Основы метода. Этот метод является в России одним из основных средств НК соединений в многослойных конструкци­ях, выполненных из различных ПКМ, ме­таллов и других материалов, используе­мых в различных сочетаниях [203, 205, 249]. Метод основан на влиянии дефекта многослойной конструкции на ее механи­ческий импеданс (см. разд. 1.4.1).

По принципу действия и устройству аппаратуры импедансный метод сильно отличается от УЗ-методов НК. Он исполь­зует изгибные колебания звукового и низ­кого УЗ-диапазона частот (от сотен герц до *40 кГц).

Рассмотрим двухслойную конструк­цию из обшивки 1, соединенной (напри­мер, склеенной) с основанием 2 (рис. 2.117). В конструкции имеется де­фект 3 - отсутствие соединения между ее элементами. При возбуждении изгибных колебаний в бездефектной зоне (точка А) механический импеданс ОК определяется всеми слоями, работающими как единое целое. В этом случае жесткость и модуль механического импеданса IZA | имеют максимальные для этой конструкции зна­чения.

Рис.2.117. Принцип импедансиого метода

X, Н-с/м

X, И - с/At

 

В зоне дефекта (точка В) значение I ZB I резко уменьшится, так как отделен­ный дефектом слой обшивки связан с ос­нованием только по периметру дефекта, а жесткость обшивки намного меньше же­сткости в бездефектной зоне. Таким обра­зом, выявление дефекта сводится к реги­страции изменения механического импе­данса Z. Преобразователь дефектоскопа преобразует эти изменения в электриче­ские сигналы, которые обрабатываются в электронном блоке и представляются в той или иной форме на его индикаторе.

В рассматриваемом варианте метода применяются непрерывные и импульсные колебания.

Механический импеданс много­слойной конструкции. В доброкачест­венной зоне этот импеданс определяется размерами, количеством, толщинами и материалами слоев конструкции. В зоне дефекта импеданс зависит от его разме­ров, формы, глубины залегания, а также параметров остальных элементов конст­рукции. Ввиду огромного разнообразия типов многослойных конструкций и при­
меняемых в них материалов, а также от­сутствия адекватных теоретических моде­лей расчет механических импедансов за­труднителен. Однако некоторые теорети­ческие модели полезны для понимания предмета, а иногда и в качестве первого приближения. К ним относятся модели бесконечно протяженного однородного листа и закрепленной по контуру пласти­ны.

Механический импеданс однородно­го бесконечного листа толщины h для нормальной к его плоскости сосредото­ченной силы чисто активный [203, 300]:

Эта формула полезна для оценки им­педансов некоторых ОК в бездефектных зонах.

Дефект типа отсутствия соединения между слоями многослойной конструкции ближе к модели, жестко закрепленной (защемленной) по контуру пластины. Приведенные в разд. 1.4.4 формулы (1.51) и (1.52) позволяют вычислить реактивную составляющую механического импеданса и основную собственную частоту пласти­ны. Однако реальные условия закрепления периметра дефекта обычно далеки от же­сткого защемления, требующего беско­нечно большого модуля импеданса и не­возможности изгиба в зоне заделки. Дру­гие известные условия закрепления пери­метра пластины (опертые и свободные края) еще меньше соответствуют реаль­ным дефектам. Поэтому более надежно исследование импедансов ОК в доброка­чественных и дефектных зонах экспери­ментальным путем.

На рис. 2.118 приведены результаты измерений механических импедансов на двухслойных образцах в виде обшивок различной толщины, приклеенных к тол­стым основаниям, выполненные с учетом влияния контактной гибкости [203] Мате­риал обшивок и оснований - алюминие­вый сплав. Толщины обшивок h = 0,3; 0,54; 0,72; 1,11 и 1,67 мм, оснований 10 мм. Дефекты имитировали сквозными отверстиями в основаниях. Диаметры от­верстий - 5; 10; 15; 20 и 30 мм. Импедан - сы измеряли в центрах дефектных зон со стороны обшивки на частотах 2, 3 и 6 кГц.

По горизонтальной оси на рис. 2.118 отложен диаметр D дефекта, по верти­кальной - реактивная составляющая меха­нического импеданса. Для каждой экспе­риментальной точки указано значение є, определяющее активную составляющую R = є|лг| импеданса. Пунктирными кри­выми нанесены расчетные значения X для жестко защемленной по контуру круглой пластины с соответствующими парамет­рами. Горизонтальными пунктирными прямыми отмечены значения упругого сопротивления Хк контактной гибкости для данной частоты.

Измеренные импедансы близки к расчетным лишь при малых толщинах обшивок и относительно крупных дефек­тах. В зонах дефектов импедансы имеют в основном упругий характер, на безде­фектных участках активная составляющая увеличивается, однако и здесь превалиру­ет реактивная составляющая. Таким обра­зом, измеренные импедансы носят упру­гоактивный характер.

Для ОК с внутренними элементами малой жесткости и плотности условия закрепления периметра зоны дефекта еще больше отличаются от жесткого защемле­ния.. Поэтому расчетные значения Z силь­но разнятся с действительными. То же относится и к собственным частотам отде­ленных дефектами зон, которые оказыва­ются много меньше расчетных.

