Классификация акустических методов контроля

Одними из ведущих методов неразрушающего контроля являются акустические методы контроля [42].

Акустические методы контроля основаны на применение упругих колебаний и волн в исследуемом (контролируемом) изделии и, в отличие от других методов неразрушающего контроля, в настоящее время интенсивно развиваются. Одна из причин широкого распространения акустических методов заключается в том, что свойства материалов, определяющие возбуждение и распространение механических колебаний, тесно связаны с физико-механическими характеристиками. В соответствии с ГОСТ 23829-79 акустические методы делятся на две группы:

1 использующие излучение и прием акустических колебаний и волн (активные методы);

2 основанные только на приеме колебаний и волн (пассивные методы).

На рис.5.1.1 приведена классификация акустических методов контроля.

В каждой из групп выделяются методы, основанные на возникновении в объекте контроля бегущих и стоячих волн (колебаний).

Активные методы делятся на две подгруппы, использующие прохождение и отражение волн.

В методах, использующих прохождение волн, применяются два преобразователя – излучающий и приемный, расположенные по разные стороны объекта контроля или контролируемого участка. Применяется как непрерывное, так и импульсное излучение.

К методам прохождения относятся следующие [44]:

- Теневой метод основан на уменьшении амплитуды прошедшей волны под влиянием дефекта (рис.5.1.2, а).

- Временной теневой метод основан на запаздывании импульса, вызванном огибанием дефекта.

- Велосиметрический метод основан на изменении скорости упругих волн при наличии дефекта. Например, если в тонком изделии распространяется изгибная волна, то появление расслоения вызывает уменьшение ее скорости, которое обычно измеряется по сдвигу фазы прошедшей волны.

- Зеркально-теневой метод основан на ослаблении сигнала, отраженного от противоположной поверхности изделия (одного сигнала).

В методах отражения применяют, как правило, импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы:

- Эхо-метод (рис.5.1.2, в) регистрирует эхо-сигналы от дефектов.

- Зеркальный эхо-метод основан на зеркальном отражении импульсов от дефектов, ориентированных вертикально к поверхности, с которой ведется контроль (рис.5.1.2,г). Для этого наклонные преобразователи (А и С) располагают по разные стороны изделия (К-метод) или по одну сторону изделия (А и В), используя отражение от нижней поверхности. Это повышает надежность выявления непроваров и трещин в сварных швах. В процессе контроля с помощью механических или электрических устройств выполняется условие .

При дельта-методе (рис.5.1.2,д) рассеянные на дефекте волны от преобразователя А принимаются преобразователем В непосредственно над дефектом. Метод позволяет получить визуальное изображение дефектов сварных швов в плане.

Реверберационный метод (рис. 5.1.3, а) предназначен для контроля слоистых конструкций типа металл-пластик. Он основан на анализе длительности реверберации ультразвуковых импульсов в одном из слоев.

Рис. 5.1.1. Классификация акустических методов контроля

а) теневой метод б) импедансный метод

в) эхо-метод

г) эхозеркальный метод

д) дельта метод

Рис.5.1.2. Схемы акустических методов дефектоскопии

а. Реверберационный метод б. Эхосквозной метод

в. Метод свободных колебаний

г. Резонасный метод

Рис. 5.1.3. Схемы акустических методов дефектоскопии

Например, когда преобразователь расположен на слое металла, ультразвуковые волны частично отражаются от границы его раздела с пластмассой, а частично проходят в пластмассу, что вызывает гашение ревербации. При некачественном соединение материалов отражение от границ их раздела будет больше, и длительность ревербации увеличиться.

Существует ряд методов, в которых используют принципы, как прохождения, так и отражения звука. При теневом эхо-методе, при котором анализируют как прошедшие, так и отраженные сигналы, и сквозном эхо-методе (рис. 5.1.3, б), при котором регистрируется прошедшее излучение, главным признаком дефекта служит появление сигналов, отраженных от дефектов после зеркального отражения волны от верхней и нижней поверхностей изделия. Преимуществом последних методов является возможность выявления слабо отражающих ультразвук дефектов.

Методы отражения и прохождения звука отличаются также по регистрируемому параметру: по амплитуде сигнала (теневой или дельта-методы), по амплитуде и фазе волны (акустическая голография в теневом и эхо-методах, некоторые варианты велосимметрического метода), амплитуде и времени прохождения импульса (остальные методы).

Наибольшее распространение получил эхо-метод контроля. Этим методом контролируют поковки, штамповки, прокат, сварные швы, пластмассы, измеряют толщину изделий и оценивают структуру материалов.

