Лекция 25. Конструкция акустических преобразователей Известно два основных типа акустических преобразователей: прямой и наклонный. 1. Прямой создает продольные волны. 1 – пьезоэлемент толщина δ=0, 16 -1, 6 мм, f = 1 -10 МГц; 2 – защитная пластина (из оргстекла); 3 – демпфер из текстолита служит для гашения собственных колебаний пьезоэлемента; 4 – эпоксидный компаунд; 5 – корпус; 6 – система подвода и снятия электрических импульсов. Демпфер изготавливают из стеклотекстолита на основе эпоксидной смолы с порошком вольфрама для того, чтобы импеданс его был близок к импедансу пьезоэлемента. Принципы работы: при подаче электрического сигнала пьезоэлемент начинает совершать механические колебания, которые в виде акустической волны передаются объекту контроля. После затухания собственных колебаний пьезоэлемента и возвращения акустической волны, отраженной от дефекта или дна объекта контроля, пьезоэлемент начинает совершать механические колебания, что приводит к появлению на ее поверхности электрического заряда, который передается на записывающую аппаратуру.
2. Наклонный преобразователь Служит для создания сдвиговых и поверхностных волн. Угол наклона призмы между первым и вторым критическим, но на 2 ÷ 30 отличается, что бы не возникали другие типы волн. Поверхность призмы изготавливается шероховатой для увеличения поглощения, рассеивания волн и для исключения образования паразитной волны, которая может войти в объект контроля и помешать приему полезного сигнала. Способы повышения глубины обнаружения дефектов. Для обеспечения максимальной глубины обнаружения дефектов необходимо вводить в объект контроля акустическую волну максимальной амплитуды и с минимальным расширяющимся фронтом. 1 – прямой преобразователь; 2 – призма из оргстекла; 3 – поверхность призмы. D – диаметр пьезоэлемента; δ – толщина пьезоэлемента; l 0 – участок прямолинейного распространения сигнала; θ – угол расхождения сигнала. Максимальная амплитуда наблюдается в условиях резонанса, т. е. при совпадении частот подаваемого сигнала (частоты электрического сигнала и механических колебаний, соответственно) с собственной частотой резонансных колебаний пьезоэлемента Толщина пьезоэлемента обычно составляет от 0, 16 – 1, 6 мм.
При прохождении упругих колебаний сквозь изделие наблюдается из затухание вследствие: ØРасширения фронта волны (δр); ØЭнергетических потерь (δп). Надо стремиться, что бы l 0 → max и θ→ min. Этого можно добиться: Ø Увеличивая D, но тогда уменьшается чувствительность метода, т. к. при большом D сложно обнаружить небольшой дефект. ØУменьшая λ, чем меньше длина волны – тем больше должна быть частота. Но при этом возрастает затухание сигнала (потери на тепло). Желательно использовать частоты, при которых колебания пьезоэлемента переходит в резонансные колебания. Поэтому для полимеров и композиционных материалов используют частоты 0, 1 – 1 МГц, а для металлов 1 – 10 МГц.
Мертвая зона. Существенным недостатком прямых преобразователей в эхо методах, и его разновидностях, является наличие мертвой зоны – это слой материала объекта контроля, в котором обнаружение дефектов невозможно. Величина мертвой зоны определяется по формуле: М - «Мертвая зона» Где: М - толщина мертвой зоны, с – скорость звука, tи – длительность импульса (время вынужденных колебаний), tп – длительность переходного процесса (время собственных колебаний пьезоэлемента). Мертвая зона определяет длину пути до дефекта и обратно, который проходит акустическая волна, в течение времени пока пьезоэлемент совершает вынужденные и собственные колебания и не готов к приему согнала, отраженного дефектом. Размер мертвой зоны может достигать 30 мм при толщине материалов изделий несколько миллиметров (обшивки).
Способы уменьшения мертвой зоны: Ø Ø Ø а Использование сдвиговых волн. Использование более высоких частот (уменьшает tи). Использование массивных демпферов (уменьшает tп). Использование задержек, которые устанавливаются на преобразователе. Использование раздельно-совмещенных преобразователей. Это третий тип преобразователей. Угол взаимного наклона главных осей составляет около 100. Используют продольные волны, а в случае поперечных – они имеют небольшую амплитуду. б Задержка – 1. Схемы конструкций тандем (а); дуэт (б). Преобразователи помещают в одном корпусе, но они разделены электрическим и акустически экраном. В случае головных волн используют только раздельно-совмещенные преобразователи, т. к. большие шумы при головных волнах забивают полезный сигнал. 4. Четвертый тип акустических преобразователей – иммерсионный, который погружают в жидкую среду. В них гидроизолируют пьезоэлемент. 5. Широкозахватные; 6. Широкополосные; 7. Фокусирующие; 8. Веерные; 9. Щелевые; 10. С переменным углом ввода и т. д.