Преобразователи импедансных де­фектоскопов. Блоком дефектоскопа, пре­образующим изменения механического импеданса ОК в соответствующие изме­нения электрического сигнала, является преобразователь. Узлы преобразователя, служащие непосредственно для излучения

скольких (обычно четного числа) пьезо­пластин. Тыльная масса 1 повышает энер­гию, излучаемую в ОК б. Вибратор кон­тактирует с ОК через износостойкий на­конечник 5 со сферической рабочей по­верхностью. Через этот контакт продоль­ные колебания вибратора преобразуются в изгибные колебания ОК. Длину волновода выбирают в зависимости от назначения преобразователя. Вибратор крепится в преобразователе на виброизолирующей подвеске и обычно прижимается к изде­лию пружиной с постоянной силой.

Изменение определенного формулой (2.60) механического импеданса Zo общей нагрузки вибратора меняет его коэффици­ент передачи. Последний имеет комплекс­ный характер и в режиме непрерывных колебаний равен

ejv =Ые^,

и приема упругих колебаний, называют вибраторами. В импедансных дефектоско­пах применяют составные пьезоэлектри­ческие вибраторы, которые кроме пьезо­элементов содержат пассивные накладки, контактные наконечники и другие детали. Применяют совмещенные и РС-преобра- зователи [203, 249].

Вибратор совмещенного преобразо­вателя имеет одну зону контакта, через которую возбуждают в ОК изгибные ко­лебания и оценивают его механический импеданс. Совмещенные преобразователи делятся на абсолютные и дифференциаль­ные.

PC-преобразователь содержит распо­ложенные в общем корпусе идентичные излучающий и приемный вибраторы и имеет две зоны контакта с ОК.

Совмещенные преобразователи. Вибратор абсолютного совмещенного преобразователя (рис. 2.119) содержит разделенные волноводом 3 излучающий 2 и приемный 4 пьезоэлементы. Для увели­чения интенсивности колебаний в качест­ве излучателя используют пакет из не­
где (У, и U2 — комплексные амплитуды на­пряжения на излучающем и приемном пьезоэлементах соответственно; у - сдвиг фазы между этими напряжениями.

При работе в режиме непрерывных колебаний дефекты отмечают по соответ­ствующему изменению амплитуды или фазы выходного напряжения преобразова­теля или по одновременному изменению обоих параметров.

Собственные частоты совмещенных вибраторов как продольно колеблющихся составных стержневых систем рассчиты­вают аналогично вибраторам велосимет - рических дефектоскопов (см. разд. 2,3.5) [203]. Для расчета коэффициентов переда­чи вибраторов совмещенных преобразова­телей методом электромеханических ана­логий составляют схему замещения, кото­рую затем анализируют матричным спо­собом на компьютере.

Расчетные зависимости модуля | Р | и аргумента коэффициента передачи Р от импеданса нагрузки для одного из абсо­лютных совмещенных преобразователей, работающего в режиме непрерывных ко-

Рис. 2.120. Расчетные зависимости модуля |/*| и аргумента у коэффициента передачи абсолютного совмещенного преобразователя от импеданса нагрузки

лебаний и двух частот, показаны на рис. 2.12. Контактная гибкость Кк = 92 нм/Н, что соответствует обшивке из алюминие­вого сплава. По оси абсцисс отложены значения Хн. Параметром кривых служит характеризующее потери отношение є = RJІ Хи I Рассматривается только об­ласть отрицательных значений Хш, что ха­рактерно для большинства случаев.

Значения | Р | имеют экстремумы, которым соответствуют и резкие измене­ния ц/. Минимумы | Р | наблюдаются при

Х0 = - о (тк + т„/2), (2.61)

где Х0 - реактивная составляющая опре­деленного формулой (2.60) полного меха­нического импеданса нагрузки вибратора; тк - масса контактного наконечника; тп - масса измерительного пьезоэлемента. Минимумы обусловлены резонансами сил в соединенных узлом элементах Х0 и со(тк + mj2), когда сила на измерительном пьезоэлементе, а значит, и электрическое напряжение на нем минимальны. Макси­мумы | Р | имеют место при Х(,= - Хв, где Xs - входное реактивное сопротивление вибратора со стороны ОК. На рис. 2.120 такой максимум соответствует Хи я -800 Н-с/м и/= 6,5 кГц.

Резонансный режим настройки, при котором в бездефектной зоне изделия на­блюдается максимум | Р |, повышает чув­ствительность, так как увеличивает значе­ния | АР/АХН I и | Ai|//A2fH | по сравнению с нерезонансной настройкой, наблюдаемой на частоте 3 кГц. Это используется на практике, особенно при контроле изделий с большими значениями |ZH |.

9 8 Рис. 2.121. Совмещенный дифференциальный преобразователь импедансного дефектоскопа: 1 - ОК; 2 - контактный наконечник; 3 - приемный пьезоэлемент; 4,6 - волноводы; 5 - пакет излучающих пьезоэлементов; 7 - компенсационный пьезоэлемент; 8 - чашка с подбираемой при балансировке массой компаунда 9

В областях экстремумов зависимости | Р | от импеданса ОК неоднозначны. Это, а также существенная нелинейность дан­ных зависимостей в районе минимумов | Р | иногда нежелательна. Например, она усложняет контроль ОК с низкими значе­ниями |Z„| в бездефектных зонах.

