В акустическом контроле (АК) ис­пользуются различные типы колебаний и волн, отличающихся направлением коле­баний, распределением амплитуд колеба­ний и волн в среде, скоростью распро­странения волн. В акустике различные типы колебаний и волн принято называть модами.

В твердых, жидких и газообразных средах существует упругость объема, т. е. среда стремится сохранить свой объем. В твердом теле также существует упру­гость формы, т. е. твердое тело стремится сохранить не только свой объем, но и свою форму. Это свойство твердого тела связано со сдвиговой упругостью. Напри­мер, два слоя жидкости можно легко сдвинуть друг относительно друга, а две плоскости в твердом теле сопротивляются сдвигу. Попытка расширить или сжать объем, сдвинуть соседние слои ударом или переменной по направлению силой приведет к возникновению упругих коле­баний.

Таким образом, во всех средах (кроме вакуума) могут существовать колебания растяжения-сжатия. Волны с такими коле­баниями - это продольные волны, или вол­ны растяжения-сжатия. При распро­странении в твердом теле колебания час­тиц среды в продольной волне в основном происходят вдоль направления распро­странения волны (см. рис. 1.1, а).

В твердом теле существуют также волны сдвига. Частицы в них колеблются поперек направления распространения волны. Их поэтому называют поперечными или сдвиговыми волнами (см. рис. 1.1, в). На рисунке показаны колебания границ слоя, в котором распространяется поперечная волна, но в действительности среда счита­ется безграничной.

Существование двух независимых типов волн (продольной и поперечной) с разными скоростями следует из волнового уравнения [219, 220]. Сводка основных типов волн в твердом теле и формулы для расчета их скоростей (через скорость про­дольной волны) приведены в табл. 1.2.

Скорость распространения попереч­ной волны приблизительно в 2 раза (точ­нее, в 1,8 ... 1,9 раза) меньше, чем про­дольной. Например, в стали скорость про­дольной волны с, = 5,92 мм/мкс, а попе­речной с, = 3,23 мм/мкс. Скорость волны (конечно, продольной) в жидкости значи­тельно меньше. Например, в воде при комнатной температуре с = 1,49 мм/мкс.

Поперечные волны, распространяю­щиеся наклонно к какой-либо поверхности (например, к поверхности ввода колеба­ний) или вдоль нее, разделяют на волны с направлением колебаний, параллельным поверхности (их называют горизонтально - поляризованными, SH, ТН), и волны с на­правлением колебаний, Перпендикуляр­ным к этой поверхности (их называют вертикально-поляризованными, SV, TV). Они по-разному отражаются от поверхно­стей и структурных неоднородностей. На практике обычно применяют SV-волны, однако по отношению к поверхности от­ражателя они могут быть SH-волной или иметь SV - и SH-составляющие. Общее название продольных и обоих типов попе-

1.2. Типы волн в твердом теле Среда Тип, название волны Характеристика колебаний Скорость Способ возбуждения Основное применение Безгра­ ничное твердое тело Продольная В направлении распространения С/ Прямым или на­клонным ПЭП с Р<Р' Все виды контроля Поперечная Перпендикулярно к направлению распространения C''C^2(,-v)^’55C' Наклонным ПЭП с р.<р<Р" Дефектоскопия сварных соединений Поверх- ность тела Поверхност­ная (Рэлея) Эллиптические у поверхности с, = °’87 + 1’12v с а 0,93С, ~ 0,51с, 1+V Наклонным ПЭП с Р>Р" Контрольна поверхно­сти Головная То же; порождает поперечную С/ Наклонным ПЭП с Р = Р' Контроль под поверхно­стью Пласти­на ТОЛ­ЩИНОЙ/) Нормальная в пластине (Лэмба) Изгиб со сдвигом Сра0 0 ПРИ ^ 0 Наклонным ПЭП Контроль листов, труб, оболочек толщиной до 3 ... 5 мм Продольные с изме­нением поперечных размеров 1, J cpso ~--------- — ~ 0,9 С/ при h/X « 1 1 — V Стержень диамет­ром d Нормальная стержневая Изгиб со сдвигом сЬаО 0 ПРИ ^ 0 Прямым или наклон­ным ПЭП Контроль проволоки, стержней, труб, рельсов Продольные с изме­нением поперечных размеров c/KO=c/^1+V^2vLo,86ct при d! X « 1 Примечание. Р', Р" - первый и второй критические углы (см. разд. 1.1.4).

