Акустические методы

УДК 620.179.16

ФИЗИКА, ТЕРМИНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ

В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ГОЛОВНЫМИ ВОЛНАМИ¹

¹АО «НПО «ЦНИИТМАШ», Россия 109088 Москва, ул. Шарикоподшипниковская, 4

^*E-mail: NPRazygraev@cniitmash.com

Поступила в редакцию 25.06.2020; после доработки 08.07.2020

Принята к публикации 10.07.2020

Целью данной работы является исследование, дополнительная проработка и анализ физики, истории и терминоло-

гии в ультразвуковой дефектоскопии металлов головными волнами.

Ключевые слова: акустическая волна, продольная волна, поперечная волна, головная волна, продольно-поверхност-

ная волна, подповерхностная волна, боковая волна, lateral wave, ползучая волна, creeping wave, критический угол, уль-

тразвуковой контроль металлов.

DOI: 10.31857/S0130308220090018

ВВЕДЕНИЕ

В начале 2019 г. в подкомитет ПК 3 «Ультразвуковой контроль» ТК 371 для разработки

поступили новые стандарты, в том числе предполагаемая редакция стандарта ГОСТ Р 5577 (ISO

5577—2017) «Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Словарь». Стандарт уста-

навливает термины по ультразвуковому методу неразрушающего контроля и в дальнейшем

может составить общую основу для стандартов России и общего использования.

Международный стандарт разработан Европейским Комитетом по Стандартизации (CEN)

Техническим Комитетом CEN/TC 138 «Неразрушающий контроль» в сотрудничестве с Техническим

Комитетом ISO/TC 135 «Неразрушающий контроль», подкомитетом SC 3 «Ультразвуковой кон-

троль».

В стандарте не впервые предложены специфические термины по УЗК металлов головными

волнами, которые находятся в некотором несоответствии с терминологией предложенной в СССР

в 1970—80 гг. и используемой в России.

Примерно в это же время в украинском журнале «Техническая диагностика и неразрушающей

контроль» опубликована статья «О терминологических особенностях в обозначении ультразвуко-

вых волн, образующихся при первом критическом угле» [1]. В ней авторы рассматривают имею-

щееся широкое многообразие терминов при отображении и применении головных волн (ГВ) в УЗ

дефектоскопии металлов и в сейсмоакустике двухслойных и многослойных сред.

Одновременно следует отметить, что в последние годы в статьях и в выступлениях имели

место систематические обсуждения по терминологии акустического тракта ультразвукового кон-

троля головными волнами. Много лет посвятив исследованиям головных волн и развитию тех-

нологий на основе их использования, по договоренности с председателем подкомитета проф.,

д.т.н. Г.Я. Дымкиным, специалисты ЦНИИТМАШ приняли на себя проработку новой редакции

стандарта, а мною подготовлена настоящая статья.

НАЧАЛО И ПРЕД ИСТОРИЯ УЗК МЕТАЛЛОВ ГОЛОВНЫМИ ВОЛНАМИ

Украинская публикация особенно интересна и важна в связи с тем, что в 2022 г. исполняется

50 лет со времени пришествия в ультразвуковую дефектоскопия металлов головных волн.

В 1972 г. в лаборатории ультразвуковых методов исследования металлов (ЛУЗМИМ)

ЦНИИТМАШ проводились исследования акустических характеристик сталей оборудования и

трубопроводов АЭС с ВВЭР-1000. В процессе экспериментальных исследований впервые в уль-

тразвуковой дефектоскопии металлов были обнаружены и зафиксированы на экране ультразвуко-

вого дефектоскопа USIP-10 фирмы Крауткремер, имеющем динамический диапазон экрана 36 дБ

(это оказалось весьма важным в экспериментальных исследованиях), неизвестные ранее сигналы

очень быстрой волны — они раньше всех других импульсов приходили на приемник и были при-

мерно на два порядка слабее объемных продольной и поперечной волн. Н.П. Разыграев совместно

¹Статья является дискуссионной. Редколлегия имеет право не соглашаться с мнением авторов.

Н.П. Разыграев

с И.Н. Ермоловым достоверно интерпретировали эту волну — как аналог головных волн в сейс-

моакустике, доказали возможность использования их для выявления при- и подповерхностных

дефектов в металле и доложили об этом в 1974 г. в Киеве на Всесоюзной конференции по нераз-

рушающему контролю [2].

На основании исследований головных (в том числе боковых) волн, разработок новых способов

и технологий УЗК, внедрения этих разработок на предприятиях и в организациях СССР и других

стран Н.П. Разыграев под научным руководством проф., д.т.н. И.Н. Ермолова подготовил и защи-

тил в

1979 г. диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук

«Экспериментальные исследования продольных подповерхностных волн и применение их для

обнаружения подповерхностных дефектов в деталях энергетических установок» [3]. Все результа-

ты исследований были опубликованы до и после защиты диссертации.

Ниже представлены результаты исследований ЦНИИТМАШ, обсуждаются первичные терми-

ны, предложены термины и их определения в ГОСТ Р—ISО.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ФИЗИКА ГОЛОВНОЙ ВОЛНЫ

Выполненные в ЦНИИТМАШ в 1973—75 гг. в рамках научно-исследовательской работы Т-76:

«Исследование боковых ультразвуковых волн, с целью определения возможности контроля подпо-

верхностного слоя деталей энергетических машин (поисковая)» [4] оригинальные пионерские

исследования возбуждения, распространения и приема головных волн в металле показали возмож-

ность использования их для обнаружения дефектов в при- и подповерхностном слое глубиной

1—15 мм. На основе использования головных волн были разработаны новые способы ультразву-

кового контроля качества материалов, защищенные авторскими свидетельствами [5, 6, 7].

В процессе экспериментально-теоретических исследований 1972—79 гг. акустических волн

головного типа было установлено, что:

1. Оптимальным углом возбуждения и приема головных воли является первый критический

угол α₁(для границы оргстекло—сталь α₁ ≈ 27,5°) [8].

2. При использовании излучателей и приемников головных волн с пьезоэлементами диаметром

12 и 18 мм и частотой 1—5 МГц и промышленных дефектоскопов головные волны можно зареги-

стрировать на расстоянии 200—300 мм; ослабление амплитуды головной волны с расстоянием

пропорционально квадрату расстояния при контроле в иммерсионном режиме (А~ r^-2) и при

контроле контактными искателями А~ r-1,75 [9].

3. Акустическое поле головной волны в контролируемой среде характеризуется наличием

минимума (нуля) напряжений на контактной поверхности. Максимум амплитуды поля находится

на определенном луче. При использовании излучателей и приемников головных волн с пьезоэле-

ментами диаметром 12 и 18 мм и частотой 1—5 МГц этот луч образует с контактной поверхностью

угол примерно равный 12° [10].

4. Для возбуждения и регистрации головных волн наиболее удобны призматические искатели;

при контроле эхометодом раздельно-совмещенные искатели с обязательным разделением функций

излучателя и приемника [11]. Разработаны конструкции двух типов искателей для контроля при-

поверхностного слоя:

4.1. Искатели типа ИЦ-61(-91) осуществляют схему «тандем» (излучатель и приемник распо-

ложены один за другим по отношению к отражателю), позволяют проводить ультразвуковой кон-

троль на расстоянии 5—70 мм от искателя и обеспечивают обнаружение дефектов с отношением

сигнал/шум не менее 10 дБ.

4.2. Искатели типа ИЦ-70 работают по схеме «дуэт» (излучатель и приемник расположены

рядом на одном расстоянии от отражателя), обеспечивают обнаружение дефектов на расстоянии

5—20 мм с соотношением сигнал/шум не менее 14 дБ.

5. Исследование выявляемости подповерхностных дефектов головными волнами показало,

что: амплитуда эхосигнала от дефекта пропорциональна площади отражающей поверхности; зави-

симость амплитуды эхосигнала от расстояния изменяется по сложному закону [12].

На основании проведенных исследований возбуждения, распространения и приема головных

волн в ЦНИИТМАШ было разработано следующее физическое представление о них.