Нелинейность характеристики устра­няется в совмещенном дифференциальном преобразователе [203]. Он имеет симмет­ричную конструкцию (рис. 2.121) с двумя идентичными волноводами 4 и 6. Прием­ный 3 и компенсационный 7 пьезоэлемен­ты соединены параллельно в обратной полярности. Тыльная масса компенсаци­онного пьезоэлемента образована чашкой 8, заполняемой компаундом 9, количество которого подбирается так, чтобы при ZH= 0 амплитуда выходного сигнала была минимальной. Благодаря симметрии пре­образователя его балансировка не зависит от частоты.

Для дифференциального преобразо­вателя зависимости модуля и аргумента коэффициента передачи не имеют мини­мумов и соответствующих им резких из­менений этих параметров. Данные зави­симости линейны относительно |ZH| и Хн при малых и средних значениях послед­них. Как и абсолютные, дифференциаль­ные преобразователи используют в нере­зонансных и резонансных режимах.

На упрощенной схеме замещения на­груженного совмещенного преобразовате­ля (рис. 2.122, а) вибратор с импедансом ZB возбуждается эквивалентным генерато­ром силы F. Нагрузка вибратора представ­лена импедансами контактной зоны (ZK) и OK (ZH). Здесь vK и vH - колебательные скорости соответствующих элементов схемы.

Выходное напряжение U2 преобразо­вателя растет с ростом действующей на его конце силы F„= v„ Z„. Поэтому с уменьшением отношения | ZK/ZH | чувст­вительность к изменению Z„ падает и при IZK /ZHI « 1 контроль становится невоз­можным. Так как ZK обратно пропорцио­нально частоте, совмещенные преобразо­ватели обычно используют на частотах до 10 ... 15 кГц.

PC-преобразователь (рис. 2.123) со­держит два одинаковых составных вибра­тора, размещенных в общем корпусе [203, 249, 378]. Вибраторы электрически и аку­стически изолированы друг от друга так, что они связаны только через ОК. Один из вибраторов излучает, другой принимает упругие колебания.

К пьезоэлементу 1 в виде длинного бруска прямоугольного сечения с элек­тродами на боковых сторонах (попереч­ный пьезоэффект) приклеены стальные накладки 2 и 3. Последняя имеет изогну­
тую форму, что уменьшает расстояние между зонами контакта вибраторов с ОК - базу преобразователя. Величина этой базы должна быть минимальной, так как дефек­ты выявляются только при одновременном нахождении над ними обоих вибраторов преобразователя. К накладке 3 присоеди­нен контактирующий с ОК 5 корундовый наконечник 4.

Собственная частота ненагруженного вибратора определяется всеми его элемен­тами, колеблющимися как единое целое. При нагрузке на ОК эта частота меняется в зависимости от реактивной составляю­щей механического импеданса ОК. При подключении излучающего вибратора к генератору электрического напряжения (обычно импульсного) в вибраторе возни­кают продольные колебания, возбуждаю­щие в ОК изгибные волны. Последние, проходя по ОК к приемному вибратору, возбуждают в нем продольные колебания, параметры которых зависят от механиче­ского импеданса ОК в зоне контроля. Ко­лебания приемного вибратора преобразу­ются в электрический сигнал U2, который обрабатывается в электронном блоке де­фектоскопа. Таким образом, изменения механического импеданса ОК преобразу­ются в соответствующие изменения элек­трического сигнала.

Упрощенная эквивалентная схема PC-преобразователя показана на рис. 2.122, где рис. 2.122, а представляет излу­чающий, рис. 2.122, б - приемный вибра­торы. Элементы и величины, относящиеся к обоим вибраторам, обозначены одинако­выми символами, но для приемного виб­ратора отмечены штрихами.

Приемный вибратор с импедансом Z'B возбуждается эквивалентным генера­тором колебательной скорости v'H, шун­тированным механическим импедансом Z'H ОК в зоне приема. Ввиду малости базы преобразователя по сравнению с длиной изгибной волны 2Н к Z'H и vH a v'H. Пере­дача акустической энергии между вибра-

Рис. 2.123. РС-преобразователь импедансного дефектоскопа

торами определяется значениями импе - дансов ZK и ZH. Выходное электрическое напряжение U2 приемного преобразовате­ля пропорционально силе FB на его входе. Импедансы ZK и Z'K уменьшают передачу

энергии между вибраторами, а значит, и напряжение U2 тем сильнее, чем меньше их модули.

В отличие от совмещенного преобра­зователя отношение | ZK/ZH | менее кри­тично, так как скорости vH и vH' остаются обратно пропорциональными импедансу I Z„ | = I Z'H при любых значениях по­следнего. Поэтому уменьшение | ZK | уменьшает U2, но не снижает чувстви­тельности к изменениям ZH. Таким обра­зом, РС-преобразователь позволяет обна­руживать более глубокие дефекты и ис­пользовать более высокие частоты, чем совмещенный. Для уменьшения размеров преобразователей их рабочие частоты выбирают в пределах 12 ... 35 кГц. Расчет

собственных частот вибраторов РС - преобразователя аналогичен приведенно­му в разд. 2.3.5.

Характеристики преобразователей.

Собственные частоты вибраторов преоб­разователей зависят от определенного формулой (2.60) импеданса Z0 их общей механической нагрузки, обычно имеюще­го упругоактивный характер, причем ІЛЬІ » Rq. Поэтому при рассмотрении собственных частот можно положить Zo » jXo. При работе непрерывными коле­баниями, что характерно для совмещен­ных преобразователей, значение Х0 опре­деляет частоту резонансного режима, при котором достигается максимальная чувст­вительность.

