Как найти критический угол падения

Cлайды, которые теоретически могут помочь сдать общий экзамен на 1-2 уровень по ультразвуковому контролю.

Сокращения:
НК – неразрушающий контроль
ОК – объект контроля

Термины и определения:

Качество продукции – совокупность свойств продукции, обуславливающих ее способность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением
Контроль (технический контроль) – проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям
Вид контроля – классификационная группировка контроля по определенному признаку
Метод контроля – правила применения определенных принципов и средств контроля
Метод неразрушающего контроля (НК) – метод контроля, при котором не должна быть нарушена пригодность объекта к применению
Система контроля – совокупность средств контроля, исполнителей и определенных объектов контроля, взаимодействующих по правилам, установленным соответствующей нормативной документацией
Средство контроля – техническое устройство, вещество и (или) материал для проведения контроля
Контролепригодность – свойство изделия, обеспечивающее возможность, удобство и надежность его контроля при изготовлении, испытаниях, техническом обслуживании и ремонте

Входной контроль – контроль продукции поставщика, поступившей к потребителю или заказчику, и предназначенный для использовании при изготовлении, ремонте или эксплуатации продукции
Операционный контроль – контроль продукции или процесса во время выполнения или после завершения технологической операции
Приемочный контроль – контроль продукции, по результатам которого принимается решение о ее пригодности к поставкам и (или) использованию

Дефект – каждое отдельное несоответствие объекта установленным требованиям (ГОСТ 15467-79)
Несплошность – нарушение однородности материала, вызывающее скачкообразное изменение одной или нескольких его физических характеристик (плотности, магнитной проницаемости, скорости звука, волнового сопротивления и проч.)
Дефектное изделие – изделие, имеющее хотя бы один дефект
Критический дефект – дефект, при наличии которого использование продукции по назначению практически невозможно или недопустимо
Значительный дефект – дефект, который существенно влияет на использование продукции по назначению и (или) на ее долговечность, но не является критическим
Малозначительный дефект – дефект, который существенно не влияет на использование продукции по назначению и ее долговечность

Достоверность контроля – характеристика (качественная или количественная) контроля, показывающая на основе предварительно установленных критериев близость к ситуации, исключающей как перебраковку, так и недобраковку
Перебраковка – отсутствие дефектов хотя бы в одном из забракованных по результатам контроля объектов
Недобраковка – наличие дефекта хотя бы в одном из объектов, признанных годными по результатам контроля

Как известно из ГОСТ 18353-79, существуют 9 видов НК:
1. Магнитный – вид НК, основанный на анализе взаимодействия магнитного поля с ОК)
2. Электрический– вид НК, основанный на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с ОК или возникающего в ОК в результате внешнего воздействия
3. Вихретоковый – вид НК, основанный на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в ОК
4. Радиоволновой – вид НК, основанный на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с ОК
5. Тепловой – вид НК, основанный на регистрации изменений тепловых или температурных полей ОК, вызванных дефектами
6. Оптический – вид НК, основанный на регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с ОК
7. Радиационный – вид НК, основанный на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с ОК
8. Акустический – вид неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров упругих волн, возбуждаемых и (или) возникающих в ОК
9. Проникающими веществами (капиллярный и течеисканием) – вид неразрушающего контроля, основанный на проникновении веществ в полости дефектов ОК

Методы каждого вида НК классифицируются по следующим признакам:
• характеру взаимодействия физических полей или вещества с ОК;
• первичным информативным параметрам;
• способам получения первичной информации.

Классификация методов в соответствии с ПБ 03-440-02 немного отличается.
«Правила аттестации персонала в области неразрушающего контроля» ПБ 03-440-02 устанавливают порядок аттестации персонала, выполняющего НК технических устройств, зданий и сооружений на опасных производственных объектах. Аттестация персонала в области НК проводится в целях подтверждения достаточности теоретической и практической подготовки, опыта, компетентности специалиста, т.е. его профессиональных знаний, навыков, мастерства и предоставления права на выполнение работ по одному или нескольким видам (методам) НК. Специалисты НК в зависимости от их подготовки и производственного опыта аттестуются по трем уровням профессиональной квалификации – I, II, III.
Аттестации подлежит персонал, проводящий контроль объектов с применением следующих видов (методов) НК:
1. Радиационный РК (RT)
1.1. Рентгенографический
1.2. Гаммаграфический
1.3. Радиоскопический
2. Ультразвуковой УК (UT)
2.1. Ультразвуковая дефектоскопия
2.2. Ультразвуковая толщинометрия
3. Акустико-эмиссионный АЭ (AT)
4. Магнитный МК (MT)
4.1. Магнитопорошковый
4.2. Магнитографический
4.3. Феррозондовый
4.4. Эффект Холла
4.5. Магнитной памяти металла
5. Вихретоковый ВК (ET)
6. Проникающими веществами
6.1. Капиллярный
6.2. Течеискание
7. Вибродиагностический ВД
8. Электрический ЭК
9. Тепловой ТК
10. Оптический ОК
11. Визуальный и измерительный ВИК (VT)
12. Контроль напряженно-деформированного состояния НДС
12.1. Радиационный
12.2. Ультразвуковой
12.3. Магнитный
12.4. Вихретоковый