Способы обеспечения акустического контакта Преимуществом пьезоэлектрической системы излучения и приема акустических волн является высокая эффективность и малые габариты преобразователей. Основной недостаток заключается в больших потерях энергии сигнала при передаче его от преобразователя к объекту контроля изза наличия границы раздела фаз. Потери энергии на границе резко уменьшают глубину обнаружения дефектов. Где: f – частота; А – амплитуда сигнала; ρ – плотность материала; с – скорость звука. импеданс (волновое сопротивление) Из формулы следует, что для обеспечения максимальной глубины обнаружения дефектов желательно, чтобы акустический импеданс объекта контроля был максимальным. Ниже в таблице рассматриваются акустические характеристики некоторых материалов и сред, которые используются в акустическом контроле.
Акустические характеристики некоторых материалов Спр Ссдв Спов Волновое сопротивлен ие Па/с 2 3 4 5 6 Сталь 7, 8 5900 3250 3090 46, 2 Титанат бария 6, 2 5600 3080 2930 34 Оргстекло 1, 18 2700 1490 1410 3, 1 Эпоксидная смола (отв) 1, 2 2500 1380 1310 2, 8 1, 9 2800÷ 3700* 1540÷ 2040* 1460÷ 1930* 8÷ 10 1 1490 × × 1, 49 1, 3∙ 10 -3 331 × × 0, 00043 Скорость распространения волны, м/с Вещество 1 Стеклотекстолит Вода Воздух ρ г/cм 3 *Вдоль основы и утка ткани. Из таблицы можно сделать вывод, что акустический импеданс резко отличается для твердых тел, жидкостей, а для газов меньше, чем у твердых тел, на несколько порядков. Это необходимо учитывать при вводе упругих колебаний в изделие, т. к. в случае больших различий в значениях акустических импедансов сред наблюдается отражение сигналов на границе раздела сред. Необходимо добиться, чтобы интенсивность отраженного сигнала была минимальной.
Необходимо, что бы коэффициент отражения стремился к нулю: Из формулы видно, что необходимо, что бы импедансы сред были близки. Но импеданс воздушной среды и твердого вещества различаются в 6000 – 10000 раз. Кроме того, в ПКМ поверхность, как правило, шероховатая, из-за различной усадки матрицы и волокнистого наполнителя. Поэтому между преобразователем и объектом контроля, как правило, существует воздушная прослойка, что резко снижает интенсивность вводимого сигнала и глубину обнаруживаемых дефектов. Поэтому необходимо между преобразователем и объектом контроля поместить среду с акустическим импедансом большим чем у воздуха и близким по значению к наблюдаемым у полимерных материалов.
Существуют следующие способы обеспечения акустического контакта: ØСухой точечный; ØКонтактный через слой жидкости; ØСтруйный щелевой; ØИммерсионный; ØС помощью эластичного элемента. 1. Сухой – точечный. Используется полированная металлическая полусфера в качестве наконечника пьезоэлемента. Рабочие частоты f до 100 к. Гц. Направленность акустических волн – сферическая. Сухой - точечный способ обеспечения акустического контакта 2. Контактный - через слой жидкости. Жидкость наносят на поверхность (импеданс жидкости ближе к импедансу твердого тела). При этом толщина жидкости должна быть меньше длины волны (вода, глицерин, масло, растворы поливинилового спирта, пластилин). Преобразователь плотно прижимают к поверхности (давление не менее 200 Па). Нарушение жидкой прослойки или изменение ее толщины приводит к изменению качества акустического контакта и, как следствие, снижению достоверности контроля.
3. Струйный или щелевой. Для контроля вертикальных стенок 1 – пьезоэлемент; 2 – трубка, по которой подается жидкость Конструкция преобразователя предусматривает поддержание постоянной толщину слоя контактной жидкости. Толщина ее порядка длины волны. Шероховатость поверхности должна быть не более Rz <40 мкм. 4. Иммерсионный. Иммерсия – погружение. Применяется при автоматическом контроле, при этом слой жидкости должен быть больше длины волны. При использовании иммерсионного метода опасным является возможность возникновения явления интерференции, которая проявляется при наложении акустических импульсов. Слой жидкости между объектом контроля и преобразователем считают толстым, если в нем не возникает интерференция, связанная с отражением импульса от границы слоя 1 – объект контроля; 2 – ванна с жидкостью; 3 – жидкости. Это условие можно выразить формулой: пьезопреобразователь. В ряде случаев можно создавать локальную иммерсионную ванну. 5. Использование эластичного элемента. В качестве передающей среды используют не жидкость, а тонкий слой резины или эластичного полимера (а). В ряде случаев можно использовать мешок, наполненный жидкостью (б).