При использовании импульсного ре­жима в системе вибратор-OK возникают свободные колебания, несущие частоты которых соответствуют собственным час­тотам системы. Хотя вибраторы представ­ляют собой составные стержневые систе­мы, зависимость их собственных частот от нагрузки качественно не отличается от таковой для однородного стержня (см. разд. 1.4.2). Теоретически при ударном возбуждении в нагруженном вибраторе возбуждаются колебания на всех его соб­ственных частотах. Однако практически используют одну или две низшие частоты, остальные подавляются фильтром. Поэто­му ограничимся рассмотрением этих двух частот.

На рис. 2.124 представлены графики зависимости этих частот от общего меха­нического импеданса Хо вибратора. В от­сутствие нагрузки (Х(] = 0) резонансная частота /о соответствует полуволновой длине стержня, антирезонансная равна 0,5/о. При Х(] < 0 каждому значению Х(] соответствуют две резонансные частоты: одна в диапазоне А (0 <fA < 0,5/о), другая - в диапазоне В (/о < fB < 1,5 ^о). При Х0 > 0 зависимость однозначна, причем частота может меняться в пределах от 0,5/0 </с< /0. (диапазон С).

В практически важной области зна­чений Хо < 0 дефект уменьшает модуль |Zol. Это сопровождается уменьшением собственных частот на обеих ветвях кри­вой (в диапазонах А и В). Изменение Х0 от Х (доброкачественная зона ) до Х2 (де­фект) вызывает одинаковое абсолютное изменение частоты в обоих диапазонах, однако относительное ее изменение в диа­пазоне А намного больше. Поэтому в диа­
пазоне А амплитудно-частотная обработка информации эффективнее, чем в диапазо­не В.

Анализ выходных сигналов РС- преобразователей и влияния на них раз­личных параметров (например, акустиче­ской нагрузки) более сложен, чем совме­щенных. Такой анализ выполнен методом электрического моделирования [203]. Его суть состоит в представлении электроаку­стической системы эквивалентной элек­трической схемой (моделью) из линий задержки, конденсаторов и резисторов с соответствующим образом подобранными параметрами. Меняя эти параметры, ис­следуют влияние представленных ими элементов системы на выходные сигналы модели, наблюдаемые на осциллографе.

Из схемы на рис. 2.122 следует, что при ZH = 0 и ZH = оо сила FB = 0. Поэтому модуль коэффициента передачи IР | = | U2/Ui | преобразователя имеет мак­симум, наблюдаемый при согласовании механических импедансов вибраторов с их

общей нагрузкой Zo [203]. На рис. 2.125 показаны полученные методом электриче­ского моделирования зависимости | РI от модуля механического импеданса | ZH | ОК для активного, упругого и упруго­активного характера ZH и двух материалов наружного слоя ОК. В зонах, где IZH | > | Z* | (| Z* | - значение, соответст­вующее максимуму | Р |), вызываемое дефектом уменьшение | ZHI увеличивает | Р |, в области | ZJ < IZ* I - уменьшает IРI. Эта неприятная неоднозначность имеет и положительное свойство, позво­ляя различать дефекты по глубине их за­легания.

На рис. 2.126 показан качественный характер зависимостей собственных резо­нансных частот / и амплитуд выходных напряжений вибраторов совмещенного (£УС „) и PC (Срс п) преобразователей от зна­чений Хо для двух частотных диапазонов. Графики относятся только к импульсному режиму работы, когда в системе излу­чающий вибратор - ОК возбуждаются свободно затухающие колебания на собст­венных частотах, зависящих от импеданса акустической нагрузки вибратора.

При Хи = - со Хп = (~ХК), где (-Хк) - импеданс контактной гибкости. Характер зависимости резонансных частот от на­
грузки для вибраторов совмещенного и PC-преобразователей одинаков. Минимум амплитуды {/с. п абсолютного совмещенно­го преобразователя в диапазоне А обу­словлен определенным формулой (2.61) резонансом полумассы т„/2 измеритель­ного пьезоэлемента и массы тк контактно­го наконечника с импедансом Хо нагрузки. Значения Uc. п при Хо = 0 в обоих частот­ных диапазонах определяются инерцион­ным импедансом

Хм = <о(тк + т„/2).

Максимум t/pc. n обусловлен согласо­ванием механических импедансов вибра­торов с импедансом Z0 нагрузки (см. рис.2.125). При Х0 = 0 передача энергии между вибраторами через ОК прекращает­ся, поэтому £УрС. п = 0.

Отметим, что для режима вынужден­ных колебаний с постоянной частотой характер зависимости Uc n будет иным. В этом случае возможны резонансный и не­резонансный режимы настройки (см. рис. 2.120).

В аналоговых импульсных импе- дансных дефектоскопах совмещенные преобразователи работают только в диапа­зоне А, PC - лишь в диапазоне В. При спектральной обработке информации ис­пользуют оба частотных диапазона, что повышает информативность контроля.

Конструкции преобразователей.

Преобразователи импедансных дефекто­скопов, использующих изгибные волны, существенно отличаются от преобразова­телей УЗ-дефектоскопов функционально и конструктивно. Рассмотрим типовые кон­струкции совмещенных и РС-преобра - зователей. Существуют и другие конст­руктивные решения, однако принципи­ально они не отличаются от рассматри­ваемых.