Кандидат, претендующий на прохождение аттестации на один из трех уровней квалификации, аттестуется по конкретным методам НК. Областью аттестации каждого кандидата является сфера его деятельности по контролю конкретных объектов:
1. Объекты котлонадзора
2. Системы газоснабжения (газораспределения):
3. Подъемные сооружения
4. Объекты горнорудной промышленности
5. Объекты угольной промышленности
6. Оборудование нефтяной и газовой промышленности
7. Оборудование металлургической промышленности
8. Оборудование взрывопожароопасных и химически опасных производств
9. Объекты железнодорожного транспорта
10. Объекты хранения и переработки зерна
11. Здания и сооружения (строительные объекты)
12. Оборудование электроэнергетики

Теперь перейдем к определениям из раздела “Колебания и волны”.
Колебание – движение вокруг некоторого среднего положения, обладающее повторяемостью во времени
Волна – колебательные движения, распространяющиеся в пространстве: колебания одной точки среды передаются соседней и так далее
В акустике рассматривают упругие колебания и волны, в других видах неразрушающего контроля используются электромагнитные колебания и волны.
Упругость – свойство точек среды возвращаться к первоначальному состоянию после прекращения воздействия силы

Колебания характеризуются частотой и амплитудой.
Частота – количество периодов (циклов) колебаний в единицу времени (обычно секунду)
Колебания от точки к точке среды передаются с определенной скоростью – скоростью распространения звука.
Длина волны – минимальное расстояние между двумя точками, колеблющимися в одной фазе

Скорость звука во многих металлах около 6000 м/с. При частоте 6 МГц длина волны равна 1 мм. При ультразвуковом контроле металлов обычно используют волны длиной от 0,06 до 12 мм.
Амплитуда – наибольшее отклонение от положения равновесия
В ультразвуковом контроле обычно измеряют ослабление амплитуды A’ относительно возбужденных в объекте контроля колебаний Aо. Для этого применяют логарифмические единицы – децибелы (дБ).
Т.к. A'<Ao, то децибелы будут отрицательными, однако в ультразвуковой дефектоскопии знак “-” принято опускать.

В акустике рассматриваются изотропные среды.
Изотропия – независимость физических свойств среды от направления в ней. Среды, в которых свойства зависят от направления, называют анизотропными.

Ультразвуковая волна – процесс распространения упругих колебаний ультразвуковой частоты в материальной среде
Луч – направление, в котором распространяется максимум энергии волнового процесса
Фронт – совокупность точек, колеблющихся в одной фазе, до которых в заданный момент дошел волновой процесс
Диапазон частот упругих колебаний

Объемные волны

Продольная волна существует а твердых телах, жидкостях и газах.
Колебательное движение отдельных частиц происходит в том же направлении, в котором распространяется волна.

Поперечные волны существуют только в твердом теле.
Отдельные частицы колеблются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

Поперечные волны подразделяются на горизонтально поляризованные SH и вертикально поляризованные SV. При контроле наклонным ПЭП используется SV поляризованная поперечная волна.

Поверхностные волны
Поверхностная волна (Рэлея)
– комбинация продольных и поперечных волн
– распространяется вдоль свободной границы твердого тела
– частицы совершают колебания по эллипсам
– волна распространяется на большие расстояния
– быстро затухает с глубиной
Головная волна
– скорость практически равна скорости продольной волны
– при распространении вдоль поверхности в каждой точке порождает поперечную волну под углом к нормали
– волна быстро ослабляется

Волны в ограниченных твердых телах
1. Волны в пластине (волны Лэмба)
2. Волны в стержнях (волны Похгаммера)
Скорость распространения зависит от:
– частоты (явление дисперсии скорости)
– упругих свойств материала
– поперечных размеров пластины или стержня
Характерны две скорости распространения:
– фазовая – скорость изменения фазы в направлении распространения
– групповая – скорость распространения энергии при передаче импульса


Закон Снеллиуса (синусов)
Направление отраженных и преломленных, продольных и поперечных волн определяется законом синусов (законом Снеллиуса).
Для всех волн отношение синуса угла (между направлением волны и нормалью к поверхности раздела) к скорости волны будет постоянной величиной.

