Национальный исследовательский Томский политехнический университет
______________________________________________________________
Солдатов А.И., Игнатовский В.В., Дьякина М.Е.
МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
Методические указания к лабораторной работе
по дисциплине "Электронные промышленные устройства"
Томск - 2012
Цель работы
Целью данной работы является изучение такого метода неразрушающего контроля, как ультразвуковая дефектоскопия. В результате лабораторной работы студент должен получить сведения об основах ультразвука и ультразвуковой дефектоскопии, о возможных способах измерений, познакомиться с реальным дефектоскопом и провести с помощью него измерения.
Приборы и оборудование
В лабораторной работе используются следующие приборы и оборудование:
· Дефектоскоп ультразвуковой УД2-140;
· Датчик П111 для дефектоскопа УД2-140;
· Штангенциркуль;
· Проводящий гель для ультразвуковых измерений.
Теоретическая часть
Физические основы ультразвука
Колебание - движение вокруг некоторого среднего положения, обладающее повторяемостью, например колебание маятника. В акустике обычно рассматривают колебания точки среды относительно положения, в котором точка находилась в покое.
Волны - колебательные движения, распространяющиеся в пространстве: колебания одной точки передаются соседней и т.д.
В природе существуют две основные формы волновых процессов – электромагнитные и упругие волны. Основное отличие этих двух форм заключается в том, что для распространения электромагнитных волн наличие упругих связей частиц вещества не является необходимым, в то время как распространение упругих колебаний определяется именно упругими свойствами среды.
Упругость - свойство точек среды возвращаться к первоначальному состоянию после прекращения воздействия силы.
Звуковые волны принято разделять на следующие диапазоны частот:
1. инфразвук – 16 Гц;
2. слышимый звук - 16-18000 Гц;
3. ультразвук – 18 000 – 1010 Гц;
4. гиперзвук – свыше 1010 Гц.
Колебания, возбужденные в какой-либо точке материальной среды, распространяются в этой среде в виде упругих волн, представляющих собой периодически чередующиеся области сжатия и разряжения (рис. 1). Скорость распространения упругой волны определяется свойствами среды, в которой она распространяется. Распространение упругих волн происходит согласно основным законам акустики.
Рис. 1. Волны продольная (а) и поперечная (в) и волновой процесс (б)
Упругие волны могут распространяться в любых агрегатных состояниях вещества, но вид волны зависит от упругих свойств среды и ее размеров. В газах и жидкостях распространяются продольные волны, в твердых телах - продольные, поперечные, поверхностные.
Отражение и преломление звуковых волн на границе двух сред
Законы отражения и преломления ультразвуковых волн аналогичны законам геометрической оптики.
Если продольная волна, распространяющаяся в некоторой среде I, встречает на своем пути среду II с другими акустическими свойствами, то часть энергии отражается от границы сред, а оставшаяся часть входит в новую среду. При этом отраженные волны распространяются от границы раздела в первой среде, а прошедшие – во второй.
Пусть плоска упругая продольная волна, распространяясь со скоростью c1 в однородной среде с плотностью ρ1, доходит до границы со второй средой с плотностью ρ2 и скоростью распространения волны в ней c2. Угол α – угол, образованный лучом и нормалью к поверхности в точке падения луча.
Рис.2. Схема отражения и прохождения упругих волн на плоской границе двух сред при перпендикулярном (а) и наклонном (б-г) падении лучей
П - пьезоэлемент; I – первая среда; II – вторая среда
Если упругая волна падает перпендикулярно на плоскую границу раздела двух сред (α=0), то часть ее энергии переходит во вторую среду, а часть отражается в первую, причем проходящая и отраженные волны будут того же вида, что и волна падающая, и направлены также перпендикулярно к границе раздела (рис.2,а). Распределение энергии между отраженной и прошедшей волнами определяется коэффициентами отражения и прохождения.
Коэффициентом отражения R называется отношение интенсивностей отраженной и падающей волны. Для рассматриваемого случая:
где 
и 
– удельные акустические сопротивления I и II сред.
Коэффициентом прохождения D называется отношение интенсивностей прошедшей и падающей волн.
Если продольная упругая волна L падает на границу раздела твердых сред под углом, отличным от прямого, то отраженная и прошедшая волны преломляются и трансформируются на продольные L’ L” и сдвиговые S’ S” волны, распространяющиеся в первой и второй средах под различными углами (рис. 2,б).
В этом случае угол α между падающим лучом LO и перпендикуляром MN к поверхности раздела в точке О называется углом падения; углы β’ и γ’ – углами отражения; углы β и γ – углами преломления (или углами ввода соответственно продольной и сдвиговой волн).
Законы отражения и преломления упругих волн по аналогии с законами геометрической оптики формулируются так:
1. Отраженные и преломленные лучи лежат в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности раздела сред, проведенной в точке падения.
2. Угол отражения продольной волны равен углу падения.
3. Для всех волн отношения синуса угла падения к скорости волны будет постоянной величиной
При увеличении угла падения продольной волны L углы β и γ также увеличиваются и при некотором значении α = α кр1 (первый критический угол) преломленные продольные волны распространяются по поверхности, не проникая в глубь среды II (рис. 2,в). При дальнейшем увеличении угла падения до α кр2 (второй критический угол) по поверхности распространяются преломленные сдвиговые волны (рис. 2,г).