Конструкция совмещенного преобра­зователя (недифференциального) показа­на на рис. 2.127. Такой преобразователь используют для работы как непрерывны­ми колебаниями, так и импульсами. Диф­ференциальный преобразователь отлича­ется только типом вибратора (рис, 2.121).

Вибратор содержит излучатель 1 из четырех дисковых пьезоэлементов, элек­трически соединенных параллельно. С одной стороны излучатель нагружен на металлический цилиндр 6, с другой - на волновод 4 из органического стекла. На противоположном конце волновода рас­положен приемный пьезоэлемент 2, к ко­торому примыкает корундовый контакт­ный наконечник 5. Латунное кольцо 3 эк­ранирует пьезоэлемент 2 и защищает его от механических повреждений. Все эле­менты вибратора соединены эпоксидным клеем.

Вибратор перемещается в канале корпуса 7 на двух ходовых кольцах 8, отделенных от вибратора виброизоли­рующими шайбами 9 из губчатой резины. Сила прижатия к ОК стабилизирована пружиной 10. При сканировании преобра­зователь опирается на пластмассовую на­кладку 13. Микровыключатель 14, замы­каемый пружиной 15 при утапливании вибратора в корпус преобразователя, включает основные цепи питания дефек­тоскопа только в рабочем положении, ко­гда вибратор прижат к ОК. Это экономит энергию источника питания и исключает горение светодиода 11 в нерабочем со­стоянии. Светодиод размещен под про­зрачным колпаком 12 и включается от АСД

12 11 Рис. 2.127. Конструкция совмещенного преобразователя импедансного дефектоскопа

при наличии в ОК дефекта. Преобразова­тель соединяется с дефектоскопом кабе­лем длиной ~ 2 м.

При работе непрерывными колеба­ниями рабочая частота постоянна и не зависит от механического импеданса ОК. При работе в импульсном режиме в сис­теме вибратор - ОК возбуждаются сво­бодно затухающие импульсы, центральная несущая частота То которых зависит от импеданса общей механической нагрузки Zq преобразователя (включая упругое со­противление контактной гибкости). Уменьшение амплитуды выходных сигна­лов преобразователя в зоне дефекта со­провождается снижением То-

Длина вибратора совмещенного пре­образователя мала по сравнению с длиной волны, поэтому зависимость То от нагрузки проявляется наиболее сильно. При работе в импульсном режиме для увеличения чувствительности используется двухпара - метровая амплитудно-частотная обработка сигналов. Для этого АЧХ усилителя в об­ласти рабочих частот придают линейно - нарастающий характер. Высшие оберто-

ны, возникающие при ударном возбужде­нии вибратора, задерживаются фильтром. Линейно-нарастающая АЧХ создается нагрузкой приемного пьезоэлемента, об­ладающего емкостью С, на низкое актив­ное входное сопротивление усилителя.

Конструкция РС-преобразователя показана на рис. 2.128. Он состоит из двух одинаковых составных вибраторов, раз­мещенных в общем корпусе 15. Один виб­ратор служит излучателем, другой прием­ником упругих колебаний. Вибратор со­держит пьезоэлемент 3 в виде длинного бруска прямоугольного сечения с элек­тродами на боковых сторонах и стальные накладки 2, 5. Экранированный соедини­тельный провод (на рисунке не показан)
крепится в продольном пазу накладки 5. К накладке 2 приклеен износостойкий кон­тактный наконечник 1. Благодаря изогну­той форме накладок 5 база преобразовате­ля уменьшена до 7 мм. Вибраторы пере­мещаются в отверстиях корпуса 15.

Между втулками 10 и 13 и накладка­ми вибратора находятся виброизолирую­щие шайбы из губчатой резины 9, 12. На­кладка 5 упирается в войлочную шайбу 14. Пружина 11 прижимает вибратор к ОК с постоянной силой. Под фонарем 6 раз­мещен светодиод (на рис. 2.128 не пока­зан), включаемый от АСД. Снизу к корпу­су крепится опорная пластина 8 из пласт­массы. Съемная крышка 16 предохраняет вибраторы от повреждений при транспор­
тировании. Вибраторы разделены метал­лическим экраном 4. Войлочные шайбы 7 служат для виброизоляции проводов. Пре­образователь соединяется с дефектоско­пом кабелем длиной ~ 2 м.

PC-преобразователи работают в им­пульсном режиме на собственных часто­тах, зависящих от механического импе­данса ОК. Так как база преобразователя мала, значения ZH в дефектных зонах ос­таются примерно одинаковыми для общих вибраторов. Поэтому взаимная расстройка их собственных частот минимальна.

Основная частота ненагруженного вибратора обычно составляет То = 14... 16 кГц (в преобразователях с повышенной рабо­чей частотой 30 ... 32 кГц). При импульс­ном возбуждении нагруженного на ОК вибратора в нем возникают свободно за­тухающие колебания с несущими часто­тами в диапазонах А и В. При этом несу­щая частота в диапазоне А обычно < 0,3/). В зоне дефекта частота снижается тем сильнее, чем меньше модуль его механи­ческого импеданса.

