Рис.4.3. Диаграмма направленности поля излучения круглого излучателя в полярных (а) и в декартовых (б) координатах

Диаграмма направленности при r > 3N для круглого излучателя определяется формулой

где

I1 (х) – функция Бесселя, значение которой берется из таблиц. Угол раскрытия основного лепестка диаграммы

В практике УЗ контроля иногда определяют угол раскрытия основного лепестка на уровнях, отличающихся от нулевого. На уровне 20 дБ (или уровень 0,1 от максимума)

На уровне 6 дБ (или уровень 0,5 от максимума)

На уровне 3 дБ (или уровень 0,7 от максимума)

4.3. Электромагнито-акустическое преобразование

Электромагнитно-акустические методы (ЭМА) возбуждение и прием УЗ-колебаний основаны на явлениях электродинамического взаимодействия и магнитострикции.

Электромагнито-акустическое преобразование (эффект Лоренца)

Рис.4.4. Схема ЭМА возбуждения поперечных (а) и продольных (б) волн: 1 – катушка преобразователя, 2 – контролируемое изделие, 3 – электромагнит.

При пропускании через катушку (1) переменного высокочастотного тока (Jв) в результате в поверхностном слое наводится переменный по направлению вихревой ток. В результате взаимодействия переменного вихревого тока и поля постоянного магнита частицы металла, по которым течет вихревой ток, будут совершать колебательное движение в плоскости параллельной плоскости объекта, возбуждая поперечную волну, распространяющуюся перпендикулярно этой плоскости. При достижении поперечной волной поверхности объекта колебательное движение частиц, в магнитном поле приведет к возникновению вихревых токов. Колебательное движение частиц в магнитном поле приводит к возникновению вихревых токов. Электромагнитное поле этих токов, пересекая катушку преобразователя, будут наводить в ней переменную ЭДС. В зависимости от формы катушки и источника магнитного поля можно возбуждать в изделии различные типы волн: Лэмба, Релея. Наиболее эффективно возбуждение упругих волн с помощью ЭМАП производить в немагнитных материалах.

Чувствительность метода резко падает с уменьшением зазора между высокочастотной катушкой и контролируемым объектом. Наиболее эффективно применение f = 0,5÷0,6 МГц.

Рис.4.5.Изменение чувствительности с величиной зазора d.

Большим недостатком является образование на датчиках магнитной окалины и стружки. Снятие ей с помощью воздуха пока не дает достаточного эффекта.

Следует заметить, что преобразование, основанное на электродинамическом эффекте эффективно при контроле немагнитных материалах. Особенно эффективно применение УЗД при контроле аустенитных сварных швов при возбуждении SH-волн.

ЭМА преобразования на основе эффекта магнитострикции

Магнитострикцией называют явление изменения геометрических размеров ферромагнитных материалов под воздействием изменяющегося внешнего магнитного поля. Обратный эффект называют магнитоупругостью. Схема бесконтактного возбуждения УЗ-колебаний за счет магнитострикционного, магнитоупругого эффектов, наблюдаемых непосредственно в контролируемом изделии представлена на рис.4.6.

В намагниченном магнитом (1) изделии (3) под действием катушки (2) с переменным током возбуждается переменное магнитное поле, которое вызывает в объеме изделия вблизи поверхности эффект магнитострикции.

Рис.4.6. Схема ЭМА преобразования (эффект магнитострикции)

Магнитное взаимодействие заключается во взаимном притяжении и отталкивании ферромагнитного материала и проводника (катушки) с переменным электрическим током. Под действием постоянного магнитного поля изделие намагничивается. Катушка с переменным током будет притягиваться и отталкиваться от него в зависимости от направления образовавшегося в ней магнитного поля. Притяжение и отталкивание катушки будет оказывать обратное механическое воздействие на изделие, что приведет к возбуждению упругих колебаний на его поверхности. Прием упругих колебаний будет происходить в том, что поверхность изделия будет приближаться и удаляться от катушки, изменяя в ней магнитное поле, что в свою очередь приведет к возникновению электрического тока в катушке.

