Акустическими методами называют методы, основанные на использовании упругих колебаний и волн любых частот. Методы, использующие частоты от 20 кГц до 100 МГц, называют ультразвуковыми.

Упругая волна представляет собой процесс распространения возмущений в среде в результате действия механических сил, происходящий благодаря упругому взаимодействию частиц среды.

Отклонение частицы от положения равновесия называется смещением ξ, величина v = dξ/dt — колебательной скоростью. Колебания частиц обусловлены звуковым давлением p, представляющим собой разность между мгновенным р_а и статическим p₀ давлениями в данной точке среды:

Важным параметром среды является ее характеристический импеданс или удельное волновое сопротивление. Он определяется как отношение комплексных амплитуд звукового давления р к колебательной скорости v в гармонической бегущей волне:

обычно выражается произведением плотности ρ среды на скорость распространения волны:

Для сред с небольшими потерями z можно считать действительной величиной.

Акустическим импедансом z_a называют отношение комплексных амплитуд р и v в любой гармонической волне:

В общем случае z_a — комплексная величина.

В неразрушающем контроле встречается также понятие механического импеданса, под которым понимают отношение комплексных амплитуд гармонической возмущающей силы F и вызываемой ею колебательной скорости v в направлении силы:

В отличие от ρс, характеризующего среду, механический импеданс является параметром конструкции.

Энергетической характеристикой упругой волны служит интенсивность. Для бегущей гармонической волны интенсивность

где v_m и р_m — амплитуды колебательной скорости и звукового давления соответственно.

Единицы измерения рассмотренных величин в системе СИ: смещения — м, колебательной скорости — м/с, звукового давления — Па, интенсивности — Вт/м2, характеристического и акустического импедансов — Па·с/м, механического импеданса — Н·с/м.

В жидкостях и газах распространяются лишь продольные волны. В безграничных твердых телах могут существовать только продольные и поперечные (сдвиговые) волны. В продольных волнах направление колебательного движения частиц среды совпадает (или противоположно) с направлением распространения волны, в поперечных — перпендикулярно этому направлению.

В ограниченных твердых телах могут распространяться также волны других типов. Из них основное значение имеют: поверхностные волны (волны Рэлея), нормальные волны в слоях (волны Лэмба), изгибные волны, нормальные стержневые волны (волны Похгаммера).

Поверхностные волны распространяются по свободным поверхностям твердых тел в слое толщиной порядка длины волны. Частицы среды движутся по эллиптическим траекториям.

Волны Лэмба возбуждаются в слоях — листах, стенках труб и т.п. — и имеют волноводный механизм распространения. Скорость распространения этих волн зависит от толщины слоя и частоты. Симметричные s и антисимметричные а моды волн отличаются симметричным и антисимметричным движениями относительно среднего сечения слоя (рис. 1). Различные моды волн распространяются с разными скоростями. Изгибные волны есть частный случай антисимметричных волн Лэмба нулевого порядка а₀, когда длина волны намного больше толщины слоя.

Рис.1. Деформация пластины при распространении симметричных и антисимметричных волн

Стержневые волны во многом сходны с волнами Лэмба. Они также делятся на симметричные и антисимметричные и имеют множество мод.

Скорости продольных, поперечных и поверхностных волн в большинстве материалов не зависят от частоты. Скорости волн в пластинах и стержнях зависят от произведения толщины изделия на частоту. Это явление называют дисперсией скорости.

Скорости распространения волн всех типов определяются плотностью ρ среды и ее упругими составляющими.

При распространении в средах упругие волны ослабляются вследствие расхождения энергии в пространстве и затухания, в среде. В ультразвуковой дефектоскопии применяют высокие частоты (f > 0,5 МГц), когда отношение поперечного размера 2а преобразователя больше дины волны (2а > λ, где λ — длина волны).

В этом случае излучение характеризуется направленностью, т.е. основная энергия сосредоточена в пределах относительно узкого пучка. Акустическое поле излучателя обладает ближней и дальней зонами. Для круглого преобразователя радиусом а границей ближней зоны является расстояние r_б = а² / λ. В ближней зоне (r < r_б) звуковое давление меняется немонотонно, в дальней зоне — монотонно убывает. На расстояниях r >> r_б зависимость звукового давления от угла θ с осью излучения представляется диаграммой направленности (рис.2), имеющей основной и несколько боковых лепестков. Угол раскрытия основного лепестка этой диаграммы

Направленность при приеме аналогична направленности при излучении.