 

Рис. 1.7. Амплитуды эхо - (кривая 1) и теневого (кривая 2) сигналов рэлеевских воли в зависимости от глубины риски h (в длинах волн Л.,)

речных волн - объемные волны.

Продольную волну возбуждают с по­мощью прямого преобразователя (см. 1.2). Поперечную волну, перпендикулярную к поверхности, можно возбудить прямым пьезопреобразователем, если снабдить его пьезопластиной, совершающей сдвиговые колебания. Такие преобразователи в Рос­сии не выпускают. Пластину лучше всего приклеить к поверхности ОК, например воском, так как поперечная волна практи­чески не распространяется в жидкости. Для передачи поперечной волны можно также применить очень вязкие жидкости, например неотвержденную эпоксидную смолу [7].

Наклонную к поверхности попереч­ную волну SV-типа возбуждают с помо­щью наклонного преобразователя. Попе­речную волну SH-типа ПЭП возбудить трудно, однако можно [422, с. 3160]. Чаще всего волну SH-типа возбуждают элек­тромагнитно-акустическим (ЭМА) преоб­разователем (см. разд. 1.2.4). ЭМА-преоб - разователи позволяют возбуждать волны всех типов.

В [422, с. 3160)] сообщается о разра­ботке ПЭП для излучения и приема наклон­ных горизонтально поляризованных попе­речных волн. Они имеют частоту 2... 5 МГц, размер пластины 5x5 или 10 х 10 мм, угол преломления 90 и 70°. Волны излу­чаются в призму, а затем проходят в ме­талл ОК через специальную контактную смазку Sonicoat SHN-30.

Продольная и вертикально-поляризо­ванная поперечная волны - основные ти­пы волн, используемых для УЗ-контроля материалов. Ими можно выявлять как объ­емные, так и поверхностные дефекты (см. табл. 1.2 и разд. 3.1.2).

В твердом теле кроме объемных су­ществуют также специфические волны, распространяющиеся вдоль поверхности, поверхностные и головные. Поверхност­ная волна (волна Рэлея) представляет ли­нейную комбинацию продольной и попе­речной волн [64]. Такая комбинация дает возможность удовлетворить условие ра­венства нулю напряжений на свободной поверхности, вдоль которой распростра­няется волна. В жидкости поверхностных волн нет. Волны, наблюдаемые на поверх­ности воды, например, связаны в основ­ном с гравитационными, а не упругими силами.

Скорость рэлеевской волны cs при­близительно равна 0,93 скорости попереч­ных волн (для стали - 3,01 мм/мкс). Тра­ектория колебаний частиц ОК - эллипсы с большой осью, перпендикулярной к по­верхности. Вытянутость эллипсов увели­чивается с увеличением глубины от по­верхности.

Амплитуда рэлеевской волны имеет максимум на поверхности и уменьшается в 10 раз на глубине ~s - длины поверхно­стной волны. Это видно из рис. 1.7 по кривой ослабления сквозного (т. е. про­шедшего между излучателем и приемни­ком) сигнала риской (пазом) различной глубины. Осцилляции отраженного сигна­ла объясняются интерференцией сигналов, отраженных от грани и кончика риски.

Рэлеевская волна распространяется на большие расстояния (порядка 1 ... 2 м), следуя изгибам поверхности, как бы "об­лизывая" плавные выпуклости и впадины на поверхности ОК. На выпуклой поверх­ности скорость ее увеличивается, а на во­гнутой уменьшается и одновременно рас­тет затухание.

При резком изменении профиля по­верхности рэлеевская волна частично от­ражается, частично проходит через пре­пятствие, а частично трансформируется в объемные волны. Например, при падении на прямой двугранный угол коэффициент отражения (по амплитуде) 0,3; коэффици­ент прохождения 0,7; доля трансформиро­ванной энергии ~20 % [64].

