Правильный выбор частоты обеспечивает необходи­мую чувствительность ультразвукового контроля. Чем выше частота, тем меньше длина УЗК в контролируемом изделии и тем лучше условия отражения их от дефектов. Повышение частоты прозвучивания увеличивает направ­ленность излучения и приема. При этом возрастает от­ношение отраженной от дефекта энергии к общей энер­гии, вводимой в изделие, что также способствует повыше­нию чувствительности контроля. Однако с увеличением частоты повышается коэффициент затухания УЗК в ме­талле, ухудшаются условия их прохождения через по­верхность ввода, увеличивается интенсивность отражений от границ зерен и неоднородностей металла, не являю­щихся дефектами.

Частота колебаний при контроле определяется в ос­новном коэффициентом затухания, уровнем структурно" реверберации металла и габаритами контролируемое- изделия. Зная эти характеристики, можно оценить и вы< брать оптимальную частоту, которая обеспечит наиболь шую чувствительность контроля при минимальных поте^ рях энергии на рассеяние и поглощение ее зернами м&’ талла.

В ультразвуковом диапазоне поглощение звука в м - талле обусловлено потерями на гистерезис и теплопро - водность. В поликристаллических металлах (например,[12] чугуне и стали) затухание определяется поглощением и рассеянием ультразвука на границах зерен и структур­ных составляющих и существенно зависит от соотноше­ния средней величины размера зерна в поперечнике D длины упругой волны X. При X<^D упругие волны поглс щаются в каждом зерне, и затухание определяется в о новном поглощением.

При X^D затухание резко возрастает за счет дифЧ фузного рассеяния упругих волн, проникающих (диф­фундирующих) между отдельными кристаллами метал­ла. Особенно велико затухание при Я» (З-т-4) D, так как к диффузному рассеянию добавляется поглощение, связанное с релаксацией (уменьшением) теплопроводно­сти на анизотропных кристаллах1.

При %^>D происходит рассеяние волн мелкими крисі таллами металла, коэффициент затухания пропорцион* лен /4. |

Для дефектоскопии обычно применяют частоты 0,5—; 10 МГц (при этом Х> 10-=-15 D). В этом интервале упру­гие волны затухают слабо, и редко наблюдаются поме< хи от структурных составляющих.

На рис. 51 показана кривая зависимости коэффициен та затухания продольных волн от величины зерна в об; разцах из стали 12Х18Н10Т.

Следует отметить, что коэффициент затухания можеі значительно отличаться не только для различных спла' вов одной группы, но даже для одного сплава в разный состояниях механической и термической обработки и і
различных сечениях одного изделия. Поэтому коэффици­ент затухания определяют непосредственно на контроли­руемом изделии в данном сечении. Для этого применяют импульсные ультразвуковые дефектоскопы со встроенны­ми аттенюаторами (калиброванными делителями напря­жений): ДУК-6В, ДУК-66, ДСК-1 И др.

При измерении затухания в твердых телах в испы­туемый образец вводят УЗК и наблюдают изменения амплитуды донного сигнала при многократном отраже­нии.

При отсутствии интерференции эхо-сигналы на экра­не ЭЛТ обычно располагаются в порядке убывания их амплитуд, которые измеряют аттенюатором. Коэффици­ент затухания вычисляют по формуле

6 = 1п(.4„/Л„+і)/2/, (24)

где I — длина прозвучиваемого образца; Л„, Лп+1 — ам­плитуды двух последовательных сигналов.

Так, например, коэффициент затухания для титано­вых и алюминиевых сплавов измеряли [20] на образцах, вырезанных из исследуемых слитков диаметром 150 мм, высотой 100 мм. На рис. 52 показана зависимость коэф­фициента затухания от частоты УЗК Для некоторых алю­миниевых и титановых сплавов в литом состоянии. Как видно, для всех сплавов значение коэффициента затуха­ния увеличивается с повышением частоты.

Коэффициент затухания для литых металлов выше, чем для деформированных. Так, например, коэффициент затухания для литого алюминиевого сплава Д16 равен 0,038 Нп/см, а деформированного 0,02 Нп/см; коэффи­циент затухания для литого титанового сплава ВТ5 ра­вен 0,035 Нп/см, деформированного 0,03 Нп/см.