Критические углы

1-й критический угол
наименьший угол падения продольной волны, при котором преломленная продольная волна не будет проникать во вторую среду (возникновение головной волны)

2-й критический угол
наименьший угол падения продольной волны, при котором преломленная поперечная волна не будет проникать во вторую среду (появление поверхностной волны Рэлея)

3-й критический угол
наименьший угол падения поперечной волны, при котором еще отсутствует отраженная продольная волна

Ультразвуковое поле
Пьезопластину представляем состоящей из большого количества элементарных излучателей.
В непосредственной близости ультразвук распространяется в виде параллельного пучка лучей (прожекторная зона).
Расстояния от разных излучателей до некоторой точки B могут сильно отличаться. Соответственно, отличаются и фазы приходящих сигналов. При совпадении фазы амплитуда увеличивается, если фазы противоположны – амплитуда уменьшается.
Появляются максимумы и минимумы амплитуды. Энергия находится в пределах нерасходящегося пучка. Эта область называется ближней зоной, ближнем полем или зоной Френеля.
В ближней зоне сложно определить максимумы амплитуд эхосигналов от отражателей, вследствие чего можно ошибиться в оценке их размеров, количестве и координат.
Например, в середине ближней зоны поле имеет минимум на оси преобразователя, а в стороне – максимумы. При обнаружении одной несплошности можно решить, что найдено две, расположенные по сторонам от истинного положения несплошности.
В дальней зоне появление максимумов и минимумов под влиянием разности фаз приходящих волн происходит только когда точка находится в стороне от оси преобразователя.
Основная часть поля имеет вид расходящихся конусом лучей из центра преобразователя.
Максимум амплитуды соответствует оси преобразователя. С увеличением угла между направлением какого-либо луча и осью амплитуда уменьшается. За пределами некоторого угла (угла раскрытия) излучение почти не чувствуется. Угол раскрытия определяет направленность излучения.

a – радиус круглого пьезоэлемента;
α – угол ввода;
β – угол призмы;
λ – длина волны;
– угол раскрытия по уровню (-20) дБ
n – коэффициент, равный 0,45 для круглой и 0,38 для прямоугольной пьезопластины

In Physics, total internal reflection is the complete reflection of a light ray within the medium (air, water glass, etc). For example, the total internal reflection of rays of light takes place in a Diamond. Since Dimond has multiple reflecting surfaces through which the Total internal reflection takes place. The total internal reflection occurs when light travels from a denser medium to a less dense medium and the angle of incidence must be greater than the critical angle. The phenomenon of total internal reflection has a wide application in optical devices such as telescopes, binoculars, periscopes, etc. Read more about the concepts of Total Internal Reflection like Total Internal Reflection of Light, definition, critical angle, and total internal reflection, examples, and FAQs, here in this article!

What is Total Internal Reflection?

The complete reflection of a light ray at the boundary of two media when the beam is in the medium with a higher refractive index is known as total internal reflection.

This is due to the fact that when there is water in the glass, light from the coin travels through the glass at a certain angle to our sight. Further, when water is added to the glass, the light from the coil strikes the interior of the glass at a higher angle than the critical angle. The glass inside reflects 100% of the light. Internal reflection is what it is.

Conditions for Total Internal Reflection

When light beams go from a more optically dense material to a less optically dense medium, this phenomenon happens. There are two situations in which total internal reflection occurs:

• When the light is approaching the less dense medium from the more dense medium.
• If the incidence angle is larger than the critical angle.

Total Internal Reflection Formula

Consider the case below. A beam of light travels from a watery medium to one of air. The light ray will be refracted at the point where the two mediums meet. The refracted light beam bends away from the normal as it passes from a medium with a higher refractive index to one with a lower refractive index.

• The incident beam of light is refracted in such a way that it travels over the water’s surface at a certain angle of incidence.
• The critical angle is the angle of incidence at which something happens. The refraction angle is 90° here.
• The incident ray is reflected back to the medium when the angle of incidence is larger than the critical angle. This event is referred to as total internal reflection.

The formula for total internal reflection is stated as:

n₁ ⁄ n₂ = sin θ₁ ⁄ sin θ₂

where,

• θ₁ is the angle of incidence,
• θ₂ is the angle of refraction,
• n₁ is the denser medium, &
• n₂ is the rarer medium.

Critical Angle

Critical angle is defined as the largest angle of incidence for which refraction of light inside the medium still can be possible. Therefore, the angle of incidence, when the angle of refraction is 90 degrees and the ray which is refracting to total internal refraction is called the critical angle. 

Mathematically, the critical angle for a total internal reflection is defined as,

θ_c = sin⁻¹(n₂ ⁄ n₁)

where, 

• θ_c is the critical angle.
• n₁ is the denser medium, &
• n₂ is the rarer medium.

Total Internal Reflection Examples 

Total Internal Reflection in Optical Fiber

Because the angle generated by the incoming beam is higher than the critical angle, total internal reflection occurs when it strikes the cladding. Optical fibers have revolutionized the speed with which signals are carried across cities, nations, and continents, making telecommunication one of the quickest forms of information transportation. Endoscopy also uses optical fibers.

Total Internal Reflection in Mirage

It’s an optical illusion that causes the water layer to appear at short distances in the desert or on the road. Total internal reflection, which happens as a result of atmospheric refraction, is an example of a mirage.

Total Internal Reflection in Diamond

When light rays penetrate a diamond, they are completely internalized and reflected on all of the diamond’s facets. The crucial angle for a beam of light going from a diamond to air is just 24°. As a result, the majority of incoming photons experience complete internal reflections.

