Глава 3. Методы акустического контроля

Акустические методы делят на две большие группы: использующие излучение и прием акустических колебаний и волн (активные методы) и основанные только на приеме колебаний и волн (пассивные методы). В каждой из этих групп выделяют методы, основанные на возникновении в объекте контроля бегущих и стоячих волн или колебаний. Классификация акустический методов контроля приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Классификация акустических методов контроля

Активные методы

Активные акустические методы, в которых применяют бегущие волны, делят на подгруппы, использующие прохождение, отражение волн и комбинированные методы, в которых применяют отражение и прохождение. Методы прохождения предполагают наличие двух преобразователей — излучающего и приемного, расположенных по разные стороны объекта контроля или контролируемого участка. Применяют как импульсное, так и, реже, непрерывное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии (ГОСТ 18353-79):

– амплитудный (теневой) метод, основанный на регистрации уменьшения амплитуды прошедшей волны (сквозного сигнала) под влиянием дефекта (рис. 4 а);

– временной теневой метод, базирующийся на измерении запаздывания импульсов, вызванного огибанием дефекта (рис. 4 б);

– велосиметрический метод, основанный на анализе изменения скорости упругих волн, связанного с наличием дефекта. Например, если в тонком изделии распространяется изгибная волна, то появление расслоения снижает ее скорость (мода с малой скоростью показана штриховой линией); это снижение определяют по сдвигу фазы прошедшей волны (рис. 4 в).

Рисунок 4. Схемы контроля объектов с использованием методов прохождения

На рисунке: а — теневой; б — временной теневой; в — велосиметрический; 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 — приемник; 5 — усилитель; 6 — измеритель амплитуды; 7 — измеритель времени пробега; 8 — измеритель фазы.

В методах отражения используют один или два преобразователя; применяют, как правило, импульсное излучение.

Эхо-метод (рис. 5, а), относящийся к этой подгруппе, основан на регистрации эхо-сигналов от дефекта. На экране индикатора обычно наблюдают посланный (зондирующий) импульс I, импульс III, отраженный от противоположной — донной поверхности изделия (донный сигнал), и эхо-сигнал II от дефекта. Время прихода импульсов II и III пропорционально глубине залегания дефекта и толщине изделия. На этом рисунке показана совмещённая схема контроля, при которой преобразователь выполняет функции излучателя и приемника; если эти функции выполняют разные преобразователи, то схему называют раздельной.

Рисунок 5. Схема контроля объектов с использованием методов отражения

На рисунке: а — эхо-метод; б — зеркальный эхо-метод; в — дельта-метод; г — реверберационный метод; 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 — приемник; 5 — усилитель; 6 — синхронизатор; 7 — индикатор.

Зеркальным эхо-методом анализируют сигналы, зеркально отраженные от донной поверхности изделия и дефекта, т. е. прошедшие путь ABCD (рис. 5, б). Вариант этого метода, связанный с выявлением вертикальных дефектов в плоскости EF, называют методом тандем, для реализации которого при перемещении преобразователей 2, 4 поддерживают постоянным значение для получения зеркального отражения от невертикальных дефектов значение варьируют. Один из вариантов зеркального эхо-метода предусматривает расположение излучателя и приемника не в одной плоскости (вид в плане дан на рис. 5, б внизу), а в разных плоскостях, но таким образом, чтобы принимать зеркальное отражение от вертикального дефекта. Этот вариант называют тандем-дуэт (в иностраннойлитературе «стредл»). Способ дуэт характеризуется симметричным расположением излучателя и приемника (положение приемника показано на рис. 2.3, б штриховой линией). Еще один вариант зеркального эхо-метода предусматривает расположение преобразователей по разные стороны изделия, например располагают приемник в точке С. Этот вариант называют К-метод.

Дельта-метод (рис. 5, в) основан на использовании дифракции волн на дефекте. Часть падающей на дефект поперечной волны от излучателя 2 отражается зеркально, а другая часть дифрагирует в виде поперечной и трансформированной продольной волн. При отражении волна также частично трансформируется в продольную волну. Дифрагированная продольная волна поступает на приемник 4 продольных волн, который несколько позднее принимает также продольную волну, отраженную от нижней поверхности изделия.

Реверберационный метод основан на анализе времени объемной реверберации в контролируемом объекте. Например, при контроле двухслойной конструкции время реверберации в слое, с которым контактирует преобразователь, меньше в случае качественного соединения слоев, так как часть энергии переходит в другой слой (рис. 5, г).

