Сеть профессиональных контактов специалистов сварки.
             

Отражение ультразвука

Темы: Контроль качества сварки, Ультразвуковой контроль.

(Продолжение темы Свойства ультразвука).

Коэффициент отражения по давлению Rp - отношение давления в отраженной волне к давлению в падающей волне. При падении волны пo нормали.

(1)

где z1 и z2 - акустические сопротивления.

Коэффициентом прохождения по давлению Dp называют отношение давления в прошедшей волне к давлению в падающей волне:

(2)

В качестве при мера рассмотрим падение плоской продольной волны на границу сталь вода:

Rp = (0,15 - 4,6) / (0,15 + 4,6) = -0,937;

Dp = 2 • 0,15 / (0,15 + 4.6) = 0,063.

Если перевести в проценты, то давление в отраженной волне составляет 93,7 %, а в прошедшей 6,3 % давления в падающей волне. Знак «-» означает, что фаза отраженной волны меняется на противоположную по отношению к фазе падающей волны (рис. 1, а).

Если волна падает из воды, то в формулах меняются местами z1 и z2, поэтому оказывается Rp = +0,937, Dp = 1,937. Так как Rp положительно, падающая и отраженная волны имеют одинаковые фазы. Давление в прошедшей волне почти в 2 раза больше, чем в падающей (см. рис. 1 б).

Коэффициент отражения ультразвука по интенсивности - отношение интенсивностей отраженной и падающей волн. При падении волны пo нормали

(3)

Коэффициент прохождения по интенсивности - это отношение интенсивностей прошедшей и падающей волн. Его нельзя получить возведением в квадрат коэффициента прохождения по давлению. По закону сохранения энергии

D = 1- R (4)

отражение ультразвука

Pиc. 1. Величина звукового давления при отражении на границе сталь - вода. Падающая волна: а - в стали; б - в воде.

Из формулы (3) видно, что чем больше отличаются акустические сопротивления сред, тем большая часть энергии звуковой волны отразится от границы раздела двух сред. Этим условием определяются и возможность, и эффективность выявления нарушений сплошности материала (включений среды с акустическим сопротивлением, отличающимся от сопротивления контролируемого материала).

Ниже приведены коэффициенты отражения по интенсивности R (в %) продольной волны на границе между сталью и некоторыми средами, заполняющими полости дефектов сварки.

Коэффициенты отражения границы стали с другими материалами : Газ - 100,0, Вода - 88,00, Трансформаторное масло - 90,00, Медь - 0,26, Кварц - 31,00, Шлак АН-348 - 16,00.

 
Отсюда видно, что шлаковые включения будут выявляться гораздо хуже дефектов таких же размеров, но с воздушным заполнением.

Приведенные значения справедливы для несплошностей, размеры которых намного больше длины волны. Если же размеры несплошности в направлении, перпендикулярном к ультразвуковому лучу, значительно меньше длины волны, то волны огибают несплошность без существенного отражения. Для получения заметного отражения достаточно, чтобы размеры ее были соизмеримы с длиной волны.

При малой толщине несплошности доля отраженной от нее энергии определяется также величиной раскрытия в направлении распространения волны. Так, если в среде с акустическим сопротивлением z1 имеется тонкий слой включения из материала с акустическим сопротивлением z2, то коэффициент отражения по интенсивности при нормальном падении звуковой волны.

(5)

где δ - толщина слоя; λ2 - длина волны в слое.

Из приведенного выражения видно, что, если δ → λ2 / 2 , то ctg2 2πδ / λ2 → ∞ и R → 0. В тех случаях, когда δ → λ2 /4, ctg2 2πδ / λ2 → 0.

Если в металле имеется шлаковое включение, то, подставив соответствующие значения в формулу (5), получим, что в зависимости от его толщины коэффициент отражения от него ультразвуковых колебаний 0 < R < 0,47. Иными словами, при определенной толщине шлаковое включение может быть звукопрозрачным, т.е. не отражающим ультразвуковые волны.

 
В процессе термической обработки или под влиянием других деформаций шлак разрушается и постепенно отделяется от поврежденного металла (рис. 2). И как следствие этого - отражение ультразвука от границы сталь - газ. Коэффициент отражения ультразвуковой волны при этом резко возрастает, достигая единицы. Оценка эквивалентного размера дефекта по этой причине также увеличивается, в то время как его реальный размер остается неизменным.

Таким образом, отражение ультразвука от тонкого слоя зависит от отношения длины волны к толщине слоя и тем эффективнее, чем больше различие акустических сопротивлений слоя и окружающей среды. Расчет по формуле (5) показывает, что трещина в стали, заполненная воздухом и имеющая раскрытие всего в 1 мкм, должна отражать 90 % энергии падающих на нее ультразвуковых волн частотой 2,5 МГц. Если же трещина заполнена минеральным маслом, то для отражения той же части энергии необходимо, чтобы раскрытие трещины было ≥0,01 мм.

Pиc. 2. Отражение ультразвука от шлакового включения: а - шлак имеет плотное сцепление с металлом; б - по границе металл - шлак образовалась газовая прослойка; 1 - зондируюший эхоимпульс; 2 - эхоимпульс от несплошности; 3 - донный эхоимпульс.

Практически заметное уменьшение коэффициента отражения от слоя воздуха в стали начинается при δ≈10-4 мм.

При наклонном падении коэффициенты отражения и прозрачности зависят как от соотношения акустических сопротивлений граничащих сред, так и от угла падения. На рис. 16.72 показана зависимость коэффициентов прозрачности по энергии при падении продольной волны из оргстекла на сталь (толщина контактного слоя масла близка к нулю).

Другие материалы относящиеся к темам "

Отражение ультразвука

" :

Copyright. При любом цитировании материалов Cайта, включая сообщения из форумов, прямая активная ссылка на портал weldzone.info обязательна.

.