История ультразвукового контроля

История развития ультразвукового контроля

Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии.

Частоты 16 Гц- 20 кГц, которые способен воспринимать слуховой аппарат человека принято называть звуковыми или акустическими, например писк комара «10 кГц. Но воздух, глубины морей и земные недра наполнены звуками, лежащими вне этого диапазона — инфра и ультразвуками. В природе ультразвук встречается в качестве компонента многих естественных шумов, в шуме ветра, водопада, дождя, морской гальки, перекатываемой прибоем, в грозовых разрядах.

Древние египтяне заметили удивительное воздействие музыки на человека, индийцы разработали нотную грамоту. Пифагор доказал, что низкие тона в музыкальных инструментах присуще длинным струнам. Это положило начало науки об акустике. Аристотель считал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий. Леонардо да Винчи сформулировал принцип независимости распространения звуковых волн от различных источников.

На земле существует огромное количество мега построек (Коралловый замок во Флориде, египетские пирамиды, храм в Тибете, возведенный на скале высотой 400 метров). Во время Второй мировой войны немцы исследовали звучание тибетских труб. Они пытались применить звук в разработках оружия, в т.ч. летающей тарелки, которая работала на магнитных полях или на ультразвуке.

Многие млекопитающие, например кошки и собаки, обладают способностью восприятия ультразвука, частотой до 100 кГц, а локационные способности летучих мышей, ночных насекомых и морских животных всем хорошо известны (догадку о том, что причиной безошибочного полета летучих мышей в темноте являются неслышимые человеческим ухом звуковые колебания, высказал в конце XVI-гo века итальянец Спаланцани, однако, для ее практического подтверждения понадобилось полтора столетия

Существование таких звуков было обнаружено с развитием акустики только в конце XIX века. Тогда же начались первые исследования УЗ, но основы его применения были заложены только в первой трети XX-века.

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющиеся колебательные движения частиц упругой среды. В результате смещения частиц в среде образуются участки повышенного и пониженного давления с частотой повторения более 16 КГц.

Как область науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие в последние три-четыре десятилетия. Это связано с общим прогрессом акустики как науки и, в частности, со становлением и развитием таких её разделов, как нелинейная акустика и квантовая акустика, а также с развитием физики твёрдого тела, электроники и в особенности с рождением квантовой электроники.

Широкое распространение ультразвуковых методов обусловлено появлением новых надёжных средств излучения и приёма акустических волн, с одной стороны, обеспечивших возможность существенного повышения излучаемой ультразвуковой мощности и увеличения чувствительности при приёме слабых сигналов, а с другой - позволивших продвинуть верхнюю границу диапазона излучаемых и принимаемых волн в область гиперзвуковых частот.

Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является чрезвычайное многообразие его применений, охватывающих частотный диапазон от слышимого звука до предельно достижимых высоких частот и область мощностей от долей милливатта до десятков киловатт.

Ультразвук применяется в металлургии для воздействия на расплавленный металл и в микроэлектронике и приборостроении для прецизионной обработки тончайших деталей.

В качестве средства получения информации он служит как для измерения глубины, локации подводных препятствий в океане, так и для обнаружения микродефектов в ответственных деталях и изделиях.

Ультразвуковые методы используются для фиксации малейших изменений химического состава веществ и для определения степени затвердевания бетона в теле плотины.

В области контрольно-измерительных применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия, возможности которой и разнообразие решаемых ею задач существенно возросли.

В самое последнее время сформировались как самостоятельные области акустоэлектроника и акустооптика.

К новейшим ультразвуковым методам принадлежит акустическая голография, перспективы которой весьма многообещающи, поскольку она создаёт возможность получения изображений предметов в непрозрачных для световых лучей средах.

Ультразвук занял  прочное положение и в медицине

Наряду с применениями практического характера, ультразвук играет важную роль в научных исследованиях. Интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике всё возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области человеческой деятельности.

Открытия в области звуковых колебаний

Звуки начали изучать ещё в далёкой древности. Первые наблюдения по акустики были проведены в VI веке до нашей эры. Пифагор установил связь между высотой тона и длиной струны или трубы издавающей звук.

В IV в. до н.э. Аристотель первый правильно представил, как распространяется звук в воздухе. Он сказал, что звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха и объяснил эхо отражением звука от препятствий.

В XV веке Леонардо да Винчи сформулировал принцип независимости звуковых волн от различных источников.

