акустическое поле прямого преобразователя

АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

1.6.1. Понятие акустического поля

Акустическим полем называют область простран­ства, упругие колебания в точках которого определяются их поло­жением относительно объекта, порождающего это поле: излучате­ля, отражателя, границы раздела сред и т. д. Применительно к преобразователю различают поля излучения, приема и излучения — приема. Поле излучения I (а, В) преобразователя а определяет амплитуду и фазу колебаний в некоторой точке пространства В. Поле приема I (В, с) определяет амплитуду и фазу колебаний приемного преобразователя с при действии на него точечного не­направленного сферического излучателя, находящегося в некоторой точке В пространства.

Поле излучения-приема определяет сигнал приемного преобра­зователя, возникающий в результате отражения излучения того же преобразователя от небольшого отражателя в точке В. Сигнал, рассеянный таким отражателем, пропорционален падающей на не­го волне, поэтому поле излучения-приема пропорционально произ­ведению полей излучения и приема. Вблизи оси преобразователя (эту область называют параксиальной) поле излучения и приема идентичны, поэтому I (а, В)1(В, с) =Р. Акустическое поле обуслов­лено размерами, расположением отражателя и преобразователя,
частотой колебаний, свойствами среды и длительностью генерируе­мых импульсов. В упрощенной теории акустического поля считают импульсы настолько длительными, что возбуждаемые упругие колебания можно считать непрерывными гармоническими. С дру­гой стороны, предполагают импульсы настолько короткими, что процессы излучения, отражения и приема происходят в разные мо­менты времени. Из этого следует условие, что путь, проходимый импульсом, должен быть значительно больше длины волны. Влия­ние малой длительности импульса на акустическое поле учитывают в виде поправок.

Источник

Акустическое поле преобразователя

Акустическое поле излучения преобразователя определяется давлением (или действующей компонентой тензора напряжения), которое действует на элементарный приемник, расположенный в произвольной точке пространства.

Акустическое поле приемаопределяется сигналом приемного преобразователя при действии элементарного излучателя, расположенного в произвольной точке пространства.

Акустическое поле излучения – приема определяется сигналом приемного преобразователя, возникающим при отражении сигнала возбуждающего преобразователя от элементарного рассеивателя, расположенного произвольной точке пространства.

Обычно поле приема преобразователя повторяет его же поле излучения. Поэтому поле из0лучения – приема одного и того же преобразователя пропорционально квадрату поля излучения.

Для наглядности мы рассмотрим формирование полей излучения с точки зрения геометрической акустики, путем построения моделей прохождения лучей продольных, сдвиговых и поверхностных волн в некоторых телах, ограниченных плоскими и кривыми поверхностями.

Будем считать твердые тела однородными, изотропными, а ограничивающие их поверхности – гладкими.

Рассмотрим геометрию волнового опля дискового излучателя, расположенного на плоской поверхности твердого упругого полупространства с неограниченными размерами по осям Х, У, Z. Считаем, что излучатель создает напряжение , нормальное к поверхности. Если пренебречь влиянием промежуточных слоев между излучателем и средой, то волновое поле будет иметь вид, представленный на рис. 6.

Такое поле имеет две зоны:

1. ближняя зона (зона Френеля) толщиной , в пределах которой отсутствует расхождение лучей и пучок лучей в сечении повторяет сечение пластины. При этом

Для ближней зоны максимум наблюдается при (рис. 2.15)

2. дальняя зона (зона Фраунгофера)– это зона при , в пределах которой наблюдается расхождение лучей. Она характеризуется тем, что интенсивность акустической волны при удалении от преобразователя уменьшается обратно пропорционально расстоянию r. Угол расхождения , за пределами которого интенсивность волны меньше 0,1 равен

где — длина волны.

Для дальней зоны диаграмма направленности имеет вид, показанный на рис. 8.

