1. Характеристика методів акустичного контролю

Акустичний контроль базується на реєстрації параметрів пружної хвилі (амплітуди і часу поширення), що взаємодіє з об’єктом контролю.

При поширенні пружних хвиль на межі двох середовищ спостерігаються віддзеркалення, заломлення та дифракції. Кожне з цих явищ залежить від властивостей і розмірів середовищ та довжини хвилі коливального руху. Якщо довжина хвилі мала порівняно з шириною межі поділу середовищ, то на основі зонної теорії Френеля закони поширення та відбивання коливальних рухів можна вирішувати методом геометрії. Процес поширення коливань у середовищі називають хвильовим, а лінію, що показує напрям поширення хвилі — променем.

Акустичним полем називають область простору, пружні коливання в точках якого визначаються їх пошкодженням відносно об’єкта, що контролює це поле. В теорії акустичного поля рахують імпульси настільки довгими, що збуджувані пружні коливання можна вважати неперервними гармонічними. З іншого боку, вважають імпульси настільки короткими, що процеси випромінювання, відбиття і приймання відбуваються в різні моменти часу. Звідси: шлях, що проходять імпульси повинен бути значно більшим від довжини хвилі.

Поширення пружної хвилі супроводжується появою зон, в яких частинки перебувають в одному й тому самому коливальному стані. Мінімальну відстань між двома такими зонами, які перебувають в одному режимі руху або в одній фазі, називають довжиною хвилі. Сукупність частинок, що характеризуються однією й тією самою фазою коливань, утворює поверхню, або фронт хвилі. Швидкість поширення хвилі визначається фізико-механічними характерами матеріалу, тому змінити довжину пружної хвилі в будь-якому матеріалі можна лише за рахунок зміни частоти збуджених коливань.

Залежно від виду поверхні (фронту) хвиль їх поділяють на плоскі (нерозбіжні), сферичні та циліндричні (розбіжні). Якщо зовнішня сила, яка прикладена до необмеженого середовища, змінюється гармонічно, то хвилю, яку вона збуджує, називають гармонічною, або синусоїдальною.

Інтенсивність коливань, які використовують при дослідженні матеріалу, не перевищує 1 кВт/см². Коливання відбуваються в областях пружних деформацій матеріалу, де напруження та деформації є пропорційно залежними (область лінійної акустики).

Для неруйнівного контролю використовують коливання частотою від 50 Гц до 50 МГц. При використанні пружних хвиль ультразвукового діапазону частот (понад 20 кГц) вживають термін "ультразвуковий контроль" замість терміну "акустичний". Верхня частотна границя при ультразвуковому контролі відповідає частотам, при яких довжина ультразвукових хвиль порівняна з міжмолекулярною відстанню (порядку 10¹³ Гц).

Пружну хвилю збуджують або вона виникає при деформації виробу і потім реєструють за допомогою п’єзокристалів. П’єзокристалічний перетворювач (ПЗП) – пристрій призначений для перетворення електричної (акустичної) енергії в акустичну (електричну). Принцип роботи базується на п’єзоефекті. Прямий п’єзоефект полягає в тому, що коли на пластину діють механічно, то на її обкладинках виникають електричні заряди. Зворотній п’єзоефект полягає в тому, що коли на таку пластину подати електричний сигнал у вигляді короткочасного імпульсу або змінного по амплітуді сигналу, то пластина почне коливатися. Якщо дану пластину механічно прикласти до поверхні контрольованого об’єкту, то задані коливання передаються в об’єкт контролю. Матеріалами для перетворювачів являються кварц, сульфат літію, титанат барію.

Найбільш широко в ультразвуковій дефектоскопії використовуються контактні перетворювачі (прямі, роздільно-зміщені, нахилені).

Методи акустичного контролю поділяють на дві групи: перші ґрунтуються на випромінюванні в контрольований виріб хвиль від зовнішнього джерела та їх прийманні, а другі — на прийманні пружних хвиль, що виникають у самому контрольованому виробі. Методи першої групи називають активними, а другої — пасивними.