В металлах с резко выраженной анизотропией (медь, цинк) и некоторых сплавах, имеющих сложный фазовый состав, например никелевых, ультразвук сильно рассеи­вается. Значение коэффициента затухания для этих ме­таллов в десятки раз выше, чем для сплавов с небольшой степенью упругой анизотропии. Как правило, прозвучи* вание таких металлов сопровождается структурной ре­верберацией — постепенным затуханием из-за много­кратных повторных отражений волн от границ зерен металла. В результате этого на экране ЭЛТ возникают мешающие сигналы, существенно затрудняющие прове­дение контроля. Это объясняется тем, что сигналы от структурных составляющих поступают на приемник де­фектоскопа одновременно и складываются. В зависимо­сти от фаз отдельных сигналов они могут взаимно уси­ливать или ослаблять друг друга. Следовательно, поме­хи от структурных неоднородностей носят статистический характер.

Если уровень структурной реверберации невелик, то детали можно прозвучивать при достаточно высокой час­тоте. В противном случае частоту необходимо сущест­венно понижать.

Уровень структурной и объемной реверберации опре­деляют экспериментально непосредственно в прозвучи- ваемом сечении контролируемого изделия. Для этого подбирают частоту, при которой на экране дефектоскопа возникают четкие сигналы от искусственного отражате­ля, расположенного на максимальном расстоянии от пре­образователя, при оптимальных соотношениях коэффи­циента усиления и величины отсечки шумов.

Мощность импульсов, вводимых в контролируемое изделие для обнаружения дефекта заданного размера на максимальной глубине, определяется частотой УЗ К, ко­эффициентом затухания и габаритами контролируемого изделия. В промышленных дефектоскопах мощность им­пульса регулируют изменением длительности возбужда­ющего импульса, для чего на панели дефектоскопа имеется соответствующая ручка.

1. Выбор вида УЗК

Выбор вида УЗК диктуется габаритами и формой контролируемого изделия, а также характером и местом расположения дефектов. Применяя продольные, сдвиго­вые, поверхностные и нормальные волны, необходимо иметь в виду, что в изделии как простой, так и сложной формы невозможно создать направленный пучок опре­деленного вида волн. В изделии всегда возникают, кроме возбуждаемых волн, «побочные» волны, распространяю­щиеся в том же или другом направлении вследствие от­ражения и расщепления УЗК на поверхности ввода и границах изделия. Поэтому под термином «контроль продольными, сдвиговыми и другими волнами» будем в дальнейшем подразумевать контроль изделия комбина­цией волн, распространяющейся в направлении дефекта, в которой преобладают продольные, сдвиговые или дру­гие виды волн.

Возбуждение продольных волн существенно зависит от кривизны поверхности, через которую вводят УЗК. Так, например, если ввести УЗК через плоскую поверх­ность (рис. 53, а), то в изделии распространяются (при прямом ходе лучей) преимущественно продольные вол­ны. Если УЗК вводят через кривую поверхность, напри­мер цилиндрическую (рис. 53,6), то только центральный луч пучка УЗК войдет в изделие по нормали без расщеп­ления. Остальные лучи, падая на кривую поверхность под другими углами через масляную прослойку между изделием и преобразователем, расщепляются на про­дольные и сдвиговые составляющие.

Иногда для контроля цилиндрических заготовок, при­меняют прямые преобразователи, контактная поверх­ность которых выполнена по криволинейной поверхности изделия. При этом считают, что контроль ведется про­дольными волнами. Такое представление является оши­бочным. Нетрудно видеть, что эти преобразователи не могут быть прямыми, т. е. создавать в изделии по преи­муществу продольные волны. Здесь вследствие кривизны поверхности продольные волны от излучателя входят в изделие под разными углами; в материале возникают продольные, сдвиговые и, возможно, поверхностные вол­ны, распространяющиеся в изделии под различными уг­лами (рис. 53, в).

В настоящее время ультразвуковой контроль загото­вок и готовых изделий основан на предпосылке, что пре­
образователь создает в изделии «узкий» и «направлен, ный» пучок лучей, распространяющийся с «небольшим» углом расхождения. При этом считают, что вся излучае­мая энергия концентрируется вдоль центрального луча.

Рис. 53. Схемы ввода про­дольных волн в изделие че­рез плоскую поверхность (а) и через кривую поверх­ность (б) прямым преобра­зователем: через кривую поверхность преобразовате­лем, контактная поверхность которого выполнена по фор­ме изделия (в):

1 — изделие; 2 — преобразо-
ватель; 3 — пьезоэлемент:
4 — дефект

На этом основании при расчетах и разработке методик контроля пучок лучей часто изображают в виде одного луча — линии, исходящей из центра пьезоэлемента. Та­кие допущения при контроле изделий являются необос­нованными и в ряде случаев приводят к серьезным ошибкам.