При падении продольной волны на границу раздела сред под первым критическим углом α₁ в

нижней среде образуется неоднородная продольная волна (продольно-поверхностная), которая

скользит вдоль поверхности (рис. 1). При распространении этой волны вдоль границы обеспечи-

вается выполнение граничных условий. При контроле иммерсионным способом эти условия:

равенство нулю касательных напряжений и равенство нормальных напряжений. При контроле

Дефектоскопия

№ 9

2020

Физика, терминология и технология в ультразвуковой дефектоскопии головными волнами

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ГОЛОВНОЙ ВОЛНЫ

ОРГСТЕКЛО—СТАЛЬ

ВОДА—СТАЛЬ

Рис. 1. Возбуждение, распространение головной волны вдоль границы раздела и прием.

контактным способом граничные условия более сложны и различны для участка, где расположена

призма искателя, и для свободной поверхности, где нормальные и касательные напряжения равны

нулю.

Это, однако, не означает отсутствия волны, поскольку деформации на поверхности существу-

ют. Выполнение граничных условий при распространении неоднородной продольной (продольно-

поверхностной) волны обеспечивается за счет боковых волн (продольных и поперечных), образу-

ющихся как в нижней, так и в верхней средах.

Для сравнения можно вспомнить, что при распространении поверхностной волны вдоль сво-

бодной границы условие равенства нулю нормальных и касательных напряжений выполняется

благодаря одновременному присутствию неоднородных продольных и поперечных волн.

Поверхностная волна, как известно, является комбинацией продольной и поперечной волн, рас-

пространяющихся вдоль поверхности с одинаковой скоростью поверхностной волны, которая

несколько меньше скорости поперечной волны.

В нашем случае, с неоднородной продольной (продольно-поверхностной) волной распростра-

нение волны вдоль границы как в верхней, так и в нижней средах происходит со скоростью про-

дольной волны в нижней среде. Это означает, что в верхней среде фронты боковой продольной

волны в случае с жидкостью, или боковых продольной и поперечной волн в случае с оргстеклом,

и боковой поперечной волны в нижней среде (в стали), также распространяются со скоростью про-

дольной волны в нижней среде.

Наличие продольной боковой волны в верхней среде позволяет фиксировать неоднородную

продольно-поверхностную волну с помощью наклонного искателя — контактного или иммерсион-

ного. В случае иммерсионного режима контроля боковая волна в жидкости возбуждается в каждой

точке границы. При контроле контактным способом напряжения на границе воздух—сталь прак-

тически равны нулю. Когда же с этой границей соприкасается наклонный преобразователь через

слой контактной жидкости, нормальные напряжения на границе уже не равны нулю, что приводит

к образованию продольной боковой волны в призме приемника.

Оптимальным углом возбуждения и приема продольно-поверхностной волны является первый

критический угол (рис. 2). Его значение определяется из закона Снеллиуса:

sin α1 = Clорг / Сlст ,

где Clорг — скорость продольной волны в оргстекле; Сlст — скорость продольной волны в стали.

Для границы оргстекло—сталь первый критический угол примерно равен 27,5°. Такой угол

падения имеют призмы излучателя и приемника головных волн.

Кроме боковой продольной волны в верхней среде (если она твердая) образуется боковая

поперечная волна. Угол между направлением боковой поперечной волны и нормалью к границе

раздела определяется также законом Снеллиуса:

sin β_t = Ctорг / Сlст ,

где Ctорг — скорость поперечной волны в оргстекле.

Дефектоскопия

№ 9

2020

Н.П. Разыграев

ИССЛЕДОВАНИЯ ГОЛОВНЫХ ВОЛН

Рис. 2. Возбуждение (слева) и прием (справа) головной волны при различных углах и ослабление головной волны

с расстоянием (в центре).

В нижней среде (в стали) в каждой точке на границе раздела сред генерируется боковая попе-

речная волна. Фронт этой волны распространяется также со скоростью продольной волны в ниж-

ней среде. Угол между направлением фронта поперечной волны и нормалью к границе раздела

также определяется законом Снеллиуса и называется третьим критическим углом:

sin β₃ = Ctст / Сlст ,

где Ctст — скорость поперечной волны в стали.

При падении поперечной волны на границу сталь—воздух под третьим критическим углом

(β₃≈ 33^о) на противоположную (донную) поверхность на ней в строгом соответствии с законом

Снеллиуса образуется неоднородная продольно-поверхностная волна (рис. 3) и сопутствующие

ей боковые (продольные и поперечные) волны по обеим сторонам от границы раздела сред.

ПОЛЕ ГОЛОВНОЙ ВОЛНЫ В КОНТРОЛИРУЕМОЙ СРЕДЕ

Рис. 3. Падение боковой поперечной волны на донную поверхность и образование волн на ней.

Если контролю подвергается изделие с плоскопараллельными поверхностями, то на донную

поверхность, благодаря образованию боковой поперечной волны в каждой точке контактной

поверхности, начиная от точки выхода излучателя (и точки ввода на контактной поверхности) и

ее распространению под третьим критическим углом, падают поперечные волны (см. рис. 3). Т.е.

на донную поверхность падает фронт боковых поперечных волн. В каждой из точек фронта на

Дефектоскопия

№ 9

2020

Физика, терминология и технология в ультразвуковой дефектоскопии головными волнами

границе сталь—воздух возбуждается продольно-поверхностная волна и сопровождающая ее боко-

вая волна. Этот процесс происходит как на нижней донной поверхности, так и на верхней контакт-

ной поверхности, но с запаздыванием во времени и с ослаблением волны. В сейсмоакустике каж-

дому из импульсов пришедших на приемник в результате образования этих или аналогичных

вторичных продольно-поверхностных и боковых волн, присваивают наименование головной

волны с очередным номером: головная волна 1, головная волна 2 и т.д. [13]. В сейсмоакустике

параметры импульсов этих головных волн используются для оценки состояния сред.

Одновременно с возбуждением продольно-поверхностной волны образуется и обратная про-

дольно-поверхностная волна — распространение упругого возмущения в сторону противопо-

ложную основному излучению. Оказалось, что обратную волну можно использовать в практике

УЗК [3].

Образование боковых волн является причиной быстрого ослабления продольно-поверхност-

ной волны. При распространении волны вдоль границы вода—сталь боковые волны образуются в

обеих средах и ослабление амплитуды, как показали результаты исследований, пропорционально

r^-2. В случае контактного способа контроля на свободной поверхности образуется лишь боковая

поперечная волна в стали (боковая продольная волна в воздухе ничтожно мала и не отводит энер-

гию в воздух), ослабление продольно-поверхностной волны пропорционально r^-1,75, т.е. происхо-

дит медленнее, чем в иммерсионном режиме (см. рис. 2).

Рассмотренная на рис. 1 картина распространения головной волны дает лучевое представление

обо всех видах волн, образующихся в этом процессе. Необходимо особо отметить, что фронты

боковых волн являются плоскими, а данный способ возбуждения волн является единственным

способом получения плоских волн.

В реальных условиях ультразвукового контроля наклонным искателем акустическое поле излу-

чающего пьезоэлемента имеет не плоскую форму, а представляется в виде пучка с определенной

диаграммой направленности. Это означает, что от излучателя, акустическая ось которого ориенти-

рована под первым критическим углом к контактной поверхности, на границу также падают про-

дольные волны с углами падения меньше и больше первого критического. Продольные волны с

углами падения большими первого критического образуют в нижней среде неоднородные про-

дольно-поверхностные волны. Энергия этих волн уменьшается с увеличением отклонения угла

падения от первого критического угла.

Продольные волны, падающие под углами, меньшими 1-го критического, преломляются на

границе раздела, участвуют в формировании и образуют в нижней среде поле продольной подпо-

верхностной волны со сферическим фронтом, начало которого совпадает с фронтом продольно-

поверхностной волны (см. рис. 3). Значения амплитуд по сферическому фронту продольной волны

связаны с амплитудой волны в направлении преломленного луча, которая качественно определя-

ется суперпозицией соответствующего значения из диаграммы направленности на коэффициент

прохождения по амплитуде (энергии).

