Файл: Неразрушающие методы контроля металлов на тепловых электростанциях..pdf

ставляющих собой границы раздела двух сред с различ­ ными акустическими свойствами. Как известно, ультра­ звуковые волны — это упругие колебания среды, часто­

та которых превышает 20 кгц.

Как всякое колебательное движение, ультразвуковые волны характеризуются частотой, скоростью распростра-

а)

тота ультразвука.

При распространении ультразвуковых колебаний име­

ют место явления дифракции, интерференции, ревербе­

рации, преломления и отражения, характерные для всех

волновых движений.

Ультразвуковые волны могут быть продольными, по­

перечными, поверхностными в зависимости от направле­ ния колебания частиц среды по отношению к направле­

нию движения волны (рис. 52). В металлах возбуждают­

ся все типы волн, в газах и жидкостях — только про­ дольные.

Скорость распространения ультразвуковой волны за­ висит от типа волны, плотности и упругих свойств сре-

110'

1

ды. В табл. 10 приведены скорости распространения

ультразвуковых волн в некоторых материалах.

Если ультразвуковая волна направлена перпендику­

лярно к поверхности раздела двух твердых тел, то отра­

женная и проходящая волны будут такого же типа, как и падающая, если же наклонно, то на границе раздела возникают две преломленные волны — продольная и по­

перечная, от границы раздела отражаются также две

волны—продольная и поперечная (рис. 53).

Для падающей и отраженной однотипных волн со­

блюдается закон — угол падения равен углу отражения. Если скорость распространения волн в одной среде мень­ ше скорости распространения их в другой среде, то при увеличении угла падения наступает такой момент, когда продольная волна после преломления уже не передается

во вторую среду, а начинает скользить вдоль поверхно­

сти; соответствующий угол падения называется первым критическим утлом. При дальнейшем увеличении угла

падения наступает момент, когда угол преломления по­ перечной волны достигает 90°. Этот угол падения назы­ вается вторым критическим углом. Если угол падения

превышает второй критический, то ультразвуковые вол­

ны во вторую среду не передаются совершенно. Величи­ ны критических углов зависят от соотношения скоростей

волны в первой и второй средах. Зная скорости волн в

средах, эти углы можно вычислить из соотношения

Ill

(отраженные волньґусловно не показаны).

отношения (38) для определения критических углов по­

лучаются следующие выражения:

sina',

112

будет меньше 29°, то в стали будут одновременно рас­

распространяется поверхностная волна, а если угол па­

дения превышает 61°, то во вторую среду (сталь) волны

не попадают совершенно.

При ультразвуковой дефектоскопии важными харак­ теристиками сред, в которых распространяются ультра­ звуковые колебания, является их акустическое сопротив­

теризующие прозрачность границы раздела для ультра­

звука, зависят от отношения акустических сопротивле­

ний сред, образующих границу раздела. Коэффициенты

отражения и проницаемости не зависят от частоты ульт­

развука только в тех случаях, когда площадка раздела

двух сред (несплошность или другое препятствие) вели­ ка по сравнению с длиной падающей волны. Если раз­

меры площадки раздела двух сред (препятствия) срав­

нимы с длиной ультразвуковой волны, то возникает яв­ ление огибания волной препятствия — дифракция. Диф- ~ ракцию ультразвуковых волн необходимо учитывать в ультразвуковой дефектоскопии, так как она наклады­

вает определенные ограничения на чувствительность ме­

тода. `

Ультразвуковые колебания, распространяясь в среде,

теряют часть своей энергии на возбуждение волнового процесса—происходит поглощение энергии колебаний.

Эффект поглощения ультразвуковых колебаний накла­

дывает ограничения на выбор частоты колебаний и тол-

`щины изделия, подвергаемого дефектоскопии, так как поглощение возрастает с увеличением частоты колеба­ ний и толщины изделия. Поэтому для дефектоскопии ме­ таллов с увеличением толщины изделий необходимо при­

менять ультразвуковые колебания более низких частот. C другой стороны, уменьшение частоты колебаний (уве­ личение длины ,волны) приводит к снижению чувстви­ тельности метода ультразвуковой дефектоскопии вслед­ ствие явления дифракции.

При распространении ультразвука в крупнозернистом

или неоднородном металле возникает явление ревербе­

рации, т. е. многократное отражение колебаний на гра­ ницах зерен или неоднородностей, рассеяние и поглоще­

ние их в металле. Увеличение неоднородностей и зерен

до размеров, близких длине ультразвуковой волны, при­

водит к резкому увеличению потерь ультразвуковой

энергии в материале.

Длины волн ультразвуковых колебаний в стали при­ ведены в табл. 11.

Если две ультразвуковые волны встречаются в одной точке пространства, то возникает явление интерферен­ ции, т. е. взаимное усиление или ослабление интенсивно­

сти колебаний. Частным случаем интерференции являет­

ся образование стоячей волны, которая возникает при

наложении двух одинаковых волн (одинаковые частоты

и направление колебаний), сдвинутых по фазе на поло­

вину длины волны и распространяющихся навстречу друг другу (прямая и отраженная волна). Это явление

положено в основу ультразвуковых резонансных дефек­

тоскопов— толщиномеров.

В ультразвуковой дефектоскопии для получения уль­ тразвуковых колебаний используют пьезоэлектрический

эффект кристаллов кварца, титаната бария и пьезоэлек­ трических материалов группы ЦТС (цирконата — тита­

ната свинца). Сущность пьезоэффекта состоит в следу­

ющем. На поверхностях пластин из кристаллов кварца,

титаната бария, ЦТС и других при их растяжении или

сжатии происходит образование электрических зарядов

(прямой пьезоэффект) и наоборот под действием пере­ менного электрического напряжения в пьезоэлектриче­

ской пластинке возникают колебания (периодические

114