Следует напомнить, что законы геометрической опти­

ки справедливы для звука в случае, если длина волны очень мала по сравнению с поперечным сечением пучка. В оптике это соотношение, как правило, выполняется (волны имеют длину порядка одной десятитысячной доли миллиметра). Видимо, только при таких условиях мож­но говорить о звуковом «луче». Для ультразвуковых волн, применяемых в дефектоскопии, эти условия не выполня­ются, поэтому укоренившееся понятие «ультразвуковой луч» для пучка лучей звуковых волн, хотя и очень на­глядное, является неправильным.

Покажем, что ультразвук распространяется в среде в виде широкого пучка лучей, угол расхождения которого тем больше, чем меньше размеры излучателя и частота прозвучивания.

Пусть требуется проконтролировать заготовку из ти­тана в виде плиты толщиной 500 мм. Применим для про­звучивания прямой преобразователь с пьезоэлементом диаметром 12 мм на частоте 2,5 МГц. При скорости про­дольных волн в титане, равной 6000 м/с, X=c/f—6,0-106/ /2,5-106=2,4 мм.

Угол расхождений ультразвукового пучка в металле sin 0 = 1,22 Vd=l,22-2,4/12=0,244, что соответствует углу 0« 14°10' (2 0=28°2О').

Определим диаметр облучаемой площади на противо­положной поверхности плиты, который получается рав­ным ~260 мм. Таким образом, даже на высокой частоте (/=2,5 МГц) пучок лучей получается достаточно широ­ким, благодаря чему им облучается значительный объем контролируемого изделия.

Конечно, интенсивность центральных лучей пучка УЗК значительно больше интенсивности боковых. Это обусловливает и дальность их распространения: цент­ральные лучи проникают в металл на расстояния, в десятки раз большие, чем боковые. Однако при дефекто­скопии изделий средних и особенно небольших толщин, изготовленных из металлов с малым затуханием, нельзя не учитывать влияния боковых лучей на результаты контроля, особенно если изделия контролируют при за­ведомо избыточной мощности в импульсе; здесь роль боковых лучей в обнаружении дефектов становится зна­чительной, так как дальность их распространения соиз­мерима с размерами изделия. Если на пути пучка встре­тится дефект, ориентированный более благоприятно по отношению к боковым лучам, то дефект будет четко фиксироваться на экране дефектоскопа.

На рис. 54 показана схема прозвучивания изделия прямым преобразователем, создающим звуковое поле в виде конусного пучка лучей. В изделии имеется дефект D, плоскость которого не перпендикулярна центрально­му лучу. Сверху приведены осцилограммы прозвучива-<| ния, соответствующие различным положениям (а—в)

Рис. 64. Схема прозвучивания изделия продольными волнами: 1 — изделие; 2 — преобразователь; 3— экран ЭЛТ; 4—начальный сигнал; ■ 5 — дониый сигнал; 6 — сигнал от дефекта; <Ві, со2, fflj — углы встречи лучей! УЗК с плоскостью дефекта

преобразователя относительно дефекта. В начальный момент (а) на дефект падают правые боковые лучи. Так как дефект ориентирован неблагоприятно относительно этих лучей (угол встречи сої существенно отличается от? прямого), они отражаются в сторону, не попадая на! преобразователь. Осциллограмма в этом случае состоит! из начального и донного сигналов, между которыми раз-1 вертка имеет вид прямой линии. При перемещении пре-І образователя вправо по поверхности изделия угол встре­чи лучей с дефектом увеличивается, и, когда преобразо­ватель займет положение б, центральный луч упадет на плоскость дефекта под углом (02><оь Однако и в этом1 случае центральные лучи отразятся в сторону и не попа-? дут на пьезоэлемент. Осциллограмма имеет тот же вид,.і что и в первом случае, хотя за счет отражения в сторону! наиболее интенсивных центральных лучей амплитуда! донного сигнала может уменьшиться. Эти рассуждения!

справедливы только в случае, когда поверхность дефекта гладкая. Если же поверхность шероховатая, неровная, то часть УЗК отражается в сторону падающих лучей. Тогда на экране дефектоскопа может появиться небольшой промежуточный сигнал, расположенный ближе к донно­му, амплитуда которого определится углом встречи и шероховатостью поверхности дефекта.