Продольная подповерхностная волна неразрывно связана с неоднородной продольно-поверх-

ностной волной. Она подпитывает ее и в связи с этим вблизи поверхности поле объемной про-

дольной подповерхностной волны имеет энергетический минимум. Этот эффект особенно про-

является в описании задачи Гурвича (будет ниже), когда продольная волна прямого искателя

распространяется вдоль вертикальной плоской несплошности. На плоских берегах несплошно-

сти образуются продольно-поверхностные и боковые поперечные волны и отводят энергию в

стороны от оси диаграммы направленности. Акустическое поле (диаграмма направленности)

продольной волны раздваивается, а амплитуда донного сигнала существенно уменьшается.

Исследования подтвердили, что нулевое значение напряжений продольной подповерхностной

волны достигается на свободной поверхности, а максимальное значение находится под поверхно-

стью и достигается вдоль луча, образующего с поверхностью угол, примерно равный 12^о(угол

ввода 78^о) (см. рис. 3). При дефектоскопии волна не чувствительна к неровностям поверхности и

реагирует лишь на дефекты отходящие от поверхности внутрь изделия и подповерхностные

дефекты. В связи с этим волну предложено называть подповерхностной волной.

Ослабление амплитуды продольной подповерхностной волны вдоль любого луча с углом ввода

менее луча с максимальной амплитудой происходит как в обычной продольной волне, т.е. пропор-

ционально r^-1. Для других углов ввода эта закономерность требует дополнительного исследования.

При контроле изделий с сопряжениями (рис. 4) условия распространения головной волны

несколько изменяются. Когда фронт продольно-поверхностной и продольной подповерхностной

волн достигает сопряжения детали, продольно-поверхностная волна частично перерождается в

объемную продольную волну, а частично распространяется с весьма малой амплитудой вдоль

Дефектоскопия

№ 9

2020

Н.П. Разыграев

Поле головной волны после прохождения зоны

сопряжения: 1— R = 7,5 мм; 2 — R = 0,02 мм

(частота 1,8 МГц)

Рис. 4. Акустическое поле головной волны за сопряжением контролируемой детали.

линии сопряжения. Продольная подповерхностная волна минует (и частично огибает в результате

дифракции) сопряжение и распространяется вдоль воображаемой линии контактной поверхности.

Акустическое поле, образуемое за сопряжением, представляет собой объемную продольную

волну, с помощью которой можно обнаруживать дефекты за сопряжением и под ним (см. рис. 4).

Здесь существенно еще раз отметить тот факт, что ослабление продольной волны за сопряжением

в связи с отсутствием боковых волн происходит по закону r^-1. Это позволяет обнаруживать с помо-

щью головных волн дефекты на больших расстояниях, чем при расположении их под гладкой

поверхностью. В данном случае можно говорить об эффекте усиления головной волны.

Такой же эффект усиления головной волны имеет место при распространении продольной

подповерхностной волны под резьбой и/или под поверхностью типа резьбы (рис. 5). Здесь на

участке расположения периодических выступов и впадин (резьбы) нет продольно-поверхност-

ной волны, не образуются боковые волны и не затрачивается энергия на их образование. В связи

с этим амплитуда эхосигналов от дефектов одних и тех же размеров, расположенных под резь-

бой, больше, чем от аналогичных отражателей (поверхностных и подповерхностных дефектов)

под гладкой поверхностью.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ГОЛОВНОЙ ВОЛНЫ ПОД РЕЗЬБОЙ

Рис. 5. Распространение головной волны под резьбой.

Дефектоскопия

№ 9

2020

Физика, терминология и технология в ультразвуковой дефектоскопии головными волнами

Будем учитывать особенности акустического поля излучателя с углом падения, равным перво-

му критическому углу:

наличие неоднородной продольно-поверхностной и подповерхностной волн;

образование боковых волн в контролируемой и прилегающей средах;

быстрое ослабление неоднородной продольно-поверхностной волны с расстоянием;

а также то, что продольные волны распространяются с максимальной скоростью звука и пер-

выми приходят на приемник.

В результате всей совокупности этих волн присвоили специфический для ультразвуковой

дефектоскопии материалов термин — головные волны, по аналогии с головными волнами в сейс-

моакустике. Этот термин подчеркивает, что импульсы рассматриваемой головной волны распро-

страняются с максимальной скоростью и первыми достигают приемника, что во многих случаях

весьма благоприятствует интерпретации сигналов, расшифровке результатов контроля и повышает

эффективность технологии УЗК головными волнами.

Применение физического представления о головной волне позволило найти объяснение, а

затем и решение двум необъяснимым на начало 70-ых годов задачам акустического тракта.

Первая задача состояла в неоднозначной зависимости амплитуд эхосигналов от размеров

(высоты и ширины) зарубок, сегментов и двугранных углов при контроле искателями с углом паде-

ния (призмы) 28—30° или углом ввода β ≈ 57° (= 90—33°). Как правило, например, при угле ввода

45°, амплитуда эхосигнала от углового отражателя увеличивается строго пропорционально раз-

меру отражателя. Эту задачу мы называем задачей А.З. Райхмана, который первым обнаружил и

описал ее (рис. 6). Объяснение было найдено и предложено нами, когда во внимание было при-

нято то, что амплитуда эхосигнала от зарубки складывается в результате интерференции (сложения

в соответствующих фазах) импульсов от:

лучей объемной поперечной волны с углами ввода от 33° и более;

неоднородной продольно-поверхностной волны, образующейся при падении на донную

поверхность части ультразвукового пучка под третьим критическим углом, равным 33°;

боковой поперечной волны на донной поверхности и ее отражения от зарубки.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА С ПОМОЩЬЮ ТЕОРИИ ГОЛОВНЫХ ВОЛН

Задача Райхмана

Задача Гурвича

Рис. 6. Рассмотрение задачи Райхмана и задачи Гурвича с учетом физики головной волны.

Математическое решение задачи выполнено А.З. Райхманом и его учеником С.П. Переваловым

и вошло в кандидатскую диссертацию последнего и докторскую диссертацию А.З. Райхмана.

Вторая задача акустического тракта, требовавшая решения, заключалась в уменьшении дон-

ного эхосигнала продольной волны при наличии на пути распространения ультразвука плоского,

ориентированного вдоль направления распространения ультразвука, разрыва, несплавления, про-

пила, трещины (см. рис. 6). Эту задачу я назвал задачей Гурвича, так как впервые услышал ее от

Дефектоскопия

№ 9

2020

Н.П. Разыграев

А.К. Гурвича на семинаре молодых ученых-дефектоскопистов УЗД в Гурзуфе в апреле 1973 г.,

организованном ЦК ВЛКСМ и прошедшем под его научным руководством. Объяснение и решение

этой задачи было найдено, когда мы уяснили и поняли, что при распространении продольной

волны вдоль плоского разрыва сплошности на его берегах (двух плоских поверхностях) образуют-

ся неоднородные продольно-поверхностные волны и сопровождающие их боковые поперечные

волны (см. закономерность 2 на рис. 2 для одной поверхности, а здесь в зеркально-теневом спосо-

бе сразу две поверхности-берега трещины), которые отводят в стороны значительное количество

энергии волны и резко уменьшают амплитуду донного эхосигнала.

В заключении настоящего раздела важно напомнить следующее. До наших исследований

1972—1976 гг. в ультразвуковой дефектоскопии металлов считалось, что при падении продольной

волны под первым критическим углом волна полностью отражается от границы раздела: в нижней

среде не образуется ни продольной, ни поперечной волн. Это называлось эффектом полного вну-

треннего отражения. Этот эффект четко просматривается на расчетной зависимости коэффици-

ентов прохождения и отражения от угла падения (и ввода) на рис. 7 для границы оргстекло—сталь

[14]. В точках первого критического угла коэффициенты прохождения продольной и поперечной

волн равны нулю. Наши экспериментальные исследования показали, что при первом критическом

угле в нижней среде образуются продольно-поверхностные волны и подповерхностные продоль-

ные волны, которые можно использовать в ультразвуковой дефектоскопии металлов.

D_L, D_r

0,4

0,3

0,2

0,1

α, °

Рис. 7. График зависимости коэффициента прохождения по энергии при падении продольной волны под углом на гра-

ницу оргстекло—сталь.

