Ультразвуковой метод

Ультразвуковой метод — это совокупность способов неразрушающего контроля и диагностики, основанных на регистрации и анализе параметров упругих колебаний высокой частоты (ультразвука), распространяющихся в контролируемой среде. Метод относится к акустическим видам контроля и широко применяется в промышленности, медицине, геологии, гидроакустике и других областях для обнаружения внутренних дефектов, измерения толщины, определения структуры и свойств материалов, а также для визуализации внутренних органов.

Физические основы

Ультразвуковой метод базируется на способности ультразвуковых волн (частотой от 20 кГц до 10 ГГц и выше) распространяться в твёрдых, жидких и газообразных средах, отражаться, преломляться и рассеиваться на границах раздела сред с различным акустическим сопротивлением (импедансом). Основные физические явления, используемые в методе:

• Отражение — при падении ультразвуковой волны на границу раздела двух сред с разными акустическими сопротивлениями часть энергии отражается. Коэффициент отражения зависит от разницы импедансов. Это позволяет выявлять дефекты (трещины, поры, расслоения), заполненные газом или жидкостью, а также границы между различными тканями в биологических объектах.
• Затухание — по мере распространения в среде интенсивность ультразвука уменьшается из-за поглощения (преобразования в тепло) и рассеяния на неоднородностях. Степень затухания зависит от частоты и свойств среды (например, в костной ткани затухание выше, чем в мягких тканях).
• Преломление — при переходе волны из одной среды в другую под углом, отличным от нормали, изменяется направление её распространения. Это учитывается при построении акустических изображений и при контроле через слой контактной жидкости.
• Дифракция — огибание волной препятствий, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Ограничивает минимальный размер выявляемых дефектов (обычно не менее половины длины волны).

Для генерации и приёма ультразвука используются пьезоэлектрические преобразователи, которые преобразуют электрические колебания в механические (излучатель) и обратно (приёмник). В качестве контактной среды между преобразователем и объектом контроля применяются жидкости (вода, масло, глицерин) или специальные гели, обеспечивающие акустическую связь.

Классификация методов

Ультразвуковые методы контроля классифицируются по нескольким признакам:

По способу ввода и приёма сигнала

• Эхо-метод (импульсный) — наиболее распространённый. Излучается короткий импульс, и регистрируется время прихода отражённого сигнала (эха) от дефекта или границы. Позволяет определять глубину залегания дефекта и его размеры.
• Теневой метод — излучатель и приёмник располагаются с противоположных сторон объекта. Если на пути ультразвука встречается дефект, амплитуда прошедшего сигнала уменьшается. Метод не позволяет определить глубину дефекта, но эффективен для выявления крупных несплошностей.
• Зеркально-теневой метод — разновидность теневого, при котором излучатель и приёмник находятся с одной стороны, а отражение происходит от противоположной поверхности. Используется для контроля тонкостенных изделий.
• Резонансный метод — основан на измерении резонансной частоты колебаний объекта. Применяется для измерения толщины стенок и выявления коррозионных поражений.
• Метод собственных частот — регистрируется спектр собственных колебаний изделия, изменение которого указывает на наличие дефекта.

По типу волн

• Продольные волны — частицы среды колеблются вдоль направления распространения. Используются в жидкостях и газах, а также в твёрдых телах для контроля на небольших глубинах.
• Поперечные (сдвиговые) волны — частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения. Распространяются только в твёрдых телах. Используются для контроля сварных швов и толстостенных изделий.
• Поверхностные (волны Рэлея) — распространяются вдоль поверхности твёрдого тела, затухая на глубине порядка длины волны. Применяются для выявления поверхностных трещин.
• Нормальные (волны Лэмба) — распространяются в тонких листах и пластинах, позволяя контролировать их целостность.

По способу сканирования

• Ручной контроль — оператор вручную перемещает преобразователь по поверхности объекта. Прост, но зависит от квалификации оператора.
• Автоматизированный контроль — преобразователь перемещается с помощью механических сканеров или роботизированных систем. Обеспечивает высокую воспроизводимость и производительность.
• Фазированные решётки — используется многоэлементный преобразователь, каждый элемент которого может излучать и принимать сигнал с заданной задержкой. Позволяет формировать и фокусировать ультразвуковой луч в разных направлениях без механического перемещения, создавая двумерные и трёхмерные изображения.

