Отражение и рассеяние ультразвука

 

Отражение ультразвука происходит на границе раздела сред с различными акустическими импедансами (комплексное сопротивление, которое вводится при рассмотрении колебаний акустических систем). Величина отражения ультразвука прямо пропорциональна разности акустических импедансов сред. Ультразвук отражается от обьектов, размеры которых составляют не менее 1/4 длины волны. Угол падения ультразвука равен углу отражения. Чем ближе угол падения к 90 градусам, тем больше величина отраженного ультразвука. От способности ткани к отражению зависит качество ее визуализации, в основном контрастность изображения. Коэффициент отражения (КО) определяется отношением акустических импедансов двух смежных сред ткани. В зависимости от соотношения длины волны зондирующего излучения и размеров объектов отражения различают три типа отражателей:

I) Одиночные отражатели, размеры которых меньше длины волны. Они отражают ультразвук в соответствии с рэлеевской теорией диффузного рассеяния во всех направлениях. Амплитуда сигналов, идущих от диффузных отражателей незначительная.

II) Отражатели, размеры которых соизмеримы с длиной волны. В этом случае растет амплитуда эхосигналов.

III) Зеркальные отражатели, размеры которых намного больше длины волны. В этом случае отражение становится направленным, а амплитуда эхосигналов еще более возрастает. В реальных биологических средах присутствуют обычно все три типа отражателей.

Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние звука, которое может существенно изменить простую картину распространения ультразвука и, в конечном счете, также вызвать затухание волны в первоначальном направлении распространения.
6. Акустические методы в неразрушающем контроле

Для акустического метода неразрушающего контроля применяют колебания ультразвукового и звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний обычно невелика, не превышает 1 кВт/м². Такие колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

Кроме упругости по объёму, в твёрдом теле существует упругость по форме, поэтому в теле могут распространяться волны двух типов: продольные и поперечные. Акустические волны в твёрдых телах характеризуются либо смещение, либо колебательными скоростями, либо тензорами деформации или напряжения.

Для контроля применяют разные типы (моды) волн, отличающиеся направлением колебаний частиц, скоростью распространения и другими признаками.

В объёме твёрдого тела, как уже было сказано выше, могут распространяться продольные и поперечные волны. В продольной волне колебательные скорости частиц среды совпадают с направлением распространения волны, в поперечной - перпендикулярны ему.

Известно много акустических методов неразрушающего контроля (рис.5), некоторые применяются в нескольких вариантах. Их делят на две большие группы - активные и пассивные методы.

Активные методы основаны на излучении и приёме упругих волн, пассивные - только на приёме волн, источником которых служит сам контролируемый объект.

Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот.

Методы прохождения (рис. 6) используют излучающие и приёмные преобразователи, расположенные по разные или по одну сторону контролируемого изделия. Применяют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект.

К методам прохождения относят:

1. амплитудный теневой метод;

2. временной теневой метод;

3. велосиметрический метод.

 

Рис. 6 - Методы прохождения: а - теневой; б - временной теневой; в – велосимметрический: 1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приёмник; 5 - усилитель; 6 - измеритель амплитуды; 7 - измеритель времени пробега; 8 - измеритель фазы

 

В методах отражения (рис. 7) используют как один, так и два преобразователя; применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии:

1. эхо-метод;

2. эхо-зеркальный метод;

3. дельта-метод;

4. дифракционно-временной метод;

5. ревербирационный метод.

Рис. 7 - Методы отражения: а - эхо; б - эхо-зеркальный; в - дельта-метод; г - дифракционно-временной; д – ревербереционный: 1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приёмник; 5 - усилитель; 6 - синхронизатор; 7 – индикатор

В комбинированных методах (рис. 8) используют принципы как прохождения, так и отражения акустических волн:

1. зеркально-теневой метод;

2. эхо-теневой метод;

3. эхо-сквозной метод.

 

Рис. 8 - Комбинированные методы, использующие прохождение и отражение: а - зеркально-теневой; б - эхо-теневой; в - эхо-сквозной: 2 - излучатель; 4 - приёмник; 3 - объект контроля

Методы собственных частот (рис. 9) основаны на измерении этих частот (или спектров) колебаний контролируемых объектов. Собственные частоты измеряют при возбуждении в изделиях как вынужденных, так и свободных колебаний. Свободные колебания обычно возбуждают механическим ударом, вынужденные - воздействием гармонической силы меняющейся частоты.

