Контроль сотовых панелей УЗ- методами с использованием струйного или иммерсионного контакта требует за­щиты от проникновения жидкости (обыч­но воды) в сотовый блок. Кроме того, не­которые неметаллические материалы (на­пример, необожженная керамика) не до­пускают контакта с жидкостями. Поэтому предпочтительнее способы НК, исполь­зующие сухой контакт преобразователей с ОК или, еще лучше, бесконтактные.

В 90-х годах были существенно усо­вершенствованы бесконтактные лазерные способы излучения и приема упругих волн, а также преобразователи с воздушной свя­зью (см. разд. 1.2.4). Они вышли из стадии лабораторных разработок и уже широко используются в промышленности.

В середине 90-х годов бесконтактные лазерные способы начинали применять для автоматизированного контроля раз­личных объектов, особенно из неметалли­ческих материалов. Очевидные преиму­щества этих способов - упрощение скани­рующих систем, повышение производи­тельности, возможность размещения ап­паратуры на значительном расстоянии от ОК, исключение контактных жидкостей и др. Лазерные способы применяют для контроля как методом прохождения, так и эхометодом. Наибольшие успехи здесь достигнуты фирмами Ultra-Optec (Канада) и Textron (США). Эти фирмы уже постав­ляют сложные высокопроизводительные автоматизированные установки для кон­троля различных объектов, в том числе - многослойных узлов авиационной техники.

В работе [420, с. 429] описано приме­нение бесконтактного способа излучения и приема ультразвука для НК изделий из ПКМ методом прохождения (теневым) и эхометодом. Фирма "Textron" использует разработанную ею технологию для НК полимерных и металлических (алюмине- вого-борных) композиционных материа­лов.

Канадской фирмой Ultra-Optec [420, с. 519: 422, с. 19] разработана система ультразвукового контроля с бесконтакт­ным лазерным возбуждением и приемом упругих колебаний. Газовым (С02) лазе­ром в ОК возбуждают импульсы продоль­ных волн, перпендикулярные к его по­верхности. Диаметр освещаемого пятна 5 мм. Упругие колебания принимают кон­фокальным лазерным интерферометром "Фабри-Перо" (Fabry-Perot) с шириной полосы пропускания 8 МГц. Оптические преобразователи располагают на расстоя­нии 1,5 м от ОК. Из одного положения блока преобразователей возможен кон­троль поверхности размером 1,8 х 1,8 м и более. Система управляется компьютером и позволяет получать изображения в виде разверток типа А, В и С

Система опробована на многослой­ных конструкциях из различных ПКМ (в том числе с криволинейными поверхно­стями и толщинами до 25 мм), а также сотовых панелях. Она использована для контроля многослойных узлов истребите­
ля CF-18 в ангарных условиях. Выявляе­мые дефекты: нарушения соединений ме­жду элементами, пористость, расслоения, ударные разрушения материала. Другие применения системы: выявление коррозии металла в нахлесточных соединениях уз­лов самолета, контроль толщины (до 400 мкм) напыленного циркониевого покрытия.

В Канаде лазерный способ реализо­ван в установке LUIS, применяемой для контроля крупных деталей самолетов: крыльев, хвостового оперения, фюзеляжа [425, с. 46/310]. Оптическая сканирующая система расположена на расстоянии 1 ...2м от OK. С одной позиции можно сканиро­вать площадь 1 ... 2 м2. УЗ возбуждают короткими импульсами (их форма и дли­тельность зависит от контролируемого материала или покрытия), а для приема используют интерферометр "Фабри-Пе­ро". Максимум чувствительности дости­гался на частоте 12 МГц, но возможно применение частот от 5 до 20 МГц.

Достоинства лазерного способа кон­троля: дистанционность, слабая зависи­мость чувствительности от ориентации поверхности ОК, простота обслуживания, возможность применения различных ме­тодов контроля, например дифракционно - временного.

