Акустический контроль

Рефракция звука - изменение направления распространения  звука в неоднородной среде (атмосфера, океан, толща земли), скорость звука  в которой является функцией координат.

Рефракцию звука (РЗ) можно рассматривать как следствие эффекта преломления волн для случаев, когда физические свойства среды непрерывно изменяются от точки к точке в направлении распространения волны. Частным случаем такой среды является макронеоднородная структура, состоящая из множества тонких однородных слоев s₁, s₂, ..., s_n, причем скорость распространения звуковых волн c изменяется от слоя к слою так, что c₁ > c₂ > ... > c_n или с₁ < c₂ < ...< c_n. При прохождении волны через границы между соседними слоями имеют место эффекты отражения и преломления волн, в частности, выполняются законы Снеллиуса и соотношения для коэффициентов прохождения и отражения. Результирующей картиной многократного преломления волнового луча в среде c вышеописанными свойствами является изменение направления луча: он искривляется в сторону меньшей скорости звука. При плоско-слоистой неоднородности среды лучи представляют собой плоские кривые, лежащие в плоскостях, перепендикулярных слоям. Согласно закону Снеллиуса, в таких средах выполняется соотношение ( )/ c = const, где - угол скольжения, которое является уравнением луча.

Более общим  случаем является т.н. плавно неоднородная среда, в которой скорость распространения  упругих волн является непрерывной функцией координат. Такая среда не является слоистой, поскольку не содержит контрастных, в акустической смысле, границ, на которых выполняются классические законы отражения и преломления.

Рефракция звука  является важным фактором, влияющим на распространение звука в атмосфере, океане и толще Земли. Рефракционные эффекты могут наблюдаться также при распространении ультразвука в изделиях и материалах, если скорость звука в них меняется по толщине, например, вследствие поверхностной цементации. Поэтому рефракция звука положена в основу акустических методов контроля качества цементации массивных сооружений (плотин и т.п.) и степени уплотнения грунтов под собственным весом и при внешних нагрузках.

Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место  тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет. При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определённой точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определённой точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний.

 

1.3 Прием и излучение ультразвука

 

Ультразвук - это упругие  колебания и волны с частотами  приблизительно от 1,5 - 2 ×10⁴гц (15-20 кгц) и до 10⁹ гц (1 Ггц), область частот ультразвука от 10⁹ до 10^12-13гц принято называть гиперзвуком. Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти: ультразвук низких частот (1,5×10⁴-10⁵ гц) - УНЧ, ультразвук средних частот (10⁵ - 10⁷ гц) - УСЧ и область высоких частот ультразвука (10⁷ - 10⁹ гц) - УЗВЧ.

Для генерирования ультразвуковых колебаний применяют разнообразные  устройства, которые могут быть разбиты  на 2 основные группы - механические (источником ультразвука является механическая энергия потока газа или жидкости) и электромеханические (ультразвуковая энергия получается преобразованием электрической). Механические излучатели ультразвука - воздушные и жидкостные свистки и сирены - отличаются сравнительной простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей электрической энергии высокой частоты, кпд их составляет 10-20%. Основной недостаток всех механических ультразвуковых излучателей - сравнительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет их использовать для контрольно-измерительных целей; они применяются главным образом в промышленной ультразвуковой технологии и частично - как средства сигнализации.

Основной метод излучения  ультразвука - преобразование тем или  иным способом электрических колебаний  в колебания механические. В диапазоне УНЧ возможно применение электродинамических и электростатических излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли излучатели ультразвука, использующие магнитострикционный эффект в никеле и в ряде специальных сплавов, также в ферритах. Для излучения УСЧ и УЗВЧ используется главным образом явление пьезоэлектричества. Основными пьезоэлектрическими материалами для излучателей ультразвука служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат калия, а в диапазоне УНЧ и УСЧ - главным образом различные пьезокерамические материалы. Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник стержневой или кольцевой формы с обмоткой, по которой протекает переменный ток, а пьезоэлектрические - пластинку (рис. 5) или стержень из пьезоэлектрического материала с металлическими электродами, к которым прикладывается переменное электрическое напряжение. В диапазоне УНЧ широкое распространение получили составные пьезоизлучатели, в которых пьезокерамическая пластинка зажимается между металлическими блоками.

 

Рис. 5 - Излучение (приём) продольных волн L пластинкой, колеблющейся по толщине  в твердое тело: 1 - кварцевая пластинка  среза Х толщиной l/2, где l - длина  волны в кварце; 2 - металлические  электроды; 3 - жидкость (трансформаторное масло) для осуществления акустического контакта; 4 - генератор электрических колебаний; 5 - твёрдое тело

 

Предельная интенсивность  излучения ультразвука определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также  особенностями использования излучателей. Диапазон интенсивности при генерации ультразвука в области УСЧ чрезвычайно широк: интенсивности от 10^-14 - 10^-15 вт/см² до 0,1 вт/см² считаются малыми. Для многих целей необходимо получить гораздо большие интенсивности, в этих случаях можно воспользоваться фокусировкой ультразвука.

Выбор метода генерации ультразвука  зависит от области частот ультразвука, характера среды (газ, жидкость, твёрдое  тело), типа упругих волн и необходимой  интенсивности излучения.

Вследствие  обратимости пьезоэффекта он широко применяется и для приёма ультразвука. Изучение ультразвукового поля может производиться и оптическими методами: ультразвук, распространяясь в какой-либо среде, вызывает изменение её оптического показателя преломления, благодаря чему его можно визуализировать, если среда прозрачна для света.