В аналоговых импульсных импе- дансных дефектоскопах РС-преобразо - ватели работают только в диапазоне В. Однако применение колебаний в обоих частотных диапазонах (А и В) позволяет улучшить возможности контроля при спектральной обработке информации (см. гл. 4).

Бесконтактные преобразователи.

Для контроля изделий с наружными слоя­ми из проводящих материалов (металлов) применяют также импедансные дефекто­скопы с бесконтактными преобразовате­лями [203].

Упругие колебания в ОК возбуждают электромагнитно-акустическим (ЭМА) способом, а принимают микрофоном. Из­лучатель выполнен на половине бронево­го ферритового сердечника 1 (рис. 2.129), открытой стороной обращенного к ОК. Обмотку 2 питают синусоидальным током

Рис. 2.129. Бесконтактный преобразователь импедансного дефектоскопа с ЭМА-излучателем и микрофонным приемником колебаний: 1 - половина броневого ферритового сердечника; 2 - обмотка; 3 - микрофон; 4 и 6 - обшивки; 5 - сотовый заполнитель

частоты / или импульсами тока с той же центральной частотой. Ввиду четности эффекта силового взаимодействия катуш­ки с полем наведенных в обшивке вихре­вых токов в ОК возбуждаются упругие колебания (преимущественно изгибные) с удвоенной частотой 2f.

Происходящие в зоне дефекта изме­нения амплитуды и фазы колебаний ОК регистрируют микрофоном 3, связанным с обшивкой через центральное отверстие сердечника 1. Сердечник отделен от об­шивки 4 воздушным зазором в несколько десятых долей миллиметра. Частота воз­буждаемых упругих колебаний 25 ... 40 кГц. Способ реализован в дефектоскопе Harmonic Bond Tester фирмы Shurtronics (США).

В. Б. Ремезовым и Ю. М. Шкарлетом [281] предложен другой способ возбужде­ния упругих колебаний в ОК с помощью ЭМА-преобразователя. Его обмотку пи­тают гармоническими токами двух частот fvifi. Благодаря нелинейности преобразо­вания энергии электромагнитного поля в акустические колебания последние возни­кают на комбинационных частотах, в том

числе суммарной (/] + f2) и разностной (/] - fі). Используют колебания разност­ной частоты. Способ позволяет возбуж­дать упругие колебания на частотах, пре­вышающих характеристическую частоту, снимая присущее традиционному способу ограничение по максимальной частоте. Кроме того, повышается эффективность ЭМА-преобразования при контроле ОК из материалов с невысокой электропровод­ностью, и уменьшается наводка генерато­ров на входные цепи усилителя, обеспечи­вая лучшее отношение сигнал/помеха. Способ реализован в дефектоскопе АД-10Б. Его рабочая частота 40 кГц.

Общие преимущества ЭМА преобра­зователя - исключение вредного влияния контактной гибкости и свойственных су­хому контакту фрикционных шумов. Не­достаток - невозможность применения для контроля ОК с обшивками из ПКМ и других непроводящих материалов. В связи с наблюдаемой в самолетостроении тен­денцией замены металлических обшивок на обшивки из ПКМ область применения описанного бесконтактного варианта им - педансного метода сужается.

Импедансные дефектоскопы, ис­пользующие изгибные волны, делятся
на работающие с непрерывным и им­пульсным излучением. Структурные схе­мы и возможности этих приборов различны.

Импедансные дефектоскопы с не­прерывным излучением. В этих приборах применяют только совмещенные преобра­зователи, которые возбуждают синусои­дальным напряжением постоянной часто­ты. Информативными параметрами слу­жат амплитуда и фаза принятого сигнала (рис. 2.130). Применяют амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый способы обработки информации. В первых двух способах дефект регистрируют по измене­нию одного из информативных парамет­ров (амплитуды или фазы), в третьем - по совместному их изменению.

В работе [210] показаны возможно­сти амплитудно-фазовой обработки ин­формации методом анализа годографов комплексного коэффициента передачи совмещенного преобразователя.

В отечественном дефектоскопе ИАД-3 (ВИАМ, 1968 г.) и созданных по­сле 1973 г. на его основе иностранных аналогах AFD (фирма Inspection Instru­ments, Великобритания) и AFD-1000 (фирма Staveley, США) используются ам­плитудная и фазовая обработки информа-

ции. Изменения амплитуды и фазу сигнала регистрируют разными стрелочными ин­дикаторами.

В приборе АД-40И (МНПО "Спектр") реализованы амплитудная и амплитудно­фазовая обработки [203]. Упрощенная структурная схема дефектоскопа АД-40И с супергетеродинной системой усиления приведена на рис. 2.131.

Генератор 2 содержит гетеродины постоянной (30 кГц) и регулируемой (31,5 ... 41 кГц) частоты, смеситель и усилитель мощности разностной частоты гетеродинов. Выходное напряжение уси­лителя поступает на излучающий пакет пьезоэлементов вибратора 1 преобразова­теля и на вход измерительного аттенюато­ра 10. Частота возбуждения вибратора регулируется в пределах 1,5 ... 11 кГц. Напряжение гетеродина регулируемой частоты подается на смеситель узкополос­ного усилителя 3 промежуточной частоты (30 кГц), а с его выхода - на первый вход синхронного детектора 4.

