2.3.1. Амплитудный метод прохождения (амплитудный теневой метод)

Здесь мы ограничимся только рас­смотрением применения метода для обна­ружения дефектов типа нарушений сплошности. Возможности метода для оценки физико-механических свойств ма­териалов будут описаны в гл. 7.

Признаком дефектов при контроле амплитудным методом прохождения (те­невым) служит ослабление амплитуды упругих волн, прошедших через ОК (сквозного сигнала). Количественная оценка выявляемое™ дефекта при тене­вом методе определяется отношением электрических сигналов, характеризую-

щим ослабление дефектом амплитуды (Ус сквозного сигнала, прошедшего от излу­чателя к приемнику при отсутствии де­фектов: UT/UC, где UT - амплитуда про­шедшего сигнала при наличии дефекта. Учитывая пропорциональность электриче­ских и акустических сигналов, имеем Ut/Uq=Pt/Pc = PJPc. Это отношение

амплитуд лежит в пределах 0 ... 1.

Аппаратура для контроля амплитуд­ным теневым методом проще по устрой­ству, чем эходефектоскоп, однако она мо­жет существенно усложняться в связи с использованием большого числа парал­лельно работающих каналов. На рис. 2.90 показана структурная схема одного канала импульсного теневого дефектоскопа. Кон­тролируемое изделие 4, синхронизатор 1, генератор импульсов 2, излучатель 3, при­емник 5, усилитель 8, временной селектор 7 и регистратор с амплитудным дискри­минантом 6 выполняют те же функции, что и в эходефектоскопе. В качестве тене­вого дефектоскопа может быть использо­ван любой эходефектоскоп, включенный по раздельной схеме.

Преимущественное применение им­пульсных приборов по сравнению с при­борами с непрерывным излучением связа­но с тем, что в них легко избавиться от помех, вызываемых интерференционными явлениями, применяя достаточно короткие импульсы. Стробируя время прихода сквозного сигнала, выделяют интервал времени, соответствующий приходу этого сигнала, и уменьшают действие внешних электрических шумов.

Примером многоканального теневого дефектоскопа служат иммерсионные уста­новки типов УЗУЛ и "Дуэт" для контроля листов, которые имеют > 200 пар излуча­телей-приемников, объединенных в груп­пы для того, чтобы уменьшить число ге­нераторов и усилителей в установке [60]. Достоинство теневого метода, проявляю­щееся в установках для автоматического контроля листов, - постоянное время про­хождения УЗ импульсов от излучателя к приемнику независимо от перемещения листа (при постоянстве его толщины) по высоте между ними в иммерсионной ван­не. Это существенно упрощает конструк­цию установки.

Расчет акустического тракта при

контроле амплитудным теневым методом сводится к анализу ослабления амплитуды сквозного сигнала. Излучатель и прием­ник считают одинаковыми, как это обыч­но делают при контроле. Сквозной сигнал рс в отсутствие экрана-дефекта (в даль­нейшем просто дефекта) определяют так же, как при прохождении УЗ между дей­ствительным и мнимым преобразователя­ми в задаче по расчету донного сигнала (см. рис. 2.31, б). Величина его ослабления р' вычитается из рс с учетом фаз сигналов. При переходе к амплитудным значениям имеют место неравенства

Рт= рс-р" >РС-Р";

Рт/Рс > 1 - Р"!РС. (2.41)

Равенство здесь может возникнуть лишь в некоторых частных случаях.

Когда дефект расположен посередине между излучателем и приемником, член р" идентичен значению р' для эхометода. От-

сюда следует, что возмущение поля поза­ди экрана р " равно возмущению акустиче­ского поля перед экраном (ОВ). Это поло­жение носит название "принцип Бобине". Однако было бы неправильно понимать данное положение так, что поля перед эк­раном и позади него совершенно одинако­вы. ОВ ни с чем не интерферирует, и ам­плитуда сигнала равна р'. Возмущение позади экрана складывается с падающей волной, что вызывает существенные раз­личия. Неидентичность полей перед экра­ном и позади него подтверждается срав­нением полей на оси в дальней зоне. Пе­ред круглым экраном с увеличением рас­стояния от него наблюдают постепенное ослабление сигнала. Позади экрана имеет­ся "светлое пятно", т. е. постоянный мак­симум (эффект Пуассона).

На рис. 2.91 показано семейство без­размерных кривых амплитуда - расстоя­ние - диаметр (АРД диаграмма) для тене­вого метода контроля, снятое путем жид­костного моделирования, для случая, ко­
гда дефект расположен посередине между излучателем и приемником. Преобразова­тели и дефект круглые. По оси ординат отложено отношение Рг/Рс в относитель­ных единицах, соответствующее наи­большему ослаблению сквозного сигнала; по оси абсцисс - расстояние между излу­чателем и приемником, деленное на длину ближней зоны преобразователей r/N; па­раметр кривых - отношение диаметра де­фекта к диаметру преобразователя d! D = = Ыа.

Штриховыми линиями показаны кри­вые, соответствующие переходу нера­венств (2.41) в равенства для некоторых значений d/D. Они построены по АРД диа­грамме для эхометода (см. рис. 2.35) и удовлетворительно совпадают со сплош­ными кривыми в зоне г < (4 ... 6)N. Это показывает, что в ближней и переходной зонах неравенства (2.41) переходят в ра­венства.