О ТЕРМИНАХ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ МЕТАЛЛОВ

ГОЛОВНЫМИ ВОЛНАМИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

Наши пионерские исследования в УЗД головными волнами позволили уяснить процессы рас-

пространения продольных и поперечных волн вблизи первого и третьего критических углов. В

связи с обнаружением новых закономерностей в образовании волн пришлось найти приемлемые

для УЗД металлов названия и термины. В ультразвуковой дефектоскопии появились новые терми-

ны: головные, боковые, неоднородные продольно-поверхностные и подповерхностные

волны. В 1970—80 гг. многие специалисты в УЗД поддержали и приняли предложенные нами

термины. Во-первых, мы были первыми исследователями этих волн, во-вторых, работа была

выполнена в лаборатории ЛУЗМИМ ЦНИИТМАШ под руководством проф., д.т.н. И.В. Ермолова.

Авторитет И.Н. Ермолова и его лаборатории в мировой и тем более в советской УЗД были широко

признаны, а наши работы по УЗД головными волнами его еще более обогатили и укрепили.

В-третьих, и это очень важно для нашего нынешнего обсуждения, все эти названия (термины)

хорошо и в полной мере интерпретируют специфическую физическую картину возбуждения, рас-

Дефектоскопия

№ 9

2020

Физика, терминология и технология в ультразвуковой дефектоскопии головными волнами

пространения и приема ультразвуковых продольных, поперечных и неоднородных волн, имеющих

место при падении продольной волны под 1-ым критическим углом (и близких к нему углах) и при

третьем критическом угле падения. На наш взгляд, они четко определяют «смысловое содержание

терминов», о котором авторы украинской статьи высказываются в п.1 на стр. 4. Именно такое изо-

бражение и представление о головной волне, как комплексе волн, и составляющих ее волнах,

позволило четко и однозначно рассмотреть и решить задачи Райхмана и Гурвича, объяснить чис-

ленную и качественную разницу в ослаблении головной волны с расстоянием при распростране-

нии волны вдоль свободной границы (с воздухом) и в иммерсионном режиме, а также понять и

уяснить физику явления усиления головной волны при распространении под поверхностью типа

резьбы, на которой в УЗД не может распространяться продольно-поверхностная волна и не воз-

буждаются боковые (продольные и поперечные) волны, и после прохождения сопряжения детали.

Не все коллеги поддержали нашу терминологию, при этом и мы (авторы предложенных терми-

нов), и наши оппоненты из прикладной и теоретической акустики ссылались на книгу академика

Л.М. Бреховских [13]. В ней он описывает распространение упругих (акустических) волн в слои-

стых средах в горных породах и воде. Как правило — это звуковые волны с частотой 20—20000 Гц,

которые слышит человеческое ухо, и гиперзвуковые волны с частотой менее 20 Гц, которые человек

уже ощущает всем телом. Но не дай бог вам ощутить их, т.к. это может означать, что вы попали в

зону землетрясения.

Напомню, что ультразвуковые волны с частотой более 20000 Гц ухо человека не слышит, и тем

более оно не слышит ультразвуковые волны с частотой 1—10 МГц, которые используются в уль-

тразвуковой дефектоскопии металлов.

Известно, что некоторые представители животного мира используют ультразвуковые волны

для передачи информации между собой и координации в пространстве. Это, прежде всего, летучие

мыши, которые прекрасно ориентируются в темноте, благодаря наличию ультразвуковых локато-

ров, и дельфины. Низкочастотные ультразвуки (писк), издаваемые этими животными, слышит и

человек, но по-разному в зависимости от физиологического состояния.

В нормативной и технологической документации на УЗК основного металла, сварных соеди-

нений и наплавок в энергетическом и тяжелом машиностроении и в энергетике, в которых работал

ЦНИИТМАШ, а также в трудах и документах по УЗД в других областях техники и промышлен-

ности использовались термины предложенные нами. Вместе с тем предложенная терминология не

вполне удовлетворила отдельных специалистов в области акустических исследований и сейсмоа-

кустики. Но они все-таки работали в другой области науки, техники и технологии.

Так, в [15] для обозначения предложенной нами одной из составляющих головной волны —

продольно-поверхностной волны — используется термин поверхностно-продольная волна и

ничего не говорится о продольной подповерхностной волне. Специалисты, пришедшие в УЗД из

технической акустики (обучавшиеся в вузах или ранее работавшие), участвовавшие в обсуждении

новых терминов, любили поговорить и обсудить новые термины, но в целом приняли нашу терми-

нологию, тем более, что она в основном использовалась в ультразвуковой дефектоскопии метал-

лов.

Вместе с тем авторы новых книг, учебников, справочников, статей и стандартов по УЗД, как

правило, в полной мере не владели описываемыми явлениями, закономерностями и терминами,

иногда были не согласны с нашими терминами, но обойтись без описания способов и технологии

УЗК головными волнами уже не могли. Отсюда появились их собственные представления о голов-

ных волнах. Они без обсуждения с авторами и первыми исследователями метода на свой лад вво-

дили термины, давали свои интерпретации, печатали их в книгах, журналах, стандартах. В част-

ности, в 2003 г. собственные описания физики и технологии УЗК головными волнами представле-

ны у Ю.В. Ланге и В.А. Воронкова [16], другие привлекают собственные термины, например,

скользящая волна [17], который в 1991 г. взят из сейсмоакустики.

Иностранные ученые и специалисты (немецкие, сотрудничающие с фирмой Крауткремер и

ЦНИИТМАШ) по следам наших работ опубликовали свои статьи и патент [18, 19], в которых для

обозначения продольно-поверхностной волны использовали термин ползучая волна, который в

данном случае исходит от эффекта ползучесть металла (изменение (увеличение) размеров метал-

лического элемента, например, длины окружности трубы, под действием давления и температу-

ры): kriechwellen (немецк.) и creeping wave (англ.). Головной же волной они называют боковую

поперечную волну в металле. При этом они не ссылаются на наши исследования головных волн и

на наши российские пионерские в мировой УЗД металлов научные труды, термины и технологии.

Но уже в 1986 г. в книге фирмы Крауткремер «Ультразвуковая дефектоскопия материалов» [20]

авторы (в их числе соавторы указанного выше немецкого патента) приводят многочисленные

Дефектоскопия

№ 9

2020

Н.П. Разыграев

ссылки (№ № 411, 412, 413 и 1240) на наши пионерские и оригинальные исследования и разработ-

ки в области УЗК металлов головными волнами. На русском языке книга была издана под редак-

цией профессора, доктора технических наук В.Н. Волченко в изд-ве «Металлургия», Москва,

1991 г., 752 с. И в ней наряду с термином головная волна, в нашем понимании, как комплекса

волн, используется термин ползучая волна для обозначения продольно-поверхностной волны.

Дополнительно отметим, что термин ползущая волна, который появился позже, в 90-ые годы, на

наш взгляд неверно переведен и неправомерно используется в некоторых стандартах, документах

и трудах на русском языке, т.к. в данном случае волна не скользит (не ползет по поверхности) сна-

ружи, а распространяется в нижней среде по и вдоль поверхности контролируемого металла.

К глубокому сожалению, после развала СССР наша дефектоскопическая общественность в неко-

торой степени утратила свою монолитность, в особенности после ухода отцов-основателей.

Некоторые псевдоученые и менеджеры попытались сделать себе имя на «ползущих» волнах, не зная

о головных волнах в СССР; другие, не разобравшись в результатах своих исследований, докладыва-

ли на конференции УЗДМ о своих новейших достижениях по УЗ контролю приповерхностного слоя.

Отдельные «мало сведующие» специалисты открыли для себя и стали публиковать статьи по УЗД

металлов «ползущими» зарубежными волнами, не зная о научных работах и технологических раз-

работках ученых и специалистов СССР и России по головным волнам и не упоминая о них.

Некоторые соображения по «конкретным материалам из нормативно-технической и специальной

литературы» из статьи [1] по п. 1—11 на с. 1—4. (№ пунктов и литературные ссылки в статье 1.)

