Основные положения. Преобразова­тели с таким контактом, предназначенные для непрерывного сканирования, имеют сферическую (рис. 2Л13, а), для дискрет­ного перемещения - остроконечную (рис. 2.113, 6) контактные поверхности. СТК исключает использование жидкостей, что позволяет контролировать ОК из гигро­скопичных материалов.

Радиусы кривизны рабочих поверх­ностей преобразователей для непрерывно­го сканирования R = 3 ... 20 мм. Преобра­зователь прижимают к ОК с постоянной силой F0. В зоне контакта действует также переменная сила, обусловленная колеба­ниями преобразователя (излучение) или ОК (прием). Эти колебания могут быть непрерывными или импульсными. Для приемных преобразователей условие Fm < F0 (Fm - амплитуда переменной со­ставляющей силы) выполняется всегда, для излучающих - во многих случаях.

При контакте сферического наконеч­ника со сферой или плоскостью контакт­ная поверхность ограничена окружностью радиуса а, с образующей цилиндра - эл-

липсом [220, 313]. Площадь контактной поверхности очень мала (доли квадратно­го миллиметра), поэтому даже при малых значениях F0. максимальные контактные напряжения атах могут превышать преде­лы пропорциональности апц контакти­рующих материалов. Большие механиче­ские напряжения действуют лишь в малых по объему областях, прилегающих к зоне контакта, быстро убывая при удалении от нее.

Различают статическую и динамиче­скую контактные гибкости. Статическая гибкость определяется как отношение смещения к вызывающей его статической силе: К0 = U0/F(l. Динамическая контакт­ная гибкость - это отношение амплитуды смещения к амплитуде переменной дей­ствующей силы: Кк = UJFm. Далее рас­сматривается динамическая контактная гибкость [203, 217, 249].

Для колебаний звуковых и низких УЗ-частот протяженность области боль­ших контактных напряжений много мень­ше длины волны. Массы материалов в этой зоне и необратимые потери в ней также малы. Поэтому зону контакта мож­но рассматривать как сосредоточенное

2.9. Формулы для расчета параметров СТК в упругой области

Е2 - модули Юнга; Vi и v2 - коэффициенты Пуассона первого и второго тел соответственно.

упругое сопротивление

ZK*jXK = l/j(i)KK, (2.59) где со - круговая частота.

Размерность контактной гибкости - м/Н, однако ввиду малости этой величины ее удобнее выражать в нм/Н.

В табл. 2.9 представлены формулы для вычисления радиуса а контактной зо­ны, максимального напряжения отах и ди­намической контактной гибкости Кк для случая контакта двух тел, сжимаемых ста­тической силой F0. Параметры одного из тел (контактного наконечника преобразо­вателя) имеют индексы 1, другого (ОК) - индексы 2. Формулы справедливы для упругой области и гладких поверхностей контактирующих тел.

Статическая контактная гибкость К0 связана с силой F0 нелинейной зависимо­стью. Динамическая контактная гибкость Кк определяется значением F0, но при Fm « F0 и F0 = const практически не зави­сит от Fm. Расчетные зависимости значе­ния Кк от параметра Е2/( 1 - \) для ОК с плоской поверхностью и стального кон­тактного наконечника с радиусом кривиз­ны R = 15 мм и двух значений силы при­жатия приведены на рис. 2.114. Зависимо­сти диаметра 2а контактной зоны и ошах для того же случая представлены на
рис. 2.115. Расчеты выполнены по форму­лам табл. 2.9 и справедливы для упругой области при отах < опц.

Методика и результаты измерения динамической контактной гибкости для различных материалов описаны в [203, 212, 217]. В упругой области расчетные значения хорошо согласуются с измерен­ными. В упругопластической области ис­тинные значения радиуса а больше, а гиб­кости Кк и напряжения отах меньше рас­четных. Шероховатость контактирующих поверхностей увеличивает контактную гибкость. 80 % упругой деформации при­ходится на поверхностный слой ОК тол­щиной За. При F0 = З Н и контакте с алю­миниевым сплавом толщина этого слоя составляет ~ 0,25 мм, при контакте с орг­стеклом ~ 0,55 мм. Поэтому при контроле многослойных конструкций величина Кк обычно определяется материалом обшивки.

