Акустические методы контроля

Для акустического метода НК применяют колебания ультразвукового и звукового диапазонов частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность колебаний обычно невелика, не превышает 1 кВт/м². Такие колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

Амплитуда акустических волн в жидкостях и газах характеризуется одним из следующих параметров:

· акустическим давлением (Па) или изменением давления относительно среднего значения давления в среде:

,

где с- скорость распространения акустических волн; ρ – плотность среды;

· смещением в(м) частиц среды из положения равновесия в процессе колебательного движения;

· скоростью (м/с) колебательного движения частиц среды

,

где t – время.

Известно много акустических методов неразрушающего контроля, которые применяются в нескольких вариантах. Классификация акустических методов показана на рис.23. Их делят на две большие группы - активные и пассивные методы.

Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные - только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект.

Активные методыделят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот.

Рис.23. Классификация акустических видов неразрушающего контроля

Методы прохождения используют излучающие и приемные преобразователи, расположенные по одну или разные стороны контролируемого изделия. Применяют импульсное или непрерывное (реже) излучение. Потом анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект.

Рис. 24. Методы прохождения:

а- теневой; б – временной теневой; в – велосиметрический;

1 – генератор; 2 излучатель; 3 – объект контроля, 4 – приемник; 5 – усилитель,

6 – измеритель амплитуды; 7 – измеритель времени пробега; 8 – измеритель фазы

К методам прохождения относят:

амплитудный теневой метод, основанный на регистрации уменьшения амплитуды волны, прошедшей через контролируемый объект, вследствие наличия в нем дефекта (рис. 24,а);

временной теневой метод, базирующийся на регистрации запаздывания импульса, вызванного увеличением его пути в изделии при огибании дефекта (рис. 24, б). Тип волны при этом не меняется;

велосиметрический метод, основанный на регистрации изменения скорости распространения дисперсионных мод упругих волн в зоне дефекта и применяемый при одностороннем и двустороннем доступе к контролируемому объекту (рис. 24, в). В этом методе обычно используют преобразователи с сухим точечным контактом. В варианте с односторонним доступом (рис. 24, в вверху) скорость возбуждаемой излучателем антисимметричной волны нулевого порядка (а₀) в отделенном дефектом слое меньше, чем в бездефектной зоне. При двустороннем доступе (рис. 24, в внизу) в бездефектной зоне энергия передается продольной волной L, в зоне дефекта - волнами а₀,которые проходят больший путь и распространяются с меньшими скоростями, чем продольная волна. Дефекты отмечаются по изменению фазы или увеличению времени прохождения (только в импульсном варианте) по контролируемому изделию.

В методах отраженияприменяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии:

Эхо-метод(рис. 25, а) основан на регистрации эхо-сигналов от дефекта. На экране индикатора обычно наблюдают посланный (зондирующий) импульс I, импульс III, отраженный от противоположной поверхности (дна) изделия (донный сигнал) и эхо-сигнал от дефекта II. Время прихода импульсов II и III пропорционально глубине залегания дефекта и толщине изделия. При совмещенной схеме контроля (рис.25,а) один и тот же преобразователь выполняет функции излучателя и приемника. Если эти функции выполняют разные преобразователи, то схему называют раздельной.

Эхо-зеркальный методоснован на анализе сигналов, испытавших зеркальное отражение от донной поверхности изделия и дефекта, т.е. прошедших путь АВСД (рис. 25, б).Вариант этого метода, рассчитанный на выявление вертикальных дефектов в плоскости EF, называют методом тандем. Для его реализации при перемещении преобразователей А и D поддерживают постоянным значение I_А + I_D = 2Н tgα; для получения зеркального отражения от невертикальных дефектов, значение I_А + I_D варьируют. Один из вариантов метода, называемый "косой тандем", предусматривает расположение излучателя и приемника не в одной плоскости (рис. 25,б, вид в плане внизу), а в разных плоскостях, но таким образом, чтобы принимать зеркальное отражение от дефекта. Еще один вариант, называемый К-метод, предусматривает расположение преобразователей по разные стороны изделия, например, располагают приемник в точке С.

Рис. 25. Методы отражения:

а – эхо; б – эхо - зеркальный; в – дельта метод; г – дифракционно – временной;

д – реверберационный;

1 – генератор; 2 – излучатель; 3 – объект контроля; 4 – приемник; 5 – усилитель;

6 – синхронизатор; 7 – индикатор

Дельта-метод(рис.25, в) основан на приеме преобразователем 4 расположенным над дефектом продольных волн, излученных преобразователем для поперечных волн 2, и рассеянных на дефекте.