где — функция Бесселя первого рода

На рис. 9 показано изменение формы пучка при увеличении диаметра преобразователя.

Такая картина является идеальной. Практически мы всегда имеем дело с ограниченными телами. Кроме того, нормально приложенная к поверхности среды сила, вызовет в ней не только нормальную компоненту напряжения. На границах преобразователя возникнут напряжения, перпендикулярные направлению действующей силы, т.е. параллельно поверхности. В результате на границе излучателя возникнут сдвиговые и поверхностные волны, затухающие с глубиной. Взаимодействие всех этих волн приводит к искажению идеальной картины.

Кроме того, реальные тела имеют ограниченные размеры, т.е. существуют границы. Отраженные от границ волны взаимодействуют с первичными, создавая сложные акустические поля.

Основные методы акустического контроля

Общие сведения

Акустическими методами называют методы контроля, основанные на изменении упругих колебаний и волн в контролируемом объекте.

Согласно ГОСТ 23829-79 акустические методы делят на две большие группы:

Пассивные – основанные только на приеме колебаний.

К активным методам относят методы, основанные на прохождении и отражении УЗК.

АКТИВНЫЕ МЕТОДЫ

Теневой метод.

Основан на ослаблении проходящих ультразвуковых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих ультразвуковую тень (рис. 1).

При теневом методе используется два преобразователя. Один из них излучает УЗК, а другой принимает их. Уменьшение интенсивности колебаний зависит от величины дефекта. Чем больше дефект, тем больше ослабляется звуковой поток.

Теневой метод малочувствителен. Дефект можно обнаружить, если вызываемое им изменение сигнала составляет 15-20%. Более мелкие дефекты не обнаруживаются. Существенный недостаток теневого метода – невозможность определить глубину залегания дефекта. Кроме того, при контроле трудно определить изменения сигнала за счет дефекта от изменения сигнала за счет изменения толщины детали. Так как теневой метод не зависит от разрешающей способности излучателя, он нашел широкое применение при дефектоскопии тонких деталей (стальных листов, автомобильных покрышек и др.).

Временной теневой метод.

Метод основан на измерении временного запаздывания УЗ импульса при огибании дефекта. Имеет те же преимущества и недостатки что и теневой метод.

Велосиметрический метод.

Основан на изменении скорости упругих волн при наличии дефекта. Например, если в тонком изделии распространяется изгибная волна, то появление расслоения вызовет уменьшение ее скорости, которая обычно измеряется по сдвигу фазы прошедшей волны.

В методах отражения используют как один, так и два преобразователя; применяется как правило импульсное излучение. Выделяют следующие методы:

Эхо-метод.

Высококачественный генератор вырабатывает кратковременные импульсы (либо с высокочастотным заполнением – радиоимпульсы, либо просто короткие импульсы). Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который работает в это время на прием (рис. 2)

С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем, на отклоняющие пластины элт (рис. 3).

Эхо-метод обладает рядом преимуществ перед теневым. Он позволяет использовать изделия при одностороннем доступе к ним. Это особенно ценно при проверке изделий, в которых отсутствует двусторонний доступ. Кроме того, чувствительность эхо-метода значительно выше теневого. При теневом методе ослабление УЗК на 5% трудно зарегистрировать, а при эхо-методе отражение даже 1% энергии очень хорошо не только обнаруживается, но и измеряется. Кроме того, эхо-метод позволяет определить, на какой глубине находится дефект. Если временное расстояние между зондирующим и отраженным от противоположной поверхности детали (донный импульс) принять за размер детали, то время между посылаемым импульсом и моментом прихода отраженного от дефекта импульса дает глубину залегания дефекта.

Кроме того, по амплитуде отраженного сигнала можно судить о размерах дефекта, а изучая спектральный состав отраженного импульса, можно получить информацию о типе и форме дефекта.