При дальнейшем перемещении преобразователя вправо он займет положение в и на плоскость дефекта падают левые боковые лучи. В этом случае угол встречи Из приближается к 90° и условия выявляемости дефекта становятся наивыгоднейшими, так как большая часть энергии боковых лучей возвращается к преобразовате­лю. На экране ЭЛТ при этом наблюдается осциллограм­ма, состоящая из начального и донного сигналов, между которыми четко фиксируется интенсивный по амплитуде сигнал от дефекта. При перемещении преобразователя от этого положения в любую сторону амплитуда сигнала падает. Отсюда следует, что максимальное отражение от дефекта наблюдается при положении преобразователя, когда центральный луч находится «в стороне» от дефек­та. Аналогичная картина наблюдается при отражении УЗК от дефекта, плоскость которого перпендикулярна центральному лучу (рис. 54, г). Нетрудно видеть, что принятая методика определения местоположения дефек­та по направлению центрального луча может привести к существенным ошибкам, если дефекты ориентированы не параллельно поверхности ввода УЗК.

Для контроля изделий на наличие дефектов, ориенти­рованных в металле под углом к поверхности ввода УЗК, применяют сдвиговые волны.

При контроле изделий сдвиговыми волнами также возможны два случая: ввод УЗК через плоскую поверх­ность изделия преобразователем с плоской контактной поверхностью и через кривую поверхность преобразова­телем с плоской или кривой (по форме изделия) контакт­ными поверхностями.

В первом случае при акрі<а<аКрп в металле воз­буждаются наиболее «чистые» сдвиговые волны. Во-вто - ром случае в изделии возбуждается несколько видов волн, распространяющихся под различными углами (см. гл. III).

Сдвиговые волны эффективно применяют для контро­ля рельсов, сварных соединений, толстостенных труб, го­товых изделий сложной формы.

Поверхностные волны применяют для обнаружения дефектов, возникающих на поверхностях заготовок и изделий. Особенностью поверхностных волн является то, что они распространяются на любой гладкой, плоской или кривой поверхности твердого тела с небольшим за­туханием, огибая все детали рельефа.

Для возбуждения поверхностных волн обычно исЯ пользуют трансформацию продольных волн, падающим на границу двух сред, различающихся акустическим со«™ противлением. Угол падения а, при котором в изделии возбуждаются поверхностные волны, выбирают равным второму критическому углу: sin аКрп = сПр/Спов-

Скорости распространения волн спр и спов определяют методом непосредственного измерения скоростей распро­странения волн или методом критических углов [8, 9].

Если такие измерения нельзя провести, то скорости распространения УЗК рассчитывают, используя их зави­симости от упругих констант и плотности материала (см. ^ табл. 3). Щ

В формировании поверхностных волн существенную* роль играет кривизна поверхности, через которую вводят! УЗК, площадь и форма контакта преобразователя и 1 детали, а также форма контактной поверхности преоб­разователя. Структура металла и шероховатость по­верхности изделия определяют дальность распростране­ния поверхностных волн. Поэтому более точные значе-і ния а для возбуждения поверхностных волн получают - экспериментально, прозвучивая специально изготовлен­ные образцы, по форме и свойствам близкие к контроли­руемому объекту. І

Так, например, оптимальные значения а, при которых: возникают поверхностные волны в тонких кромках дета­лей, автор определял на пластинах, изготовленных из4 различных металлических сплавов, имитирующих лопат - ки турбин и компрессоров, с шероховатостью поверхно­сти, соответствующей 9-му классу. На скругленной гра­ни пластины перпендикулярно образующей на расстоя­нии 20 мм от конца делали надрез (отражатель) глуби­ной ~0,25 мм и шириной около 0,1 мм. Пластины были ] различной толщины и имели скруглення радиусами р= 1 = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мй. При проведении экспериментов j использовали дефектоскоп УДМ-1М и преобразователи j с Г-образной и трапециевидной формой контактной по - ! верхности (рис. 55). Углы наклона а продольных волн, составляли 60—70°; прозвучивание проводили каждым і преобразователем на частотах 1,8 и 2,5 МГц. Акустичес­кий контакт обеспечивали смесью трансформаторного масла и масла марки МК-22 (по 50 %).

. Преобразователи с указанными значениями углов устанавливали на скругленной кромке пластины на раз­личных расстояниях от надреза так, чтобы центральный луч пучка УЗК отражался от надреза под прямым

Рис. 55. Схема прозвучивания кромки пластины преобразовате­лем с трапециевидной контактной поверхиостыо: / —пластина; 2 — искусственный отражатель (надрез); 3 — пре­образователь; tx, U — толщина пластины

углом. В процессе прозвучивания пластины замеряли амплитуды сигналов при изменении расстояния от пре­образователя до надреза в пределах 0—400 мм, фикси­ровали наименьшее расстояние от преобразователя до надреза, при котором появлялся сигнал на экране ЭЛТ, а также расстояние, на котором амплитуда его достига­ла максимального значения.