Рис.2. Диаграмма направленности поля излучения дискообразного преобразователя с 2а/λ = 5 в полярных координатах

Для возбуждения и приема упругих колебаний используют электроакустические преобразователи. Наиболее распространены пьезоэлектрические преобразователи. Они очень разнообразны и отличаются назначением, исполнением, рабочими частотами и другими параметрами.

Рис.3. Конструкция пьезопреобразователей:
а - прямого совмещенного; б - наклонного; в - раздельно-совмещенного;
1 - пьезоэлемент; 2 - демпфер; 3 - протектор; 4 - слой контактной жидкости; 5 - контролируемый объект; 6 - корпус; 7- вывод; 8 - призма; 9 - акустический экран.

Прямые совмещенные преобразователи (рис.3,а) служат для излучения и приема продольных упругих волн. Обе эти функции выполняет один пьезоэлемент.

В раздельно-совмещенных преобразователях (рис.3,в) для излучения и приема продольных волн используют разные пьезоэлементы, смонтированные в общем корпусе. Применяют также раздельные преобразователи, один из которых только излучает, другой только принимает упругие волны.

Для работы поперечными, поверхностными и волнами Лэмба служат наклонные преобразователи (рис.3,б). Все эти волны возбуждаются в контролируемом изделии путем трансформации продольных волн, падающих на границу раздела "преобразователь — изделие" под различными углами. При приеме происходит обратная трансформация.

Применяют также другие пьезопреобразователи — широкополосные, с регулируемыми углами наклона, фокусирующие, многоэлементные (матричные) и т.п. Для передачи упругих волн между этими преобразователями и контролируемыми объектами необходимо наличие материальной среды, создающей акустический контакт. Этот контакт реализуется через:

На низких частотах (до 60 - 100 кГц) применяют сухой точечный контакт через выпуклую поверхность наконечника преобразователя.

При решении специальных задач для излучения и приема упругих колебаний применяют бесконтактные преобразователи, в том числе:

Однако по чувствительности бесконтактные преобразователи уступают пьезоэлектрическим с жидкостной связью с контролируемым объектом.

КЛАССИФИКАЦИЯ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Акустические методы неразрушающего контроля 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 контролируемого изделия. Применяют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект.

Рис.4. Методы прохождения:
а - теневой; б - временной теневой; в - велосимметрический;
1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приемник; 5 - усилитель;
6 - измеритель амплитуды; 7 - измеритель времени пробега; 8 - измеритель фазы

К методам прохождения относят:

Рис.5. Методы отражения:
а - эхо; б - эхо-зеркальный; в - дельта-метод;
г - дифракционно-временной; д - реверберацнонный;
1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приемник; 5 - усилитель;
6 - синхронизатор; 7 - индикатор

В методах отражения используют как один, так и два преобразователя; применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии.

Эхо-метод (рис. 5, а) основан на регистрации эхо-сигналов от дефекта. На экране индикатора обычно наблюдают посланный (зондирующий) импульс I, импульс III, отраженный от противоположной поверхности (дна) изделия (донный сигнал), и эхо-сигнал от дефекта II. Время прихода импульсов II и III пропорционально глубине залегания дефекта и толщине изделия. При совмещенной схеме контроля (рис. 5, а) один и тот же преобразователь выполняет функции излучателя и приемника. Если эти функции выполняют разные преобразователи, то схему называют раздельной.

Эхо-зеркальный метод основан на анализе сигналов, испытавших зеркальное отражение от донной поверхности изделия и дефекта, т.е. прошедших путь АВСД (рис. 5, 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 l_A + l_D = 2Н tgα; 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. 5, б, вид в плане внизу), а в разных плоскостях, но таким образом, чтобы принимать зеркальное отражение от дефекта. Еще один вариант, называемый К-метод, предусматривает расположение преобразователей по разные стороны изделия, например располагают приемник в точке С.

Дельта-метод (рис. 5, 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. 5, 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. 5, д) использует влияние дефекта на время затухания многократно отраженных ультразвуковых импульсов в контролируемом 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 отсутствует вследствие большого затухания ультразвука в полимере.

В комбинированных методах используют принципы как прохождения, так и отражения акустических волн.

