Неразрушающий контроль. Акустическая дефектоскопия

«Неразрушающий контроль. Акустическая дефектоскопия»
Санкт-Петербург 2011 г

 
Содержание
 
Введение
Глава1. Явление ультразвука
1.1Физические свойства и особенности распространения ультразвука
1.2Генерация ультразвука
1.3Прием и обнаружение ультразвука
1.4Применение ультразвука
Глава2. Аппаратура для контроля
2.1Состав аппаратуры
2.2Ультразвуковые дефектоскопы
2.3Импульсные ультразвуковые дефектоскопы
2.4УЗД с непрерывным излучением
Глава3. Методы акустического контроля
3.1Активные методы
3.2Пассивные методы
3.3Области применения методов
Литература
 

 
Введение
 
Припроведении мониторинга технического состояния сложных систем и агрегатов однойиз наиболее актуальных является задача объективного своевременного обнаружениядефектов различной природы и организация контроля за развитием дефектов из-застарения элементов при эксплуатации. Одним из путей предотвращениянежелательных последствий от эксплуатации изделий с дефектами являетсясистематичное использование методов неразрушающего контроля. Применение каждогоиз методов в каждом конкретном случае характеризуется вероятностью выявлениядефектов. На вероятность выявления дефектов влияют чувствительность метода, атакже условия проведения процедуры контроля. Определение вероятности выявлениядефектов является достаточно сложной задачей, которая еще более усложняется,если для повышения достоверности определения дефектов приходится комбинироватьметоды контроля. Комбинирование методов подразумевает не только использованиенескольких методов, но и чередование их в определенной последовательности(технологии). Вместе с тем, стоимость применения метода контроля или ихсовокупности должна быть по возможности ниже. Таким образом, выбор стратегииприменения методов контроля основывается на стремлении, с одной стороны,повысить вероятность выявления дефектов и, с другой стороны, снизить различныетехнико-экономические затраты на проведение контроля.
Дефектоскопия— обобщающее название неразрушающих методов контроля материалов (изделий);используется для обнаружения нарушений сплошности или однородностимакроструктуры, отклонений химического состава и других целей. Наиболеераспространены ультразвуковая, рентгено- и гамма-дефектоскопия, ИК,люминесцентная, капиллярная, магнитная, термо- и трибоэлектрическая дефектоскопия.
Основнымиобластями применения ультразвука в приборостроении являются ультразвуковаяобработка, ультразвуковая дефектоскопия и оптико-акустическая информатика.Ультразвуковая обработка представляет собой совокупность способов обработкиизделий из металлов, полупроводников, керамики и других материалов сиспользованием энергии ультразвуковых колебаний (УЗК). В производстве изделийэлектронной техники ультразвуковая обработка часто применяется в сочетаниидругими методами обработки для интенсификации реализуемых процессов: очистки,сварки, пайки, лужения деталей, химического и электрохимического травления иосаждения металлов, сушки, пропитки пористо-капиллярных материалов (например,секций электролитических конденсаторов).
Ультразвуковаядефектоскопия, группа методов дефектоскопии, в которых используют проникающуюспособность упругих волн ультразвукового диапазона частот (иногда звукового).Ультразвуковая дефектоскопия один из наиболее универсальных способовнеразрушающего контроля, методы которого позволяют обнаруживать поверхностные иглубинные дефекты трещины, раковины, расслоения в металлических инеметаллических материалах (в том числе сварных и паяных швах, клеёныхмногослойных конструкциях), определять зоны коррозии металлов, измерять толщину(резонансный метод).
Ультразвуковаядефектоскопия – это комплекс методов неразрушающего контроля, основанных наприменении упругих волн ультразвукового диапазона.

 
Глава1. Явление ультразвука
Ультразвук— упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5— 2×104 Гц (15—20 кГц) и до 109 Гц (1 ГГц), область частотультразвука от 109 до 1012-13Гц принято называтьгиперзвуком. Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти:ультразвук низких частот (1,5×104—105 Гц)— УНЧ, ультразвук средних частот (105—107 Гц) — УСЧ и область высокихчастот ультразвука (107—109 Гц) — УЗВЧ. Каждая из этихподобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации,приёма, распространения и применения.
1.1Физические свойства и особенности распространения ультразвука
 
Посвоей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этомон не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковымиволнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческогослуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однакоблагодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеетместо ряд особенностей распространения ультразвука. Так, для УЗВЧ длины волн ввоздухе составляют 3,4×10-3—3,4×10-5 см, в воде 1,5×10-2—1,5×10-4 см и в стали 5×10-2— 5×10-4 см, ультразвук в газах и, вчастности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдыетела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошиепроводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например,в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятсяпочти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяюттолько УНЧ. Ввиду малой длины волны ультразвука на характере егораспространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряяскорость ультразвука с и коэффициент поглощения a, можно судить о молекулярныхсвойствах вещества. Этими вопросами занимается молекулярная акустика.Характерная особенность распространения ультразвука в газах и жидкостях —существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резкимвозрастанием его поглощения. Коэффициент поглощения ультразвука в рядежидкостей существенно превосходит рассчитанный по классической теории и необнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадратучастоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории, котораяописывает распространение ультразвука в любых средах и является теоретическойбазой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод —измерение зависимости с и особенно, а от частоты и от внешних условий(температуры, давления и др.).
Совокупностьуплотнений и разряжений, сопровождающая распространение ультразвуковой волны,представляет собой своеобразную решётку, дифракцию световых волн на которойможно наблюдать в оптически прозрачных телах. Малая длина ультразвуковых волнявляется основой для того, чтобы рассматривать их распространение в рядеслучаев методами геометрической акустики. Физически это приводит к лучевойкартине распространения. Отсюда вытекают такие свойства ультразвука, как возможностьгеометрического отражения и преломления, а также фокусировки звука.
Следующаяважная особенность ультразвука, — возможность получения большой интенсивностидаже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при даннойамплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты.Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом эффектов,которые могут быть описаны лишь законами нелинейной акустики. Так,распространению ультразвуковых волн в газах и в жидкостях сопутствует движениесреды, которое называют акустическим течением. Скорость акустического течениязависит от вязкости среды, интенсивности ультразвука и его частоты; вообщеговоря, она мала и составляет доли % от скорости ультразвука.
 