Пункт 1. Авторы ссылаются на стандарт по сейсмоакустике и его термины. Считаю, что не

следует впутывать сейсмоакустику в ультразвуковую дефектоскопию металлов. У них своя по

В.Высоцкому «комплексная бригада», у нас своя. Необходимо напомнить, что в УЗД применяются

активные способы возбуждения и приема ультразвуковых волн с помощью направленных ультра-

звуковых пучков, а также то, что ультразвуковые волны с частотами 1—10 МГц не распространя-

ются в воздухе. В сейсмоакустике, в основном, используются ненаправленные излучатели и при-

емники звуковых волн, которые превращаются в различные типы и виды волн при распростране-

нии в слоистых средах и множество принятых сигналов идентифицируют и интерпретируют спе-

циальными сейсмоакустическими приборами, методами и приемами.

В ультразвуковой дефектоскопии металлов дифракционно-временным методом (ДВМ) (англ.

TOFD) в качестве одной из операций метода нашел применение способ контроля головной волной.

Украинские коллеги неточно используют термины для отображения и интерпретации своих терми-

нологических предложений: на рисунке страницы 4 на участке между излучающим и приемным

искателями в воздушном пространстве не существует никакой боковой волны (Lateral wave).

Боковая волна появляется только в призме приемного искателя на участке его соприкосновения с

границей контролируемого объекта, вследствие распространения продольно-поверхностной

волны (creeping wave (англ), дословный перевод - ползучая волна). Более подробно об этом ниже.

Пункт 2. При всем уважении к Ю.В. Ланге (автору велосиметрического метода) и

В.А. Воронкову (к.т.н., заведующий ЛУЗМИМ ЦНИИТМАШ), следует отметить, что они не смогли

правильно описать рассматриваемый процесс и волны. В п.1 они приравняли головную и ползучую

волны. Указанные волны распространяются не только «вдоль свободной поверхности», но также

вдоль границы с водой. В п. 2 они пишут, что «распространение ГВ не зависит от состояния поверх-

ности», а в действительности еще как зависит (см. выше). В п. 3 у них «боковая волна» — это

только поперечная волна в контролируемой среде. Но это еще и боковая продольная волна в сопре-

дельной среде (призма искателя, или жидкость (вода). Она позволяет принять головную волну при

УЗД и используется в дифракционно-временном методе УЗД (TOFD), как часть головной волны.

Пункт 3. ГОСТ Р ИСО 5577—2009. Используемый термин (название) правильный, но не верно

прописан. В настоящее время документ перерабатывается. Предложена новая редакция термина

головная волна — комплекс волн...

Пункт 4. Я не согласен с описанием ГВ в книге. Такая книга с дружеской надписью И.Н.

Ермолова у меня конечно есть, о своей позиции по этому разделу я говорил уважаемым И.Н.

Ермолову и Н.П. Алешину.

Пункт 6. ГОСТ Р ИСО 5577—2017 (проект). В отличие от ИСО 5577—2009 (П.3) использует-

ся не правильный термин, он не верно переведен и не верно прописан. В настоящее время проект

документа перерабатывается в нашем подкомитете.

Пункт 7. ISO 22825:2012. В 2012 г. прошло сорок лет со времени обнаружения и начала работ

с головными волнами. У них (за рубежом) в стандарте все по-своему и в данном случае с больши-

ми фактическими физическими и терминологическими ошибками. Авторы не хотят знать резуль-

таты наших исследований и терминологию. Конкретно:

Дефектоскопия

№ 9

2020

Физика, терминология и технология в ультразвуковой дефектоскопии головными волнами

а) представленное описание не соответствуют полученным нами закономерностям: термин

«ползущие» неверен; волны «распространяются на глубину равную приблизительно одной длине

волны от поверхности» — источники выводов не представлены, выводы голословны, противоре-

чат нашим исследованиям головных волн (от 0 до 15—17 мм) [2, 12]. Как известно, на глубину,

равную, одной длине волны распространяются поверхностные волны (волны Рэлея) [21];

б) у них в описание и «головная волна» и боковая сдвиговая (поперечная) волна одно и то же.

В нашей терминологии этот термин — боковая сдвиговая волна характеризует только одну из

составляющих головной волны. Отметим, что использование авторами собственной терминологии

создает большие несоответствия в стандарте, и тем более в описании свойств головной волны;

в) наши исследования опубликованы и показали, что некоторая часть энергии головной волны

распространяется по и за криволинейной поверхностью галтели, в виде продольно-поверхностной

волны, а за галтелью основной поток энергии головной (подповерхностной) волны превращается

в объемные продольные волны;

г) «ползущие волны непрерывно генерируют сдвиговые волны (также называемые головны-

ми волнами), что является следствием взаимодействия с поверхностью». Не корректно, т.к.

образование продольно-поверхностной (ползучей) волны и генерация боковых волн в нижней и

верхней средах тесно связано с условиями существования неоднородной продольно-поверх-

ностной волны, которая в зависимости от наличия или отсутствия звукопроводящей верхней

среды по-разному ослабляется с расстоянием (см. выше). Боковая волна в верхней среде позво-

ляет в условиях одностороннего доступа к контролируемому объекту зафиксировать продольно-

поверхностную волну.

Пункт 8. Уже отмечено выше в п. 3 и п. 6.

Пункт 9. ДСТУ ENV 583-6:2005. Обидно за украинских коллег. Как это можно пропустить и

допустить: а — расстояние между точками выхода излучателя и приемника (нарисовано так), а

переведено — поверхностная волна. Ясно, что переводил и редактировал не специалист. Ну и

конечно, как все просто на схемах: принятые импульсы сами за себя сообщают анализатору резуль-

татов к какому типу волн они принадлежат: а) я продольная волна, б) я поперечная волна, в) я

дифрагированная волна, г) я переотраженная и т.д.!!! При разработке новых стандартов, гармони-

зированных с зарубежными, мы в России имеем аналогичные трудности и пытаемся с этим

бороться в меру сил с похожими редакциями стандартов.

Пункт 10. ДСТУ СEN/ТS 583-6:2008. В данной редакции, в отличии от 2005г, сразу видна рука

специалиста. Но есть недоработка. Применены неизвестные термин и объяснение: «конвертиро-

ванная мода сигнала от паза у донной поверхности»??? Трудно точно уяснить, что это такое.

Пункт 11. Наш коллега к.т.н. взялся за перевод «Введения по применению технологии ультра-

звукового контроля фазированными решетками», не владея в полной мере знаниями по ультразву-

ковой дефектоскопии, а когда столкнулся с трудностями в акустическом тракте не удосужился

(по-видимому, захотелось быть первым и единственным автором) привлечь своих коллег к работе

по переводу и тем более к техническому и научному редактированию книги. От этого пострадала

и книга, и научная общественность, и авторитет автора перевода и редактора.

Завершая рассмотрение представленного в работе [1] «беглого анализа текстов представлен-

ных фрагментов 1—11» трудно не согласиться с украинскими коллегами: в рассмотренных ими

документах, книгах, стандартах «ясного и однозначного соответствия между терминами и опреде-

лениями типов волн нет».

С учетом изложенного выше следует отметить, что в настоящий момент:

в книгах и отдельных публикациях, в научных трудах имеет место смысловая путаница в тер-

минологии, используемой в УЗД головными волнами;

в российских и международных стандартах нет единой терминологии при отображении УЗК

головными волнами;

созрела необходимость в создании единой терминологии в УЗД металлов головными волнами

и гармонизации российских и международных стандартов.

ГОЛОВНАЯ ВОЛНА — КОМПЛЕКС ВОЛН

Чтобы исключить смысловую путаницу в терминологии УЗД головными волнами, вновь обра-

тимся к описанию физики головной волны (см. выше) и терминам. Нами установлено и показано,

что головная волна — это комплекс волн, распространяющихся от излучателя через контролируе-

мый металл до приемника. В этот комплекс последовательно входят (для более полного уяснения

повторим и дополним его по существу) следующие волны (рис. 8):

Дефектоскопия

№ 9

2020

Н.П. Разыграев

Рис. 8. Образование волн на границах раздела и вблизи них при критических и около критических углах и головная

волна.

Этап излучения:

1) падающая классическая продольная (разряжения-сжатия) волна, исходящая от направленно-

го под первым критическим углом к границе сред излучателя.

