При контроле наклонными преобра­зователями хорошо выявляются дефекты (например, трещины), близкие к донной поверхности или поверхности ввода и перпендикулярные к ним. Это связано с двойным отражением УЗ от поверхностей изделия и дефекта, в результате чего лучи возвращаются к тому же преобразователю, работающему как приемник (угловой эф­фект). Искусственные дефекты, имити­рующие это явление, называют угловыми отражателями. Отражатели типа зарубок и рисок хорошо имитируют выходящие на поверхность компактные или протяжен­
ные трещины и непровары сварных со­единений. Угловые отражатели и форму­лы для расчета максимальных эхосигналов от них приведены в табл. 2.2 [247; 427, докл. Б04].

Большинство обозначений в табл. 2.2 - те же, что и в табл. 2.1, со следующими изменениями: s' - площадь отражающей поверхности зарубки; X - длина попереч­ной волны; Ртах - максимально возмож­ный эхосигнал. Для возбуждения и приема поперечных волн применяют наклонные преобразователи с призмой (см. разд. 1.1.3), поэтому согласно формулам (1.34) и (1.35) введена мнимая пьезопластина площадью S' (см. рис. 1.53, б). Для прямо­угольной пластины

S'=LL' L'= L, cosa/cosp.

Здесь L и L - размеры пьезопласти­ны в плоскости падения и дополнительной плоскости; (3 и a - углы падения и пре­ломления для акустической оси. Для круг­лой пластины мнимый пьезоэлемент - эллиптический с размерами D cos a/ cos (3 в основной и D в дополнительной плоско­стях. В формулы, отмеченные знаком*, вместо L и L' вводят 2£>/л и 2Z)cosa/(jicosp).

В г входит путь в изделии г' и до­полнительный путь Г от мнимой пласти­ны до точки выхода. Обычно он < 10 мм, и при больших расстояниях г' им пренебре­гают. Во все формулы для эхосигналов необходимо ввести множитель е~2&' для учета затухания в изделии, где 8 - коэф­фициент затухания поперечных волн. Множитель, учитывающий затухание в призме, и коэффициент прозрачности не введен, поскольку использована прибли­женная часть формулы (1.34).

В табл. 2.2, как и в табл. 2.1, отража­тели разделены на три группы: компакт­ные (зарубка, засверловка); протяженные в одном направлении (риска, вертикальное цилиндрическое отверстие); протяженный в двух направлениях (двугранный угол).

Формула для полуцилиндрического об­разца приведена для сопоставления.

Диапазон вариации численных коэф­фициентов в формулах для ближней зоны уменьшен, поскольку немонотонности изменения эхосигналов здесь сглажены. Для расчетов в переходной зоне исполь­зуют коэффициент вида дефекта А и об­щие формулы и графики из табл. 2.1.

В формулы введен коэффициент G, который учитывает геометрию отражения, явления незеркального отражения и трансформации волн (см. разд. 1.1.4). Ко­эффициент G (рис. 2.39) зависит от угла падения на поверхность ф и от глубины зарубки, засверловки или риски h, которая должна быть на 50 % большее длины по­перечной волны (h > 1,57.). Для изделий с плоскопараллельными поверхностями ф = = a - углу ввода. Для изделий с непарал­лельными или искривленными поверхно­стями ф * а.

Кривые (рис. 2.39) построены экспе­риментально и учитывают эффекты трансформации волн и незеркального от­ражения (см. разд. 1.1.4). Поясним, какими явлениями объясняется эта зависимость. Трансформация поперечной волны в про­дольную на вертикальной поверхности

отражателя возникает, когда угол падения на нее (90° - ф) больше, чем третий кри­тический угол ф' (для стали ф’ = 33°). Она вызывает резкое уменьшение G при уг­лах ф » 60 ... 67°. Незеркальное отражение увеличивает эхосигнал от неглубоких за­рубок при углах ф = 35 ... 50°, несколько больших третьего критического значения 33°. В этой области кривая G зависит от глубины зарубки. Чем она меньше, тем значительнее вклад незеркального отра­жения. Обычно зарубки как искусствен­ные отражатели применяют при углах ф > 50°, где зависимость <7(ф) однозначна.