Дефектоскопия Методы отражения 1. Метод отражения (Эхо метод) Эхо метод основан на прямолинейном распространении в объекте контроля упругих волн и регистрации волн, отраженных от дефекта, при его наличии, или от нижней поверхности изделия. H' 1 3' 2 h' 3 4 h 5 H 7 8 9 6 1 – усилитель; 2 – автоматический сигнализатор дефектов; 3 – пьезо -электроакустический преобразователь раздельный (3 + 3’ – совмещенный); 4 – система временной регулировки чувствительности; 5 – измерительное устройство; 6 – электроннолучевая трубка (ЭЛТ); 7 – генератор зондирующих импульсов; 8 – синхронизатор; 9 – генератор развертки. Принцип обнаружения дефектов: Регистрация акустического сигнала осуществляется акустическим преобразователем, расположенным с одной стороны объекта контроля. В промежуток времени между посылаемыми импульсами акустический преобразователь работает на прием отраженных импульсов. При отсутствии дефекта на экране ЭЛТ появляется только зондирующий импульс (I) и отраженный импульс то дна (III). Если присутствует дефект, то часть энергии акустической волны отражается от границы раздела дефекта твердое тело-пустота и превращается в отраженный импульс (II). При появлении дополнительного импульса (II) срабатывает автоматический сигнализатор дефекта (2) (звук либо лампочка).
Работа прибора: Генератор зондирующих импульсов (7) вырабатывает импульс электрического напряжения возбуждающего ультразвуковые колебания в преобразователе. Отраженный от дефекта или дна сигнал принимается тем же (3 – совмещенная схема) или другим (3’ – раздельная схема) преобразователем. Принятые механические импульсы трансформируются в электрический сигнал и поступают на вход усилителя (1). Коэффициент усиления его регулируется во времени с помощью системы временной регулировки чувствительности. Благодаря чему компенсируется ослабление ультразвукового сигнала в объекте контроля. Усиленный до требуемой величины сигнал поступает на ЭЛТ (6) и автоматический сигнализатор дефектов (2). Синхронизатор (8) обеспечивает требуемую временную последовательность работы всех узлов дефектоскопа и запускает генератор развертки (9). Генератор развертки (9) позволяет различать во времени приход сигналов от дефекта и дна, находящихся на разном расстоянии от источников импульса. Дефектоскоп снабжен устройствами для измерения амплитуды и скорости прохода отраженного сигнала. Дополнительно дефектоскопы могут быть снабжены устройством для перемещения акустического преобразователя или объекта контроля, т. е. сканирования. Расстояния между зондирующим и донным импульсом либо импульсом дефекта на экране ЭЛТ пропорционально толщине объекта контроля.
b a c а. d сигн ал (амп литу да) развертка Существует несколько типов развертки: Профиль б. Сканирование объекта контроля Точки на плоскости, полученные сканированием а – зондирующий импульс; b – стробирующие импульсы (от неоднородности); c – импульс а дефекта; d – импульс от дна. в. Область дефектов на плоскости, получена компьютерной обработкой результатов сканирования Обнаруживаемые дефекты: Объемные крупные поры, пустоты, раковины; Плоские (расслоения, трещины). Объемные дефекты можно довольно легко обнаружить. Плоские, вертикально расположенные, при малом раскрытии, обнаружить сложнее. Также мешают обнаружению дефектов помехи.
Помехи эхо метода: Помехи – возмущения, накладываемые на принимаемый сигнал и мешающие его приему. Шум – это помехи случайные по амплитуде, времени прихода и фазе колебаний. Соответственно в эхо методе помехи это импульсы мешающие приему полезного сигнала и не меняющие своего положения относительно зондирующего импульса при неизменном условии контроля. Помехи подразделяются на: ØАддитивные; ØМультипликативные. Аддитивные помехи складываются с полезным сигналом, а мультипликативные помехи умножаются на полезный сигнал и являются более опасными. Шумы имеют акустическую и электрическую природу, и разделяются на: • Внешние; • Внутренние.
