Этот метод, более известный как УЗ- резонансный метод [247, 249], использует вынужденные колебания части ОК, в ко­торой контактным или иммерсионным преобразователем возбуждают колебания непрерывно меняющейся частоты. На час­тотах, на которых по толщине ОК (для иммерсионного контакта) или системы ОК - преобразователь (для контактного способа) укладывается целое число полу­волн, возникают резонансы. Их фиксиру­ют на экране, где горизонтальная ось - меняющаяся частота. Изменение толщины ОК вызовет смещение резонансных час­тот, появление дефектов - исчезновение

или смещение резонансов. Информатив­ными признаками служат значения резо­нансных частот, а иногда также добротно­стей.

Метод применяют для измерения толщин и контроля клеевых соединений. В обоих случаях способы возбуждения колебаний и индикации резонансов вы­полняются практически одинаково.

УЗ-резонансные толщиномеры ис­пользуют для измерения толщин (особен­но малых, например тонкостенных труб и оболочек) при одностороннем доступе. Применению эхометода в этом случае мешает мертвая зона.

В простейшем случае ОК представ­ляет собой пластину, поверхности которой с обеих сторон свободны. Связь собствен­ных частот пластины с ее толщиной h оп­ределяется условием

h = пХ/2 = nc/2fn, (2.56)

где с — скорость звука; f„ - частота, соот­ветствующая гармонике п. Таким образом, для измерения толщины ОК из материала с известной скоростью звука нужно знать резонансную частоту/, и номер п гармо­ники. Если п неизвестно, то применяют формулу для разности гармоник пит:

h = (n-m)c/2(f„-fm). (2.57)

Признаки наличия дефектов в ОК следующие: если дефект имеет вид рас­слоения, то частоты резонансов изменя­ются таким образом, что измерения дают уменьшенное значение толщины изделия; если дефект непараллелен поверхности ОК, то резонансы по толщине стенки ис­чезают.

Метод применяют в двух вариантах: контактном и иммерсионном, причем уст­ройство приборов существенно разнится.

Контактный резонансный толщи­номер [132, 249] работает по схеме, пока­занной на рис. 2.107. Она включает авто­генератор 1, который возбуждает преобра­зователь 4, контактирующий с ОК 8 через тонкий слой контактной жидкости. Часто­ту колебаний автогенератора плавно из­меняют модулятором 5.

Резонансы акустических колебаний в системе преобразователь - ОК вызывают изменение режима работы колебательного контура автогенератора. Частотным фильтром 2 эти изменения отделяют от всех других. Они кратковременны и име­ют вид пиков. Резонансные пики усили­вают (усилителем 3) и подают на индика­тор - экран 7.

Модулятор управляет блоком вре­менной развертки 6. В результате линия развертки пропорциональна изменению частоты, а резонансные частоты отмеча­ются появлением пиков на соответствую­щих участках линии развертки. Измери­тельный блок 9 обеспечивает возможность перевода частотно-временных интервалов между резонансными пиками в измеряе­мую величину - толщину ОК. Чем больше измеряемая толщина, тем больше резо­нансных пиков и тем меньше интервал между ними.

Резонансные частоты регистрируют по изменению режима работы колебатель­ного контура автогенератора 1. При сов­падениях частот автогенератора с собст­венными частотами акустической системы модуль комплексного сопротивления пье­
зоэлемента становится минимальным, ток в цепи возрастает, а напряжение на пьезо­пластине (обычно кварцевой) падает. По этому признаку отмечают резонансы.

Формулы (2.56) и (2.57) для опреде­ления измеряемой толщины соответству­ют условиям собственных частот ОК. В действительности наружная поверхность ОК контактирует с преобразователем. На­грузка поверхности ОК вызывает повы­шение резонансных частот. Получается своего рода парадокс: нагрузка не умень­шает, а увеличивает резонансную частоту. Парадокс объясняется тем, что в пакете пьезоэлемент преобразователя - контакт­ная жидкость - ОК на резонансных часто­тах укладывается на одну полуволну больше, чем указывает п. Например, когда п = 1 в пакете пьезоэлемент - ОК уклады­вается две полуволны. На частотах ниже частоты пьезоэлемента его толщина меньше полуволновой, поэтому в ОК ук­ладывается п + 5 полуволн, где 5 < 1. Вве­дение слоя масла различной толщины приводит к промежуточным значениям резонансной частоты.