Отношение PJPC на рис. 2.91 соот­ветствует наибольшему ослаблению
сквозного сигнала при заданном расстоя­нии между излучателем и приемником, поскольку при положении дефекта на их оси в дальней зоне наблюдается меньшее ослабление сквозного сигнала. Этот мак­симум соответствует "светлому пятну" позади экрана. В ближней и переходной зонах этого эффекта нет, на оси позади экрана наблюдают наибольшее ослабле­ние сигнала. Изменение амплитуды при перемещении дефекта между излучателем и приемником показано на рис. 2.91 за­штрихованными зонами.

Для аналитической оценки ослабле­ния сквозного сигнала при г < 2N исполь­зуют неравенство

Pr/Pc>l-s/S,

причем эксперимент показывает, что не­равенство можно заменить равенством. В дальней зоне

PjPc>l-4s/(Xr). (2.42)

Амплитудный теневой метод чаще всего применяют в иммерсионном вариан­те, когда между преобразователями и ОК имеются слои жидкости с толщинами / и г". В этом случае в соответствии с разд. 1.3.2. пользуются приведенными выше формулами и графиками, но под­ставляют вместо г величину г + (г'+г")с'/с, где с' и с - скорости звука в иммерсионной жидкости и ОК.

Экспериментально установлено, что даже тонкие дефекты, расположенные вдоль направления распространения лу­чей, вызывают довольно сильное умень­шение сквозного сигнала, хотя площадь их поперечного сечения очень мала. Это объясняется тем, что продольная волна, распространяясь вдоль свободной поверх­ности такого дефекта, становится голов­ной. В каждой точке поверхности ею по­рождаются отходящие в сторону (боко­вые) поперечные волны, что ослабляет сквозной сигнал.

Помехи при контроле амплитудным теневым методом, как правило, относятся

к мультипликативным, поскольку (как показано ниже) под их влиянием изменя­ются значения сомножителей, опреде­ляющих амплитуду сквозного сигнала. Один из источников помех - нестабиль­ность акустического контакта.

При дефектоскопии эхометодом слу­чайное кратковременное ухудшение аку­стического контакта приводит к сниже­нию чувствительности контроля некото­рого объема изделия. Борются с этим яв­лением путем повышения чувствительно­сти дефектоскопа в процессе поиска де­фектов и повторного контроля каждого объема ОК. При дефектоскопии ампли­тудным теневым методом случайное ухудшение качества акустического кон­такта ослабляет сквозной сигнал, и его регистрируют как появление дефекта. Описанные выше приемы борьбы с неста­бильностью контакта неэффективны. В связи с этим при дефектоскопии рассмат­риваемым методом контроль обычно ве­дут иммерсионным, бесконтактным или щелевым способами: для них нестабиль­ность контакта меньше.

Помехи при контроле теневым мето­дом возникают также от несоосности пре­образователей. При настройке излучателя и приемника выполняют их юстировку на соосность, добиваясь максимальной ам­плитуды сквозного сигнала, а затем излу­чатель и приемник жестко закрепляют. Однако непараллельность поверхностей, непланшетность (коробление) ОК, слу­чайный поворот ОК при перемещении вызывают появление несоосности в про­цессе контроля, поскольку двойное пре­ломление акустической оси на границе иммерсионная жидкость-OK приводит к смещению акустической оси и уменьшает сквозной сигнал.

В ОК и слоях иммерсионной жидко­сти возникают многократные отражения УЗ-импульса. Если он имеет длительность т, большую, чем 2h/c (где h - толщина ОК или слоя; с - скорость звука в них), то возникает интерференция импульса, при­водящая к изменению амплитуды сквозно­го сигнала, маскирующему дефект. Для предотвращения этой помехи следует уменьшать длительность импульса и де­лать достаточно толстыми иммерсионные слои. Это же ограничивает минимальную толщину ОК.

Структурные помехи от рассеяния импульса приходят позже, чем сквозной сигнал, поэтому, как правило, не мешают контролю. Однако мультипликативные помехи от неравномерного затухания УЗ на различных участках изделия затрудня­ют выявление дефектов. Крупные дефек­ты, практически исключающие прохожде­ние сквозного сигнала, при этом все же обнаруживаются. В этом заключается преимущество теневого перед эхомето - дом: крупные дефекты удается обнару­жить даже при большом рассеянии.

Влияние внешних шумов, электриче­ских флуктуаций, боковой поверхности у края ОК на изменение сквозного сигнала подобно аналогичным помехам, рассмот­ренным для эхометода.

Порог чувствительности амплитуд­ного теневого метода можно оценить с помощью неравенства (2.42), задавшись значением РГ1РС = Р mid Рс ~ ВЄЛИЧИНОЙ наименьшего ослабления сквозного сиг­нала, выявляемого на фоне помех. Наи­меньший размер выявляемого дефекта определяется неравенством

2bmin > Jr(l-Pmin/Pc)/n. (2.43)

Достигаемая на практике величина 2bmm = dmm больше, чем для эхометода, т. е. чувствительность к дефектам меньше. Главная причина - изменение сквозного сигнала под влиянием помех. При контро­ле толстых листов в производственных условиях они приводят к изменению сквозного сигнала на 4 ... 6 дБ. На этом фоне фиксируют лишь изменение сигнала на 8 ... 10 дБ, что соответствует порогу чувствительности, обеспечивающему воз­можность выявления дефектов площадью 100... 200 мм2.

При контроле тонких изделий, на­пример паяных панелей, когда принимают все меры к стабилизации прохождения УЗ, удается снизить порог чувствительности до уровня, близкого к уровню эхометода (5 ... 10 мм2) [83]. При контроле пластмасс в контактном варианте возможно выявле­ние дефектов порядка 15x15 мм2.