Этот метод применяют для НК мно­гослойных конструкций, ОК из ПКМ и других подобных изделий. Контроль про­водится по сухим поверхностям без при­менения контактных смазок или погруже­ния ОК в ванну с жидкостью. Метод ис­пользует влияние дефектов на скорость распространения упругих волн и длину их пути между излучающим и приемным

преобразователями дефектоскопа [203, 206, 249]. Сущность метода отражена в его названии: velocitas - скорость (лат.), метрический - измерительный.

В контролируемом изделии возбуж­дают непрерывные или импульсные низ­кочастотные (20 ... 60 кГц) УЗ-колебания, распространяющиеся в виде антисиммет­ричных волн нулевого порядка (мода ао) и продольных волн. В случае импульсного излучения число периодов в импульсе должно быть достаточным для формиро­вания в слое волны а0.

Дефекты регистрируют по измене­нию сдвига фазы принятого сигнала или времени распространения импульса на участке между излучателем и приемником упругих колебаний. Эти параметры прак­тически не зависят от силы прижатия пре­образователя к ОК, состояния акустиче­ского контакта и других факторов, поэто­му метод отличается повышенной ста­бильностью показаний. Излучатели и при­емники УЗ-колебаний, представляющие собой составные конструкции из активных (пьезопластин) и пассивных элементов,

называют вибраторами.

В основе метода лежат зависимости фазовой ср и групповой cg скоростей распространения волны ц0 от частоты / и толщины h слоя, как показано на рис. 1.10. На рис. 2.96 эти зависимости представле­ны (качественно) в функции от произведе­ния fh. С ростом fh обе кривые асимпто­тически приближаются к скорости cs по­верхностной волны Рэлея.

В процессе контроля частота обычно постоянна, переменной является только толщина. При работе непрерывными ко­лебаниями волна «о распространяется с фазовой скоростью. При импульсном из­лучении передний фронт волны распро­страняется с групповой скоростью, нули импульса (т. е. точки волнового пакета с нулевой амплитудой) - с фазовой.

Метод применяют в нескольких ва­риантах. В фазовых способах дефект ре­гистрируют по изменению фазы сигнала, во временном способе - по изменению времени его прохождения.

Рассмотрим варианты фазовых спо­собов.

2.9. Способы и варианты велосиметрического метода

Способ	Вариант	Излучение	Схема контроля	Доступ к изделию
Непрерывное
Импульсное
II
Односторонний
Фазовый
III
Непрерывное
IV	Двусторонний
Импульсное
V
Временной

В первом варианте преобразователь содержит расположенные в общем корпу­се излучающий И и приемный П вибрато­ры с фиксированным расстоянием / между осями (табл. 2.9 вверху). От излучателя во все стороны распространяется непрерывно излучаемая волна а0. В отсутствие дефек­тов фазовая скорость cpi определяется толщиной h изделия. При расположении преобразователя над расслоением ско­рость сР2 волны соответствует толщине h2 разделенного дефектом слоя, причем, как следует из рис. 2.96, ср2 < cpi. С уменьше­нием скорости меняется фаза бегущей волны в точке приема, что служит основ­ным признаком дефекта. Это изменение фазы составляет

Аф = - ю/ (1/сР2 - 1/Cpi). (2.45)

Если в ОК из однородного материала распространяется чисто изгибная волна, т. е. выполняется условие (1.6), то

где Е - модуль Юнга; v - коэффициент Пуассона материала в направлении рас­пространения волны.

Дополнительным признаком дефекта является обычно наблюдаемое увеличение амплитуды принятого сигнала (см. разд. 2.5).

Второй вариант (импульсный фазо­вый метод) реализуется также при одно­стороннем доступе к ОК, но отличается от первого использованием импульсного излучения. Изменение фазовой скорости упругих волн над дефектами регистриру­ется по смещению нулей импульса, при­нятого приемным вибратором [78, 203].

В третьем варианте излучатель И и приемник П упругих волн располагаются по разные стороны от ОК (табл. 2.9 вни­зу). Соосное перемещение преобразовате­лей обеспечивается скобой. В отсутствие дефекта (расслоения, нарушения соедине­ния между элементами конструкции) не­прерывные упругие колебания проходят через ОК кратчайшим путем в виде про­дольной волны L. В разделенных дефек­том D слоях энергия распространяется в форме волн а0, которые проходят больший путь и движутся с меньшими скоростями, чем продольная волна. Поэтому в зоне дефекта фаза волны в точке приема отста­ет от фазы на доброкачественном участке,

что служит основным признаком дефекта. Иногда дефект, особенно расположенный вблизи поверхности изделия, уменьшает амплитуду принятого сигнала. Это являет­ся дополнительным его признаком.