Рис.6. Комбинированные методы, использующие прохождение и отражение:
а - зеркально-теневой; б - эхо-теневой; в - эхо-сквозной;
1 - дефект; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приемник

Зеркально-теневой метод основан на измерении амплитуды донного сигнала. На рис. 6, а отраженный луч условно смещен в сторону. По технике выполнения (фиксирует эхо-сигнал) его относят к методам отражения, а по физической сущности контроля (измеряют ослабление сигнала, дважды прошедшего изделие в зоне дефекта) он близок к теневому методу.

Эхо-теневой метод основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн (рис. 6, б).

В эхо-сквозном методе фиксируют сквозной сигнал, испытавший двукратное отражение в изделии, а в случае появления полупрозрачного дефекта — также сигналы, соответствующие отражениям волн от дефекта и испытавших также отражение от верхней и нижней поверхностей изделия. Большой непрозрачный дефект обнаруживают по исчезновению или сильному уменьшению сигнала, т.е. теневым методом.

Методы собственных частот основаны на измерении этих частот (или спектров) колебаний контролируемых объектов. Собственные частоты измеряют при возбуждении в изделиях как вынужденных, так и свободных колебаний. Свободные колебания обычно возбуждают механическим ударом, вынужденные — воздействием гармонической силы меняющейся частоты.

Различают интегральные и локальные методы. В интегральных методах анализируют собственные частоты изделия, колеблющегося как единое целое, в локальных — колебания отдельных его участков.

Рис.7. Методы собственных частот с использованием вынужденных колебаний
(а - интегральный; б - локальный) и свободных (в - интегральный; г - локальный)
1- генератор непрерывных колебаний меняющейся частоты; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приемник; 5 - усилитель; 6 - индикатор резонанса; 7 - модулятор частоты; 8 - индикатор; 9 - спектроанализатор; 10 - ударный вибратор; 11 - блок обработки информации

Методы собственных частот, использующие вынужденные колебания. В интегральном методе генератор 1 (рис. 7, а) регулируемой частоты соединен с излучателем 2, возбуждающим упругие колебания (обычно продольные или изгибные) в контролируемом изделии 3. Приемник 4 преобразует принятые колебания в электрический сигнал, который усиливается усилителем 5 и поступает на индикатор резонанса 6. Регулируя частоту генератора 1, измеряют собственные частоты изделия 3. Диапазон применяемых частот до 500 кГц.

Локальный метод с использованием вынужденных колебаний (ультразвуковой резонансный метод) применяют в основном для измерения толщин. В изделии 3 (рис. 7, б) преобразователем 2, 4 возбуждают упругие волны (обычно продольные) непрерывно меняющейся частоты. Фиксируют частоты, на которых отмечаются резонансы системы преобразователь — изделие. По резонансным частотам определяют толщину стенки изделия и наличие в нем дефектов. Дефекты, параллельные поверхности, меняют измеряемую толщину, а расположенные под углом к поверхности — приводят к исчезновению резонансов. Диапазон применяемых частот — до нескольких мегагерц.

Методы собственных частот, использующие свободные колебания, также делят на интегральные и локальные.

В интегральном методе в изделии 3 (рис. 7, а) ударом молотка 1 возбуждают свободнозатухающие колебания. Эти колебания принимают микрофоном, усиливают и фильтруют полосовым фильтром, пропускающим только сигналы с частотами, соответствующими выбранной моде колебаний. Частоту измеряют модулятором 7. Признаком дефекта служит изменение (обычно снижение) частоты. Как правило, используют основные собственные частоты, не превышающие 15 кГц.

В локальном методе (рис. 7, г) возбуждаемый генератором 1 вибратор 10 создает периодические удары по контролируемому изделию. Электрические сигналы с приемного микрофона 4 через усилитель 5 поступают на спектроанализатор 9. Выделенный последним спектр принятого сигнала обрабатывается решающим устройством 11, результат обработки появляется на индикаторе. Кроме микрофонов применяют пьезоприемники. Дефекты регистрируют по изменению спектра принятого импульсного сигнала. В отличие от интегрального метода контроль выполняется путем сканирования изделий. Обычный диапазон рабочих частот от 0,3 до 20 кГц.

