АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Акустические методы неразрушающего контроля основаны на регистрации параметров упругих колебаний при их взаимодействии с объектом контроля. Упругие колебания представляют собой периодическое изменение состояния упругой среды. Возмущения, распространяющиеся в упругой среде, называют волной. Акустические колебания в зависимости от частоты подразделяют на инфразвуковые частотой до 16 Гц, звуковые — от 16 до 2 • 10⁴Гц, ультразвуковые — от 2 • 10⁴ до 10⁹ Гц и гиперзвуковые — свыше 10⁹Гц. Акустические волны вызывают в упругой среде колебания ее частичек относительно своих положений равновесия. Упругие колебания распространяются от частицы к частице с определенной скоростью, зависящей от свойств материала.

Чаще всего для контроля узлов и деталей летательного аппарата используют ультразвуковой, реже — звуковой диапазоны. Природа звука и ультразвука одна и та же, однако длина ультразвуковых волн значительно меньше. Малая длина волны позволяет посылать ультразвук в желаемом направлении направленным пучком, подобно лучу света. Ультразвуковые волны проходят через материал большой толщины, практически не теряя своей интенсивности. Но они испытывают отражение или преломление на границе раздела двух сред, резко отличающихся величиной волнового сопротивления. Так, ультразвуковые колебания (УЗК) почти полностью отражаются от места расположения дефекта: трещины, газового пузыря и т.п. [3].

Акустический контроль применяют для обнаружения дефектов в деталях из любых материалов. Метод позволяет выявлять не-сплошности (трещины, поры, раковины, расслоения), как выходящие на поверхность, так и в толще материала, а также применяется для структурного анализа (определение размера зерен, наличия примесей, неоднородностей), измерений толщин при одностороннем доступе к детали, определения уровня жидкости в сосудах, контроля качества клеевых соединений и решения многих других дефектоскопических задач.

Диапазон используемых в практике контроля ультразвуковых колебаний 1,25—10 МГц с длиной волны около 1 мк. В зависимости от направления колебаний частиц в контролируемом материале по отношению к распространению волны различают продольные, сдвиговые (поперечные) и поверхностные волны (волны Рэлея) (рис. 3.24). Если направление колебаний частиц совпадает с направлением распространения волны, то она называется продольной. Такие волны возбуждаются в твердых, жидких и газообразных телах.

Рис. 3.24. Виды ультразвуковых волн (УЗВ):

7 — контролируемый материал; 2 — поверхностные (Рэлея); 3 — поперечные (сдвиговые); 4 — продольные

Если направление колебаний перпендикулярно распространению волны, то она называется сдвиговой. Сдвиговая волна может быть возбуждена только в твердом упругом теле. На свободной поверхности твердого тела можно возбудить поверхностные волны Рэлея, которые локализуются в поверхностном слое толщиной, соизмеримой с длиной волны. При распространении ультразвуковых колебаний в тонком листе, тонкостенной оболочке (трубе, цилиндре) могут возникнуть нормальные волны (волны Лэмба). Скорости распространения упругих волн в твердых телах зависят от их вида и упругих постоянных (плотности) материала (табл. 3.4). Схемы получения некоторых типов ультразвуковых волн (УЗВ) представлены на рис. 3.25.

Для возбуждения упругих колебаний в различных материалах используют магнитострикционные, пьезоэлектрические, электромагнитно-акустические и другие типы преобразователей. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, их изготавливают из монокристалла кварца и пьезокерамических материалов: титаната бария, цирконата-титаната свинца и др. Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластину с нанесенными на поверхность тонкими слоями серебра,

Таблица ЗА

Скорости распространения различных видов ультразвуковых волн

в материалах

в г

Рис. 3.25. Схемы получения различных типов ультразвуковых волн [9, с. 130]:

