Затухание ультразвуковых

материале, определяют толщину ОК при одностороннем доступе к нему. Если длина участка ОК, через который проходит ультразвук, известна, то по времени прихода донного сигнала измеряют скорость, а по его амплитуде оценивают затухание ультразвука. Это позволяет определить физико-механические свойства материалов.

1.2.2. Затухание ультразвука равно 6 = 2 Нп/м. Определить ослабление волны на пути в л=300 мм в относительных единицах и децибелах.

Вопросы дифракции плоской акустической волны на некоторых отражателях рассмотрены в § 1.4. Здесь будет показано, как использовать результаты дифракционной теории для расчета акустического тракта, т. е. как учесть особенности полей излучения и приема преобразователя. Кроме того, в этом разделе изложены приближенные и (более простые) способы расчета отражения, пригодные, когда размеры отражателя больше длины волны: энергетическое приближение, основанное на представлениях лучевой акустики, и метод Кирхгофа. Согласно последнему каждую точку «освещенной» поверхности плоского отражателя рассматривают как вторичный излучатель волн, а поле отраженной волны вне отражателя считают равным нулю. В приводимом далее выводе формул акустического тракта не учтено затухание ультразвука. Чтобы учесть этот эффект, следует ввести во все формулы для контактных прямых преобразователей множитель е~2вг, где г — расстояние от преобразователя до отражателя, а для преобразователей с акустической задержкой — множитель &~2^АГА+*ягв) t в котором ГА и гв — средние пути ультразвука в задержке и изделии, а &А и бв — затухание ультразвука в этих средах.

4. Выбрать частоту с учетом зависимости от нее коэффициента рассеяния бр. Согласно § 1.2_бр пропорционален fn, причем в зависимости от соотношения Л/Я значение « может изменяться от 2 до 4. Из табл. 2.1 видно, что в зависимости от зйачения п, формы отражателя, зоны преобразователя, в которой отражатель расположен, отношение сигнал — помеха с повышением частоты может как увеличиваться, так и уменьшаться. Из практики известно правило: чем больше затухание ультразвука, тем ниже должна быть частота. Оно связано с необходимостью выполнения условия брЖ <0,02, так как в противном случае начинает действовать эффект повторного рассеяния и формулы табл. 2.1 становятся неверными.

При определении абсолютной чувствительности по СО-3 или любому другому Образцу коэффициент прозрачности D и затухание ультразвука 'в преобразователе будут учтены как параметры системы прибор — преобразователь, поэтому их из формулы исключим:

Контроль теневым методом производят, как правило, на специальных установках. На рис. 3.21 в качестве примера показана схема дефектоскопа для контроля шин. Шину / частично погружают в ванну с жидкостью 2. Цилиндрический излучатель 3 помещают в центре полости шины. Ряд дискретных приемников 4 располагают по окружности снаружи шины. Сигналы от них через усилители подают на регистратор-самописец. Для контроля всей шины ее прокручивают несколько раз вокруг оси 00'. Применяют частоты 100 ... 150 кГц. В качестве иммерсионной жидкости используют воду с добавками спирта для лучшего смачивания. Скорости звука в воде и резине очень близки, поэтому преломления звука на границе шины практически не происходит. Для шин с глубоким рисунком протектора возникает периодическое изменение сквозного сигнала, связанное с повышенным затуханием ультразвука в резине. Для устранения этого явления в иммерсионную жидкость вводят добавки, повышающие затухание ультразвука, например уксусную кислоту.

Широкое распространение получил способ структурных коэффициентов [7], согласно которому на двух частотах измеряют амплитуды донных сигналов в ОК и образцах с известной структурой и одинаково хорошей обработкой поверхности (Ra^2 мкм). Одну из частот (опорную) выбирают заведомо низкой так, чтобы затухание ультразвука слабо зависело от структурных составляющих. На этой частоте приравнивают донные сигналы в образцах и ОК, благодаря чему существенно уменьшают влияние нестабильности акустического контакта. Другие частоты (рабочие) соответствуют области максимального коэффициента рассеяния.

Структуру чугуна оценивают по скорости и затуханию продольных ультразвуковых волн. Установлено, что скорость ультразвука увеличивается с уменьшением содержания графита, уменьшением его размеров, изменением формы графитных включений от пластинчатой к шаровидной, увеличением количества шаровидных графитных включений к общему содержанию графита, увеличением содержания цементита в металлической основе. Предельно высокое значение скорости ультразвука приближается к скорости в стали. Затухание ультразвука обычно уменьшается, когда скорость увеличивается. На рис. 3.37 (шкала справа) приведен пример влияния на скорость ультразвуковых волн процентного содержания шаровидного графита при постоянстве других свойств чугуна.

с шаровидным графитом (3=0,053; а с пластинчатым — 0,076 с4/м3. Для точного измерения скорости и затухания ультразвука необходимо иметь два донных сигнала. Между тем большое затухание ультразвука в чугуне нередко затрудняет наблюдение второго донного сигнала. Было предложено измерение такой акустической величины, как отношение донный сигнал — структурная помеха. Для этого наблюдают уровень помех вблизи донного сигнала (в зоне протяженностью не более двух длин волн) и измеряют этот уровень по отношению к амплитуде донного сигнала. Важное достоинство этой величины состоит в том, что для ее измерения достаточно наблюдать один донный сигнал. Отношение донный сигнал— помеха в дальней зоне определяется формулой, приведенной в табл. 2.1:

Призму изготовляют обычно из материала с небольшой скоростью звука (оргстекло, капролон, поликарбонат, полиамидоимид, деклон, эпоксидные компаунды), что позволяет при относительно небольших углах падения р* получать углы преломления а до 90°. Высокое затухание ультразвука в призме позволяет обеспечить ослабление волны, которое увеличивается в результате многократных отражений, Для улучшения этого эффекта в призме часто предусматривается ловушка,