Четвертый вариант отличается от третьего использованием импульсного излучения. Дефект регистрируют по сме­щению нулей принятого импульса.

Временной способ реализуется при двустороннем доступе с применением им­пульсного излучения [203, 249] (табл. 2.9, вариант V). Дефект увеличивает время прохождения импульса от излучающего к приемному преобразователю, что приво­
дит к запаздыванию переднего фронта (первого вступления) принятого сигнала. В отличие от временного метода прохож­дения (см. разд. 2.3.2) запаздывание им­пульса обусловлено не столько увеличе­нием пути, сколько изменением типа волн в зоне дефекта с продольных на волны а0, распространяющиеся с меньшими скоро­стями. Увеличение задержки переднего фронта принятого импульса определяется формулой

cg2 cg3 cl

где cg2 и cg3 - групповые скорости распро­странения волн а0 в разделенных дефек­том слоях; h] - общая толщина OK; h2 - глубина залегания дефекта.

Так как групповые скорости волн а0 в разделенных дефектом слоях много мень­ше скорости продольной волны, дефект вызывает большее запаздывание передне­го фронта принятого сигнала, чем в слу­чае прохождения всего пути между преоб­разователями продольной волной. На рис. 2.97 показаны экспериментальные зависимости задержки переднего фронта принятого сигнала от ширины расслоения в виде полосы в листе из текстолита. Уве­личение задержки меняет также фазу пер­вой полуволны принятого импульса, что является следствием дисперсии скорости, когда фазовая скорость отличатся от груп­повой.

Зависимости фазовой ср и групповой cg скоростей волны «о от параметра fh раз­личны (см. рис. 2.96). При малых значени­ях fti групповая скорость меняется сильнее фазовой. Однако если фазовая скорость однозначно определяется значением fh, то для групповой скорости имеется область неоднозначной зависимости. При работе с непрерывным излучением информатив­ным параметром служит изменение фазы сигнала, происходящее вследствие изме­нения фазовой скорости. При этом упомя­нутая неоднозначность исключается.

При импульсном излучении можно использовать влияние дефектов как на групповую, так и на фазовую скорость. Изменение групповой скорости регистри­руют по смещению переднего фронта принятого сигнала, фазовой - по смеще­нию нулевых значений импульса.

При регистрации крупных, неглубоко залегающих дефектов всеми фазовыми вариантами метода фаза информативного сигнала может меняться более чем на 180°. Это ведет к неоднозначности пока­заний, требуя дополнительной расшиф­ровки полученных результатов. Указанно­го недостатка лишен временной способ, при котором время задержки принятого сигнала однозначно связано с параметра­ми дефекта. При этом ввиду значительно­го различия скоростей продольной волны (в бездефектной зоне ОК) и волн а0 в раз­деленных дефектом слоях даже небольшие дефекты существенно увеличивают время задержки импульса (см. рис. 2.97)

Аппаратура. Велосиметрический метод был предложен в России в 1962 г. и впервые реализован в отечественном де­фектоскопе УВФД-1 [218]. В нем исполь­зованы первый и третий варианты метода. Признаки дефекта - изменение фазы (ос­новной) и амплитуды (дополнительный) синусоидального сигнала. Рабочие часто­ты 25,40 и 60 кГц.

В последующих отечественных и иностранных моделях велосиметрических дефектоскопов применялись варианты метода (см. разд. 2.3.5), использующие импульсное излучение. Отечественный дефектоском АД-10У [213] имеет те же рабочие частоты, что и УВФД-1. Все ино­странные велосиметрические дефектоско­пы используют схему с односторонним доступом к ОК. Американские приборы "Sondicator S2B" фирмы Sperry [394], Har­monic Bond Tester Mark II фирмы Shurtron - ics и "MIZ-21Sra" фирмы Zetec работают импульсами с центральной частотой 25 кГц. Расстояние между осями излучающе­го и приемного вибраторов порядка 20 ... 25 мм. Признаками дефекта служат сдвиг
служат сдвиг фазы и изменение амплиту­ды импульса. Упомянутые приборы по­зволяют также определять упругую анизо­тропию ПКМ, определяемую схемой ар­мирования.

