6.4. Акустический контроль

Физические основы. Акустические методы контроля основаны на возбуждении и регистрации параметров упругих механических колебаний в контролируемом изделии. Распространение упругих колебаний в твердом теле обусловлено упругой деформацией среды, что и обеспечивает взаимосвязь между, с одной стороны, параметрами колебаний, а с другой стороны, структурой и свойствами материала изделия. Для ввода упругих колебаний в изделие и приема их при выходе из изделия используются специальные электроакустические преобразователи, принцип действия которых основан на прямом и обратном пьезоэлектрическом эффекте.

Основными характеристиками упругих волн являются длина волны l, частота  f  и скорость распространения  с. Эти параметры связаны между собой зависимостью

                                                           (6.4)

Частота упругих волн  f является инструментальной характеристикой и определяется схемой генератора высокочастотных колебаний и конструкцией пьезопреобразователя. В настоящее время для акустического контроля применяют колебания звукового и ультразвукового диапазонов с частотой от 50 Гц до 25 МГц.

Скорость распространения упругих волн с зависит только от упругих свойств среды, в которой они распространяются, то есть является физической константой среды. Учитывая это, длину упругой волны  λ  можно изменить, только изменяя частоту возбуждаемых колебаний.

Из общего курса физики известно, что в зависимости от направления колебаний частиц в твердом теле различают продольные и поперечные волны. Продольные волны сопровождаются упругими деформациями сжатия и растяжения. Скорость их распространения  спр в среде с плотностью  r   определяется модулем нормальной упругости Юнга E:

с_пр .                                                                  (6.5)

Распространение поперечных волн сопровождается упругими деформациями сдвига, поэтому их скорость сп зависит от модуля сдвига G:

с_п .                                                                    (6.6)

Для большинства металлов и сплавов имеет место соотношение  с_п ≈ 0,55 с_пр.

Важнейшей акустической характеристикой материала является удельное волновое сопротивление (акустический импеданс):  z = ρ×c. Для газов, жидкостей и металлов эти величины соотносятся примерно 1 : 3000 : 10000. Такое соотношение является весьма удачным для акустической дефектоскопии.

Классификация акустических методов контроля.  Акустические методы делят на две большие группы: использующие излучение и приём акустических волн (активные методы) и основанные только на приёме (пассивные методы).

Активные акустические методы, в которых применяют бегущие волны, делят на две подгруппы, использующие прохождение и отражение волн. Применяют как непрерывное, так и импульсное излучение.

К методам прохождения относятся следующие:

1. Теневой метод, основанный на уменьшении амплитуды прошедшей волны под влиянием дефекта. (рис. 6.4, а)
2. Временной теневой метод, основанный на запаздывании импульса, вызванном огибанием дефекта.
3. Зеркально-теневой метод, основанный на ослаблении сигнала, отраженного от противоположной поверхности изделия (донного сигнала).
4. Велосиметрический метод, основанный на изменении скорости упругих волн при наличии дефекта.

В методах отражения применяют, как правило, импульсное излучение. К этой подгруппе относятся следующие методы дефектоскопии.

1. Эхо-метод. Регистрирует эхо-сигналы от дефектов. (рис. 6.4, б)
2. Зеркальный эхо-метод основан на зеркальном отражении импульсов от дефектов, ориентированных вертикально к поверхности, с которой ведётся контроль.
3. Реверберационный метод предназначен для контроля слоистых конструкций типа металл-пластик. Он основан на анализе длительности реверберации ультразвуковых импульсов в одном из слоёв.

От рассмотренных акустических методов неразрушающего контроля существенно отличается импедансный метод (рис. 6.4, г), основанный на анализе изменения механического импеданса участка поверхности контролируемого объекта, с которым взаимодействует преобразователь.

На использование стоячих волн основаны следующие методы:

1. Локальный метод свободных колебаний. Он основан на анализе спектра возбуждённых в части контролируемого объекта с помощью ударов молоточка-вибратора. (рис. 6.4, д)
2. Интегральный метод свободных колебаний. Механическим ударом возбуждаются вибрации во всём изделии или в значительной его части.
3. Локальный резонансный метод. Применяется в толщинометрии

(рис. 6.4, в)

Интегральный резонансный метод. Применяют для определения модулей упругости материала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебаний изделий простой геометрической формы.

К методам вынужденных колебаний относят акустико-топографический, акустико-эмиссионный метод. (рис. 6.4, е)

Рис. 6.4. Схемы основных акустических методов контроля