1.2Генерация ультразвука
 
Длягенерирования ультразвуковых колебаний применяют разнообразные устройства,которые могут быть разбиты на две основные группы — механические, в которыхисточником ультразвука является механическая энергия потока газа или жидкости,и электромеханические, в которых ультразвуковая энергия получаетсяпреобразованием электрической. Механические излучатели ультразвука — воздушныеи жидкостные свистки и сирены — отличаются сравнительной простотой устройства иэксплуатации, не требуют дорогостоящей электрической энергии высокой частоты,КПД их составляет 10—20%. Основной недостаток всех механических ультразвуковыхизлучателей — сравнительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильностьчастоты и амплитуды, что не позволяет их использовать для контрольно-измерительныхцелей; они применяются главным образом в промышленной ультразвуковой технологиии частично — как средства сигнализации.
Основнойметод излучения ультразвука — преобразование тем или иным способомэлектрических колебаний в колебания механические. В диапазоне УНЧ возможноприменение электродинамических и электростатических излучателей. Широкоеприменение в этом диапазоне частот нашли излучатели ультразвука, использующиемагнитострикционный эффект в никеле и в ряде специальных сплавов, также в ферритах.Для излучения УСЧ и УЗВЧ используется главным образом явлениепьезоэлектричества. Основными пьезоэлектрическими сигналами для излучателейультразвука служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат калия, а в диапазонеУНЧ и УСЧ — главным образом различные пьезокерамические материалы.Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник стержневой иликольцевой формы с обмоткой, по которой протекает переменный ток, апьезоэлектрические — пластинку или стержень из пьезоэлектрического материала сметаллическими электродами, к которым прикладывается переменное электрическоенапряжение. В диапазоне УНЧ широкое распространение получили составныепьезоизлучатели, в которых пьезокерамическая пластинка зажимается междуметаллическими блоками. Как правило, для увеличения амплитуды колебаний иизлучаемой в среду мощности применяются колебания магнитострикционных ипьезоэлектрических элементов на их собственной резонансной частоте.
 
1.3Приём и обнаружение ультразвука
 
Вследствиеобратимости пьезоэффекта он широко применяется и для приёма ультразвука.Изучение ультразвукового поля может производиться и оптическими методами:ультразвук, распространяясь в какой-либо среде, вызывает изменение еёоптического показателя преломления, благодаря чему его можно визуализировать,если среда прозрачна для света. Смежная область акустики и оптики(акустооптика) получила большое развитие, в особенности после появления газовыхлазеров непрерывного действия; развились исследования по дифракции света наультразвук и её различным применениям.
1.4Применение ультразвука
 
Примененияультразвука чрезвычайно разнообразны. Ультразвук служит мощным методомисследования различных явлений во многих областях физики. Так, например,ультразвуковые методы применяются в физике твёрдого тела и физикеполупроводников; возникла целая новая область физики — акусто-электроника, наоснове достижений которой разрабатываются различные приборы для обработкисигнальной информации в микроэлектронике. Ультразвук играет большую роль визучении вещества. Наряду с методами молекулярной акустики для жидкостей игазов, в области изучения твёрдых тел измерение скорости с и коэффициентапоглощения a используются для определения модулей упругости и диссипативныххарактеристик вещества. Получила развитие квантовая акустика, изучающаявзаимодействие квантов упругих возмущений: фанонов с электронами, магнонами идругими квазичастицами и элементарными возбуждениями в твёрдых телах. У. широкоприменяется в технике, а также ультразвуковые методы всё больше проникают в биологиюи медицину.
Применение ультразвукав технике. По данным измерений с и a, во многих технических задачахосуществляется контроль за протеканием того или иного процесса (контрольконцентрации смеси газов, состава различных жидкостей и т.д.). Используяявление отражения ультразвука на границе различных сред, конструируютультразвуковые приборы для измерения размеров изделий (например, ультразвуковыетолщиномеры), для определения уровня жидкости в больших, недоступных дляпрямого измерения ёмкостях. Ультразвук сравнительно малой интенсивности (до~0,1 вт/см2) широкоиспользуется для целей неразрушающего контроля изделий из твёрдых материалов(рельсов, крупных отливок, качественного проката и т. д.). Быстро развиваетсянаправление дефектоскопии, получившее название акустической эмиссии, котораясостоит в том, что при приложении механического напряжения к образцу(конструкции) твёрдого тела он «потрескивает» (подобно тому, как при изгибе«потрескивает» оловянный стержень). Это объясняется тем, что в образце возникаетдвижение дислокаций, которые при определённых условиях (до конца ещё пока невыясненных) становятся источниками (так же, как и совокупность дислокаций исубмикроскопических трещин) акустических импульсов со спектром, содержащимчастоты ульразвука. При помощи акустической эмиссии удаётся обнаружитьобразование и развитие трещины, а также определить её местонахождение вответственных деталях различных конструкций. При помощи ультразвукаосуществляется звуковидение: преобразуя ультразвуковые колебания вэлектрические, а последние — в световые, оказывается возможным при помощиультразвука видеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде. Начастотах УЗВЧ диапазона создан ультразвуковой микроскоп — прибор, аналогичныйобычному микроскопу, преимущество которого перед оптическим состоит и том, чтопри биологических исследованиях не требуется предварительного окрашиванияпредмета. Развитие голографии привело к определённым успехам в областиультразвуковой голографии.
 