В дефектоскопе Bondmaster фирмы Staveley (США) используется амплитудно­фазовая обработка сигнала. Вибраторы преобразователя этого прибора распола­гают по одну сторону от ОК. В ОК излу­чают упругие волны «о меняющейся час­тоты (в пределах 20 ... 40 кГц). Результа­ты контроля представляют на дисплее в виде годографа, координатами изобра­жающей точки которого служат амплиту­да и фаза информативного сигнала. Де­фекты отмечают по изменению формы годографа и выходу изображающей точки за определенные пределы.

Преобразователи. В РС-преобразо - вателях, применяемых для контроля с од­носторонним доступом, излучающий и приемный вибраторы расположены в об­щем корпусе и электрически и акустиче­ски изолированы друг от друга. В раз­дельных преобразователях, используемых при двусторонним доступе, обеспечивает­ся соосное расположение вибраторов по разные стороны от ОК.

преобразователей велосиметрического
дефектоскопа:

а - с дисковыми пьезоэлементами;

6-е пьезоэлементами прямоугольного сечения

(поперечный пьезоэффект)

Для излучения и приема упругих ко­лебаний в преобразователях велосиметри - ческих (а также рассмотренных в разд. 2.5 импедансных) дефектоскопов применяют составные пьезовибраторы, работающие на основных собственных частотах. Кроме пьезопластин, эти вибраторы содержат пассивные элементы (металлические на­кладки), служащие для получения нужных собственных частот, а также износостой­кие контактные наконечники. Использу­ют продольный и поперечный пьезоэф­фекты [203].

В первом случае (рис. 2.98, а) вибра­тор содержит пакет 1 из нескольких дис­ковых пьезоэлементов, во втором (рис. 2.98, 6) пьезоэлементы 2 имеют фор­му прямоугольных брусков с электродами на боковых сторонах. К обращенной в сторону ОК накладке 3 приклеен износо­стойкий корундовый контактный нако­нечник 4 (5 - пассивная накладка). Вибра­торы с поперечным пьезоэффектом имеют минимальное число клеевых швов, увели­чивающих разброс и ухудшающих ста­бильность собственных частот, и более технологичны.

Обычно применяют симметричные составные вибраторы с одинаковыми на­кладками. Расчет их собственных частот наиболее прост. Рассматриваемые вибра­торы имеют множество собственных час­тот. Приводимые ниже соотношения носят общий характер и справедливы для всех этих частот. Чаще всего представляют интерес только низшая резонансная fp и низшая антирезонансная /л частоты.

Электрическая цепь вибратора на­гружена на комплексный импеданс Z„ обычно имеющий активно-емкостный ха­рактер. На собственные частоты вибрато­ра влияет емкость См электрической цепи. Нагрузку этой цепи будем характеризо­вать отношением а = С/См, где С - ем­кость пьезоэлемента (для пакета пьезо­элементов - общая его емкость).

Особенность рассматриваемых виб­раторов - малое отношение поперечных размеров к длине волны. Поэтому пред­ставленные далее формулы для вибратора
с продольным пьезоэффектом получены из эквивалентной схемы именно для этого случая (см. рис. 1-78), для вибратора с по­перечным пьезоэффектом — из эквива­лентной схемы на рис. 1.80.

Резонансная частота fv ненагружен - ного вибратора с продольным пьезоэф­фектом (см. рис. 2.98, а) определяется выражением (2.46) где W = P1C1S) и W0 = Ро с0 So, k = co/ci и k(, = co/со, 1 и l0 ~ волновые сопротивле­ния, волновые числа и толщины накладки и пьезоэлемента соответственно (для па­кета пьезоэлементов /0 _ общая толщина пакета); (З33 - коэффициент электромеха­нической связи пьезоэлектрика для коле­баний по толщине. Поперечный размер рассматриваемых вибраторов обычно мал по сравнению с длиной волны, поэтому

ct = у Е / р. Скорость звука в пьезоэле­менте с продольным пьезоэффектом Cl = д/сл / р (см. разд. 1.4.5).