Кроме шумов при акустическом эхо методе могут появляться ложные сигналы, которые возникают при отражении полезного сигнала от конструктивных элементов (двухгранный угол), либо от структурных неоднородностей. Помехи могут возникать в результате трансформации волн, например поверхностная волна, возникающая на поверхности ЕD, может частично трансформироваться в объемную. Ложные сигналы могут возникать также в результате отражения импульсов от локальных областей с напряжениями в материале. Структурные помехи возникают в результате отражения акустического сигнала от наполнителя. Характеристики чувствительности эхо метода. Метод характеризуется порогом акустической чувствительности прибора. Это отношение min принимаемого сигнала к max отсылаемому сигналу, причем в зависимости от преобразователя один и тот же дефектоскоп может иметь разную чувствительность. Абсолютная max чувствительность современного дефектоскопа 80 ÷ 120 ДБ. Чувствительность метода определяется как площадь, либо длина обнаруженного дефекта.
Существует max и min глубина прозвучивания. U 1. Сигнал от дефекта 1 3 Rmin 2. Сигнал от структурных неоднородностей 2 Rmax 1 – сигнал от дефекта; 2 – помехи; 3 – пороговое значение чувствительности R 3. Пороговое значение, ограничивает чувствительность дефектоскопа для исключения помех Rmin– минимальная глубина прозвучивания, определяемая глубиной мертвой зоны; Rmax – максимальная глубина прозвучивания определяется расстоянием, где величина сигнала от дефекта (1) становится равной величине помех (2). Разрешающая способность – это min расстояние между двумя одинаковыми дефектами, при котором эти дефекты фиксируются раздельно.
Различают лучевую и фронтальную разрешающую способности. 2λ 2λ Лучевая разрешающая способность Фронтальная разрешающая способность Лучевая разрешающая способность определяется теми же факторами, что и величина мертвой зоны, поскольку сигнал от дефекта расположенного ближе к преобразователю действует подобно зондирующему импульсу и мешает обнаружить дефект, импульс которого приходит позже. Лучевая разрешающая способность зависит от длительности импульса. где с – скорость звука. Фронтальная разрешающая способность 2.
Дельта метод Разновидность метода отражения. В этом методе используют два акустических преобразователя, один из которых, как правило, наклонный и служит для подачи акустического сигнала, а второй – для приема волн, отраженных от дефекта. Причем второй преобразователь сканирует по поверхности объекта контроля и определяет место с максимальной амплитудой отраженного сигнала (см. рис). Схема реализации «дельта» метода. 1 – источник сигнала, 2 – приемный преобразователь, который регистрирует сигнал от дефекта.
Реверберационный метод Также разновидность метода отражения. Метод основан на анализе объемной реверберации - процесса постепенного затухания звука в локальном объеме контролируемого объекта. Метод, как правило, используется для контроля качества клеёных двухслойных конструкций и обнаружения расслоений, как правило сочетания Ме – полимер, с толщиной слоев 1, 5 мм и более, и с частотой аппаратуры 2 5 МГц. Me а дефект ПМ а). б ПМ дефек те М Эхо зеркальный метод Разновидность метода отражения. В этом методе анализируется сигнал, испытавший зеркальное отражение от донной поверхности объекта контроля вертикально к ней расположенного дефекта. E A D Регистрируется сигнал прошедший путь А-В-С-D. EF – плоскость расположения дефекта. B C E Метод позволяет обнаружить вертикальные дефекты. и
Лекция 26. Методы прохождения 1. Теневой метод Метод прохождения Используется та же аппаратура, что и для эхо методов, но в приборе есть тумблер, переключающий прибор во второй режим работы с двумя преобразователями. Признаком обнаружения дефекта при теневом методе служит ослабление амплитуды упругих волн сквозного сигнала, прошедшего через объект контроля. Количественная оценка возможности обнаружения дефектов при теневом методе определяется отношением электрических сигналов, характеризующих ослабление дефектом амплитуды (Uc) сквозного сигнала, прошедшего от излучателя к приемнику на дефектном и бездефектном участках: Где: Uд – при наличии дефекта, Uс – без дефекта. Теневой метод чаще всего применяют в иммерсионном варианте обеспечения акустического контакта, когда между объектом контроля и преобразователем имеется слой жидкости. При резком снижении амплитуды сигнала, ниже определенного уровня, срабатывает автоматический сигнализатор дефекта. Резкое уменьшение амплитуды a б в 3’ прошедшего через объект контроля сигнала и есть признак дефекта. 3 а. Бездефектный участок; б. Дефектный участок (пора); в. Дефектный участок (расслоение).