В 1660 году в опытах Роберта Бойля было доказано, что воздух является проводником звука (в вакууме звук не распространяется).

В 1700 - 1707 гг. вышли вышли мемуары Жозефа Савёра по акустике, опубликованные Парижской Академией наук. В этих мемуарах Савёр рассматривает явление, хорошо известное конструкторам органов: если две трубы органа издают одновременно два звука, лишь немного отличающиеся по высоте, то слышны периодические усиления звука, подобные барабанной дроби. Савёр объяснил это явление периодическим совпадением колебаний обоих звуков. Если, например, один из двух звуков соответствует 32 колебаниям в секунду, а другой - 40 колебаниям, то конец четвёртого колебания первого звука совпадает с концом пятого колебания второго звука и, таким образом происходит усиление звука. От органных труб Савёр перешёл к экcпирементальному исследованию колебаний струны, наблюдая узлы и пучности колебаний (эти названия, существующие и до сих пор в науке, введены им), а также заметил, что при возбуждении струны наряду с основной нотой звучат и другие ноты, длина волны которых составляет 1/2, 1/3, 1/4,... от основной. Он назвал эти ноты высшими гармоническими тонами, и этому названию суждено было остаться в науке. Наконец, Савёр первый пытался определить границу восприятия колебаний как звуков: для низких звуков он указал границу в 25 колебаний в секунду, а для высоких - 12 800.

За тем, Ньютон, основываясь на этих экспериментальных работах Савёра, дал первый расчет длины волны звука и пришел к выводу, хорошо известному сейчас в физике, что для любой открытой трубы длина волны испускаемого звука равна удвоенной длине трубы. "И в этом состоят главнейшие звуковые явления".

После экспериментальных исследований Савёра к математическому рассмотрению задачи о колеблющейся струне в 1715 г. приступил английский математик Брук Тейлор, положив этим начало математической физике в собственном смысле слова. Ему удалось рассчитать зависимость числа колебаний струны от её длины, веса, натяжения и местного значения ускорения силы тяжести. Эта задача сразу же стала широко известна и привлекла внимание почти всех математиков XVIII века, вызвав долгую и плодотворную дискуссию. Ею занимались среди прочих Иоганн Бернулли и его сын Даниил Бернулли, Риккати и Даламбер. Последний нашел уравнения в частных производных, определяющие малые колебания однородной струны, и проинтегрировал их методом, применяемым и поныне. Но наиболее существенный вклад внес Эйлер. Ему мы обязаны полной теорией колебаний струны, начало построению которой было положено в 1739 году в его труде "Опыт новой теории музыки" и продолжалось в многочисленных последующих докладах. В частности, из теории Эйлера вытекало, что скорость распространения волны по струне не зависит от длины волны возбуждаемого звука. Эйлер производил также теоретические исследования колебаний стержней, колец, колоколов, но полученные результаты не совпали с результатами экспериментальной проверки, предпринятой немецким физиком Эрнестом Флоресом Фридрихом Хладни, которого считают отцом экспериментальной акустики. Хладни первым точно исследовал колебания камертона и в 1796 году установил законы колебаний стержней.

Фактическое объяснение эха, явления довольно капризного, также принадлежит Хладни, по крайней мере в существенных частях. Ему мы обязаны и новым экспериментальным определением верхней границы слышимости звука, соответствующей 20 000 колебаний в секунду. Эти измерения, многократно повторяемые физиками до сих пор, весьма субъективны и зависят от интенсивности и характера звука. Но особенно известны опыты Хладни в 1787 году по исследованию колебаний пластин, при которых образуются красивые "акустические фигуры", носящие названия фигур Хладни и получающиеся, если посыпать колеблющуюся пластинку песком. Эти экспериментальные исследования поставили новую задачу математической физики - задачу о колебаниях мембраны.

Хладни начал исследования продольных волн в твердых телах и сопоставил продольные и поперечные колебания стержня при различных способах возбуждения (ударом, трением и др.). Он первый достаточно точно измерил скорость распространения звуковых волн в различных газах. Доказал, что в твёрдых телах звук распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, и в 1796 году определил скорость звуковых волн в твёрдых телах по отношению звука в воздухе. Он изобрёл ряд музыкальных инструментов. В 1802 году вышел труд Эрнеста Хладни "Акустика", где он дал систематическое изложение акустики. Исследование продольных волн были продолжены экспериментально Саваром, а теоретически - Лапласом и Пуассоном.