Антирезонансная частота того же вибратора удовлетворяет условию

-^-tg(y,)=ctg(

7 2-%— ■ (2.47) (1 + <Wo

В отличие от резонансной антирезонанс­ная частота зависит от импеданса элек­трической цепи (параметра а = С7СМ). При См = 0 (электрическая цепь разомкнута) антирезонансная частота максимальна и определяется уравнением tg(Vi) = ctg

При См -> со и в более общем случае, IZ, | 0, антирезонансная частота стре­

мится к резонансной.

Резонансная частота вибратора с по­перечным пьезоэффектом (см. рис. 2.98, б) удовлетворяет уравнению

tg(Mi) = ctg

антирезонансная - уравнению

tg(Mi)=ctg

_____ 2аРзі

(l + a)(l-p23i)k0l0

где (З31 - коэффициент электромеханиче­ской связи для поперечного пьезоэффекта (для пьезокерамики обычно (З31 « 0,5(333). При вычислении волнового сопротивле­ния W0 и волнового числа к0 скорость

звука принимают равной с0 = (см.

разд. 1.4.5).

Как и в предыдущем случае, при См —> со антирезонансная частота стремит­ся к резонансной. Отношение/а//р близко к единице, причем антирезонансная частота всегда больше резонансной. С ростом (З33 (или р31) разница этих частот увеличива­ется, поэтому антирезонансная частота больше для вибратора с продольным пье­зоэффектом. Отношение fjfv максимально для пьезоэлемента без накладок при ис­пользовании продольного пьезоэффекта. Для керамики ЦТС-19 (Р33 = 0,4) с разомк­нутой электрической цепью fjfv = 1,0694 [141]. С ростом отношения /;//0 разница между резонансной и антирезонансной частотами уменьшается.

При расчете составного вибратора задаются частотой, параметрами пьезо­элемента, материалом и диаметром на­кладки, а также [при использовании фор­мул (2.47) и (2.50)] значением а. Толщину накладки определяют по соответствующей формуле. Например, из (2.47) находим = -—arctg - *i

Приведенный расчет не учитывает влияния клеевых швов и акустической нагрузки вибратора на ОК. Акустическая нагрузка обычно имеет упругий характер и, следовательно, повышает собственную частоту. Клеевые швы ее понижают. Па­
раметром, влияющим на собственную час­тоту вибратора, является гибкость шва Кш = 1/ES, где / - толщина клеевой пленки, Е - модуль Юнга клея; S - площадь шва. Поэтому следует применять клей с воз­можно высоким значением Е, уменьшать толщину и увеличивать площадь шва.

Клеевые швы снижают собственные частоты составных вибраторов тем силь­нее, чем их больше и чем они ближе к пучности силы, обычно расположенной вблизи среднего сечения вибратора. По­этому собственная частота вибратора, показанного на рис. 2.98, б, меньше зави­сит от клеевых швов, чем вибратора, ис­пользующего продольный пьезоэффект (см. рис. 2.98, а). Так, для вибратора типа рис. 2.98, а с шестью пьезоэлементами клеевые соединения снижают частоту на 15 ... 20 %, для вибратора на рис. 2.98, б - всего на несколько процентов [203; 211].

Рассмотренные вибраторы обладают значительной добротностью (Q > 10) и используются парами. Поэтому для дос­тижения максимальной амплитуды приня­того сигнала собственные частоты излу­чающего и приемного вибраторов должны совпадать. Даже при полной идентичности вибраторов различие импедансов их элек­трических цепей может вызвать различие собственных частот, достаточное для зна­чительного изменения уровня принятого сигнала.

Как известно, максимальная передача энергии от генератора к нагрузке наблю­дается при согласовании импедансов их электрических цепей. Импедансы Z = = R + jXі и Z2=R2+ jX.2 будут согласова­ны, если R[ = R2 и Х = - Х2. В режиме из­лучения нагрузкой генератора служит электрическая цепь преобразователя. В режиме приема роль генератора выполня­ет преобразователь, роль нагрузки - вход­ная цепь усилителя.

Максимальная эффективность излу­чения соответствует резонансной частоте вибратора, когда его входной электриче­ский импеданс минимальный и чисто ак­тивный. Поэтому для возбуждения целе­сообразно использовать электрические
генераторы с малым выходным импедан­сом.