Дифракционно-временной метод(рис.25,г),в котором излучатели 2и 2^’,приемники 4и 4^’ излучают и принимают либо продольные, либо поперечные волны, причем могут излучать и принимать разные типы волн. Преобразователи располагают так, чтобы получать максимумы эхо-сигналов волн, дифрагированных на концах дефекта. Измеряют амплитуды и время прихода сигналов от верхнего и нижнего концов дефекта.

Реверберационный метод(рис.25, д)использует влияние дефекта на время затухания многократно отраженных ультразвуковых импульсов в контролируемом объекте. Например, при контроле клееной конструкции с наружным металлическим слоем и внутренним полимерным слоем дефект соединения препятствует передаче энергии во внутренний слой, что увеличивает время затухания многократных эхо-сигналов во внешнем слое. Отражения импульсов в полимерном слое обычно отсутствуют вследствие большого затухания ультразвука в полимере.

В комбинированных методахиспользуют принципы как прохождения, так и отражения акустических волн.

Зеркально-теневой методоснован на измерении амплитуды донного сигнала. В этом случае отраженный луч условно смещен в сторону (рис.26, а). По технике выполнения (фиксирует эхо-сигнал) его относят к методам отражения, а по физической сущности контроля (измеряют ослабление сигнала дважды прошедшего изделие в зоне дефекта) он близок к теневому методу.

Эхо-теневой метод основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн (рис.26, б).

Рис. 26. Комбинированные методы, использующие прохождение и отражение:

а – зеркально-теневой; б – эхо-теневой; в – эхо-сквозной:

2 – излучатель; 4 – приемник; 3 – объект контроля

В эхо-сквозном методе(рис.26,в)фиксируют сквозной сигнал I, сигнал II, испытавший двукратное отражение в изделии. В случае появления полупрозрачного дефекта фиксируют сигналы III и IV, соответствующие отражениям волн от дефекта и испытавших также отражение от верхней и нижней поверхностей изделия. Большой непрозрачный дефект обнаруживают по исчезновению или сильному уменьшению сигнала I, т.е. теневым методом, а также сигнала II. Полупрозрачные или небольшие дефекты обнаруживают по появлению сигналов III и IV, которые являются главными информационными сигналами.

Методы собственных частотоснованы на измерении этих частот (или спектров) колебаний контролируемых объектов. Собственные частоты измеряют при возбуждении в изделиях как вынужденных, так и свободных колебаний. Свободные колебания обычно возбуждают механическим ударом, вынужденные - воздействием гармонической силы меняющейся частоты.

Различают интегральные и локальные методы. В интегральных методах анализируют собственные частоты изделия, колеблющегося как единое целое. В локальных методах колебания отдельных его участков.

В методе собственных частот, используют вынужденные колебания. В интегральном методе генератор 1(рис.27,а) регулируемой частоты соединен с излучателем 2, возбуждающим упругие колебания (обычно продольные или изгибные) в контролируемом изделии 3. Приемник 4преобразует принятые колебания в электрический сигнал, который усиливается усилителем 5 и поступает на индикатор резонанса 6. Регулируя частоту генератора 1, измеряют собственные частоты изделия 3. Диапазон применяемых частот до 500 кГц.

Рис. 27. Методы собственных частот. Методы колебаний:

- вынужденных: а – интегральный; б – локальный;

- свободных: в – интегральный; г – локальный;

1 – генератор непрерывных колебаний меняющейся частоты; 2 – излучатель; 3 – объект контроля; 4 – приемник; 5 – усилитель; 6 – индикатор резонанса; 7 – модулятор частоты; 8 – индикатор; 9 – спектроанализатор; 10 – ударный вибратор; 11 – блок обработки информации

Локальный метод с использованием вынужденных колебаний известен как ультразвуковой резонансный метод. Его применяют в основном для измерения толщины. В стенке изделия 3(рис.27,6) с помощью преобразователей 2, 4возбуждают упругие волны (обычно продольные) непрерывно меняющейся частоты. Фиксируют частоты, на которых отмечаются резонансы системы преобразователь - изделие. По резонансным частотам определяют толщину стенки изделия и наличие в нем дефектов. Дефекты, параллельные поверхности, меняют измеряемую толщину, а расположенные под углом к поверхности - приводят к исчезновению резонансов. Диапазон применяемых частот - до нескольких мегагерц.

