4.Ультразвуковая дефектоскопия.
В настоящее время ультразвук применяют в промышленности очень широко. Ультразвуковые колебания используются для интенсификации различных процессов очистки деталей от окалины, стружки, пригаров, а также для дефектоскопии. Идея использования ультразвуковых волн для дефектоскопии принадлежит акад. С.Я.Соколову. Теоретические и экспериментальные работы отечественных и зарубежных ученых и инженеров сделали этот метод неразрушающего контроля одним из основных методов, обеспечивающих диагностику качества продукции металлургического и машиностроительного производства.
4.1 Физические основы ультразвуковой дефектоскопии.
Из курса физики ивестно, что колебания в деформируемой среде распространяются в виде волн. Совокупность частиц, обладающих одинаковой фазой колебаний, образует поверхность или фронт волны. Фронт волны перпендикулярен к направлению распространения волны.
По форме фронта волны различают плоские и сферические волны. При плоской волне источник звуковых колебаний представляет собой плоскую поверхность, которая существенно больше длины волны. Фронт волны расположен параллельно плоскости возбуждения. Сферическая волна создается точечным источником звуковых колебаний. Фронты волны при этом являются концентрическими сферами.
В зависимости от вида и размеров звукопроводящего материала, волны могут быть продольными и поперечными. В поперечных волнах направление колебаний частиц перпендикулярно к направлению волны. Эти волны носят название сдвиговых, так как они вызывают в материале сдвиг. Сдвиговые волны могут распространяться только в твердых телах.
В продольных волнах частицы смещаются в направлении распространения волн. Они представляют собой циклические увеличения и уменьшения межатомных расстояний между частицами в виде волнового процесса.
На границе раздела твердого тела с газом или жидкостью, распространяются поверхностные волны: с горизонтальной поляризацией – волны Лява, с вертикальной - волны Рэлея. Амплитуда поверхностных волн по мере удаления от поверхности раздела убывает по экспоненциальному закону. В пластинах с толщиной, меньшей или равной длине волны, распространяются плоские волны Лэмба.
Скорость распространения продольных волн VL и поперечных Vt в твердых телах могут быть вычислены с помощью констант упругости Е, G, μ и реальной плотностью вещества - ρ:
Где -Е – модуль упругости; G – модуль сдвига; μ – коэффициент Пуассона.
Для ультразвуковой дефектоскопии большое значение имеет характеристическая величина, называемая звуковым давлением Р = ω Аsρυ, где ω – круговая частота, Аs – амплитуда колебания; υ – скорость волны и ρ – плотность вещества.
Произведение ρυ называется волновым сопротивлением звука или акустическим импедансом Z. Материалы с большим значением Z называются звукотвердыми (железо, медь, никель), а с малыми значениями - звукомягкими (вода, спирт).
Если звуковая волна падает на границу раздела между двумя различными средами, то в зависимости от угла падения волны на эту плоскость и вида граничных сред, наблюдается явление преломления, отражения и разложения (трансформация) ультразвуковых волн. У одинакового типа волн, угол падения α1 равен углу отражения α2.Для продольной и поперечной волн действует закон преломления Снеллиуса, соответственно для продольных волн: sinα1 / sinα2 = υ1L/ υ2L.
Звуковые волны в твердом теле распространяются в виде звукового поля, которое охватывает часть тела. При контроле материалов, в качестве источников ультразвукового излучения часто используют цилиндрические излучатели с плоскими поверхностями. В идеальном случае эти плоскости можно рассматривать как колеблющиеся «дисковые мембраны».
При взаимодействии звуковых волн с материалом, наблюдается уменьшение амплитуды звукового давления. Ультразвуковые волны, проходя через материал, ослабляются и поглощаются. После прохождения плоской звуковой волны с амплитудой звукового давления Ро через образец толщиной d , амплитуду можно определить с помощью закона ослабления: Р = Ро • exp (-α d), где α – коэффициент ослабления. Усиление волн (I) определяется как увеличенный в 10 раз логарифм отношения интенсивностей: I = 10 lg (Io/I)/ Поскольку интенсивность излучения пропорциональна квадрату звукового давления, получаем: I =20 lg (Ро/P).
Ослабление ультразвуковых волн происходит за счет поглощения и рассеяния излучения. Так, при поглощении звуковых волн, происходит превращение энергии колебаний атомов в тепло. Доля поглощения в общем ослаблении прямо пропорциональна частоте. В поликристаллических веществах большую роль в ослаблении интенсивности волн играет их рассеяние. С увеличением размера зерна поликристаллического вещества происходит увеличение поглощения и рассеяния излучения.
Высокая частота волн в ультразвуковой дефектоскопии определяет хорошую фокусировку звукового излучения и благодаря этому хорошую различимость неоднородности материала и разнообразных дефектов.
Таким образом, ультразвуковая дефектоскопия базируется на процессах отражения звуковых волн от различных неоднородностей и дефектов, а также за счет ослабления их интенсивности при прохождении через слой вещества.