ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Свободная поверхность твердого тела из "Теория и практика ультразвукового контроля " Ж а ется от нее. При этом может происходить трансфор-млция типов волн. В общем случае на границе двух всрдых тел (рис. 13) возникают две (продольная и поперечная) отраженные и дне преломленные волны. [c.27] Изменение этой фазы на величину, не кратную я, при углах больше критического приводит к явлению незеркального отражения. Экспериментально установлено [7], что если на границу раздела сред падает ограниченная плоская волна под углом, несколько большим критического, то отраженный, пучок лучей как бы смещается вдоль поверхности тела относительно падающего (рис. 14). Смещение А такое, как если бы отражение происходило зеркально от некоторой мнимой границы, расположенной на некоторой глубине Н под действительной поверхностью А = 2М а. Разность фаз волны, отразившейся от мнимой границы, т. е. прошедшей путь РЕВ, и прямой волны, прошедшей путь ОВ, согласно (2.12) равна 2/ /1 соз а. [c.29] Если первой и второй средой являются твердые тела, то из закона синусов (3.1) вытекает возможность существования целого ряда критических углов. Первый критический угол существует, когда падающая волна продольная и i i. Он соответствует условию слияния преломленной продольной волны с поверхностью, т. е. [c.30] Штрихом отмечены импедансы для нижней среды. [c.31] Явления на границе раздела пластмасса—металл или жидкость—металл очень часто используют в дефектоскопии для возбуждения волн определенного типа в заданном направлении. Из рис. 15 видно, что в области малых углов падения (О—10°) в стали существует практически только продольная волна, а поперечная волна очень слаба. Эту область используют для возбуждения продольных волн с углом наклона к поверхности до 20°, например в раздельно-совмещенных искателях. [c.32] На практике весьма трудно получить плоскую волну, для которой строго выполняются приведенные выше графики и формулы для коэффициентов отражения и преломления. Вместо этого используют сферические волны, расходящиеся в пределах некоторого телесного угла. Поэтому значения коэффициентов отражения и преломления усредняют в некотором интервале углов падения, вследствие чего экспериментально измеренные значения несколько отличаются от теоретических. [c.33] В ультразвуковой дефектоскопии весьма часто приходится встречаться с отражением от свободной поверхности волны, распространяющейся внутри твердого тела. Амплитуду возникающих продольных и поперечных волн определяют из условий равенства нулю на границе нормальных и тангенциальных напряжений. Углы и коэффициенты отражения для стали показаны в работе [65, стр. 172]. Максимумы коэффициентов отражения по амплитуде смещения на этих графиках для трансформированных волн больше единицы. Однако с учетом того, что при трансформации происходит изменение плоскости колебаний и скорости распространения волн, законы сохранения импульса и энергии при этом не нарушаются. [c.33] При падении поперечной волны существует третий критический угол а , равный 33°30 для стали. При углах больше критического коэффициент отражения продольной волны обращается в нуль, а поперечной — равен по модулю единице. Однако при этом изменяется его фаза, в результате чего возникает явление незеркального отражения. Смещение энергии вдоль поверхности необходимо учитывать при расчете амплитуды отражения от дефектов вблизи отражающей поверхности. [c.33] Рассмотренный на и элементарный случай соответствует падению на границу монохроматической волны при отсутствии затухания звука в средах. Изучение более близкого к реальному случаю падения на границу раздела звукового импульса и учет затухания звука в слое показывают, что осцилляции коэффициентов, отражения и прозрачности уменьшаются по мере роста ЛДс. Это объясняется уменьшением амплитуды колебаний интерферирующих волн по мере увеличения к. Следовательно, чтобы добиться оптимального просветления границы в реальном случае, следует брать наиболее тонкий просветляющий слой к = кп.14. [c.37] Рассчитаем коэффициенты отражения и прозрачности по полученным формулам для некоторых наиболее важных случаев Для 1раницы воздух — сталь из (3 5) находим =99,9963%, т. е. энергия практически полностью отражается. Бели в стальном изделии имеется зазор толщиной 0,0001 мм, то по формуле (3.14) при частоте 2,5 МГц = 99,84%, т. е также практически полное отражение. Лишь при толщине зазора 10 мм Я = 86%, и наблюдается заметное прохождение звука. Проведенные расчеты позволяют сделать вывод, что ультразвуковые волны практически полностью отражаются от тончайших (10 —10 мм) зазоров в металле, например дефектов. Такое же сильное отражение будет наблюдаться от границы преобразователя с объектом контроля, если не заполнить этот промежуток жидкостной пленкой Дефекты, заполненные окислами или другими веществами, будут ]ем хуже отражать ультразвук, чем ближе акустические свойства заполняющего дефект вещества и объекта