 
Глава2. Аппаратура для контроля
 
2.1Состав аппаратуры
Всостав аппаратуры для акустического неразрушающего контроля входят:акустический дефектоскоп с преобразователями; стандартные образцы;вспомогательные приспособления и устройства для соблюдения параметровсканирования и измерения акустических характеристик выявленных дефектов.
Приметоде отражений используют акустические дефектоскопы, работающие в диапазонечастот 0,2...30 МГц, т. е. ультразвуковые дефектоскопы.
2.2Ультразвуковые дефектоскопы
Ультразвуковыедефектоскопы обычно работают в импульсном режиме, значительно реже — внепрерывном режиме излучения упругих колебаний. Четкая классификация импульсныхультразвуковых дефектоскопов определена ГОСТ 23049—84. В зависимости от областиприменения ультразвуковые дефектоскопы (УД) подразделяют на две группы: общегоназначения — УД и специализированные — УДС, а в зависимости от функциональногоназначения на четыре группы (табл. 1). Условное обозначение дефектоскопасостоит из букв УД (или УДС), номера группы и порядкового номера модели, атакже буквы М с номером модернизации и номера исполнения по устойчивости квоздействию внешней среды.
Таблица1. Классификация ультразвуковых дефектоскоповГруппа УЗД Функциональное назначение УЗД Примеры обозначения 1 Обнаружение дефектов (пороговые УЗД)
УД1-...
УДС1-... 2 Обнаружение дефектов измерение глубины (координат) их залегания и отношения амплитуд сигналов от дефектов
УД2-...
УДС2-... 3 Обнаружение дефектов, измерение глубины (координат) их залегания и эквивалентной площади дефектов или условных размеров дефектов
УД3-...
УДС3-... Группа УЗД Функциональное назначение УЗД Примеры обозначения 4 Обнаружение дефектов, распознавание их форм или ориентации, измерение глубины (координат) их залегания и размеров дефектов или условных размеров дефектов
УД4-...
УДС4-...
Дефектоскопыразрабатывают из расчета на перемещение преобразователя вручную (далее ручнойконтроль, ручные дефектоскопы), на механизированное сканирование(механизированные дефектоскопы) или на механизированное сканирование иавтоматическую обработку и регистрацию информации (автоматизированныедефектоскопы).
Впрактике неразрушающего контроля наиболее широко используют ручные импульсныеультразвуковые дефектоскопы 2-й и 3-й групп общего или специального назначения.Общим для этих дефектоскопов является наличие электронно-лучевого и звуковогоиндикаторов, электронного глубиномера для определения координат залеганияотражающей поверхности, аттенюатора для измерения отношения амплитуд сигналов вдецибелах.
Обобщенныеструктурные схемы ультразвуковых дефектоскопов с импульсным и непрерывнымизлучением существенно различаются.
2.3Импульсные ультразвуковые дефектоскопы
Основнымипараметрами сигнала в методе отражений, подлежащими измерению, являютсяамплитуда U (дБ) и временной сдвиг Т (мкс) принятого сигнала (импульса)относительно излученного, называемого зондирующим сигналом (импульсом).
Длявозбуждения импульсов упругих колебаний с частотой f и приема их отражений вдефектоскопах используют в основном пьезоэлектрические преобразователи, реже —электромагнитно-акустические.
Обобщеннаяструктурная схема импульсного УЗД 2-й и 3-й групп приведена на рис. 1 (ГОСТ23049—84).
/>
Рисунок1. Обобщенная структурная схема импульсного УЗД
Генераторсинхронизирующих импульсов обеспечивает синхронизацию работыузлов дефектоскопа, реализуя импульсный режим излучения — приема УЗ-колебаний.При ручном контроле этот генератор работает в режиме самовозбуждения; прииспользовании дефектоскопа в многоканальной аппаратуре механизированного иавтоматизированного контроля его переключают в режим внешнего запуска.Независимо от режима генератор вырабатывает импульсы, используемые для пускагенератора радиоимпульсов, генератора напряжения развертки, блока цифровойобработки, схемы временной селекции автоматического сигнализатора дефектов.
Генераторрадиоимпульсов предназначен для формированиявысокочастотных электрических импульсов, используемых для возбужденияУЗ-колебаний в преобразователе. До последнего времени наиболее часто применялисхемы генераторов радиоимпульсов с контуром ударного возбуждения. Вдефектоскопах, созданных недавно, чаще используют схемы, позволяющие получатьрадиоимпульсы с колоколообразной огибающей, характеризующиеся большим КПД инаиболее узким спектром при заданной длительности.
Высокочастотныеэлектрические колебания пьезопластиной преобразователя трансформируются вмеханические, которые при наличии акустического контакта вводятся вконтролируемый объект. Дойдя до границы с какой-либо инородной средой(дефектом), эти колебания частично отражаются, регистрируются и преобразуются вприемном преобразователе в электрические импульсы, поступающие на входприемно-усилительного тракта дефектоскопа.
Приемно-усилительныйтракт дефектоскопа предназначен для усиления идетектирования сигналов, регистрируемых приемным преобразователем. Трактсодержит, как правило, следующие элементы: двусторонний диодный ограничитель,ограничивающий амплитуду зондирующего импульса на входе усилителя;калиброванный делитель напряжения — измерительный аттенюатор; усилитель высокойчастоты; детектор; видеоусилитель; формирователь управляющего напряжениявременной регулировки чувствительности. Измерительный аттенюатор позволяетоператору сравнивать уровни эхо-сигналов от различных отражателей.
ВУЗ-дефектоскопах измерительные аттенюаторы выполняют, как правило, путемцепочечного соединения звеньев на резисторах с изменением вносимого затуханияпутем переключения звеньев. Общее затухание, установленное на аттенюаторе,равно сумме затуханий, определяемых положением ручек аттенюатора. Точностьаттенюатора характеризуют пределом допускаемой абсолютной погрешности измеренияотношения амплитуд сигналов на входе приемника, которая в современныхдефектоскопах не превышает 1… 2 дБ.
Видеоусилителисовременных дефектоскопов включают в себя схему регулируемой отсечки,обеспечивающую передачу сигналов, превышающих заданный уровень, называемыйуровнем подавления, без искажений.
Формировательуправляющего напряжения автоматической временной регулировки чувствительности(ВРЧ) предназначен для выработки напряжения, управляющегово времени коэффициентом усиления приемного тракта дефектоскопа. Применениесистемы ВРЧ позволяет уменьшить время восстановления усилителя после перегрузкиего зондирующим импульсом. Кроме того, система ВРЧ позволяет компенсироватьослабление УЗ-колебаний в контролируемом изделии, обусловленное дифракционнымрасхождением и затуханием ультразвука. В некоторых дефектоскопах формууправляющего напряжения ВРЧ можно наблюдать на экране электронно-лучевойтрубки.
Вбольшинстве эхо-импульсных дефектоскопов в качестве индикаторов используютэлектронно-лучевые трубки электростатическим отклонением луча в видеиндикаторов типа А. На экране такого индикатора воспроизводится в масштабепроцесс распространения УЗ-колебаний в контролируемом объекте. Длительностьразвертки регулируется в зависимости от скорости распространения УЗ-колебаний вматериале объекта и толщины контролируемого слоя. Для формирования изображенияна горизонтально отклоняющие пластины подается пилообразное напряжение,вырабатываемое генератором напряжения развертки.
