Акустический контроль

 

Методы собственных частот (рис. 9) основаны на измерении этих частот (или спектров) колебаний контролируемых объектов. Собственные частоты измеряют при возбуждении в изделиях как вынужденных, так и свободных колебаний. Свободные колебания обычно возбуждают механическим ударом, вынужденные - воздействием гармонической силы меняющейся частоты.

 

 

Рис. 9 - Методы собственных  частот. Методы колебаний: вынужденных: а – интегральный, б – локальный; свободных: в – интегральный, г  – локальный. 1 - генератор непрерывных  колебаний меняющейся частоты; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приёмник; 5 - усилитель; 6 - индикатор резонанса; 7 - модулятор частоты; 8 - индикатор; 9 - спектроанализатор; 10 - ударный вибратор; 11 - блок обработки информации

 

Импедансные методы (рис. 10, а) используют зависимость импедансов изделий при их упругих колебаниях от параметров этих изделий и наличия в них дефектов. Пассивные акустические методы основаны на анализе упругих колебаний волн, возникающих в самом контролируемом объекте. Наиболее характерным пассивным методом является акустико-эмиссионный метод (рис. 10, б). Явление акустической эмиссии состоит в том, что упругие волны излучаются самим материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие трещин под влиянием внешней нагрузки, аллотропические превращения при нагреве или охлаждении, движение скоплений дислокаций, - наиболее характерные источники акустической эмиссии. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи принимают упругие волны и позволяют установить место их источника (дефекта).

 

Рис. 10 - Методы контроля: а - импедансный; б - акустико-эмиссионный: 1 - генератор; 2 - излучатель; 3 - объект контроля; 4 - приёмник; 5 - усилитель; 6 - блок обработки  информации с индикатором

 

Пассивными  акустическими методами являются вибрационно-диагностический и шумодиагностический. При первом анализируют параметры вибраций какой-либо отдельной детали или узла (ротора, подшипников, лопатки турбины) с помощью приёмников контактного типа, при втором - изучают спектр шумов работающего механизма, обычно с помощью мокрофонных приёмников.

По частотному признаку акустические методы делят  на низкочастотные и высокочастотные. К первым относят колебания в  звуковом и низкочастотном (до нескольких десятков кГц), ультразвуковом диапазоне частот. Ко вторым - колебания в высокочастотном ультразвуковом диапазоне частот: обычно от нескольких сот кГц до 20 МГц. Высокочастотные методы обычно называют ультразвуковыми.

 

 

 

 

Глава III. Применение акустических методов

 

Методы неразрушающего акустического контроля широко применяют  благодаря ряду их преимуществ: волны  легко вводятся в объект контроля, хорошо распространяются в металлах, бетоне и других материалах; эффективны при выявлении дефектов с малым раскрытием, чувствительны к изменению структуры и физико-механических свойств материалов, не представляют опасности для персонала. Использование различных типов волн (продольных, поперечных, поверхностных, нормальных и других) расширяет возможности акустических методов неразрушающего контроля.

Мировой опыт показывает, что использование средств ультразвукового  неразрушающего контроля в машиностроении, металлургии, энергетике, строительстве, транспортной промышленности способствует улучшению качества продукции, обеспечению безаварийной эксплуатации энергетических установок и транспортных средств, повышению производительности труда, снижению материалоемкости конструкций и сооружений, улучшению качества выпускаемой продукции, экономии сырьевых и трудовых ресурсов.

Акустический  метод неразрушающего контроля находит  свое применение в различных областях: котлонадзор, системы газоснабжения, подъемные сооружения, объекты горнорудной  промышленности, объекты угольной промышленности, нефтяная и газовая промышленность, металлургическая промышленность, оборудование взрывопожароопасных и химически опасных производств, объекты железнодорожного транспорта, объекты хранения и переработки зерна.

Из рассмотренных  ранее акустических методов неразрушающего контроля наибольшее практическое применение находит эхо-метод. Около 90% объектов, контролируемых акустическими методами неразрушающего контроля, проверяют эхо-методом, применяя различные типы волн. С его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений, многих неметаллических материалов. Эхо-метод используют также для измерения размеров изделий.

Зеркально-теневой  метод акустического контроля используют вместо или в дополнение к эхо-методу для выявления дефектов, дающих слабое отражение ультразвуковых волн в направлении раздельно-совмещенного преобразователя (например, вертикальные трещины).

Эхо-зеркальный метод акустического контроля также  применяют для выявления дефектов, ориентированных перпендикулярно  поверхности ввода. При этом он обеспечивает более высокую чувствительность к таким дефектам, но требует, чтобы в зоне расположения дефектов был достаточно большой участок ровной поверхности. В рельсах, например, это требование не выполняется, поэтому там возможно применение только зеркально-теневого метода. Эхо-зеркальный метод в варианте "тандем" используют для выявления вертикальных трещин и непроваров при неразрушающем контроле сварных соединений. Дефекты некоторых видов сварки, например, непровар при электронно-лучевой сварке, имеют гладкую отражающую поверхность, очень слабо рассеивающую ультразвуковые волны, но такие дефекты хорошо выявляются эхо-зеркальным методом.

Вариант "косой  тандем" применяют, когда расположение преобразователей в одной плоскости  затруднительно. Его используют, например, для выявления поперечных трещин в сварных швах.

Дельта и  дифракционно-временной методы также  используют для получения дополнительной информации о дефектах при неразрушающем  контроле сварных соединений.