При амплитудной обработке инфор­мации (переключатель В2 в положении а) на второй вход детектора 4 поступает сиг­нал от усилителя-ограничителя 5. В этом случае выходное напряжение детектора 4 пропорционально амплитуде сигнала на выходе усилителя 3. При амплитудно­фазовой обработке (переключатель В2 в положении б) второй вход детектора 4 соединен с гетеродином с частотой 30 кГц через фазовращатель 6. Регулиров­кой последнего добиваются максимума

выходного сигнала детектора 4 в безде­фектной зоне ОК. Тогда при изменении параметров сигнала на входе усилителя 3 амплитуда сигнала на выходе детектора 4 пропорциональна Uc os(p, где

U - амплитуда сигнала на выходе усили­теля 3; ф - обусловленный дефектом в ОК сдвиг фаз между сигналами на входах синхронного детектора. При этом ампли­туда выходного сигнала детектора 4 опре­деляется изменениями как амплитуды, так и фазы информативного сигнала. Это по­вышает чувствительность дефектоскопа.

Уровень выходного сигнала син­хронного детектора 4, измеряемый стре­лочным индикатором 7, управляет рабо­той автоматического сигнализатора де­фектов (АСД) 8, включающего располо­женный в преобразователе светодиод 9 при наличии в ОК дефекта. АСД срабаты­вает при показаниях индикатора 7 < 60 % шкалы.

В отличие от аттенюаторов УЗ- дефектоскопов, аттенюатор 10, подклю­чаемый тумблером В1, служит для изме­рения коэффициента передачи преобразо­вателя (отношения амплитуд сигналов на его выходе и входе соответственно) путем сравнения с ослаблением аттенюатора при равных показаниях индикатора 7. Ат­тенюатор имеет грубую и точную регули­ровки. Он позволяет проверять качество преобразователя при стандартной его на­грузке и решать некоторые другие задачи.

Дефектоскоп комплектуется одним абсолютным и двумя дифференциальными

совмещенными преобразователями. Мак­симальная чувствительность достигается в резонансных режимах настройки при ам­плитудно-фазовой обработке информации.

В приборе "Bondmaster" (фирма Staveley, США) применен другой способ амплитудно-фазовой обработки. В нем сигнал представляется изображающей точкой на плоскости. Одной из координат этой точки является амплитуда, другой - фаза сигнала.

Импедансные дефектоскопы с им­пульсным излучением. В преобразователях этих приборов возбуждают импульсы сво­бодно затухающих колебаний, что сокра­щает потребление энергии и улучшает массогабаритные характеристики аппара­туры [203]. В импульсных дефектоскопах используют совмещенные и РС - преобразователи.

Для возбуждения излучающего виб­ратора емкость его пьезоэлемента заря­жают через высокоомный резистор от ис­точника постоянного напряжения, а затем разряжают через тиристор. В результате в вибраторе ударно возбуждаются импуль­сы свободно затухающих продольных ко­лебаний, центральные частоты которых соответствуют собственным частотам на­
груженного вибратора. Продольные коле­бания вибратора преобразуются в изгиб- ные колебания ОК. Уменьшение |ZH| в зоне дефекта меняет амплитуды и снижает центральные частоты этих колебаний (рис. 2.132).

В импульсных аналоговых дефекто­скопах совмещенные преобразователи используют в низкочастотном диапазоне А, PC - в диапазоне В (см. рис. 2.124). В обоих случаях в зонах дефектов собствен­ные частоты вибраторов уменьшаются. Используют два информативных парамет­ра: амплитуду и центральную частоту им­пульса. Соответственно, возможны три вида обработки информации: амплитуд­ная, частотная и амплитудно-частотная. Как и при работе непрерывными колеба­ниями, двухпараметровая обработка уве­личивает чувствительность. Это иллюст­рирует рис. 2.133, где показаны нормиро­ванные зависимости относительного уменьшения сигнала от диаметра D де­фекта в двухслойном образце в виде об­шивки, приклеенной к толстому основа­нию при трех видах обработки информа­ции.

Упрощенная структурная схема ана­логового импульсного импедансного де­фектоскопа, реализованная в дефектоско-

Рис. 2.133. Нормированные экспериментальные зависимости амплитуды сигнала совмещенного преобразователя от диаметра модели дефекта при частотной (/), амплитудной (2) и амплитудно-частотной (3) обработках

пах АД-42И, АД-42ИМ фирмы МНПО "Спектр" и ИД-91 фирмы "АКА" (Россия), приведена на рис. 2.134.

От синхронизатора 4 через делитель частоты 3 подаются импульсы, запускаю­щие тиристорный генератор 2. Последний возбуждает в вибраторе преобразователя (совмещенного 1 или PC 13) свободно за­тухающие продольные колебания, цен­тральные частоты которых соответствуют собственным частотам нагруженного на ОК преобразователя.

Выходной сигнал преобразователя, содержащий несколько несущих частот, поступает на вход усилителя 12 и через фильтр 11 низких частот и ключ 10 па
вход стробируемого усилителя 9. Фильтр 11 пропускает только рабочие частоты совмещенного преобразователя (диапазон А). Выделенный сигнал усиливается уси­лителем 9, детектируется пиковым детек­тором 8 и поступает на стрелочный инди­катор 6 и АСД 7. Время отпирания усили­теля 9 определяется таймером 5. АСД 7 управляет световым и звуковым сигнала­ми, включаемыми при выходе уровня сиг­нала за установленные пороги. При работе РС-преобразователем 13 сигнал минует фильтр 11. Ключ 10, коммутирующий этот фильтр, переключается автоматически при подсоединении соответствующего преоб­разователя.