Furthermore, diamonds are often cut in such a way that when a beam of light penetrates them, it is subjected to entire internal reflections on multiple faces. When the angle of incidence at any face is less than 24°, light shines through, making the diamond look brilliant. Optical fibers also employ total internal reflection. Video and audio signals are sent across great distances using optical fibers.

Applications of Total Internal Reflection

1. Optical fibres use total internal reflection. An optical fibre is made up of an inner core made of glass with a high refractive index and an outer cladding made of glass with a lower refractive index.
2. An instrument made of fibre optic wire is called an endoscope. Doctors use it to view the interior of the human body, including the stomach and duodenum.
3. In the telephone system, fibre optic cables have now replaced copper cables in telecommunications. Multiple signals can be transmitted quickly across fibre bundles using laser-generated light bursts.

FAQs on Total Internal Reflection

Question 1: Define Total Internal Reflection.

Answer:

The complete reflection of a light ray at the boundary of two media when the beam is in the medium with a higher refractive index is known as total internal reflection.

Question 2: State some applications of total internal reflection.

Answer:

It’s an optical illusion that causes the water layer to appear at short distances in the desert or on the road. Total internal reflection, which happens as a result of atmospheric refraction, is an example of a mirage.

Question 3: What is the difference between Total Internal Reflection and Normal reflection?

Answer:

Total Internal Reflection is the property of light ray to bounce back in the same medium after it strikes the surface of rarer medium. However, in case of reflection, a part of energy is reflected, some part of light rays is scattered and rest is refracted. 

Question 4: Under What Conditions is Total Internal Reflection Possible?

Answer:

The total internal reflections conditions are:

• When the light is approaching the less dense medium from the more dense medium.
• If the incidence angle is larger than the critical angle.

Question 5: Define the Critical Angle for Total Internal Reflection.

Answer:

Critical angle is defined as the largestangle of incidence for which refration of light inside the medium still can be possible. Therefore, the angle of incidence, when the angle of refraction is 90 degrees and the ray which are refracting to total internal refraction is called the critical angle. 

Question 6: Why do complete internal reflection pictures appear to be brighter than those created by mirrors or lenses?

Answer:

Total internal reflection produces brighter pictures than mirrors or lenses because 100% of incident light is reflected back into the same medium without loss of intensity, whereas reflection from mirrors and lenses always results in some loss of intensity.

Solved Examples on Total Internal Reflection 

Example 1: If the critical angle for total internal reflection from a medium to vacuum is 45°. Determine the velocity of light in the medium.

Solution:

Given that, the critical angle for TIR, θ_c is 45°.

The Refractive index of the air medium is 1.

Then the refractive index of the medium is given by, 

n = 1/sin 45°

= 1.414

Now, the formula to calculate the speed of light in the medium, v = Speed of light/n

v = 3 × 10⁸ / 1.414

= 2.12 × 10⁸ m/s

Example 2: The glass with the refractive index n₁ = 1.33 is made up of an optical fibre and is surrounded by another glass with the refractive index n₂. Determine the cladding’s refractive index n₂ so that the critical angle between the two claddings is 30°.

Solution:

Given:

Critical angle, θ = 50°

Refractive index, n₁ = 1.33

Critical Angle

θ_c = sin⁻¹(n₂ ⁄ n₁)

n₂ = n₁ sinθ_c

= 1.33 × sin 30°

= 0.665

Example 3: Determine the refractive index of a medium with a critical angle of 45°.

Solution:

Critical angle, θ_c = 45°

Refractive index of the medium, μ = 1 ⁄ sin θ_c

μ = 1 ⁄ sin 45°

= 1.414

Hence, the refractive index of a medium is 1.414.

Example 4: When the wavelengths of light in two liquids, x and y are 250 nm and 500 nm respectively, what will be the critical angle of x relative to y?

Answer:

Given:

Wavelengths, λ_x = 250 nm and λ_y = 500 nm

θ_c = sin⁻¹(n_y ⁄ n_x) = sin⁻¹(λ_x ⁄ λ_y)

θ_c = sin⁻¹(250 nm ⁄ 500 nm)

= 30°

Hence, the critical angle of x relative to y is 30°.

Related Articles

• Refraction 
• Laws of Reflection 
• Laws of Refraction of Light

Когда луч света переходит из более
плотной среды в менее плотную, он
преломляется так, что угол, составляемый
им с перпендикуляром к границе раздела,
увеличивается. На рис. 7.8, а показано,
что с увеличением угла падения г угол
преломления r последовательных
лучей 1, 2 и т.д. возрастает вплоть до того
момента, когда луч 3 будет идти параллельно
границе раздела сред (3′). Любой луч
(скажем, 4) с еще большим углом падения
уже не способен пересечь границу раздела
и будет полностью отражаться внутрь
первого вещества (4′). Значение угла
падения г, при котором угол преломления
r достигает 90°, зависит от показателей
преломления обеих сред и называется
предельным (критическим) углом /_пр.