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

Зеркально-теневой метод основан на измерении амплитуды донного сигнала. На рис. 6, а отраженный луч условно смещен в сторону. По технике выполнения (фиксируют 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.

Рисунок 6. Схема контроля объектов с использованием комбинированных методов

На рисунке: а — зеркально-теневой; б — эхо-теневой; в — эхо-сквозной; 1 — излучатель; 2 — приемник; 3 — объект контроля.

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

Эхо-сквозным методом фиксируют сквозной сигнал I, сигнал II, двукратно отраженный в изделии, а в случае появления полупрозрачного дефекта и эхо-сквозные сигналы III, IV, соответствующие отражениям от дефекта волн, идущих от верхней и нижней поверхностей изделия. Большой непрозрачный дефект обнаруживают по исчезновению или сильному уменьшению сигнала I, т. е. теневым методом, а также сигнала II. Полупрозрачные или небольшие дефекты обнаруживают по появлению сигналов III и IV.

Импедансный метод существенно отличается от рассмотренных методов. Он основан на анализе изменения механического или входного акустического импеданса участка поверхности контролируемого объекта, с которым взаимодействует преобразователь. В низкочастотных импедансных дефектоскопах преобразователем служит колеблющийся стержень, опирающийся на поверхность изделия (рис. 7, а). Между ними нет контактной жидкости (сухой контакт). Появление подповерхностного дефекта в виде расслоения делает расположенный над дефектом участок поверхности более гибким, податливым, т. е. снижает его механический импеданс. В результате изменяется режим колебаний стержня, в частности уменьшаются механические напряжения на приемнике 4, что служит признаком дефекта.

Рисунок 7. Схема контроля объектов с использованием различных методов

На рисунке: а — импедансный; б — резонансный; в — свободных колебаний; г — акустико-эмиссион; 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 — приемник, 5 — усилитель; 6 — индикатор; 7 — модулятор частоты; 8 — регистратор резонанса; 9 — спектро-анализатор, 10 — вибратор.

В высокочастотных импедансных дефектоскопах колеблющимся элементом является пьезопластина преобразователя обычного типа. Появление дефекта типа расслоения вблизи поверхности изделия изменяет входной акустический импеданс , а следовательно, и режим колебаний генератора, что свидетельствует о наличии дефекта.

При использовании стоячих волн возбуждают свободные или вынужденные колебания либо объекта контроля в целом (интегральные методы), либо его части (локальные методы). Свободные колебания возбуждают путем кратковременного внешнего воздействия на объект контроля, например, ударом, после чего он колеблется свободно. Вынужденные колебания предполагают постоянную связь колеблющегося объекта контроля с возбуждающим генератором, частоту которого изменяют. Информационными параметрами являются частоты свободных колебаний или резонансов вынужденных колебаний, которые несколько отличаются в связи с воздействием возбуждающего генератора. Эти частоты связаны с геометрическими параметрами изделий и скоростью распространения в них ультразвука. Иногда измеряют величины, связанные с затуханием колебаний в объекте контроля: амплитуды свободных или резонансных колебаний, добротность колебаний, ширину резонансного пика.

Схема контроля локальным методом свободных колебаний (в этом варианте его называют просто методом свободных колебаний) показана на рис. 7, в. В части контролируемого изделия, например слоистой панели, возбуждают колебания с помощью ударов молоточком вибратора 10 и анализируют спектр возбуждаемых частот спектроанализатором 9, В дефектных изделиях спектр, как правило, смещен в сторону высоких частот.

Локальный метод вынужденных колебаний обычно называют резонансным методом. В стенке изделия с помощью пьезопреобразователя возбуждают ультразвуковые волны (рис. 7, б). Частоту колебаний модулируют; фиксируют частоты, на которых возбуждаются резонансы колебаний. По резонансным частотам определяют толщину стенки изделий и наличие дефектов. Дефекты, параллельные поверхности изделия, вызывают по- погрешность измеряемой толщины, а расположенные под углом к поверхности — исчезновение резонансных явлений. Для вы- высокоточного измерения толщины труб также применяют локальный метод свободных колебаний, получивший название метод предеф.

К методам вынужденных колебаний относят акустико- топографический метод, основанный на регистрации распределения амплитуд упругих колебаний на поверхности контролируемого объекта с помощью наносимого на поверхность порошка. На дефектном участке оседает меньшее количество порошка, что объясняется увеличением амплитуды колебаний в результате резонансных явлений.

