Физические основы акустического контроля

Акустический контроль основывается на анализе параметров упругой волны, что взаимодействует с материалом контролируемого объекта. Упругую волну вызывают или она появляется при деформации изделия, а потом регистрируют (после ее взаимодействия с изделием) с помощью пьезокристалов.

При распространении упругих волн на границе двух сред наблюдаются отражения, заломления и дифракции. Каждое с этих явлений зависит от свойств и размеров сред и длины волны колебательного движения. Если длина волны имела сравнительно с шириной границы раздела сред, то на основе зонной теории Френеля законы распространения и отбивание колебательных движений можно считать методом геометрии. Процесс распространения колебаний в среде называют волновым, а линию, что показывает направление распространения волны, - лучом.

Распространение упругой волны сопровождается появлением зон, в которых частички находятся в одном и том же колебательном состоянии. Минимальное расстояние между двумя такими зонами, которые находятся в одном режиме движения или в одной фазе, называют длиной волны. Совокупность частичек, которые характеризуются одной и той самой фазой колебаний, образовывает поверхность, или фронт, волны. Скорость распространения волн определяется физико-механическими характерами материала, поэтому изменить длину упругой волны в любом материале можно лишь за счет изменения частоты возбужденных колебаний.

В зависимости от вида поверхности (фронта) волн их делят на плоские (не расходящиеся), сферические и цилиндрические (расходящиеся). Если внешняя сила, которая приложена к неограниченной среде, изменяется гармонично, то волну, которую она возбуждает, называют гармоничной, или синусоидальной.

Интенсивность колебаний, которые используют при исследовании материала, не превышает 1 кВт/см². Колебания происходят в областях упругих деформаций материала, где напряжение и деформации являются пропорционально зависимыми (область линейной акустики).

Для неразрушающего контроля используют колебание частотой от 50 Гц до 50 МГц. При использовании упругих волн ультразвукового диапазона частот (свыше 20 кГц) употребляют термин "ультразвуковой контроль" вместо термина "акустический".

В твердом теле кроме упругости формы существует упругость объема, поэтому в материале могут распространяться волны двух типов: продольные и поперечные. Акустические волны в материале характеризуются или смещением, или колебательными скоростями, или тензорами деформации или напряжение. Упругие смещения U в твердом теле состоят из упругих смещений продольных U_l и поперечных U_t волн: U = U_l + U_t. В продольной волне (волна сжатия) частички колеблются в направлении распространения волн, а в поперечной (сдвижной) - перпендикулярно к ним. Продольные волны можно вызвать в любой среде, а поперечные - лишь в твердых.

При неразрушающем контроле акустические волны вызвать и принимают путем преобразования электрических колебаний на упругие и наоборот. Для этого используют специальные устройства - электроакустические преобразователи. Если преобразователь предназначен для излучения волн, его называют излучателем, а если для приема - приемником. Если излучатель и приемник отделены, то схему контроля называют раздельной. Если раздельные излучатель и приемник объединены конструктивно в одном блоке, то преобразователь называют раздельно-совмещенным.

Преобразователь имеет чувствительный элемент, который колеблется под действием электрического поля. Как чувствительный элемент зачастую используют пьезоэлектрическую пластинку различной толщины. Такие преобразователи называют пьезоэлектрическими. Для передачи колебаний от преобразователя с чувствительным элементом к объекту контроля (ОК) используют различные способы акустического контроля.

Пространство между преобразователем и ОК заполняют жидкостью. Если пласт жидкости меньший от половины длины акустической волны, то речь идет о контактном способе, а если превышает несколько длин волн - о иммерсионном.

Для получения информации обо всём ОК преобразователь перемещают по его поверхности. Этот процесс называют сканированием (от англ. scan- рассматривание). Поверхность ОК, через которую вводят акустические волны, называют поверхностью введения.