а — клин для преобразования продольных волн в поперечные: 7 — преобразователь; 2 — пластмассовый клин; 3 — отраженная продольная волна; 4 — преломленная поперечная волна; б — особая форма клина для поглощения колебаний нежелательного вида; в — клин для получения поперечных волн, применяемых при испытании сварных швов. Колебания нежелательного вида поглощаются искусственной пористостью, введенной в тело клина: 7 — преобразователь; 2 — отверстия, заполненные поглощающим ультразвук материалом; 3 — дефект; 4 — сварной шов; г — схема получения поверхностных волн за счет преломления волн в направлении границы раздела: 7 — продольная волна; 2 — отверстия, заполненные поглощающим ультразвук материалом; 3 — поверхностная волна

которые служат электродами. При приложении к такой пластине переменного электрического тока в ней возникают вынужденные механические колебания, частота которых соответствует частоте переменного тока. Такой эффект называется обратным пьезоэффектом (рис. 3.26).

0 = 6 Р

аИ — ей

а б в

Рис. 3.26. Схема образования пьезоэлектрического эффекта:

а — пьезоэлектрическая пластина; б — прямой пьезоэлектрический эффект; Р — сила, деформирующая пластину; О — величина заряда, возникающая на одной грани пластины; с/ — пьезоэлектрический модуль; в — обратный пьезоэлектрический эффект (изменение толщины пластины при помещении ее в электрическое поле); Лб — величина деформации пластины; и — напряжение переменного тока, приложенное к пластине; е — пьезоэлектрическая константа

Если пьезопластину приложить к поверхности контролируемой детали, то в ней будут возбуждаться и распространяться упругие волны с амплитудой менее 10~⁸мм. После прекращения действия переменного тока пьезопластина будет продолжать совершать затухающие механические колебания. Ускорения затухания добиваются, используя демпфирующие материалы: резину, асбест, эпоксидную смолу с наполнителем и др. Для ввода упругих колебаний в контролируемую деталь, приема отраженных сигналов пьезопластину помещают в специальное устройство, называемое искательной головкой. Эта головка состоит из преобразователя, смонтированного на звукопоглощающей подложке, и вспомогательных деталей — корпуса, электропроводящих элементов (рис. 3.27, 3.28) [7].

Наиболее распространены (рис. 3.29) прямые, наклонные и раздельно совмещенные преобразователи [6].

В прямом преобразователе (рис. 3.29, а) пьезопластину / обычно изготавливают из пьезокерамики или метаниобата свинца. Толщина

Рис. 3.27. Прямые искательные головки [9, с. 129]:

а — ЦНИИТМАШ; б — ЛЭТИ; в — ВИАМ; 7 — корпус; 2 — контактный винт; 3 — изоляционные втулки; 4 — контактная пружина; 5 — контактный стержень; 6 — демпфер; 7 — пьезопластина; 8 — прижимное кольцо; 9 — кольцо; 10 — защитный металлический колпачок; 7 7 — прижимающая пружина

Рис. 3.28. Пьезоэлектрические преобразователи для ультразвуковых

дефектоскопов

пластины равна половине длины волны, например, для частоты 1 — 10 МГц она составляет 0,16—1,6 мм. Преобразователь включает: систему проводников 5; кабель 7; катушку индуктивности 4 преобразователь 6 демпфер 2, повышающий механическую прочность пьезопластины; протектор 3, защищающий пьезопластину от истирания и иных повреждений.

10...60

1 2 3

а б в

Рис. 3.29. Основные типы преобразователей [6, с. 39]: а — прямой; б — наклонный; в — раздельно совмещенный

95 6 7

У//////////7/////////У/77

Пьезопластину обычно делают круглой. Ее размеры выбирают с учетом поля излучения—приема. Увеличение диаметра сужает диаграмму направленности, что улучшает выявляемость дефектов в дальней зоне, но ухудшает — в ближней зоне.

Наклонный преобразователь (рис. 3.29, б) отличается от прямого наличием призмы 8 из органического стекла. Излучаемые пьезоэлементом волны на границе призмы и объекта контроля преломляются и частично отражаются (гасятся в ловушке).

