Акустический вид неразрушающего контроля

Акустический вид неразрушающего контроля (НК) пригоден для контроля деталей, изготовленных из любых материалов, достаточно хорошо проводящих акустические волны (металлов, пластмасс, керамики, бетона и т. д.). Основан на регистрации параметров упругих волн, возникающих или возбуждаемых в объектах контроля (ОК).

Колебания в зависимости от частоты разделяют на инфразвук – до 16 Гц, звук – (15 – 20000) Гц, ультразвук – более 20 кГц и гиперзвук – свыше 10 ГГц, когда уже наблюдается тепловое движение частиц.

Чаще используют упругие волны ультразвукового диапазона, причем в двух направлениях: технологическом, куда входят процессы очистки, обработки, пайка, терапия в медицине и др., диагностическом – неразрушающий контроль, гидроакустика, медицинская диагностика, разведка полезных ископаемых и т. д.

На ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта ультразвуковому контролю подлежат следующие детали подвижного состава: оси колесных пар типа РУ1, РУ, РУ1Ш, оси с редуктором, цельнокатаные колеса (обод, приободная зона, гребень), элементы тяговых электродвигателей и передач локомотивов, оси колесных пар локомотивов, коленчатые валы дизелей. Методической основой ультразвукового контроля являются руководящие документы РД 07.09.97, СТО РЖД 1.11.002-2008, технические и инструктивные материалы ОАО «РЖД».

1.1. Природа и типы ультразвуковых волн

Любые отклонения от положения равновесия, совершаемые материальной точкой под действием какой-либо силы, называют колебаниями. Если в процессе колебаний возникает восстанавливающая сила, то такие колебания называют упругими или гармоническими.

Гармонический колебательный процесс (рис. 2.1) может

быть описан выражением , где отклонение ,

равное расстоянию колеблющейся точки от положения равновесия в произвольный момент времени t, называют смещением или амплитудой, - максимальная амплитуда ее смещения, величину ( ), являющуюся аргументом косинуса, называют фазой, а параметр – начальной фазой колебания. Совместно с амплитудой начальная фаза определяет положение и скорость колеблющейся точки в начальный момент времени. Параметр называют круговой частотой (рад/с), в отличие от частоты f (Гц), определяемой числом полных колебаний в одну секунду (Гц = 1/с).

Упругие колебания могут возникать в любой материальной среде. Наличие упругих межмолекулярных связей в среде между частицами позволяет передавать энергию колеблющихся частиц соседним и приводит к тому, что их смещения передаются от одного слоя к другому в различных направлениях.

Процесс распространения колебаний в упругой среде иллюстрируется упрощенной пространственной моделью (рис. 2.2). Здесь отдельные частицы, из которых, по нашим представлениям, состоит твердое тело, фиксируются на своих местах упругими силами. Если одновременно привести в движение все частицы, расположенные по линии АВ, то они сожмут пружины и передадут движение частицам по линии CD. Те в свою очередь передадут движение частицам по линии EF и т. д. Частицы по линии АВ, достигнув максимального смещения вправо, силами упругости (пружинами) будут возвращены в положение равновесия, по инерции пройдут его, достигнув максимального смещения влево, после чего возвратятся обратно. Таким образом каждый слой материальных частиц будет совершать колебательное движение. Если бы частицы были соединены друг с другом жестко, то все они пришли бы в движение одновременно и находились бы постоянно в одинаковом состоянии движения, т. е. оставались бы в одинаковой фазе. В упругих средах дело обстоит иначе. Для передачи движения нужно некоторое время, и слои, которые пришли в движение позже, отстают по фазе от передних. В то время как частицы какого-либо слоя проходят через положение равновесия при колебаниях справа налево, частицы, расположенные в плоскостях правее, только начинают свой путь направо. Они запаздывают как раз на 1/2 периода колебания. Частицы претерпевают в каждом слое полный цикл колебания, передают свои смещения от слоя к слою слева направо с определенной скоростью возбуждения, так как имеет место запаздывание. Так возникает волна как процесс распространения упругих колебаний в материальной среде. И направление, по которому распространяется максимум энергии волнового движения, обозначают лучом.