 

 

Рис. 9 - Методы собственных частот. Методы колебаний: вынужденных: а – интегральный, б – локальный; свободных: в – интегральный, г – локальный. 1 - генератор непрерывных колебаний меняющейся частоты; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приёмник; 5 - усилитель; 6 - индикатор резонанса; 7 - модулятор частоты; 8 - индикатор; 9 - спектроанализатор; 10 - ударный вибратор; 11 - блок обработки информации

 

Импедансные методы (рис. 10, а) используют зависимость импедансов изделий при их упругих колебаниях от параметров этих изделий и наличия в них дефектов. Пассивные акустические методы основаны на анализе упругих колебаний волн, возникающих в самом контролируемом объекте. Наиболее характерным пассивным методом является акустико-эмиссионный метод (рис. 10, б). Явление акустической эмиссии состоит в том, что упругие волны излучаются самим материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие трещин под влиянием внешней нагрузки, аллотропические превращения при нагреве или охлаждении, движение скоплений дислокаций, - наиболее характерные источники акустической эмиссии. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи принимают упругие волны и позволяют установить место их источника (дефекта).

 

Рис. 10 - Методы контроля: а - импедансный; б - акустико-эмиссионный: 1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приёмник; 5 - усилитель; 6 - блок обработки информации с индикатором

Пассивными акустическими методами являются вибрационно-диагностический и шумодиагностический. При первом анализируют параметры вибраций какой-либо отдельной детали или узла (ротора, подшипников, лопатки турбины) с помощью приёмников контактного типа, при втором - изучают спектр шумов работающего механизма, обычно с помощью мокрофонных приёмников.

По частотному признаку акустические методы делят на низкочастотные и высокочастотные. К первым относят колебания в звуковом и низкочастотном (до нескольких десятков кГц), ультразвуковом диапазоне частот. Ко вторым - колебания в высокочастотном ультразвуковом диапазоне частот: обычно от нескольких сот кГц до 20 МГц. Высокочастотные методы обычно называют ультразвуковыми.

Заключение

 

В ходе изложения материала было рассказано о достижении теории и практики в решении различных задач акустического контроля. Развитие акустических методов происходит по пути изыскания новых путей решения рассматривавшихся акустических задач, а именно, разработки, способов излучения и приема коротких импульсов с узкой диаграммой направленности при пониженном требовании к акустическому контакту, улучшении отношения сигнал - помеха при контроле материалов с крупнозернистой анизотропной структурой; достижения высокой разрешающей способности; разработки высокоинформативных способов оценки формы, размера дефектов; наглядного представления результатов контроля.

Другой подход к определению тенденций развития исходит из задач, вытекающих из требований промышленности. Здесь можно назвать требования по контролю новых материалов типа армированных пластиков, металлокерамики, созданию высокоэффективных способов контроля сварки давлением, измерения внутренних напряжений в изделиях, гарантированного прогнозирования безопасности работы объектов и ряд других.

Для решения перечисленных проблем находят новые методы и способы контроля, предлагают новые пьезоматериалы, расширяют освоенный частотный диапазон, разрабатывают новую аппаратуру с повышенной чувствительностью и эффективными средствами представления информации, ведут исследования по излучению, распространению, дифракции волн, способам обработки результатов контроля.

Литература

 

1. Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред. - М.: Наука, 1989. - 416 с.

2. Викторов И.А. Ультразвуковые поверхностные волны в твердых телах. - М.: Наука, 1981. - 288 с.

3. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение, 1981. - 240 с.

4. Иванов В.И., Белов В.М. Акустикоэмиссионный контроль сварки и сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1981. - 284 с.

5. Ланге Ю.В. Акустические низкочастотные методы неразрушающего контроля многослойных конструкций. - М.: Машиностроение, 1991.

6. Методы акустического контроля металлов / Под ред. Н.П. Алешина. - М.: Машиностроение, 1989. - 456 с.

7. Потапов А.И. Контроль качества и прогнозирование надежности конструкций из композитных материалов. - Л.: Машиностроение, 1980.- 261 с.

8. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2 кн. / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1986. Кн. 2. - 352 с.

9. Скучик Е. Основы акустики. В 2 т. - М.: Мир, 1976. Т. 2. -546 с.

10. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. А.П. Галяминой. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.

11. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля / Под ред. И.Н. Ермолова. - М.: Машиностроение, 1986. - 280 с.