Главный недостаток эхо-метода – наличие мертвой зоны под датчиком, что не дает возможности применять его для тонких изделий. Наличие мертвой зоны связано с тем, что при близко расположенном дефекте в момент прихода эхо-сигнала от него еще продолжается излучение зондирующего импульса. Для уменьшения мертвой зоны повышают частоту УЗК, что позволяет уменьшить длительность зондирующего импульса.

Длительность импульса определяет и разрешающую способность метода, т.е. минимальное расстояние между дефектами по глубине, при котором их эхо=сигналы воспринимаются раздельно. Очевидно разрешающая способность эхо-метода по глубине равна длительности зондирующего импульса.

Повышение частоты с целью увеличения разрешения ограниченно сверху тем, что короткие волны начинают отражаться от границ кристаллических зерен металла, что вызывает появление помех. Кроме того, с увеличением частоты возрастает затухание УЗК.

Эхо-зеркальный метод.

Является разновидностью эхо-метода, и используется для обнаружения дефектов, ориентированных вертикально к поверхности изделия (рис. 4)

Обычным эхо-методом такой дефект не обнаруживается из-за очень малой площади его сечения в плоскости поверхности. Для обнаружения таких дефектов наклонные искатели А и В располагаются на некотором расстоянии L с одной стороны изделия, либо второй тоже наклонных искатель С располагается с противоположной стороны. Расстояние L определяется толщиной изделия и углом ввода УЗК в изделие. Т.к. площадь дефекта в сечении, перпендикулярном вводимому наклонному лучу значительно превышает площадь нормального к поверхности сечения дефекта, то повышается вероятность обнаружения и чувствительность контроля.

Дельта-метод.

Использует рассеяние УЗК на дефектах. Для этого УЗК с помощью наклонного искателя А вводиться в изделие и распространяется в нем вдоль изделия (рис. 5).

Искатель В (приемник) сканирует поверхность изделия. В месте расположения дефекта УЗК будут отражаться в различных направлениях. Часть из них отразиться в направлении к поверхности и будет зарегистрирована искателем В. Этот метод позволяет получить визуальное распределение дефектов в плане.

Реверберационный метод.

Метод предназначен для контроля слоистых конструкций, например, металл-пластик и основан на анализе длительности реверберации УЗК (рис. 6)

Когда преобразователь расположен в точке А с плотным контактом между слоями, то УЗК проходят из металла в пластик и там гасятся. В результате потери энергии УЗК оказываются достаточно большими, что приводит к быстрому гашению реверберации. А области неплотного контакта между слоями большая часть энергии УЗК отражается назад в металл. Т.к. поглощение энергии УЗК в металле мало, то УЗК будет затухать достаточно медленно, т.е. длительность реверберации будет увеличиваться.

Существует ряд методов, использующих комбинацию проходящих и отраженных УЗК. Выделяют такие методы:

Зеркально-теневой метод.

Измеряется амплитуда УЗК, отраженного от противоположной поверхности изделия (донный импульс), т.е. дважды прошедшего через изделие. Величина ослабления зависит от размеров дефекта.

Эхо-теневой метод.

В этом методе анализируются как пришедшие, так и отраженные сигналы.

Эхо-сквозной метод.

В этом методе фиксируется сквозной сигнал I и сигнал II, испытавший двукратное отражение (рис. 7).

При появлении дефекта эти сигналы уменьшаются как в теневом и зеркально-теневом методах. Кроме того, появляются эхо-сигналы III и IV, соответствующие отражениям дефектов лучей I и II. По сравнению с теневым методом эхо-сквозной метод обладает повышенной чувствительностью. Преимуществом по сравнению с обычным эхо-методом является уменьшение размеров мертвой зоны из-за увеличения пути отраженного сигнала. Недостаток – трудность точной оценки местоположения дефекта и его размеров.

От рассмотренных методов существенно отличается

Импедансный метод.