Если направление смещения колеблющихся частиц совпадает с лучом волны, то такая волна называется продольной. На рис. 2.3 показан «мгновенный» снимок такой модели, в которой волна бежит слева направо. Видно, что при колебаниях со сдвинутой фазой возникают зоны, в которых частицы располагаются особенно тесно. Это зоны сжатия. Они чередуются с зонами разрежения, или зоны повышенного – с зонами пониженного давлений. Продольная волна называется поэтому еще и волной «расширения – сжатия». Обозначается l-волной.

Если в волне смещение частиц происходит перпендикулярно направлению ее распространения, то такая волна называется поперечной. При этом расстояние между слоями частиц остаются неизменными (рис. 2.3, б). Часто поперечную волну называют сдвиговой и обозначают t - волной. Продольные и поперечные волны распространяются по всему объему среды и потому называются объемными.

В отличие от объёмных различают поверхностные s-волны – упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной (или слабо напряженной) границы твердого тела, локализуясь в тонком приповерхностном слое (рис. 2.3, в). Разновидность поверхностной волны, которая распространяется на границе «твердая среда – газ», называют волной Релея (R-волна). Она является комбинацией продольных и поперечных волн, ее частицы в приповерхностном слое твердой среды совершают колебательные движения по эллиптическим траекториям (рис. 2.3, г). Большая ось эллипса при этом перпендикулярна к границе и совпадает с плоским фронтом волны.

Входящая в R-волну продольная волна затухает с глубиной быстрее, чем поперечная, и поэтому частицы, совершая колебания, движутся по эллиптическим траекториям, которые с глубиной становятся все более относительно вытянутыми. Полное затухание поверхностной волны происходит на глубине 1 – 1,5 λ.

R-волна чувствительна к шероховатости, покрытиям, грязи на поверхности. Достаточно хорошо огибает углы (рис. 2.4, в) (отражается от угла 60 % энергии, а уходит «за угол» 30 % ее энергии).

Так как R-волна распространяется вдоль поверхности и вглубь не уходит, то ее затухание значительно меньше, чем у объемных волн, и она пробегает большие расстояния как по плоской (рис. 2.4, в), так и по криволинейным поверхностям (рис. 2.4, а, б), причем на выпуклой поверхности происходит некоторое повышение скорости распространения, а на вогнутой – уменьшение с дополнительным затуханием по амплитуде.

Поверхностную волну успешно применяют для выявления дефектов вблизи поверхности объекта контроля. Она избирательно реагирует на дефекты: с увеличением глубины залегания отраженная волна от дефектов ослабляется, и на глубине больше одной длины волны последние практически не выявляются.

Объемные волны широко применяются в ультразвуковом контроле колесных пар, осей и зубчатых колес редукторов подвижного состава, поверхностные – при контроле поверхности катания цельнокатаных и зубчатых колес.

Твердые среды обладают объемной упругостью и упругостью формы и поэтому способны передавать продольные и поперечные смещения, в них могут существовать l, t и R-волны. Жидкости и газы не обладают способностью сопротивляться силам смещения (иначе они не могли бы так легко течь, например в трубах), им присуща лишь объемная упругость, и они могут передавать только l-волны.

Поляризацией волны называется траектория и направление движения частиц упругой среды по отношению к направлению распространения волны. В общем случае монохроматическая волна имеет эллиптическую поляризацию. Если траектория движения частиц вырождается в линию, то говорят, что такие волны имеют линейную поляризацию. Такая поляризация характерна для объемных волн, в частности поперечных.

Считают, что практически во всех случаях поперечная волна, возникающая вследствие трансформации и вводимая в изделие с помощью наклонного преобразователя, линейно поляризована в плоскости падения, т. е. перпендикулярна границе раздела двух сред. Такая волна называется вертикально поляризованной или SV-волной. Если частицы поперечной волны колеблются перпендикулярно плоскости падения, т. е. вдоль границы раздела двух сред, то такую волну называют горизонтально поляризованной или SH-волной.

