В этом методе ОК возбуждают пе­риодическими ударами и анализируют спектры свободных колебаний прилегаю­щей к преобразователю небольшой по площади зоны. Контроль выполняется при одностороннем доступе к ОК [203, 247, 249].

Основная область применения ме­тода - контроль соединений в многослой­ных конструкциях, особенно выполнен­ных с применением слоев из ПКМ и пла­стиков с малой плотностью и низкими модулями Юнга.

Метод использует изгибные колеба­ния звукового диапазона частот (до 20 кГц). Информативным параметром служит частотный спектр возбуждаемых импульсов. Он является обобщенной ха­рактеристикой, содержащей все сведения об амплитуде, форме, длительности, час­тотном и фазовом составе колебания.

Спектр представляет собой ком­плексную функцию, содержащую дейст­вительную и мнимую составляющие. Од­нако пока используют только амплитуд­ный спектр, т. е. модуль комплексной спектральной функции. Поэтому далее под спектром будем понимать его модуль. Спектральная обработка позволяет пред­ставить информацию в наглядной и удоб­ной для восприятия форме, что выгодно отличает ее от многих других способов.

Спектр ударно возбужденного им­пульса определяется параметрами ударно­го вибратора и ОК. В зоне дефекта этот спектр меняется в результате изменения механических импедансов ОК для соот­ветствующих частотных составляющих спектра. Это меняет колебательные скоро­сти этих составляющих, а значит, и ам­плитуды сигналов на выходе преобразо­вателя.

Если контролируемый участок ОК в рабочем диапазоне не обладает выражен­ными собственными частотами (что ха­рактерно для бездефектных зон), то воз­буждаемое в ОК акустическое колебание имеет форму видеоимпульса без заполне­ния. Его амплитуда, длительность и спектр определяются модулем Юнга Енс наружного слоя ОК, значениями механи­ческих импедансов ОК в рабочем диапа­зоне частот и параметрами подвижной системы ударного преобразователя. Зна­чение Ет определяет контактную гибкость Кк (см. разд. 2.5.1), которая с уменьшени­ем Ет увеличивается.

В отличие от рассмотренного в разд.

2.5.1 случая передачи упругих колебаний контактной гибкостью в условиях посто­янной сжимающей и намного меньшей переменной силы в процессе соударения гибкость Кк меняется, уменьшаясь с уве­личением силы. Эта зависимость усилива­ется еще и тем, что деформация, как пра­вило, выходит за пределы упругой облас-

ти. Поэтому при ударе контактная гиб­кость является существенно нелинейным элементом системы.

В зоне дефекта модули механических импедансов спектральных составляющих импульса изменяются. Это меняет колеба­тельную скорость дефектного участка, что отмечается приемником преобразователя дефектоскопа. Таким образом, дефект ре­гистрируется по изменению амплитуды импульса, и его можно обнаружить, не прибегая к спектральному анализу. Одна­ко если в рабочем диапазоне частот де­фектный участок имеет собственные час­тоты, то они появляются и в спектре воз­буждаемого в ОК импульса, вызывая подъем амплитуд соответствующих спек­тральных составляющих. При этом дефект будет обнаружен, даже если амплитуда импульса не изменится или уменьшится. В этом отношении спектральная обработка эффективнее амплитудной.

Снижение Енс и уменьшение модулей механических импедансов ОК в диапазоне рабочих частот увеличивают длительность импульса соударения и сужают спектр, обедняя его высокочастотными состав­ляющими. Поэтому спектры импульсов, ударно возбуждаемых в ОК с наружными слоями из мягких материалов, изделиях с легкими заполнителями и ОК из ПКМ, обычно лежат в пределах до 5 ... 8 кГц. В многослойных изделиях из металлов воз­буждаются более короткие импульсы, об­ладающие более широкими спектрами.

Параметрами преобразователя, вли­яющими на длительность и спектр ударно ударно возбуждаемых импульсов, являют­ся масса подвижной системы ударного вибратора и (в меньшей степени) началь­ная скорость ее соударения с ОК. Умень­шение этой массы и увеличение скорости расширяют спектр возбуждаемых импуль­сов. В используемых электромагнитных вибрато-рах массы подвижных систем составляют доли и единицы граммов, ско­рости соударений - до 1 м/с.

Аппаратура. Упрощенная структур­ная схема дефектоскопа для контроля рас­сматриваемым методом (МСК-дефектос­копа) показана на рис. 2.108. Генератор 1 прямоугольных импульсов питает элек­тромагнитный ударный вибратор 2 преоб­разователя 3. Находящийся в общем кор­пусе с вибратором 2 микрофон 4 преобра­зует возбужденный в ОК свободно зату­хающий акустический импульс в электри­ческий сигнал. Последний поступает на усилитель 5, соединенный с работающим в реальном масштабе времени спектроа­нализатором 6. Полученный спектр после обработки в блоке 7 индицируется на ин­дикаторе 8.

