Акустический тракт.

Акустическим трактом называют путь ультразвука от излучателя до дефекта и затем к приемнику. Формулы акустического тракта определяют ослабление ультразвукового сигнала на этом пути.

В самом упрощенном виде можно сказать, что при контроле эхо-методом с увеличением расстояния до дефекта и уменьшением его размеров амплитуда эхо-сигнала от него уменьшается. Это уменьшение с увеличением расстояния происходит особенно быстро для небольших отражателей и медленнее для протяженных, например, донного сигнала. Однако из этих общих правил имеется ряд исключений, о которых будет сказано позднее.

Амплитуда сквозного сигнала при контроле теневым методом, также как донный сигнал, медленно уменьшается с увеличением расстояния между излучателем и приемником. Чем больше затеняющий дефект, тем сильнее ослабление амплитуды.

Отражатель плоской формы, например, диск, который при экспериментах заменяют искусственным дефектом в виде отверстия с плоским дном (рис. 2.27) такого же диаметра, как диск, даст эхо-сигнал больший, чем сфера того же диаметра, если он ориентирован так, что УЗ лучи отражаются зеркально, т.е. при контроле совмещенным преобразователем лучи падают на отражатель перпендикулярно (а). В этом, случае амплитуда растет пропорционально увеличению площади диска, конечно, до определенного предела. Но если такой отражатель наклонен (б), то зеркально отраженные лучи не попадают на совмещенный преобразователь. В результате амплитуда эхо-сигнала резко уменьшается. Это особенно заметно для большего диска, а для маленького влияние ориентации на амплитуду не так велико.

На амплитуду отражения влияет также то, чем заполнен дефект. Хорошо отражает ультразвук дефект, заполненный воздухом или другим газом, и гораздо хуже дефект, заполненный окислом, плотным шлаком или другим твердым веществом. Плохо отражают ультразвук очень тонкие (раскрытием в сотую долю микрометра) воздушные промежутки, которые получают при очень сильном сжатии металла. Тонкие окисные плены практически не дают заметного отражения сигнала.

Формулы для расчета амплитуд эхо-сигнала от некоторых отражателей (рис. 2.28), расположенных в дальней зоне для прямого совмещенного преобразователя, имеют вид:

для отражения от диска или плоскодонного отверстия - ;

для отражения от сферы или отверстия со сферическим дном - ;

для отражения от боковой поверхности цилиндрического отверстия - ;

для донного сигнала (плоскости) - ;

где Р₀ и Р' – амплитуды излученного и принятого преобразователем сигналов; S – площадь пьезоэлемента преобразователя; - расстояние от преобразователя до отражателя; l - длина волны; s – площадь диска или дна плоскодонного отверстия; d – диаметр цилиндра или сферы.

Рис. 2.28. Отражатели: а) плоскостное отверстие; б) отверстие со сферическим дном; в) боковое цилиндрическое отверстие, r – плоскость (донный сигнал).

Это формулы для максимальных эхо-сигналов, которые достигаются, когда отражатель находится на оси преобразователя и ориентирован перпендикулярно направлению УЗ лучей.

Поясним физический смысл этих формул. Площадь преобразователя входит в числитель всех формул, потому что лучи от него расходятся в виде диаграммы направленности. Угол расхождения лучей тем меньше, чем больше площадь преобразователя.

Дискообразный отражатель подобен излучающему преобразователю. От него лучи также расходятся в виде диаграммы направленности, поэтому площадь диска входит в числитель первой формулы.

Сравнение формул показывает, что ослабление донного сигнала с расстоянием происходит медленнее (пропорционально 1/r), чем эхо-сигнала от диска или сферы (пропорционально 1/r²). Ослабление эхо-сигнала от цилиндра – в промежутке между ними, по закону (1/r)^3/2. Такие закономерности объясняются следующим. Лучи от излучателя расходятся, поэтому амплитуда убывает как 1/r. Диск или сфера – как бы вторичные излучатели. Попавший в них сигнал переизлучается в обратном направлении (рис. 2.29, а) поэтому амплитуда опять убывает как 1/r. В итоге ослабление пропорционально 1/r².

Донная поверхность играет роль зеркала (рис. 2.29,б). Отраженные от него лучи можно рассматривать, как излученные мнимым излучателем, показанным штриховыми линиями. Расстояние от него до приемника – 2r. Именно по закону 1/2r убывает донный сигнал.