Пассивные методы

Переходя к пассивным акустическим методам контроля, отметим акустико-эмиссионный метод, при котором используют бегущие волны (рис. 7, г). Этот метод основан на анализе параметров упругих волн акустической эмиссии, возникающих в результате динамической локальной перестройки объекта контроля. Такие явления, как возникновение и рост трещин, аллотропические превращения, движение скоплений дислокаций — наиболее характерные источники волн акустической эмиссии. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи, принимающие упругие волны, позволяют установить наличие источника эмиссии, а при обработке сигналов от нескольких преобразователей — и расположение источника.

К пассивным акустическим методам, основанным на возбуждении стоячих волн или колебаний объекта контроля, относятся вибрационно-диагностический и шумо-диагностический методы. При использовании первого метода анализируют параметры вибрации какой-либо отдельной детали или узла (ротора, подшипника, лопатки турбины) с помощью приемников контактного типа; при использовании второго изучают спектр шумов работающего механизма на слух или с помощью микрофонных приемников.

По частотному признаку все рассмотренные акустические методы делят на низкочастотные и высокочастотные. К первым относят колебания в звуковом и низкочастотном (до нескольких десятков килогерц), ультразвуковом диапазонах частот; ко вторым — колебания в высокочастотном (от нескольких сотен килогерц до 50 МГц) ультразвуковом диапазоне частот. Высокочастотные методы обычно называют ультразвуковыми. Для контроля металлов преимущественно используют высокочастотные методы.

Из рассмотренных акустических методов контроля наибольшее практическое применение находит эхо-метод: им проверяют до 90 % всех объектов. Применяя волны различных типов, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, литья, сварных соединений, многих неметаллических материалов. Эхо-метод используют также для измерения геометрических размеров изделий. Фиксируя время прихода донного сигнала и зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе. Если толщина изделия известна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по этим параметрам определяют физико-механические свойства материалов.

Зеркально-теневой метод используют вместе или в дополнение к эхо-методу для выявления дефектов, слабо отражающих ультразвуковые волны в направлении совмещенного преобразователя (см. рис. 6, а). Такие дефекты, как вертикальные трещины, ориентированные перпендикулярно поверхности, по которой перемещают преобразователь (поверхности ввода), дают очень слабый рассеянный сигнал, в связи с чем эхо-методом не выявляются. В то же время они ослабляют донный сигнал благодаря тому, что на их поверхности продольная волна трансформируется в вытекающую, которая в свою очередь излучает боковые волны, уносящие энергию.

Зеркально-теневой метод применяют, например, при контроле рельсов с целью обнаружения вертикальных трещин в шейке. Им выявляют дефекты большего размера, чем эхо-методом. Преимущество этого метода перед зеркально-теневым заключается в одностороннем доступе к поверхности изделия. Зеркальный эхо-метод применяют также для выявления дефектов, ориентированных перпендикулярно поверхности ввода. Им выявляют более мелкие дефекты, чем зеркально-теневым, но при этом требуется, чтобы в зоне расположения дефектов был достаточно большой участок ровной поверхности (см. рис. 5, б). При контроле рельсов, например, это требование не выполняется, поэтому возможно применение только зеркально-теневого метода. Дефект В можно выявить совмещенным наклонным преобразователем, расположенным в точке А. Однако в этом случае зеркально отраженная волна уходит в сторону и на преобразователь попа- попадает лишь слабый рассеянный сигнал. Преобразователи, расположенные в точках С или D, обнаруживают дефект с более высокой чувствительностью.

Зеркальный эхо-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. Такие дефекты лучше выявляются зеркальным эхо-методом. Дефекты округлой формы (шлаковые включения, поры) дают большой рассеянный сигнал и хорошо регистрируются сов- совмещенным преобразователем в точке A; в то же время зеркальное отражение от них слабое. Сравнивая отраженные сигналы в точках А и D, определяют форму дефекта сварного соединения.

Вариант тандем-дуэт применяют, когда расположение преобразователей в одной плоскости затруднительно. Его используют, например, для выявления поперечных трещин в сварных швах. Преобразователи в этом случае располагают по разные стороны выпуклости («усиления») шва. Углы и выбирают либо малыми — до 10°, либо большими — более 35° для предотвращения трансформации поперечных волн в продольные. При углах менее 10° трансформация мала; угол, равный 35° и больше, превосходит значение третьего критического угла, в связи с чем трансформация отсутствует. Существуют варианты с : например, излучают поперечную волну с , а принимают трансформированную продольную волну.