 

1.4 Ультразвук в различных средах

 

Ультразвуковые  волны распространяются только в  материальной среде. Они характеризуются  длиной волны частотой ( ) и скоростью распространения (С). Длина волны выражается отношением скорости распространения к частоте колебания.

Частотная граница  между звуковыми и ультразвуковыми  волнами поэтому условна; она  определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует  усреднённой верхней границе  слышимого звука. Однако благодаря  более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения ультразвука. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют 3,4 ^-3 - 3,4 ^-5 см, в воде 1,5 ^-2 - 1,5 ^-4 см и в стали 5 ^-2 - 5 ^-4 см. Ультразвуковые колебания низкочастотного диапазона будут приближаться по своим физическим свойствам к звукам, у высокочастотных ультразвуков появляются особенности, не свойственные звукам.. Частотная характеристика и длина волны в значительной мере определяет особенности распространения колебаний в окружающей среде. Если низкочастотные ультразвуки обладают способностью распространяться в воздушной среде, то ультразвуки высокой частоты практически в воздухе не распространяются.

Ультразвук  в газах и, в частности, в воздухе  распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности  монокристаллы) представляют собой, как  правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны ультразвука на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость ультразвука с и коэффициент поглощения α, можно судить о молекулярных свойствах вещества. Характерная особенность распространения ультразвука в газах и жидкостях - существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резким возрастанием его поглощения. Коэффициент поглощения ультразвука в ряде жидкостей существенно превосходит рассчитанный по классической теории и не обнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории, которая описывает распространение ультразвука в любых средах и является теоретической базой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод - измерение зависимости с и особенно α от частоты и от внешних условий (плотности, упругости, вязкости, температуры и др.). Так, например, при повышении температуры воздуха на 1° скорость увеличивается на 0,5 м/с.

 

1.5 Отражение и рассеяние ультразвука

 

Отражение ультразвука  происходит на границе раздела сред с различными акустическими импедансами (комплексное сопротивление, которое  вводится при рассмотрении колебаний акустических систем). Величина отражения ультразвука прямо пропорциональна разности акустических импедансов сред. Ультразвук отражается от обьектов, размеры которых составляют не менее 1/4 длины волны. Угол падения ультразвука равен углу отражения. Чем ближе угол падения к 90 градусам, тем больше величина отраженного ультразвука. От способности ткани к отражению зависит качество ее визуализации, в основном контрастность изображения. Коэффициент отражения (КО) определяется отношением акустических импедансов двух смежных сред ткани. В зависимости от соотношения длины волны зондирующего излучения и размеров объектов отражения различают три типа отражателей:

I) Одиночные  отражатели, размеры которых меньше  длины волны. Они отражают ультразвук в соответствии с рэлеевской теорией диффузного рассеяния во всех направлениях. Амплитуда сигналов, идущих от диффузных отражателей незначительная.

II) Отражатели, размеры которых соизмеримы с  длиной волны. В этом случае  растет амплитуда эхосигналов. 

III) Зеркальные отражатели, размеры которых намного больше длины волны. В этом случае отражение становится направленным, а амплитуда эхосигналов еще более возрастает. В реальных биологических средах присутствуют обычно все три типа отражателей.

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава II. Основные методы акустического контроля

 

Для акустического  метода неразрушающего контроля применяют  колебания ультразвукового и  звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний  обычно невелика, не превышает 1 кВт/м². Такие колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

Кроме упругости  по объёму, в твёрдом теле существует упругость по форме, поэтому в  теле могут распространяться волны двух типов: продольные и поперечные. Акустические волны в твёрдых телах характеризуются либо смещение, либо колебательными скоростями, либо тензорами деформации или напряжения.

Для контроля применяют  разные типы (моды) волн, отличающиеся направлением колебаний частиц, скоростью распространения и другими признаками.

В объёме твёрдого тела, как уже было сказано выше, могут распространяться продольные и поперечные волны. В продольной волне колебательные скорости частиц среды совпадают с направлением распространения волны, в поперечной - перпендикулярны ему.

Известно много  акустических методов неразрушающего контроля (рис. 5), некоторые применяются в нескольких вариантах. Их делят на две большие группы - активные и пассивные методы.

Активные  методы основаны на излучении и приёме упругих волн, пассивные - только на приёме волн, источником которых служит сам контролируемый объект.

Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как  прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот.

Методы  прохождения (рис. 6) используют излучающие и приёмные преобразователи, расположенные по разные или по одну сторону контролируемого изделия. Применяют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект.

К методам прохождения  относят:

амплитудный теневой  метод;

временной теневой  метод;

велосиметрический метод.

 

Рис. 6 - Методы прохождения: а - теневой; б - временной теневой; в  – велосимметрический: 1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приёмник; 5 - усилитель; 6 - измеритель амплитуды; 7 - измеритель времени пробега; 8 - измеритель фазы

 

В методах отражения (рис. 7) используют как один, так и два преобразователя; применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии:

эхо-метод;

эхо-зеркальный метод;

дельта-метод;

дифракционно-временной  метод;

ревербирационный  метод.

 

Рис. 7 - Методы отражения: а - эхо; б - эхо-зеркальный; в - дельта-метод; г - дифракционно-временной; д – ревербереционный: 1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приёмник; 5 - усилитель; 6 - синхронизатор; 7 – индикатор

 

В комбинированных методах (рис. 8) используют принципы как прохождения, так и отражения акустических волн:

зеркально-теневой метод;

эхо-теневой  метод;

эхо-сквозной метод.

 

Рис. 8 - Комбинированные  методы, использующие прохождение и  отражение: а - зеркально-теневой; б - эхо-теневой; в - эхо-сквозной: 2 - излучатель; 4 - приёмник; 3 - объект контроля