Этап возбуждения волн от падающей волны:

2) отраженная классическая продольная волна, исходящая от границы раздела под первым

критическим углом (в верхней среде);

3) отраженная трансформированная под 4-ым критическим углом (новый термин) классиче-

ская поперечная волна (в верхней среде);

4) неоднородная продольно-поверхностная волна с углом ввода 90°, распространяющаяся в

нижней среде по границе раздела со скоростью продольной волны;

5) обратная неоднородная продольно-поверхностная волна с углом ввода (минус) -90°, рас-

пространяющаяся в нижней среде по границе раздела со скоростью продольной волны;

6) боковая продольная волна, отходящая в верхней среде от границы под 1-ым критическим

углом, связанная с распространением волны 4 (фронт волны связан с фронтом волн 2 и 4);

7) обратная боковая продольная волна, отходящая в верхней среде от точки падения на грани-

це под 1-ым критическим углом, связанная с распространением волны 5;

8) боковая поперечная волна, отходящая в верхней среде от границы под 4-ым критическим

углом, связанная с распространением волны 4 (фронт волны связан с фронтом волн 3 и 4);

9) обратная трансформированная боковая поперечная волна, отходящая в верхней среде от

точки падения на границе под 4-ым критическим углом, связанная с распространением волны 5;

10) трансформированная поперечная волна в нижней среде с углом ввода, равным 3-му крити-

ческому углу;

11) боковая поперечная волна, отходящая в нижней среде от границы под 3-им критическим

углом, связанная с распространением волны 4.

Выше описаны волны, изучаемые и возбуждаемые в лучевом приближении. В реальной УЗД

используются искатели с пьезоэлементами, излучающими пучок продольных волн, акустическая

ось которого ориентирована под 1-ым критическим углом к границе раздела сред и имеет диаграм-

му направленности с углом раскрытия 2θ^о.

В связи с этим на этапе излучения на границу также падают:

12) продольные волны с углами падения меньше 1-го критического угла;

13) продольные волны с углами падения больше 1-го критического угла.

На этапе возбуждения:

продольные волны № 12 с углами падения меньше 1-го критического угла (α₁- θ°) образуют в

нижней среде поле продольной подповерхностной волны № 14 (в обратном направлении при эхо-

методе волна № 15);

Дефектоскопия

№ 9

2020

Физика, терминология и технология в ультразвуковой дефектоскопии головными волнами

продольные волны № 13 с углами падения больше 1-го критического угла до (α₁+ θ°) образуют

неоднородные продольно-поверхностные волны, с которыми связан эффект незеркального отражения.

На этапе приема:

Изученный и прошедший через контролируемую зону импульс продольной волны 1, неодно-

родной продольно-поверхностной волны 4, приходит в виде боковой продольной волны 6 на пье-

зоэлемент приемника (в призме, в воде), расположенный под 1-ым критическим углом к границе

раздела (см. рис. 8), и фиксируется. Этот комплекс волн в лучевом приближении было предложено

называть головной волной. Если мы используем пучок ультразвуковых волн реального искателя,

то головная волна (ГВ) складывается из волн (1+12) + (4+14) +(6+15) соответственно на этапах

излучения, возбуждения, прохождения и приема импульсов.

Эта головная волна и составляющие ее волны используются в УЗД металлов эхо, теневым,

зеркально-теневым и ДВМ методами. Из Л.М. Бреховских известно множество головных волн.

Большинство их них на конечном этапе принимаются и фиксируются по боковой волне. Для УЗД

металлов мы в 1970-ые годы предложили использовать головные волны, фиксируемые по боковой

продольной волне в верхней среде и при углах близких к 1-ому критическому. Ясно и понятно, что

и в дефектоскопии металлов возможна фиксация множества других головных волн, связанных с

распространением других сопутствующих и распространяющихся в верхней и нижней среде волн.

Методы их распознавания и идентификации разработаны и используются в сейсмоакустике и

сейсморазведке. Описание некоторых из этих головных волн представлено в книге Л.М. Бреховских

и в диссертации [3].

В УЗД металлов мы предложили и исследовали применение головных волн именно того типа,

что описан выше. В том числе он используется в ДВМ (ТОFD). Его важнейшим физическим и

технологическим фактором является минимальное время, затрачиваемое волной на прохождение

от излучателя до приемника. Импульс приходит и фиксируется первым, является главным в техно-

логии УЗД и его предложено, как и в другой близкой к нам науке — сейсмоакустике, называть

головным, а волны — головными волнами.

Для нового международного стандарта ГОСТ Р 5577 (ISO 5577-2017) «Неразрушающий кон-

троль. Ультразвуковой контроль. Словарь» предлагается использовать следующие термины и их

определения:

3.3.4 головная волна (head wave) - комплекс волн, возбуждаемых на границе раздела и в при-

граничных (соприкасающихся) средах при падении продольной волны под первым критическим

углом, фронты которых распространяются со скоростью продольной волны в нижней среде;

3.3.4.1 продольно-поверхностная волна (creeping wave): неоднородная продольная волна

(ползучая волна) (одна из составляющих головной волны) распространяющаяся по границе раз-

дела совместно с образующимися при этом боковыми волнами (3.3.4.3);

3.3.4.2 подповерхностная продольная волна (undersurface longitudinal wave): продольная

волна (другая составляющая часть головной волны), возбуждаемая в нижней среде при падении

пучка (4.2.2) продольных волн под первым критическим углом;

3.3.4.3 боковая волна (lateral wave): продольная и поперечная волны, излучаемые в обе сторо-

ны от границы раздела под критическими углами, существующие совместно с неоднородной про-

дольно-поверхностной волной. Являются физически неотъемлемыми составляющими частями

неоднородной продольно-поверхностной и головной волн, обеспечивают возможность приема

головной волны (рис. 2с в проекте стандарта).

В связи с изложенным, будет полезно рассмотреть несколько существенных физических

моментов.

КРИТИЧЕСКИЕ УГЛЫ

Выше показана исходящая от границы раздела боковая поперечная волна в верхней среде

(см. рис. 8), также связанная с условием существования неоднородной продольно-поверхностной

волны на границе раздела и распространяющаяся (и несущая упругое сдвиговое возмущение в

твердой верхней среде) под соответствующим (определяемым по уравнению Снеллиуса) углом. В

связи с нашими нынешними научными изысканиями этот угол, по-видимому, следует назвать

4-ым критическим углом. Все критические углы связаны с возбуждением и распространением

неоднородных волн: 1-й, 3-й и 4-й — с продольно-поверхностной волной, 2-ой — с неоднородной

поперечной волной — поверхностной волной (волной Рэлея).

Еще раз обратим особое внимание на процессы возбуждения и распространения волн при кри-

тических углах (см. рис. 7). На графиках в 1-ом критическом угле мы имели «полное внутреннее

Дефектоскопия

№ 9

2020

Н.П. Разыграев

отражение» и нулевой коэффициент прохождения. Но падающая энергия не может исчезнуть в

никуда. Эта энергия частично идет на образование неоднородной продольно-поверхностной

волны и боковых волн, которые излучаются в приграничные среды. Эксперименты показали

малую, в сравнении с объемными, интенсивность этих волн: они распространяются вдоль границы

двух сред на незначительные расстояния, но они существуют.

Через несколько углов имеет место мощнейший скачок в коэффициенте прохождения транс-

формированной поперечной волны на углах падения 29—30°. Особенно интересен этот феномен

при ультразвуковом контроле пучком волн с диаграммой направленности, включающий эти углы

и первый критический. С этим интересным феноменом я обратился к д.т.н. В.Н. Данилову, кото-

рый является продолжателем дел И.Н. Ермолова по теоретическому изучению акустического трак-

та. Он обещал рассмотреть и описать этот феномен. Полученные результаты мы предложим науч-

ной общественности.

Несомненно, значения этих коэффициентов связаны с условиями трансформации продольных

волн в поперечные. Решения и результаты на первом и втором критических углах качественно суще-

ственно разные. При первом критическом угле падения продольной волны (в лучевом приближении)

в нижней среде исчезает продольная волна, но в реальном УЗК совместно существуют неоднородная

продольно-поверхностная и подповерхностная волны, при этом вторая как бы подпитывает первую,

которая быстрее ослабляется, вследствие возбуждения боковых волн в верхней и нижней средах.

