История развития ультразвукового контроля

Практическое применение ультразвука для неразрушающего контроля материалов осуществлялось в последние 50 лет.

Основным предпосылками в этой области являются:

1. открытие 1880-1881 г.г. Жаком и Пьером Кюри обратимого пьезоэлектрического эффекта, что позволило использовать кварц в качестве преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые.

2. Разработка лордом Релеем в 1885-1910 г.г. теории распространения звука в твердых веществах.

3. Разработка М.Ланжевеном эхо-импульсного способа обнаружения отражателей 1915-1917г.г.

2 февраля 1928 г. вышел патент Сергея Яковлевича Соколова на первый дефектоскоп, работающий на непрерывном звуке. 

В 1940 г. Файерстон первым предложил использовать эхо-импульсный метод для ультразвуковой дефектоскопии материалов. Первые эхо-импульсные приборы были выпущены в 1943г. в США и Великобритании. С тех пор они постоянно совершенствуются.

3.1.2 Звук и ультразвук. Основные величины, характеризующие ультразвуковые колебания.

Колебание — это движение вокруг некоторого среднего положения, обладающее повторяемостью (например колебание маятника). Любое колеблющееся тело стремится к положению равновесия.

Волны — колебательные движения, распространяющиеся в пространстве: колебания одной точки передаются соседней и т.д.

Звук – это механические колебания, которые распространяются в упругой среде (воздухе, воде, твердых телах).

Инфразвук < 16 Гц

Звук 16 – 20000 Гц

Ультразвук 20000 – 109 Гц

Гиперзвук >109 Гц

Тепловые колебания >1012 Гц

1кГц = 103 Гц, 1мГц = 106 Гц

В ультразвуковой дефектоскопии используются частоты от 0,6 до 10 МГц.

Процесс распространения ультразвука в пространстве является волновым.

Волново́й фронт — это совокупность частиц, до которых дошли колебания к данному моменту времени. По геометрии фронта различают сферические (например, звуковая волна на небольшом расстоянии от точечного источника звука), цилиндрические (например, звуковая волна на небольшом расстоянии от источника звука, представляющий собой длинный цилиндр малого диаметра), плоские волны (плоскую волну может излучать бесконечная колеблющаяся пластина).

Ультразвуковые волны характеризуются следующими параметрами:

1. Длина волны λ (м) – это расстояние между двумя частицами среды, находящимися в одном колебательном состоянии.

2. Амплитуда А (Дб) – это максимальное отклонение колеблющейся частицы от состояния покоя.

3. Частота f (Гц) – это количество полных колебаний частиц среды в единицу времени.

4. Период Т (с) – это время одного полного колебания частицы.

1Гц = 1с^-1

5. Распространение волны происходит с определенной скоростью, которую называют скоростью ультразвуковой волны С (м/с). Скорость звука – это физическая константа среды, которая зависит только от её свойств. Скорость звука нельзя изменить за счет частоты или длины волны.

Типы волн и скорость их распространения

В акустическом контроле используются различные типы волн, отличающихся направлением колебаний, распределением амплитуд колебаний и волн в среде, скоростью распространения волн. В акустике различные типы волн принято называть модами.

Если частицы среды колеблются в направлении, совпадающим с направлением распространения волны, то такие волны называются продольными (волны сжатия-растяжения), l .

C_l – скорость продольной волны

Если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, то такие волны называются поперечными ( волны сдвига), t

Ct – скорость распространения поперечной волны.

Поперечная волна в которой частицы колеблются в плоскости падения, называется вертикально – поляризованной или SV – волной. Поперечные волны, широко применяемые в практике УЗК являются SV – волнами.

Если частицы при распространении поперечной волны колеблются перпендикулярно плоскости падения, то есть вдоль границы раздела двух сред, волна называется горизонтально – поляризованной или SH – волной.SH – волны могут быть возбуждены только с помощью специальных преобразователей (электромагнитно-акустических)

Продольные волны возникают в любых средах, поперечные – только в твердых телах.

Между скоростью продольной и поперечной волн, находящихся в одной среде существует соотношение:

C_t = 0,55C_l

Продольные и поперечные волны, получившие название объемные волны, широко применяются для узк.

Поверхностные волны (волны Рэлея) распространяются вдоль свободной поверхности твердого тела.

Поверхностная волна является комбинацией продольных и поперечных волн. Плоскость, в которой колеблются частицы среды перпендикулярна к поверхности. Поверхностные волны могут распространяться на большие расстояния, как по плоской так и по изогнутой поверхности изделия. Глубина их распространения не более одной длины волны.

Cs – скорость распространения поверхностных волн.

C_S = 0,93 C_t = 0,51 C_l

Применение этих волн эффективно для обнаружения дефектов на поверхности (риски, задиры, трещины)

Головной называется продольно - подповерхностная волна. Её скорость равна скорости продольной волны. Головная волна нечувствительна к неровностям поверхности и реагирует лишь на дефекты, залегающие под поверхностью. Эти волны применяют для выявления дефектов под наплавкой, резьбой.

Для всех перечисленных волн скорость не зависит от частоты. Она зависит от модуля объемной упругости (модуля Юнга) и плотности среды В ограниченных твердых телах ( пластинах, стержнях, поперечные размеры которых превосходят длину волны не более чем в 2-3 раза, существуют волны в пластинах (нормальные волны или волны Лэмба) и в стержнях (Похгаммера). Скорость их распространения изменяется в зависимости от частоты(явление дисперсии), упругих свойств материала и поперечных размеров пластины или стержня. Нормальные волны (волны Лэмба) могут распространяться в тонких листах или изделиях с толщиной, соизмеримой с длиной волны. Они заполняют всю толщину пластины. Нормальные волны применяют для УЗК тонких листов, оболочек, а волны в стержнях — для контроля проволоки.