Для уменьшения погрешности от смещения резонансных частот следует работать на частотах, возможно более близких к резонансной частоте пьезопла­стины, использовать резонансные пики, соответствующие высшим гармоникам, увеличивать толщину слоя масла до опти­мальных (четвертьволновых) значений, градуировать прибор и измерять толщину при одинаковой силе прижатия преобра­зователя к поверхности изделия и образца, по которому выполняют градуировку.

Для материалов ОК с небольшим за­туханием УЗ ширина резонансных пиков на половине их высоты составляет ~ 1 % от частоты. Связанная с этим погрешность измерения не превышает 0,5 %. Общая погрешность измерения контактных резо­нансных толщиномеров с учетом возмож­ного смещения резонансных частот дости­гает 2 ... 5 %.

Одна из наиболее частых областей применения резонансных дефектоскопов - толщиномеров - измерение толщины сте­нок труб. В этом случае плоская поверх­ность преобразователя соприкасается с криволинейной поверхностью ОК на сравнительно небольшом участке. Об­ласть, в которой устанавливаются резо­нансы, сокращается, а высота резонансных пиков сильно уменьшается. Одновременно с продольными волнами возбуждаются волны Рэлея и Лэмба, обегающие вокруг трубы и дающие резонансы, которые ме­шают измерению. В результате удается измерять толщину стенок труб диаметром > 10 ... 12 мм.

В практике довольно часто возникает задача контроля изделий с неровными и непараллельными поверхностями. Изме­нение толщины изделия в зоне контроля приводит к тому, что резонансные колеба­ния возбуждаются в пределах некоторого интервала частот. Расширение резонанс­ных пиков затрудняет их регистрацию.

Иммерсионный резонансный тол­щиномер [232, 247] применяют для изме­рения толщины непрерывно движущихся труб. Трубу протягивают через локальную иммерсионную ванну, где толщина слоя воды между трубой и ПЭП 40 ... 50 мм. Собственные частоты ОК при колебаниях в воздухе и воде практически одинаковы, однако вода уменьшает остроту резонан­сов.

Через воду в ОК вводят УЗ- колебания, частоту которых варьируют. В результате в слое иммерсионной жидкости между ПЭП и ОК возникают резонансные колебания. Толщина этого слоя сущест­венно больше длины волны в воде даже на минимальной частоте (~ 3 МГц), по­этому резонансных пиков будет очень много и они будут близко расположены на линии развертки.

Коэффициент отражения от границы иммерсионная жидкость - ОК зависит от толщины стенки ОК. На частотах, кратных полуволновым, он имеет минимумы, обу­словленные минимумами входных им - педансов ОК при резонансах. В результате на этих частотах амплитуды резонансных пиков в слое воды резко уменьшаются, образуются провалы-минимумы. По час­тотам этих минимумов или по частотному интервалу между ними измеряют толщи­ну.

Иммерсионно-резонансный толщи­номер предназначен прежде всего для слежения за изменением толщины стенки. В связи с этим измерение ведут на основ­ной частоте свободных колебаний изделия либо на одной из низших гармоник (и = 2; 3). Повышение частоты увеличивает влия­ние затухания, делает резонансы более заметными.

Иммерсионно-резонансный метод реализован в приборах сер. "Металл" [158], измеряющих толщины в диапазоне 0,2 ... 6 мм с погрешностью 1 ... 2 % и производительностью 100 измерений/с. На пути повышения точности и частоты из­мерений возникают следующие принци­пиальные затруднения.

Основной источник погрешностей связан с дискретностью определения час­тоты, на которой устанавливаются резо­нансы в изделии. Дискретность эта обу­словлена интервалом между резонансами слоя воды, по минимуму которых опреде­ляют резонанс ОК. Для того чтобы доста­точно точно определить положение резо­нансной частоты ОК, нужно увеличить высоту столба воды. Однако чем больше высота столба, тем медленнее должна мо­дулироваться частота, т. е. чтобы частота колебаний, отраженных от ОК в момент прихода волны к преобразователю, нена­много отличалась от частоты его колеба­ний, измененной под действием генерато­ра прибора (иначе не будет зафиксирован резонанс). Отсюда возникает отмеченная выше взаимосвязанность ограничений производительности и точности для им­мерсионно-резонансного способа контро­ля.

