книги / Применения ультразвука

Ультразвуковые волны создает преобразователь, который рас­ положен под резервуаром. Волны проникают в резервуар и жид­ кость, а потом отражаются от границы жидкость/воздух в связи с изменением акустического импеданса. Отраженные волны при­ нимает тот же самый преобразователь, и с помощью внутренней колебательной цепи определяется время прохождения волны туда и обратно. Таким образом рассчитывают уровень жидкости/масла в любом резервуаре для хранения/обработки. Блок-схема экспе­ риментальной установки, используемой в данном методе, приве­ дена на рис. 5.14.

Во время распространения ультразвуковых волн в среде и про­ хождения отраженных волн обратно к преобразователю нужно учитывать следующие факторы:

(I) Связь преобразователь — среда.

(II) Прохождение ультразвука в среду над уровнем жидкости. (III) Состояние отражающей поверхности.

Рис. 5.14. Уровнемер —экспериментальная установка

Точность определения уровня жидкости/масла зависит от точности измерения времени прохождения и толщины матери­ ала, из которого сделан резервуар. Кроме того, следует обратить внимание на соединение преобразователя с дном резервуара при помощи прослойки, а также на соответствие импедансов преоб­ разователя и материала резервуара.

Уровнемер обладает рядом достоинств:

(I) Бесконтактный метод измерения уровня жидкости/масла в любых резервуарах для хранения/обработки.

(II)Возможность осуществлять дистанционный контроль.

(III)Простые и непрерывные измерения в режиме реального времени даже в опасной зоне и зоне коррозии.

Главный недостаток заключается в том, что метод нельзя при­ менять при очень высоких температурах. Как бы то ни было, в связи с недавним появлением новых технологий изготовления преобразователей и волноводов данную проблему можно мини­ мизировать.

5.4.2. Измерения толщины

Одним из наиболее важных способов применения ультразвука яв­ ляется измерение толщины металла [40—43] при одностороннем доступе. Существуют различные методы, позволяющие измерять толщину таких материалов, как алюминий, медь, стекло, а также тонких труб. В связи с развитием электроники и микропроцессо­ ров на рынке появляются ультразвуковые цифровые измерители толщины. Толщиномер измеряет истинную толщину материала и не учитывает различные поверхностные покрытия, например на­ пыление, полировку и т.д. Большинство инструментов действуют по эхо-импульсному принципу, и в них используется один-един- ственный преобразователь.

Рис. 5.15 иллюстрирует принцип действия цифрового изме­ рителя. В данном методе толщина материала определяется путем измерения времени между первым и вторым эхо-сигналами от задней поверхности образца, а не между падающим импульсом и первым эхо-сигналом. С помощью цифровых измерителей мож­ но проводить измерения на толстых стальных образцах с корро­ дированной поверхностью, с неполированными и грубыми по­ верхностями или с поверхностным покрытием. Рабочая частота преобразователя составляет 20 МГц. Рабочая зона имеет диапазон 1,5—99,9 мм с точностью ±0,1 мм.

Другие методы, широко применяющиеся для замеров сили­ коновых плат, основаны на точном измерении времени рас­ пространения ультразвуковых волн в материале либо методом прямого контакта, либо с использованием устройства временной задержки. В них используется следующее соотношение:

где d —толщина материала, U - скорость в материале, t —время прохождения.

Высокая частота — применение низкой интенсивности Ъ

Ультразвуковой

преобразователь

Тонкая

пластина

тг

Рис. 5.17. Измерения толщины - методлинии задержки

5.4.3. Ультразвуковая микроскопия

Ультразвуковая микроскопия (UM), известная как акустическая микроскопия, представляет собой новейший метод, позволяющий охарактеризовать микроструктуру. UMиспользуется для определе­ ния плотности, изменений морфологических и микроэластичных свойств в рассматриваемой области. Ультразвуковое воспроизве­ дение изображения является важным инструментом для получения характеристик материалов. Ультразвуковая микроскопия аналогич­ на оптической микроскопии на отражение или на просвет и не тре­ бует специальной подготовки образца, типа травления, полировки, изготовления срезов, как в традиционной микроскопии.

Существует несколько методов акустической микроскопии, среди которых выделяется сканирующая акустическая микроскопия (SAM) благодаря своему уникальному качеству изображения и раз­ решению. При рассмотрении применения SAMв исследованиях ма­ териалов мы попытались объяснить ее базовые принципы, действие и различные способы использования. Сердцем акустического мик­ роскопа является сапфирная линза, на задней поверхности которой фиксируется пьезоэлектрический преобразователь. На преобразо­ ватель поступает короткий импульс радиочастоты {if), что приводит к распространению акустического импульса вниз по сапфирному стержню. Линза фокусирует акустический импульс в связующую жидкость (рис. 5.18). Сфокусированный акустический импульс от­ ражается от объекта, изображение которого нужно получить.

В акустической микроскопии есть два режима работы. В пер­ вом режиме, называемом работой на отражение, объект поме-

Рис. 5.18. Простейшая геометрия линзы в ультразвуковой микроскопии на отражение

щается в фокусе сапфирной линзы. Следовательно, отраженные акустические волны возвращаются обратно по тем же траектори­ ям. После этого они преобразуются преобразователем в электри­ ческий импульс. Сила (амплитуда) отраженного импульса зависит от исследуемого объекта. Величина амплитуды используется для регулировки яркости луча. Чтобы получить изображение объекта, осуществляется растровое сканирование линзы над образцом. Во втором режиме, то есть при работе на просвет, акустические вол­ ны пропускают через исследуемый объект. Интенсивность волн, возникающих на противоположной стороне объекта, использует­ ся для изучения его природы. Таким образом, в режиме отраже­ ния микроскоп позволяет получать изображение характеристик приповерхностного слоя образца, в то время как второй режим помогает изучать внутреннюю структуру толстых образцов.