В XVIII веке было исследовано много других акустических явлений (скорость распространения звука в твердых телах и в газах, резонанс, комбинационные тона и др.). Все они объяснялись движением частей колеблющегося тела и частиц среды, в которой распространяется звук. Иными словами, все акустические явления объяснялись как механические процессы.

В 1787 году Хладни, основоположник экспериментальной акустики открыл продольные колебания струн, пластин, камертонов и колоколов. Он первый достаточно точно измерил скорость распространения звуковых волн в различных газах. Доказал, что в твёрдых телах звук распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, и в 1796 году определил скорость звуковых волн в твёрдых телах по отношению звука в воздухе. Он изобрёл ряд музыкальных инструментов. В 1802 году вышел труд Эрнеста Хладни "Акустика", где он дал систематическое изложение акустики.

После Хладни французский учёный Жан Батист Био в 1809 году измерял скорость звука в твёрдых телах.

В 1800 году английский учёный Томас Юнг открыл явление интерференции звука и установил принцип суперпозиции волн.

В 1816 году французский физик Пьер Симон Лаплас вывел формулу для скорости звука в газах.

В 1827 году Ж. Колладон и Я. Штурм провели опыт на Женевском озере по определению скорости звука в воде, получив значение 1435 м/с. В 1827 году Ж. Колладон и Я. Штурм провели опыт на Женевском озере по определению скорости звука в воде, получив значение 1435 м/с. Французский учёный определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука — 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1842 году австрийский физик Христиан Доплер предположил влияние относительного движения на высоту тона (эффект Доплера). А в 1845 году Х. Бейс-Баллот экспериментально обнаружил эффект Допплера для акустических волн.

В 1842 году австрийский физик Христиан Доплер предположил влияние относительного движения на высоту тона (эффект Доплера). А в 1845 году Х. Бейс-Баллот экспериментально обнаружил эффект Допплера для акустических волн.

В 1877 году американский учёный Томас Алва Эдисон изобрёл устройство для записи и воспроизведения звука, который потом сам же в 1889 году усовершенствовал. Изобретённый им способ звукозаписи получил название механического.

Рождение ультразвука

В 1880 году французские физики, братья Пьер и Поль Кюри, заметили, что при сжатии и растяжении кристалла кварца с двух сторон на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, появляются электрические заряды. Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» – «давлю»), а материалы с такими свойствами – пьезоэлектриками. Позже это явление объяснили анизотропией кристалла кварца – разные физические свойства вдоль разных граней.

Это открытие оказалось очень важным для акустики. Они обнаружили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, то на гранях кристалла появляются электрические заряды. Это свойство - пьезоэлектрический эффект - для обнаружения не слышимого человеком ультразвука. И наоборот, Если к граням кристалла приложить переменное электрическое напряжение, то он начнёт колебаться, сжимаясь и разжимаясь. 

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна . Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт. Результаты опыта были неутешительными — звук колокола, также как и подрыв в воде пороховых патронов, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук создавался подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух (или другой газ), выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на неё и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием — подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. Первый прообраз гидролокатора был создан для предотвращения столкновений судов со льдинами и айсбергами, в  1914 году, французский физик Поль Ланжевен совместно с русским учёным, жившим в Швейцарии — Константином Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий из излучателя ультразвука и гидрофона — приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена — Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. . Функция передатчика — отправлять вглубь воды ультразвуковые импульсы (50 кГц, 192 кГц или 200 кГц), которые распространяются в воде со скоростью 1,5 км/с, где отражаются от рыб, камней, других предметов и дна, затем эхо достигает приемника, обрабатывается преобразователем и результат отображается на дисплее в удобной для зрительного восприятия форме. 

          Прибор использовал принцип отражения и приема звуковой волны. Сигнал направлялся в определенную точку, а по задержке ответного сигнала (эхо), зная скорость звука, можно было судить о расстоянии до отразившего звук препятствия.

Все современные гидролокаторы, в том числе военные, — потомки того самого прибора.