Рассматривая движение луча 3 в обратном
направлении и полагая, что он имеет
скользящее падение на поверхность,
можно написать:

или, согласно закону Снеллиуса,

а при скользящем падении

Таблица 7.1 Показатели преломления
некоторых групп минералов

Минерал	Формула	Показатели преломления		Катион
		пр	Пт		Атомный номер	Атомная масса
Стронцианит Витерит Арагонит Церуссит	SrCO3 BaCO3 CaCO3 PbCO3	1,520 1.529 1.530 1,804 no	1,667 1,676 1,680 2,076	1,668 1,677 1,685 2,078 Пе	38 56 20 82	87,63 137,36 40,08 207,21
Кальцит	CaCO3	1,658		1,486	20	40,08
Доломит	CaMg(COs)2	1,682		1,502	J 20 112	40,08 24,32
Магнезит Родохрозит Смитсонит Сидерит	MgCO3 MnCO3 ZnCO3 FeCO3	1,717 1,820 1,849 1,873	n	1,515 1,600 1,621 1,633	12 25 30 26	24,32 54,93 65,38 55,84
Сильвин Галит	KCl NaCl		1,490 1,544		19 11	39,09 22,99

Рис. 7.8 (о) Полное внутреннее отражение
и предельный угол (б) Принцип действия
рефрактометра Г Смита

С) (б)

Измерение предельного угла с помощью
рефрактометра

Рефрактометр Герберта Смита. В
рефрактометре Г. Смита и других
рефрактометрах подобного типа определение
предельного угла осуществляется с
использованием явления полного
внутреннего отражения (рис. 7.8, б).
Для этого полированная пластинка
кристалла кладется на плоскую поверхность
полуцилиндра, изготовленного из стекла
с высоким показателем преломления.
Чтобы удалить воздух, между кристаллом
и полуцилиндром помещают жидкость с
показателем преломления, большим чем
у кристалла. Свет поступает через один
из квадрантов, а та его часть, которая
испытывает полное внутреннее отражение
на нижней

поверхности кристалла, образует светлую
область в поле зрения оптической трубы,
сфокусированной на другой квадрант.
Граница между темной и светлой областями
указывает предельный угол между стеклом
и кристаллом. На полусферической
поверхности не происходит преломления
лучей, так как они пересекают ее по
нормали Поскольку жидкость образует
тонкую пленку с параллельными
поверхностями, ее влияние уравновешивается
на входе и выходе лучей и им можно
пренебречь. Хотя измеряемым предельным
углом является угол между жидкостью и
кристаллом, в действительности он
соответствует предельному углу между
стеклом и кристаллом за счет отклонения
света на границе стекло/жидкость.

Если показатель преломления стекла
известен, то исходя из положения границы
между светлой и темной областями можно
непосредственно определить показатель
преломления исследуемого кристалла:

Рассмотренный рефрактометр особенно
полезен при изучении драгоценных камней.

Рефрактометр Аббе. Этот рефрактометр
применяется преимущественно для изучения
жидкостей. В нем используется скользящее
падение света, переходящего из жидкости
в призму, которая изготовлена из стекла
с высоким показателем преломления. На
рис. 7.9, а показана траектория светового
луча в приборе. Две призмы с пленкой
жидкости между ними вращают до тех пор,
пока граница между светлой и темной
областями не пересечет визир неподвижно
установленной оптической трубы.
Рефрактометр калибруется по пластинке
стекла с известным показателем преломления
при использовании скользящего падения
света (рис 7.9, б) Он может применяться
для прямого определения показателей
преломления соответствующим образом
распиленных кристаллов, но в основном
служит дополнительным методом при
иммерсионных исследованиях.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Ультразвуковая дефектоскопия — экономичный метод. Отличается оперативностью, безопасностью применения и наглядностью результатов. Использование сложного компьютеризированного оборудования не требует много времени и большого количества персонала.

Суть ультразвукового метода

Впервые принцип дефектоскопии УЗ был предложен в 1928 г.: советский ученый Сергей Соколов показал, как обнаружить повреждения металла и других материалов через вариации энергии ультразвука. Соколов изобрел первый дефектоскоп, в котором применил ультразвуковые колебания для определения внутренних дефектов, трещин, посторонних включений и структуры материалов. В дальнейшем этот опыт подхватили ученые других стран, и метод получил распространение, став обязательным для многих отраслей промышленности.

Ультразвуковой метод контроля металла основан на физическом законе о неизменности траектории перемещения звуковых волн при условии однородности среды. Суть заключается в выявлении повреждений материала через излучение и принятие колебаний УЗ при отражении от дефекта, анализе амплитуды колебаний, времени возвращений, формы и других параметров.

Для анализа в материале при помощи дефектоскопа и преобразователей с пьезоэлементом создают высокочастотные колебания (свыше 20 кГц). Если изъянов нет — колебания не встречают препятствий и не имеют отражения. Если же присутствуют неоднородности (например, трещины, пустоты или другие включения), приемник зарегистрирует сигналы отражения от них.

Время распространения волны указывает на глубину расположения дефекта, а амплитуда отражения импульса — на размер неоднородности.