Теневой и эхо-сквозной методы используют только при двустороннем доступе к изделию, для автоматического контроля изделий простой формы, например, листов в иммерсионной ванне.

Теневой метод  применяют также для контроля изделий с большим уровнем  структурной реверберации, т.е. шумов, связанных с отражением ультразвука  от неоднородностей, крупных зерен, дефектоскопии многослойных конструкций и изделий из слоистых пластиков.

Локальный метод  вынужденных колебаний применяют  для измерения малых трещин при  одностороннем доступе.

Интегральный  метод вынужденных колебаний  применяют для определения модулей  упругости материала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебаний образцов простой формы, вырезанных из материала изделия, т.е. при разрушающих испытаниях. В последнее время этот метод используют также для неразрушающего контроля небольших изделий: абразивных кругов, турбинных лопаток.

Интегральный  метод свободных колебаний используют для проверки бандажей вагонных колес  или стеклянной посуды "по чистоте  звона" с субъективной оценкой  результатов на слух.

Реверберационный, импедансный, велосимметрический, акустико-топографический методы и локальный метод свободных колебаний используют в основном для контроля многослойных конструкций. Реверберационным методом обнаруживают, в основном, нарушения соединений металлических слоев (обшивок) с металлическими или неметаллическими силовыми элементами или наполнителями. Импедансным методом выявляют дефекты соединений в многослойных конструкциях из композиционных полимерных материалов и металлов, применяемых в различных сочетаниях. Велосимметрическим методом и локальным методом свободных колебаний контролируют, в основном, изделия из полимерных композиционных материалов. Акустико-топографический метод применяют для обнаружения дефектов преимущественно в металлических многослойных конструкциях (сотовые панели, биметаллы и т.п.).

Вибрационно-диагностический  и шумо-диагностический методы служат для диагностики работающих механизмов. Метод акустической эмиссии применяют  в качестве средства исследования материалов, конструкций, контроля изделий (например, при гидроиспытаниях) и диагностики во время эксплуатации. Его важными преимуществами перед другими методами контроля является то, что он реагирует только на развивающиеся, действительно опасные дефекты, а также возможность проверки больших участков или даже всего изделия без сканирования его преобразователем. Основной его недостаток как средства контроля — трудность выделения сигналов от развивающихся дефектов на фоне помех (кавитационных пузырьков в жидкости, подаваемой в объект при гидроиспытаниях, трения в разъемных соединениях и т.д.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В ходе изложения  материала было рассказано о достижении теории и практики в решении различных  задач акустического контроля. Развитие акустических методов происходит по пути изыскания новых путей решения рассматривавшихся акустических задач, а именно, разработки, способов излучения и приема коротких импульсов с узкой диаграммой направленности при пониженном требовании к акустическому контакту, улучшении отношения сигнал - помеха при контроле материалов с крупнозернистой анизотропной структурой; достижения высокой разрешающей способности; разработки высокоинформативных способов оценки формы, размера дефектов; наглядного представления результатов контроля.

Другой подход к определению тенденций развития исходит из задач, вытекающих из требований промышленности. Здесь можно назвать требования по контролю новых материалов типа армированных пластиков, металлокерамики, созданию высокоэффективных способов контроля сварки давлением, измерения внутренних напряжений в изделиях, гарантированного прогнозирования безопасности работы объектов и ряд других.

Для решения  перечисленных проблем находят  новые методы и способы контроля, предлагают новые пьезоматериалы, расширяют  освоенный частотный диапазон, разрабатывают  новую аппаратуру с повышенной чувствительностью и эффективными средствами представления информации, ведут исследования по излучению, распространению, дифракции волн, способам обработки результатов контроля.

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Бреховских  Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред. - М.: Наука, 1989. - 416 с.

2. Викторов И.А.  Ультразвуковые поверхностные волны  в твердых телах. - М.: Наука, 1981. - 288 с.

3. Ермолов И.Н.  Теория и практика ультразвукового  контроля. - М.: Машиностроение, 1981. - 240 с.

4. Иванов В.И., Белов В.М. Акустикоэмиссионный контроль сварки и сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1981. - 284 с.

5. Ланге Ю.В.  Акустические низкочастотные методы  неразрушающего контроля многослойных  конструкций. - М.: Машиностроение, 1991.

6. Методы акустического контроля металлов / Под ред. Н.П. Алешина. - М.: Машиностроение, 1989. - 456 с.

7. Потапов А.И.  Контроль качества и прогнозирование  надежности конструкций из композитных  материалов. - Л.: Машиностроение, 1980.- 261 с.

8. Приборы для  неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2 кн. / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1986. Кн. 2. - 352 с.

9. Скучик Е.  Основы акустики. В 2 т. - М.: Мир, 1976. Т. 2. -546 с.

10. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред.  А.П. Галяминой. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.

11. Ультразвуковые  пьезопреобразователи для неразрушающего  контроля / Под ред. И.Н. Ермолова. - М.: Машиностроение, 1986. - 280 с.

12. Физическая  акустика. В 4 т. Под ред. У.  Мэзона. Т. 1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Ч.А. - М.: Мир, 1966. - 592 с.

13. Чебанов В.Е.  Лазерный ультразвуковой контроль  материалов. - Л.: Из-дат. Ленинградского  университета, 1986. - 232 с.

14. Шрайбер Д.С.  Ультразвуковая дефектоскопия. - М.: Металлургия, 1965. - 392 с.