Воробьев E.A. Теория ультразвуковых колебаний как основа построения и применения технических средств получения информации

Подождите немного. Документ загружается.

В обоих случаях возможно использование как непрерывного, так и

импульсного излучения, а также модуляция основной ультразвуковой

частоты низкими частотами.

Рассмотрим основные активные ультразвуковые методы.

Теневой метод основан на уменьшении амплитуды (мощности или

энергии) прошедшей волны под влиянием дефекта. Как видно из рис. 4,

наличие дефекта в ОК в зоне излучения уменьшает сигнал, попадаю-

щий в приемник. При этом уменьшение принимаемой энергии (т. е.

образование “тени” от дефекта) может происходить по двум причинам:

как за счет отражений от дефекта, так и за счет поглощения части энер-

гии акустического излучения самим дефектом.

Временной теневой метод основан на измерении времени запазды-

вания зондирующего импульса при его огибании или прохождении де-

фекта; дефект при этом не должен иметь значительных акустических

потерь.

Структура используемой при этом

аппаратуры та же, что и при классическом

теневом методе (рис. 4), но отличие – в не-

обходимости измерения приборной частью

разности времени прохождения зондиру-

ющим импульсом бездефектной области

и области ОК с дефектом.

В активных методах работы на отра-

жение используется как один, так и два

пьезопреобразователя, и импульсный ре-

жим работы. Имеются следующие актив-

ные методы работы на отражение.

Эхо-метод регистрирует эхо-сигналы,

отраженные от дефекта. Это простейший

вариант работы на отражение, но регист-

рирующая эхо-сигналы электронная аппа-

ратура, должна быть способна разделять

эхо-сигналы, отраженные от дефекта и от

донной поверхности ОК (рис. 5).

Эхо-зеркальный метод используется

для обнаружения дефектов, ориентиро-

ванных вертикально к поверхности, на

которой ведется контроль. В отличие от

Рис. 4

Излучатель

Дефект

ОК

Приемник

Рис. 5

Излучатель и

приемник

Дефект

ОК

эхо-метода этот метод более сложен технически: необходимо иметь уст-

ройства ввода в ОК и съема ультразвуковых колебаний под постоянным

углом к поверхностям ОК (рис. 6), а также устройство синхронного пе-

ремещения обоих пьезопреобразователей А и Б по поверхностям ОК.

Заметим, что в эхо-зеркальном методе пьезопреобразователи разме-

щаются по разные стороны от ОК (рис. 6). Отраженный сигнал, но бо-

лее слабый, будет приниматься преобразователем Б, размещенным ря-

дом с излучающим преобразователем А.

Реверберационный метод предназначен для контроля сложных конст-

рукций изделий, состоящих из различных материалов, имеющих неодина-

ковые значения акустических сопротивлений, а главное – неодинаковые

коэффициенты затухания ультразвуковых колебаний. Это активный метод

контроля качества, физическая сущность которого состоит в определе-

нии длительности и интенсивности многократного переотраженных в

ОК ультразвуковых колебаний.

Например, длительность и интенсивность реверберации будет воз-

растать, если в ОК имеется дефект в виде воздушного зазора (расслое-

ния), и реверберация будет гаситься в бездефектном изделии, состоя-

щем из слоев материала со значительными акустическими потерями.

Существует ряд активных методов, в которых одновременно исполь-

зуются принципы как прохождения, так и отражения ультразвука. К ним

относятся следующие методы.

Зеркально-теневой метод, основанный на измерении “донного” сиг-

нала, отраженного от противоположной поверхности ОК. Он позволяет

Рис. 6

Излучатель

Приемник

ОК

Дефект

фиксировать относительное ослабление сигнала, дважды прошедшего в

прямом и обратном направлении дефектную и бездефектную области ОК.

Эхо-теневой метод основан на измерении и сравнительном анали-

зе, как прошедших дефекты, так и отраженных от дефектов ультразву-

ковых сигналов.

В эхо-сквозном методе фиксируется сквозной сигнал, однократно

прошедший ОК и многократно отраженный от противоположной по-

верхности. Метод обладает повышенной чувствительностью, так как

многократно прошедший дефект сигнал, ощутимо изменяется по своей

интенсивности, что и упрощает его сравнение со сквозным сигналом.

Техническая реализация этого метода весьма сложна.

Среди всех активных методов ультразвуковой дефектоскопии ориги-

нальным оказывается импедансный метод, основанный на измерениях

“механического импеданса” участка поверхности ОК, с которым взаи-

модействует пьезопреобразователь.

