Доля прошедшей энергии волны

(29)

Согласно закону сохранения энергии сумма всех коэффици­ентов отражения и прозрачности по энергии равна единице:

R + D = 1. (30)

Практические выводы:

1)При нормальном падении ультразвуковых волн на границу раздела трансформации не происходит. Коэффициенты отражения R и прозрачности D зависят только от соотношения акустичес­ких сопротивлений сред Z1 и Z2. Примерные значения коэф­фициентов для некоторых случаев приведены в таблице 3.

 

Таблица 3 – Примерные значения коэффициентов отражения и прозрачности

Соотношения акустических сопротивлений R D
Z1« Z2; Z1» Z2    
Z1 = Z2

 

Если R = 0, то D = 1, т.е. наблюдается полное прохожде­ние ультразвука через границу раздела, при этом Z1 = Z2, отсутствуют потери на отражение.

Если R = 1, то D = 0, т.е. энергия падающей волны полностью отражается, что выполняется при Z1 » Z2 или Z1« Z2.

Примерные значения коэффициентов отражения R и прозрачности D разных материалов при нормальном падении продольной волны:

 

 

Из таблицы 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 ультразвуковому лучу, значительно меньше длины волны, то волны огибают ее без существенного отражения. Для получения заметного отражения достаточно, чтобы размеры несплошности были соиз­меримы с длиной волны.

2)Отражение от тонкого слоя зависит от отношения длины волны к толщине слоя и тем эффективнее, чем больше различие акустических сопротивлений слоя и контролируемой среды, т.е. при малой толщине несплошности доля отраженной от нее энергии за­висит еще и от величины раскрытия несплошности в направлении распро­странения волны.

Если в стали имеется шлаковое включение, то, в зависимости от толщины вклю­чения, коэффициент отражения от него ультразвуковых колебаний может быть 0 < R < 0,47. Т.е, при определенной толщине шлаковое включение может быть звукопрозрачным, то есть не отражающим ультразвуковые волны.

В процессе термической обработки или под влиянием других дефор­маций шлак разрушается и постепенно отделяется от поверхности металла (рисунок 29). Вследствие этого ультразвук отражается от границы сталь – газ. Коэффициент отражения 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 от тон­кого слоя зависит от отношения длины волны к толщине слоя и тем эффектив­нее, чем больше различие акустических сопротивлений слоя и окружающей среды. Трещина в ста­ли, заполненная воздухом и имеющая раскрытие всего в 1 мкм, должна от­ражать 90 % энергии падающих на нее волн частотой 2,5 МГц. Если же тре­щина заполнена минеральным маслом, то заметное отражение возникает при раскрытии трещины не менее 0,01 мм. Практически заметное уменьшение ко­эффициента отражения от слоя воздуха в стали начинается при его толщине менее 10-4 мм.

 

 

Рисунок 29 – Отражение УЗВ от шлакового включения: а) шлак имеет плотное сцепление с металлом, б) газовая прослойка, образованная на границе металл-шлак,1 – зондирующий импульс, 2 – эхо-импульс от несплошности, 3 – донный эхо-импульс.

Если волны проходят из одной твердой среды в другую через зазор, заполненный воздухом, то прохождение очень плохое, потому что для газа волновое сопротивление в тысячи раз меньше, чем у твердых тел. Это обстоятельство способствует хорошему обнаружению очень тонких несплошностей в твердом теле. Но это же затрудняет передачу ультразвуковых колебаний от преобразователя в изделие. Для передачи УЗ колебаний от преобразователя в изделие заполняют контактной жидкостью тонким слоем (менее четверти длины волны), в этом случае прохождение волны будет удовлетворительным.