Напряжениевидеосигналов подается с выхода приемно-усилительного тракта на вертикальноотклоняющие пластины, в результате чего на линии развертки появляются импульсы,положение которых позволяет судить о расстоянии до отражающей поверхности. Прибольшой толщине изделия масштаб изображения на экране электронно-лучевой трубкиможет оказаться слишком мелким, что не позволяет наблюдать эхо-сигналы отблизко расположенных отражателей. Для устранения этого недостатка в современныхдефектоскопах предусмотрена плавная регулировка длительности развертки. Крометого, для этой же цели вводят режим пуска генератора напряжения развертки сзадержкой, которую можно плавно регулировать. Это позволяет наблюдать процессраспространения УЗ-колебаний в любом слое контролируемого изделия в достаточнокрупном масштабе и в сочетании со схемой автоматического сигнализатора дефектовреализовать принцип контроля по слоям.
Цифровойиндикатор предназначен для измерения координат выявленныхдефектов, а также для измерения длительности и задержки развертки, временныхпараметров автоматического сигнализатора дефектов и системы ВРЧ. Координаты h иL расположения отражателя вычисляют по известным значениям времени t распространенияУЗ-колебаний в контролируемом объекте до отражателя и обратно, а также углаввода α:
/>
где/>— коэффициенты,учитывающие скорость />и угол вводалуча α поперечной волны.
Преобразованиедлительности неизвестного временного интервала в цифровой код осуществляютпутем заполнения этого интервала тактовыми импульсами специального генератора,следующими с фиксированной частотой, и счета числа этих импульсов. Результатотображается на цифровом индикаторе с учетом масштабного коэффициента,зависящего от частоты следования тактовых импульсов. При определении координатдефектов значения коэффициентов />учитываются спомощью подстроечных элементов подбором частоты следования импульсов тактовогогенератора.
Автоматическийсигнализатор дефектов управляет дополнительными индикаторами.В этом блоке осуществляется временная селекция сигналов, поступающих на еговход с выхода усилительного тракта. Временная селекция эхо-сигналов необходимадля того, чтобы на дополнительные индикаторы дефектоскопа не поступалзондирующий импульс, а также эхо-сигналы от несплошностей, расположенных внеконтролируемого слоя. Принцип временной селекции состоит в том, что на выходселектора (каскада совпадений) приходят только те сигналы, которые совпадают повремени со специально сформированным селектирующим (стробирующим) импульсом,временное положение которого соответствует распространению УЗ-колебаний взаданном слое. Длительность t этого импульса определяет толщину контролируемогослоя H, а интервал времени Т между моментом излучения зондирующего импульса имоментом начала стробирующего импульса — глубину h расположения ближней границыконтролируемого слоя.
ВеличиныН, t, h и T связаны между собой соотношениями
/>
где/>— времяпрохождения упругой волны через призму (протектор) преобразователя.
Дляизмерения интервала времени Т при определении координат отражателя обычноиспользуют метод максимума, предусматривающий установку преобразователей вположение, соответствующее максимальной амплитуде отраженного сигнала. Какправило, максимум амплитуды отраженного сигнала определяют по экрану трубки.
Использованиев дефектоскопах микропроцессорной техники существенно повышаетдостоверность и надежность результатов УЗ-контроля. В дефектоскопах 3-й группыона позволяет измерять эквивалентную площадь и линейные условные размерывыявленных дефектов, осуществлять настройку параметров дефектоскопа попредварительно введенным в него программам, а в дефектоскопах 4-й группы —вести обработку информации в процессе сканирования и идентифицировать дефектыпо видам с учетом их потенциальной опасности, отображая результаты обработки надокументе контроля (ультразвукограмме).
Независимоот средств, используемых при сканировании (вручную, механизированно),надежность результатов дефектоскопирования обусловливается системой слежения закачеством акустического контакта и степенью объективности и информативностидокумента контроля.
ИмпульсныеУЗД, работающие по методу отражений, являются основными средствамиакустического контроля в различных отраслях промышленности.
2.4УЗД с непрерывным излучением
ультразвуковая дефектоскопия частота излучение
Призначительных скоростях взаимного перемещения преобразователя и контролируемогообъекта от дефекта поступает серия эхо-сигналов (пачка), число импульсов вкоторой резко уменьшается с возрастанием скорости сканирования. При этом в рядеслучаев существенно снижается помехозащищенность контроля.
Прибольших скоростях сканирования перспективным, сточки зрения помехозащищенности,может оказаться эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии, основанный нанепрерывном излучении упругих колебаний наклонным преобразователем с выделениемдопплеровского сдвига частоты в эхо-сигнале от дефекта. Метод может бытьреализован в широком диапазоне скоростей сканирования, охватывающем как ручнойконтроль, так и контроль посредством высокоскоростных автоматизированных систем,например вагонов-дефектоскопов для контроля рельсов.
Вдефектоскопах, работающих по данному методу, признаком обнаружения дефектаявляется прием эхо-сигналов с допплеровским сдвигом частоты. При этом на выходедефектоскопа формируется радиоимпульс длительностью τ с низкой частотой />заполнения,равной разности частот принятых />и излученных />колебаний:
/>
/>
где/>— скоростьперемещения преобразователя по контролируемому объекту; с — скорость распространенияУЗ-колебаний в объекте; α — угол, под которым озвучивается дефект; ΔХ— условная ширина выявляемого дефекта.
Изанализа приведенных выражений следует, что, несмотря на непрерывное излучениеУЗ-колебаний, отраженные сигналы имеют вид импульсов. Длительность τимпульсов на два-три порядка превышает длительность отдельных эхо-сигналов приэхо-импульсном методе. Поэтому при непрерывном излучении, если />, оказываетсявозможным использовать узкополосные приемники, что повышает помехозащищенность системыскоростного контроля.
Обобщеннаяструктурная схема дефектоскопа, реализующего метод отражений при непрерывномизлучении упругих колебаний, приведена на рис. 2. При перемещениираздельно-совмещенного преобразователя 3 по контролируемому объекту 8 соскоростью />эхо-сигнал,отраженный от дефекта, имеет частоту />, отличную отчастоты />на значение />
Вприемном устройстве осуществляется подавление (компенсация) сигналов с частотой/>генератора,усиление и выделение сигналов с допплеровской частотой />. При изменениискорости сканирования необходима корректировка частоты фильтра с помощьюрегулятора />

