Для плоскодонного и бокового ци­линдрического отверстий, чаще других

Рнс. 2.32. Амплитуда отражения от

плоскодонного отверстия (--------- ) и

диска (—) малых диаметров в зависимости
от отношения радиуса к длине
продольной волны:

• - эксперимент для плоскодонных отверстий

используемых в качестве искусственных отражателей, даны удобные способы рас­чета максимальных эхосигналов, приме­нимые для широкого диапазона диамет­ров. Также рассмотрено изменение ампли­туды эхосигнала при смещении преобра­зователя относительно края полуплоско­сти, имитирующей край протяженного дефекта.

Плоскодонное отверстие - основной тип искусственного дефекта, используе­мый в России и Германии. Среди ком­пактных отражателей оно дает макси­мально возможный эхосигнал. Плоско­донное отверстие соответствует модели отражателя в виде тонкого диска, имити­рующего реальные дефекты типа трещи­ны, раскованной поры и шлакового вклю­чения. Изготовить в образце тонкий диск - очень трудная технологическая задача.

Отражение от плоскодонного отвер­стия хорошо имитирует отражение от дис­ка при большой величине дефектов, но в области малых дефектов оказывается не­идентичным диску по отражательной спо­собности. На рис. 2.32 показаны зависи­мости амплитуд эхосигналов от диска (твердый диск в жидкости) и плоскодон­ного отверстия в функции от их радиуса b = dll, отнесенного к длине волны [247]. Теоретическая кривая для диска совпадает

с кривой, пропорциональной (b/kf (соот­ветствующей энергетическому приближе­нию и отражению от плоскодонного от­верстия), при Ь/к > 0,7 . При Ь/к < 0,3

амплитуда отражения от твердого диска в жидкости и полого диска в твердом теле

пропорциональна (b/k)3 , т. е. значительно меньше. Как показывают эксперименталь­ные данные, полученные одним из авто­ров, сигнал от плоскодонного отверстия

изменяется пропорционально (b/k)2 даже для очень малых диаметров. Это, видимо, объясняется тем, что боковые стенки от­верстия мешают УЗ обогнуть отражатель, а именно: этот эффект является причиной быстрого уменьшения сигнала от диска при малых его размерах.

При небольших размерах плоских отражателей, ориентированных по норма­ли к акустической оси преобразователя, отношения амплитуд эхосигналов от них равны отношению площадей этих отража­телей. Перевод отношений амплитуд эхо - сигналов в соответствующие величины децибелов рекомендуется проводить по номограмме, показанной на рис. 1.2.

Если площадь отражающего диска (или плоскодонного отверстия) увеличи­вать (рис. 2.33), то при больших значениях диаметра (d = 1Ъ) амплитуда сигнала воз­
растает с ростом дефекта медленнее, чем по закону (бД)2. Когда размер диска дос­тигает, а затем превосходит размер преоб­разователя, возможны две закономерности изменения амплитуды эхосигнала.

Если отражатель находится в ближ­ней или переходной зоне преобразователя, амплитуда эхосигнала от него постепенно приближается к амплитуде донного сигна­ла (кривая 1). Если же отражатель в даль­ней зоне преобразователя, то амплитуда эхосигнала от него может превзойти ам­плитуду донного сигнала, испытать одну или несколько осцилляций и только после этого амплитуда эхосигнала от диска сов­падает с амплитудой донного сигнала (кривая 2).

Такая зависимость объясняется тем, что отражающий диск подобен вторично­му излучателю УЗ и имеет свои ближнюю и дальнюю зоны. Когда отражающий диск больше преобразователя, диск может на­ходиться в его дальней зоне, а преобразо­ватель - в ближней зоне отражающего диска. Это и служит причиной осцилляции эхосигнала от диска при увеличении его

Рнс. 2.33. Амплитуда отражения от
плоскодонного отверстия (преобразователь
диаметром 12 мм, частота 2,5 МГц,
расстояние 100 мм):

-------- теория; ооо - эксперимент

диаметра. В частности, при b = <JO,5Xr преобразователь находится на границе ближней зоны отражателя, с чем связано достижение максимального значения ам­плитуды.

