяются две волны - продольная со скоростью С, и поперечная со скоростью С, . Коэффициен­

ты отражения этих волн по смещениям можно найти из соот­ ношений:

у]с ? - С} sin2 Р tg22p - С{cosp

д/с2 - Cf sin2 p tg 22(3 + Ct cosp	(2.41)
R,= ________2Ct cosP tg2ft________	(2.42)
д/с/ - Cf sin2 p tg 22p + С/ cos P

В данном случае R^ ф = R*

На рис. 2.22 приведены графики, рассчитанные по этим фор­

мулам. Видно, что при угле падения, близком к третьему крити­ ческому (когда С2 - С/2 sin2 Р = 0), резко падает амплитуда попе­ речной и возрастает амплитуда продольной волны. При углах

падения, больших третьего критического, Rt = 0, Rj = 1 При

этом коэффициент отражения RJ становится комплексным чис­

лом, что физически означает изменение фазы отраженной волны. Здесь возможно незеркальное отражение (рис. 2.23), проявляю­ щееся в смещении ультразвукового пучка при отражении. Чем ближе угол падения к третьему критическому, тем больше ам­ плитуда неоднородной волны. Коэффициент отражения горизон­ тально поляризованной поперечной волны независимо от угла падения равен единице. Поэтому использование такой волны при выявлении дефектов предпочтительнее.

Если вектор смещения поперечной волны составляет с плос­ костью падения угол £0, то такая волна имеет вертикально и го­ ризонтально поляризованные компоненты (рис. 2.24), причем каждая отражается независимо со своим коэффициентом. Можно показать, что в этом случае эффективное значение коэффициента отражения определяется по формуле

Лэфф = - cos 4о cos р/?/1i +cos sin р j + sin £0к . (2.43)

Здесь i ,j , к - единичные векторы осей координат х, у, z

(рис. 2.25). Например, при (3 < (З^з (2.43) принимает простой вид

При этом отраженная вол­ на линейно поляризована, причем вектор смещения в этой волне щ отклонен от плоско­

сти	падения на		угол	^ и
ctg	= К Ctg £.0 .		так	что
	Для	закритических		углов
падения		Р > рКТ)3	отраженная

поперечная волна может иметь эллиптическую поляризацию. Такой вид поляризации ранее не встречался. Эллиптически поля­

о-

м

0,8

0,6

0,4

0,2

	ризованной называется попе­
	речная волна, в которой конец
	вектора смещения	каждой ко­	о ю 20 30 40 Р°
	леблющейся частицы описывает
			Рис. 2.22. Изменение коэффициента
	эллипс, лежащий	в плоскости,
	перпендикулярной	направле­	отражения Rv о зависимости от
	нию распространения волны.		угла падения поперечной волны р

Такая поляризация волны возникает, когда колебания частиц в двух взаимно перпендикулярных направлениях сдвинуты по фа­ зе, т.е. именно в случае отражения поперечной волны от свобод­

ной границы при условии р > Рьр3.

Действительно, выше указывалось, что при этом SV- и

SH-Bonrtbi сдвинуты по фазе: если фаза отраженной SH-волны равна нулю, то фаза ф отраженной SV-волны, как это следует из формулы (2.40), определяется из соотношения

cos ф = (а2 - b2 У (а2 +Ь2^,

(2.44)

где

Рис. 2.23. Изменение величины смещ ения Az от угла ввода поперечной волны :

/ - / = 1,8 МГц; 2 - / - 2 , 5 МГц

Зависимость ср(р) приведена на рис. 2.25.

Рис. 224. Схема проведения экс­ перимента по отраж ению поляризованной волны

Рис. 2.25. Зависим ость ф азы коэф ф ициента отраж ения SV-волны от угля падения

Для закритических углов падения выражение для , сле-

дующее из (2.43), имеет довольно громоздкий вид, и мы не будем его приводить. Для практики гораздо больший интерес представ­

ляет не сам коэффициент отражения , а та часть отраженной

волны, которая может быть принята поляризованным приемни­ ком. Поскольку само направление поляризации приемника пер­ пендикулярно направлению поляризации отраженной волны, то такой приемник вообще не зарегистрирует отраженную волну. Поэтому очевидно, что, изменяя направление поляризации при­ емника, можно выбрать такую ситуацию, когда принимаемый сигнал - максимальный из возможных. Бели направление поля­ ризации приемника й2 отклонено от плоскости падения на угол

S2 (рис. 2.25), то можно показать, что амплитуда принятого сиг­

нала определяется по формулам:
при р ^ Ркрз А = Sin So sin 42 - R ,v xcosS0cosS2|;	(2.45)
при Р > Ркрз А = ^cos2 (S2 + £ о)+ jsin2S0sin2S2(l-cos(p).	(2.46)

Рассчитанные по* приведенным формулам зависимости пока­ заны для наиболее часто встречающихся случаев, когда So = ki

(рис. 2.26а) и So = - £>2 (рис. 2.266). При этом плоскости поляри­

зации источника и приемника отклоняются на одинаковые углы от плоскости падения. Видно, что максимальное значение ампли­ туды достигается при любых углах падения и стремлении углов So, S2 к 90°, т.е. при озвучивании отражающей границы горизон­

тально поляризованными волнами, коэффициент отражения ко­ торых равен единице.