По результатам замеров построены графики зависи­мости амплитуды сигналов от расстояния преобразова­теля до надреза для различных сплавов с учетом влия­ния изменения углов а, частоты прозвучивания и формы контактной поверхности преобразователя.

На рис. 56 показан один такой график, полученный при прозвучивании пластины из жаропрочного сплава ХН70ВМТЮ с кромкой толщиной 1 мм (р=0,5 мм), пре-

образователями с углами а = 65, 67 и 69° на частотах 1,8 и 2,5 МГц. Как видно, пластина хорошо прозвучива - ется по всей длине на частоте 1,8 МГц при всех углах на­клона а. Амплитуды отраженных сигналов при сс=65, 67 и 69° различаются незначительно, хотя при других углах резко падают. Наибольшая амплитуда соответст­вует углу 67°. С увеличением расстояния до надреза амплитуда сигнала вначале увеличивается и, дойдя до максимального значения, медленно убывает.

Рис. 56. Зависимость амплитуды отраженных сигналов от час­тоты, угла а и расстояния до отражателя

На частоте 2,5 МГц амплитуда падает более резко; что свидетельствует о значительном затухании в данном материале поверхностных волн этой частоты.

Аналогичные кривые были построены при прозвучи - вании пластин, изготовленных из жаропрочных сплавов ХН77ТЮР, ХН62МВКЮ, 1Х12Н2ВФМ, В Д-17 и др.

Построенные графики могут быть использованы для выбора параметров ультразвукового контроля лопаток турбин и компрессоров. Однако следует иметь в виду, что выбранные Таким образом углы не всегда являются оптимальными при контроле конкретных лопаток, так как условия формирования и распространения поверхно­стных волн в кромках пластин, имеющих постоянную по всей длине толщину и конфигурацию, и лопаток, у кото­рых толщина и кривизна кромок изменяются от замко­вой части к концу пера, неодинаковы. Поэтому углы а целесообразно уточнять экспериментально.

/

Так, например, расчетами было установлено, что ско­рости распространения УЗК в жаропрочных лопаточных сплавах примерно одинаковы. Расчетные углы а для них получались равными 60—61°. Прозвучивание пластин, изготовленных из этих же сплавов, показало, что опти­мальными для них являются углы 67°. Расхождение ме­жду расчетными и экспериментальными углами состав­ляет ~6°. Это можно объяснить тем, что расчет проводили в предположении плоской границы раздела двух сред: призма преобразователя — материал пласти­ны; в действительности преобразователь и пластина кон­тактируют по узкой и закругленной кромке. Кроме того, фактические значения упругих постоянных материала пластин и призмы могли отличаться от расчетных.

С целью определения влияния формы детали на фор­мирование поверхностных волн были взяты лопатки тур­бин, изготовленные из этих же сплавов, и подвергнуты прозвучиванию преобразователями с различными угла­ми а.

На рис. 57 приведены экспериментальные кривые за­висимости амплитуды сигналов, отраженных от надрезов

Рис. 57. Зависимость амплитуды сигналов, отраженных от надрезов глубиной 0,38 мм (сплав ХН62МВКК» и 0,47 мм (сплав ХН70ВМТЮ) в средней части кромки лопатки, от угла а. Длина прозвучиваемого участка 150 мм для ста­ли ХН62МВКЮ (1) и 190 мм для стали ХН70ВМТЮ (2)

Рис. 58. Зависимость амплитуды отраженных сигналов от глубины надрезов
Иа кромке пластины из сплава ВД-17 при прозвучиванин преобразователем
с трапециевидной (/) и Г-образной (2) контактными поверхностями

на кромках лопаток из сплавов ХН62МВКЮ и ХН70ВМТЮ, от углов а. Как видно, максимальная амп­литуда сигналов получается при углах а, равных 66° и 68°. При этом лопатки хорошо прозвучивались на всю длину (150 и 190 мм) только на частоте 1,8 МГц. Ре­зультаты прозвучивания пластины и лопатки практиче­ски совпадают.

1

Если пучок лучей УЗК падает на плоскую поверх­ность изделия под углом аКрц, то можно утверждать, что большая его часть трансформируется в поверхностные волны. Если же пучок лучей падает на кривую поверх­ность, то трансформация продольных волн в поверхност­ные произойдет только на участке падения центрального и близлежащих к нему лучей. Поэтому в изделии могут возникнуть такие комбинации волн, в которых преобла­дают не поверхностные, а сдвиговые или другие виды волн.

Для решения конкретных задач важно знать даль­ность распространения поверхностных волн и глубину проникновения их в металл.