Рэлеевские волны рассеиваются на неровностях поверхности и хорошо выяв­ляют дефекты на самой поверхности. Чув­ствительность быстро убывает с глубиной залегания дефектов. Дефекты на глубине, большей длины рэлеевской волны, прак­тически не выявляются. Рэлеевские волны иногда применяют для контроля изделий на поверхностные дефекты вместо маг­нитного или капиллярного метода контро­ля. Если нажать на поверхность перед от­ражателем УЗ пальцем, смоченным в мас­ле, амплитуда эхосигнала рэлеевской вол­ны уменьшится. Так определяют место, где расположен дефект.

Следует отметить, что поверхностная горизонтально поляризованная попереч­ная волна не является волной Рэлея, по­скольку последняя - комбинация верти­кально поляризованной поперечной волны и продольной волны, которые в рассмат­риваемом случае отсутствуют. В [422, с. 3160], как отмечалось ранее, сообщается о разработке ПЭП для излучения и приема наклонных горизонтально поляризован­ных поперечных волн, в том числе с углом преломления 90°.

При нагружении поверхности твер­дого тела жидкой или твердой средой воз­никают специфические типы волн. Если твердое тело граничит с жидкостью, ско­рость звука в которой сж меньше с.„ то в твердом теле вдоль границы распростра­няется волна рэлеевского типа со скоро­стью, близкой к cs. Она порождает в жид­кости волну, которая распространяется под углом arcsin cjcs, отсчитываемым от нормали к поверхности. Волну такого ти­па называют боковой. Это явление вызы-

П Рис. 1.8. Система волн в металле, возникающих при падении продольной волны из пластмассовой призмы преобразователя на границу с металлом (сталью) под первым критическим углом

вает повышенное затухание рэлеевской волны. Для границы вода - сталь ее ам­плитуда уменьшается в е = 2,72... раза на расстоянии 10A. S.

Когда слой жидкости тонкий, рас­смотренное явление усложняется [64]. Жидкий слой улучшает прохождение вол­ны через неровную поверхность ОК, когда толщина слоя составляет 0,75 ... 1 длины волны Xs [425, с. 663/727].

Вдоль границы твердое тело - жид­кость распространяется также волна со скоростью, меньшей сж [64]. В твердом теле она локализована в тонком слое тол­щиной А. ж/2тг, а в жидкости - в слое тол­щиной, значительно большей Хж. Подобно рэлеевской волне, она медленно затухает с увеличением расстояния вдоль границы. Волну используют для контроля поверх­ности твердых материалов иммерсионным способом, поскольку рэлеевская волна в этом случае довольно быстро затухает, особенно если контролируемый материал обладает большим коэффициентом зату­хания.

Если между собой граничат две твер­дые среды, модули упругости и плотности которых несильно отличаются, то вдоль границы распространяется волна Стоунли [64]. Она состоит как бы из двух рэлеев - ских волн, существующих каждая в своей среде и имеющих одинаковую скорость распространения, меньшую скоростей объемных волн в обеих средах. В каждой среде волна локализована в слое толщи-

е) Рис. 1.9. Возбуждение и прием головной волны по схемам тандем (а) и дуэт (б). Отражение (для схемы тандем) от плоскодонного отверстия в зависимости от глубины залегания h

ной около длины волны и имеет верти­кальную поляризацию. Такие волны при­меняют для контроля соединений биме­таллов, упрочненных слоев [315].

Головные волны - это продольные волны вдоль поверхности. Название "го­ловная" получило распространение только среди дефектоскопистов в России. Аку­стики относят ее к одному из типов выте­кающих волн [64]. Сейсмоакустики и де - фектоскописты за границей ее называют ползущей волной (creep wave), или боковой волной (lateral wave). Использовать голов­ные волны для дефектоскопии предложил

Н. П. Разыграев (ЦНИИТмаш) в 1974 г. [138].