Фирма Ultra-Optec разработала и по­ставила французской компании "Дассо" (Dassault Aviation) автоматизированную
установку LUIS стоимостью 1,7 миллио­нов долларов, предназначенную для кон­троля изделий авиационной техники в процессе их производства и эксплуатации [422, с. 27; 355]. Установка смонтирована на трейлере и ее можно легко перемещать. Она позволяет проверять ОК различной конфигурации в процессе эксплуатации, в том числе узлы, выполненные из углепла­стиков и других ПКМ, - панели крыльев и фюзеляжа, рули, стабилизаторы с сотовы­ми заполнителями и прочие изделия [422, с. 27 и 318]. Другая подобная установка той же фирмы, используемая на базе ВВС США в Калифорнии, предназначена для НК крупных узлов самолетов. Ее стои­мость 4 миллиона долларов, производи­тельность 60 м2/ч [355].

В международном научном центре в Калифорнии разработана система бескон­тактного НК узлов из ПКМ, позволяющая обнаруживать дефекты размером 12 мм с производительностью 11 м2/ч. Там же применяют лазерную технику для контро­ля процесса полимеризации связующего в изделиях из ПКМ.

Интересен другой способ ультразву­кового контроля с лазерным возбуждени­ем и приемом УЗ-импульсов [363]. Лучом 2 лазера в ОК 3 возбуждают импульсы УЗК (рис. 4.10). Для приема, вместо опти­ческого интерферометра, используют рефракцию света на изменениях плотно­сти воздуха. Луч лазера 1 приемного уст­ройства направляют параллельно поверх­ности ОК 3 на расстоянии 4 ... 5 мм от нее. Этот луч рефрагирует на изменениях плотности воздуха, вызванных излучае­мым ОК акустическим полем. Отклонения луча регистрируют фотодетектором 4, удаленным на несколько метров от зоны приема. Таким образом, изменение интен­сивности акустического поля трансфор­мируют в изменения амплитуды электри­ческого сигнала на выходе фотодетектора. Низкочастотные помехи, обусловленные внешними шумами, температурными гра­диентами, механическими вибрациями и т. п., подавляют фильтрами. Управляемая компьютером система обеспечивает пер­пендикулярность падения на ОК возбуж­дающего его лазерного луча 2, и парал­лельность луча лазера 1 приемного уст­ройства поверхности ОК в зоне приема. В работе [363] приведены осциллограммы принятых импульсов продольных, по­верхностных волн и волн Лэмба в ОК из ПКМ и металлов, а также изображения дефектов в изделиях из углепластика и металла. При контроле методом прохож­дения 32-слойного листа из углепластика с дефектом типа ударного разрушения чув­ствительность не уступает полученной иммерсионным теневым методом на час­тоте 15 МГц.

Способ удобен для контроля изделий с большой кривизной поверхностей. Име­ется возможность повышения амплитуды и сужения спектра импульсов волн Лэмба расщеплением возбуждающего ОК лазер­ного луча на несколько параллельных ли­ний, разделенных промежутками, выби­раемыми с учетом длины возбуждаемой волны (см. разд. 1.2.4). Диапазон приме­няемых частот ограничен сверху только параметрами ОК. Преимущество описан­ного способа приема УЗ-импульсов перед традиционными интерферометрами - ис­ключение влияния условий отражения и рассеяния лазерного излучения поверхно­стью ОК.

В другом варианте бесконтактного способа контроля листов из ПКМ методом прохождения используют поверхностные волны и применяют излучатели и прием­ники разной физической природы. Поэто­му способ назван "гибридным" [425, с. 324/358]. Он реализован в установке HURIS. Поверхностные волны в ОК воз­буждают импульсами лазера. Длитель­ность импульсов 10 нс, энергия 15 мДж. С помощью оптической маски на поверхно­сти ОК получают 10 освещенных парал­лельных линий, равные промежутки меж­ду которыми определяют длину возбуж­даемой волны, центральную частоту, чис­ло периодов и огибающую генерируемых

акустических импульсов (см. разд. 1.2.4). Длину волны выбирают в зависимости от требуемой глубины ее проникновения в ОК. Используют УЗ-импульсы с цен­тральной частотой 0,5 ... 1,5 МГц и коло­колообразной огибающей, обладающие наиболее узким спектром. Это увеличива­ет отношение сигнал/щум.