Свойства ультразвука и важность состояния диагностируемой поверхности

Ультразвук проверяет материал, не разрушая его структуры.

При дефектоскопии учитывается длина колебаний — она прямо пропорциональна разрешающей способности и чувствительности и обратно пропорциональна энергии колебаний. Оптимальный показатель — 0,5-10 МГц.

Корректность результатов измерения зависит от состояния диагностируемой поверхности. Необходим свободный доступ ко всем измеряемым участкам для свободного прохождения волн ультразвука через объект. На поверхности не должно быть инородных тел (масла, смазки, грязи, ворсинок, брызг металла, сварочного флюса и т.д.)

Для подготовки поверхности необходимо:

1. Зачистить лакокрасочное покрытие и ржавчину на расстоянии 5-7 см.
2. Обработать материал трансформаторным, турбинным или машинным маслом.
3. Устранить воздушные зазоры нанесением контактной жидкости (можно использовать воду, масло или глицерин)
4. Создать шероховатость поверхности выше или равную классу 5 (при использовании пьезоэлектрического преобразователя).

Если на поверхности есть постороннее покрытие, которое невозможно удалить, нужно обеспечить полное прилипание к материалу.

Источники ультразвуковых волн

Во время анализа УЗ-колебания в объекте создают несколькими способами. Чаще с использованием пьезоэлектрического эффекта. Преобразователь создает ультразвуковое излучение, которое далее переводит электрические колебания в акустические. При переходе через измеряемую среду эти колебания оказываются на приемной пьезопластине преобразователя, а после снова становятся электрическими. Это фиксируют измерительные цепи. При этом пьезопластины могут выступать в роли только приемника или только излучателя, а также совмещать в себе функции того и другого.

Критические углы

При выполнении ультразвукового контроля оператору нужно выбрать тип преобразователя, выполнить калибровку и настройку прибора на предполагаемые дефекты объекта. Критические углы падения (продольные и поперечные) необходимо учитывать в том случае, когда ультразвук проходит через твердые поверхности материалов.

Первый критический угол — это наименьший угол падения продольной волны, при котором преломленный луч не пересекает границу второй твердой среды. Например, для границы оргстекло-сталь он равен 27,5º.

Вторым критическим углом считают наименьший угол падения продольного луча, при котором преломление не проникает через границу во вторую твердую среду и при этом не обнаруживаются внутренние повреждения. Для оргстекла-стали он составляет 57,5º.

Третий критический угол — наименьший угол падения поперечного луча, при котором отсутствует отраженная продольная волна. Луч идет по поверхности объекта, не распознавая дефектов внутри него. Для пересечения границы сталь-воздух угол равен 33,3º.

Методы дефектоскопии ультразвуком

Выделяет 4 основных метода:

1. Теневой. Используют 2 преобразователя: первый (излучатель) создает на границе двух сред акустические колебания, второй (приемник) их фиксирует. Обязательное условие при этом — расположение второго преобразователя точно в направлении волны, создаваемой излучателем. При столкновении с повреждением колебания пропадают. Выявленная глухая область обозначает расположение повреждений на материале.
2. Зеркально-теневой. Близок по принципу к теневому, но предполагает расположение преобразователей на одной поверхности сварочного соединения. При этом фиксируется поток, отраженный от второй поверхности. Повреждение в материале определяется пропаданием отраженных колебаний.
3. Эхо-зеркальный. 2 преобразователя находятся на одной стороне соединения. Созданные УЗ-колебания регистрируются в момент отражения от препятствия.
4. Эхо-импульсный. Предполагает наличие одного преобразователя, выступающего в роли и источника, и приемника. Акустическая волна направляется на сварное соединение, фиксируя отражение от инородного тела.

Сравнение и выбор лучшего

Выбор метода зависит от характеристик тестируемого материала, условий проведения (стационарные тесты или анализ в процессе работы) и выбирается индивидуально.

Возможности ультразвуковой диагностики

Метод УЗ позволяет:

1. Фиксировать дефекты внутри (под поверхностью) материала, не нарушая при этом его целостности.
2. Находить очаги поражения коррозией.
3. Выявлять посторонние вкрапления и неоднородности в структуре.
4. Определять расположение и размеры изъянов.
5. Оценивать состояние соединений в материале.

Анализ применяется в промышленности:

1. Проверка стержней (из пластика и металла), труб на наличие пористости, трещин и пустот.
2. УЗК сварных швов высокочастотным датчиком.
3. Обнаружение пустот в элементах, измерение толщины стенок деталей.
4. При работе с композитами и стекловолокном обнаружение их повреждения или отслоения при ударе.
5. Проверка адгезивных соединений после пайки (если есть доступ к поверхности).

Повышение точности результатов

Добиться точности, качества и достоверности результатов можно, влияя на:

1. Состояние поверхности: чистота, шероховатость, профиль.
2. Геометрию: не параллельность, кривизна.
3. Выбор контрольного, настроечного образца.
4. Выбор метода и оборудования.
5. Настройку УЗ-преобразователей и дефектоскопа.
6. Установку технических параметров (скорость распространения звука).

