Акустические Контрольные Системы
Приборы для неразрушающего контроля металлов, пластмасс, бетона. Разработка, производство, поставка.
(495) 800-74-62
Акустические Контрольные Системы
Приборы для неразрушающего контроля металлов, пластмасс, бетона. Разработка, производство, поставка.
(495) 800-74-62
Авторы: А.А. Самокрутов, В.Г. Шевалдыкин
Изложены условия экспериментального обнаружения слабого излучения поперечных ультразвуковых волн, исходящего от пучка продольных волн. Приведены результаты эксперимента, подтверждающие предположение о механизме возникновения этого излучения.
Хорошо известно, что головная волна, распространяясь по поверхности металла, излучает в его объём боковую поперечную волну под третьим критическим углом [1 - 3]. При измерении диаграммы направленности малоапертурного ультразвукового (УЗ) преобразователя поперечных волн, например, элемента антенной решётки этот эффект искажает его диаграмму в области углов, больших третьего критического на 2 – 7º. Амплитуда боковой волны в этом секторе углов даже превышает амплитуду основной поперечной волны, излучаемой исследуемым преобразователем. Причём время задержки боковой волны непрерывно уменьшается при увеличении угла наблюдения, начиная от третьего критического, сначала на доли микросекунды, а затем и на единицы микросекунд. В результате интерференции основной и боковой волн на диаграмме направленности образуется большой выброс примерно при углах от 35 до 40 градусов [4, 5].
Однако при снятии диаграммы направленности элемента ЭМА антенной решётки в области малых углов наблюдения, от нуля до 10 – 15º, был обнаружен некий слабый сигнал поперечной волны, интерферирующий с сигналом основной волны. Причём так же, как и при третьем критическом угле, этот сигнал опережал основной сигнал поперечной волны на изменяющееся от угла время от десятых долей микросекунды до 1,5 – 2 мкс [5]. Причину появления этого сигнала ничем нельзя было объяснить кроме как возбуждением поперечной волны продольной волной, которую побочно излучал испытуемый элемент решётки в направлении углов 60 – 70º. Это объяснение было вначале принято в качестве рабочей гипотезы.
Если поперечная волна могла генерироваться пучком продольной волны, то направление её распространения, отклонённое от оси этого пучка на угол, равный или близкий к третьему критическому, и должно было составлять малые углы с нормалью к поверхности, где располагался элемент решётки. Физически этот эффект мог быть вызван механизмом, аналогичным механизму генерации боковой поперечной волны головной волной.
Причина возникновения боковой волны от головной в том, что на поверхности полупространства вследствие продольных (горизонтальных) смещений частиц среды возникают вертикальные смещения. Их вызывают разряжения – сжатия среды в головной волне [3]. Пространственный период этих вертикальных смещений поверхности в направлении третьего критического угла образует пространственный период поперечных смещений боковой волны.
В пучке продольной волны разряжения – сжатия среды в продольном направлении вследствие эффекта Пуассона вызывают деформации среды в поперечном направлении. На оси пучка поперечные деформации каждого элементарного объёма среды почти полностью компенсируются такими же деформациями соседних элементарных объёмов, расположенных вблизи оси, см. рис. 1. Но на краях пучка такой компенсации нет, поскольку, чем дальше от оси, тем меньше акустическое давление. И нескомпенсированные поперечные деформации элементарных объёмов среды должны генерировать боковую поперечную волну так же, как это происходит в головной волне.
Рис. 1. Схема действия сил на элементарные объёмы среды в пучке продольной волны.
Экспериментальное подтверждение изложенной гипотезы было выполнено на полуцилиндрическом стальном образце радиусом 200 мм, используемом для снятия диаграмм направленности преобразователей. Схема эксперимента представлена на рис. 2.
На плоскую поверхность образца был установлен прямой пьезопреобразователь с рабочей частотой 2,5 МГц. На цилиндрическую поверхность установили малоапертурный ЭМА приёмник, способный принимать как продольные, так и поперечные волны. Место его установки выбрали на прямой, проходящий через центр цилиндрической поверхности под углом к плоской поверхности, немного превышающим третий критический, который для стали примерно равен 33º. Под таким углом (примерно 35º) обычно наблюдается максимум сигнала боковой волны.
Рис. 2. Схема хода лучей УЗ волн при обнаружении поперечной волны, возбуждённой пучком продольной волны. Цифрами обозначены пути, по которым проходят сигналы, изображённые на рис. 3.
При возбуждении пьезопреобразователя коротким импульсом на выходе ЭМА приёмника появлялась последовательность импульсов, пример которой изображён на рис. 3. Кроме импульса 1 – обычной наводки импульса возбуждения излучателя – в ней присутствовал импульс 2 продольной волны, прошедшей напрямую к ЭМА приёмнику, и ещё группа импульсов 3, 4, 5 почти вдвое дальше по времени.
Рис. 3. Осциллограмма сигналов на выходе ЭМА приёмника: 1 – наводка от импульса возбуждения; 2 – импульс продольной волны; 3 – колебания боковой волны; 4, 5 – импульсы поперечной волны от краёв апертуры ПЭП.
Импульсы 4 и 5 – это импульсы прямого прохождения поперечной волны к приёмнику от ближнего и дальнего края апертуры излучателя. Времена задержки сигналов продольной и поперечной волн точно соответствовали расчёту. Растянутый во времени импульс 3, по времени задержки соответствовал прохождению сигнала по ломаной траектории (см. рис. 2). Часть его траектории – путь пучка продольной волны, другая часть – путь поперечной волны под углом 35º относительно нормали к пучку. Большее количество колебаний в импульсе 3, чем в других импульсах можно объяснить тем, что боковые волны генерируются обоими краями пучка продольной волны. Поэтому на приёмник приходит сумма этих волн с некоторым временным сдвигом из-за разных путей распространения. Аналогичные осциллограммы получались при разных положениях излучающего пьезопреобразователя на образце. Во всех случаях расчётные времена задержки импульсов хорошо совпадали с измеренными значениями.
Следует обратить внимание на малую амплитуду колебаний импульса 3. Она мала даже в сравнении с амплитудами сигналов продольной и поперечной волн, которые сами минимум на 2 порядка меньше сигнала продольной волны на оси пучка. Это означает, что эффект генерации боковых поперечных волн пучком продольной волны очень слабый. Головная волна от точечного источника на поверхности твёрдого тела порождает значительно более сильную боковую волну.
Библиографический список