/>
Рисунок2. Обобщенная структурная схема УЗД с непрерывным излучением
Нарисунке: 1 — генератор непрерывных колебаний; 2 — усилитель мощности; 3 —электроакустический преобразователь; 4 — усилитель высокой частоты; 5 —преобразователь частоты; 6 — фильтр допплеровских частот; 7 — регистратор; 8 —контролируемый объект; 9 — дефект.
Приреализуемых на практике скоростях сканирования (до 25 м/с) допплеровскаячастота выходного сигнала дефектоскопа не превышает 30 кГц, что существенноупрощает требования к регистраторам эхо-сигналов от дефектов.

Глава3. Методы акустического контроля
Акустическиеметоды делят на две большие группы: использующие излучение и прием акустическихколебаний и волн (активные методы) и основанные только на приеме колебаний иволн (пассивные методы). В каждой из этих групп выделяют методы, основанные навозникновении в объекте контроля бегущих и стоячих волн или колебаний.Классификация акустический методов контроля приведена на рисунке 3.
/>
Рисунок3. Классификация акустических методов контроля
3.1Активные методы
Активныеакустические методы, в которых применяют бегущие волны, делят на подгруппы,использующие прохождение, отражение волн и комбинированные методы, в которыхприменяют отражение и прохождение. Методы прохождения предполагают наличие двухпреобразователей — излучающего и приемного, расположенных по разные стороныобъекта контроля или контролируемого участка. Применяют как импульсное, так и,реже, непрерывное излучение. К этой подгруппе относят следующие методыдефектоскопии (ГОСТ 18353-79):
– амплитудный (теневой)метод, основанный на регистрации уменьшения амплитуды прошедшей волны(сквозного сигнала) под влиянием дефекта (рис. 4 а);
– временной теневой метод,базирующийся на измерении запаздывания импульсов, вызванного огибанием дефекта(рис. 4 б);
– велосиметрический метод,основанный на анализе изменения скорости упругих волн, связанного с наличиемдефекта. Например, если в тонком изделии распространяется изгибная волна, топоявление расслоения снижает ее скорость (мода с малой скоростью показанаштриховой линией); это снижение определяют по сдвигу фазы прошедшей волны (рис.4 в).
/>
Рисунок4. Схемы контроля объектов с использованием методов прохождения
Нарисунке: 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.
Вметодах отражения используют один или два преобразователя; применяют, какправило, импульсное излучение.
Эхо-метод(рис. 5, а), относящийся к этой подгруппе, основан на регистрации эхо-сигналовот дефекта. На экране индикатора обычно наблюдают посланный (зондирующий)импульс I, импульс III, отраженный от противоположной — донной поверхностиизделия (донный сигнал), и эхо-сигнал II от дефекта. Время прихода импульсов IIи III пропорционально глубине залегания дефекта и толщине изделия. На этомрисунке показана совмещённая схема контроля, при которой преобразовательвыполняет функции излучателя и приемника; если эти функции выполняют разныепреобразователи, то схему называют раздельной.
/>
Рисунок5. Схема контроля объектов с использованием методов отражения
Нарисунке: а — эхо-метод; б — зеркальный эхо-метод; в — дельта-метод; г —реверберационный метод; 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 —приемник; 5 — усилитель; 6 — синхронизатор; 7 — индикатор.
Зеркальнымэхо-методом анализируют сигналы, зеркальноотраженные от донной поверхности изделия и дефекта, т. е. прошедшие путь ABCD(рис. 5, б). Вариант этого метода, связанный с выявлением вертикальных дефектовв плоскости EF, называют методом тандем, для реализации которого при перемещениипреобразователей 2, 4 поддерживают постоянным значение />для получениязеркального отражения от невертикальных дефектов значение/>варьируют. Одиниз вариантов зеркального эхо-метода предусматривает расположение излучателя иприемника не в одной плоскости (вид в плане дан на рис. 5, б внизу), а в разныхплоскостях, но таким образом, чтобы принимать зеркальное отражение отвертикального дефекта. Этот вариант называют тандем-дуэт (виностраннойлитературе «стредл»). Способ дуэт характеризуется симметричнымрасположением излучателя и приемника (положение приемника показано на рис. 2.3,б штриховой линией). Еще один вариант зеркального эхо-метода предусматриваетрасположение преобразователей по разные стороны изделия, например располагаютприемник в точке С. Этот вариант называют К-метод.
Дельта-метод(рис.5, в) основан на использовании дифракции волн на дефекте. Часть падающей надефект поперечной волны от излучателя 2 отражается зеркально, а другая частьдифрагирует в виде поперечной и трансформированной продольной волн. Приотражении волна также частично трансформируется в продольную волну.Дифрагированная продольная волна поступает на приемник 4 продольных волн,который несколько позднее принимает также продольную волну, отраженную отнижней поверхности изделия.
Реверберационныйметодоснован на анализе времени объемной реверберации в контролируемом объекте.Например, при контроле двухслойной конструкции время реверберации в слое, скоторым контактирует преобразователь, меньше в случае качественного соединенияслоев, так как часть энергии переходит в другой слой (рис. 5, г).