Приемником служит пьезопреобразо­ватель с воздушной связью, расположен­ный на расстоянии нескольких сантимет­ров от излучателя. Излучатель располага­ют на расстоянии 1 ... 5 см, приемник - 2 ... 5 см от поверхности ОК. Наличие дефекта между излучателем и приемником ухудшает прохождение поверхностной волны и уменьшает амплитуду принятого импульса. Достоинство способа - увели­чение производительности контроля бла­годаря охвату за один проход преобразо­вателя большей поверхности и, следова­тельно, возможность резкого увеличения шага сканирования (например, по сравне­нию с контролем фокусирующими преоб­разователями с воздушной связью).

Другой способ бесконтактного кон­троля изделий из ПКМ, сотовых панелей и других многослойных конструкций из металлов и пластиков представляет собой вариант метода собственных колебаний. Он использует комбинацию бесконтактно­го акустического излучателя ударной вол­ны с лазерным приемом упругих колеба­ний [385; 425, с. 108/055]. Излучатель (рис. 4.11) выполнен в виде рупора 4, в узкой горловине которого между катодом 2 и анодом 3 происходит искровой разряд
высоковольтного конденсатора длитель­ностью менее 5 мкс (см. разд. 1.2.4). Рупор расширяет фронт сферической ударной волны, превращая ее в почти плоскую. Эта волна ударно возбуждает свободные коле­бания одновременно на значительной площади ОК, расположенного на расстоя­нии до 3 м от широкого конца рупора.

Колебания ОК принимают лазерным велосиметром (прибором, регистрирую­щим колебательную скорость), основан­ным на эффекте Допплера. Поверхность ОК сканируют построчно. Анализируют спектр принятого сигнала (быстрое преоб­разование Фурье) в диапазоне частот от 0 ... 50 кГц. Дефектные зоны отмечают по изменению этого спектра. Результаты за­носят в память компьютера и используют для формирования дефектограммы, пред­ставляющей собой вид ОК в плане с выяв­ленными дефектами. Способ успешно оп­робован на сотовых панелях, других мно­гослойных конструкциях, изделиях из композитов, теплозащитных плитках кос­мического корабля Шаттл, для обнаруже­ния коррозионных поражений в металли­ческих узлах самолетов и т. п.

Оригинальный способ контроля лис­тов из ПКМ с применением волн Лэмба описан в работе [425, с. 322/275]. Кон­тактные наклонные преобразователи уста­навливали на листе из углепластика тол­щиной 3 мм на расстоянии 250 мм друг от друга. Дефекты моделировали сквозными отверстиями с диаметрами 1,4 и 10 мм, расположенными на пути УЗ-волн между преобразователями. Излучающий преоб­
разователь возбуждал в листе волны Лэм­ба двух нулевых мод а0 и s0. Распределе­ние вертикальных составляющих смеще­ний на поверхности листа регистрировали оптическим (лазерным) приемным уст­ройством через 126 мкс после начала из­лучения. На полученных изображениях раздельно видны эти две моды, распро­страняющиеся с разными скоростями (скорость ВОЛНЫ So существенно больше). Видна также вызванная дефектом дифрак­ция волны s0 Для наблюдения вызывае­мых дефектами изменений структуры по­ля в более четком виде изображение пред­ставляли в виде разности полей при нали­чии и в отсутствие дефектов.