Акустико-топографический метод имеет признаки интегрального и локального методов. Он основан на возбуждении в изделии интенсивных изгибных колебаний непрерывно меняющейся частоты и регистрации распределения амплитуд колебаний с помощью наносимого на поверхность порошка. Упругие колебания возбуждают преобразователем, прижимаемым к сухому изделию. Преобразователь питают от мощного (порядка 0,4 кВт) генератора непрерывно меняющейся частоты. Если собственная частота отделенной дефектом (расслоением, нарушением соединения) зоны попадает в диапазон возбуждаемых частот, колебания этой зоны усиливаются, покрывающий ее порошок смещается и концентрируется по границам дефектов, делая их видимыми. Диапазон используемых частот — от 40 до 150 кГц.

Импедансные методы используют зависимость импедансов изделий при их упругих колебаниях от параметров этих изделий и наличия в них дефектов. Обычно оценивают механический импеданс

где F и v — комплексные амплитуды возмущающей силы и колебательной скорости соответственно. В импедансных методах используют изгибные и продольные волны.

Рис.8. Методы контроля:
а - импедансный; б - акустико-эмиссионный;
1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приемник; 5 - усилитель;
6 - блок обработки информации с индикатором

При использовании изгибных волн преобразователь стержневого типа (рис. 8, а) содержит соединенный с генератором 1 излучающий 2 и приемный 4 пьезоэлементы. Через сухой точечный контакт преобразователь возбуждает в изделии 3 гармонические изгибные колебания. В зоне дефекта соединения модуль |Z| механического импеданса Z = |Z|e ^jφ уменьшается и меняется его аргумент φ. Эти изменения регистрируются электронной аппаратурой. В импульсном варианте этого метода в системе преобразователь — изделие возбуждают импульсы свободно затухающих колебаний. Признаком дефекта служит уменьшение амплитуды и несущей частоты этих колебаний.

Кроме совмещенного преобразователя применяют раздельно-совмещенные преобразователи, имеющие в общем корпусе раздельные излучающий и приемный вибраторы. Эти преобразователи работают в импульсном режиме. При работе совмещенными преобразователями используют частоты до 8 кГц, раздельно-совмещенными — импульсы с несущими частотами 15—35 кГц.

В другом варианте в контролируемой многослойной конструкции с помощью плоского пьезопреобразователя возбуждают продольные упругие волны фиксированной частоты. Дефекты регистрируют по изменению входного электрического импеданса Z_э, пьезопреобразователя. Импеданс Z_э, определяется входным акустическим импедансом контролируемой конструкции, зависящим от наличия и глубины залегания дефектов соединения между ее элементами. Изменения Z_э представляют в виде точки на комплексной плоскости, положение которой зависит от характера дефекта. В отличие от методов, использующих изгибные волны, преобразователь контактирует с изделием через слой контактной смазки.

Метод контактного импеданса, применяемый для контроля твердости, основан на оценке механического импеданса зоны контакта алмазного индентора стержневого преобразователя, прижимаемого к контролируемому объекту с постоянной силой. Уменьшение твердости увеличивает площадь контактной зоны, вызывая рост ее упругого механического импеданса, что отмечается по увеличению собственной частоты продольного колеблющегося преобразователя, однозначно связанной с измеряемой твердостью.

Рабочие частоты твердомеров 25—80 кГц, диапазон измерений 20—68 HRC (50—990 HV). Ультразвуковые твердомеры портативны (1,5—3 кг) и позволяют измерять твердость в труднодоступных местах (зубья шестерен и т.п.).

Пассивные акустические методы основаны на анализе упругих колебаний волн, возникающих в самом контролируемом объекте.

Наиболее характерным пассивным методом является акустико-эмиссионный метод (рис. 8, б). Явление акустической эмиссии состоит в том, что упругие волны излучаются самим материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие трещин под влиянием внешней нагрузки, аллотропические превращения при нагреве или охлаждении, 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 являются вибрационно-диагностический 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 признаку акустические методы делят на низкочастотные и высокочастотные. К первым относят колебания в звуковом и низкочастотном (до нескольких десятков кГц) ультразвуковом диапазонах частот. Ко вторым — колебания в высокочастотном ультразвуковом диапазоне частот: обычно от нескольких сот кГц до 20 МГц. Высокочастотные методы обычно называют ультразвуковыми.

Области применения методов. Из рассмотренных акустических методов контроля наибольшее практическое применение находит эхо-метод. Около 90 % объектов, контролируемых акустическими методами, проверяют эхо-методом. Применяя различные типы волн, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений, многих неметаллических материалов. Эхо-метод используют также для измерения размеров изделий. Измеряют время прихода донного сигнала и, зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе. Если толщина изделия неизвестна, то по данному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по ним определяют физико-механические свойства материалов.