Зеркальный эхо-метод и дельта-метод применяют для более точного определения характера и расположения дефектов сварных соединений.

Теневой метод применяют в основном для контроля листов малой и средней толщины, изделий из материалов с большим рассеянием УЗК (покрышек колес). При особенно большом рассеяние используют временной теневой метод (контроль бетона, огнеупоров).

Теневой эхо-метод и сквозной эхо-метод применяют для повышения чувствительности теневого метода к мелким дефектам. Различные варианты методов прохождения применяют для контроля физико-механических свойств бетона, чугуна, стеклопластиков, технических тканей и т.д.

От распространенных акустических методов неразрушающего контроля существенно отличается импедансный метод. Он основан на анализе изменения механического импеданса участка поверхности контролируемого объекта, с которым взаимодействует преобразователь. Об изменении импеданса судят по характеристикам колебаний преобразователя: частоте, амплитуде, фазе. В отечественных низкочастотных импедансных дефектоскопах преобразователь имеет форму стержня (рис.5.1.3, б).

При использовании стоячих волн возбуждаются свободные или вынужденные колебания либо объекта контроля в целом (интегральные методы), либо его части (локальные методы).

Свободные колебания в объекте чаще всего возбуждаются путем механического удара, а вынужденные – путем воздействия гармонической силы, частота корой изменяется. Состояние (бездефектность) объекта анализируют по собственной частоте свободных колебаний либо по резонансам вынужденных колебаний. Реже используют амплитуду соответствующих колебаний.

На использовании стоячих волн основаны следующие методы.

Локальный метод свободных колебаний. Согласно этому методу (рис. 5.1.3, в) в части контролируемого изделия, например в слоистой панели, возбуждают механические колебания с помощью ударов молоточка вибратора и анализируют спектр возбуждаемых частот. В дефектных изделиях спектр смещается, как правило, в высокочастотную область. К этой группе относится способ «Предеф». Сущность способа состоит в возбуждении через слой жидкости вынужденных колебаний в стенке изделия с частотой, близкой к резонансной. После окончания возбуждения стенка продолжает колебаться в свободном режиме. По частоте этих колебаний с высокой точностью измеряют ее толщину.

При интегральном методе свободных колебаний механическим ударом возбуждаются вибрации во всем изделии или значительной его части. Этот метод используют, например, при проверке бандажей железнодорожных колес или стеклянной посуды по частоте звона.

Локальный резонансный метод широко применяется в толщинометрии. В стенке изделия с помощью преобразователя возбуждают ультразвуковые волны (рис. 5.1.3, г). Частоту колебаний модулируют и фиксируют частоты, на которых возникают резонансы, т.е. когда по толщине стенки изделие укладывается целое число полуволн ультразвука. По резонансным частотам определяют толщину стенки; дефекты фиксируют по резкому изменению толщины пропаданию (когда дефект наклонный). В настоящее время метод используется редко.

Интегральный резонансный метод применяют для определения модулей упругости материала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебаний изделий простой геометрической формы. Этот метод используют для контроля небольших изделий, абразивных кругов, турбинных лопаток. Наличие дефектов или изменение свойств материалов определяют по отклонениям резонансных частот.

К методам вынужденных колебаний относят акустико-топографический метод, при котором регистрируется распределение амплитуд упругих колебаний на поверхности контролируемого объекта с помощью наносимого на поверхность порошка. Дефектный участок отличается увеличением амплитуды колебаний в результате резонансных явлений, вследствие чего оседание порошка на нем меньше.

Наиболее характерным пассивным методом, использующим бегущие волны, является акустико-эмиссионый метод. При акустической эмиссии упругие волны излучаются самим материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие трещин, аллотропические превращения, движение скоплений дислокаций, наиболее характерные источники акустической эмиссии. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи принимают упругие волны и позволяют установить место их источника (дефекта).

Пассивными акустическими методами, основанными на возбуждении стоячих волн или колебаний объекта контроля, являются вибрационно-диагностичекий и шумодиагностический.

При первом анализируют параметры вибраций какой-либо отдельной детали или узла (ротора, подшипников, лопатки турбины) с помощью приемников контактного типа, при втором изучают спектр шумов работающего механизма, обычно с помощью микрофонных приемников.

По частотному диапазону все рассмотренные методы подразделяются на низкочастотные и высокочастотные [43]. С применением низкочастотных методов изучаются колебания в звуковом и низкочастотном диапазонах (от единиц герц до десятков килогерц), с применением высокочастотных – в высокочастотном диапазоне частот (от нескольких сот килогерц до 20 МГц).