На рис. 1.8 показана система волн, возникающих при падении продольной волны из пластмассовой призмы преобра­зователя П на границу с металлом (ста­лью) под первым критическим углом (см. разд. 1.1.4) [422, с. 649]. Наибольшую ско­рость имеет продольная волна Р. От точки ввода наклонного преобразователя эта продольная волна (в том числе головная вдоль поверхности) распространяется в виде расходящегося пучка лучей. Этим объясняется зависимость амплитуды эхо - сигнала, получаемого от плоскодонных отверстий при разной глубине их залега­ния h и разном расстоянии / преобразова­тель - отражатель, показанная на рис. 1.9.

Когда продольная волна распростра­няется вдоль поверхности, она одна не может удовлетворить граничное условие на свободной поверхности: напряжения равны нулю. Поэтому в каждой точке по­верхности она порождает поперечную волну 5 (см. рис. 1.8), распространяю­щуюся под углом к нормали к поверхно­сти ан - arcsin(cjcj). Этот угол равен третьему критическому (см. разд. 1.1.4). Благодаря этой поперечной волне удовле­творяется условие равенства нулю напря­жений на свободной поверхности, вдоль которой распространяется волна. Попе­речная волна уносит энергию, в результате чего головная волна быстро ослабляется. Фронт поперечных волн Н - наклонная плоскость.

В акустике и иностранной дефекто­скопической литературе именно эта волна называется головной, а в кругах россий­ских дефектоскопистов данную попереч­ную волну называют боковой. Поперечная волна порождает продольную волну Р, отстающую по времени от волны Р, упо­мянутой ранее.

Для возбуждения и приема головной волны обычно применяют наклонные РС - преобразователи с углом падения, равным первому критическому. Разделение излу­чателя и приемника (см. рис. 1.9) необхо­димо ввиду высокого уровня помех. Схема тандем (преобразователи один за другим) позволяет осуществлять контроль на 100 ... 150 мм вдоль поверхности. Схема дуэт (излучатель и приемник рядом) лока­лизует область чувствительности фокаль­ной областью, но обеспечивает лучшее выявление дефектов [278]. Обычно при­меняются частоты ~2 МГц. Такие преоб­разователи выпускают ЦНИИТмаш в Рос­сии и институт ВАМ в Германии. В [422, с. 3064] сообщается о разработке совме­щенного преобразователя головных волн на частоту 5 МГц. Конструкция преобра­зователя не приводится.

Головные волны почти нечувстви­тельны к поверхностным дефектам и не реагируют на неровности поверхности, но хорошо выявляют дефекты на глубине 2 ... 8 мм (см. рис. 1.9). Нечувствительны они и к нажатию на поверхность пальцем. Эти волны применяют для контроля свар­ных швов на дефекты под валиком усиле­ния, выявления дефектов под наплавкой, резьбой. Они не "облизывают" искривлен­ную поверхность, подобно рэлеевской волне.

Боковые волны, сопровождающие головную волну, достигают противопо­ложной поверхности ОК, если он имеет вид плоскопараллельной пластины, и вы­зывают появление на ней головной волны. Та, в свою очередь, порождает боковые волны. Таким образом, возникают помехи, которые препятствуют применению го­ловных волн для контроля тонких изде­лий.

Комбинация из головной и боковой волн (ползущей и головной волн по более правильной терминологии) распространя­ется вдоль плоскопараллельной пластины на значительные расстояния. Достаточная чувствительность к дефектам сохраняется на расстоянии порядка 1 м (для стали, алюминия).

Когда продольная волна распростра­няется вдоль поверхности полого дефек­та, она становится головной. Возникают боковые волны, уносящие энергию. Бла­годаря этому явлению, в частности, верти­кальная трещина при контроле прямым преобразователем ослабляет донный сиг­нал, в то время как эхосигнал от нее очень слабый.

В [428, докл. 1.28] М. В. Асадчая и др. сообщают о существовании и возможно­сти использования подповерхностных вертикально поляризованных сдвиговых волн.