Экспериментальные точки имеют существенный разброс относительно при­веденных усредненных кривых. В области углов ф si 60 ... 67 разброс эксперимен­тальных точек достигает 50 %. Это обу­словлено следующими физическими при­чинами: смещением фазы волны при от­ражении от свободной поверхности при углах ф, отличающихся от 45° (см. разд. 1.1.4), и дифракционным рассеянием на вертикальной грани риски. В результа­те прямого отражения и трехкратного (с
учетом двукратного отражения от свобод­ной поверхности) отражения от этой грани образуются диаграммы направленности в виде лепестков, которые суммируются (с учетом фазы) с основным отраженным сигналом. Этим явлением, в частности, объясняется резкое уменьшение амплиту­ды эхосигнала при h <Х и угле Ф = 65 ... 70°.

К этому добавляется разброс, вы­званный неточностью изготовления отра­жателей и трудностью измерения их гео­метрических размеров. Согласно [402], при контроле преобразователем 45° на частоте 2 МГц и глубине риски 10 мм отклонение отражающей грани зарубки от перпендикулярности на +5° (в сторону преобразователя) вызывает увеличение эхосигнала (рис. 2.40), но еще больший наклон его ослабляет. Наклон отражаю­щей грани в обратную сторону (отрица­тельный угол наклона) также вызывает ослабление эхосигнала.

Отметим, что в области углов ~60° экспериментально наблюдаемый угол ф меньше расчетного на 5 ... 7°. Это объяс­
няется тем, что при поисках максимума эхосигнала преобразователь приходится смещать в сторону больших значений G. В формулах для засверловки и вертикально­го цилиндрического отверстия угол дол­жен быть больше >30°. Для поперечных волн это обычно выполняется, поскольку угол призмы преобразователя больше пер­вого критического.

Пример 2.2. Рассчитать размеры зарубок ДЛЯ настройки чувствительности при контроле сварного соединения толщиной Н = 50 мм. Уро­вень фиксации s = 7mm2 , углы ввода преобразо­вателей а = 45, 50 и 65°; площадь пьезопластины Щ =8-8мм2, частота / = 4МГц.

Рассчитаем длину волны и оценим длину ближней зоны:

Х = с,// = 3,23/4 = 0,8 мм ;

N = 1?/(пХ) = 82/(я0,8) = 25,8 мм.

Минимальное расстояние преобразователь - отражатель

г' = Hjcos а = 50/cos 45° = 71 мм.

Таким образом, отражатель находится в дальней зоне преобразователя.

Эхосигналы Р и Р' от плоскодонного отвер­стия и зарубки с отражающими площадями і и s' определяются по формулам

Р' S's ;8г■ . Р' с S's' t-25r'

Ртах r2X2 Лпах r22

Эти сигналы должны быть равны, отсюда s = Gs’.

По кривой h = 2 на рис. 2.39 для заданных углов найдем: G = 1,8; 1,3 и 0,5; площади зарубок s' = s/G =3,9; 5,4 и 14 мм2. Принимаем /і = 2мм, тогда длины зарубок /= 2; 2,7 и 7 мм.

Возникает опасение, не будут ли края по­следней зарубки близки к пределу пучка лучей основного лепестка диаграммы направленности преобразователя. Рассчитаем по формуле (1.30)

угол раствора пучка лучей на уровне и рас­

крытие пучка /п на расстоянии г'=Н/cosa = = 50/cos65° = 118 мм;

0 = arcsin(0,22-2X./i) = arcsin(o,22 -2 -0,8/8) = 2,5° ;

21„ =2r'tg0 = 2 ■ 118 ■ tg2,5° = 10,4 мм.,

т. е. зарубка находится в пределах эффективной части основного лепестка.

При контроле наклонным преобразо­вателем в качестве отражателя также ис­пользуют сегментный отражатель (см. рис. 2.29). Его отражающую грань выполняют перпендикулярной к направ­лению акустической оси. Эхосигнал от него такой же, как от диска равной пло­щади. Экспериментально это подтвержде­но для поперечных волн и углов а ® 48 ... 55°. В этих пределах отражение от сегмен­та происходит без участия углового эф­фекта. По измерениям, проведенным од­ним из авторов, максимальный эхосигнал от сегментного отражателя с углом а « 70°, площадью 1,6 мм2 оказался на 11 дБ меньше, чем от плоскодонного от­верстия с той же отражающей площадью.