ЭМАП имеет большое преимущество перед ПЭП если речь заходит о автоматизации ультразвукового контроля. Системы с ЭМАП не требуют контактной жидкости, так как метод является бесконтактным, а так же не требует высокой степени подготовки поверхности контроля. В настоящий момент передовой системой автоматизированного контроля с использованием ЭМАП в мире является ЭМА АВТОКОН МГТУ, разработанный специалистами МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством академика РАН Алешина Н.П.

Система ЭМА-АВТОКОН МГТУ

4.4 Лазерное возбуждение

Способ №1. Непосредственное воздействие лазера на металл

Рис. 4.7. Схема лазерного возбуждения УЗ-колебаний: 1 – твердотельный лазер, 2 – объект контроля, 3 – полупрозрачное стекло, 4 – интерферометр, 5 – усилитель, 6 – регистратор, 7 – гелиевый лазер.

При облучении изделия энергией светового потока в материале возникают акустические волны вследствие трех режимов генерации:

1 – термомеханических напряжений;

2 - режима испарения;

3 - детонаций.

Рис. 4.8. Зависимость амплитуды сигналов от интенсивности излучения.

Е




сли нагреть поверхностный участок изделия, то соседние участки этого тела приобретают повышенную температуру не сразу, а лишь спустя некоторое время. Неравномерное распределение температуры приводит к неравномерному тепловому расширению тела, а следовательно к появлению термомеханических напряжений. Поскольку эти напряжения изменяются во времени, то в результате возникают акустические волны, излучаемые слоем с изменяющейся температурой. Глубина проникновения энергии импульса за время его действия (0) определяется зависимостью , где - коэффициент температуропроводности. Для 0 ,где - коэффициент температуропроводности. Для = 30 нс глубина для МУС составит =10мкм. Разогрев металла идет со скоростью, достигающей 1010 град/с.

При  режиме д = 200-600 квт/мм2 генерация УЗ-колебаний происходит за счет превращения испаряющегося конденсированного вещества в газ, либо за счет теплового расширения металла, нагретого выше критической точки в присутствие избыточного давления паров металла. Импульс отдачи разлетающихся паров металла пропорционален плотности мощности излучения лазера.

В III режиме генерации УЗ-колебаний заметную роль играют процессы взаимодействия паров металла с падающим излучением. При значениях, когда тепловая энергия вещества и энергия ионизации равны между собой, плазма становится непрозрачной и ведет себя как взрывчатое вещество, создавая ударную волну. Трем режимам генерации соответствуют различные диаграммы направленности продольных УЗ-волн. Качественно эта картина представлена на рисунке, а количественно сигналы для I, II, III режимов находятся в соотношении 1:20:30.

В первом (I) режиме диаграмма представляет собой два симметричных лепестка, расположенных под углом 550 к нормали.

Для второго (II) режима диаграмм представляет собой центральный лепесток.

Третий (III) режим характеризуется почти сферической диаграммой направленности.

Рис. 4.9. Диаграммы направленности продольных (а) и поперечных волн (б) для различных режимов излучения

Для возбуждения всех типов волн необходим лазер мощностью с энергией порядка нескольких долей (0,1 Дж) и длительностью =10-8с. Применение термоупругого эффекта не обеспечивает оптимальных условий проведения контроля, вследствие более размытой диаграммы направленности. Поэтому наиболее целесообразно проведение лазерного ультразвукового контроля в испарительном режиме. Сдерживание лазерного ультразвукового контроля объясняется в первую очередь не эффективностью приема УЗ-колебаний и не стабильностью характеристик лазеров.

Способ №2. Использование оптико-акустического преобразования.

Рис. 4.10. Принцип лазерного термооптического возбуждения ультразвука.

Принцип лазерного термооптического возбуждения ультразвука схематически показан на рис.4.10. Лазерный импульс падает из прозрачной среды по нормали на поверхность поглощающей среды. На рис. 4.10 ось Z направлена вглубь поглощающей среды, плоскость z = 0 — граница поглощающей и прозрачной сред.