Для каких объектов применимо

Метод УЗК используют на производствах нефти и газа, в отраслях крупной промышленности, в атомной энергетике и т.д. В металлургии, например, ультразвуковую дефектоскопию применяют при обработке литья и поковок. В авиастроении — для диагностики полимеров и композитов на наличие трещин, непроклеев и т.д.

В металлургии контролю подвергают листовую сталь, которую широко используют при строительстве автодорожных и железнодорожных мостов, в гражданском и промышленном строительстве зданий и сооружений, требующих повышенной прочности и надежности.

В литейном производстве метод позволяет видеть в структуре черных и цветных металлов пустоты, пористость, включения и трещины. Также возможно измерить толщину изделия, например пустотелых отливок сложной формы, без нарушения его целостности в производстве автомобильных двигателей.

В строительстве для оценки состояния бетонных конструкций важно проверить фактическую прочность на соответствие проектным требованиям. Ведется проверка факторов, влияющих на эксплуатационные свойства бетона и арматуры. Метод УЗ дает возможность работы не только в лабораторных условиях, но и на строительной площадке.

При контроле сварных соединений и наплавок оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок УЗ метод является единственным решением.

Это объясняется использованием нержавеющих, аустенитных крупнозернистых сталей в конструкциях атомных реакторов и резервуаров.

Для труб

Дефектоскопия применяется на магистральных и технологических трубопроводах. Благодаря этой процедуре небольшие дефекты и трещины на трубах, появляющиеся со временем естественным путем, не перерастают в проблемы, угрожающие безопасности и требующие вывода магистральных систем из рабочего состояния.

Применение УЗ-дефектоскопии позволяет обнаружить такие повреждения труб:

• низкий уровень герметичности (или ее отсутствие);
• потерю контроля состояния напряженности;
• деформацию и разгерметизацию сварных стыков.

Для свайных конструкций и рельсов

Диагностика сварных соединений незаменима для выявления трещин в подошве или головке рельс, для обнаружения дефектов стыка. Метод может применяться стационарно (на рельсосварочном предприятии) либо в полевых условиях. Для УЗК свай и сварочных швов используют дефектоскопы со специальными характеристиками — высокой устойчивостью к влажности, рабочей температурой до +35ºС (без образования влаги). При этом измерительные приборы нуждаются в постоянной защите от воздействий пыли.

Диагностика свай — необходимый этап в строительстве, на котором проверяют и фиксируют прочность бетонного основания и плотность заливки буронабивных свай. Во время проверки приемник с излучателем устанавливают на нижней точке сваи, фиксируют полученные сигналы, потом датчик перемещают на следующую точку.

Ультразвуковой метод контроля сварных швов показывает изъяны с высокой точностью и при этом не нарушает целостность несущих конструкций.

Для прочих деталей

Дефектоскопии подвергают материал во время технических освидетельствований и обследований, металл проверяют на входе и выходе. Метод применяют для проверки промышленной безопасности сосудов под давлением, корпусов насосов, арматуры, теплообменников, печей и т.д.

Плюсы и минусы диагностики ультразвуком

Главным достоинством метода является то, что он относится к неразрушающему контролю. Исследуемый объект не выводится из эксплуатации, не подвергается разборке, взятию образцов, не требует других дорогостоящих действий.

Дефектоскопия позволяет предотвратить и своевременно устранить возможные разрушения сложных агрегатов и конструкций.

Другие преимущества УЗД:

1. Метод доступен для работы с металлическими материалами и неметаллами.
2. Точность в определении положения дефекта и оценке его размера и формы.
3. Высокая скорость исследования.
4. Низкая цена работ.
5. Безопасность для здоровья (меньший вред в сравнении с работой рентгена).
6. Мобильность, т.е. работа в полевых условиях.

Недостатки диагностики ультразвуком:

1. Нужна предварительная подготовка поверхности.
2. Не поддаются проверке грубые материалы, детали неправильной формы, слишком маленькие или тонкие.
3. Невозможна работа с чугуном и крупнозернистыми материалами (из-за высокого уровня шума и низкого уровня звука).
4. УЗД может не определить повреждения, ориентированные параллельно звуковому лучу.

Необходимое оборудование для проведения дефектоскопии

Для ультразвуковой диагностики применяют дефектоскоп, преобразователь со встроенным пьезоэлементом (рассчитанным на излучение и/или прием ультразвуковых колебаний) и дополнительные приспособления.

УЗ-преобразователи бывают 3 типов:

1. Прямые: излучение продольных волн под прямым углом к проверяемой поверхности. Могут иметь керамический пьезоэлемент (из титаната бария или цирконат-титаната свинца). В моделях зарубежных брендов используется кварц — он имеет сравнительно невысокую чувствительность, что обеспечивает равномерное излучение и стабильную работу.
2. Наклонные (или призматические): излучение поперечных волн в металл под углом к поверхности ввода. Осуществляют вертикальное сканирование деталей, используются в случаях, когда установить преобразователь непосредственно на поверхности материала не представляется возможным (например, в угловых соединениях, в конструкциях со сложным профилем).
3. Раздельно-совмещенные: поступление продольных волн в металл под углом 80-85º к поверхности ввода. Имеют 2 пьезоклапана, один из которых является генератором, а второй — приемником. Подходят для работы с грубыми материалами, деформированными поверхностями.

