28. Способы определения координат и оценка размеров и формы дефектов при эхо-методе контроля

Координаты дефектов определяются относительно точки ввода луча. При этом фиксируется положение преобразователя на поверхности изделия, соответствующее максимальной амплитуде эхо-сигнала, и определяется время t пробега импульса от пьезопластины до дефекта

где t₁ - время пробега импульса в акустической задержке

29. Теневой метод контроля. Физические основы метода. Оценка изменения уровня сигнала в зависимости от величины дефекта и параметров объекта контроля.

Физическая сущность теневого метода контроля основана на образовании теневой зоны на противоположной от излучателя поверхности изделия (амплитудный теневой) или на запаздывании сигнала за счет огибания волнами дефекта, если его размеры больше размеров излучателя (временной теневой). Наличие дефекта на пути УЗ-волн вызывает изменение их параметров, что регистрируется приемником.

В отличие от эхо-метода, при теневом методе отсутствует мертвая зона. Это является его важным преимуществом.

Рассмотрим принцип образования акустической тени, считая, что излучатель и приемник ультразвука имеют малые размеры и расположены оппозитно друг другу по разные стороны изделия.

Рисунок 3.1- Схема образования акустической тени

При отсутствии дефекта (рисунок 3.1) произвольную плоскость nn между излучателем А и приемником С по теории Гюйгенса-Френеля можно рассматривать как состоящую из вторичных источников сферических волн, возбуждаемых под действием волны от источника А. Разобьем плоскость nn на ряд зон Френеля, также как при определении поля излучения дискового преобразователя. Сигналы от вторичных источников центральной зоны 11, достигающие приемника в точке С, отличаются по фазе не больше чем на  рад. При этом разность путей A1C и A0C составляет /2. Разница путей УЗ-волн A2C и A0C также составляет /2. Аналогичным образом строятся и другие зоны.

Крайние точки любой из зон излучают волны с разностью фаз . При этом сигналы от нечетных и четных зон будут взаимопогашаться, но гашение будет неполным вследствие действия фактора направленности излучающих точек (_AC). В результате суммарный сигнал в точке С оказывается равным половине сигнала от действия центральной зоны. При наличии дефекта зоны Френеля строятся, начиная от границы дефекта, и суммарный сигнал на оси будет также равен по амплитуде половине сигнала первой от дефекта зоны.

Таким образом, на оси позади экрана (дефекта) образуется светлое пятно, вокруг светлого пятна область тени, затем опять область максимальной амплитуды сигнала и т.д., вплоть до границы геометрической тени.

Реализация контроля, т.е. выявление дефекта возможно только в том случае, если приемник охватывает хотя бы часть акустической тени.

Радиус светлого пятна вблизи плоскости nn, при условии l₁, примерно составляет /2, а при удалении от плоскости дефекта увеличивается по закону

(3.1)

где R - радиус дефекта;

l₂ - расстояние от него до приемника;

 - длина волны.

Размеры акустической тени в данном случае наоборот уменьшаются при удалении от плоскости дефекта по закону

(3.2)

где r_т - радиус акустической тени.

Из изложенного следует, что при определенном расстоянии l₂ от плоскости дефекта границы светлого центрального пятна и светлого кольца, окружающего акустическую тень, сольются и выявление дефекта станет затруднительным. Это расстояние равно

(3.3)

Отсюда радиус минимально выявляемого дефекта амплитудным теневым методом равен

(3.4)

Для случая, когда l₁>>l₂

(3.5)

Так как по условию построения зон Френеля эта разность составляет /2 получим условие

(3.6)

Из выражений (3.4) и (3.6) видно, что для выявления дефекта необходимо, чтобы он занимал 0,83 первой зоны Френеля.

Если расстояния l₁ и l₂ соизмеримы, то радиус первой зоны Френеля вычисляется из выражения

(3.7)

В этом случае радиус минимального выявляемого дефекта определится как

(3.8)

Таким образом, очевидно, что размер минимально выявляемого дефекта зависит от его местоположения в контролируемой среде. При этом наименьшая чувствительность, т.е. наибольшее значение R_min, имеет место, когда l₁=l₂.

Данный анализ произведен на основе того, что излучатель и приемник малы и находятся на одной оси с дефектом. Для реальных преобразователей следует рассмотреть два случая.

Если увеличивать размер приемника, то он будет постепенно захватывать дифракционные кольца, и амплитуда принятого сигнала будет изменяться. Когда приемник захватит всю зону геометрической тени, то по изменению интегрального потока энергии, в принципе, можно зафиксировать даже очень малые дефекты. Однако здесь в качестве ограничивающего фактора выступают помехи. Таким образом, увеличение размеров приемника дает эффект в выявлении дефектов с размерами менее R_min только при наличии ничтожного влияния помех.

Учитывая, что чувствительность и разрешающая способность теневого метода определяются из законов геометрической оптики, его чувствительность может быть повышена за счет уменьшения размеров излучателя. Однако это может привести к заметному снижению энергетических показателей и направленности. Оптимальной для этой цели является фокусировка УЗ-лучей от излучателя значительных размеров.

Интересен метод выявления дефектов малых размеров посредством анализа дифракционной картины. В этом случае приемник смещают в сторону от оси (рисунок 3.2) и дают заключение о наличии дефекта по минимумам интенсивности, соответствующим темным кольцам. Аналогичный результат может быть получен и при одновременном смещении излучателя и приемника.

Таким образом, следует отметить, что выявление дефектов за пределами акустической тени, т.е. при R<R_min, возможно, но значительно сложнее, чем при наличии области акустической тени.

Для количественной оценки выявляемости дефектов при теневых методах используют коэффициент K_T, характеризующий максимальное ослабление амплитуды сигнала, пришедшего от излучателя к приемнику

(3.9)

где U₀ - амплитуда сигнала при отсутствии дефекта;

U_д - минимальная амплитуда сигнала при наличии дефекта.

Численное значение коэффициента изменяется от 0 до 1 и тем меньше, чем больше дефект.

Рисунок 3.2 – Схема анализа дифракционной картины

Для приближенной оценки чувствительности теневого метода для дефектов в виде диска можно пользоваться неравенствами:

при ;

при ,

где S_a и S_b - площади преобразователя и дефекта соответственно;

х – расстояние между излучателем и приемником.

Необходимо отметить, что при настройке чувствительности применение искусственных дефектов в виде отверстий с плоским дном может привести к серьезным ошибкам в определении эквивалентной площади реальных дефектов, т.к. кроме отражения от плоского дна будет происходить ослабление волн вдоль свободной боковой поверхности отверстия пропорционально ее длине (l^-3/2). Для этой цели надежнее применение искусственных дефектов в виде экранов на поверхности изделия.