В интегральном методев изделии 3 (рис.27,в) ударом молотка 2 возбуждают свободнозатухающие колебания. Эти колебания принимают микрофоном 4, усиливают усилителем 5 и фильтруют полосовым фильтром 6, пропускающим только сигналы с частотами, соответствующими выбранной моде колебаний. Частоту измеряют частотомером 7. Признаком дефекта служит изменение (обычно снижение) частоты. Как правило, используют основные собственные частоты, не превышающие 15 кГц.

В локальном методе(рис. 27, г) возбуждаемый генератором 1 вибратор 10создает периодические удары по контролируемому изделию. Электрические сигналы с приемного микрофона 4 через усилитель 5 поступают на спектроанализатор 9. Выделенный последним спектр принятого сигнала обрабатывается решающим устройством 11,результат обработки появляется на индикаторе 8.Кроме микрофонов, применяют пьезоприемники. Дефекты регистрируют по изменению спектра принятого импульсного сигнала. В отличие от интегрального метода контроль выполняется путем сканирования изделий. Обычный диапазон рабочих частот от 0,3 до 20 кГц.

Акустико-топографический методимеет признаки интегрального и локального методов. Он основан на возбуждении в изделии интенсивных изгибных колебаний непрерывно меняющейся частоты и регистрации распределения амплитуд колебаний с помощью наносимого на поверхность порошка. Упругие колебания возбуждают преобразователем, прижимаемым к сухому изделию. Преобразователь питают от мощного (порядка 0,4 кВт) генератора непрерывно меняющейся частоты. Если собственная частота отделенной дефектом (расслоением, нарушением соединения) зоны попадает в диапазон возбуждаемых частот, колебания этой зоны усиливаются, покрывающий ее порошок смещается и концентрируется по границам дефектов, делая их видимыми. Диапазон используемых частот - от 40 до 150 кГц.

Импедансные методыиспользуют зависимость импедансов изделий при их упругих колебаниях от параметров этих изделий и наличия в них дефектов. Обычно оценивают механический импеданс , где F и v - комплексные амплитуды возмущающей силы и колебательной скорости соответственно. В отличие от характеристического импеданса, являющегося параметром среды, механический импеданс характеризует конструкцию. В импедансных методах используют изгибные и продольные волны.

При использовании изгибных волн преобразователь стержневого типа (рис.28,а) содержит соединенный с генератором 1излучающий 2и приемный 4 пьезоэлементы. Через сухой точечный контакт преобразователь возбуждает в изделии 3 гармонические изгибные колебания. В зоне дефекта модуль механического импеданса уменьшается и меняется его аргумент φ. Эти изменения регистрируются электронной аппаратурой. В импульсном варианте этого метода в системе преобразователь - изделие возбуждают импульсы свободно затухающих колебаний. Признаком дефекта служит уменьшение амплитуды и несущей частоты этих колебаний.

Рис. 28. Методы контроля: а- импедансный; б – акустико-эмисионый;

1 – генератор; 2 – излучатель; 3 – объект контроля; 4 – приемник; 5 – усилитель; 6 – блок обработки информации с индикатором

Кроме совмещенного преобразователя применяют раздельно-совмещенные преобразователи, имеющие в общем корпусе раздельные излучающий и приемный вибраторы. Эти преобразователи работают в импульсном режиме. При работе с совмещенными преобразователями используют частоты до 8 кГц. Для раздельно-совмещенных используют импульсы с несущими частотами 15-35 кГц.

В другом варианте в контролируемой многослойной конструкции с помощью плоского пьезопреобразователя возбуждают продольные упругие волныфиксированной частоты. Дефекты регистрируют по изменению входного электрического импеданса Z_Э пьезопреобразователя. Импеданс Z_Э определяется входным акустическим импедансом контролируемой конструкции, зависящим от наличия и глубины залегания дефектов в соединении между элементами. Изменения Z_Эпредставляют в виде точки на комплексной плоскости, положение которой зависит от характера дефекта. В отличие от методов, использующих изгибные волны, преобразователь контактирует с изделием через слой контактной смазки.

Метод контактного импеданса, применяемый для контроля твердости, основан на оценке механического импеданса зоны контакта алмазного индентора стержневого преобразователя, прижимаемого к контролируемому объекту с постоянной силой. Уменьшение твердости увеличивает площадь контактной зоны, вызывая рост ее упругого механического импеданса, что отмечается по увеличению собственной частоты продольного колеблющегося преобразователя, однозначно связанной с измеряемой твердостью.