Вкомбинированных методах используют принципы как прохождения, так и отраженияакустических волн.
Зеркально-теневойметод основан на измерении амплитуды донного сигнала. На рис. 6, а отраженныйлуч условно смещен в сторону. По технике выполнения (фиксируют эхо-сигнал) егоотносят к методам отражения, а по физической сущности контроля (измеряютослабление сигнала, дважды прошедшего изделие в зоне дефекта) он близок ктеневому методу.
/>
Рисунок6. Схема контроля объектов с использованием комбинированных методов
Нарисунке: а — зеркально-теневой; б — эхо-теневой; в — эхо-сквозной; 1 —излучатель; 2 — приемник; 3 — объект контроля.
Эхо-теневойметод основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн (рис. 6, б).
Эхо-сквознымметодом фиксируют сквозной сигнал I, сигнал II, двукратно отраженный в изделии,а в случае появления полупрозрачного дефекта и эхо-сквозные сигналы III, IV,соответствующие отражениям от дефекта волн, идущих от верхней и нижнейповерхностей изделия. Большой непрозрачный дефект обнаруживают по исчезновениюили сильному уменьшению сигнала I, т. е. теневым методом, а также сигнала II. Полупрозрачныеили небольшие дефекты обнаруживают по появлению сигналов III и IV.
Импедансныйметодсущественно отличается от рассмотренных методов. Он основан на анализеизменения механического или входного акустического импеданса участкаповерхности контролируемого объекта, с которым взаимодействует преобразователь.В низкочастотных импедансных дефектоскопах преобразователем служит колеблющийсястержень, опирающийся на поверхность изделия (рис. 7, а). Между ними нетконтактной жидкости (сухой контакт). Появление подповерхностного дефекта в видерасслоения делает расположенный над дефектом участок поверхности более гибким,податливым, т. е. снижает его механический импеданс. В результате изменяетсярежим колебаний стержня, в частности уменьшаются механические напряжения на приемнике4, что служит признаком дефекта.
/>
Рисунок7. Схема контроля объектов с использованием различных методов
Нарисунке: а — импедансный; б — резонансный; в — свободных колебаний; г —акустико-эмиссион; 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 —приемник, 5 — усилитель; 6 — индикатор; 7 — модулятор частоты; 8 — регистраторрезонанса; 9 — спектро-анализатор, 10 — вибратор.
Ввысокочастотных импедансных дефектоскопах колеблющимся элементом являетсяпьезопластина преобразователя обычного типа. Появление дефекта типа расслоениявблизи поверхности изделия изменяет входной акустический импеданс/>, аследовательно, и режим колебаний генератора, что свидетельствует о наличиидефекта.
Прииспользовании стоячих волн возбуждают свободные или вынужденные колебания либообъекта контроля в целом (интегральные методы), либо его части (локальныеметоды). Свободные колебания возбуждают путем кратковременного внешнеговоздействия на объект контроля, например, ударом, после чего он колеблетсясвободно. Вынужденные колебания предполагают постоянную связь колеблющегосяобъекта контроля с возбуждающим генератором, частоту которого изменяют.Информационными параметрами являются частоты свободных колебаний или резонансоввынужденных колебаний, которые несколько отличаются в связи с воздействиемвозбуждающего генератора. Эти частоты связаны с геометрическими параметрамиизделий и скоростью распространения в них ультразвука. Иногда измеряют величины,связанные с затуханием колебаний в объекте контроля: амплитуды свободных илирезонансных колебаний, добротность колебаний, ширину резонансного пика.
Схемаконтроля локальным методом свободных колебаний (в этом варианте его называютпросто методом свободных колебаний) показана на рис. 7, в. В частиконтролируемого изделия, например слоистой панели, возбуждают колебания спомощью ударов молоточком вибратора 10 и анализируют спектр возбуждаемых частотспектроанализатором 9, В дефектных изделиях спектр, как правило, смещен всторону высоких частот.
Локальныйметод вынужденных колебаний обычно называют резонансным методом. Встенке изделия с помощью пьезопреобразователя возбуждают ультразвуковые волны(рис. 7, б). Частоту колебаний модулируют; фиксируют частоты, на которыхвозбуждаются резонансы колебаний. По резонансным частотам определяют толщинустенки изделий и наличие дефектов. Дефекты, параллельные поверхности изделия,вызывают по- погрешность измеряемой толщины, а расположенные под углом кповерхности — исчезновение резонансных явлений. Для вы- высокоточного измерениятолщины труб также применяют локальный метод свободных колебаний, получившийназвание метод предеф.
Кметодам вынужденных колебаний относят акустико- топографический метод,основанный на регистрации распределения амплитуд упругих колебаний наповерхности контролируемого объекта с помощью наносимого на поверхностьпорошка. На дефектном участке оседает меньшее количество порошка, чтообъясняется увеличением амплитуды колебаний в результате резонансных явлений.
3.2Пассивные методы