Увеличение размера дефекта усили­вает искажение поля, уменьшает амплиту­ду сквозного сигнала и меняет время его распространения. Однако эти изменения невелики - самый крупный дефект (диа­метр 10 мм) уменьшает амплитуду сигна­ла всего на 1,8 дБ, а время его прохожде­ния увеличивает на 0,3 мкс. Поэтому луч­шие результаты дает наблюдение разности полей для дефектных и бездефектных зон.

При автоматизированном высоко­производительном контроле сотовых па­нелей, листов, препрегов и других крупно­габаритных объектов методом прохожде­ния с использованием струйного контакта созданию многоканальных установок ме­шают взаимные помехи между каналами, обусловленные большой скоростью звука в воде. Это заставляет увеличивать рас­стояния между парами преобразователей соседних каналов. Кроме того, смачивание ОК в большинстве случаев нежелательно. Максимальная скорость сканирования для струйного контакта не превышает 0,75 м/с, что ограничивает производитель­ность.

Эти недостатки устранены в бескон­тактной автоматической системе контроля таких изделий, использующей преобразо­ватели с воздушной связью [425, с. 567/209]. Система имеет 8 каналов, каж­дый из которых содержит пару фокуси­рующих пьезопреобразователей, располо­женных соосно по обе стороны ОК. Рас­стояние между осями пар преобразовате­лей 100 мм, центральная частота импуль­сов 400 кГц, диаметр фокальной зоны на поверхности ОК менее 1 мм. Благодаря малой скорости звука в воздухе взаимные помехи между каналами отсутствуют. Из­лучающие преобразователи возбуждают импульсами с размахом (от пика до пика) 200 ... 1200 В, центральной частотой 30 кГц... 1 МГц и длительностью 1 ... 50 периодов. Все каналы могут работать как синхронно, так и раздельно. Система управляется компьютером. Амплитуды принятых сигналов и время их прохожде­ния представляют в цветном коде.

Кроме метода прохождения, возмож­на реализация реверберационно-сквозного метода Сканирующее устройство системы позволяет регулировать расстояния между преобразователями и ОК, а также между осями пар преобразователей. Скорость сканирования - до 5 м/с. Контроль много­слойной клееной секции крыла самолета размерами 10,5 х 3 м, содержащей слои из ПКМ и металлов и участки с сотовым за­полнителем, занимает 22 мин против 10 ... 11 ч для установки со струйным контак­том. Выявляют дефекты размером 7 х 7 мм и более. Производительность можно еще увеличить до 350 м2/ч, что в 20 ... 100 раз превышает аналогичные показатели уста­новок со струйным контактом, а также с лазерным возбуждением и приемом УЗ - волн.

Для бесконтактного контроля сото­вых панелей и листов из ПКМ в Германии разработана установка AirTech 4000, ис­пользующая преобразователи с воздушной связью [425, с. 331/559]. Расчетом уста­новлено, что при контроле этими преобра­зователями ОК из ПКМ методом прохож­дения, даже без учета затухания, амплиту­да сигнала на 156 дБ меньше, чем при жидкостном иммерсионном контакте. По­этому были приняты меры по увеличению эффективности передачи сигнала всеми элементами системы. В установке исполь­зовали фокусирующие композитные пье­зопреобразователи с воздушной связью и рабочими частотами 250 и 450 кГц. Их волновое сопротивление снижено (10 ... 15 МПа-с/м) по сравнению с монолитными преобразователями (32 ... 35 МПа-с/м). Согласующие слои преобразователей уве­личивают сигнал на 15 дБ. Длительность импульсов возбуждающего генератора 15 периодов, мощность 1,2 кВт. Согласующая электрическая цепь увеличивает амплиту­ду этих импульсов на 15 дБ. Предусили­тель с низким уровнем шумов электриче­ски согласован с преобразователем и снабжен фильтром. Установка использует описанную в разд. 4.3.1 автоматическую сканирующую систему MUSE [422, с. 88].

