Ультразвуковой контроль ближней подступной части оси колесной пары (стр. 2 из 5)

Фронт волны – граница, отделяющая колеблющейся частицы от частиц среды, еще не начинавших колебаться. В зависимости от вида поверхности фронта волны последнюю разделяют на плоскую – возбуждается колеблющейся плоскостью, которая должна быть бесконечной; сферическую – возбуждается точечным источником колебаний; цилиндрическую – возбуждается источником колебаний, представляющим собой длинный цилиндр малого диаметра, например нить.

Плоской волны не существует, так как для ее излучения требуется бесконечная плоскость и, следовательно, бесконечная мощность, что не возможно. Реальные источники создают сферические волны, но плоская волна удобна для анализа и моделирования процессов ультразвукового контроля. Если использовать точечный источник колебаний, то на большом расстоянии от него, по крайней мере, превышающем длину волны, сферическую волну в первом приближении можно считать плоской.

Колебательная скорость v движения частиц. Ее следует отличать от понятия скорости. С распространения волны. Если последняя характеризует скорость распространения возбуждения или определенного состояния среды (сжатия или положения «гребня»), то колебательная скорость характеризует скорость механического движения частиц в процессе их смещения относительно положения равновесия, т.е.

.

Важно понятие акустического импеданса

Z= ρC, (1)

Его называют еще удельным акустическим сопротивлением. Если сопротивление Z имеет большее значение, то среда называется «жесткой» (акустически твердой): колебательные скорости V и смещения ξ частиц малы даже при высоких давлениях. Если же импеданс Z невелик, то среда называется «мягкой» (податливой): даже при малых давлениях Р достигаются значительные колебательные скорости V и смещения ξ. Таким образом, давление в волне прямо пропорционально акустическому сопротивлению Z и колебательной скорости V движения частиц .

Интенсивность Iявляется энергетическим параметром волны. Она характеризует количество энергии, которое упругая волна несет в направлении своего распространения в единицу времени 1 с через поперечное сечение площадью 1 м² под углом θ к его нормали.

1.3 Затухание ультразвуковых волн

По мере удаления фронта ультразвуковой волны от источника ее амплитуда, давление и интенсивность падают и убывают по закону экспоненты, что обусловлено затуханием. Оно определяется физико-механическими характеристиками среды и типом волны и учитывается коэффициентом затухания δ, который складывается из коэффициентов поглощения δ_П и рассеяния δ_р, 1/м:

(2)

При рассеянии поток звуковой энергии остается звуковым, но уходит из направленно-распространяющегося пучка. Металлы, применяемые на практике, имеют зернистую структуру. Размеры зерен зависят от химического состава, вида механической и термической обработки деталей. Затухание волн в них обуславливается двумя факторами: рефракцией и рассеянием вследствие анизотропии механических свойств. В результате рефракции фронт волны отклоняется от прямолинейного направления распространения, и амплитуда принимаемых сигналов резко падает. Кроме того, волна, падающая на поверхность границы зерна, испытывает частичное отражение и преломление ультразвука и трансформацию, что и определяет механизм рассеяния. Рассеяние в отличие от фракции приводит не только к ослаблению сигнала, но и к образованию шумов. Явление рассеяния тем сильнее, чем больше средний размер зерна по сравнению с длиной ультразвуковой волны.

Явления поглощения и рассеяния ослабляют ультразвуковую волну тем сильнее, чем больший путь в среде она проходит.

1.4 Отражение, преломление и трансформация ультразвуковых

волн

Если на пути распространения ультрозвуковой волны встречается другая среда, то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая – отражается в первую среду.

На границе раздела происходят основные явления: отражение, преломление и трансформация волн. Преломление – это изменение направления распространения волны, а трансформация – преобразование (превращение) волны одного типа в другой. Переходы исходного состояния волны в другие связаны энергетическими соотношениями, определяемыми, главным образом, типом падающей волны, углом ее падения и соотношением удельных акустических сопротивлений обеих сред.

В общем случае, если волна падает на границу раздела двух твердых сред под углом β из первой среды во вторую, то в обеих средах возникают четыре волны (рисунок 3): в каждой по две волны продольного и поперечного типа.

