Тема 9. Акустические методы

Акустический метод основан на анализе параметров акустических (упругих) колебаний, возбуждаемых или возникающих и распространяющихся в контролируемом объекте. Упругими волнами называют механические возмущения (упругие деформации) материала.

В качестве излучателей и приемников акустических колебаний используются пьезоэлектрические преобразователи, основой которых являются пьезоэлементы. Они служат для преобразования электрической энергии в упругие колебания и наоборот. Для этого на поверхности пьезоэлементов нанесены токопроводящие слои. При подведении к ним переменного напряжения пьезоэлемент изменяет свои размеры в соответствии с частотой переменного напряжения. Прижав пьезоэлемент к подготовленной поверхности контролируемого объекта и внеся контактную смазку (гель на водной основе), обеспечивают ввод акустической волны в контролируемый объект. В этом случае пьезоэлемент работает как излучатель (обратный пьезоэффект).

В прямом пьезоэффекте пьезоэлемент работает как приемник. В этом случае преобразователь преобразует акустические колебания в электрические, которые подаются на экран электроннолучевой трубки и фиксируются на нем в виде импульса.

Упругие волны распространяются в объекте с определенной скоростью, которая связана с длиной и частотой волны следующим соотношением: , где - скорость распространения упругой волны; - частота упругой волны; - длина упругой волны. При распространении упругих колебаний частицы среды не переносятся, а только совершают колебания относительно точек равновесия.

Различают продольные, поперечные, поверхностные и нормальные волны. В продольной волне(волны расширения-сжатия) частицы материала колеблются вдоль распространения волны. Продольные волны распространяются во всех средах (в жидкости, газах и твердых веществах). Поперечные волны – волны сдвига. Частицы материала колеблются поперек распространения волны. Поэтому они распространяются только в металле. Поверхностные волны распространяются в тонких поверхностных слоях контролируемого объекта, а нормальные волны распространяются в пластинах (волноводный эффект).

При использовании продольной волны могут выявляться дефекты, расположенные в горизонтальной плоскости. При использовании поперечных волн выявляются дефекты, расположенные в вертикальной плоскости. При этом продольными и поперечными волнами контролируют изделия значительной толщины - в несколько раз больше длины волны. При использовании поверхностных волн выявляются дефекты в поверхностном слое (подповерхностные дефекты). Нормальные волны выявляют дефекты тонкостенных конструкций (листы, оболочки толщиной, соизмеримой с длиной акустической волны).

В процессе прохождения акустической волны через контролируемый объект звуковая энергия поглощается и рассеивается и амплитуда волны уменьшается. С увеличением размеров зерна в объекте рассеивание увеличивается за счет многократных отражений от границ зерен.

При переходе упругой волны из одной среды в другую наблюдается частичное отражение упругой волны. При встрече с границей дефекта акустическая волна также отражается от поверхности, причем наибольшее отражение наблюдается от дефектов газового происхождения, так как газовые несплошности отличны по своим акустическим свойствам от целого металла. Чем выше частота, тем меньше длина упругих волн в контролируемом объекте и тем лучше условия для отражения от их дефектов

Методы акустического контроля по особенностям возбуждения упругих волн разделяют на две группы: 1) активные методы; 2) пассивные методы.

Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, а пассивныетолько на приеме упругих волн, источником которых является контролируемый объект.

К активным методам относятся ультразвуковые и импедансные методы. К пассивным методам относят метод акустической эмиссии, когда сам контролируемый объект вызывает возбуждение (эмиссию) акустических волн в результате внутренней локальной перестройки структуры материала, возникновения и развития микротрещин под действием внешней нагрузки. В каждой из групп можно выделить методы, основанные на возникновении в контролируемом объекте бегущих и стоячих волн.

По частотному принципу акустические методы разделяют на низкочастотные с частотой до 20 кГц и высокочастотные с частотой от 20 кГц до 20 МГц. К высокочастотным методам относят ультразвуковые методы, используемые в дефектоскопии и толщинометрии. Наиболее рационален ультразвуковой контроль изделий простой формы больших размеров и имеющих плоскостные дефекты. Для этого используют как непрерывное, так и импульсное излучение.

Ультразвуковые методы по способу обнаружения дефектов разделяют на теневой, зеркально-теневой и эхо-метод.