Об изменении импеданса судят по характеристикам колебаний пре-

образователя: частоте, амплитуде, фазе.

Как правило, в импедансных дефектоскопах преобразователь имеет

форму стержня, массивность стержня ограничивает реализацию этого

метода на ультразвуковых частотах (рис. 7). Понятно, что вносимый в

колеблющийся стержень “механический импеданс” – есть реакция не-

большой области ОК. Поэтому импедансный метод применяют только

для контроля качества поверхностного слоя и для обнаружения дефек-

тов, прилегающих к поверхности ОК.

Отметим определенную схожесть метода “механического импедан-

са” по принципу действия с вихретоковым методом, при котором в

Рис. 7

Генератор звука

Индикатор

Колеблющийся

стержень

Дефект

ОК

электрический контур, накладываемый на поверхность ОК, вносится

проводящей поверхностью омическое сопротивление за счет чего и кон-

тролируется ее качество.

К активным методам контроля относятся также методы, основанные

на использовании стоячих акустических волн в ОК, если ОК возбужда-

ется целиком, то это интегральный метод. Если же ОК возбуждается

частично, то это локальный метод. При этом внешнее возбуждение как

при интегральном, так и при локальном методах может быть “свобод-

ным” (например, за счет механического удара) и тогда в ОК возникают

свободные колебания, определяемые его механическими свойствами; или

вынужденные, т. е. воздействием “гармонической силы”, интенсивность

и частота которой могут изменяться.

Состояние ОК оценивается по собственной частоте свободных коле-

баний, либо по резонансным вынужденных колебаний. На использова-

нии стоячих волн в ОК основаны следующие активные методы.

Методы свободных колебаний

При применении локального метода свободных колебаний в ОК воз-

буждаются колебания с помощью удара механического вибратора и ана-

лизируется спектр возбужденных частот.

В дефектных областях ОК спектр собственных колебаний, как пра-

вило, смещается в высокочастотную область. Этим же методом контро-

лируются отдельные участки стенок изделий, которые после внешнего

механического воздействия продолжают колебаться в свободном режи-

ме. По частоте этих колебаний с высокой точностью измеряют геомет-

рическую толщину контролируемого участка стенки, а по уходу часто-

ты – отклонения по толщине и наличие дефектов в материале стенки.

В интегральном методе посредством ударов возбуждаются свобод-

ные вибрации во всем объеме ОК, а результаты спектрального анализа

и его сравнение со спектром эталонного изделия, позволяют сделать

заключение о том, – годное оно или бракованное.

Методы вынужденных колебаний.

Локальный резонансный метод

Эти методы обычно применяются для контроля тонкостенных изде-

лий. На контролируемом участке стенки с помощью пьезопреобразова-

теля возбуждают ультразвуковые волны. Модулируют частоту вынуж-

денных колебаний и фиксируют частоты, на которых возникают акус-

тические резонансы (т. е. когда по толщине стенки укладывается целое

число полуволн ультразвука). По резонансным частотам определяют

толщину стенки, а дефекты в стенке фиксируют по резкому изменению

“измеряемой” толщины, или по пропаданию резонанса.

Интегральный резонансный метод применяется для определения

модулей упругости материала по резонансным частотам продольных,

изгибных или крутильных колебаний образцов простой геометрической

формы. Появление дефектов или изменение свойств материалов опре-

деляется по отклонениям резонансных частот образцов. Понятно, что

возможны различные модификации и комбинации активных методов

акустического контроля – все определяется конкретными техническими

задачами, которые необходимо решить.

Пассивные акустические методы.

Метод акустической эмиссии

Этот метод основан на фиксации акустических колебаний, возника-

ющих в материале ОК в результате локальных динамических перегру-

зок или в результате локальных изменений структуры материала под

влиянием, например, термообработки или полимеризации.

Кроме того, наиболее характерными источниками акустической эмис-

сии – это возникновение и развитие трещин, движение дислокаций и т. п.

Поэтому метод акустической эмиссии чаще всего применяется для

контроля качества высокопрочных изделий, находящихся в процессе

изготовления. Контактирующие с ОК пьезопреобразователи, работаю-

щие на прием, воспринимают собственные упругие колебания ОК и

позволяют установить источники эмиссии в ОК, и, если это необходи-

мо, то и скорректировать технологический процесс его изготовления.

