Борис Кудрявцев - О неслышимых звуках

Сходные явления наблюдаются и при ультразвуковой дефектоскопии: бывает трудно обнаружить изъяны в каком-либо массивном образце, если они расположены почти у самой поверхности. Промежуток времени, отделяющий посланный и отраженный импульсы, в этом случае очень мал, и отраженный сигнал может прийти до того, как закончился посылаемый. На экране осциллографа изгибы, соответствующие посланному и отраженному сигналам, сольются в этом случае в один общий изгиб. Для преодоления этого затруднения прибегают к устройству так называемой механической задержки.

Механическая задержка, или, что то же самое, механическая линия задержки (рис. 51), представляет собой стержень, помещаемый между излучателем и исследуемой деталью. Таким способом удается увеличить расстояние между излучателем и дефектом, а следовательно, и промежуток времени между посылкой сигнала и приходом эха. С помощью механической задержки можно обнаружить изъяны, расположенные всего в 6 миллиметрах от поверхности.

Механические линии задержки имеют и другое очень интересное применение: они составляют одну из важных частей замечательных счетных машин, построенных в последнее время, машин, быстро выполняющих различные сложные математические вычисления.

В процессе вычисления нам часто приходится «держать в уме» какие-то числа, для того чтобы ввести их в действие, когда это будет необходимо. Нечто подобное должна уметь делать и счетная машина, в которой математические вычисления выполняются в результате последовательных электрических сигналов. Чтобы машина что-либо «держала в уме», необходимо задержать соответствующий электрический сигнал, пока другие сигналы не выполнят необходимых вычислений. Это удается сделать, превратив с помощью кварцевой пластинки электрический сигнал в ультразвук и направив этот последний в линию задержки, представляющую собой в простейшем случае обычную трубочку, наполненную ртутью. На противоположном конце линии задержки ультразвук с помощью второй кварцевой пластинки вновь превращается в электрический сигнал.

За то время, пока ультразвуковой сигнал двигается вдоль линии задержки, счетная машина успевает выполнить различные операции, к результату которых и прибавится сигнал, возникший после обратного превращения ультразвука в электрический импульс. Изменяя длину пути ультразвука, можно заставить счетную машину «держать в уме» результат каких-либо вычислений столько времени, сколько нужно: чем длиннее путь, проходимый ультразвуком, тем дольше «помнит» машина.

Ультразвуковые линии задержки используются также в радиолокаторах — замечательных приборах, позволяющих обнаруживать удаленные предметы, например приближающиеся самолеты, с помощью электромагнитных, или, как мы часто говорим, радиоволн.

Надо признаться, что, рассказывая об ультразвуковой дефектоскопии, мы сознательно умолчали о трудностях, которые встречаются в этой области, выдвигая на первый план ее возможности.

Остановимся же теперь кратко на затруднениях.

Очень большое практическое значение имеет проверка доброкачественности сварных швов, которыми соединяются металлические листы или детали конструкций. В подобном шве всегда могут оказаться дефекты, однако обнаружить их трудно, потому что на практике поверхность сварного шва всегда бывает неровной, и нельзя осуществить хороший контакт между нею и излучателем ультразвуковых сигналов.

Один из способов ультразвуковой дефектоскопии шва изображен на рис. 52. Излучатель и приемник ультразвуковых сигналов располагаются на специальных призмах рядом со швом, там, где поверхность образца гладкая.

Благодаря расположению излучателя на призме ультразвуковой сигнал входит в исследуемый образец наклонно к его поверхности. Достигнув противоположной поверхности, ультразвуковой сигнал отражается, и приемник регистрирует донный сигнал. Если дефект расположен горизонтально, приемник фиксирует добавочное эхо. Если дефект расположен вертикально, донный сигнал или ослабляется, или вовсе исчезает.

На рис. III, д приведен разрез сварного шва со шлаком, обнаруженным в нем ультразвуковым дефектоскопом. Так как в этом случае дефект расположен горизонтально, он был замечен по появлению эхо-сигнала, опережавшего донный сигнал.

В тех случаях, когда ультразвуковая волна падает наклонно к поверхности твердого тела, возникают осложнения. Дело в том, что волны могут быть двух родов: продольные и поперечные. В продольных волнах отдельные частицы вещества, смещаясь то вперед, то назад, колеблются в том же направлении, в котором распространяется волна. В поперечных волнах частицы колеблются в направлении, перпендикулярном распространению волны, так что если волна бежит в горизонтальном направлении, частицы колеблются в вертикальном направлении, двигаясь вверх и вниз.

Звуковые волны в газах и жидкостях — это продольные волны. Но в тех случаях, когда ультразвуковой луч входит в исследуемую деталь наклонно к ее поверхности, в металле возникает, кроме продольной волны, еще и поперечная, причем она распространяется со скоростью почти в два раза меньшей, чем продольная. Естественно, что распространение волн двух видов приводит к возникновению двух эхо-сигналов.

Если учесть все осложнения в результате многократного отражения волн и их взаимодействия друг с другом, станут понятными затруднения, возникающие в некоторых специальных случаях дефектоскопии, в частности при исследовании сварных швов.

Ученые преодолели эти затруднения. Помещая между излучателем и исследуемой деталью специальной формы промежуточную призму (рис. 53), они заставили продольную волну полностью отражаться от поверхности образца. Отраженная продольная волна гасится специальным приспособлением, и в толщу металла проникает только поперечная. Таким способом удается упростить ультразвуковое исследование многих важных деталей.

К наклонному падению ультразвукового луча приходится прибегать не только при исследовании сварных швов.