Применение

Промышленная дефектоскопия

Ультразвуковой метод является одним из основных методов неразрушающего контроля (НК) в машиностроении, металлургии, авиастроении, судостроении, нефтегазовой и химической промышленности. Он применяется для:

• выявления внутренних дефектов (трещин, раковин, пор, шлаковых включений) в поковках, отливках, прокате;
• контроля качества сварных соединений (стыковых, угловых, тавровых швов);
• измерения толщины стенок труб, резервуаров, корпусов (ультразвуковая толщинометрия);
• контроля многослойных конструкций (композитов, клеёных соединений) на предмет расслоений.

Медицинская диагностика

В медицине ультразвуковой метод известен как ультразвуковое исследование (УЗИ). Он используется для визуализации внутренних органов (печени, почек, сердца, щитовидной железы), сосудов, плода при беременности. Основные преимущества — неинвазивность, отсутствие ионизирующего излучения, высокая информативность при исследовании мягких тканей. Различают:

• эхографию (B-режим) — двумерное изображение в серой шкале;
• допплерографию — оценка скорости и направления кровотока;
• эластографию — оценка жёсткости тканей (например, для диагностики фиброза печени).

Геофизика и геология

Ультразвуковой метод применяется для:

• изучения свойств горных пород (скорости распространения волн, модуля упругости) в скважинах (акустический каротаж);
• сейсморазведки (в комбинации с низкочастотными методами);
• контроля состояния бетонных и каменных конструкций (мостов, плотин, фундаментов).

Гидроакустика

В гидроакустике ультразвук используется для:

• эхолокации (измерение глубины, обнаружение подводных объектов);
• гидролокации (поиск затонувших объектов, картографирование дна);
• подводной связи.

Другие области

• Пищевая промышленность — контроль качества продуктов (гомогенности, наличия инородных тел);
• Химическая технология — ультразвуковая очистка (кавитационное воздействие), ускорение химических реакций (сонолиз);
• Биология — исследование структуры биологических тканей, клеток и микроорганизмов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая чувствительность к мелким дефектам (до 0,1 мм при высоких частотах).
• Возможность контроля на большую глубину (до нескольких метров в металлах).
• Безопасность для человека (отсутствие ионизирующего излучения).
• Возможность автоматизации и получения количественных данных (координаты, размеры дефектов).
• Пригодность для контроля широкого спектра материалов (металлы, пластмассы, керамика, композиты, бетон).

Недостатки

• Требуется акустический контакт с объектом (использование контактных жидкостей или иммерсионной ванны).
• Сложность контроля материалов с крупнозернистой структурой (например, чугуна, аустенитной стали) из-за сильного рассеяния.
• Ограниченная возможность контроля изделий сложной формы (с острыми углами, резкими переходами).
• Зависимость результатов от квалификации оператора и качества настройки аппаратуры.
• Невозможность точного определения типа дефекта (например, трещина или пора) без дополнительных методов.

Нормативная база в России

В Российской Федерации применение ультразвукового метода контроля регламентируется рядом стандартов, в том числе:

• ГОСТ Р 55724-2013 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые»;
• ГОСТ Р 54795-2011 «Контроль неразрушающий. Ультразвуковой контроль. Термины и определения»;
• ГОСТ 18353-73 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов»;
• отраслевые нормативные документы (например, в атомной энергетике — ПНАЭ Г-7-030-91).

Источники

1. Клюев В. В. (ред.) Неразрушающий контроль: Справочник. В 7 т. Т. 3: Ультразвуковой контроль. — М.: Машиностроение, 2004.
2. Ермолов И. Н., Ланге Ю. В. Ультразвуковой контроль: Учебное пособие. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010.
3. ГОСТ Р 55724-2013. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.
4. Медицинская визуализация: УЗИ, КТ, МРТ / Под ред. С. К. Тернового. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2019.
5. Бреховских Л. М., Годин О. А. Акустика слоистых сред. — М.: Наука, 1989.