Опираясь наданный принцип, Квейт и егоколлеги (1970—1980) [44—46] развили сканирующий акустический микроскоп до уров­ ня научного инструмента. Благодаря прогрессу в области элект­ роники инструмент обладает высокой степенью технологическо­ го совершенства. Врезультате он стал естественным дополнением традиционной оптики, электроники и другой микроскопической техники, предназначенной для получения характеристик мате­ риалов. Важнейшими характеристиками SAM являются высокое

разрешение, контрастность изображения поверхности и внутрен­ ней структуры материалов. Как правило, разрешение составляет от 500 микрометров до 20 нанометров. Рабочая частота SAMизме­ няется от 50 МГц до 1 ГГц.

Чтобы получить характеристики материалов, необходимо из­ мерить в них скорость поверхностной акустической волны (SAW). SAM основана на принципе изменения амплитуды и фазы в зави­ симости от расстояния междулинзой акустического микроскопа и образцом, что обычно называют акустической сигнатуройматери­ ала, или V(Z)-эффектом. <$4 ^измеряется с помощью К(%)-кривой (V — напряжение, Z —расстояние дефокусировки) посредством перемещения линзы микроскопа строго вертикально и перпенди­ кулярно отражающей поверхности. Регистрируются значения на­ пряжения отраженного сигнала, которые находятся в промежутке между серией максимумов и минимумов, вызываемых изменени­ ем расстояния от линзы до образца. Наблюдаемые максимумы и минимумы связаны с разностью фаз между центральным лучом и незеркально отраженным критическим лучом, которая зависит от расстояния между линзой и образцом. Типичная схема лучей в акустической микроскопии приведена на рис. 5.19.

Znnnf

Рис. 5.19. Изменение напряжения в зависимости от расстояния дефокусировки

В связи с технологическим прогрессом открылось много воз­ можностей для неразрушающих испытаний изотропных [47,48] и анизотропных материалов [49, 50]. Создание акустической линзы с линейным фокусированием позволяет изучать анизотропные материалы в акустической микроскопии. С помощью акустичес­

кой микроскопии можно получать характеристики таких мате­ риалов, как керамика [51, 52], материалы для микроэлектроники [53], металлические образцы [54], полимеры [55—57], композици­ онные материалы [58, 59], высокотемпературные сверхпроводя­ щие материалы [60], волоконно-оптические материалы [61], кам­ ни [62], биологические ткани и клетки [49].

Когда металл переходит из жидкого состояния в твердое, в литейных сплавах возникает пористость из-за усадочной дефор­ мации во время застывания и снижения растворимости попутных газов. Такие поры пагубны для усталостной прочности литейных изделий, поскольку благодаря им образуются трещины. Данный фактор сработал против применения литья в критически нагру­ женных компонентах, даже несмотря на то что отливки, особен­ но те, профиль которых близок к заданному, менее дороги по сравнению с коваными или обработанными на станке деталями. Уменьшение усталостной долговечности связано с размером пор и расстоянием между порами и участком поверхности, где прилага­ емое давление максимально [63]. Степень пористости изменяется от низкой там, где отливка начинает застывать, до высокой в тех местах, где застывают последние части металла. Усталостная дол­ говечность материала в отливках уменьшается в направлении рас­ пространения затвер­ девания [64]. В связи с этим имеет смысл получить характерис­ тику пор в отливках.

Как правило, это осу­ ществляется с помо­ щью рентгеновской дефектоскопии. На рис. 5.20 изображены поры в кокильных отливках А356 алю­ миниевого сплава, полученные методом SAM. Пора, отмечен­ ная стрелкой, была также обнаружена с помощью рентгенов­ ской дефектоскопии.

5.4.4. Голография

Акустическая голография [65—68] применяется для обнаруже­ ния дефектов, расположенных глубоко в составных структурах, то есть дефектов, которые невозможно выявить с помощью тра­ диционных ультразвуковых методов. Голография — это процесс сохранения трехмерного изображения на двухмерной поверх­ ности носителя записи. Важным требованием голографии явля­ ется наличие монохроматических когерентных источников. Для создания голограмм используются такие оптические источники, как лазер. Ультразвуковая волна представляет собой когерент­ ный источник излучения и, следовательно, может применяться для формирования акустических голограмм вместо оптического источника.

Принцип акустической голографии аналогичен тому, что ис­ пользуется в оптической голографии. Оптическая голография основана на явлении интерференции, которая проявляется на фотографической пластинке вследствие наложения двух волн, а именно: волны, отраженной от объекта и содержащей информа­ цию о нем, и опорной волны. Изображение, записанное на фото­ пластинке, называется голограммой. Условие когерентности мож­ но легко реализовать, поскольку ультразвуковой преобразователь генерирует волны узкого частотного диапазона.

Разрешение в поперечном направлении задается в виде:

(5.14)

где А. —длина ультразвуковой волны, d —глубина дефекта, D — диаметр голографической апертуры.

Разрешение повышается в случае одновременного сканирова­ ния излучателем и приемником [66]. Повышенное разрешение в продольном направлении составляет:

(5.15)

Следовательно, точность акустической голографии при опре­ делении размеров дефектов зависит отдлины ультразвуковой вол­ ны, а при фиксированной величине d/D не зависит от глубины. Как правило, разрешение в продольном направлении хуже, чем в поперечном. Главное достоинство данного метода заключается в