Эхо-импульсный метод

Методы акустического контроля

Эхо-импульсный метод основан на эффекте прямолинейного распространения в контролируемой детали упругих волн и их отражения от границ дефекта или противоположной поверхности детали. Этот метод предусматривает односторонний ввод упругих колебаний в деталь и прием отраженного сигнала с помощью одного и того же преобразователя, называемого по этой причине совмещенным.

Эхо-импульсный дефектоскоп работает следующим образом. Генератор электрических колебаний 1 (рис. 4.3) вырабатывает и синхронизирует импульсы, запускающие генератор основной развертки 2 и генератор импульсов 3. Генератор развертки 2 подает развертывающее пилообразное напряжение на горизонтально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) дефектоскопа, и электронный луч прочерчивает на экране ЭЛТ светящуюся горизонтальную линию. Одновременно генератор импульсов 3 вырабатывает кратковременные импульсы высокочастотных электрических колебаний, которые синхронно подаются через усилитель 4 на вертикально-отклоняющие пластины ЭЛТ (при этом электронный луч прочерчивает на экране 5 ЭЛТ зондирующий импульс) и на пьезоэлемент 6 преобразователя. Последний преобразует импульс электрических колебаний в импульс упругих колебаний, которые вводятся в деталь 7.

Рис. 4.3. Блок-схема ультразвукового дефектоскопа, предназначенного для эхо-импульсного (положение I переключателя 13 режима работы) и теневого контроля (положение II переключателя 13): 1 – синхронизатор; 2 – генератор развертки; 3 – генератор импульсов; 4 - усилитель; 5 – экран ЭЛТ; 6 – излучающий пьезоэлемент; 7 - деталь; 8 - дефект; 9 – зондирующий импульс; 10 – донный импульс; 11 – эхо-импульс от дефекта; 12 – принимающий пъезоэлемент

Импульсы посылаются в контролируемую деталь один за другим через определенные промежутки времени (рис. 4.4).

Рис. 4.4. График ввода импульсов в контролируемую деталь: А и Т – амплитуда и период колебаний соответственно: Т _и – период импульса; t _и – длительность импульса; t _п – длительность паузы

В конце каждого кратковременного импульса генератор импульсов 3 «запирается», и пьезоэлемент 6 (рис. 4.3) работает на прием. Период импульса Т _и складывается из длительности импульса t _и и длительности паузы t _п между импульсами:

Т _и = t _и + t _п. (4.25)

В свою очередь длительность импульса t _и равна сумме длительностей собственно зондирующего импульса (вынужденных колебаний) t _и1 и переходного процесса (свободных колебаний пъезоэлемента) t _и2:

t _и = t _и1+ t _и2. (4.26)

Во избежание интерференционных помех длительность паузы значительно превышает длительность импульса. После отражения от противоположной поверхности детали упругая волна, теряя часть энергии вследствие затухания, возвращается к пьезоэлементу, вызывая его механические колебания. При этом на поверхностях пьезоэлемента возникает переменное напряжение, которое через усилитель 4 подается на вертикально-отклоняющие пластины ЭЛТ, что вызывает появление на экране донного пика 10 (рис. 4.3). При этом расстояние между зондирующим и донным пиками (в дальнейшем – импульсами), пропорционально времени t _и прохождения волной двойной толщины H детали:

t _и = 2 H / C _п, (4.27)

на чем основана эхо-импульсная толщинометрия изделий:

H = C _п · t _и / 2. (4.28)

Если же толщина детали известна, то эхо-импульсным методом можно определить скорость продольных волн в материале контролируемой детали:

C _п= 2 H / t _и, (4.29)

на чем основаны некоторые методы акустической структурометрии материалов.

Если на пути зондирующего импульса встречается дефект, например, меньших размеров, чем размеры пьезоэлемента, то отраженный от него сигнал приведет к появлению на экране 4 ЭЛТ (рис. 4.5, б) эхо-импульса 7 от дефекта в промежутке между зондирующим 5 и донным 6 импульсами. При этом, используя принцип эхо-импульсной толщинометрии (см. выражение (4.28)), удается установить и глубину h залегания дефекта.

Рис. 4.5. Модели некоторых дефектных ситуаций при эхо-импульсном контроле детали 2: а – дефекты отсутствуют; б – размеры дефекта 3 меньше размеров пьезоэлемента 1; в – больше (4 – экран ЭЛТ; 5 – зондирующий импульс; 6 – донный импульс; 7 – эхо-импульс от дефекта)

Высота же эхо-импульса от дефекта, пропорциональная амплитуде отраженного от него сигнала, будет зависеть от интенсивности зондирующего сигнала, формы и типа (несплошность или инородное включение) дефекта, размеров пьезоэлемента и дефекта, а также от глубины его залегания, влияющей на степень затухания упругой волны в соответствии с выражением (4.18).

Если же размеры дефекта в плане превышают размеры пьезоэлемента (рис. 4.5, в), то зондирующий импульс полностью отразится от дефекта, и на экране ЭЛТ будет отсутствовать донный импульс.

Возможности эхо-импульсной дефектоскопии и толщинометрии ограничиваются из-за наличия так называемой “ мертвой ” зоны, представляющей собой неконтролируемый подповерхностный слой, в котором эхо-сигнал от дефекта не отделяется от зондирующего импульса (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема образования мертвой зоны 7 толщиной М в детали 2, контролируемой эхо-импульсным методом: 1 – пьезоэлемент совмещенного преобразователя; 3 - дефект; 4 – зондирующий импульс; 5 – донный импульс; 6 – импульс от дефекта

Толщина М мертвой зоны, определяемая из выражения:

М = (С _п · t _и / 2) = C _п · (t _и1+ t _и2) / 2, (4.30)

может достигать 40 мм для нормальных преобразователей, работающих на частоте 0,7 МГц, 15 мм – на частоте 1,5 МГц и 5¸6 мм – на частотах 4¸5 МГц.

Для выявления дефектов в мертвой зоне иногда применяют двойное прозвучивание с обеих сторон детали.

Мертвую зону можно уменьшить, увеличивая частоту прозвучивания (иначе – уменьшая длительность t _и1вынужденных колебаний пьезоэлемента), применяя преобразователи с массивными демпферами (рис. 4.2, а) (иначе – уменьшая длительность t _и2собственных колебаний пьезоэлемента) и (или) используя сдвиговые волны, скорость С _с которых почти в два раза меньше С _п (см. табл. 4.1).

Наконец, практически полностью исключить мертвую зону из контролируемой детали можно, «перенеся» ее в насадку из органического стекла, расположенную между пьезоэлементом и поверхностью детали. Такую насадку, притертую на минеральном масле к пьезоэлементу, называют также «задержкой».

Дата добавления: 2014-12-27