Цилиндр в плоскости, перпендикулярной оси, - маленький отражатель, лучи от которого расходятся как от сферы. В плоскости вдоль оси – отражение происходит, как от зеркала. Отсюда закономерность (1/r)^3/2.

Ослабление сигнала , определяемое приведенными формулами называют дифракционным ослаблением. Дополнительное ослабление отношения вносит затухание ультразвука. Чтобы учесть его все формулы нужно умножить на ехр(-2dr), где d – коэффициент затухания.

Приведенные формулы справедливы, только когда диаметры диска, сферы или цилиндра больше длины волны. Если они меньше длины волны, то амплитуда отражения с уменьшением диаметра убывает, как правило, быстрее в результате огибания дефекта волнами. С учетом этого говорят, что дефекты меньше длины волны плохо выявляются. Для отражения от плоскодонного отверстия или отверстия со сферическим дном формулы остаются справедливыми, даже если их диаметры меньше длины волны, т.к. боковые стенки препятствуют огибанию.

При контроле наклонным преобразователем важное значение имеют угловой эффект. Он заключается в получении большой амплитуды эхо-сигнала от дефекта вблизи поверхности изделия благодаря двукратному отражению ультразвука от этой поверхности и дефекта. На рис. 2.30 показаны два таких отражателя: двугранный угол (а) и зарубка (б). При использовании поперечных волн амплитуда сигнала от первого из них равна амплитуде донного сигнала умноженной на коэффициент G', а от второго – амплитуде эхо-сигнала от диска, площадь которого равна площади отражающей грани зарубки s', умноженной на коэффициент G. Кривые изменения этих коэффициентов (рис. 2.31) от угла падения на поверхность j и глубины зарубки h учитывают эффекты трансформации волн и незеркального отражения.

Трансформация поперечной волны в продольную, на вертикальной поверхности отражателя возникает, когда угол падения на нее 90° - j больше, чем третий критический угол j' (для стали j' =33°) и вызывает резкое уменьшение G и G' при углах j » 55 …65°. Незеркальное отражение увеличивает эхо-сигнал при углах j несколько больших третьего критического значения.

Сегментный отражатель (рис. 2.30,в) имеет отражающую грань, перпендикулярную направлению акустической оси. Эхо-сигнал от него такой же, как от диска равной площади, экспериментально это подтверждено для поперечных волн и углов a » 38 - 55°.

При перемещении преобразователя над дефектом (рис. 2.32) амплитуда эхо-сигнала изменяется. Расстояние от преобразователя до отражателя также будет изменяться. Соответственно перемещается эхо-сигнал на линии развертки. Линия, соединяющая вершины эхо-сигналов на экране дефектоскопа при перемещении преобразователя, называется огибающей. Изменение амплитуды эхо-сигнала в зависимости от перемещения преобразователя по поверхности изделия х будем называть огибающей по перемещению. На рис. 2.32, а) и б) огибающей по времени t показаны сплошными линиями, а по перемещению х – пунктирными.

Если дефект – небольшой диск, сфера или цилиндр (его поперечное сечение), то изменение амплитуды соответствует ее изменению в поперечном сечении поля излучения – приема I2 (рис. 2.32, б и г). Для протяженного и непротяженного (компактного) дефектов форма и ширина обеих огибающих существенно отличаются. Это позволяет сделать вывод: протяженный или непротяженный дефект обнаружен, оценить его размеры, наклон к поверхности. С этой целью измеряют ширину обеих огибающих на определенном уровне: 6, 10 или 20 дБ ниже максимального значения амплитуды эхо-

Например, если дефект – расслоение параллельное поверхности, показанное на рис. 2.32,а) штриховой линией, то огибающая по времени будет очень узкой, как на рис. 2.32,б), а по перемещению – широкой. Если дефект наклонен к поверхности – огибающая по времени расширяется (как А(t) на рис.2.32,а).

Сравнение огибающих выполняют, используя в качестве исходной огибающую от бокового цилиндрического отражателя (рис. 2.32, б и г), как это было сделано в примере, приведенном выше. Такой дефект отражает одинаково при любом направлении падающей волны – имеет равномерную индикатрису рассеяния. Если дефект плоский (например, дискообразный) то индикатриса рассеяния будет неравномерной. Максимум будет наблюдаться в направлении близком к зеркальному отражению.

Аналогично используют наблюдения за изменением амплитуды сквозного и донного сигналов при контроле теневым или зеркально-теневым методами. В этом случае существует только огибающая по перемещению.