Вибрационно-диагностический и шумодиагностический методы

В первом пассивном методе анализируются параметры вибраций из-

делий или отдельные узлы с помощью специальной вибродиагности-

ческой аппаратуры. Типовая структура этой аппаратуры такая: пьезоп-

реобразователь, работающий на прием, усилитель, анализатор, записы-

вающее устройство. По результатам измерений и диагностируется ОК

по интересующим признакам качества.

Во втором, т. е. в шумодиагностическом методе, анализируется спектр

шумов, образующихся при работе ОК (например, двигателя внутренне-

го сгорания), и устанавливаются возможные отклонения от режима нор-

мальной работы. Здесь структура применяемой акустической аппарату-

ры та же, что и в первом методе.

Оба пассивных метода – вибрационно-диагностический и шумоди-

агностический относятся к низкочастотным, так как вибрации и шумы

– это звуковые низкочастотные колебания.

В заключение раздела следует сказать, что акустические методы и

аппаратура их реализующая, базируются на теории ультразвуковых ко-

лебаний. В полном смысле можно утверждать, что теория звуковых ко-

лебаний – это основа построения и применения акустических средств

получения информации. Теория ультразвуковых колебаний в виде ее

основных выводов и рекомендаций позволяет находить оптимизирован-

ные методики применения акустических средств измерений, обеспечи-

вающих их повышенную точность и эффективность.

8. ФИЗИЧЕСКИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ПРИМЕНЯЕМОСТИ

УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МЕТОДОВ И

АКУСТИЧЕСКОЙ

АППАРАТУРЫ

Создается мнение, что акустические методы, аппаратура контроля и

диагностики всегда применимы. Это не так. Следует различать два ис-

точника или вида физических ограничений, принципиально отличаю-

щихся друг от друга.

Во-первых, существуют физические ограничения, обусловленные

собственно свойствами звуковых и ультразвуковых волн, существую-

щих в материальных средах.

Во-вторых, – это ограничения, также физические, но связанные с

невозможностью использования акустической аппаратуры в определен-

ных эксплуатационных условиях, или для конкретных целей.

Оба эти источника физических ограничений, конечно, в определен-

ном смысле связаны между собою, и свойства звуковых и ультразвуко-

вых колебаний предопределяют в определенной степени технические

возможности акустической аппаратуры. Для наглядности рассмотрим

все же два источника физических ограничений раздельно.

Источники физических ограничений, обусловленные собственно

акустическим полем и волнами

Здесь существуют несколько источников, ограничивающих приме-

нение звуковых и ультразвуковых волн для измерений, контроля и де-

фектоскопии.

Первое ограничение – это затухание (Нп/м, дБ/м) акустических волн

в различных средах и материалах. В табл. 1 приведены предельные даль-

ности распространения в некоторых средах и материалах акустических

волн различных диапазонов, где

– имеем дело с нерасходящимися пучками энергии (как в модели

рис. 1);

– на указанных предельных дальностях получаем “пороговую” силу

звука, Вт/м

;

– акустическая мощность источника звука и ультразвука предельно

возможные для соответствующего диапазона.

Таблица 1

f, кГц

10 20 30 100 500 1000

Воздух, м 220 55 24 2,20 0,088 0,022

Вода, км 400 100 44 4 0,16 0,04

Резины и пластические

материалы, см

1–100 1–20 ~1 0 0 0

Понятно, что приводимые в табл. 1 данные весьма приближенные,

но все же можно говорить о том, какой из акустических диапазонов,

например, приемлем для использования в гидролокации, для связи в

воздухе или для дефектоскопии материалов и изделий.

Большие возможности существуют для использования звуковых и

ультразвуковых колебаний при дефектоскопии металлических материа-

лов и изделий, как более акустически “упругие” и, следовательно, име-

ющие пониженные значения коэффициентов затухания.

Второе ограничение – это предельные акустические мощности генера-

торов звуковых и ультразвуковых колебаний. Эти предельные акустичес-

кие мощности для различных акустических диапазонов резко отличаются.

Физически это объясняется механикой генерации звука и ультразвука.

При генерации имеем дело с механическими колебаниями матери-

ального элемента (например, пластины пьезоматериала) и при переходе

в более высокочастотный диапазон масса и размеры генератора (т. е.

той же пьезопластины) должны быть уменьшены. В свою очередь, это

означает, что и снимаемая акустическая мощность, будет падать.

Кроме того, с увеличением частоты генерируемого звука или ультра-

звука уменьшается КПД генератора любого типа, что приводит неиз-

бежно к нагреву последних, а значительный нагрев – это переход точки

Кюри, и вообще тепловое разрушение генератора.