Активні методи ґрунтуються на використанні біжучих і стоячих хвиль або резонансних коливань. Ультразвукова дефектоско­пія з використанням біжучих хвиль ґрунтується на їх властивості напрямлено поширюватись у середовищах у вигляді променів і відбиватись від межі середовищ або несуцільностей з іншими акустичними властивостями. Активні методи поділять на підгрупи: методи, що використовують проходження та відбиття хвиль, і комбіновані методи.

Методи проходження передбачають наявність двох перетворювачів —випромінюючого та приймаючого, розташованих на різних сторонах ОК, або контрольної частини. До цієї групи належать такі методи:

• тіньовий (або амплітудно-хвильовий), що ґрунтується на реєстрації зменшення амплітуди пройденої хвилі під впливом дефекту (рисунок 4.1). Він пов’язаний з утворенням області “звукової ніші” за дефектом, поперечні розміри якого більші за довжину пружної хвилі. Цим методом контролюють вироби нескладної форми при двосторонньому підході до контрольованого об’єкту. Чутливість методу залежить від відстані від дефекту до заданої стінки об’єкта контролю і коефіцієнта затухання.

• тимчасовий тіньовий, що ґрунтується на вимірюванні спізнювання імпульсів, спричиненого обходженням дефекту.

Рисунок 1.1 – Тіньовий метод

У методах відбиття використовують як один, так і два перетворювачі. При цьому застосовують, як правило, імпульсне випромінювання. До цієї групи належать такі методи дефектоскопії:

• Ехо-метод, що ґрунтується на реєстрації ехосигналів від дефектів (рисунок 1.2) і базується на посиланні коротких ультразвукових імпульсів і відбивані їх від поверхні дефекту (і дна виробу). Чутливість ехо-методу набагато більша, ніж тіньового і залежить від частоти коливань, потужності посланого імпульсу, характеристики направленості випромінювання, акустичних характеристик матеріалу.

Рисунок 1.2 – Ехометод

• ехо-дзеркальний за допомогою якого аналізують сигнали, дзеркально відбиті від донної поверхні об’єкту контролю і дефекту (рисунок 1.3);

Рисунок 1.3 – Еходзеркальний метод

• ревербераційний, що базується на аналізі часу об’ємної реверберації — поступового загасання звуку в деякому об’ємі об’єкту контролю (рисунок 1.4). Наприклад, під час контролю двошарових конструкцій час ревер­берації в шарі, з яким контактує перетворювач, буде меншим від поверхневого при з’єднанні шарів, оскільки частина енергії переходитиме в інший шар.

Рисунок 1.4 – Ревербераційний метод

Комбіновані методи:

• дзеркально-тіньовий за допомогою якого вимірюють амплітуду донного сигналу, що двічі пройшов товщину матеріалу об’єкту контролю зоні дефекту (близький до тіньового методу);

• ехо-тіньовий, який базується на аналізі хвиль, що пройшли, а також відбитих хвиль.

Від розглянутих методів істотно відрізняються підповерхневий метод і методи коливань.

• підповерхневий метод передбачає аналіз зміни механічного або вхідного акустичного імпедансу ділянки поверхні об’єкту контролю, з якою взаємодіє перетворювач. Поява підповерхневого дефекту (наприклад, у паяному або клеєному з’єднанні) у вигляді розшарування зменшує механічний імпеданс об’єкту контролю, робить розміщену над дефектом ділянку поверхні гнучкішою; у ньому легко збуджуються згинальні коливання. Умови цього збудження залежать від акустичного імпедансу ділянки поверхні об’єкту контролю, з якою контактує перетворювач. Підповерхневі хвилі застосовують для виявлення поверхневих дефектів у виробах простої форми.

Метод коливань об'єднує методи вільних або вимушених коливань.

Пасивні методи:

• акустико-емісійний, при якому використовують блукаючі хвилі;

• вібраційно-діагностичний, при якому аналізують параметри вібрації якої-небудь окремої деталі або вузла (ротора, підшипника, лопати турбіни тощо) за допомогою приймача контактного типу;

• шумо-діагностичний, за допомогою якого вивчають спектр шумів механізму, що працює, у цілому на слух або за допомогою мікрофонних та інших приймачів і приладів – аналізаторів спектру .