Диапазон рабочих частот спектроа­нализатора определяется параметрами его преобразователя и ОК. Обычно этот диа­пазон выбирают в пределах 0,3 ... 20 кГц. Для контроля изделий из "глухих" мате­риалов с низкими модулями упругости достаточно полосы частот до 4 ... 5 кГц; изделия из более "звонких" материалов (например, металлов) обладают более ши­рокими спектрами.

В первых моделях отечественных МСК-дефектоскопов семейства ЧИКП, разработанных под руководством В. А, Ку- навиной в 60-х - 70-х гг. XX в., анализ спектра выполнялся настройкой селектив­ного усилителя вручную. В 80-х годах прошлого столетия в НИИ интроскопии (Москва) были разработаны дефектоскопы АД-50У и АД-60С, в которых предусмот­рена возможность наблюдения спектров принятых импульсов [203]. Для этого ис­пользованы аналоговые спектроанализа­торы с параллельно включенными 12-ю полосовыми фильтрами, перекрывающи­ми весь рабочий диапазон частот.

Спектр представляется на световом табло в виде 12 светящихся столбов, вы­сота которых определяется уровнями сиг­налов в соответствующих каналах. Дефект регистрируется по изменению этих уров­ней в одном или нескольких наиболее ин­формативных частотных каналах. Позд­нее, в связи с развитием цифровой техни­ки появилась возможность применить для спектрального анализа быстрое преобра­зование Фурье. Практически оказалось достаточным представление спектра 64 гармониками.

Дефект регистрируют по изменению разности между соответствующими гар­мониками текущего и опорного (полу­ченного в бездефектной зоне и усреднен­ного) спектров (см. также разд. 2.5.2). В бездефектной зоне благодаря неизбеж­ному разбросу показаний эта разность находится в пределах, ограниченных верхним и нижним порогами АСД. В зо­нах дефектов она выходит за эти пороги, что отмечается АСД. Такая система реали­зована в компьютеризированном дефекто­скопе АД-64М, в котором предусмотрены также различные способы представления информации, запоминание настроек и ре­зультатов контроля и прочие сервисные возможности, реализуемые с помощью входящего в комплект прибора портатив­ного компьютера [215].

Преобразователи. В МСК-дефектос - копах применяют преобразователи с одно­типными электромагнитными ударными вибраторами, но разными приемниками упругих колебаний: бесконтактными мик­рофонами, воспринимающими колебания ОК через слой воздуха, и миниатюрными пьезоприемниками, имеющими с ОК по­стоянный сухой точечный контакт.

Ударный вибратор возбуждают пря­моугольными импульсами, подаваемыми в катушку электромагнита. Ход подвижной системы вибратора - несколько миллимет­ров, частота следования ударов - 25 Гц.

При бесконтактном (микрофонном) приеме после кратковременного удара прилегающий к преобразователю участок ОК совершает свободно затухающие ко­лебания, спектр которых определяется только параметрами ОК и ударного вибра­тора преобразователя. Микрофоны чувст­вительны к звуковому давлению в возду­хе, пропорциональному колебательной скорости ОК, поэтому амплитуда электри­ческого сигнала на выходе микрофона пропорциональна этой скорости. Приме­няемые электретные микрофоны обладают относительно равномерной амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ) в пре­делах 50 Гц... 12 ... 15 кГц. Однако это справедливо для открытого пространства, тогда как в преобразователе микрофон находится в замкнутом объеме, резонансы которого могут влиять на его АЧХ.

В преобразователе с пьезоэлектриче­ским приемником микрофон заменен ми­ниатюрным пьезоприемником, подобным применяемым в виброизмерительной тех­нике акселерометрам. Как и акселерометр, рассматриваемый приемник чувствителен к ускорению а, амплитуда А которого свя­зана с амплитудой V колебательной скоро-

сти соотношением А = со К Однако в отли­чие от акселерометра, при монтаже кото­рого стремятся по возможности умень­шить гибкость зоны контакта с ОК, пьезо­приемник МСК-дефектоскопа имеет с ОК сухой контакт в небольшой по площади зоне (сухой точечный контакт). Послед­ний обеспечивает свободное перемещение по поверхности ОК, но обладает значи­тельной гибкостью (см. разд. 2.5.1), суще­ственно влияющей на характеристики приемника.