Существуют также другие способы реализации иммерсионно-резонансного метода, например по отражению от трубы частотно-модулированного импульса. Другой вариант (метод предеф [191]) пре­дусматривает возбуждение колебаний ОК очень коротким импульсом и определение периода свободных колебаний. Достоин­ство этого метода состоит в том, что воз­можность и точность измерений толщины сохраняются при наклонном падении УЗ на трубу.

Иммерсионные методы имеют опре­деленное преимущество перед контакт­ным резонансным методом при контроле труб малого диаметра. Минимальный диаметр измеряемых труб 3 ... 4 против 10 ... 12 мм для контактного метода. Это объясняется тем, что погружение трубы в жидкость способствует быстрому затуха­нию обегающих трубу мешающих волн Рэлея и Лэмба.

Отметим, что в последние годы резо­нансные толщиномеры вытесняются бо­лее простыми и менее требовательными к кривизне, состоянию поверхности и дру­гим мешающим факторам импульсными УЗ-толщиномерами. Однако иммерсион­но-резонансный метод остается единст­венным средством измерения очень малых толщин.

Контроль клеевых соединений. В

несколько ином варианте рассматривае­мый метод применяют для НК клеевых соединений в листовых конструкциях и сотовых панелях [207, 208, 394]. В отли­чие от контактного резонансного толщи­номера, где влияние пьезоэлемента на собственную частоту ОК стремятся осла­бить путем уменьшения его волновой толщины, здесь основой колебательной системой служит именно пьезоэлемент, толщину которого выбирают близкой к полуволновой.

Кроме собственных частот системы пьезоэлемент - ОК в качестве информа­тивного параметра используют также ее добротность. Метод предложен в начале 50-х годов прошлого века фирмой Fokker (Нидерланды) [406], которая выпускала специализированные приборы под общим названием "Bondtester". Первоначально они предназначались в основном для оп­ределения прочности клеевых швов, одна­ко практически применяются только для обнаружения дефектов типа нарушения соединения. Физические основы и воз­можности метода описаны в [207, 208]. Рассмотрим принцип работы прибора Bondtester.

Недемпфированным пьезоэлементом преобразователя через тонкий слой кон­тактной смазки в ОК возбуждают про­дольные колебания непрерывно меняю­щейся частоты. Толщину пьезоэлемента и диапазон частот выбирают так, чтобы ре­зонансная частота пьезоэлемента, нагру­женного только на наружный слой (об­шивку) ОК, находилась в пределах час­тотного диапазона прибора (обычно 30 ... 500 кГц). Способ получения и пред­ставления резонансных пиков, в принци­пе, не отличается от применяемого в УЗ- толщиномерах.

При контроле многослойных листо­вых конструкций отмечают разность А/ частот при нагрузке преобразователя на свободный наружный лист (обшивку) и всю склеенную конструкцию. Величина Af обусловлена изменением входного меха­нического импеданса ОК, вызванным при­соединением к обшивке внутренней части ОК и соединительной пленки клея. При постоянстве толщин всех соединяемых элементов величина Af определяется па­раметрами клеевого шва: его толщиной I, модулем Юнга Е и плотностью.

Так как толщина клеевого шва /« X, а его масса мала по сравнению с массой внутреннего элемента, информативным параметром является гибкость клеевой пленки. Поэтому имеется возможность оценки параметров клеевого шва, что ис­пользуют для определения его прочности (см. разд. 7.5.7). Очевидно, что при нару­шении клеевого соединения значение Af будет намного меньше, чем при наличии склеивания.

Таким образом, метод позволяет су­дить о параметрах клеевого шва и обна­руживать дефекты соединения. Режим, использующий изменение собственной частоты преобразователя, называется ре­жимом А. Он применяется для контроля листовых клееных конструкций из метал­лов и ПКМ.

При контроле соединений обшивки с сотовым заполнителем применяют режим В, в котором дефекты регистрируют по увеличению амплитуды резонансного пи­ка, обусловленному уменьшением перехо­да части энергии в заполнитель и соответ­ствующим ростом добротности системы пьезоэлемент - ОК.

Чем ниже частота, тем толще контро­лируемая обшивка (0,3 ... 5 мм) и больше диаметр обнаруживаемых дефектов типа непроклея (6 ... 25 мм). Возможности при­менения метода для контроля прочности клеевых соединений будут рассмотрены в разд. 7.5.7.