Пассивные акустические методыоснованы на анализе упругих колебаний волн, возникающих в самом контролируемом объекте.

Наиболее характерным пассивным методом является акустико-эмиссионный метод (рис.28,6). Явление акустической эмиссии состоит в том, что упругие волны излучаются самим материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие трещин под влиянием внешней нагрузки, аллотропические превращения при нагреве или охлаждении, движение скоплений дислокаций - наиболее характерные источники акустической эмиссии. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи принимают упругие волны и позволяют установить место их источника (дефекта).

Пассивными акустическими методами являются вибрационно-диагностический и шумодиагностический. При первом анализируют параметры вибраций какой-либо отдельной детали или узла с помощью приемников контактного типа. При втором - изучают спектр шумов работающего механизма, обычно с помощью микрофонных приемников.

По частотному признаку акустические методы делят на низкочастотные и высокочастотные. К первым относят колебания в звуковом и низкочастотном (до нескольких десятков кГц) ультразвуковом диапазонах частот. Ко вторым - колебания в высокочастотном ультразвуковом диапазоне частот: обычно от нескольких 100 кГц до 20 МГц. Высокочастотные методы обычно называют ультразвуковыми.

Области применения методов.Из рассмотренных акустических методов контроля наибольшее практическое применение находит эхо-метод. Около 90% объектов. Применяя различные типы волн, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений, многих неметаллических материалов. Эхо-метод используют также для измерения размеров изделий. Измеряют время прихода донного сигнала и, зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе. Если толщина изделия неизвестна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по ним определяют физико-механические свойства материалов.

Эхо-зеркальныйметод применяют для выявления дефектов, ориентированных перпендикулярно поверхности ввода. При этом он обеспечивает более высокую чувствительность к таким дефектам, но требует, чтобы в зоне расположения дефектов был достаточно большой участок ровной поверхности. В рельсах, например, это требование не выполняется, поэтому там возможно применение только зеркально-теневого метода. Дефект может быть выявлен совмещенным наклонным преобразователем. Однако в этом случае зеркально-отраженная волна уходит в сторону и на преобразователь попадает лишь слабый рассеянный сигнал. Эхо-зеркальный метод используют для выявления вертикальных трещин и непроваров при контроле сварных соединений.

Дельта и дифракционно-временнойметоды также используют для получения дополнительной информации о дефектах при контроле сварных соединений.

Теневой метод применяют для контроля изделий с большим уровнем структурной реверберации, т.е. шумов, связанных с отражением ультразвука от неоднородностей, крупных зерен, дефектоскопии многослойных конструкций и изделий из слоистых пластиков, при исследовании физико-механических свойств материалов с большим затуханием и рассеянием акустических волн, например, при контроле прочности бетона по скорости ультразвука.

Локальный метод вынужденных колебаний применяют для измерения малых трещин при одностороннем доступе.

Интегральный метод свободных колебаний используют для проверки бандажей вагонных колес или стеклянной посуды "по чистоте звона" с субъективной оценкой результатов на слух. Метод с применением электронной аппаратуры и объективной количественной оценкой результатов применяют для контроля физико-механических свойств абразивных кругов, керамики и др. объектов.

Реверберационный, импедансный, велосимметрический, акустико-топографическийметоды и локальный метод свободных колебаний используют в основном для контроля многослойных конструкций. Реверберационным методом обнаруживают в основном нарушения соединений металлических слоев (обшивок) с металлическими или неметаллическими силовыми элементами или наполнителями. Импеданснымметодом выявляют дефекты соединений в многослойных конструкциях из композиционных полимерных материалов и металлов, применяемых в различных сочетаниях. Велосимметрическим методом и локальным методом свободных колебаний контролируют в основном изделия из полимерных композиционных материалов. Акустико-топографическийметод применяют для обнаружения дефектов преимущественно в металлических многослойных конструкциях (сотовые панели, биметаллы и т.п.).

Вибрационно-диагностический и шумо-диагностический методы служат для диагностики работающих механизмов. Метод акустической эмиссии применяют в качестве средства исследования материалов, конструкций, контроля изделий и диагностики во время эксплуатации. Его важными преимуществами перед другими методами контроля является то, что он реагирует только на развивающиеся, действительно опасные дефекты, а также возможность проверки больших участков или даже всего изделия без сканирования его преобразователем. Основной его недостаток как средства контроля - трудность выделения сигналов от развивающихся дефектов на фоне помех.