Техника - молодёжи 1952-07, страница 12

Трещина в диске турбины. Снимок сделан после разрезки диска по дефектной зоне, указанной ультразвуковым дефектоскопом.

Звуковые волны, слышимые ухом, не могут обнаружить внутренних дефектов, если только они не имеют очень больших размеров или не пронизывают изделие насквозь, полностью нарушая нормальное распространение звука.

Проблема обнаружения мельчайших дефектов в металле с помощью звуковых колебаний была решена советским ученым, профессором С. Я. Соколовым. Ученый предложил использовать неслышимые звуки — ультразвуки, частоты которых равняются сотням тысяч или даже миллионам периодов в секунду.

Для получения ультразвуков ученые применяют тела, обладающие пьезоэлектрическими или магнитострикционными свойствами.

Если вырезать плоскую пластинку из некоторых кристаллов (например, кварца, турмалина или сегнетовой соли), поместить ее между двумя металлическими обкладками и подать на обкладки переменное электрическое напряжение высокой частоты, то такая

пластинка начнет сжиматься и расширяться в такт с электрическими колебаниями. От пластинки побегут узким пучком ультразвуковые волны. Пьезоэлектрический эффект обратим. Этим же устройством можно обнаруживать ультразвуки. Под действием их пластинка начинает сжиматься и растягиваться. При этом на ее обкладках возникают переменные электрические заряды.

Пьезоэлектрический эффект не является единственным способом получать быстрые звуковые колебания. Если поместить стержень или трубку, изготовленные из никеля или некоторых других металлов, в переменное магнитное поле, создаваемое колебаниями электрического тока в катушке, стержень начнет в такт с колебаниями электрического тока сжиматься и расширяться. Это явление называется магнитострикцией.

Но вернемся к нашей задаче — отыскать тончайшую трещину в толще металла. Прижмем нашу пьезоэлектрическую пластинку или конец магнитострикционного стержня к поверхности металла. Для получения хорошего контакта лучше смазать поверхность металла тонкой пленкой масла, так как воздушная прослойка, неизбежно получающаяся из-за неровностей поверхности, плохо проводит ультразвуки. В пленке масла под влиянием вибрации пластинки или стержня образуются периодические сгущения или разряжения частиц. Иначе, выражаясь языком физика, в пленке масла возникнет волна продольных ультразвуковых колебаний. Эта волна имеет определенную длину (расстояние между соседними сгущениями). Падая на поверхность металла под прямым углом, волна заставляет колебаться расположенные на этой поверхности частицы металла. Они передают свое движение частицам, лежащим глубже. Возникает продольная ультразвуковая волна, распространяющаяся от поверхности в толщу металла. Так как скорость звука в металле больше, чем в масле, длина волны в металле также будет больше.

Если в толще металла скрываются дефекты — трещины, раковины, то нормальный ход ультра

звуковой волны нарушается. Часть волн отражается обратно к поверхности. Появляется ультразвуковое эхо. Опыт и теория показывают, что количество отраженной ультразвуковой энергии не зависит от толщины дефекта. Тончайшая трещина отражает звук так же, как и широкая.

В качестве приемника отраженных ультразвуковых колебаний можно применить пьезоэлектрическую пластинку. Уловленное ею эхо возбудит на ее обкладках переменные электрические заряды. Эти заряды можно усилить усилителем радиотехнического типа и привести в действие какой-нибудь индикатор — электрический измерительный прибор, катодный осциллограф, самописец и т. д.

Определить глубину залегания дефекта можно довольно просто. Для этого достаточно посылать ультразвук в изделие не непрерывно, а короткими импульсами с большими паузами между ними. В этом случае глубина залегания дефекта легко может быть определена измерением времени между посылкой начального импульса и приходом его отражения (эха).

После всего сказанного нетрудно понять принцип работы ультразвукового дефектоскопа.

Основным элементом дефектоскопа является пьезоэлектрическая пластинка, возбуждающая ультразвуковые импульсы в исследуемом изделии и в паузах между ними принимающая отраженное от дефектов эхо. Для удобства работы пластинка вместе с обкладками оформляется в виде пьезоэлектрического «щупа», соединенного с основным прибором длинным гибким шлангом. Специальный электрический генератор, смонтированный в корпусе дефектоскопа, возбуждает в пластинке короткие ультразвуковые импульсы, которые можно ввести в изделие, прикладывая щуп к различным точкам его поверхности. Для измерения промежутков времени между подачей начального импульса и приходом его отражения (эха) используется электроннолучевая трубка.

В момент подачи начального ультразвукового импульса в контролируемое изделие на экране трубки появляется выброс. В этот же момент электронный луч трубки начинает двигаться с постоянной скоростью вдоль экрана слева направо, прочерчивая на нем горизонтальную линию. Когда приходит импульс, отраженный от дефекта, на экране появляется второй выброс, смещенный на некоторое расстояние от начального импульса. Это расстояние пропорционально времени пробега ультразвукового импульса до дефекта и обратно.

Если размеры дефекта невелики, то часть энергии начального ультразвукового импульса от него отразится, а другая часть будет распространяться дальше до противоположной стороны изделия, от которой также отразится обратно, вызывая на экране дефектоскопа еще один выброс.

Отношение расстояния до выброса, порожденные дефектом, и выброса, вызванного эхом от стенки изделия, равно отношению глубины залегания дефекта к полной толщине изделия.

В современных дефектоскопах применяются частоты ультразвуковых колебаний порядка нескольких

Распространение ультразвуковых волн в металле: 1. Распространяется только продольная ультразвуковая волна. 2. В металле бегут одновременно продольная и поперечная ультразвуковые волны. 3. Продольная волна испытывает полное внутреннее отражение и затухает в «ловушке» ультразвуковой призмы. В металле распространяется только поперечная волна. 4 и 5. Случаи, когда продольными волнами найти дефект невозможно. Косые же пучки поперечных ультразвуковых волн легко обнаруживают дефекты в труднодоступных участках деталей.

10