Продольно-поверхностная волна не демпфируется (не прощупываются пальцем) на границе

раздела сред (на контактной поверхности). Но зато прекрасно прощупывается пальцем на торце-

вой поверхности, перпендикулярной к контактной и к направлению распространения ультразвука,

на небольшом расстоянии (3—7 мм) от контактной поверхности. Этот эффект используется во

всех методиках УЗК головными волнами при обучении контролеров, для идентификации головной

волны и интерпретации импульсов головной волны.

Волна разряжения-сжатия (продольная) (колебания частиц металла в ней происходит вдоль

контактной поверхности) при нормальном падении на границу внутри калибровочного или

настроечного образца входит в палец (как в воду), что приводит к уменьшению амплитуды эхо-

сигнала. Прикосновение к контактной поверхности при распространении продольно-поверхност-

ной волны, когда частицы металла колеблются вдоль границы, не приводит к изменению амплиту-

ды эхосигнала. Это также подтверждает факт отсутствия нормальной составляющей колебаний к

контактной поверхности в продольно-поверхностной волне.

При 2-ом критическом угле падения продольной волны (в лучевом приближении) в нижней

среде исчезает поперечная волна, но образуется неоднородная поперечная волна в виде поверх-

ностной волны (волны Рэлея). Считается [20], что частицы в волне колеблются по эллипсу, а волна

является суперпозицией продольной и поперечной волн. В поверхностной волне имеется мощная

составляющая колебаний частиц металла, которые происходят также как в поперечной волне —

перпендикулярно направлению распространения волны и контактной поверхности. И они демпфи-

руются при прикосновении пальцев к поверхности — амплитуда сигнала заметно уменьшается.

Это эффект используется в УЗД поверхностными волнами для идентификации волны и для опре-

деления координат отражателей. В данном случае не до конца ясным остается вопрос о том, дей-

ствительно ли можно говорить о колебаниях частиц по эллипсу?

О ВОЛНАХ НА ДОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Исходящая от границы раздела (контактной поверхности) боковая поперечная волна в нижней

среде, связанная с неоднородной продольно-поверхностной волной на границе раздела сред и рас-

пространяющаяся (и несущая сдвиговое упругое возмущение в нижней среде) под третьим крити-

ческим углом, при падении на донную поверхность возбуждает (см. рис. 8):

16) неоднородную продольно-поверхностную волну на границе, аналогичную волне 4;

17) волна 16 в каждой точке границы возбуждает боковую поперечную волну, распространяю-

щуюся в металле под третьим критическим углом к границе.

Именно волны 16 и 17 объясняют причины наличия несоответствия между амплитудами фик-

сируемых сигналов и размерами зарубок в задаче Райхмана. Они же являются причиной возник-

новения множества сопутствующих импульсов с большим временем распространения (другие

головные волны) в сравнении с нашей головной волной. Эти импульсы очень сложно интерпрети-

ровать при УЗД сварных соединений, но можно использовать для обеспечения более надежного

обнаружения дефектов в сварных соединениях малых (4—8 мм) и средних толщин (8—20 мм).

В сейсмоакустике они используются и называются головными волнами 2, 3 и т.д.

Дефектоскопия

№ 9

2020

Физика, терминология и технология в ультразвуковой дефектоскопии головными волнами

НЕМНОГО К ДИСКУССИИ ПО ФИЗИКЕ И ТЕХНОЛОГИИ УЗК ГОЛОВНЫМИ ВОЛНАМИ

И ПРИОРИТЕТЕ

Все вышеперечисленные волны представлены на рис. 3. Соответственно, в воде отсутствует

боковая поперечная волна, а в воздухе отсутствуют боковые продольная и поперечная волны.

Считаю, что представленные здесь определения (термины, названия) волн, составляющих понятие

головная волна полностью соответствуют физическим характеристикам волн: направлениям

колебаний в волне, направлениям и скоростям распространения волн.

На мой взгляд, если мы рассматриваем физические процессы распространения волн, в данном

случае вблизи границы двух сред, то должны охарактеризовать каждую составляющую волну и/

или волны в каждой среде. Это даст более полное понимание физики процессов и позволяет более

точно интерпретировать имеющиеся первичные и вторичные излученные и принятые импульсы.

Если мы хотим предельно упростить схему контроля и/или блок-схему дефектоскопа, то можно

пойти на упрощение (примитивизацию) этих схем. В особенности это может быть полезно в

докладах для высоких чиновников, которым совсем не обязательно знать, в чем разница между

боковой и головной волнами, а тем более, почему Н.П. Разыграев с коллегами И.Н. Ермоловым и

В.Г. Щербинским сначала получили авторские свидетельства на использование «боковых» волн, а

затем через несколько лет, после проведения исследований акустических свойств и технологиче-

ских особенностей УЗК, разработав новые методики УЗК с применением головных волн, посчита-

ли целесообразным предложить и использовать термин головная волна.

Также считал и считаю, что смысловое содержание термина головная волна в ультразвуковой

дефектоскопии металлов, в том числе в ДВМ, в наилучшей степени характеризует ее, поскольку

именно головная волна (комплекс волн) первой фиксируется приемником, а принятый импульс затра-

чивает минимальное время на прохождение от излучателя через изделие до приемника и поэтому его

называют главным или головным. Из этого смыслового содержания и пошло название головной

волны сначала в сейсмоакустике, а затем и в ультразвуковой дефектоскопии металлов.

Интерпретация импульсов головных волн в УЗД металла по минимальному времени распро-

странения оказалась наиважнейшей технологической (методической) характеристикой как

при обнаружении и интерпретации головных волн в 1972 г. в процессе исследований акустических

характеристик металлов для оборудования и трубопроводов первого контура АЭС с ВВЭР-1000

зеркально-теневым методом наклонными искателями, так и при контроле эхо-методом сварных

соединений, аустенитных наплавок и основного металла.

Сейчас некоторые исследователи «ломятся в открытую дверь» и пытаются доказать, что какой-

то западный разработчик дифракционно-временного метода (ДВМ = ТОFD) первым предложил

использовать головную (боковую продольную волну) для слежения за акустическими характери-

стиками в процессе контроля (рис. 9б). Посмотрим еще раз на способ УЗК по а.с. № 502311

(1973 г.). Он состоит в том, что в призме искателя возбуждают УЗ колебания, вводят их в контро-

лируемую зону, принимают прошедшие через нее колебания и по их параметрам, с учетом состо-

яния акустического контакта искателя с материалом, определяют дефектность материала, отлича-

ющийся тем, что, с целью повышения качества дефектоскопии, об акустическом контакте судят по

параметрам продольно-поверхностной волны возбужденной в материале искателем (рис. 9а).

Здесь представлено описание и говорится об использовании нами продольно-поверхностных,

объемных и боковых волн, возбуждаемых одним пьезоэлементом с широкой диаграммой направ-

ленности, при УЗК эхо- и зеркально-теневым методом. Непредвзятый исследователь может убе-

диться в идентичности методов контроля и использовании в нем головных и (или) боковых волн.

В настоящее время технология ДВМ базируется на сигнале головной (боковой) волны — первом

импульсе пришедшем от излучателя к приемнику через контролируемый объект. Спорить об этом

— это «толочь воду в ступе».

Следует вспомнить также, что еще в 1980-ые гг. для проведения безэталонной ультразвуко-

вой толщинометрии раздельно-совмещенными контактными преобразователями сначала в

СССР в МНПО «Спектр» д.т.н. В. Королевым был разработан и запатентован специализирован-

ный толщиномер (рис. 9в), который использовал дополнительную операцию прозвучивания

головной волной (фактически по а.с. 502311) для эталонирования скорости распространения

продольной волны непосредственно на контролируемом объекте. Затем патент у них приобрела

фирма Крауткремер, разработала и выпустила аналогичный толщиномер. Но приборы не нашли

широкого применения. Практика показала, что стандартная технология толщинометрии с

настройкой толщиномера на образце из того же материала, что и контролируемое изделие, более

проста, надежна и дешевле.