Известно [22], что затухание поверхностных волн, обусловленное поглощением и рассеянием УЗК в мате­риале, не больше, чем затухание объемных (продольных и сдвиговых) волн. Но в отличие от объемных поверхно­стные волны распространяются в тонком поверхностном слое материала, поэтому амплитуда их убывает из-за расхождения пучка пропорционально 1 [ YL, а не 1/L, как при распространении объемных волн (L — расстоя­ние от излучателя). Однако при возбуждении поверхно­стных волн вдоль тонких кромок или ребер детали рас­хождения пучка поверхностных волн может и не быть. Здесь сама форма детали ограничивает расхождение поверхностной волны, вследствие чего она вынуждена распространяться вдоль кромки.

При правильно подобранных углах сскрц и частоте f, а также при малой шероховатости поверхности возбуж­денные волны могут распространяться на значительные расстояния. Так, например, на частоте 1,8 МГц поверх­ностные волны распространяются в кромках пластины на расстояние 400 мм без заметного ослабления амплиту­ды (см. рис. 56).

Глубину проникновения поверхностных волн в металл определяли путем нанесения поперечных надрезов раз­личной глубины на кромке пластины и последующего измерения амплитуды отраженных от них сигналов. На рис. 58 приведена зависимость амплитуды отраженных сигналов от глубины надрезов на кромке пластины, из­готовленной из сплава ВД-17.

Следует отметить, что при контроле кромок пластин форма контактной поверхности преобразователя суще­ственно влияет на амплитуду отраженных сигналов. На рис. 58 видно, что применение преобразователя с трапе­циевидной контактной поверхностью увеличивает ампли­туду отраженных сигналов примерно на 15—20 % по сравнению с преобразователем, имеющим Г-образную контактную поверхность.

Нормальные волны применяют для обнаружения рас­слоений, закатов, зон пористости, поверхностных трещин и других дефектов в тонких листах, трубах и оболочках, проволоке и т. п.

Нормальные волны могут формироваться только в плоских и кривых телах, имеющих постоянную толщину. При распространении нормальной волны все сечение те­ла находится в состоянии колебания и равномерно участ­вует в передаче энергии. Поэтому можно говорить о волноводном характере распространения нормальных волн. На рис. 22 показана деформация листа, в котором возбуждены симметричные (растяжения) и антисиммет­ричные (изгибные) нормальные волны. Здесь волны распространяются слева направо, при этом выпуклости и вогнутости непрерывно перемещаются в одном направ­лении.

Симметричные и антисимметричные волны различа­ются смещениями частиц в верхнем и нижнем слоях листа. Для симметричных волн вертикальные смещения частиц среды v равны нулю в средней плоскости и мак­симальны на поверхностях листа. Направление смеще­ния частиц, расположенных в верхних и нижних слоях, равноудаленных от центрального слоя, противоположны. Таким образом, симметричные волны искривляют лист в противофазе. Горизонтальные смещения и в симмет­ричной волне одинаковы для частиц в верхних и нижних слоях листа.

Для антисимметричных волн горизонтальные смеще­ния частиц среды и равны нулю в средней плоскости и максимальны на поверхностях листа. В этом случае вертикальные смещения v имеют одинаковые направле­ния в верхней и нижней половинах листа, а горизонталь­ные смещениям — противоположные. Таким образом, антисимметричные волны вынуждают обе поверхности листа колебаться в фазе.

Для возбуждения нормальных волн обычно исполь­зуют продольные волны, падающие на поверхность конт­ролируемого изделия, например плоского листа, под некоторым углом ан. Между углом падения, толщиной листа и упругими свойствами материала, определяющими частоту, имеется связь, позволяющая найти определен-

ные дискретные углы падения, соответствующие опреде­ленным формам (симметричным или антисимметричным) и порядкам (s0, Si...sn или а0, а...ап) нормальных волн.

При ультразвуковой дефектоскопии углы ан обычно определяют или по дисперсионным кривым [22, 23] или экспериментально путем прозвучивания конкретных де­талей с конкретными дефектами.

Дисперсионные кривые — это зависимость фазовой и групповой скоростей нормальных волн от частоты УЗК и толщины контролируемого изделия. Характер диспер­сионных кривых зависит также и от упругих свойств ма­териала. На рис. 59 приведены дисперсионные кривые

6000

3000

О 200 Ш 600 800 1000 1200 1600 IЧастота * толщина/, кГц • см Рис. 59. Дисперсионвые кривые для нормальных волн в стали

для нормальных волн в стали. Здесь по оси абсцисс от­ложены произведения толщины пластины и частоты УЗК, а по оси ординат — фазовая скорость Сф и значения уг­лов ан, при которых возбуждаются нормальные волны. На кривых указаны форма и порядок (мода), которым они соответствуют. Как видно, для волн всех номеров характерна значительная дисперсия скоростей.