Амплитуды максимальных эхосигна - лов от плоскодонных отверстий в широ­ком диапазоне расстояний преобразова­тель - отражатель и размеров отражателя определяют с помощью семейства кривых амплитуда-расстояние-диаметр (АРД диаграмм). На рис. 2.34 и 2.35 даны без­размерные АРД диаграммы с логарифми­ческим и линейным масштабами по оси абсцисс, где отложено приведенное рас­стояние преобразователь-отражатель (т. е. расстояние, деленное на длину ближней зоны преобразователя). Параметр - отно­шение диаметров отражателя и преобразо­вателя.

Рис. 2.34 - скорректированная на ос­нове наших данных [132, 247] АРД (по - немецки AVG) диаграмма фирмы

Krautkramer (ФРГ). Ее достоинство - большой диапазон охватываемых расстоя­ний. Зато диаграмма на рис. 2.35 позволя­ет легко учитывать затухание, что будет показано далее. Заштрихованные области соответствуют вариации эхосигналов под влиянием формы и длительности импуль­сов.

Для конкретных типов преобразова­телей строят размерные АРД диаграммы, в которых на оси абсцисс откладывают рас­стояние от преобразователя до отражате­ля, а параметр - диаметр или площадь от­ражателя. На рис. 2.36 приведена шкала перевода диаметра в площадь плоскодон­ного отверстия.

Для учета затухания УЗ в материале изделия следует наложить на размерную

Рис. 2.36. Шкала диаметр - площадь диска

 

Площадь S, mm2

АРД диаграмму с линейным масштабом по оси абсцисс прозрачный планшет с го­ризонтальными линиями, повернуть его на угол ф и использовать его линии вместо горизонтальных линий диаграммы. Для определения угла ф выбирают на любой горизонтальной линии координатной сет­ки АРД диаграммы точку с большим зна­чением г (чем больше г, тем выше точ­ность). Находят произведение

2(5)г = (17,465г).

Это значение откладывают по оси ординат вниз от пересечения с выбранной горизон­талью и отмечают вторую точку. Прямая, проведенная через две найденные точки, имеет искомый угол наклона ф.

АРД диаграммы к каждому выпус­каемому преобразователю прилагает на­учно-производственный центр "Эхо +" (Москва). Фирма Krautkramer прилагает АРД диаграммы к каждому типу выпус­каемых преобразователей. Для наклонных преобразователей на диаграммах указана величина ЛКК1 (иногда - ЛКК2), которая показывает, на сколько децибелов сигнал от вогнутой поверхности образца К1 (или К2) выше или ниже сигнала, отраженного от перпендикулярной к акустической оси поверхности, расположенной на том же расстоянии (ей соответствует кривая со).

В настоящее время разработаны ком­пьютерные программы расчета АРД диа­грамм для преобразователей любых типов. ЦНИИТмаш разработана система АРД - Универсал, которая дает возможность бы­
стро построить на компьютере точные индивидуальные диаграммы для любого прямого или наклонного преобразователя (см. разд. 3.1.3). В разработанном в этом институте процессорном дефектоскопе УДЦ-201П для каждого типа преобразова­телей, имеющихся в каталоге прибора, на экран выводится кривая АРД диаграммы, соответствующая плоскодонному отвер­стию малого диаметра.

Боковое цилиндрическое отвер­стие. Отражатель в виде цилиндра, длина которого превосходит эффективную ши­рину поля отражателя, имитирует реаль­ные дефекты типа протяженных шлаковых включений и вытянутых пор. В США и многих других странах он принят за ос­новной тип искусственного дефекта при контроле сварных соединений.

Расчет эхосигнала для такого отража­теля выполняют по соответствующей об­щей формуле (см. табл. 2.1). Формулу удобнее записать в децибелах:

(Р'/Р0) = (2X/D) + (A(d/k)) + </2 (г/ЛГ)).