Теневой метод (метод сквозного прозвучивания) используют для контроля дефектов, находящихся в горизонтальной плоскости в тонких слоистых и паяных контрукциях. Метод основан на регистрации уменьшения амплитуды от приемного преобразователя вследствие наличия несплошности на пути упругой волны. При этом применяют два преобразователя, находящихся с двух сторон контролируемого объекта. Анализ дефектов осуществляют по амплитуде сигналов от приемного преобразователя на экране электроннолучевой трубки в режиме постоянного прозвучивания.

Перемещая преобразователи по объекту, фиксируют дефект. Метод используется для контроля плоских конструкций, имеющих двусторонний доступ.

Зеркально-теневой метод является разновидностью теневого метода и используется для выявления дефектов, расположенных в горизонтальной и вертикальной плоскости. Метод основан на регистрации уменьшения амплитуды упругой волны, отраженной от противоположной поверхности контролируемого объекта в режиме постоянного прозвучивания.

Принцип фиксирования дефекта такой же как в теневом методе. Преимущество метода заключается в том, что излучающий и приемный преобразователи располагаются с одной стороны контролируемого объекта, что облегчает контроль, например, непроваров в корне шва. К тому же можно определить место расположения дефекта.

Эхо-метод (эхо-импульсный). Метод основан на отражении упругой волны от дефекта. В отличие от теневого и зеркально-теневого методов используется один преобразователь, работающий в режиме импульсного прозвучивания. Упругая волна отражается от дефекта и возвращается обратно в преобразователь.

Этот метод имеет наибольшее применение, в том числе и при сварке, так как является наиболее чувствительным. Выявляются дефекты, располагающиеся в разных плоскостях. Признаком дефекта является появление импульса от дефекта на экране электронно-лучевой трубки. Чем больше размеры дефекта, тем больше амплитуда отраженной волны. Размеры дефекта будут влиять на выбор частоты упругой волны. Чем меньше размеры дефекта, тем больше должна быть частота (меньше длина) волны.

Ультразвуковые методы имеют наибольшую чувствительность при контроле плоскостных дефектов (непровары, расслоения, непропаи), расположенных перпендикулярно направлению прозвучивания.

Ультразвуковые преобразователи разделяют на следующие типы:

1. Прямые преобразователи. Они излучают продольные волны и используются для контроля дефектов, расположенных в горизонтальной плоскости.

2. Наклонные преобразователи. Они излучают поперечные волны и используют для контроля дефектов, расположенных в различных плоскостях. Контролируемый объект прозвучивают под углом, причем угол ввода колебаний является постоянным для конкретного типа преобразователя.

Общим недостатком этих двух типов преобразователей является наличие мертвой зоны (расстояние от поверхности объекта до дефекта, при котором приемный сигнал совпадает с излучающим). В связи с наличием мертвой зоны (1-2 мм) использование методов ультразвукового контроля является малоэффективным для тонкостенных конструкций при использовании прямых и наклонных преобразователей.

3. Раздельно - совмещенные прямые и наклонные преобразователи (РC). Оба преобразователя находятся в одном корпусе, но электрически разъединены (тип «Дуэт»).

Такие преобразователи используются при контроле дефектов в тонколистовых конструкциях с толщиной стенки 2,5-6 мм, выполненных сваркой плавлением, точечной контактной сваркой и пайкой, а также в толщинометрии. Преобразователи подключают к ультразвуковым дефектоскопам, обеспечивающим индикацию сигналов на экране ЭЛТ. Для создания акустического контакта преобразователя с контролируемым объектом его поверхность не должна иметь выступов и впадин и покрывается слом контактной смазки.

С использованием перечисленных преобразователей контроль сварных швов осуществляется путем перемещения (сканирования) преобразователем вдоль или поперек сварного шва. Оператор наблюдает на экран монитора импульсы от дефекта и может определить размеры дефекта и координаты его расположения.

При перемещении преобразователя вдоль шва определяют длину дефекта (трещины). При перемещении преобразователя поперек шва определяют высоту дефекта (трещины).

Размер одиночных дефектов, например, пор, определяют по величине импульса от дефекта. При толщине шва 3-10 мм чувствительность ультразвуковых методов по площади составляет 1-2 мм².