контроля. Такие плохо отражающие ультразвук дефекты в виде окисных пленок иногда встречаются в некоторых отливках, поковках и сварных соединениях. [c.37] В ультразвуковой дефектоскопии пьезоэлементы обычно имеют форму пластин. Наиболее широко используемый тип деформац-ии — растяжение-сжатие пластины по толщине. Обратный пьезоэффект, вызывающий такую деформацию, применяют для излучения продольных волн, а прямой пьезоэффект, связанный с деформацией по толщине, — для приема этих волн. Для возбуждения и приема поперечных волн используют деформацию сдвига по толщине. В этом случае для передачи деформации от пластины к изделию недостаточна смазка поверхности маслом, как в случае излучения и приема продольных волн, так как через жидкость поперечные волны передаются плохо. Пластина должна быть приклеена к поверхности изделия. Для этого обычно используют легкоплавкие клеющие вещества типа воска или циакрина. В низкочастотных ультразвуковых дефектоскопах используют контурную деформацию пластин, связанную с растяжением-сжатием и сдвигом пьезопластины в направлениях, перпендикулярных толщине. При расширении-сжатии пластины по ширине и длине происходит изменение толщины, что приводит к возбуждению продольных волн. Поперечные волны не возбуждаются при подобных деформациях пластины, если она не приклеена к изделию. [c.38] Пьезоэлемент, будучи кристаллом или поляризованной керамикой, не является изотропным веществом. Свойства его зависят от направления относительно кристаллических осей или оси поляризации, поэтому соответствующие константы являются тензорными величинами. В дальнейшем мы, однако, будем рассматривать колебания по толщине соответствующим образом ориентированных пластин при таком же расположении электрического поля (в направлении координаты х). Свойства пластин будем характеризовать значениями констант для этого направления. При этом мы не будем специально подчеркивать тензорный характер констант и векторный характер величин, характеризующих поле, учитывая, однако, запреты, налагаемые при тензорном и векторном исчислениях. [c.38] В действительности е является тензорной величиной, и вместо е г вводят пьезоэлектрическую постоянную h. Однако компоненты тензора е не очень сильно отличаются друг от друга, поэтому для простоты изложения будем рассматривать е как скалярную величину. [c.40] Как будет показано ниже, именно квадрат коэффициента электромеханической связи определяет чувствительность пьезопреобразователя при излучении и приеме ультразвука. Основные свойства некоторых пьезоматериалов указаны в работе [65]. [c.41] В преобразователях ультразвуковых дефектоскопов (рис. 18) пластина 1 является важнейшим чувствительным элементом. Плоскости ее покрыты электродами 3. Пьезопластина приклеена к демпферу 2. Между пластиной и средой 6, в которую излучается ультразвук, располагается несколько тонких слоев электрод, протектор 4, защищающий пластину от повреждений, и прослойка масла 5 (в случае контактного варианта контроля). Иногда протектор делают многослойным с целью оптимизации тех или иных свойств искателя. Таким образом, пьезопластина работает в условиях довольно сложной акустической нагрузки. Для общности представим пьезопластину с характеристическим акустическим импедансом х = р С нагруженной на две среды с входными импедансами 2о и Z2 (рис. 19). Пьезопластина толщиной к считается бесконечно протяженной в направлении, перпендикулярном х, так что влиянием краев пластины пренебрегаем. Пьезопреобразователь подключен к электрической цепи с генератором-V, в результате действия которого на электродах пьезопластины возбуждается переменное напряжение (разность потенциалов) Аф. [c.41] Задача дальнейшего исследования заключается в том, чтобы построить эквивалентную электрическую схему пьезоизлучателя, в которой он был бы представлен в виде некоторой пассивной нагрузки Хл (это нужно для создания теории резонансного метода контроля), и найти выражений для волны, излучаемой в изделие. Это нужно для расчета режима излучения в эхо- и теневом методах. Задачу по расчету колебаний пьезопреобразователя, имеющего электрические и акустические нагрузки, принято называть задачей об электроакустическом тракте дефектоскопа. [c.41] Выражения (4.14) связывают упругие напряжения и колебательные скорости через входные импедансы верхней 2о и нижней 2 сред. Отличие их от выражения (3.2) состоит в том, что вместо давлений введены напряжения с обратным знаком. Величины Т определяют по уравнению (4.13). В пластине распространяются две волны в прямом и обратном направлениях с разными амплитудами. Условия (4.14) позволяют найти эти амплитуды. Подробные вычисления приведены, например, в работе [38]. Здесь дадим окончательный результат. [c.43] Это соответствует эквивалентной схеме, показанной на рис. 20, где пьезопластина предоставлена в виде параллельно включенных емкостной Хс и пьезоэлектрической Хр нагрузок. Последняя в общем случае имеет активную и реактивную составляющие. [c.44] Вернуться к основной статье