Поль Ланжевен предложил использовать пьезоэлектрический эффект для обнаружения подводных лодок. Если пьезоэлектрик встречает на своем пути ультразвуковую волну от винта лодки, которая распространяется со скоростью 1460 км/с, то она сжимает его грани, и на них появляются электрические заряды. Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует переменный электрический ток, который можно измерить чувствительными приборами. Если же к граням кристалла приложить переменное напряжение, он сам начнет колебаться, сжимаясь и разжимаясь с частотой переменного напряжения. Эти колебания кристалла передаются среде, граничащей с кристаллом (воздуху, воде, твердому телу). Так возникает ультразвуковая волна.

Ланжевен попробовал зарядить грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты. При этом он заметил, что кристалл колеблется в такт изменению напряжения.

Чтобы усилить эти колебания, ученый вложил между стальными листами-электродами не одну, а несколько пластинок и добился возникновения резонанса – резкого увеличения амплитуды колебаний. Эти исследования Ланжевена позволили создавать ультразвуковые излучатели различной частоты. Позже появились излучатели на основе титаната бария, а также других кристаллов и керамики, которые могут быть любой формы и размеров.

Ультразвук можно получить и другим способом. В 1847 году английский физик Джеймс Джоуль обнаружил, что при перемагничивании электрическим током железных и никелевых стержней они то уменьшаются, то увеличиваются в такт изменениям направления тока.

При этом в окружающей среде возбуждаются волны, частота которых зависит от колебаний стержня. Это явление назвали магнитострикцией (от латинского «стриктус» – «сжатие»).

В 1929 году российским исследователем С.Я.Соколовым были заложены основы ультразвуковой дефектоскопии в технике и промышленности (обнаружение скрытых дефектов в металлических изделиях, бетонных блоках и т.п.). Для этого создаются специальные ультразвуковые устройства

Также в начале века российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности

Ультразвуковые дефектоскопы используются в промышленности вот уже более 60 лет. С 40-х годов прошлого века законы физики о распространении высокочастотных звуковых волн используются для обнаружения скрытых трещин, полостей, пористости и прочих внутренних несплошностей в металлах, композитах, пластике и керамике, а также для измерения толщины и анализа свойств материалов. Ультразвуковой контроль не требует разрушения инспектируемого материала и является совершенно безопасным. Он широко применяется в основных областях производства, обрабатывающей промышленности и в отраслях инфраструктуры, особенно там, где большую роль играют металлические конструкции и сварные швы.

Ультразвуковой контроль развивается параллельно с электронной и, позднее, компьютерной промышленностью.

В ранних работах физиков в Европе и США в 30-х годах демонстрируется, что высокочастотные звуковые волны отражаются от скрытых дефектов или границ материалов в определенных направлениях, производя отчетливые эхо-сигналы, которые отображаются на экране осциллоскопа.

 Достижения в гидроакустике во время  Второй Мировой войны дали стимул для новых исследований в области ультразвуковых технологий.

 В 1945 г. американский исследователь Флойд Файрстоун запатентовал прибор, который он назвал ультразвуковым рефлектоскопом. Данный прибор считается первым серийным дефектоскопом на основе широко используемого сегодня метода импульс-эхо.

В 40-х годах японские ученые впервые применили ультразвук в медицинской диагностике. При помощи специального сканирующего оборудования удалось получить двумерное изображение тканей.

В 60-х годах медицинские сканеры уже использовались для диагностирования опухолей, желчных камней и других подобных патологий.

В 70-х появление толщиномеров расширило область применения ультразвука в производстве. В частности, толщиномеры стали применяться для измерений толщины объектов, доступ к которым имеется всего с одной стороны.

Коррозиометры стали широко использоваться для измерения остаточной толщины стенок металлических труб и резервуаров.

Начиная с 80-х годов большинство достижений в области неразрушающего контроля связаны с развитием и усовершенствованием цифровой обработки сигнала и с появлением недорогих микропроцессоров. С тех пор измерительное оборудование значительно уменьшилось в размерах и стало более надежным. На рынке предлагается большое количество приборов – от легких портативных дефектоскопов до комплексных систем промышленного контроля для обнаружения дефектов, измерений толщины и визуализации акустических изображений.

Отражение и передача высокочастотных звуковых волн всегда был важным индикатором для оценки качества сварных швов, а также металлических конструкций, труб и резервуаров, бойлерных труб, железнодорожных рельсов, композитных материалов в аэрокосмическом секторе и т.п. Выполняемый должным образом квалифицированным оператором, ультразвуковой НК – быстрый и надежный метод контроля, не требующий подготовки тестируемого образца, не считая смачивания жидкостью. УЗК не требует соблюдения специальных правил безопасности или наличия особых лицензий. На протяжении многих лет ультразвуковая дефектоскопия является одним из самых надежных методов (неразрушающего) контроля качества материалов.