Разработан вариант бесконтактного электромагнитного акустического преобразователя, но он не получил широко распространения.

В последние годы созданы специализированные ультразвуковыепреобразователи с фазированной решеткой. Это линейные и хордовые преобразователи, имеющие большую группу пьезоэлементов, расположенные в одном корпусе и имеющие возможность прозвучивать контролируемый объект под разными углами. Присоединение преобразователя к компьютеру позволяет получить трехмерное изображение контролируемого объекта и определить размеры дефекта и его координаты без механического перемещения преобразователя или с перемещением только вдоль протяженных швов. Хордовые фокусирующие преобразователи позволяют выявлять объемные дефекты диаметром 0,1 мм и более.

Преобразователь с фазированной решеткой можно сравнить с большим одноэлементным преобразователем, активная площадь которого разделена на малые элементы. Угол ввода волны может быть изменен в каждом периоде повторения импульсов. Такой преобразователь воспроизводит возможности нескольких обычных преобразователей. Их рационально использовать в установках полуавтоматизированного и автоматизированного контроля со скоростью контроля до 2 м/с. Дефектоскопы имеют возможность результаты контроля распечатать в идее таблицы на стандартный лист бумаги с пояснениями по рас шифровке результатов.

Разработаны малогабаритные ультразвуковые дефектоскопы для подводного контроля качества сварных соединений подводных участков магистральных трубопроводов с глубиной погружения до 60 м.

При контроле многослойных сварных и паяных конструкций, например, сотовых панелей используют импедансный(impedance – англ. препятствие)метод. Он основан на измерении механического сопротивления (импеданса) дефектного участка контролируемого изделия в точке его контакта с преобразователем. Дефекты (расслоения, непропаи) между тонкой обшивкой и элементом жёсткости ослабляют механическую связь соединяемых элементов и изменяют акустический импеданс дефектного участка изделия.

Изменение импеданса может быть обнаружено по изменению амплитуды силы реакции объекта, действующей на акустический преобразователь.

При контроле крупногабаритных, например, сотовых конструкций используется автоматизированный метод индикации дефектас фиксацией результатов контроля на электропроводящей бумаге. Электрический сигнал, полученный от преобразователя, подается на записывающее устройство, имеющее электрод и электропроводящую бумагу. При перемещении преобразователя по изделию синхронно в определенном масштабе электрод перемещается над электропроводящей бумагой. При появлении электрического сигнала от дефекта между электродом и бумагой пропускается ток и за счёт выделения тепла происходит обугливание поверхностного слоя бумаги с фиксацией черного следа (линии). В бездефектной зоне ток мал, обугливание не происходит и линия на бумаге не фиксируется. Размеры пятна (зона, где отсутствуют линии) будет определять размеры дефекта в соответствующем масштабе.

К пассивным методам акустического контроля относят акустико-эмиссионный метод (метод акустической эмиссии). Он основан на том, что упругая волна возникает в контролируемом объекте в результате локальной перестройки структуры материала из-за внешнего воздействия (пластической деформации, расплавления или кристаллизации). Возникновение волн акустической эмиссии фиксируется акустическим преобразователем. Метод может быть использован при изучении разрушения контролируемого объекта и развития микротрещины в макротрещину при усталостных испытаниях.

Кроме дефектоскопии методы акустического контроля используются при измерении толщины изделия, исследования структуры и свойств материала. Для измерения толщины контролируемого объекта используется резонансный и эхо-метод. В эхо-методе контроль толщины основан на определении интервала времени между зондирующим и отраженным импульсом (отражение происходит от обратной поверхности контролируемого объекта): , где - время между импульсами; - скорость распространения акустической волны.

Резонансный метод основан на возбуждении в контролируемом объекте постоянной толщины (листы, трубы) стоячей волны. При изменении частоты упругих колебаний добиваются явления резонанса, при котором обеспечивается наибольшая амплитуда сигнала. Частота, при которой возникает стоячая волна зависит от толщины объекта и скорости распространения акустической волны. По фиксированию момента установления резонанса определяют толщину объекта (ультразвуковые толщиномеры). Созданы механизированные ультразвуковые кроулеры (автоматизированные устройства) для измерения толщины стенок труб, резервуаров и др.