Волны s0 и ао качественно отличаются от всех осталь­ных тем, что могут существовать при любых частотах и толщинах пластин. При малых толщинах, когда Ь->-О, эти волны представляют собой продольную (s0) и из- гибную (а0) волны в тонкой пластине. При увеличении толщины пластины волны sо и ао становятся похожими одна на другую, их фазовые скорости стремятся к фазо­вой скорости поверхностной волны, а смещения частиц локализуются вблизи свободных границ пластины ана-

логично смещениям при распространении поверхностной волны [22]. При Ь->-°о каждая из волн So и ао переходит в две поверхностные волны, распространяющиеся син - фазно по обеим свободным поверхностям пластины.

Волны первого и более высоких порядков возникают при определенных критических значениях bf для каждой формы волны. Эти значения'соответствуют резонансным частотам продольных и сдвиговых волн. Например, пер­вая антисимметричная волна а возникает при полувол­новом резонансе сдвиговой волны, когда 6[=ссдв/2; пер­вая симметричная волна si—при полуволновом резонансе продольной волны, когда &/=Спр/2; вторая антисим­метричная волна а2— при одноволновом резонансе, ког­да bf=cCKB, и т. д.

Угол ая определяют так. Зная толщину и материал контролируемого листа, задаются частотой прозвучива - ния. Затем определяют произведение толщины пластины на частоту и находят соответствующую точку на оси абсцисс графика, представленного на рис. 59 (или подоб­ного графика для пластины из другого материала). Из этой точки проводят вертикальную линию до пересече­ния с дисперсионными кривыми. В пластине на данной частоте могут быть возбуждены только те нормальные волны, дисперсионные кривые которых пересекаются этой линией. Проведя горизонтальные линии от точек пе­ресечения до осей ординат, находят значения углов ан и фазовой скорости Сф, соответствующие данным формам и порядкам нормальных волн.

На рис. 59 построена шкала для углов ан при исполь­зовании призмы преобразователя из органического стекла.

Рассмотрим пример. В стальном листе толщиной 1,2 мм требуется возбудить нормальную волну на часто­те 2,5 МГц. Произведение bf—300. Найдем соответству­ющую точку на оси абсцисс и проведем вертикаль до пересечения с дисперсионными кривыми. В стальном лис­те толщиной 1,2 мм на частоте 2,5 МГц можно возбу­дить четыре нормальные волны: а0, So, «і и si. При этом углы падения ан равны 57, 47, 23 и 20° соответственно. Если лист прозвучивать преобразователем с другими значениями а, то нормальная волна в листе не возни­кает.

Преобразователями с этими же углами можно воз­будить нормальные волны в листах, имеющих другую толщину. В этом случае необходимо изменить частоту прозвучивания, чтобы произведение bf осталось посто­янным и равным 300. Отмеченные нормальные волны можно возбудить в стальных листах толщиной 1 мм на частоте 3 МГц, 2 мм — на частоте 1,5 МГц, 3 мм—на частоте 1 МГц и т. д.

Во многих практических случаях нормальные волны возбуждают не в плоском, а в цилиндрически искривлен­ном слое, причем направление распространения волн обычно выбирают перпендикулярным образующей ци­линдрической поверхности. Теоретические исследования распространения волн в таком слое [24] показали, что в первом приближении кривизна не влияет на скорость распространения и другие характеристики нормальных волн.

Этот вопрос был исследован автором эксперимен­тально. Как уже было отмечено, нормальные волны мо­гут быть возбуждены в листе плоской продольной вол­ной, падающей на поверхность под углом ан. Однако в случае изогнутого листа (трубы) каждый луч пучка про­дольных волн падает на кривую поверхность под разны­ми углами, при этом в стенке трубы возникают различ­ные комбинации волн. Как было сказано ранее (см. гл. III), в этом случае могут быть применены преобра­зователи с плоской или вогнутой (по форме трубы) кон­тактными поверхностями. Здесь угол ан становится по­нятием до некоторой степени условным, так как он относится только к центральному лучу, а не ко всему пуч­ку. Поэтому представлял интерес определить оптималь­ные значения углов ан, при которых в стенке трубы воз­буждаются такие комбинации волн с преобладанием нормальных, с помощью которых надежно выявляются определенные дефекты, например поверхностные трещи­ны, риски.