Он основан на использовании зависимости полного механического импеданса (сопротивления) контролируемого изделия от качества соединения его элементов между собой (рис. 8). Изменение входного импеданса изделия может быть обнаружено по изменению амплитуды или фазы силы реакции, оказываемой на датчик или по изменению частоты датчика. Чаще всего используется для контроля клеевых, паяных, клепаных соединений.

В приборах импедансного типа датчик представляет собой стержень, на разных концах которого расположены излучатель и приемник. Излучатель возбуждает в стержне колебания, а приемник фиксирует их.

Такой датчик приводится в акустический контакт с изделием, в результате которого изменяется либо частота колебаний стержня, либо амплитуда и фаза сигналов с приемника.

На использовании стоячих волн основаны следующие методы:

Источник

Акустическое поле преобразователя

Акустическое поле преобразователя определяет зависимость акустических величин (давление, смещение, скорость) от положения исследуемой точки в пространстве. Поле, возникающее в результате действия излучающего преобразо­вателя, называется полем излучения.

Одним из простых случаев является звуковое поле круглого плоского излучателя, который колеблется с одинаковой фазой и амплитудой по всей поверхности. Такой источник звука называется идеальным поршневым излучателем.

Акустическое поле излучателя вблизи его поверхности и на удалении существенно отличаются.

Поле излучения на оси преобра­зователя (а) и общая схема поля (б)

Для круглой пьезопластины протяженность ближней зоны на оси преобразователя:

а – радиус излучателя, λ, f, c – длина волны, частота и скорость распространения УЗК.

Для прямоугольного преобразователя с соотношением сторон не более 2 протяженность ближней зоны приблизительно равна:

S – площадь пьезопластины.

В дальней зоне (дальнем поле, зоне Фраунгофера) формируется расходящийся пучок лучей. Излучается как бы сферическая волна, но не во все стороны, а в пределах конуса. Поле волны приобретает форму конуса. Максимум амплитуды соответствует оси преобразователя (акустическая ось или центральный луч). С увеличением угла между направлением какого-либо луча и осью амплитуда уменьшается. За пределами некоторого угла (угла раскрытия) излучение почти не чувствуется. Угол раскрытия определяет направленность излучения.

Диаграмма направленности не зависит от расстояния до излучателя.

Центральная часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда поля уменьшается от единицы до нуля, называется основым лепестком. В пределах основного лепестка сосредоточено около 85% энергии излучения. Вне основного лепестка диаграмма направленности имеет вид боковых лепестков.

Угол, при которым амплитуда излучения становится равной нулю называется углом раскрытия.

Угол раскрытия (половина угла раствора конуса) для круглого ПЭП определяется

В практике контроля иногда определяют угол раскрытия основного лепестка на уровнях, отличающихся от нулевого.

На уровне 20 дБ (или уровень 0,1 от максимума): θ=arcsin 0.54λ/а

На уровне 12 дБ (или уровень 0,25от максимума): θ=arcsin 0.46λ/а

На уровне 6 дБ (или уровень 0,5 от максимума): θ=arcsin 0.35λ/а

Для преобразователей, имеющих симметричную диаграмму направленности, удвоенный угол раскрытия основного лепестка (2θ) называется шириной основного лепестка диаграммы направленности.

Из приведенных выше выражений видно, что основной лепесток диаграммы направленности излучателя сужается с увеличением частоты и размера преобразователя.

В конце ближней зоны имеется фокус звукового пучка. Звуковой пучок там существенно уже, чем диаметр излучателя, амплитуда звукового давления здесь в два раза превышает среднее звуковое давление непосредственно у излучателя. Начиная с N = N_б звуковое давление медленно уменьшается и достигает средней величины лишь при N= 3 N_б.

Действительное поле, создаваемое ПЭП, ультразвукового дефектоскопа, отличается от рассмотренного расчетного поля. При простейшем рассмотрении мы пренебрегли связью между различными типами волн. Рассматривали поле идеального круглого излучателя в режиме непрерывных колебаний, однако основной режим работы в дефектоскопии – импульсный. В отличии от теоретического поршневого излучателя, у обычного ПЭП пьезопластина возбуждается неравномерно – по краю амплитуда ее колебаний меньше, чем в середине.