В продольной волне явление поляризации возникнуть не может, т. к. траектория движения частиц совпадает с направлением распространения волны.

Свойства поперечных волн (скорость, затухание и др.) могут зависеть от вида поляризации. Если SH-волны, возбуждаясь, распространяются вдоль объекта контроля, то колебания их частиц будут всегда перпендикулярны этой поверхности. Этим объясняется, что SH-волны чувствительны к дефектам типа расслоений и ликваций и абсолютно не восприимчивы к состоянию контролируемой поверхности.

SH-волны возбуждают электромагнитно-акустическим преобразователем или кварцевой пьезопластиной Y-среза.

Однако в настоящее время в практике ультразвукового контроля широко применяют поперечные волны с SV-поляризацией, формируемые доступными штатными средствами на основе пьезокерамики.

В реальных условиях контроля наклонным преобразователем фронт ультразвуковой волны излучающего пьезоэлемента имеет неплоскую форму. От излучателя, ось которого ориентирована под первым критическим углом к границе раздела, на границу падают также продольные волны с углами несколько меньше и несколько больше первого критического. При этом в стали возникает несколько типов волн.

Вдоль поверхности формируется неоднородная поверхностно-продольная волна (рис. 2.5).

Эта волна, состоящая из поверхностной и объемной компонентов, называется также вытекающей или ползучей. Частицы в этой волне движутся по траекториям в виде эллипсов, близких к окружностям. Фазовая скорость вытекающей волны незначительно превышает скорость продольной волны (для стали ). Эти волны существуют на глубине, примерно равной длине волны, и быстро затухают: амплитуда волны уменьшается в 2,7 раза на расстоянии 1,75λ вдоль поверхности. Ослабление связано с тем, что в каждой точке границы раздела генерируются поперечные волны под углом , равным третьему критическому углу, называемые боковыми волнами. Этот угол определяется из соотношения:

. (2.1)

Для стали .

Головной называется продольно-поверхностная волна, возбуждаемая при падении ультразвукового пучка на границу раздела под углом, близким к первому критическому.

Скорость этой волны равна скорости продольной волны. Своего амплитудного значения головная волна достигает под поверхностью вдоль луча с углом ввода 78°. Одновременно с возбуждением продольно-поверхностной волны образуется и обратная продольно-поверхностная волна – распространение упругого возмущения в сторону, противоположную прямому излучению. Ее амплитуда примерно в 100 раз меньше амплитуды прямой волны.

Головная волна нечувствительна к неровностям поверхности и реагирует лишь на дефекты, залегающие под поверхностью. Ослабление амплитуды продольно-поверхностной волны вдоль луча любого направления происходит пропорционально .

На рис. 2.6 показано изменение амплитуды эхо-сигнала от плоскодонных отверстий, расположенных на разной глубине (зависимость характерна для преобразователя типа ИЦ-70, в котором излучающий и приемный пьезоэлементы расположены рядом). Видно, что применение головных волн наиболее эффективно для выявления несплошностей на глубине 3 – 12 мм (в стали). Чувствительность к дефектам вблизи поверхности заметно снижается. Максимальная амплитуда при расстоянии 20 мм достигается для плоскодонных отверстий, расположенных на глубине 6 мм.

В дефектоскопии продольные и поперечные волны, распространяющиеся вдоль поверхности, называют головными. Их возбуждают с помощью наклонно падающей продольной волны на границу с объектом контроля под первым и вторым критическими углами. Более широкое применение получили головные продольные волны. Головная волна не реагирует на поверхностные дефекты и неровности поверхности глубиной менее одной длины волны. В то же время с ее помощью можно обнаружить подповерхностные дефекты в слое, начиная от глубины, равной одной длине волны до 3 – 4 длин волн.

Кроме выше обозначенных в неразрушающем контроле используют волны Стоунли, Лява, Лэмба, нормальные, волны Порхгамера, каждая их которых имеет свою нишу эффективного применения.

Вопросы, изложенные в этом разделе, рассмотрены в [41, 45].

