В основе методов ультразвукового неразрушающего контроля лежит исследование процесса распространения ультразвуковых колебаний с частотой 0,5—25,0 МГц в контролируемых объектах. Пространство, в котором распространяются ультразвуковые колебания, называют ультразвуковым (акустическим) полем. Поскольку ультразвуковые поля могут создаваться в любых средах и материалах, методы ультразвукового контроля являются практически универсальными. Их применяют для контроля деталей, изготовленных из металлов, пластмассы, стекла, резины, железобетона и др. Контроль с использованием ультразвука имеет высокую чувствительность и производительность. Он выявляет объемные, линейные и точечные дефекты — - нарушении сплошности, зоны поверхностного растрескивания, межкристаллитной коррозии, неоднородность структуры и т. д.
Ультразвуковыми методами можно измерять толщины стенок деталей при одностороннем доступе к ним.
Ультразвуковые методы применяют для контроля качества сварных соединений. Выявляются трещины, непровары, поры, неметаллические и металлические включения.
Преимущество ультразвуковых методов — возможность выявления дефектов в разных зонах детали — на поверхности, вблизи от поверхности, в глубине, причем успешно выявляются дефекты типа раковин в толще металла или бетона, не имеющие выхода наружу. Ультразвуковому контролю можно подвергать и крупногабаритные детали, так как глубина проникновения ультразвука в металл может достигать 8—10 метров. С помощью ультразвука контролируют крупногабаритные отливки, поковки, штамповки. Ультразвуковые методы неразрушающего контроля широко используют в лабораторных, производственных и полевых условиях. Автоматизация процесса контроля в ряде технологических процессов повысила производительность труда и создала возможность применения методов ультразвукового неразрушающего контроля в поточном производстве.
Прежде чем приступить к рассмотрению наиболее применяемых методов ультразвукового контроля, познакомимся с некоторыми свойствами ультразвуковых волн, связанных с их распространением, отражением и преломлением, чтобы лучше понять суть процесса контроля. Если источник ультразвуковых колебаний точечный, то колебания распространяются во всех направлениях в виде сферических волн, примерно таких же, которые возникают на поверхности воды от брошенного в нее камня. Сферические волны при ультразвуковом контроле не применяются. В качестве генераторов ультразвуковых колебаний применяются преобразователи, излучающие продольные волны, поэтому если ввод ультразвуковых колебаний производится по нормали к поверхности контролируемого объекта, то в нем распространяются продольные волны. Если диаметр дискового пьезоэлектрического преобразователя существенно больше длины волны излучаемых им ультразвуковых колебаний, то они распространяются в виде узких, направленных, незначительно расходящихся пучков (лучей), которые по аналогии со световыми называют ультразвуковыми лучами. Именно такая картина имеет место при ультразвуковом контроле. Диаметры преобразователей можно представить себе соразмерными монеткам достоинством 1—5 копеек, а длины волн ультразвука, из числа применяемых в технике, редко превышают 0,5 мм. Ультразвуковые лучи так же, как и световые, могут отражаться, преломляться, фокусироваться.
Эти свойства ультразвуковых колебаний, а также то, что они почти полностью отражаются от границы раздела двух сред, отличающихся одна от другой величиной акустического сопротивления, используют для выявления дефектов типа несплошностей и включений других материалов. Чем больше различие в акустическом сопротивлении, тем большая часть энергии отразится и меньшая преломится. Кстати, акустическим сопротивлением среды называется произведение скорости звука в данной среде на ее плотность.
Если диаметр плоского преобразователя существенно больше длины волны, вблизи от него создается волновое поле, имеющее форму цилиндра, ограниченного площадью преобразователя. На некотором расстоянии от преобразователя продольная волна распространяется без расхождения в стороны. Это расстояние, имеющее определяющее значение для ультразвукового контроля, определяют по формуле, где R — радиус дискового преобразователя; К — длина продольной волны; — частота ультразвуковых колебаний; с — скорость ультразвуковых колебаний в среде распространения
При дальнейшем распространении волны она постепенно расходится и получает форму усеченного конуса с углом 2<р. при вершине. При дисковом преобразователе расхождение волны зависит от отношения ее длины к радиусу R преобразователя. При диаметре преобразователя D= 12 мм и частоте колебаний 1=2,4 МГц протяженность I ближней (цилиндрической) зоны составляет в стали около 15 мм, в оргстекле — до 35 мм, а угол расхождения.
При падении ультразвуковых продольных волн на границу раздела двух твердых сред с различным акустическим сопротивлением одна часть их отражается обратно в первую среду, другая часть проходит во вторую. Если ультразвуковые волны падают на границу двух сред перпендикулярно, то и отраженные и прошедшие во вторую среду волны также будут перпендикулярны к границе раздела двух сред. И при этом они будут такого же типа, как падающие волны. Доля отраженной энергии будет тем больше, чем больше отличаются акустические сопротивления сред. Отражение зависит также от соотношения длины волны и толщины слоя, от которого происходит отражение.
Источником колебаний в ультразвуковых дефектоскопах служат полупроводниковые электрические генераторы переменного тока. Получаемые в них электрические колебания преобразуются в ультразвуковые с помощью специального преобразователя, основанного на пьезоэлектрическом эффекте.
Пьезоэффектом обладают кристаллы кварца, турмалина, сегнетовой соли и др. Кроме естественных кристаллических минералов, пьезоэффектом обладают и используются в ультразвуковых преобразователях синтетические кристаллы титаната бария, свинца и др. Из этих материалов выполняют пьезоэлементы преобразователей.
Преобразователи ультразвуковых колебаний работают в основном на собственной частоте пьезоэлемента или на его первой субгармонике, т. е. на частоте, в 2 раза меньшей частоты собственных колебаний.