Дата добавления: 2015-07-11 ; просмотров: 617 | Нарушение авторских прав

Источник

АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Акустическое поле излучения преобразователя определяется давлением (или действующей компонентой тензора напряжения), которое действует на элементарный приемник, расположенный в произвольной точке пространства.

Акустическое поле приема определяется сигналом приемного преобразователя при действии элементарного излучателя, расположенного в произвольной точке пространства.

Обычно поле приема преобразователя повторяет его же поле излучения.

Для наглядности мы рассмотрим формирование полей излучения с точки зрения геометрической акустики, путем построения моделей прохождения лучей продольных, сдвиговых и поверхностных волн в некоторых телах, ограниченных плоскими и кривыми поверхностями.

Такое поле имеет две зоны:

1. ближняя зона (зона Френеля) толщиной :

,

в пределах которой отсутствует расхождение лучей и пучок лучей в сечении повторяет сечение пластины. При этом:

Для ближней зоны максимум наблюдается при:

Рисунок 7.

2. Дальняя зона (зона Фраунгофера)- это зона при , в пределах которой наблюдается расхождение лучей. Она характеризуется тем, что интенсивность акустической волны при удалении от преобразователя уменьшается обратно пропорционально расстоянию r. Угол расхождения , за пределами которого интенсивность волны меньше 0,1 равен

,

где:

—

длина волны.

Для дальней зоны диаграмма направленности имеет вид, показанный на рисунок 8.

,

,

,

где:

—

функция Бесселя первого рода.

Рисунок 8.

На рисунке 9 показано изменение формы пучка при увеличении диаметра преобразователя.

Такая картина является идеальной. Практически мы всегда имеем дело с ограниченными телами. Кроме того, нормально приложенная к поверхности среды сила, вызовет в ней не только нормальную компоненту напряжения. На границах преобразователя возникнут напряжения, перпендикулярные направлению действующей силы, т.е. параллельно поверхности. В результате на границе излучателя возникнут сдвиговые и поверхностные волны, затухающие с глубиной. Взаимодействие всех этих волн приводит к искажению идеальной картины.

Кроме того, реальные тела имеют ограниченные размеры, т.е. существуют границы. Отраженные от границ волны взаимодействуют с первичными, создавая сложные акустические поля.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Акустическими методами называют методы контроля, основанные на изменении упругих колебаний и волн в контролируемом объекте.

Рисунок 20 – Классификация акустических методов контроля

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

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

К методам прохождения относят:

· амплитудный теневой метод, основанный на регистрации уменьшения амплитуды волны, прошедшей через контролируемый объект, вследствие наличия в нем дефекта (рисунок21,а);

· временной теневой метод, базирующийся на регистрации запаздывания импульса, вызванного увеличением его пути в изделии при огибании дефекта (рисунок21,б); тип волны при этом не меняется;

а – теневой, б – временной теневой, в – велосимметрический

1- генератор, 2 – излучатель, 3 – объект контроля, 4 – приемник,

5 – усилитель, 6 – измеритель амплитуды,

7 – измеритель времени пробега, 8 – измеритель фазы

В методах отражения используют как один, так и два преобразователя; применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии:

Эхо-метод (рисунок22, 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 (рисунок22, а) один и тот же преобразователь выполняет функции излучателя и приемника. Если эти функции выполняют разные преобразователи, то схему называют раздельной.