Рисунок 3 - Падение ультразвуковой волны на границу раздела двух сред

Причем при облучении продольной «l» - волной образуются отраженные продольная «l₁» и поперечная «t₁», возникшая в результате явления трансформации, и две преломленные волны «l₂» и «t₂», из которых последняя трансформированная (рисунок 3,а). При облучении поперечной волной также образуются отраженные волны «l₁» и «t₁», но трансформированная волна уже продольная, и две преломленные – «l₂» и «t₂, где волна продольного типа «l₂» также трансформированная (рисунок 3,б).

Углы отражения β_e1, β_t1 и α_e1, α_t1 преломления (ввода) отсчитываются от нормали к границе раздела в точке падения (ввода), они связаны между собой и углом падения β через соответствующие скорости законом Снеллиуса (закон «синусов» в оптике» в оптике):

(3)

Здесь C_e1, C_t1 скорости продольной и поперечной волн в первой среде;

C_e2, C_t2 – то же, но во второй среде.

Из соотношения Снеллиуса следует: для волны одного типа угол отражения равен углу падения; угол отражения волны другого типа, чем падающая, а также углы преломления волн тем больше, чем выше скорость их распространения.

Частный случай - нормальное падение волны. Это наиболее простая ситуация, так как β=0 и, следовательно, α=0. Отсюда главная особенность – нет явления трансформации волн, отраженная и прошедшая волны будут того же типа, что и падающая.

1) β_e=0 – нормальное падение «1» - волны. Тогда

и

Данный случай сводится к частному, трансформация отсутствует, выражения для R и D совпадают.

2) Увеличиваем угол падения (Рисунок 6а) до тех пор, когда уже продольная волна не вводится во вторую среду, а «скользит» вдоль границы раздела, т.е. α_e=90⁰. При этом угол падения принимает значение β_e= β_kp1. Из (3) при α_e=90⁰ получаем, что sin β_kp1=C_e1/C_e2. Так C_e1/C_e2 1, то такой угол существует, если β_kp1=27,5⁰. Например, для пары «оргстекло-сталь» первый критический угол β_kp1=27,5⁰

3) Пусть в диапазоне β_e> β_kp1 растет β_e. Теперь (рисунок 6,б) во вторую среду вводится поперечная волна. При значении β_e= β_kp2 уже поперечная волна будет «скользить» вдоль границы двух сред. Из (3) очевидно, что sinβ_кр2=С_e1/C_t2, так как α_t=90⁰, это означает, что β_kp2

существует, когда C_t2C_e1. Например, для пары «оргстекло-сталь» второй критический угол существует и равен 54⁰. Заметим, что выполнение условия β_kp1<β< β_kp2 на практике используется как способ возбуждения поперечных волн. За вторым критическим углом во вторую среду уже ничто не вводится. Вдоль поверхности в этом случае распространяется неоднородная волна. Она самостоятельно не существует, в данном случае она «живет» за счет энергии падающей, является продольной, но на своем пути теряет энергию, переизлучая ее в поперечную (рисунок 4,б), и с глубиной быстро затухает.

а б в

Рисунок 4 - Отражение и преломление ультразвуковых волн при различных углах падения

1. Поперечная волна падает под углом β_t на границу раздела твердой и газообразной сред. Для любого твердого материала (первая среда) существует такой угол β_kp3, когда отраженная продольная волна будет «скользить» вдоль границы двух сред (рисунок 4,в). Тогда

, что возможно, так как всегда /. При углах, больших β_kp3, эта неоднородная волна существует, но энергию она отдает сразу. Для пары «сталь-воздух» третий критический угол β_kp3=34⁰.

Теперь можно проследить, как изменяются коэффициенты отражения R_tt и R_t1 и коэффициенты прозрачности D_llи D_lt, это иллюстрируется рисунке 5. На рисунке 5, а показана зависимость D_ll (β) и D_lt(β) для пары «оргстекло-сталь». В области малых углов β_l=(0-10⁰) в стали существует практически только продольная волна, что используется при ультразвуковом контроле КП. Далее, вплоть до первого критического угла

идет область одновременного существования волн двух типов. Эту область в дефектоскопии используют редко. В интервале между первым и вторым критическими углами существует только поперечная волна. Эту область наиболее часто используют в дефектоскопии КП для возбуждения в стали поперечных волн. За вторым критическим углом может быть возбуждена поверхностная волна.