Пьезопластине часто придают не круглую, а прямоугольную или квадратную форму; обычно пьезопластину приклеивают к призме. Угол наклона призмы выбирают с учетом требуемого угла ввода в объект контроля акустических волн.

Раздельно совмещенный преобразователь (рис. 3.29, в) имеет излучающий и приемный пьезоэлементы, которые разделены акустически и электрически экраном 9, но объединены конструктивно в одном корпусе. Пьезоэлементы обычно имеют прямоугольную или полукруглую форму. Их располагают на призмах из оргстекла 8 с небольшими углами наклона (0—10°).

Чрезвычайно важным при акустическом контроле является ввод УЗК в контролируемое изделие с минимальными потерями энергии колебаний в месте контакта преобразователя с деталью. Это достигается вводом УЗК через тонкий слой жидкости, например масла, и применением специальных головок. Жидкость для обеспечения акустического контакта должна быть не слишком густой и не текучей. При малой вязкости масла не будет акустического контакта, а при повышенной — энергия акустических колебаний будет значительно снижена в его среде. В зависимости от температуры воздуха, при которой производится контроль контактным способом, обычно применяют следующие минеральные масла: МС-20 при температуре +20°С и выше, смесь масел 50% МС-20 и 50% МК-8 (или трансформаторное) при температуре ниже + 10°С. Чаще всего жидкость наносят только на контактную площадь искательной головки. Если масло будет нанесено на всю кромку контролируемой детали, то мелкие трещины могут быть пропущены, так как масло заполнит их, и ультразвук сможет беспрепятственно пройти вдоль поверхности, и дефект не обнаружится.

Существует также струйный способ подачи жидкости между искательной головкой и деталью. При иммерсионном способе акустическая связь осуществляется погружением в ванну с водой. Специальные искательные головки предназначены для контроля деталей сложной конфигурации или в труднодоступных местах. В таких головках обычно используют серийные пьезопреобразователи, которые вместе со съемными пакетами легко монтируются на изготовленную (чаще из оргстекла) головку специального назначения. При контроле деталей летательного аппарата применяют ряд методов акустического контроля (рис. 3.30):

• 1) активные, использующие излучение и прием акустических колебаний;
• 2) пассивные, основанные только на приеме акустических волн. Активные методы применяют бегущие волны. На практике используют методы прохождения, методы отражения и комбинированные методы.

К методам прохождения относят:

• • теневой (основан на регистрации уменьшения амплитуды прошедшей волны из-за наличия дефекта);
• • временной (измерение запаздывания импульсов, вызванного огибанием дефектов).

Методы отражения:

• • эхо-метод (основан на регистрации эхо-сигналов от дефектов);
• • реверберационный (основан на анализе времени объемной реверберации — процесса постепенного затухания звука в контролируемой детали).

В комбинированных методах применяют как отражение, так и прохождение акустических волн. К комбинированным методам относят:

• зеркально-теневой (измеряют ослабление сигнала, дважды прошедшего через зону объекта);

Рис. 3.30. Классификация ультразвуковых методов неразрушающего

контроля (НК)

• • эхо-теневой (анализируют результаты прохождения прошедшей и отраженной от дефекта волн);
• • импедансный (основан на анализе изменения механического импеданса (раскачки) участка поверхности).

Пассивные методы:

• • акустико-эмиссионный (основан на анализе излучений упругих волн, возникающих при динамичной перестройке структуры напряженной детали);
• • вибрационно-диагностический (резонансный) (основан на анализе параметров вибраций детали);
• • шумодиагностический (основан на анализе спектра шумов работающего механизма).

По частотам все акустические методы подразделяют на низкочастотные (звуковые) — до 100 кГц; ультразвуковые — от сотен килогерц до 50 МГц.

При неразрушающем контроле авиационных конструкций из всех рассмотренных методов наиболее распространены (до 90%

от всех акустических дефектоскопов) ультразвуковой эхо-метод и импедансный. Рассмотрим подробнее основные методы акустического контроля [6].