Эхо-зеркальный метод основан на анализе сигналов, испытавших зеркальное отражение от донной поверхности изделия и дефекта, т.е. прошедших путь АВСД (рисунок22, б). Вариант этого метода, рассчитанный на выявление вертикальных дефектов в плоскости ЕF, называют методом тандем. Для его реализации при перемещении преобразователей А и D поддерживают постоянным значение ; для получения зеркального отражения от невертикальных дефектов, значение варьируют. Один из вариантов метода, называемый «косой тандем», предусматривает расположение излучателя и приемника не в одной плоскости (рисунок22, 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.

Дельта-метод (рисунок22,в) основан на приеме преобразователем для продольных волн 4, расположенным над дефектом, рассеянных на дефекте волн, излученных преобразователем для поперечных волн 2.

Дифракционно-временной метод (рисунок22, г), в котором излучатели 2 и 2¢, приемники 4 и 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 (рисунок22, 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.

Рисунок 22 — Методы отражения:

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

Зеркально-теневой метод основан на измерении амплитуды донного сигнала. На рисунок 23, а отраженный луч условно смещен в сторону. 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 (рисунок 23, б).

Методы собственных частот, использующие вынужденные колебания. В интегральном методе генератор 1 (рисунок 24,в) регулируемой частоты соединен с излучателем 2, возбуждающим упругие колебания (обычно продольные или изгибные) в контролируемом изделии 3. Приемник 4 преобразует 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.

Методы собственных частот, использующие свободные колебания,также делят на интегральные и локальные.

В интегральном методе в изделии 3 (рисунок 24,а) ударом молотка 1 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.

Рисунок 24 — Методы собственных частот. Методы колебаний:

1- генератор непрерывных колебаний меняющейся частоты;

В локальном методе (рисунок 24,г) возбуждаемый генератором 1 вибратор 10, создает 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 12. 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.

Импедансные методыиспользуют зависимость импедансов изделий при их упругих колебаниях от параметров этих изделий и наличия в них дефектов. Обычно оценивают механический импеданс , где и — 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.

В другом варианте в контролируемой многослойной конструкции с помощью плоского пьезопреобразователя возбуждают продольные упругие волны фиксированной частоты. Дефекты регистрируют по изменению входного электрического импеданса пьезопреобразователя. Импеданс определяется входным акустическим импедансом контролируемой конструкции, зависящим от наличия и глубины залегания дефектов соединения между ее элементами. Изменения представляют 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 (рисунок 25,б). 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).

Рисунок 25 — Методы контроля:

1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 — приемник;

5 — усилитель; 6 — блок обработки информации с индикатором

Области применения методов.Из рассмотренных акустических методов контроля наибольшее практическое применение находит эхо-метод. Около 90% объектов, контролируемых акустическими методами, проверяют эхо-методом. 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-зеркальный метод также 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 (рисунок 22,б). В рельсах, например, это требование не выполняется, поэтому там возможно применение только зеркально-теневого метода. Дефект может быть выявлен совмещенным наклонным преобразователем, расположенным в точке А. Однако, в этом случае зеркально-отраженная волна уходит в сторону и на преобразователь погадает лишь слабый рассеянный сигнал. Преобразователи, расположенные в точках С или D обнаруживают дефект с высокой чувствительностью.

Эхо-зеркальный метод в варианте «тандем» используют для выявления вертикальных трещин и непроваров при контроле сварных соединений. Дефекты некоторых видов сварки, например, непровар при электронно-лучевой сварке, имеют гладкую отражающую поверхность, очень слабо рассеивающую ультразвуковые волны, но такие дефекты хорошо выявляются эхо-зеркальным методом. Дефекты округлой формы (шлаковые включения, поры) дают большой рассеянный сигнал и хорошо регистрируются совмещенным преобразователем в точке А, в то же время зеркальное отражение от них слабое. В результате сравнения отраженных сигналов в точках А и D определяют форму дефекта сварного соединения.