Экспериментально установлено, что даже в случае тонких дефектов расположенных вдоль распространения сигнала (вертикальных дефектов) наблюдается заметное снижение амплитуды сигнала. Это происходит в результате трансформации волн, так продольная волна превращается в головную и интенсивность акустического сигнала резко затухает. Помехи при теневом методе, как правило, носят мультипликативный характер, так как под их влиянием изменяются значения компонентов определяющих амплитуду сквозного сигнала. Причины помех: 1. Нестабильность акустического сигнала из-за нарушения качества акустического контакта. Для «эхо» метода это не страшно, так как импульс от дефекта все равно проявляется (хотя и в меньшем масштабе), а в теневом методе уменьшение амплитуды может интерпретироваться как дефект. 2. Несоосность преобразователя: 3. Не параллельность поверхностей, например при короблении объекта контроля. 4. В иммерсионной среде возможно возникновение многократно отраженных импульсов, что приводит к появлению интерференции и, соответственно, изменяется амплитуда сквозного сигнала и происходит сокрытие дефекта. Это наблюдается при длительности импульса больше, чем Для уменьшения этого эффекта необходимо сократить длительность импульса и увеличить толщину иммерсионного слоя. 5. Мультипликативные помехи могут возникать из-за неравномерного затухания акустического сигнала на структурных неоднородностях (наполнитель). Порог чувствительности выше, чем в эхо методе, так как сигнал идет только в одном направлении. Площадь обнаруживаемых дефектов S от 100 200 мм 2 до 5 10 мм 2.
Временной теневой метод Разновидность метода прохождения. Метод основан на измерении времени пробега импульса через объект контроля. При наличии дефекта время пробега импульса повышается, что служит По запаздыванию прихода огибающего признаком дефекта. A дефект импульса фиксируется наличие крупных дефектов. Метод используется для изделий из материалов, в первую очередь, с большим B D рассеянием (потерями энергии) (бетоны, ТЗП и ABC ADC. т. п. ). Предпочтительно использовать для C контроля тонких изделий. Велосимметрический (также метод Комбинированные методы прохождения) будет рассмотрен среди методов с сухим точечным контактом. Зеркально-теневой метод Главным информационным параметром в данном методе служит ослабление амплитуды сигнала отраженного от противоположной поверхности (дна) изделия. Часто используются наклонные преобразователи с углом наклона 5– 10. По техническому оснащению это эхо метод, а по существу – теневой. Наклонные преобразователи применяют для контроля тонких объектов, когда мертвая зона обычных преобразователей мешает получению донного сигнала. Методом можно также обнаружить тонкие вертикальные дефекты. Помехи те же самые, что и у теневого метода. Чувствительность эхо метода. Sдеф 0, 5 1, 0 от S акустического преобразователя.
Эхо сквозной метод В этом методе фиксируется несколько видов акустических сигналов. Метод используется только в иммерсионном варианте обеспечения акустического контакта. Большие дефекты (см. рис. ) обнаруживают по исчезновению или сильному уменьшения сигнала I (теневой метод), а также по уменьшению сигнала IV. Небольшие, полупрозрачные, дефекты обнаруживают по появлению сигналов II и III. Он обладает большой чувствительностью. Более чувствительный метод, чем теневой при контроле толстых листов. Помехи аналогичны помехам эхо метода. Обнаруживаемые размеры дефектов 3 5 мм при размерах объектов контроля от 20 до 60 мм. II I III IV I – сквозной сигнал; II, III – эхо сквозной сигнал; IV – сигнал претерпевающий двукратное отражение.
Эхо - теневой метод основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн. Преобразователи расположены как у теневого метода, но оба работают на прием отраженных сигналов. Сравнение эхо и теневого методов: Преимущества теневого метода по сравнению с эхо методом: ØБольшая чувствительность; ØМетод позволяет контролировать объекты большей толщины из-за меньшего затухания сигнала, который идет только в одном направлении; ØОтсутствует мертвая зона. Недостатки теневого метода по сравнению с эхо методом: ØТребуется двусторонний доступ к объекту контроля; ØНе дает информацию о глубине залегания дефекта. Виды обнаруживаемых дефектов: крупные поры, расслоение и непроклей. Аппаратура: УД-22 УМ, УД-23 УМ. Работает аппаратура при частотах = 0, 1 2 МГц.
Низкочастотные методы контроля с сухим точечным контактом. К ним относятся методы: ØИмпедансный; ØВелосимметрический (из группы теневых методов); ØСвободных колебаний; ØВынужденных колебаний; ØАкустико-топографический. Отличительная особенность этих методов заключается в том, что в объекте контроля возбуждают асимметричные упругие волны и используют сухой точный контакт, который обеспечивает круговую диаграмму распространения акустического сигнала. Механический импедансный метод. Этот метод является одни из самых распространенных. Метод основан на сравнении механического импеданса (сопротивления) в качественном и дефектном местах изделия. При реализации метода на объект контроля действует сосредоточенная переменная сила (F) возбуждающая в нем упругие, обычно изгибные волны. Комплексное отношение этой силы (F) к колебательной скорости ( ) деформируемого участка объекта контроля в зоне контакта с преобразователем называется механическим импедансом ( ). F F ’ В отличие от акустического импеданса, механический импеданс ( ) является параметром конструкции и зависит в т. ч. от наличия в ней дефектов.