Такую же закономерность наблюдаем и в радиотехнике – чем боль-

ше частота генерируемых электромагнитных волн, тем меньше КПД ге-

нераторов и меньше снимаемая с них мощность.

Третье ограничение – это рассеяние звуковых и ультразвуковых волн,

которое имеет две причины.

Первая причина – пространственное рассеяние состоит в том, что не

могут в принципе существовать плоские акустические волны. Даже

первоначально сфокусированные акустические пучки обязательно рас-

ходятся за счет возмущения ими окружающей среды.

Ту же закономерность прослеживаем и при распространении радио-

волн, но уже электромагнитное возмещение окружающей среды приво-

дит к пространственному расхождению излучения у остронаправлен-

ных антенн и лазеров.

Вторая причина – диффузное рассеяние акустического излучения

внутри твердых материалов и на их поверхностях (его не следует пу-

тать с затуханием в материалах!). Диффузное рассеяние возникает, ког-

да поверхность материала и внутренний объем материала по своим аку-

стическим свойствам неоднороден, причем когда элементарные объемы

таких неоднородностей оказываются соизмеримы с длиной волны акус-

тического излучения.

Диффузное рассеяние возможно в композиционных материалах, и

вообще в материалах, имеющих крупнозернистую структуру.

Поверхностное диффузное рассеяние затрудняет ввод в ОК звуковой

и ультразвуковой энергии, так как ее значительная часть может быть

рассеянной во внешнюю среду неоднородной (или шероховатой) по-

верхностью ОК.

Внутреннее диффузное рассеяние на малоразмерных объемах, нео-

днородностях исследуемого материала экранизирует даже крупнораз-

мерные дефекты, затрудняя их обнаружение.

Четвертое физическое ограничение – температурное состояние сре-

ды, исследуемого материала или изделия.

Как было показано ранее, в теоретической части настоящего учебно-

го пособия, существует жесткая зависимость между характеристиками

распространения звуковых и ультразвуковых волн от температуры сре-

ды, где они распространяются.

Высокая и неоднородная температура по объему ОК искажает основ-

ные характеристики акустического поля и приводит к неоднозначности

результатов измерений.

Кроме того, высокая температура жидкостей и твердых тел всегда

характеризуется большей их внутренней “тепловой” подвижностью,

что обязательно увеличивает и внутреннее диффузное рассеяние, а глав-

ное – затухание звуковых и ультразвуковых волн.

В результате применение акустических средств контроля и дефек-

тоскопии оказывается бессмысленным.

Физико-технические ограничения применяемости

акустических средств контроля и дефектоскопии

Здесь сталкиваемся с несколькими физико-техническими ограниче-

ниями; рассмотрим основные из них.

Первое ограничение – это невозможность по месту и времени совме-

стить операции контроля и дефектоскопии с технологическими процес-

сами изготовления ответственных изделий аэрокосмической техники.

Здесь речь идет о механообработке, которой сопутствуют значительные

шумы и вибрации, или, например, о термообработке (горячей формов-

ке изделий, находящихся в формах).

Второе ограничение – это невозможность работы контрольной акус-

тической аппаратуры, если датчики-преобразователи оказываются в аг-

рессивной среде, нарушающей работу последних или разрушающих их.

Третье ограничение – это физическая температура ОК, превышаю-

щая точку Кюри пьезопреобразователей, что характерно для дефектос-

копии изделий не остывших после термообработки (например, листов

металлопроката), или специально нагреваемых.

Четвертое ограничение – это состояние поверхностей ОК, т. е. зна-

чительные неровности или большая их кривизна, исключающие устой-

чивую фиксацию датчиков-преобразователей и, следовательно, приво-

дящие к неоднозначности, или к недопустимым погрешностям измере-

ний.

Пятое ограничение – это движение ОК со скоростью соизмеримой

со скоростью распространения звука в них. Как видно, из вышеприве-

денного обзора существующих акустических методов контроля и де-

фектоскопии, – все они стационарны в том смысле, что требуют опре-

деленного времени фиксации датчиков-преобразователей на ОК. Это

минимальное время фиксации в общем случае определяется: временем

излучения ультразвукового импульса, временем интерференционных про-

цессов в ОК, временем фиксации информативного сигнала и временем

его записи. Поэтому ультразвуковой контроль и дефектоскопия практи-

чески невозможны, если ОК движется поступательно, или вращается

со значительной скоростью.

Шестое ограничение – значительные потери звуковой энергии в ОК.

Это ограничение характерно для определенных материалов и изделий