Бесконтактные способы излучения и приема акустических волн

Бесконтактные методы – это методы, при реализации которых отсутствует соприкосновение преобразователя с поверхностью объекта контроля через слой контактной жидкости. Необходимость использования бесконтактных методов излучения и приема ультразвука вызвана тем, что применение жидкой контактной среды ограничивает возможности контроля. Контактный метод невозможен в случае автоматического контроля при больших скоростях перемещения контролируемых объектов. Ограничения возможностей применения контактных методов также возникают при контроле объектов с шероховатой или загрязненной поверхностью, а также нагретых до высокой температуры. В подобных случаях можно использовать иммерсионный метод, однако чувствительность метода при использовании иммерсионной жидкости уменьшается в десятки раз. Уменьшение чувствительности происходит из-за двойного прохождения через границу раздела жидкость-твердое тело, кроме того, при этом необходима специальная аппаратура и обеспечение определенных условий проведения контроля. В то же время иммерсионный метод ограниченно применим в автоматических установках акустического контроля, так как при этом возникают сложности, связанные с созданием жидкой иммерсионной среды вокруг объекта контроля в условиях поточного производства.

Достоинства бесконтактных методов позволяют:

- обеспечить большие скорости контроля;

- обеспечить большие объемы контроля;

- реализовать контроль объектов с высокими температурами;

- контролировать шероховатые и загрязненные поверхности.

Воздушно-акустическая связь.Воздушно-акустическая связь реализуется при передаче ультразвуковых сигналов через слой воздуха. Схема контроля подобным методом приведена на рис. 1.18. Затухание ультразвуковых колебаний в воздухе велико, а коэффициент затухания пропорционален квадрату частоты: . Поэтому в таких случаях для уменьшения затухания применяют колебания низких частот f = 0,1 – 0,5 МГц.

Рис. 1.18. Схема контроля с использованием воздушно-акустической связи

Коэффициент прохождения через границу воздух-сталь очень мал:

,

, (1.35)

здесь – толщина воздушного слоя, – относительное ослабление сигнала (режим приема-излучения). В формуле (1.30) не учитывается толщина контролируемого металла, т. к. затухание в воздухе намного выше, чем затухание в материале. Амплитуда принимаемого сигнала

, (1.36)

где – механические напряжения на поверхности пьезопластины;

– коэффициент пропорциональности;

– коэффициент двойного преобразования;

– функция затухания.

Пример. Пусть необходимо провести контроль изделия на частоте , через слой воздуха с коэффициентом затухания и толщиной . Тогда , . Таким образом, принимаемый сигнал ослаблен по амплитуде в 2×10⁵ раз. Вследствие этого воздушно-акустическая связь обычно используется для контроля изделий с малой толщиной. Чтобы повысить коэффициент прозрачности в промежуток между объектом контроля и датчиком в некоторых случаях вводят пенопласт. Воздушно-акустическая связь применяется на низких (килогерцовых) частотах ультразвука и только для тонких слоев металла, кратных четверти длины волны. Указанным способом контролируют листовой прокат.

Термоакустический эффект.Для реализации термоакустического эффекта в качестве излучателей необходимо использовать специальные (не пьезоэлектрические) преобразователи. В этом случае источником акустических колебаний является нагретый локальный участок контролируемого объекта. Из-за теплового расширения при нагреве возникают упругие смещения, распространяяющиеся в виде волн. Нагрев осуществляется бесконтактно, например, электрической искрой или лучом импульсного лазера. Схема возникновения термоиндуцированных акустических колебаний приведена на рис. 1.19.

Рис. 1.19. Термоакустический эффект: 1 – нагретая область; 2 – область механических напряжений; 3 – распространение акустической волны с плоским, а затем со сферическим фронтом; – толщина прогреваемого слоя

Глубина проникновения тепловой волны имеет значение

. (1.37)

Амплитуда возникающего термомеханического напряжения равна

, (1.38)

где – перепад температур между областями 1 и 2;

– коэффициент Пуассона;

– модуль упругости;

– коэффициент термического расширения материала;

– коэффициент температуропроводности;

– циклическая частота изменения температуры.

Для возникновения термоакустического эффекта точка регистрации ультразвукового сигнала должна быть удалена от нагретой области на расстояние (h – толщина изделия).

Рассмотрим пример. Если локальный участок изделия нагревается на , а частота регистрируемых колебаний составляет , то величина термомеханических напряжений (амплитуда акустической волны) приблизительно равна напряжению при использовании пьезоэлектрических преобразователей: . Если же , , то . Таким образом, более высокий перепад температур обеспечивает большую амплитуду акустического сигнала.

Для реализации термоакустического эффекта используют следующие способы бесконтактного нагрева.