(2.6)

Первый член просто вычисляют, вто­рой получают с использованием рис. 2.37, а. Для продольных волн эта кривая совпа­дает с формулой графы 6 табл. 2.1. Для поперечных вертикально поляризованных волн штриховая кривая и формула совпа­дают только при d/X > 2 .

Третий член берут по рис. 2.37, б, где зависимость амплитуды от расстояния дана в децибелах. Если значения r/N боль-

Рис. 2.37. Графики к расчету эхосигнала от бокового цилиндрического отверстия

ше приведенных на рис. 2.37, 6, то /2 рас­считывают по формуле

(l2) = {2,22(N/rf2). (2.7)

Для преобразователей конкретного типа целесообразно с помощью формулы (2.6) строить семейства кривых типа АРД диаграмм для бокового цилиндрического отверстия.

Существенно разный характер кри­вых для продольных и поперечных (поля­ризованных перпендикулярно к оси ци­линдра) волн на рис. 2.37, а объясняется влиянием волн обегания, особенно боль­шим при падении вертикально поляризо­ванной поперечной волны. В результате суммирования прямо отраженной волны и волны обегания кривая изменения ампли­туды испытывает большие осцилляции, которые сглаживаются действием им­пульсного характера излучения (штрихо­вая кривая). Для продольных и попереч­ных горизонтально поляризованных волн А соответствует верхняя кривая, так как волны обегания в этом случае практически отсутствуют. По изложенной причине объемные дефекты лучше выявляются
поперечными волнами, направление коле­баний в которых параллельно отражаю­щей поверхности.

Для того чтобы обеспечить возмож­ность настройки дефектоскопа по отвер­стию диаметром 6 мм в СО-2 перед нача­лом работы с АРД диаграммой, достаточ­но на ее оси ординат отметить уровень эхосигнала от этого отверстия. Теперь в целях совмещения шкалы аттенюатора и АРД диаграммы можно отложить этот уровень на шкале аттенюатора и некалиб- рованной ручкой установить такую чувст­вительность, чтобы сигнал от отверстия в СО-2 на экране достигал стандартного уровня.

Полуплоскость (край дефекта). По­луплоскость имитирует край протяженно­го дефекта. На рис. 2.38, б [247] показано изменение амплитуды эхосигнала Р'/Рх (Рх - сигнал от плоскости) при взаимном перемещении края полуплоскости и пре­образователя (рис. 2.38, а) в функции от двух безразмерных параметров: 17а и r/N, где /' - расстояние между краем полуплос­кости и центром преобразователя.

В практике УЗ-контроля при измере­нии условной протяженности дефекта (см. разд. 3.2.3) положение края определяют по точкам, где амплитуда уменьшается на 6, 10 или 20 дБ от максимума (точнее, от эхосигнала над плоскостью дефекта). При этом преобразователь смещается на неко­торое расстояние /' от края дефекта, назы­ваемое полурасширением условной протя­женности дефекта, которое можно найти по кривым на рис. 2.38, в. Можно также воспользоваться следующими формулами. При измерении по уровню 6 дБ (способ "6 дБ") расширения не происходит: /6 = 0. Для уровня 10 дБ

Для уровня 20 дБ:

/20 = 0,58а

/20 = 0,1 llrkja-v 0,23а

(2.9)

Есть также способ поиска положения края дефекта по дифракционному макси­муму, наблюдаемому на кривых с г/N > 2,5 . Для него

^max а

/тах = -0Д 54rX la - 0,44a

4>r/N <2,5 r/N> 4.

	Знак "минус" показывает, что услов­ный размер меньше истинного. Этим спо­собом можно пользоваться только, когда истинный размер дефекта > 2/тах.
Z10 =0,18a /10 = 0,05 rkja + 0,065a
при

 

1.2. Максимальные эхосигналы от угловых отражателей Р/Ртях для поперечных волн