Акустические методы и средства неразрушающего контроля

Акустический НК – вид НК, основанный на регистрации параметров упругих волн, возбуждаемых или возникающих в контролируемом объекте.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

Известно много акустических методов неразрушающего контроля, некоторые из которых применяются в нескольких вариантах. Классификация акустических методов показана на рис. 5.1. 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 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 от контролируемого изделия. При­меняют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект.

Рис. 5.1. Классификация акустических методов

Исторически методы прохождения применяли толь­ко для обнаружения несплошностей, меняющих пара­метры сквозного сигнала вследствие образования за де­фектом акустической тени. Поэтому их называли «тене­выми». Однако затем эти методы начали использовать для контроля прочности, пористости, структуры и дру­гих параметров материала, не связанных с наличием те­ни. Поэтому теневой метод - частный случай метода прохождения.

Рис. 5.2. 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 побега; 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. 6, а);

временной теневой метод, базирующийся на реги­страции запаздывания импульса, вызванного увеличением его пути в изделии при огибании дефекта (рис. 6,6); тип волны при этом не меняется;

метод многократной тени. Он аналогичен амплитудному методу прохождения, но о наличии дефекта судят по амплитуде сквозного сигнала (теневого импуль­са), многократно (обычно двукратно) прошедшего между параллельными поверхностями изделия. Метод более чувствителен, чем теневой или зеркально-теневой, так как волны проходят через дефектную зону несколько раз, но менее помехоустойчив.

В фотоакустической микроскопии акустические колебания генерируются вследствие термоупругого эффекта при освещении образца модулированным световым потоком (например, импульсным лазером), сфокусированным на поверхности образца. Энергия светового потока, поглощаясь в материале, порождает тепловую волну, параметры которой зависят от теплофизических характеристик объекта контроля. Тепловая волна приводит к появлению термоупругих колебаний, которые регистрируются, например, одним пьезоэлектрическим детектором.

Сканирование поверхности ОК лучом лазера син­хронизовано с разверткой экрана дисплея. Сканируя лу­чом поверхность исследуемого объекта, можно получить информацию о его однородности.

Ультразвуковая реконструктивная томография - сквозное прозвучивание ОК по разным направлениям с выделением особенностей ОК, полученных при разных направлениях лучей.

Метод лазерного детектирования - метод визуального представления акустических полей в твердых средах.

Визуализация достигается путем наблюдения за смеще­ниями точек поверхности, вдоль которой распространяет­ся УЗ волна, с помощью лазерного интерферометра.

Термоакустический метод контроля называют также ультразвуковой локальной термографией. Метод состоит в том, что в объект контроля вводятся мощные низкочастотные (около 20 кГц) УЗ колебания. На дефекте происходит превращение УЗ колебаний в тепло. Повышение температуры фиксируется термовизором. УЗ колебания модулированы по амплитуде частотой в несколько герц. Такую же модуляцию будут иметь и тепловые волны. Это существенно повышает возможность регистрации и локализации дефектов.

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. 6, в). В этом методе обычно используют преобразователи с сухим точечным контактом. В варианте с односторонним доступом (рис. 6, верх) скорость возбуждаемой излучателем антисимметричной волны нулевого порядка (а₀) в отделенном дефектом слое меньше, чем в бездефектной зоне. При двустороннем доступе (рис. 6, 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 отражения используют как один, так и два преобразователя; применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефекто­скопии.

Эхо-метод (рис. 7, а) основан на регистрации эхо-сигналов от дефекта. На экране индикатора обычно на­блюдают посланный (зондирующий) импульс /, импульс ///, отраженный от противоположной поверхности (дна) изделия (донный сигнал) и эхо-сигнал от дефекта //. Время прихода импульсов // и /// пропорционально глу­бине залегания дефекта и толщине изделия. При совме­щенной схеме контроля (рис. 7, а) один и тот же преоб­разователь выполняет функции излучателя и приемника.

Если эти функции выполняют разные преобразователи, то схему называют раздельной.

Акустическая микроскопия отличается от обычного эхо-метода повышением на один-два порядка частоты УЗ, применением острой фокусировки и автоматическим или механизированным сканированием объектов не­большого размера. В результате удается зафиксировать небольшие по размеру изменения акустических свойств в ОК. Метод позволяет достичь разрешающей способно­сти в сотые доли миллиметра. Возможна акустическая микроскопия с использованием прохождения волн.

Рис. 5.3. 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.

Когерентные методы отличаются от других мето­дов отражения тем, что в качестве информативного па­раметра помимо амплитуды и времени прихода импуль­сов используется также фаза сигнала. Благодаря этому повышается на порядок разрешающая способность методов отражения и появляется возможность наблюдать изображения дефектов, близкие к реальным. Наиболее эффективным когерентным методом является компью­терная акустическая голография.

Эхо-зеркальный метод основан на анализе сигна­лов, испытавших зеркальное отражение от донной по­верхности изделия и дефекта, т.е. прошедших путь ABCD (рис. 7, 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 1_А + l_D = 2Н tga ; для получения зеркального отражения от невертикальных дефектов значение l_A + l_D варьируют.

Один из вариантов метода, называемый «косой тандем», предусматривает расположение излучателя и приемника не в одной плоскости (рис. 7, б, вид в плане внизу), а в разных плоскостях, но таким образом, чтобы принимать зеркальное отражение от дефекта.

Другой вариант эхо-зеркального метода - с транс­формацией типов волн на дефекте (Т-тандем). Например, преобразователь 2 излучает поперечную волну под углом ввода а, большим 57° (для стали). Угол падения на вертикальный дефект 90° - а будет меньше третьего критического, поэтому произойдет частичная трансфор­мация поперечной волны в продольную, направленную в сторону дна ОК. Продольная волна далее отразится от дна ОК и будет принята другим преобразователем.

Еще один вариант, называемый К-метод, преду­сматривает расположение преобразователей по разные стороны изделия, например располагают приемник в точке С.

Дельта-метод (рис. 7, 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 (рис. 7, 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 (рис. 7, д) использует влияние дефекта на время затухания многократно отраженных ультразвуковых импульсов в контролируемое 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.