1 3 Схема импедансного дефектоскопа: 1. Сигнальная лампа; 2. Возбуждающий пьезоэлемент; 3. Инерционная масса для усиления механической волны; 4. Генератор напряжения; 5. Стержень (волновод); 6. Измерительный пьезоэлемент; 7. Блок обработки сигнала; 8. Индикатор; 9. Контактный наконечник со сферической поверхностью; 10. Усилитель; 11. Объект контроля. U 1 4 2 7 5 6 9 U 2 10 11 8 Изменение импеданса над дефектом изменяет комплексный коэффициент передачи преобразователя. M Где: U 2, U 1 – соответствующие напряжения, получаемые на преобразователе. Рабочая частота f=3÷ 18 к. Гц. В данном методе используют раздельно-совмещенные преобразователи, что позволяет увеличить глубину обнаружения дефекта. Метод применяют для контроля клеевых узлов, в первую очередь для расслоений в трехслойных конструкциях, а также для обнаружения приповерхностных расслоений, пор и трещин в слоистых пластиках. В случае клеевых конструкций чувствительность метода выше при контроле со стороны менее жесткой обшивки. Минимальный размер выявляемых дефектов – от 4 до 10 мм. Недостатки: ØМалая глубина обнаружения дефектов (толщина около 6 мм для КМ) – мертвая зона со стороны противоположной вводу сигнала; ØБольшая погрешность разброса импеданса за счет структурной неоднородности материала. Аппаратура: АД-42 И, ИД-91 М. Скорость контроля до 15 м/мин.
Велосимметрический метод Метод основан на уменьшении под влиянием дефекта скорости прохождения сигнала или, соответственно, увеличения пути распространения изгибных волн в объекте контроля типа пластин. Он относится к группе методов прохождения. Используется сухой точечный контакт. В объекте контроля возбуждают непрерывные или импульсные низкочастотные звуковые колебания (f=20÷ 70 к. Гц). Дефекты регистрируют по изменению сдвига фазы принятого сигнала или изменению времени распространения волны в объекте контроля на участке между излучающим и приемным преобразователем дефектоскопа. Контролируемыми параметрами в методе являются фаза и время прихода сигнала, которые не зависят от усилия прижатия преобразователя к изделию и качества акустического контакта. Следовательно, метод отличается высокой стабильностью. Односторонний Двухсторонний Выполняя контроль на двух частотах можно определить глубину залегания дефекта. Метод используется для контроля расслоения и непроклеев в покрытиях и пластинах. При схеме с односторонним доступом существует мертвая зона со стороны противоположной поверхности вводу упругих волн. М ~ 20 -40 % δ. Нежелательно использовать метод для контроля изделия меньше 500× 500 мм, так как при меньших размерах в них возникает интерференционные явления, вызванные наложением бегущих волн от торцевой поверхности пластины, поэтому существует мертвая зона размером от 20 до 50 мм от торцов пластины. Предельная глубина обнаружения дефекта 20÷ 25 мм, S=2÷ 15 см 2.
Настроечные образцы Они представляют собой образцы с заранее заложенными в них дефектами и предназначены для: Ø Оптимизация режима контроля; Ø Определения чувствительности и разрешающей способности метода; Ø Для периодической настройки и проверки дефектоскопа. Критерии изготовления настроечных образцов: ü Максимальная аналогия дефекта в настроечном образце и реальном изделии; ü Технологичность изготовления. Сколько существует возможных типов дефектов - столько и должно быть настроечных образцов. 1. Настроечные образцы с дефектами типа расслоения. При его получении в формуемую пластину из ПКМ закладывают металлический треугольник заранее смазанный антиадгезионной смазкой. После формования пластины треугольник выдергивается. При оценке чувствительности преобразователем сканируют по поверхности, определяя место, где дефектоскоп перестает чувствовать наличие дефекта. 2. Образец имитирует непроклеи в трехслойных конструкциях (а). Для его изготовления между обшивкой и сотами помещают фторопластовые пленки различного диаметра и с различным шагом. 3. Для оценки толщины (б).