1.1 Суть контролю проникаючими випромінюваннями

Неруйнівний контроль якості продукції проникаючими випромінюваннями базується на його взаємодії із контрольованим об’єктом і реєстрації та аналізі результатів цієї взаємодії. Проникаюче випромінювання є в основному іонізуючим, тому цей вид НК ще називається “контроль іонізуючими випромінюваннями”, а також дуже поширеним терміном – “радіаційний контроль”, але ці назви не повністю охоплюють весь зміст цього виду НК.

Результати контролю визначаються природою і властивостями використовуваного випромінювання, фізико-технічними характеристиками контрольованого матеріалу і виробу, типом і властивостями детектора (реєстратора) випромінювання, технологією (методикою) контролю.

За своєю фізичною природою іонізуюче випромінювання є електромагнітним (ЕМВ), але на відміну від інших видів ЕМВ іонізуюче випромінювання (ІВ) характеризується малою довжиною хвилі і відповідно великою енергією квантів, що приводить до їх великої проникаючої здатності в речовину. Для такого випромінювання з малою довжиною хвилі (<10 нм) поверхня будь-якого тіла є шорсткою, тому звичайного дзеркального відбивання для нього немає. Таке випромінювання зазнає тільки дифузного розсіювання, проходження через речовину і поглинання в речовині. Характер взаємодії проникаючого випромінювання із речовиною ОК детальніше буде розглянуто нижче. Також практично відсутнє заломлення іонізуючого випромінювання при проходженні через межу двох середовищ. Тому на відміну від інших видів контролю електромагнітними випромінюваннями, в радіаційному контролі використовується практично тільки ефект поглинання.

Загальний закон, який кількісно визначає послаблення будь-яких ЕМВ в поглинаючому середовищі, якщо не враховувати інші види взаємоді, аналітично описується законом Бугера:

, (1.1)

де І₀ – інтенсивність падаючого пучка ЕМВ;

І – інтенсивність ЕМВ, яке пройшло через шар речовини;

– товщина шару речовини;

- коефіцієнт лінійного послаблення.

Коефіцієнт лінійного послаблення є чисельною характеристикою процесу поглинання ЕМВ речовиною, тому, на основі формули (1.1), знаючи коефіцієнт лінійного поглинання матеріалу контрольованого виробу, можна за співідношенням І та І₀ визначити товщину ОК або при незмінній товщині визначити зміну (що буде вказувати на зміни або складу речовини, або структури ОК). Оскільки згадані зміни чи приводять до зміни І, то процес радіаційного контролю зводиться до реєстрації зміни інтенсивності І пройшовшого через ОК іонізуючого випромінювання відомими методами і розшифрування зареєстрованої інформації.

Оскільки зміна коефіцієнта лінійного поглинання залежить від матеріалу ОК і в переважній більшості випадків контролю продукції вид матеріалу є незмінним, то зміни інтенсивності І пройшовшого іонізуючого випромінювання викликаються змінами товщини виробів, причому ці зміни можуть бути порушеннями цілісності ОК (тобто дефектами) всередині цих виробів. Таким чином радіаційний контроль дозволяє виявляти внутрішні дефекти продукції (тріщини пори і т. п.), які являються порушеннями цілісності ОК, але також можна виявляти і вкраплення в основний матеріал ОК інших матеріалів, які відрізняються від основного коефіцієнтом лінійного поглинання (причому цілісність виробу в останньому випадку не порушена).

Зміни інтесивності пройшовшого через ОК пучка іонізуючого випромінювання, яке не лежить у видимому діапазоні ЕМВ, можна переводити за допомогою різноманітних перетворювачів у видимий діапазон і одержувати тіньове зображення об’єкта контролю. При чому дефекти продукції (внутрішні чи зовнішні) будуть проявлятись змінами інтенсивності світла від перетворювача випромінювання (реєстратора).