Аналоговые импульсные дефекто­скопы портативны (масса 0,7 ... 1,5 кг), имеют автономное питание и просты в работе. Поэтому они удобны для контроля многослойных узлов изделий (самолетов, вертолетов) в условиях эксплуатации.

В импульсных дефектоскопах приме­няют короткие (по сравнению с длиной волны) совмещенные преобразователи, которые в рабочем диапазоне частот (диа­пазоне А) ведут себя как сосредоточенные массы. Это увеличивает влияние дефектов на несущую частоту импульсов, служа­щую одним из информативных парамет­ров при амплитудно-частотной обработке. Последняя реализуется, например, приме­нением линейно-нарастающей частотной характеристики усилителя 12 в области рабочих частот совмещенного преобразо­вателя.

При использовании РС-преобразо - вателей, работающих в частотном диапа­зоне В, дефекты слабо влияют на несущую частоту импульсов Поэтому обработка носит преимущественно амплитудный характер

При импульсном возбуждении в виб­раторах свободных колебаний их несущие частоты, зависящие от механического им­педанса ОК, устанавливаются автоматиче­ски и не регулируются Поэтому резо­нансные режимы, повышающие чувстви­тельность при работе вынужденными ко­лебаниями, здесь невозможны В резуль­тате при работе с совмещенными преобра­зователями импульсные дефектоскопы по чувствительности уступают дефектоско пам, использующим непрерывные колеба­ния Однако благодаря применению РС- преобразователей импульсные дефекто­скопы обнаруживают более глубокие де­фекты

Вычислительная техника открывает новые возможности в обработке информа­ции В отечественном дефектоскопе АД-64М [215], использующем импульс ный вариант импедансного метода и ло­кальный метод свободных колебаний (см разд 2 4 3 2), применена спектральная обработка информации, основанная на представлении результатов контроля в виде разности текущего и опорного (со ответствующего бездефектной зоне и ус­редненного) спектров (рис 2 135) В отли­чие от описанной выше аналоговой обра­ботки используются свободные колебания преобразователя на двух собственных частотах в диапазонах А и В

Спектральный анализ выполняется с помощью быстрого преобразования Фу­рье Амплитудный спектр представляется 64 гармониками Разность текущего и опорного спектров служит основой и для других форм представления результатов контроля В бездефектных зонах ОК раз ность спектров может меняться в преде­лах, ограниченных верхним и нижним пороговыми значениями, отмеченными на рис 2 135, в горизонтальными линиями

Переход хотя бы одного из этих порогов свидетельствует об обнаружении дефекта и вызывает срабатывание АСД.

На рис. 2.136 приведены расчетные разности текущего и опорного спектров свободно затухающих сигналов с различ­ными отношениями центральных частот у =/г//оп (fr - центральная частота текуще­

го спектра; fon - опорного). Отношение амплитуд импульсов равно 1,5. Графики для у = 1 соответствуют амплитудной об­работке, остальные - амплитудно-час­тотной. Видно, что даже небольшие изме­нения частоты приводят к существенному росту разности спектров. Таким образом, амплитудно-частотная обработка резко по­

вышает чувствительность дефектоскопа. Примеры применения такой обработки будут приведены в гл. 4.

В 2000 г. фирмой Votum (Молдова) разработан первый портативный (1 кг) компьютеризированный импульсный им - педансный дефектоскоп ДАМИ-С, в кото­ром широко применена вычислительная техника. Прибор комплектуется одним абсолютным (недифференциальным) со­вмещенным преобразователем, аналогич­ным используемому в дефектоскопе АД-40И. В отличие от импульсных дефек­тоскопов АД-42 И, АД-42ИМ и ИД-91 в преобразователе ДАМИ-С возбуждают не свободные, а вынужденные колебания. Для этого используют радиоимпульсы с центральными частотами 2 ... 40 кГц и регулируемым числом периодов. Преду­смотрены различные способы обработки информации, режимы ручной и автомати­ческой настройки прибора. Кроме того, имеется возможность представления на дисплее меню, параметров режима рабо­ты, частот, формы используемых импуль­сов и их спектров.

Прибор оснащен акустической сис­темой связи координат преобразователя с изображением на его дисплее, что позво­ляет наблюдать вид ОК в плане с выяв­ленными дефектами и автоматически оп­ределять их площади. Эта система, подоб­ная использованной в отечественном де­фектоскопе "Поиск" и установках "Isonic" и MIA МАР израильской фирмы Sonotron, основана на определении координат пре­образователя по времени прохождения излучаемых им в воздух специальных УЗ - импульсов (частота 40 кГц) до двух при­емников (микрофонов). Режимы настрой­ки и результаты контроля могут длительно храниться в энергонезависимой памяти прибора. Предусмотрена возможность автоматического определения размеров и площади выявленных дефектов.

В дефектоскопе ДАМИ-С очень удачно решены многие задачи обработки и представления информации, имеются удобные сервисные функции. Однако экс­плуатационные возможности прибора не­ясны. Ввиду отсутствия в его комплекте PC-преобразователя дефектоскоп пока проигрывает своим аналоговым предше­ственникам по части обнаружения более глубоко залегающих дефектов.