Акустический контроль

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. Ф. ЗАЦЕПИН

АКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

Учебное пособие 

Рекомендовано методическим советом УрФУ 

для студентов, обучающихся 

по направлению подготовки «Приборостроение» 

Под редакцией члена-корреспондента РАН, профессора,  

доктора технических наук В. Е. Щербинина 

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2016

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. Ф. ЗАЦЕПИН

АКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

Учебное пособие 

Рекомендовано методическим советом УрФУ 

для студентов, обучающихся 

по направлению подготовки «Приборостроение» 

Под редакцией члена-корреспондента РАН, профессора,  

доктора технических наук В. Е. Щербинина 

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2016

УДК 620.179.16(075.8) 
ББК 34.204.013.2я73 
          3-38 
Рецензенты: Урал. гос. лесотехн. ун-т (завкафедрой профессор,  
доктор физико-математических наук М. П. Кащенко);
доктор технических наук, профессор Г. Л. Аккерман (Урал. гос. ун-т 
путей сообщений);
член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук  
А. Б. Ринкевич (Ин-т физики металлов УрО РАН)

Изображение на обложке — из архива автора.

З-38

Зацепин, А. Ф.
Акустический контроль : учебное пособие / A. Ф. Зацепин ; под 
ред. чл.-кор. РАН, проф., д-ра техн. наук В. Е. Щербинина. — 
Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016. — 211,[1] с.
ISBN 978-5-7996-1818-6

Изложены теоретические и практические основы важнейших методов 

акустического контроля. Рассмотрены физические принципы генерации 
и приема ультразвука, методы расчета акустических полей, метрологические 
аспекты ультразвуковой дефектоскопии. Особое внимание уделено анализу волновых явлений в акустическом контроле, а также устройству и технологии применения современных типов УЗ-дефектоскопов. В приложении 
приведены термины и определения акустического контроля.

Библиогр.: 8 назв. Табл. 9. Рис. 122.

УДК 620.179.16(075.8) 
ББК 34.204.013.2я73

ISBN 978-5-7996-1818-6
© Уральский федеральный  
     университет, 2016

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АК 
— акустический контроль 

АРД 
— амплитуда — расстояние — диаметр 

АЧХ 
— амплитудно-частотная характеристика 

АЭ 
— акустическая эмиссия 

ВРЧ 
— временная регулировка чувствительности 

НК 
— неразрушающий контроль 

ОК 
— объект контроля 

ПЭП 
— пьезоэлектрический преобразователь 

СО 
— стандартный образец 

СОП 
— стандартный образец предприятия 

УЗ 
— ультразвук 

УЗК 
— ультразвуковые колебания 

ФЧХ 
— фазочастотная характеристика 

ЭМА 
— электромагнитно-акустический 

ЭМАП — электромагнитно-акустическое преобразование 
I И  
— поле излучения 

I П  
— поле приемника 

K И  
— коэффициент излучения 

K П  
— коэффициент приема 

K ИП  
— коэффициент двойного преобразования 

K
выяв  
— коэффициент выявляемости дефектов 

P 
— акустическое давление 

xБ  
— размер ближней зоны 

Z  
— акустический импеданс 

Z М  
— механический импеданс 

d  
— коэффициент затухания УЗК 

…Все божественные слова в волнах…

Нострадамус

ВВЕДЕНИЕ

В 

настоящее время в различных отраслях промышленности находит широкое применение ультразвуковая дефектоскопия. 

По сравнению с другими методами неразрушающего контроля она 
обладает важными преимуществами: имеет высокую чувствительность 
к наиболее опасным внутренним дефектам типа трещин, инородных 
включений и других нарушений сплошности материала, характеризуется большой производительностью, обеспечивает возможность проведения процедуры контроля непосредственно на рабочих местах без 
прерывания технологического процесса. Ультразвуковые методы контроля позволяют при низких экономических затратах получать достоверную информацию о характере дефектов, расположенных на значительной глубине в материалах, конструкциях, сварных соединениях 
и других промышленных объектах.

В данной книге рассмотрены явления излучения, приема, распро
странения, отражения, преломления и дифракции акустических волн; 
приведены методы ультразвукового контроля. Указанные в книге вопросы рассматриваются прежде всего с точки зрения задач, решаемых 
при проектировании специализированной аппаратуры и развитии технологии УЗ-дефектоскопии.

1. МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

А

кустическими методами называют методы контроля, основанные на применении упругих колебаний и волн в контро
лируемом объекте. Одна из основных причин широкого распространения акустических методов заключается в том, что свойства материалов, 
определяющие возбуждение и распространение механических колебаний, тесно связаны с прочностными характеристиками. В связи 
с этим основными задачами методов акустического неразрушающего контроля являются:

• выявление дефектов типа нарушения сплошности;
• оценка геометрических параметров изделий;
• оценка физико-химических параметров изделий или механиче
ских свойств материала.