1.2. Параметры упругих волн

Упомянутое выше смещение (амплитуда) гармонического колебания относительно положения равновесия можно переписать в виде

, (2.2)

где t – время, с;

λ – длина волны, м, λ = С/f;

С – скорость распространения волны, м/с;

, рад/м;

Т – период колебания, с;

F – частота колебаний, Гц = 1/с, f = 1/Т;

ω – круговая частота, рад/с.

Из уравнения (2.2) видно, что любое значение ξ повторяется во времени через одно и тоже значение времени Т (при этом надо положить х = 0) или через равные отрезки расстояния λ (при этом надо положить t = 0) в пространстве.

Скорость С распространения различных типов волн различна, причем для продольных и сдвиговых волн является характеристикой среды, не зависящей от параметров упругой волны. Скорость продольных С₁, поперечных С_t и поверхностных С_R волн в неограниченных твердых телах:

. (2.3)

где Е – модуль упругости (модуль Юнга);

ν – коэффициент Пуассона (для металлов ν = 0,3);

ρ – плотность материала твердой среды.

Видно, что скорость ультразвука определяется только свойствами упругой среды и не зависит от частоты ультразвука, его затухания и т. д. Из приведенных формул приближенные соотношения между скоростями волн для малоуглеродистых сталей будут: С_t = 0,55C_l; C_R = 0,52C_l; C_R = 0,93C_t.

Полезно запомнить значения скоростей ультразвука для некоторых сред, которые приведены в табл. 2.2 в м/с. Удобно скорости измерять или оценивать в мм/мкс, для этого достаточно приведенные в табл. 2.2 цифры разделить на тысячу.

Колебательная скорость v движения частиц. Ее следует отличать от понятия скорости С распространения волны. Если последняя характеризует скорость распространения возбужденного состояния среды (например, сжатия-растяжения), то колебательная скорость определяет скорость механического движения частиц в процессе их смещения относительно положения равновесия, т. е. , [м/с].

Главный параметр любой волны – длина волны λ. Она равна отрезку пути, пробегаемому волной за период Т времени, в течение которого происходит полный цикл одного колебания, т. е. λ = СТ. Для продольных волн, например, это некоторое постоянное значение расстояния, через которое чередуется зоны сжатия и разрежения, для поперечных – участки сдвига вверх – вниз. Длина волны λ – это внутренняя согласованная мера, относительно которой определяются и через которую связаны многие параметры волн, аппаратуры, среды.

Таблица 2.2

Параметры ультразвука для различных сред

Если учесть, что Т = 1/f, то λ представляется в виде:

(2.4)

Это основное соотношение в теории колебаний. Оно справедливо для всех волновых процессов. Отметим важное обстоятельство. Частота f является характеристикой источника колебаний, возбуждающего волну, скорость С – константа материала среды, в которой данная волна движется. В силу этого (2.4) является физически правильной записью соотношения между λ , С и f. Формула (2.4) связывает параметры С и f двух физически обособленных объектов, т. е. среды и генератора колебаний. Другие математические верные записи формулы (2.4) (f = c/λ или с = λ^.f) самостоятельного физического смысла не имеют.

Каковы же длины волн употребительных сред в практике ультразвукового контроля деталей вагонов? Результаты расчетов по формуле (2.4) с учетом данных табл. 2.2 приведены в табл. 2.3. Видно, что длина волн для принятой на железнодорожном транспорте частоты 2,5 МГц составляет миллиметры. Поэтому объекты контроля с размерами, превышающими десятки миллиметров, можно считать бесконечными средами, что дает основание рассматривать существование продольных и поперечных волн раздельным, независимым друг от друга.

Давление Р в волне определится как

. (2.5)

Например, распространение продольной волны вызывает образование в среде зон повышенного и пониженного давления, т. е. избыточного к существующему в невозмущенной среде. Обозначим ρc = z, тогда P = v^.Z. Данное соотношение называют акустическим законом Ома по аналогии с законом Ома (U = Z^.I) в электротехнике. Здесь в качестве напряжения U выступает давление Р, сопротивления Z (акустический импеданс, Z = ρC)и силы тока I – колебательная скорость v.

Важно понятие акустического импеданса

Таблица 2.3