При оценке структуры материала (структуроскопия) и в частности размеров зерна используют явление рассеяния энергии на границе зерна. Структуру материала оценивают путем сопоставления данных, полученных при контроле изделия, и стандартного образца с известной средней величиной зерна. Чем больше величина зерна, тем больше потеря энергии и меньше амплитуда сигнала. Приборы для контроля размера зерна называют ультразвуковыми структуроскопами. Используя акустические методы, можно определить и механические свойства, например, твердость материала.

Контрольные вопросы. Темы № 8-9

1. Что понимают под видом неразрушающего контроля? Приведите 10 видов неразрушающего контроля. По какому принципу разделяют методы неразрушающего контроля?

2. Объясните сущность радиационного контроля. Приведите его принципиальную схему. Приведите индикаторные устройства и объясните цели их использования

3. Приведите и объясните виды ионизирующих излучений. Объясните особенности рентгеновских и гамма-лучей

4. Приведите и объясните электронные источники ионизирующих излучений. Приведите схему рентгеновского аппарата. Объясните радиоизотопные источники ионизирующих излкчений. Что такое период полураспада? Приведите схему и объясните конструктивные особенности гамма-дефектоскопов. Что такое кроулеры? Что такое ядерные реакторы?

5. Объясните классификацию и цели методов радиационного контроля. Объясните особенности пленочного метода радиографического контроля. Что и как определяют по рентгеновским снимкам? Что такое негатоскоп?

6. Объясните преимущества и недостатки пленочного метода. Объясните сущность и технологию электрорадиографического метода. Объясните преимущества и недостатки электрорадиографического метода

7. Объясните сущность радиоскопического контроля. Приведите схему радиоскопического метода. Что такое ЭОП? Объясните сущность ренгенотелевизионного метода. Что такое рентгеновидикон и рентгенотелевизионная установка. ОбъЯсните цель использования рентгенотелевизионного микроскопа. Объясните преимущества радиоскопического метода

8. Объясните сущность радиометрического контроля. Приведите схему радиометрического метода. Приведите схемы электронных счетчиков импульсов и ионизационных камер и объясните их работу

9. Объясните сущность томографии. Приведите схему метода

10. Объясните сущность акустического контроля. Приведите схему акустического метода. Приведите схему и объясните, что такое пьезоэлемент? Что такое обратный и прямой пьезоэффект?

11. Приведите формулу, связывающую скорость, частоту и длину упругой волны. Приведите и объясните типы акустических волн. Какие дефекты выявляют?

12. Приведите рисунки и объясните особенности прохождения акустических волн через объект и отражения их от дефекта

13. Приведите и объясните классификацию методов акустического контроля по особенностям возбуждения упругих волн и по частоте. Что такое ультразвуковые методы? Как разделяют ультразвуковые методы?

14. Объясните сущность теневого метода. Приведите схему и объясните особенности теневого метода

15. Объясните сущность зеркально-теневого метода. Приведите схему и объясните особенности зеркально-теневого метода

16. Объясните сущность эхо метода. Приведите схему и объясните особенности эхо метода

17. Приведите схему и объясните особенности прямого типа ультразвуковых преобразователей. Приведите схему и объясните особенности использования наклонного типа ультразвуковых преобразователей. Объясните общий недостаток этих преобразователей

18. Приведите схему и объясните особенности РС тип ультразвуковых преобразователей. Как создают акустический контакт? Как осуществляют сканирование ультразвуковым преобразователем?

19. Приведите рисунки и объясните, как определяют размеры дефектов в ультразвуковой дефектоскопии?

20. Приведите схему и объясните особенности конструкции преобразователя с фазированной решеткой. В каком случае целесообразно использовать эти преобразователи?

21. Объясните сущность импедансного метода. Приведите схему импедансного метода. Приведите рисунки многослойных конструкций, контролируемых импедансным методом. Приведите рисунок и объясните метод автоматизированной индикации дефекта

22. Объясните сущность метода акустической эмиссии. Приведите схему метода акустической эмиссии. Объясните область применения метода. Объясните сущность методов ультразвуковой толщинометрии. Объясните особенности акустических методов контроля структуры и свойств материала