На установке AirTech 4000 сотовые панели контролируют методом прохожде­ния при двустороннем расположении пре­образователей. Результаты контроля сото­вой панели с обшивкой из ПКМ, заполни­телем из материала NOMEX и дефектами типа ударного разрушения не только не уступают полученным иммерсионным методом, но даже содержат больше дета­лей изображения.

Необходимость двустороннего дос­тупа к ОК часто препятствует примене­нию метода прохождения. Реализуемый при одностороннем доступе эхометод для контроля тонких листов из ПКМ не при­меним, так как длительность импульсов велика для раздельного наблюдения эхо - сигналов. Поэтому для бесконтактного контроля с односторонним доступом при­меняют метод прохождения с использова­нием волн Лэмба (см. разд. 4.4). Послед­ним возбуждают и принимают располо­женными в воздухе наклонными преобра­зователями с частотой 450 кГЦ. Дефект отмечают по уменьшению амплитуды эхо - сигнала. Таким способом выявляют удар­ные разрушения в листе из углепластика толщиной 4,2 мм. Замена иммерсионной жидкости воздухом требует уменьшения угла наклона акустических осей преобра­зователей, причем этот угол становится более критичным, так как повышаются требования к допустимой его вариации.

Сотовые панели толщиной 16 мм с обшивкой из углепластика и сотовым бло­ком из материала NOMEX контролируют бесконтактным эхометодом с помощью совмещенного фокусирующего пьезоком­позитного преобразователя с воздушной связью [422, с. 3098]. Пьезокомпозитные преобразователи обладают меньшим вол­новым сопротивлением, чем обычные (8 МПа с/м вместо 35 МПа-с/м), поэтому лучше согласуются с воздухом. Централь­ная частота импульсов 825 кГц, фокусное расстояние 40 мм.

Для компенсации потерь на границах раздела с воздухом преобразователь воз­буждают импульсами повышенной мощ­ности с прямоугольной огибающей, при­меняют высокочувствительный малошум­ный узкополосный усилитель принятых сигналов. Расстояние между преобразова­телем и ОК выбирают меньше фокусного расстояния преобразователя, поэтому крайние лучи УЗ-пучка падают на поверх­ность обшивки под углом, при котором в ней возбуждается поверхностная волна. В зоне дефекта амплитуда этой волны меня­ется. Дефекты регистрируют в виде изо­бражения ОК в плане. Таким способом выявляются только дефекты в обшивке.

Возможности бесконтактного кон­троля сотовых панелей, листов из ПКМ, древесины и пенопласта методом прохож­дения с преобразователями с воздушной связью рассмотрены в работе [362]. Были использованы фокусирующие пьезоэлек­трические преобразователи на частоту 400 кГц и электростатические (конденса­торные) - на частоту 50 кГц, а также спе­циализированный дефектоскоп Sonda 007 британской фирмы Sonatest.

Применяемый для пьезоэлектриче­ских преобразователей способ фокусиро­вания к электростатическим преобразова­телям не применим, поэтому для повыше­ния чувствительности последних предло-

жен способ "квазифокусирования". Для этого излучающий и приемный преобра­зователи располагают с отклонением от соосности, чем достигается сужение зоны прозвучивания и, следовательно, повыше­ние фронтальной разрешающей способности.

При контроле УЗ-теневым методом фокусирующими преобразователями с частотой 400 кГц достигается фронталь­
ное разрешение 1 мм. В листе из ПКМ толщиной 6 мм выявляли искусственные дефекты диаметром 1,6 мм, что не хуже, чем на частоте 2,25 МГц на установке со струйным контактом. Результаты контро­ля бесконтактными фокусирующими пре­образователями двух объектов показаны на рис. 4.12.

Сотовые панели с металлическими обшивками контролируют также бескон­тактным импедансным методом с элек­тромагнитно-акустическим возбуждением и микрофонным приемом упругих колеба­ний (см. разд. 2.5.2). Однако применение этого способа ограничено ОК с наружны­ми слоями из электропроводящих мате­риалов.