Вариант «косой тандем» применяют, когда расположение преобразователей в одной плоскости затруднительно. Его используют, например, для выявления поперечных трещин в сварных швах. Преобразователи в этом случае располагают по разные стороны валика усиления шва. Углы и выбирают либо малыми (не более 10°), либо большими (св. 35°) для предотвращения трансформации поперечных волн в продольные. При угле меньше 10° трансформация мала. Угол 35° и больше превосходит третье критическое значение и трансформация отсутствует. Существуют варианты с . Например, излучают поперечную волну с , а принимают трансформированную продольную волну.

Дельта и дифракционно-временной методы также используют для получения дополнительной информации о дефектах при контроле сварных соединений. В варианте, показанном на рисунок 22,в, излучают поперечные, а принимают продольные волны. Эффективная трансформация волн на дефекте произойдет, если угол падения на плоский дефект меньше третьего критического, либо если продольная волна возникает в результате рассеяния на дефекте. Для создания хорошего контакта приемного прямого преобразователя с поверхностью сварного соединения валик усиления зачищают. С помощью этого метода довольно точно определяют положение дефекта вдоль сварного шва, что важно для его автоматической регистрации.

Эхо-теневой метод применяют также при контроле сварных соединений. Например, при автоматическом контроле сварных соединений искатели располагают по обе стороны от шва и принимают как отраженные, так и прошедшие сигналы. Последние используют для контроля качества акустического контакта и обнаружения дефектов, ориентированных таким образом, что эхо-сигналы от них очень слабы.

Теневой и эхо-сквозной методы используют только при двустороннем доступе к изделию, для автоматического контроля изделий простой формы, например, листов в иммерсионной ванне. Перемещение листа вверх и вниз между преобразователями в иммерсионной ванне не изменяет времени прохождения сигналов от излучателя к приемнику, что существенно упрощает конструкцию установки. Чувствительность теневого метода к дефектам в 10-100 раз меньше, чем эхо-метода в связи с большим влиянием помех. Применение эхо-сквозного метода в значительной мере устраняет этот недостаток.

Теневой метод применяют также 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. Сквозной сигнал попадает на приемник раньше, чем структурные реверберации, что позволяет его зарегистрировать на фоне шумов. При контроле тонких изделий с очень высоким уровнем структурных шумов более высокую чувствительность обеспечивает временной теневой метод. Теневой и временной методы позволяют обнаруживать крупные дефекты в материалах, где контроль другими акустическими методами затруднен или невозможен: крупнозернистой аустенитной стали, сером чугуне, бетоне, огнеупорном кирпиче.

Теневой метод применяют вместо эхо-метода при исследовании физико-механических свойств материалов с большим затуханием и рассеянием акустических волн, например, при контроле прочности бетона по скорости ультразвука. Для этой цели применяют не только теневой метод, но (в более общем виде) метод прохождения. Например, излучатель и приемник располагают с одной стороны изделия, на одной поверхности и измеряют время и амплитуду сквозного сигнала головной волны.

Локальный метод вынужденных колебаний применяют для измерения малых трещин при одностороннем доступе. Контактный резонансный толщиномер, принцип действия которого показан на рисунок 24,б, в 60-х годах был основным средством толщинометрии. В настоящее время для ручного контроля применяют импульсные толщиномеры. Для автоматического измерения толщины стенок тонких труб лучший результат дает иммерсионный резонансный толщиномер.

Интегральный метод вынужденных колебаний применяют для определения модулей упругости материала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебаний образцов простой формы, вырезанных из материала изделия, т.е. при разрушающих испытаниях. В последнее время этот метод используют также для неразрушающего контроля небольших изделий: абразивных кругов, турбинных лопаток. Появление дефектов или изменение свойств материалов определяют по изменению спектра резонансных частот. Свойства, связанные с затуханием ультразвука (изменение структуры, появление мелких трещин), определяют по изменению добротности колебательной системы.

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-топографический методы 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. Импедансным методом 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-топографический метод применяют для обнаружения дефектов преимущественно в металлических многослойных конструкциях (сотовые панели, биметаллы и т.п.).

Источник