Рис. 1.10 . Дисперсионные кривые для фазовых (а) и групповых {&) скоростей волн в пластинах

Их скорость почти в 2 раза меньше, чем скорость подповерхностных продольных (головных) волн, поэтому соответствую­щим образом уменьшается глубина кон­тролируемого слоя. Наиболее эффектив­ный способ возбуждения волн при кон­троле металлов - использование пьезопре­образователей с призмами из плексигласа, расположенных по схеме дуэт, а для кон­троля пластмасс - с призмами на основе магнитной жидкости. Анализ эксперимен­тальных диаграмм направленности обоих типов подповерхностных волн показал, что максимум направленности сдвиговых волн достигается при углах 87 ... 89°, а угол раскрытия для поперечной волны более узкий, чем для продольных волн. У авторов книги возникает сомнение в

Рис. 1.11. Схематическое изображение симметричных (а) и антисимметричных (б) волн; х - направление распространения волн; стрелками показаны направления смещений по оси у

справедливости этих результатов.

Скорость всех перечисленных типов волн не зависит от частоты. В ограничен­ных твердых телах (пластинах, стержнях) существуют волны в пластинах (волны Лэмба) и волны в стержнях (волны Порх - гаммера). Их общее название - нормаль­ные волны. В направлении, перпендику­лярном к поверхности пластины или стержня, нормальные волны как бы обра­зуют стоячую волну. В пластине или стержне определенной толщины могут распространяться различные типы (моды) нормальных волн с различным распреде­лением колебаний по толщине.

Волны в пластинах применяют для УЗ-контроля тонких листов, труб, оболо­чек, а волны в стержнях - для контроля проволок, стержней, труб (при распро­странении вдоль оси трубы). Скорость распространения этих волн изменяется в зависимости от частоты (явление диспер­сии скорости), упругих свойств материала и поперечных размеров пластины или стержня.

Скорость конкретной моды опреде­ляют по графикам. На рис. 1.10, а показа­на система дисперсионных кривых для фазовых скоростей ср в пластине. Фазовая скорость - это скорость изменения фазы в направлении распространения волны, в данном случае вдоль пластины. Если вся пластина колеблется по толщине (фаза волны на всей поверхности одинакова), фазовая скорость вдоль пластины будет бесконечно большой.

Сплошные кривые а соответствуют антисимметричным модам (типам) волн. При этом происходят изгибные колебания пластины с элементом сдвига (рис. 1.11,

б). Штриховые кривые s соответствуют симметричным модам. При этом наблю­дается расширение-сжатие пластины (рис. 1.11, а). Индекс около букв ahs по­казывает, сколько половин длины про­дольной или поперечной волны укладыва­ется по толщине пластины при распро­странении данной моды нормально к по­верхности.

Величина на оси абсцисс - произве­дение частоты / на толщину пластины h, деленное на скорость ct поперечных волн в пластине. При увеличении значения fli/c, нулевые моды переходят в поверх­ностную волну, остальные - в попереч­ную. Параметр кривых - коэффициент Пуассона v, зависящий от отношения ско­ростей поперечных и продольных волн,

v 0,5 -(Ct/Cl)2 1 -(С'/с,)2

Для стали v = 0,288, для дуралюмина

0, 34.

Фазовая скорость позволяет рассчи­тать длину волны ’kp-cpjf и определить

условия возбуждения волны. Обычно вол­ну возбуждают с помощью наклонного падения продольной волны из какой-либо внешней среды со скоростью звука с (жид­кости или пластмассовой призмы). Угол падения р рассчитывают по формуле

р = arcsin(c/cp). (1.4)

Другой способ возбуждения - ЭМА (см. разд. 1.2.4)

Скорость распространения импульса вдоль пластины определяет групповая скорость cg (см. рис. 1.10, б), которая свя­зана с фазовой скоростью формулой

J__ J__f_

cg ср с2р df '

При jh / ct —> 0 для моды s0 диффе­ренциал dcvl<if = 0 и cg =ср. Дисперси­онные кривые, подобные показанным на рис. 1.10, построены также для волн в стержнях.

Пример 1.2. Найти углы наклона призмы преобразователя (оргстекло, с = 2,7 мм/мкс) для возбуждения всех возможных типов волн в листе из стали толщиной 1 мм на частоте 2,5 МГц.