Методы колебаний 1. Метод свободных колебаний (спектральный метод). 1. 1. Интегральный метод свободных колебаний Схема метода: 1 – ударник; 2 – объект контроля; 3 – приемный пьезоэлемент (микрофон); 4 – усилитель; 5 – измеритель частоты. Признаком дефекта служит появление дополнительных частот (проверка стекла), которые не наблюдаются в бездефектном изделии. Недостатки: ØКратковременность процесса колебаний; ØНеобходимость подбора оптимального усилия удара; Ø Используется для изделий простой формы. Частота свободных колебаний зависит от геометрии, свойств материала и наличия дефектов.
Локальный метод свободных колебаний Используют, как правило, для контроля многослойных неметаллических и композиционных материалов. Как и первый метод, он основан на анализе частот собственных свободных колебаний объекта контроля, но только на определенном участке изделия. Появление дефекта приводит к изменению амплитуды сигнала или появлению дополнительных частот, которые контролируются с помощью специальной аппаратуры. Аппаратура: АД-60 с. 1 – акустический преобразователь; 2 – корпус; 3 – объект контроля; 4 – микрофон; 5 – генератор; 6 – усилитель; 7 – анализатор спектров; 8 – сигнализатор дефекта. Наличие дефекта – появление дополнительной частоты. С помощью фильтра аппаратура может выделить до 12 частотных каналов от 0, 5 до 20 МГц. Возможности метода: ØИспользуют для контроля многослойных КМ, ØГлубина обнаруживаемых дефектов в КМ до 30 мм, ØПлощадь обнаруживаемых дефектов от 2 до 15 см 2. Дополнительные возможности: метод позволяет контролировать толщину изделия, например определять толщину труб, определяя частоту их собственных колебаний.
Метод вынужденных колебаний (резонансный) Бывают двух типов: ØИнтегральные; ØЛокальные. Резонансные методы основаны на возбуждение в изделие вынужденных незатухающих колебаний переменной частоты и регистрации резонансных частот. В методе используют стоячие продольные волны, которые возникают в результате интерференции прямой и отраженной от преграды волны. При этом волны образуют узлы и пучности. В узле колебаний амплитуда равна 0, а в пучности – максимальная амплитуда. Условие возникновения резонанса: Где: h – характерный размер изделия; n – любое целое число; С – скорость акустический волн; f – частота; λ – длина волны. Интегральный метод вынужденных колебаний В этом методе всю деталь или изделие вводят в резонанс, т. е. заставляют колебаться, причем частота бездефектного изделий различна. При этом амплитуда колебаний в дефектной зоне будет больше. Одной из разновидностей этого метода является акустико-топографический метод. В нем регистрируется распределение амплитуд упругих колебаний по поверхности объекта контроля. При его реализации на поверхность объекта контроля напыляется мелкий липкий порошок, затем объект контроля вводят в резонанс. В местах с максимальной амплитудой порошок осыпается – это и есть дефектные участки. Дефект обнаруживается на глубине 3 ÷ 5 мм.
Локальный метод вынужденных колебаний. Этот метод, как правило, используют для измерения толщины объектов при односторонним доступе к изделию, например в случае тонкостенных труб и оболочек. Такие приборы называют резонансными толщиномерами. Они основаны на возбуждении в стенке объекта контроля колебания и регистрации частоты, на которой возникают резонансные колебания. Зная резонансную частоту, можно рассчитать по нижеприведенной формуле толщину изделия: Схема локального метода вынужденных колебаний: 1. Генератор; 2. Излучатель акустических волн; 3. Объект контроля; 4. Приемник; 5. Усилитель; 6. Измерительное устройство (спектрометр). Принцип работы: частоту колебаний, которая задается с помощью генератора, меняют до тех пор, пока она не совпадет с собственной частотой колебания изделия. Зная частоту собственных колебаний по формуле можно рассчитать толщину изделия. Метод может быть использован для решения задач дефектоскопии, поскольку при наличии в объекте контроля дефекта частота резонанса меняется таким образом, что дает уменьшенное значение толщины изделия. Используемая аппаратура – прибор АД – 21 Р.
Метод акустической эмиссии Ø Ø Он относится к пассивным методам. Акустическая эмиссия – заключается в генерации механических упругих (бегущих) волн в твердых телах, в результате локальной динамической перестройки их структуры. Метод основан на анализе параметров этих волн. Источниками акустических сигналов (волн) являются: Пластические деформации (как правило, в металлах); Возникновение и развитие микро- и макротрещин; Обрыв волокон; Нарушение адгезии между волокном и матрицей. Акустическая эмиссия проявляется в виде отдельных акустических импульсов. Метод реализуется путем нагружения объекта контроля внешним усилием, при этом в местах дефектов возникают локальные напряжения, которые могут превышать предел прочности материала. В результате происходит разрушение материала, а накопленная энергия выделяется виде упругого импульса – сигнал акустической эмиссии. Амплитуда, форма импульса, частота и их количество зависят от природы материала, условий нагружения и типа дефекта. Акустическая эмиссия может быть дискретной, когда длительность регистрируемых импульсов меньше интервала между ними, и непрерывной в альтернативном случае. В образах с дефектами в местах микротрещин в вершине трещин появляются локальные зоны пластических деформаций, которые являются источниками акустических сигналов. При превышении локальным напряжением предела прочности происходит микроразрыв и скачкообразное увеличение дефекта, сопровождаемое выделением упругой энергии (акустического диапазона).