12. Физическая акустика. В 4 т. Под ред. У. Мэзона. Т. 1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Ч.А. - М.: Мир, 1966. - 592 с.

13. Чебанов В.Е. Лазерный ультразвуковой контроль материалов. - Л.: Из-дат. Ленинградского университета, 1986. - 232 с.

14. Шрайбер Д.С. Ультразвуковая дефектоскопия. - М.: Металлургия, 1965. - 392 с.

Приложение

1. Свойство тел восстанавливать свои форму и объем после прекращения действия внешних сил – это…

а) упругость

б) ползучесть

в) твердость

2. Колебания механической системы, упругой среды или ее части, возникающие под действием механического возмущения – это…

а) механические колебания

б) упругие колебания

в) циклические колебания

3. Слышимый диапазон звука

а) ниже 20 Гц

б) выше 10⁹ Гц

в) 20-20*10³ Гц

4. Волны с частотой колебания 20*10³ … 1*10⁹ Гц

а) гиперзвук

в) инфразвук

в) ультразвук

5. Волну u_l называют … волной или волной расширения-сжатия, потому что направление колебаний в волне совпадает с направлением ее распространения.

а) продольной

б) поперечной

в) рэлеевской

6. Волну u_t называют … или волной сдвига.

а) продольной

б) поперечной

в) рэлеевской

7. Поверхностную волну применяют для выявления дефектов …

а) вблизи поверхности изделия

б) в глубине изделия

в) рядом с изделием

8. Основной метод излучения ультразвука …

а) преобразование механических колебаний в электрические

б) преобразование электрических колебаний в световые

в) преобразование электрических колебаний в механические

9. Для приема ультразвука широко применяется

а) светоэффект

б) пьезоэффект

в) мультиэффект

10. Ультразвуковые волны распространяются только в … среде

а) материальной

б) нематериальной

в) интерактивной

11. Ультразвук в газах распространяется …

а) без затухания

б) с меньшим затуханием

в) с большим затуханием

12. Отражение ультразвука происходит на границе с … акустическими импендансами

а) одинаковыми

б) различными

в) любыми

13. Для акустического метода неразрушающего контроля применяют колебания ультразвукового и звукового диапазонов частотой …

а) 50 Гц – 50 МГц

б) 10 Гц – 10 МГц

в) 100 Гц – 100 МГц

14. В теле могут распространяться волны:

а) диагональные и поперечные

б) угловые и продольные

в) продольные и поперечные

15. Излучающие и приемные преобразователи, расположенные по разные или одну сторону контролируемого изделия, используют …

а) методы отражения

б) методы прохождения

в) методы собственных частот

16. К методам прохождения относят:

а) амплитудный теневой метод

б) временной теневой метод

в) велосиметрический метод

г) все вышеперечисленные

17. Применяют импульсное излучение, используют как один, так и два преобразователя, в …

а) методах отражения

б) методах прохождения

в) методах собственных частот

18. Принципы, как прохождения, так и отражения акустических волн, используют в…

а) комбинированных методах

б) методах прохождения

в) методах собственных частот

19.Пассивнями акустическими методами являются:

а) методы отражения и собственных частот

б) методы прохождения и отражения

в) вибрационно-диагностический и шумодиагностический

20. Изменение направления распространения звуковой волны при ее прохождении через границу раздела двух сред – это…

а) отражение

б) преломление

в) затухание

21. Явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в ту же среду, из которой пришла падающая волна – это …

а) отражение

б) преломление

в) затухание

22. Изменение направления распространения звука в неоднородной среде (атмосфера, океан, толща земли), скорость звука в которой является функцией координат – это …

а) отражение

б) преломление

в) рефракция

23. Можно определить форму дефекта, исследуя параметры …

а) преломленной волны

б) отраженной волны

в) падающей волны

24. В основе акустических методов контроля качества цементации массивных сооружений (плотин и т.п.) и степени уплотнения грунтов под собственным весом и при внешних нагрузках лежит ...

а) отражение

б) преломление

в) рефракция

25. Когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия, имеет место …

а) рефракция

б) дифракция

в) интерференция

1.а, 2.б, 3.в, 4.в, 5.а, 6.б, 7.а, 8.в, 9.б, 10.а, 11.в, 12.б, 13.а, 14.в, 15.б, 16.г, 17.а, 18.а, 19.в, 20.б, 21.а, 22.в, 23.б, 24.в, 25.в.