Коэффициент Пуассона в стали v = = 0,288 я 0,29. Кривые для v = 0,29 лежат между кривыми с v = 0,27 и 0,31 на рис. 1.10, а. Значение параметра, отложенного на оси абсцисс,

Jh I с, = 2,5-1/3,23 = 0,574 .

Этому значению соответствуют три моды. Для каждой из них находим сначала cp/ct, за­тем ср, потом по формуле (1.4) угол призмы Р: Моды Ср/с, СР- мм/мкс Р° Нулевая анти­симметричная 0,85 276 76,2 Нулевая сим­метричная 1,5 4,85 33,8 Первая анти­симметричная 2,4 7,75 20,4

Волны нулевых мод а0 и s0 сущест­вуют в тонких пластинах. При стремлении толщины пластины к нулю фазовая и групповая скорости симметричной нуле­вой моды, s0 стремятся к одинаковой ве­личине (см. табл. 1.2), а фазовая скорость антисимметричной нулевой моды стре­мится к нулю по закону

с^с^^ф-^2(''5)

где Е - модуль нормальной упругости; р - плотность материала. Область приме­нения указанного выражения определяет­ся соотношением

fh< 0,0723/^—. (1.6)

p(l-V )

Эту моду называют изгибной волной.

Волны в пластинах позволяют обна­руживать дефекты, расположенные как поперек, так и вдоль пластины (типа рас­слоения). При выборе моды волны Лэмба для контроля пластин следуют таким ре­комендациям. Используют волны нулево­го или первого порядка, которые легче возбудить. Выбирают участки дисперси­онных кривых волн Лэмба, где минималь­но изменение фазовой скорости. Этим участкам соответствует максимум группо­вой скорости. Возбужденные при этих условиях волны Лэмба реализуются в виде наиболее коротких импульсов, поскольку импульс может содержать широкий спектр частот.

Для возбуждения волны Лэмба на­клонным преобразователем необходимо, чтобы возникала интерференция прямой волны и волны, отраженной от донной поверхности пластины. Этот вопрос будет рассмотрен далее.

В пластине возможно также возбуж­дение мод, обусловленных интерференци­ей горизонтально поляризованных попе­
речных волн. Они являются частным слу­чаем волн Лява. В общем случае волнами Лява называют поперечные волны с гори­зонтальной поляризацией, распростра­няющиеся в пластине, граничащей с дру­гими средами. При отражении от поверх­ностей пластины такие волны сохраняют свою поляризацию (не трансформируют­ся), поэтому дисперсионные кривые для горизонтально поляризованных (SH) волн Лява в пластине со свободными поверхно­стями аналогичны кривым для волн в жидком слое.

Не рассматривая подробно волны в стержнях, отметим, что в них могут суще­ствовать симметричные и антисимметрич­ные моды, во многом сходные с волнами в пластинах. Кроме того, в стержне могут распространяться крутильные (торсион­ные) волны. Сущность их в повороте сече­ния стержня вокруг его оси. Поскольку появляется сдвиг, скорость этих волн рав­на скорости поперечной волны.

Проследим, как преобразуется один тип волн в другой. Преобразование волны Рэлея в волну Лэмба с уменьшением тол­щины пластины происходит следующим образом [64]. Предположим, что в пласти­не толщиной h волна Рэлея возбуждается на верхней поверхности. Оказывается,

что, пройдя путь L « 0,463A. se2’15/l^s, вол­на перейдет на нижнюю поверхность пла­стины. Переход совершается постепенно. Затем через интервал 2L волна вновь воз­вратится на верхнюю поверхность и т. д. (рис. 1.12, а).

Такая волна называется псевдорэле - евской. Длина интервала L уменьшается с уменьшением h, и для тонкой пластины можно считать, что две волны Рэлея одно­временно распространяются по верхней и нижней поверхностям.

Природа этого явления заключается в том [63], что на верхней и нижней поверх­ностях достаточно толстой пластины од­новременно возникают волны а0 и s0, близкие по скорости к волне Рэлея. На верхней поверхности фазы волн совпада­ют и они взаимно усиливаются. На ниж­ней поверхности пластины фазы противо­положны и волны взаимно погашаются. Но скорости мод <Зо и. s'o немного отлича­ются, и на пути L волна а0 отстает от вол­ны. s'o на половину длины волны. Это при­водит к тому, что волны взаимно погаша­ются на верхней поверхности и усилива­ются на нижней. При уменьшении толщи­ны пластины волны а0 и s0 разделяются.