Величина этих напряжений характеризуется показателем K, который характеризует сложное напряженное состояние. Где: a, m – константы, зависящие от материала и условий испытаний; N – число импульсов; K – коэффициент интенсивности напряжений. Параметры акустической эмиссии описаны в ГОСТ 27655 -88 Ø Число импульсов за время наблюдения t – Ø Активность за время 0, 1 или 1 c; Ø Амплитуда импульсов (А) Ø Эффективное значение акустической эмиссии - среднее значение амплитуды за единицу времени. На рисунке показана взаимосвязь деформационно-прочностных свойств с эффективным значением акустической эмиссии. Такие зависимости хорошо отработаны для металлов, а для композиционных материалов носят более сложный характер.
При повторном нагружении изделия акустическая эмиссия резко уменьшается и вновь начинает проявляться только при превышение первоначальной максимальной нагрузки при первом испытании. Этот эффект называется эффектом Кайзера. Он проявляется у металлов и отсутствует у композиционных материалов. Для композиционных материалов проявляется эффект «послезвучания» , который заключается в том, что после снятия нагрузки продолжается фиксирование акустических сигналов. Это вызвано релаксационными процессами в полимерах. Аппаратура для акустической эмиссии. . 1 – широкополосный акустический преобразователь; 2 – предварительный усилитель; 3 – фильтр; 4 – основной усилитель; 5 – блок обработки сигнала; 6 – блок обработки сигналов по всем каналам. 1. Акустический преобразователь (цирконат титанат свинца) Траб = 300 ÷ 400 °С. 2. Предварительный усилитель помогает передать сигнал от преобразователя к аппаратуре (от 50 до 200 м); 3. Фильтр устанавливает спектр регистрируемых частот; 4. Основной усилитель; 5. Блок обработки сигналов производит счет принимаемых сигналов за все время контроля или за определенный интервал времени и осуществляет их анализ; 6. Блок обработки сигналов по всем каналам служит для сравнения сигналов, пришедших от разных преобразователей.
Схема проведения контроля. 1 - изделие; 2 - датчики; 3 –аппаратура для обработки сигналов. Возможности Изделие 1 с дефектом; изделие 2 – с меньшим числом дефектов, чем у эталона. Метод позволяет определить место расположения дефекта в крупногабаритных изделиях. Для определения местоположения источников сигнала акустической эмиссии (местоположение дефектов) используют несколько акустических преобразователей. Для стержня достаточно двух преобразователей. Для плоскости (листа) – трех. Для сложных изделий более 8. Зная скорость звука, можно всегда определить местоположение дефекта. Погрешность определения местоположения дефекта составляет 3 ÷ 5 % от максимального расстояния между преобразователями, но не меньше порядка толщины стенки объекта контроля. Объектами контроля могут быть корпуса ракет, кораблей, атомные реакторы, нефте- и газохранилища. Аппаратура: Эффект-1, Эффект-2 и Эффект-3.
Шумо- и вибрационнодиагностические методы Относятся к пассивным методам контроля, методы колебаний. В этих методах анализируется спектр частот или амплитуда вибрации работающих узлов машин. При появлении дефектов появляются дополнительные частоты или изменяется амплитуда. Методы измерения толщины и геометрических размеров Для контроля толщины можно использовать два из вышеописанных методов: 1. Резонансный Погрешность 1 ÷ 2 %. 2. Эхо-метод – является основным методом контроля толщины Где: С – скорость звука, t – время прохода импульса). Погрешность метода: (0, 1 мм). Аппаратура УТ – 93 П. Толщины – от 0, 25 до 200 (1000) мм. Ограничивается затуханием сигнала. Радиус кривизны объекта котроля 5÷ 10 мм. К погрешностям измерений толщины может приводить изменение температуры, т. к. при этом изменяется скорость звука. В случае использования при толщинометрии иммерсионного способа обеспечения акустического контакта необходимо учитывать время прохождения импульса через жидкость. Тест 7. Вопросов 80
Спасибо за внимание
Скачать презентацию Лекция 25 Конструкция акустических преобразователей Известно два основных
MAG-Lk25-26.ppt