4V Затухание ультразвука на. пути до отражателя (дефекта) При Да < 0 *ы < <» ^ > «

Затухание ультразвуковых волн в некоторых жидкостях, в воздухе при 20 °С

?,. Затухание ультразвуковых волн в некоторых жидкостях и воздухе при

Необходимо измерить также уровень внешних шумов помещения и установить их источники. Возможной причиной помех может быть разрушение покрытия изделия или поверхностного окисного елся. В металлах затухание ультразвуковых волн на частотах выше 1—2 мГц увеличивается настолько, что эта область практически становится нерабочей, поскольку для локации дефектов было бы необходимо близко расположить преобразователи многоканальных систем^мис-сии. Для пластмасс, бетонов и других материалов с большим коэффициентом а применяют звуковые частоты или близкие к звуковым.

Физические критерии: а) энергетические; б) структурные; в) величина работы выхода электрона; г) затухание ультразвуковых колебаний; д) изменение магнитной проницаемости и др.

Таучер и Мун [180, 182] измерили скорость и затухание ультразвуковых импульсов в различных композитах. Поскольку демпфирующие свойства материала относительно малы, упругие константы рассчитывались прямо по измеряемым скоростям. Для этих же материалов по испытаниям в режиме вынужденных колебаний измерялся коэффициент затухания. Полученные значения использовались для расчета затухания импульса в зависимости от расстояния с помощью преобразования Фурье для линейного вязкоупругого тела. Согласие между предсказанными и измеренными значениями было удовлетворительным. К сожалению, к настоящему времени никем не проделан обратный анализ — прямое определение коэффициента затухания по изморенным значениям ослабления импульса.

Хофер и Олсен [5] при помощи аппаратуры, измеряющей затухание ультразвуковых волн, контролировали наличие начальных дефектов, а также поврежденность образцов при растяжении или циклическом нагружении. Ранее они отметили, что образцы, вырезанные из толстостенных цилиндров и подверженные испытанию на межслойный сдвиг, испытывают резкое снижение межслой-ной сдвиговой прочности, соответствующее определенному уровню затухания ультразвука. В последующей работе Хофер и Олсен [5] обнаружили, что разрушению образца нельзя приписать некоторого определенного уровня затухания. Однако графическая зависимость затухания от log долговечности оказалась очень крутой для образцов с малым временем жизни. Они сделали вывод о необходимости дополнительных экспериментов.

Поскольку уровень шумов составляет 20 % от уровня полезного сигнала, трудно обнаружить мелкие дефекты, уровень сигнала от которых будет ниже уровня шумов в каждой контрольной точке. Уровень шумов и затухание ультразвуковых сигналов увеличиваются при огрублении структуры плиты, и в плитах с очень крупнозернистой структурой уровень шумов часто превышает 20 % уровня сигнала от контрольного отражателя. Поэтому плиты, предназначенные для изготовления резервуаров для хранения ожиженных газов, должны иметь однородную мелкозернистую структуру для предотвращения микропористости. Отсутствие микропористости позволяет обеспечить более тщательный ультразвуковой контроль сварных швов и улучшить прочностные свойства.

Затухание ультразвуковых колебаний в металлах связано с рассеянием ультразвука в нем из-за неоднородности структуры материала и поглощением его вследствие гистерезиса и теплопроводности. В однородной изотропной упругой среде и монокристаллах металлов затухание УЗК обусловлено поглощением ультразвука. При этом энергия упругих колебаний переходит* в тепловую.

При 'k < d ультразвук поглощается в каждом зерне, как в одном большом кристалле, и затухание определяется в основном поглощением. В гетерогенных поликристаллических материалах, например в чугуне или стали, затухание практически определяется рассеянием ультразвука на границах зерен и структурных составляющих. Влияние структуры металла на затухание ультразвуковых колебаний используют для исследования структурных факторов поликристаллических металлов.

Аустенитно-ферритные швы отличаются от чисто аустенитных более тонким строением и меньшим сечением столбчатых кристаллов. Межкристаллитные прослойки более тонкие, чем в аустенитных швах, и разъединены участками первичного 6-феррита, залегающими в междуосных пространствах и по границам столбчатых кристаллов. Главной особенностью совместной кристаллизации двух фаз в сварочной ванне является измельчение и дезориентация структуры металла шва, что благоприятно сказывается на его акустических характеристиках. Затухание ультразвуковых колебаний в сварных швах нержавеющих сталей уменьшается при увеличении содержания в них ферритной фазы (см. раздел 3 гл. I).

Для контроля структуры материалов в большинстве случаев используют влияние структуры и фазового состава на затухание или скорость распространения ультразвуковых колебаний в металлах и сплавах. Предпосылкой возможности ультразвукового структурного анализа металлов явились теоретические и экспериментальные исследования процессов поглощения и рассеяния ультразвука в поликристаллических материалах, проведенные отечественными и зарубежными учеными [68, 70, 81, 148 и др.. Установленные закономерности влияния структуры и химического состава на затухание ультразвуковых колебаний в металлах и сплавах позволили разработать методики производственного контроля и создать специальную аппаратуру. Опыт показывает, что для изучения особенностей структуры металла по затуханию УЗК не всегда необходимо определять коэффициент затухания по известной методике, рассмотренной в начале настоящей главы. Например, для оценки общей неоднородности структуры сварного шва достаточно проследить характер изменения амплитуды сигнала по длине шва на некоторой заданной частоте ультразвуковых колебаний без вычисления коэффициента затухания (рис. 40).