Наибольшее напряжение в разомкну­той электрической цепи приемного пье­зопреобразователя (в том числе составно­го вибратора) наблюдается на его антире - зонансной частоте [127], максимальный ток в низкоомной (короткозамкнутой) цепи - на резонансной.

При возбуждении излучающего виб­ратора на его резонансной частоте гене­ратором с низким выходным импедансом для исключения расстройки вибраторов и обеспечения максимальной амплитуды принятого сигнала имеются следующие возможности:

1) приемный вибратор, нагруженный на высокоомную цепь усилителя напря­жения, работает на антирезонансной час­тоте, совпадающей с резонансной часто­той излучающего вибратора. В этом слу­чае вибраторы должны быть различны;

2) приемный вибратор нагружен на входную цепь усилителя тока с низкоом­ным входным импедансом, равным вы­ходному импедансу генератора [185, 216]. В таком случае антирезонансная и резо­нансная частоты приемного вибратора сближаются. Поэтому оба вибратора мо­гут быть практически одинаковыми.

При работе в импульсном режиме в излучающем вибраторе возбуждают сво­бодные колебания путем разряда емкости его пьезоэлемента через тиристор. По­следний открывают на короткий промежу­ток времени так, что процесс свободных колебаний происходит уже при запертом тиристоре. Поэтому на центральную час­тоту возбуждаемого акустического им­пульса влияет выходной импеданс запер­того тиристорного генератора, опреде­ляющийся емкостью соединительного ка­беля и высокоомным сопротивлением за­рядного резистора. В этом случае для уст­ранения расстройки вибраторов импеданс электрической цепи приемного вибратора должен быть таким же, как излучающего. Этому условию удовлетворяет усилитель напряжения с высоким входным импедан­сом. Оба вибратора могут быть практиче­ски идентичны.

В преобразователях для контроля с односторонним доступом к ОК расстояние между осями вибраторов выбирают по­рядка длины упругой волны (20 ... 30 мм). Во всех преобразователях вибраторы прижимают к контролируемому изделию пружинами.

Основная область применения ме­тода - обнаружение дефектов соединений между элементами многослойных конст­рукций из ПКМ и металлов, расслоений в неметаллических слоях таких конструк­ций и изделиях из ПКМ [203,218,394].

При использовании односторонних вариантов метода показания дефектоскопа зависят от ориентации преобразователя относительно армирующих волокон, по­этому метод полезен для определения ани­зотропии ПКМ.

Возможности и особенности мето­да. Односторонним вариантам метода свойственна неконтролируемая зона, при­легающая к поверхности, противополож­ной поверхности ввода упругих колеба­ний. Она составляет 20 ... 40 % толщины изделия. Двусторонние варианты такой зоны не имеют и позволяют выявлять де­фекты во всех сечениях ОК, кроме очень близких (< 0,3 ... 0,5 мм) к поверхности, которые могут "захлопываться" под дей­ствием статической силы прижатия вибра­торов к ОК.

Односторонним вариантам метода присущи интерференционные помехи, затрудняющие контроль небольших ОК, не содержащих сильно поглощающих уп­ругие колебания неметаллических слоев. По этой же причине обычно не удается обнаруживать дефекты вблизи краев и зон резкого изменения сечений контролируе­мых изделий. Указанные помехи обуслов­лены интерференцией бегущей волны с волнами, прошедшими от излучающего к приемному преобразователю некратчай­шим путем (отраженными от границ и участков изменения сечения, обогнувши­ми изделие по окружности И Т. П.).

Интерференционные помехи наи­большие в первом варианте фазового спо­соба, когда используются непрерывные колебания. В этом случае краевая некой - тролируемая зона может достигать 20 ... 50 мм. Двусторонние варианты метода почти не подвержены влиянию интерфе­ренционных помех.

Чувствительность зависит от пара­метров контролируемых изделий и глуби­ны залегания дефектов, уменьшаясь с уве­личением последней. Минимальная пло­щадь обнаруживаемых дефектов 1 ... 15 см2, причем большие значения соответствуют большим глубинам залегания.

Методика контроля основана на ска­нировании ОК. При контроле с двусто­ронним доступом приспособления для сканирования должны обеспечивать соос­ность излучающего и приемного преобра­зователей и перпендикулярность осей преобразователей к поверхности с откло­нением < 5°.