Переходяк пассивным акустическим методам контроля, отметим акустико-эмиссионныйметод, при котором используют бегущие волны (рис. 7, г). Этот метод основан наанализе параметров упругих волн акустической эмиссии, возникающих в результатединамической локальной перестройки объекта контроля. Такие явления, каквозникновение и рост трещин, аллотропические превращения, движение скопленийдислокаций — наиболее характерные источники волн акустической эмиссии. Контактирующиес изделием пьезопреобразователи, принимающие упругие волны, позволяютустановить наличие источника эмиссии, а при обработке сигналов от нескольких преобразователей— и расположение источника.
Кпассивным акустическим методам, основанным на возбуждении стоячих волн иликолебаний объекта контроля, относятся вибрационно-диагностический ишумо-диагностический методы. При использовании первого метода анализируютпараметры вибрации какой-либо отдельной детали или узла (ротора, подшипника,лопатки турбины) с помощью приемников контактного типа; при использованиивторого изучают спектр шумов работающего механизма на слух или с помощьюмикрофонных приемников.
Почастотному признаку все рассмотренные акустические методы делят нанизкочастотные и высокочастотные. К первым относят колебания в звуковом инизкочастотном (до нескольких десятков килогерц), ультразвуковом диапазонахчастот; ко вторым — колебания в высокочастотном (от нескольких сотен килогерцдо 50 МГц) ультразвуковом диапазоне частот. Высокочастотные методы обычноназывают ультразвуковыми. Для контроля металлов преимущественно используютвысокочастотные методы.
Израссмотренных акустических методов контроля наибольшее практическое применениенаходит эхо-метод: им проверяют до 90 % всех объектов. Применяя волны различныхтипов, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, литья, сварныхсоединений, многих неметаллических материалов. Эхо-метод используют также дляизмерения геометрических размеров изделий. Фиксируя время прихода донногосигнала и зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия приодностороннем доступе. Если толщина изделия известна, то по донному сигналуизмеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по этим параметрамопределяют физико-механические свойства материалов.
Зеркально-теневойметодиспользуют вместе или в дополнение к эхо-методу для выявления дефектов, слабоотражающих ультразвуковые волны в направлении совмещенного преобразователя (см.рис. 6, а). Такие дефекты, как вертикальные трещины, ориентированныеперпендикулярно поверхности, по которой перемещают преобразователь (поверхностиввода), дают очень слабый рассеянный сигнал, в связи с чем эхо-методом невыявляются. В то же время они ослабляют донный сигнал благодаря тому, что на ихповерхности продольная волна трансформируется в вытекающую, которая в своюочередь излучает боковые волны, уносящие энергию.
Зеркально-теневойметод применяют, например, при контроле рельсов с целью обнаружениявертикальных трещин в шейке. Им выявляют дефекты большего размера, чемэхо-методом. Преимущество этого метода перед зеркально-теневым заключается водностороннем доступе к поверхности изделия. Зеркальный эхо-метод применяюттакже для выявления дефектов, ориентированных перпендикулярно поверхностиввода. Им выявляют более мелкие дефекты, чем зеркально-теневым, но при этомтребуется, чтобы в зоне расположения дефектов был достаточно большой участокровной поверхности (см. рис. 5, б). При контроле рельсов, например, этотребование не выполняется, поэтому возможно применение толькозеркально-теневого метода. Дефект В можно выявить совмещенным наклоннымпреобразователем, расположенным в точке А. Однако в этом случае зеркальноотраженная волна уходит в сторону и на преобразователь попа- попадает лишьслабый рассеянный сигнал. Преобразователи, расположенные в точках С или D,обнаруживают дефект с более высокой чувствительностью.
Зеркальныйэхо-метод в варианте тандем используют для выявления вертикальных трещин инепроваров при контроле сварных соединений. Дефекты некоторых видов сварки,например непровар при электронно-лучевой сварке, имеют гладкую отражающуюповерхность, очень слабо рассеивающую ультразвуковые волны. Такие дефекты лучшевыявляются зеркальным эхо-методом. Дефекты округлой формы (шлаковые включения,поры) дают большой рассеянный сигнал и хорошо регистрируются сов- совмещеннымпреобразователем в точке A; в то же время зеркальное отражение от них слабое.Сравнивая отраженные сигналы в точках А и D, определяют форму дефекта сварногосоединения.
Варианттандем-дуэт применяют, когда расположение преобразователей в одной плоскостизатруднительно. Его используют, например, для выявления поперечных трещин всварных швах. Преобразователи в этом случае располагают по разные сторонывыпуклости («усиления») шва. Углы/>и/>выбирают либомалыми — до 10°, либо большими — более 35° для предотвращения трансформациипоперечных волн в продольные. При углах менее 10° трансформация мала; угол,равный 35° и больше, превосходит значение третьего критического угла, в связи счем трансформация отсутствует. Существуют варианты с/>: например,излучают поперечную волну с/>, а принимаюттрансформированную продольную волну.