Дальнейшее улучшение ультразвуковой аппаратуры определялось в первую очередь достижениями микроэлектроники. Ультразвуковой контроль развивается параллельно с электронной и, позднее, компьютерной промышленностью. В начале 90-х годов разработчики ультразвуковой аппаратуры стали изучать пути повышения качества изображений. Аналогичные задачи были решены в радиолокационной технике, применяемой в военных целях.

Возможно, какое-то влияние оказала информация о военной технике, ставшая открытой в конце 80-х в связи с уменьшением военной напряженности. По крайней мере, имеется полная аналогия многоэлементных ультразвуковых преобразователей, созданных в этот период, с фазированными антенными решетками.

Ультразвук оказался просто находкой для решения технических, научных и медицинских задач.

На сегодняшний день базовая технология УЗК известна и понятна многим, непрерывное развитие аппаратного и программного обеспечения приводит к появлению все более компактных и многофункциональных приборов. Традиционная ультразвуковая дефектоскопия с использованием малогабаритных портативных приборов и одноэлементных ПЭП является основным методом контроля качества во многих отраслях промышленности и сферах обслуживания. В последнее время большой интерес вызывают системы с фазированными решетками, использующие сложную технологию на базе многоэлементных ПЭП для генерации направленных лучей и создания поперечных изображений, аналогично медицинской ультразвуковой визуализации. Данные дефектоскопы широко используются для контроля качества сварных соединений.

Высокая чувствительность, безопасность применения и оперативность ультразвукового метода делает Ультразвуковой метод наиболее конкурентноспособным по сравнению с другими методами неразрушающего контроля.

Ультразвуковая дефектоскопия может быть применена практически к любому строительному материалу для выявления скрытых трещин, пористости, шлаковых включений и других подобных дефектов. Ультразвуковые дефектоскопы используются не только для контроля качества стальных и других металлических конструкций, но и для контроля изделий из пластиковых и композитных материалов, стекловолокна и керамики.

Наиболее распространенные области применения:

• Контроль сварных швов -- основная область применения УЗК
• Первичные металлы -- балки, брусья, прутки, поковки, трубные заготовки
• Инфраструктура -- мостовые балки, болтовые соединения, железнодорожные рельсы, металлические конструкции
• Нефтехимическая промышленность -- трубопроводы, резервуары, несущие конструкции
• Эксплуатационный контроль -- железнодорожные колеса и валы, шасси самолетов и подвески двигателя, крановые стрелы, ведущие валы, резервуары и сосуды под давлением
• Производство -- точечные сварные швы, паяные швы, литые изделия, контроль прочности композитных материалов
• Композитные материалы -- детали самолетов, ветряные турбины, двигатели из композитных материалов, стекловолокно

Многообразные применения ультразвука можно условно разделить на три направления:

• получение информации посредством ультразвука
• воздействие на вещество, существо
• обработка и передача сигналов

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется для:

• контроля протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.
• определения прочностных характеристик и состава материалов,
• определения наличия примесей,
• определения скорости течения жидкости и газа

С помощью ультразвука можно стирать, отпугивать грызунов, использовать в медицине, проверять различные материалы на наличие дефектов и еще много чего интересного.

Изучение принципов ультразвуковой диагностики предполагает знание элементарных теоретических основ акустики. 

Практическое применение ультразвука для неразрушающего контроля материалов осуществлялось в последние 50 лет.

Основным предпосылками в этой области являются:

1) открытие 1880-1881 г.г. Жаком и Пьером Кюри обратимого пьезоэлектрического эффекта, что позволило использовать кварц в качестве преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые.

2) Разработка лордом Релеем в 1885-1910 г.г. теории распространения звука в твердых веществах.

3) Разработка М.Ланжевеном эхо-импульсного способа обнаружения отражателей 1915-1917г.г.

2 февраля 1928 г. вышел патент Сергея Яковлевича Соколова на первый дефектоскоп, работающий на непрерывном звуке.

В 1940 г. Файерстон первым предложил использовать эхо-импульсный метод для ультразвуковой дефектоскопии материалов. Первые эхо-импульсные приборы были выпущены в 1943г. в США и Великобритании. С тех пор они постоянно совершенствуются