Эти углы определяли на натурных деталях — трубах, изготовленных из мелкозернистой стали, на внешней и внутренней поверхностях которых вдоль образующей на­носили две риски длиной по 50 мм, глубиной около 0,1 мм, на расстоянии около 30 мм одна от другой (рис. 60). Толщина стенки трубы 1,2 мм.

Наклонные преобразователи с плоской контактной поверхностью и различными значениями углов а пооче­редно устанавливали на наружной поверхности трубы в строго определенном положении. При этом центральный луч направляли по окружности так, чтобы он падал на середину риски под прямым углом. Расстояние от точ­
ки ввода до наружной риски составляло 300 мм, а до внутренней 330 мм. При этом на экране ЭЛТ измеряли амплитуды сигналов, соответствующих отражениям УЗК от рисок. Кроме того, определяли угол ос, при котором появлялись наиболее интенсивные сигналы от обеих ри­сок одновременно.

По результатам измерений установлена зависимость амплитуды отраженных от рисок сигналов от угла а

падения УЗК - Эта зависимость показана на рис. 61, из кото­рой видно, что оптимальными углами для данных условий являются 28—30° и 58—60°. Интересно отметить, что эти углы близки к первому и вто­рому критическим углам для данного материала.

Изображение на экране ЭЛТ оставалось устойчивым

А, мм 22 25 ЗО ЗЬ' 50 53 57 6165а9 Рис. 61. Зависимость амплитуды отра­женных сигналов (от рисок, нанесен­ных на наружной / и внутренней 2 поверхностях трубы) от угла а падения продольных волн

1 — труба; 2 — преобразователь; 3, 4 — риски; 5 — экран ЭЛТ; б— на­чальный сигнал; 3', 4' — сигналы, соответствующие отражению УЗК от рнсок

при приближении и удалении преобразователей от ри­сок. Это свидетельствовало о том, что в стенке трубы при данных углах распространялись комбинации УЗК с преобладанием нормальных волн. Значения полученных углов а близки значениям углов дисперсионных кривых (см. рис. 59), при которых возникают антисимметричные нормальные волны нулевой и первой группы (ао, йі). Не­которые расхождения объясняются, видимо, особеннос­тями ввода УЗК в изделие преобразователем с плоской контактной поверхностью, а также отличиями акустиче­ских характеристик прозвучиваемого объекта.

При других углах а амплитуда сигналов уменыца-1 лась. Кроме того, изображения на экране ЭЛТ станови­лись неустойчивыми. При перемещении преобразовате­ля по поверхности трубы сигналы возникали или только от наружной, или только от внутренней риски; иногда сигналы пропадали. Это объясняется тем, что при дру­гих углах а в стенке трубы возникали комбинации волн с преобладанием в основном сдвиговых волн.

Дальность распространения нормальных волн су­щественно больше, чем объемных волн (продольных и сдвиговых), потому что они, как и поверхностные волны, распространяются в двух измерениях и их амплитуда также убывает пропорционально 1 lV~L (L — расстояние от излучателя). Единственным условием, ограничиваю­щим применение нормальных волн, является постоянст­во толщины контролируемого изделия (листа, пластины,| стержня и т. д.).

С помощью нормальных волн контролируют листы и^ трубы толщиной 0,3—25 мм. Для контроля листов тол­щиной менее 1,5 мм применяют волны s0 и а0 [25, 26], а для контроля более толстых листов — волны Si, а [27] и т. д.

Изделия контролируют нормальными волнами как теневым, так и эхо-методом, в контактном и иммерсион­ном вариантах (с погружением объекта в ванну с жид­костью). В последнем случае продольные волны излу­чают в жидкость, из которой они падают на поверхность изделия под углом, обеспечивающим возбуждение в нем нормальных волн. В этой связи распространение нор­мальных волн в пластине или листе, погруженных в жид­кость, представляет большой интерес [28, 29]. Было ус­тановлено, что затухание нормальных волн разных но­меров из-за излучения в жидкость существенно зависит! от отношения горизонтальной компоненты поверхностно-! го смещения и к вертикальной v рассматриваемого но-| мера [30]. Те волны, в которых отношение u[v мало, за-| тухают с расстоянием очень быстро, а волны с большим! отношением затухают медленно и поэтому могут рас­пространяться в листе на большие расстояния. Было по-] казано, что для волн, распространяющихся с фазовой] скоростью Сф== У 2сСДВ) отношение u/v=0, а для волн,| распространяющихся со скоростью Сф=спр, отношение!

ц/у-э-оо.

Для того чтобы нормальные волны распространялись!

на большие расстояния в листах, погруженных в жид­кость, следует выбирать волны, фазовая скорость кото­рых равна скорости продольных волн.