Зона СТК представляет собой сосре­доточенное упругое сопротивление, рас­положенное между преобразователем и ОК и играющее роль пружины с гибко­стью Кк. На рис. 2.116 показаны схемы соединения преобразователя с СТК, на­груженного на ОК с импедансом ZH. Пре­образователь, представленный импедан­сом Z,, через упругий импеданс ZK кон­тактной гибкости нагружен на импеданс Z„ ОК. Система возбуждается силой F.

С уменьшением отношения | Хк | /1 Z„ | передача энергии в ОК и влияние Z„ на режим колебаний преобразователя сни­жаются. При приеме контактная гибкость также затрудняет передачу упругих коле­баний от ОК к преобразователю. Так как импеданс хк обратно пропорционален частоте, эффективность СТК с ростом час­тоты падает. Поэтому такой контакт при­меняют в основном на звуковых и низких УЗ-частотах.

При СТК с остроконечной рабочей поверхностью в ОК практически всегда возникают упругопластические деформа­ции. Поэтому формулы табл. 2.9 для этого случая неприменимы.

Направленность. Преобразователь с СТК, совершающий колебания, нормаль­ные к поверхности ОК, возбуждает в по­следнем волны нескольких типов. При jh» 1 (А - толщина ОК) излучаются про­
дольные, поперечные, поверхностные и головные волны. Диаграммы направлен­ности излучения продольных и попереч­ных волн такого преобразователя в твер­дое полупространство показаны на рис. 1.44. В силу принципа взаимности диа­граммы направленности при излучении и приеме идентичны. Поверхностная и головная волны распространяются во всех направлениях равномерно.

При уменьшении параметра jh кроме перечисленных излучаются также нор­мальные волны (волны Лэмба), относи­тельная энергия которых с уменьшением jh возрастает, а при jh < 1 становится пре-

I ~Ё

обладающей. При jh < 0,0725 |------------- у

VPO-v )

из всех типов волн в ОК превалирует рас­пространяющаяся ненаправленно изгиб - ная волна.

Фрикционные шумы. Для СТК ха­рактерен особый вид помех, называемых фрикционными шумами [203]. Их причина - ускорение приемного преобразователя при его перемещении по шероховатой поверх­ности ОК. В результате в зоне контакта появляется переменная сила, вызывающая
дополнительную составляющую сигнала, которая налагается на полезный сигнал и затрудняет контроль.

Уровень фрикционных шумов растет с повышением скорости сканирования и увеличением шероховатости поверхности ОК. Фрикционные шумы наиболее интен­сивны на частотах до 10 кГц.

Износостойкость. Наконечники пре­образователей с СТК работают в тяжелых условиях сухого трения о поверхности ОК, часто обладающие абразивными свойствами. Поэтому для повышения из­носостойкости наконечники выполняют из твердых материалов' монокристалличе - ского корунда, корундовой керамики, за­каленной стали и т. п.

В преобразователях УЗ-твердомеров, основанных на методе контактного импе­данса, в качестве инденторов служат ал­мазные призмы. Это обусловлено не толь­ко соображениями высокой износостойко­сти, но и необходимостью получения мак­симального модуля Юнга индентора (из всех известных материалов алмаз обладает наибольшим значением Е » 1000 ГПа).

Преобразователи с СТК применяют для контроля несколькими акустическими методами, включая эхометод. Сведения о преобразователях с СТК приведены в разд. 2.3.8, 2.4.3.2, 2.4.4, 2.5.1, 4.14. Инте­ресные результаты их применения для контроля строительных материалов и ис­следования биокомпозитов - костей чело­века - содержатся в монографии [124]

Основные преимущества преобразо­вателей с СТК:

• исключение применения контакт­ных жидкостей;

• малая площадь зоны контакта с ОК, облегчающая контроль ОК с криво­линейными поверхностями и уменьшаю­щая погрешность измерения скорости зву­ка методом прохождения с односторонним доступом по сравнению с традиционными преобразователями с большой площадью контакта.

Недостатки преобразователей с СТК:

• низкая эффективность передачи акустических колебаний, уменьшающаяся с ростом частоты, что препятствует при­менению частот выше 100 ... 150 кГц;

• слабая направленность излучения и приема, затрудняющая применение СТК, например, для контроля эхометодом.