1.1. Классификационная система

В соответствие с ГОСТ 18353–79 все методы НК классифицируют
ся по следующим признакам:

1) по характеру взаимодействия физических полей или веществ 

с контролируемым объектом. Под характером взаимодействия физического поля или вещества с ОК подразумевается непосредственное взаимодействие поля или вещества с контролируемым объектом, 
но не с проникающим веществом;

2) по первичному информативному параметру. Под первичным ин
формативным параметром подразумевается одна из основных характеристик физического поля, регистрируемая после взаимодействия 
этого поля с ОК;

1. Методы акустического контроля

3) по способу получения первичной информации. Под первичной информацией подразумевается совокупность характеристик 
физического поля, регистрируемая после взаимодействия этого 
поля с ОК.
На рис. 1.1 приведена классификационная схема акустических методов НК по ГОСТ 18353–79. Согласно ГОСТ 23829–79 акустические 
методы подразделяются на две большие группы. Одна из них использует излучение и прием акустических колебаний и волн (активные методы), вторая — только прием колебаний и волн (пассивные методы). 
Колебания в последнем случае возбуждаются под действием процессов, происходящих в самом ОК. В каждой из этих групп можно выделить методы, основанные на возникновении в ОК бегущих и стоячих 
волн или колебаний, (рис. 1.2).

 

 

 
 

 

 

 
 

 
 
 
 

 
 
 

 
 
 
 
 

 
 
 
 
 

 
 

 

АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НК

По характеру 

взаимодействия 
физического поля с ОК 

По первичному 
информативному 
параметру 

По способу получения 

первичной 
информации 

прошедшего излучения

отраженного излучения

резонансный

импедансный

собственных колебаний

акустико-эмиссионный

амплитудный

временной

фазовый

частотный

спектральный

пьезоэлектрический

электромагнитноакустический (ЭМА) 

микрофонный

порошковый

Рис. 1.1. Классификация акустических методов контроля 
по ГОСТ 18353–79 

Активные акустически методы, в которых применяют бегущие волны, делят на подгруппы: методы, использующие прохождение, отражение волн, и комбинированные методы, в которых применяют как 
отражение, так и прохождение.
К пассивным методам относят акустико-эмиссионный метод, в котором используют бегущие волны. Явление акустической эмиссии 
(от лат. emissio — испускание, излучение) состоит в излучении упругих волн материалом ОК в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры.

1.1. Классификационная система

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(спектральные) 
импедансные 

вынужденных 

колебаний 

свободных 

колебаний 

интегральный

локальный

интегральный

локальный

эхосквозной

эхотеневой

зеркально-теневой

Пассивные методы 

акустико-эмиссионный

вибрационно-диагностический

шумодиагностический

Активные методы 

АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НК 

ния 

временной теневой

велосиметрический

комбинированные 
отражения 

эхометод

теневой

эхозеркальный метод

дельта-метод

дифракционно-временной 

реверберационный

прохождесобственных частот

амплитудный теневой

Рис. 1.2. Классификация акустических методов контроля и диагностики 

по ГОСТ 23829–79 

К пассивным методам относят также вибрационно-диагностиче
ский и шумодиагностический. В первом из них анализируют параметры вибрации какой-либо отдельной детали или узла с помощью 
приемников контактного типа. Во втором изучают спектр шумов работающего механизма в целом на слух или с помощью микрофонных 
и других приемников и приборов-анализаторов спектра.

При использовании методов колебаний возбуждают свободные или 

вынужденные колебания либо ОК в целом (интегральные методы), 
либо его части (локальные методы). Свободные колебания возбуждают путем кратковременного внешнего воздействия на ОК, вынужденные колебания предполагают постоянную связь колеблющегося ОК 
с возбуждающим генератором, частоту которого изменяют. Измеряемыми величинами служат частоты свободных колебаний либо резонансов вынужденных колебаний.

Функциональные схемы вышеуказанных методов акустического 

контроля рассмотрены в последующих параграфах.

1. Методы акустического контроля

1.2. Методы прохождения

Методы прохождения основаны на возбуждении в изделии упругой 
волны и анализе свойств волн, прошедших через ОК. Методы прохождения предполагают наличие двух преобразователей — излучающего и приемного, расположенных по разные стороны от ОК или контролируемого его участка. В некоторых случаях преобразователи размещают с одной 
стороны от ОК на определенном расстоянии друг от друга. Информацию 
получают, измеряя параметры прошедшего от излучателя к приемнику 
сквозного сигнала. К этой подгруппе относят следующие методы: амплитудный теневой, временной теневой и велосиметрический.

1.2.1. Амплитудный теневой метод 

Теневой метод основан на регистрации уменьшения амплитуды прошедшей волны (так называемого сквозного сигнала) под влиянием дефекта, затрудняющего прохождение сигнала и создающего звуковую 
тень. Функциональная схема метода приведена на рис. 1.3.
Акустические колебания вводятся в контролируемое изделие при 
помощи элекроакустического преобразователя 1. Прошедшие через изделие акустические сигналы поступают на приемный преобразователь 
2, расположенный с противоположной стороны изделия симметрично 
излучающему преобразователю. Далее сигнал подается на вход приемника-анализатора, фиксирующего амплитуду прошедшего сигнала.

а
б

ОК

3

1
1

2
2

Рис. 1.3. Функциональная схема амплитудного теневого метод 
для изделия без дефекта (а) и с дефектом (б):
1 — электроакустический преобразователь; 2 — приемный преобразователь; 3 — дефект