Кроме того, максимальный сигнал достигается при угле па­ дения р = 45° и любой ориентации поляризации падающей вол­ ны, когда S2 = _ £о - Это связано с тем, что именно при таком угле падения фаза отраженной вертикально поляризованной волны равна нулю (рис. 2.25), т.е. совпадает с фазой отраженной гори­ зонтально поляризованной волны. Поэтому при таком угле паде­ ния эллиптически поляризованная поперечная волна вырождает­ ся в линейно поляризованную и эффективный коэффициент ее отражения равен единице. Это обстоятельство свидетельствует о пользе применения раздельно-совмещенных преобразователей

типа «дуэт», у которых при определенных углах разворота гори­ зонтально поляризованная компонента достаточно значительна.

Дифракция ультразвука. Под дифракцией понимают явле­ ние, возникающее при встрече волны с препятствием. Волна, встречая при распространении в однородной среде препятствие, изменяется по амплитуде и фазе и проникает в область тени, от­ клоняясь от прямолинейного пути. В этом случае поведение вол­ новых полей не может быть описано законами геометрической (лучевой) оптики. Рассмотрим дифракционную картину для нлоскостных и объемных дефектов.

Любая волна, падая на трещину и касаясь ее краев, порождает два типа краевых дифракционных волн - поле продольных и поле поперечных волн (рис. 2,27). Если луч падает под третьим крити­ ческим углом к поверхности трещины, то, как было рассмотрено ранее (см. рис. 2.9), образуется дополнительное поле вследствие неоднородных головных волн. Амплитуда дифрагированных лу­ чей существенно меньше амплитуды луча, их порождающего, и в процессе распространения спадает пропорционально г 1/2, в то время как амплитуда падающей волны постоянна.

л» дБ					Л, дБ				1$
О	20	40	60	80	80	60	40	20	0

б

Рис. 2.26. Изменение ам плитуды отраж енного от плоскости сигнала в зависимости от взаимной ориентации плоскостей источника и прием ника:

а~ 4о=^2 ; $0 =_^2

Если ширина трещины меньше ширины пучка, то поле на приемнике представляет сумму зеркально отраженного и дифра­ гированных сигналов от краев трещины. Следует отметить, что начиная с некоторого угла между осью дефекта и осью преобра-

зователя вклад в принятый сигнал определяется, главным обра­ зом, дифракционными сигналами от краев трещин.

Рис. 2.27. Схема дифракции	Рис. 2.28. Схема дифракции ультразву-
ультразвуковой волны	ковой волны на объемном дефекте:
на трещине	1 - огибающая волна; 2 - волна соскаль­
	зывания

При падении волны на гладкую выпуклую поверхность фор­ мируется рассеянное поле, представляющее собой суперпозицию отраженных и дифрагированных волн. В зонах, поверхности ко­ торых лучи касаются (рис. 2.28), формируются волны, огибаю­ щие эти поверхности- и, в свою очередь, порождающие дифрак­ ционные волны соскальзывания. Для примера рассмотрим ди­ фракцию на цилиндре при падении поперечной волны SV-типа (рис. 2.29). Поперечная волна, зеркально отраженная от свобод­ ной поверхности полости (рис. 2.29а), проходит вне зоны геомет­ рической-тени. При г » Ь потенциал такой волны описывается

выражением:

	\	(	0>	(2.47
, ь	0 D f e	ехрх ikt r-r26coS—
4' 3 = ^	COS2 /?' | - J	1	2J
Для принятого условия г » Ь,		0/2 = а .
Если падающий луч попадает на поверхность под углом а ,
меньшим третьего критического, то в область			0 < а 1ф + 90°	рас­

сеивается продольная волна. Обегающая волна может быть по­ верхностной рэлеевого типа R, поперечной Т или продольной

L . Эти волны, как правило, возбуждаются одновременно. Рас­

смотрим механизм их образования.

Лучи падающей поперечной волны, касающиеся поверхности цилиндра, возбуждают скользящую вдоль его поверхности волну поперечного типа (рис. 2.29в, г), потенциал которой

	ф, = ^	|Dt|exp [ - (тг - ® ) Im k't ] ,	(2 .4 8 )
где D, =4...5 - коэффициент дифракции, определяющий эффективность возбуж­
дения	и переизлучения скользящей волны; к\ - угловое		волновое число;
Im -	мнимая часть коэффициента затухания:
		1шЛ/ = 2 ,2 ...5 ,3 .

Рис. 2.29. Направления распространения сигналов при падении SV-волны: а, б - геометрических; в... е - дифрагированных

Лучи, падающие на поверхность под третьим критическим углом, порождают скользящую волну продольного типа. Сколь­ зящая волна рэлеевого типа возбуждается глубинными лучами, проходящими вблизи поверхности в направлении, касательной к ней. Известно, что волновые фронты рэлеевых волн расположены в радиальных плоскостях. Значит, с удалением от цилиндриче­ ской поверхности скорость распространения волнового фронта пропорциональна расстоянию от центра цилиндра или сферы и может достигать скорости объемной поперечной волны. Потен­ циал скользящей волны рэлеевого типа