Главная составляющая преобразователя — пьезоэлемент в форме прямоугольной пластины или диска. Толщина пьезоэлемента составляет половину длины излучаемых волн. В прямых и наклонных преобразователях пьезоэлемент выступает в качестве излучателя и приемника УЗ-колебаний одновременно.

Схема устройства дефектоскопа

Дефектоскоп — это электронный блок для преобразования и усиления эхо-сигналов при отражении от дефекта, создания зондирующих импульсов высокого напряжения и наглядного отображения амплитудно-временных характеристик эхо-сигналов.

Встроенный переключатель предусмотрен для непосредственного подключения усилителя к генератору радиоимпульсов или отключения от него (в зависимости от схемы работы). Автоматический сигнализатор фиксирует дефект звуковым или световым сигналом.

Аппарат может иметь дополнительные блоки, расширяющие функции устройства и упрощающие работу оператора. К ним относится блок временной регулировки чувствительности, создающий одинаковую амплитуду сигналов при обнаружении деформаций разных размеров. Это повышает точность измерений.

Примерная стоимость дефектоскопа и других инструментов

Диапазон цен на дефектоскопы широк — от 90 000 до 2 500 000 руб. Стоимость зависит от рабочих характеристик, марки и страны производителя, года выпуска. Различается цена стационарных (для исследований в лабораториях) и портативных (для полевых условий) моделей. Возможность подключения к ПК, объем встроенной памяти и совместимость с несколькими типами преобразователей также влияют на конечную стоимость. При выборе отталкиваться следует от планируемых задач и предположительной области применения.

По каким параметрам оценивается результат

Обнаруженный дефект оценивают по его условной протяженности, амплитуде звуковой волны, форме, длине и ширине.

Минимально возможный (доступный для выявления) размер повреждения на материале определяет чувствительность УЗ-контроля.

Как обучают специалистов по ультразвуковой дефектоскопии

В соответствии с действующим законодательством, специалисты, работающие в сфере ультразвуковой дефектоскопии, проходят обязательное повышение квалификации с последующей аттестацией.

Она проводится с целью определения достаточной теоретической и практической подготовки сотрудников для выполнения одного и нескольких видов НК, умения на основании полученных результатов делать заключения об исследуемом объекте повышенной опасности в промышленности и строительстве.

Подготовкой и аттестацией специалистов занимаются специализированные научно-исследовательские центры. Они составляют учебные программы длительностью от 40 до 120 академических часов.

За это время изучают:

1. Виды и методы ультразвуковой диагностики.
2. Теоретические основы колебаний.
3. Типы и свойства волн.
4. Правила критических углов ввода.
5. Источники УЗ-колебаний.
6. Методы дефектоскопии сварочных швов и свай.
7. Правила акустической дефектоскопии.
8. Принцип работы приборов ультразвуковой проверки.

По окончании обучения сотрудники сдают экзамены, по итогам которых получают удостоверение утвержденного образца, где указывается квалификационный уровень — I, II или III. Специалисты I уровня обслуживают технику для неразрушающего контроля и составляют отчеты по итогам работ, II — занимаются работами на опасных объектах и дают заключения. Эксперты III уровня руководят процессом на всех стадиях его выполнения, им требуется дополнительное обучение по специально разработанным методикам.

Полученную квалификацию необходимо подтверждать каждые 3 года, сдавая при этом соответствующие экзамены.

Кратко о других методах дефектоскопии

Капиллярный (жидкостный) метод предполагает выявление дефектов на поверхности металлов. Перед диагностикой детали очищаются, чтобы краситель попадал беспрепятственно. На материал наносят пенетрант, удаляют избытки и вводят проявитель, который при специальном освещении обнаруживает разрушения поверхности. Жидкостный метод прост в исполнении, но требует предварительной тщательной очистки поверхности. Автоматизировать это невозможно.

Вихретоковый контроль показывает повреждения внутри металла и на его поверхности с помощью электромагнитного поля. Вихревые токи текут по-разному в материалах с дефектами и без них. Диагностика вихревым током проводится за секунды, но применима только к металлам. Такие испытания требуют высокой квалификации операторов. Метод используют в авиационной и ядерной промышленности.

Контроль магнитными частицами обнаруживает повреждения на поверхности либо чуть ниже (работа на глубине материала невозможна). На материал наносят сухие или влажные магнитные частицы — они притягиваются к инородному телу, обозначая его форму и размер. После завершения диагностики деталь размагничивается. Этот метод подходит только для работы с ферромагнитными материалами. Для исследования требуется полное размагничивание детали, что затрудняет автоматизацию процесса.