Дефектоскопия

№ 9

2020

Н.П. Разыграев

α₁

ΔH

ГВ

ПВ

Фиг. 1

ΔH

Фиг. 2

ГВ — головные волны

ПВ — продольные волны

Рис. 9. Сравнение дифракционно-временного метода (ДВМ=ТОFD), способа УЗК по а.с. 502311 и безэталонного

способа УЗ толщинометрии.

В настоящее время органы стандартизации и менеджеры по продажам призывают разработчи-

ков новых стандартов к гармонизации с международными стандартами. При этом, как у нас в

России, так и в Украине и в некоторых других странах из бывшего СССР, возникает много труд-

ностей и принципиальных вопросов. Но давайте посмотрим назад и увидим, как наши зарубежные

коллеги (в Европе) вводили новую терминологию по УЗД головными волнами в свои стандарты и

не стеснялись в выборе своих терминов, без оглядки на наши исследования проведенные в СССР

много раньше, на предложенную нами и используемую терминологию.

Сейчас идет гармонизация стандартов. В России и в Украине озаботились используемой тер-

минологией, предлагаемой нам стандартами ISO и EN и вопросом: До какой степени мы должны

или можем подняться или опуститься в уже разработанных стандартах?

О тексте и терминах в стандартах на ультразвуковой контроль, где в методическом плане СССР

был всегда на переднем плане, а в части головных волн в 1970—80 гг. был далеко впереди планеты

всей, мы можем много дискутировать и спорить. Но пойти на упрощенное, а тем более не верное

описание физических особенностей и закономерностей, на использование некорректных терми-

нов, когда исчезает полная физическая картина используемых и рассматриваемых волн, в тесной

связи с используемой и уже сложившейся терминологией в СССР, в России и в Украине будет без-

условно неправильно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спустя много лет потребовалось вновь окунуться в физику, технологию и терминологию УЗК

головными волнами, чтобы представить выявленные ранее и новые закономерности, доработать

физические объяснения некоторых явлений в акустическом тракте; дать пояснения по терминам,

предложенным нами для использования в ультразвуковой дефектоскопии головными волнами, и

другими специалистами, в том числе зарубежными.

Надеюсь настоящая работа послужит нашей науке, поможет коллегам при разработке новых

технологий УЗК, поможет молодым ученым, инженерам и дефектоскопистам в понимании физи-

ческих процессов в ультразвуковой дефектоскопии металлов. Также надеюсь на единодушное и

дружное использование предложенной терминологии в России и за рубежом, в том числе в между-

народных стандартах.

Будет совсем неплохо, если мы и про приоритет не будем забывать. Ведь многие методики УЗК

головными волнами разрабатывались, испытывались и использовались вместе с российскими и

зарубежными коллегами. Наш опыт и знания должны быть основой при использовании старых

терминов, выработке и принятии новых терминов в ультразвуковой дефектоскопии металлов.

И это уже происходит. Достаточно посмотреть в труды Института электросварки

им. Е.О. Патона Национальной Академии наук Украины «Основные направления работ Отдела нераз-

рушающих методов контроля качества сварных соединений» под редакцией проф. В.А. Троицкого,

Дефектоскопия

№ 9

2020

Физика, терминология и технология в ультразвуковой дефектоскопии головными волнами

Киев, 2019 г. [22]. В них на страницах 19 и 89—100 [23] используются предложенные ЦНИИТМАШ и

ранее принятые к использованию в сообществе неразрушающего контроля в СССР, России, Украины,

Болгарии и др. странах термины по УЗК металлов головными волнами.

Посвящается светлой памяти моего учителя и научного руководителя профессора, доктора

технических наук Игоря Николаевича Ермолова.

Благодарю Антона Николаевича Разыграева и Григория Яковлевича Дымкина за помощь и

ценные советы при подготовке данной статьи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Давыдов Е.А., Дядин В.П., Шекеро А.Л. О терминологических особенностях в обозначении уль-

тразвуковых волн, образующихся при первом критическом угле // Техническая диагностика и нераз-

рушающий контроль. 2018. № 3. С. 1—12.

2. Разыграев Н.П., Ермолов И.Н., Щербинский В.Г. О выявлении подповерхностных дефектов уль-

тразвуковым методом / Труды VII Всесоюзной конференции «Неразрушающий контроль материалов

изделий…». Киев, 1974.

3. Разыграев Н.П. Экспериментальные исследования продольных подповерхностных волн и при-

менение их для обнаружения подповерхностных дефектов в деталях энергетических установок /

Дисс. … канд. техн. наук. М.: ЦНИИТМАШ, 1979.

4. Разыграев Н.П., Щербинский В.Г. Отчет НИР «Исследование боковых ультразвуковых волн, с

целью определения возможности контроля подповерхностного слоя деталей энергетических машин

(поисковая)» Т-76. М.: ЦНИИТМАШ, 1975.

5. Разыграев Н.П., Ермолов И.Н., Щербинский В.Г. Способ ультразвукового контроля качества мате-

риалов / Авт. свид. № 491092 от 01.06.73. Бюл. изобр. № 41. 1975.

6. Разыграев Н.П., Щербинский В.Г. Способ ультразвуковой дефектоскопии материалов / Авт. свид.

№ 502311 от 28.12.73. Бюл. изобр. № 5. 1976.

7. Разыграев Н.П., Щербинский В.Г. Способ ультразвукового контроля качества материалов / Авт.

свид. № 565249 от 20.05.74. Бюл. изобр. № 26. 1977.

8. Разыграев Н.П., Ермолов И.Н., Щербинский В.Г. Использование волн головного типа для ультра-

звукового контроля // Дефектоскопия. 1978. № 1. С. 33.

9. Разыграев Н.П., Ермолов И.Н., Щербинский В.Г. Исследование ослабления ультразвуковых

головных волн с расстоянием // Дефектоскопия. 1979. № 1. С. 37.

10. Разыграев Н.П., Ермолов И.Н., Щербинский В.Г. Исследование процесса формирования акусти-

ческого поля головной волны в контролируемой среде // Дефектоскопия. 1978. № 11.

11. Разыграев Н.П., Ермолов И.Н. Искатели для контроля приповерхностного слоя головными вол-

нами // Дефектоскопия. 1981. № 1. С. 53—62.

12. Разыграев Н.П. О выявлении подповерхностных дефектов искателями головных волн ИЦ-61,

ИЦ-70 // Дефектоскопия. 1981. № 3. С. 97—105.

13. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1957. 497 с.

14. Ермолов И.Н. Методы ультразвуковой дефектоскопии. Курс лекций. Ч.1. М.: Горный институт,

1966.

15. Юозонене Л.В. Упругие поверхностно-продольные волны и их применение для неразрушающе-

го контроля // Дефектоскопия. 1980. № 8. С. 29—38.

16. Ланге Ю.В., Воронков В.А. Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения /

Справочник. М., 2003.

17. ГОСТ 16821—91. Сейсморазведка. Термины и определения.

18. Вюстенберг Х., Эрхард А., Мехрле В. Патент ФРГ №2802278 от 15.01.81. Способ и устройство

для неразрушающего контроля приповерхностного слоя.

19. Erhard A., Kroning V. Erzengung, Ausbreitung und Anwendung von Ultraschall-Kriechwellen //

Materialprufung 26 /1984 № 9. 1984. September. VDI-Verlag GmbH. P. 323—326.

20. Крауткремер «Ультразвуковая дефектоскопия материалов». Берлин, Хейдельберг, Нью-Йорк,

Лондон, Париж, Токио, 1986 (нем. и англ.).

21. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике.

М.: Наука, 1966. 167 с.

22. Основные направления работ Отдела неразрушающих методов контроля качества сварных

соединений / Под ред. Троицкого В.А. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины, 2019. С. 19, 89—100.

23. Троицкий В.А., Шекеро А.Л., Давыдов Е., Миховски М., Алексиев А. Технология оценки размеров

несплошностей в сварных соединениях с применением дифрагированных волн. Киев: ИЭС им. Патона

НАНУ, 2019. С. 89—100.

Дефектоскопия

№ 9

2020