Рассмотренное явление следует учи­тывать при контроле рэлеевскими волна­ми пластин толщиной 0,5 ... 2 мм; при контроле деталей, в которых тонкая пла­стина сочетается с массивным участ­ком, например тонкостенная труба прива­рена к массивной втулке (рис. 1.12, а). Для контроля массивного участка и, в частно­сти, сварного шва (с удаленным валиком) волну Рэлея в стенке трубы следует воз­буждать с таким расчетом, чтобы перед массивным участком она вышла на по­верхность. В этом случае мешающего кон­тролю отражения от границы тонкого и толстого участков не возникнет.

Проследим, как совершается переход от объемных волн к нормальным при уменьшении поперечного сечения стержня (или пластины). Если импульс продольной волны излучается и принимается со сто­роны торца толстого стержня (рис. 1.12,

б), то первый отраженный донный сигнал соответствует продольной волне. После этого сигнала приходят сигналы-спутники. Они возникают в результате частичной трансформации расходящегося пучка лу­чей продольной волны, падающих под большим углом на боковую грань стерж­ня, в поперечную волну. Эта волна пере­секает стержень поперек и опять частично трансформируется в продольную волну. Такие трансформации волна может испы­тывать несколько раз. В результате [27] после донного сигнала, соответствующего продольной волне, наблюдаются импуль­сы, отстоящие друг от друга на интервал времени t - d/(c, cos р)- d tg p/c, . Для стали p = 31° (см. разд. 1.1.4).

С уменьшением толщины пластины или диаметра стержня d эти импульсы сближаются и растут по амплитуде. Мак­симальным является уже не соответст­вующий продольной волне сигнал, а сиг­нал одного из спутников. При дальнейшем сужении стержня донный сигнал будет очень маленьким, все сигналы-спутники сольются в один импульс, максимум ам­плитуды которого будет соответствовать нулевой симметричной моде для данного стержня или пластины.

Применительно к пластине просле­дим трансформацию наклонной попереч­ной волны в нормальную. Излучателем - приемником будет наклонный преобразо­ватель с переменным углом ввода р, уста­новленный на боковой поверхности пла­стины. От углов А и В пластины толщиной

1.. . 2 мм (рис. 1.12, в) будет наблюдаться группа эхосигналов, соответствующих разным путям, проходимым лучами из расходящегося пучка. Их амплитуды бу­дут сравнительно небольшими.

При изменении угла наклонного пре­образователя эти импульсы будут пере­мещаться по линии развертки. Когда угол падения совпадет со значением, соответ­ствующим возбуждению одной из мод нормальной волны, прямая волна и волна, отраженная от донной поверхности пла­стины, совпадут по фазе и в результате их интерференции сигналы группы сольются в один сигнал с большой амплитудой. Время прихода максимума амплитуды этого сигнала будет отвечать групповой скорости для соответствующей моды.

Рис. 1.12, в поясняет понятия фазовой cph=c2/cosa и групповой cg = с2 cos а

скоростей; где С2 - скорость объемной волны в материале пластины.

Таким образом, волны в пластинах и стержнях можно рассматривать как ре­зультат интерференции продольных и по­перечных волн, распространяющихся внутри ОК и отражающихся от его стенок.

Для возбуждения путем падения вол­ны из внешней среды необходимо, чтобы

УЗ-импульс имел достаточно большую длительность, а падающая волна - доста­точно протяженный фронт (т. е. чтобы пу­чок лучей был большей ширины). Для это­го пьезоэлемент преобразователя должен иметь большие поперечные размеры. Только тогда происходит интерференция. Требования к величине этих характери­стик увеличиваются по мере возрастания размеров (толщины или диаметра) ОК. По этой причине размеры ОК обычно не пре­восходят 2 ... 3 мм при частотах ультра­звука 1 ... 5 МГц.