3.3Области применения методов
Дельта-методтакже используют для получения дополнительной информации о дефектах приконтроле сварных соединений. В варианте, показанном на рис. 5, в, излучаютпоперечные, а принимают продольные волны. Эффективная трансформация поперечныхволн в продольные на дефекте произойдет, если угол падения на плоский дефектменьше третьего критического или если продольная волна возникает в результатерассеяния на дефекте. Для создания хорошего контакта приемного прямого преобразователяс поверхностью сварного соединения поверхность выпуклости шва зачищают. Спомощью этого метода довольно точно определяют положение дефекта вдоль сварногошва, что очень важно при его автоматической регистрации.
Эхо-теневойметод также применяют при контроле сварных соединений. При автоматическомконтроле преобразователи, располагаемые по обе стороны от шва, принимают какотраженные, так и прошедшие сигналы. Последние используются для контролякачества акустического контакта и обнаружения дефектов, ориентированных такимобразом, что эхо-сигналы от них очень слабы.
Контрольтеневым и эхо-сквозным методами возможен только при двустороннемдоступе к изделию. Эти методы применяют для автоматического контроля изделийпростой формы (например листов) в иммерсионном варианте. Перемещение листавверх и вниз между преобразователями в иммерсионной ванне (рис. 4, а, в) не изменяетвремени прохождения сигналов от излучателя к приемнику, что существенноупрощает конструкцию установки. Теневым методом выявляют более крупные дефекты,чем эхо- и эхо-сквозным методами, в связи с большим влиянием помех.
Теневойметод применяют также для контроля изделий с боль- большим уровнем структурныхреверберации, т. е. помех, обусловленных отражением ультразвука от структурныхнеоднородности, крупных зерен. Сквозной сигнал попадает на приемник раньше, чемструктурные реверберации, что позволяет его зарегистрировать на фоне помех. Приконтроле тонких изделий с очень высоким уровнем структурных помех более мелкиедефекты выявляют временным теневым методом. Теневой и временной теневой методыпозволяют обнаруживать крупные дефекты в материалах, где контроль другимиакустическими методами невозможен: крупнозернистой аустенитной стали, серомчугуне, бетоне, огнеупорном кирпиче. Теневой метод применяют вместо эхо-методапри исследовании физико-механических свойств материалов с большимикоэффициентами затухания и рассеяния акустических волн, например, при контролепрочности бетона по скорости ультразвука. Для этой цели применяют не толькотеневой метод, но и (в более общем виде) метод прохождения. Например,излучатель и приемник располагают с одной стороны изделия на одной поверхностии измеряют время и амплитуду сквозного сигнала головной или поверхностнойволны.
Локальныйметод вынужденных колебаний применяют для измерения малых толщин приодностороннем доступе. Контактный резонансный толщиномер, принцип действиякоторого показан на рис. 7, в. В настоящее время для ручного контроля применяютимпульсные толщиномеры. Для автоматического измерения толщины стенок трубвыпускают иммерсионные резонансные толщиномеры. Некоторыми преимуществами передтаким способом измерения толщины обладает локальный метод свободных колебаний(метод предеф). Главное преимущество заключается в возможности изменения углападения ультразвука на трубу присохранении точности измерений. Это упрощаетконструкцию протяжного устройства.
Интегральныйметод вынужденных колебаний применяют для определения модуля упругостиматериала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебанийобразцов простой геометрической формы, вырезанных из изделия, т. е. приразрушающих испытаниях. Последнее время этот метод используют длянеразрушающего контроля небольших изделий: абразивных кругов, турбинныхлопаток. Появление дефектов или изменение свойств материалов определяют поизменению спектра резонансных частот. Свойства, связанные с затуханиемультразвука (изменение структуры, появление мелких трещин), контролируют поизменению добротности колебательной системы. Интегральный метод свободныхколебаний используют для про- проверки бандажей вагонных колес или стекляннойпосуды по чистоте звука.
Реверберационный,импедансный, велосиметрический, акустико-топографическийметоды и локальный метод свободных колебаний используют в основном для контролянеметаллических и композиционных материалов. Схемы контроля клееных и паяныхконструкций с при- применением реверберационного, импедансного методов и методасвободных колебаний показаны соответственно на рис. 5, г, 7, а, 7, в.
Таккак вибрационно-диагностический и шумодиагностический методы, относящиеся кпассивным акустическим методам, служат для диагностирования работающихмеханизмов, их исследование выходит за рамки этой книги. Акустико-эмиссионныйметод применяют в качестве средства исследования материалов, конструкций,контроля изделий (например при гидроиспытаниях) и диагностирования во время эксплуатации.Важными преимуществами этого метода перед другими является то, что он реагируеттолько на развивающиеся, действительно опасные дефекты, а также возможностьпроверки больших участков или даже всего изделия без сканирования егопреобразователем. Основной его недостаток как средства контроля — трудностьвыделения сигналов, вызываемых развивающимися дефектами, на фоне помех откавитационных пузырьков в жидкости, подаваемой в объект при гидроиспытаниях, оттрения в разъемных соединениях и т. д.

Литература
 
1. АлешинН.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. Методы акустического контроля металлов. — М.: Машиностроение, 1989. — 465 с.;
2. АлешинН.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопи: Справ. пособие. — Мн.: Выш.шк., 1987. — 271 с.;
3. КрауткремерЙ., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов: Справ. Изд. — М.:Металлургия, 1991. — 752 с.;
4. ЕрмоловИ.Н., Алешин Н.П., Потапов А. И. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 2.Акустические методы контроля: Практ. пособие. — М.: Высш.шк., 1991 — 283 с.;
5. Свойства,применение ультразвука, www.cultinfo.ru
/>/>/>/>Ðàçìåùåíîíà