Зеркально-теневой метод используют вместо или в дополнение к эхо-методу для выявления дефектов, дающих слабое отражение ультразвуковых волн в направлении раздельно-совмещенного преобразователя.

Эхо-зеркальный метод также применяют для выявления дефектов, ориентированных перпендикулярно поверхности ввода.

Эхо-зеркальный метод в варианте "тандем" используют для выявления вертикальных трещин и непроваров при контроле сварных соединений. Дефекты некоторых видов сварки, например непровар при электронно-лучевой сварке, имеют гладкую отражающую поверхность, очень слабо рассеивающую ультразвуковые волны, но такие дефекты хорошо выявляются эхо-зеркальным методом. Дефекты округлой формы (шлаковые включения, поры) дают большой рассеянный сигнал и хорошо регистрируются совмещенным преобразователем.

Дельта и дифракционно-временной методы также используют для получения дополнительной информации о дефектах при контроле сварных соединений.

Для создания хорошего контакта приемного прямого преобразователя с поверхностью сварного соединения валик усиления зачищают. С помощью этого метода довольно точно определяют положение дефекта вдоль сварного шва, что важно для его автоматической регистрации.

Эхо-теневой метод применяют также при контроле сварных соединений. Например, при автоматическом контроле сварных соединений искатели располагают по обе стороны от шва и принимают как отраженные, так и прошедшие сигналы. Последние используют для контроля качества акустического контакта и обнаружения дефектов, ориентированных таким образом, что эхо-сигналы от них очень слабы.

Теневой и эхо-сквозной методы используют только при двустороннем доступе к изделию, для автоматического контроля изделий простой формы, например листов в иммерсионной ванне. Чувствительность теневого метода к дефектам в 10—100 раз меньше, чем эхо-метода в связи с большим влиянием помех. Применение эхо-сквозного метода в значительной мере устраняет этот недостаток.

Теневой метод применяют также для контроля изделий с большим уровнем структурной реверберации, т.е. шумов, связанных с отражением ультразвука от неоднородностей, крупных зерен, дефектоскопии многослойных конструкций и изделий из слоистых пластиков. При контроле тонких изделий с очень высоким уровнем структурных шумов более высокую чувствительность обеспечивает временной теневой метод. Теневой и временной методы позволяют обнаруживать крупные дефекты в материалах, где контроль другими акустическими методами затруднен или невозможен: крупнозернистой аустенитной стали, сером чугуне, бетоне, огнеупорном кирпиче.

Теневой метод применяют вместо эхо-метода при исследовании физико-механических свойств материалов с большим затуханием и рассеянием акустических волн, например при контроле прочности бетона по скорости ультразвука. Для этой цели применяют не только теневой метод, но (в более общем виде) метод прохождения. Например, излучатель и приемник располагают с одной стороны изделия, на одной поверхности и измеряют время и амплитуду сквозного сигнала головной волны.

Локальный метод вынужденных колебаний применяют для измерения малых толщин при одностороннем доступе. В настоящее, время для ручного контроля применяют импульсные толщиномеры. Для автоматического измерения толщины стенок тонких труб лучший результат дает иммерсионный резонансный толщиномер.

Интегральный метод вынужденных колебаний применяют для определения модулей упругости материала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебаний образцов простой формы, вырезанных из материала изделия, т.е. при разрушающих испытаниях.

Интегральный метод свободных колебаний используют для проверки бандажей вагонных колес или стеклянной посуды "по чистоте звона" с субъективной оценкой результатов на слух.

Реверберационный, импедансный, вело-симетрический, акустико-топографический методы и локальный метод свободных колебаний используют в основном для контроля многослойных конструкций. Акустико-топографический метод применяют для обнаружения дефектов преимущественно в металлических многослойных конструкциях (сотовые панели, биметаллы и т.п.).

Вибрационно-диагностический и шумо-диагностический методы служат для диагностики работающих механизмов. Метод акустической эмиссии применяют в качестве средства исследования материалов, конструкций, контроля изделий (например, при гидроиспытаниях) и диагностики во время эксплуатации. Его важными преимуществами перед другими методами контроля является то, что он реагирует только на развивающиеся, действительно опасные дефекты, а также возможность проверки больших участков или даже всего изделия без сканирования его преобразователем.

наверх