Пьезоприемник прижимается к ОК в непосредственной близости от зоны его соударения с бойком. Приемник (рис. 2.109), содержащий склеенные между со­бой пьезоэлемент 4 (его диаметр 4 мм, толщина 2 мм), тыльную массу 5 и кон­тактный наконечник 6, расположен в кап­суле 1 и изолирован от нее слоем губчатой резины 7. Капсула I прижимается к ОК 3 пружиной 2 с постоянной силой. Зазор между капсулой и пьезоэлементом запол­нен герметиком 8. Капсула 1 может пере­мещаться в стакане 9, неподвижно закреп­ленном на корпусе преобразователя. Пье­
зоприемник соединен с дефектоскопом экранированным кабелем.

В отличие от микрофона пьезопри­емник находится в постоянном контакте с ОК и влияет на режим колебаний послед­него. Анализ АЧХ нагруженного пьезо­приемника, выполненный на основе его полной эквивалентной схемы, приведен в работе [209]. Пьезоприемник можно пред­ставить упрощенной схемой замещения, показанной на рис. 2.110. Источником колебаний является ОК, изображенный эквивалентным генератором скорости v, шунтированным механическим импедан­сом OK: Z„ = R„ + /(ит„ - 1 /ыК„) = R,, + +]ХН. Обычно Х„ < 0,причем | Хн » RH. На рис. 2.110 Кк - контактная гибкость (см. разд. 2.5.1); ти т2 и /из - массы контакт­ного наконечника, пьезоэлемента и его тыльной нагрузки соответственно.

Если приемник не прижат к ОК, то v2 = v3 = 0 и vi = v. Колебательная скорость нагруженного пьезоприемника vf= v - Vi - - v2 Электрическое напряжение на пьезо­элементе определятся СИЛОЙ F = УзСО(/Из + + ти2/2). Пьезоприемник представляет для ОК нагрузку в виде соединенных цепоч­кой контактной гибкости Кк и массы М = гп + т2+ /из - Импеданс этой нагрузки 2 %/М

1 - ю2 Ж,

где f =---------- -- -■ - собственная частота

2% 4МКК

нагружающей ОК системы.

Нагрузка ОК, образованная элемен­тами М и Кк, представляет собой узкопо­лосную резонансную систему. При f </ импеданс ZBX = jXBX имеет инерционный характер и, следовательно, снижает собст­венную частоту ОК. При / > f импеданс Хш становится упругим, что повышает измеряемую собственную частоту ОК. Для уменьшения погрешности измерения, вно­симой пьезоприемником, в МСК-дефекто - скопах массу М выбирают минимальной. Это справедливо и для пьезоприемников,

используемых для контроля интегральным методом свободных колебаний

Измеренные собственные частоты системы М, Кк для пьезоприемника с мас­сой М— 1,5 г при нагрузке на достаточно толстые образцы (|ZHf>> 1/соКк) состав­ляют для стали f = 11,8 кГц, для капро - лона 4,33 кГц

Погрешность, вносимая приемником, зависит от импеданса ОК, уменьшаясь с увеличением его модуля В локальном методе свободных колебаний модули им - педансов, отделенных дефектами зон, ма­лы, поэтому влияние пьезоприемника на регистрируемые частотные спектры вели­ко В результате спектры, регистрируемые микрофонным и пьезоэлектрическим при­емниками, различны

На рис 2 111 показаны опорные и те­кущие спектры сигналов преобразовате­лей с рассматриваемыми приемниками, полученные на двухслойном образце из алюминиевого сплава с обшивкой толщи­ной 0,6 мм, приклеенной к толстому (10 мм) основанию Дефект - сквозное
отверстие диаметром 20 мм в основании Собственная частота отделенного дефек­том участка обшивки ~ 11 кГц Бескон­тактный микрофонный приемник четко регистрирует собственную частоту ОК в зоне дефекта, тогда как пьезоэлектриче­ский отмечает только смещение спектра системы приемник - дефект ОК в область более низких частот

Локальный метод свободных колеба­ний особенно эффективен для контроля изделий с наружными и внутренними слоями из мягких материалов с большими коэффициентами затухания упругих волн, контроль которых другими методами при одностороннем доступе затруднен или невозможен Сюда относятся ОК с мягки­ми (например, резиноподобными) покры­тиями на жестких силовых каркасах, изде­лия с обшивками из ПКМ и пенопласто­выми заполнителями и т п Примеры при­менения метода будут приведены в гл 4 Недавно разработан бесконтактный вариант МСК, основанный на возбужде­нии свободных колебаний в ОК ударной
воздушной волной и приеме лазерным оптическим методом [425, с. 108/055]. В отличие от традиционного возбуждения ОК в точке соударения с ударным вибра­тором преобразователя ударная волна воз­буждает колебания одновременно на зна­чительной площади ОК, расположенного на расстоянии до 3 м от излучателя. Принцип метода, его возможности и об­ласти применения будут описаны в разд. 4.3.2.