Один из распространенных МНК, использующих акустическую энергию на частотах выше 20 кГц, называется ультразвуковым. Чаще всего используются частоты от 100 кГц до 25 МГц. Более низкие частоты, относящиеся к области слышимого звука, имеют длину волны, сравнимую с размером дефекта, и звук как бы «об­текает» дефект. Надежные методы генерации и детектирования ультразвуковых волн особенно пригодны для обнаружения ма­лых дефектов [6].

Картины С-сканирования (в плоскости волны) для образцов стеклопластика, полученных намоткой, демонстрируют возмож­ность обнаружения несвязанных или неармированных участков, например пустот размером 6 мм или более [7]. Темные полосы на картине соответствуют дефектам.

Когда ультразвуковые волны достигают границы раздела или места обрыва волокна, часть их отражается. Суммарная отражен­ная энергия зависит от удельного акустического сопротивле­ния Z, характерного для данного материала, в котором распро­страняется ультразвуковая волна со скоростью о, и от плотности материала р. Энергия акустического сигнала, проходящего через образец, уменьшается в результате поглощения в самом материале и отражения на дефектах. Детектирование (локация) дефектов проводится путем оценки различия в пути, а следовательно, и в потере энергии отраженных и (или) прошедших ультразвуко­вых волн.

На практике импульс от генератора сигналов передается по коаксиальному кабелю на пьезоэлектрический преобразова­тель, который трансформирует электрический сигнал в механиче­ский.

Передача механической энергии от источника к образцу осуществляется через среду, улучшающую акустический контакт: воду, глицерин, масло, водные эмульсии. Кроме того, иногда используются резиновые прокладки или локальные источники воды; используются и увлажненные резиновые прокладки. Зву­ковой сигнал, прошедший образец и отраженный в нем, детекти­руется приемником, вновь преобразующим энергию механиче­ских колебаний в электрический сигнал. Этот сигнал анализи­руется и выводится на визуализирующее устройство, например на экран электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или на анализатор сканирующего типа.

Ультразвуковой эхо-импульсный метод неразрушающего кон­троля построен на принципе обнаружения сигналов, отраженных от нарушений сплошности для локации места дефекта. Для этого метода достаточен доступ только с одной стороны образца. Де­фект определяется, если сигнал отразился ранее, чем достигнута задняя по отношению к датчику поверхность образца. Дефект наблюдается в виде дополнительного импульса, расположенного между импульсом исходным и отраженным от задней поверхности. Зная скорость распространения звука в материале образца, по положению промежуточного импульса относительно исходного можно провести локацию дефекта в образце.

При сквозном прозвучивании материала измерения произво­дят после прохождения ультразвука через образец. Необходим двусторонний доступ, т. е. ультразвуковые преобразователи рас­положены по обе стороны от образца. Уменьшение энергии в ре­зультате наличия дефекта определяется по уменьшению ампли­туды импульса на экране ЭЛТ. Методом сквозного прозвучива - ния проверяются в основном более толстые материалы, чем при эхо-импульсном способе.

Оба вышеизложенных метода позволяют определять наличие в изделиях несплошностей больших размеров и проводить их локацию только в направлении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука. Однако не менее важно опреде­лять малые дефекты армирующего компонента, пузыри, места с недостатком связующего, пористость. Обнаружить такие де­фекты можно по затуханию ультразвука при сквозном прозву­чивании образца. Для этих целей может использоваться также ультразвуковой эхо-импульсный метод, однако образцы не должны быть слишком тонкими, так как исходный и отраженный от зад­ней поверхности импульсы могут интерферировать. Но образец не должен быть и очень толстым, поскольку на результате сильно сказывается затухание отраженного импульса даже для свобод­ных от дефектов образцов.

Техника ультразвуковых сдвиговых колебаний используется для контроля изделий сложной формы там, где неэффективны сквозное и эхо-импульсное прозвучивания. В этом случае сигнал посылается под углом 17,5 ... 30 к нормали. Если дефекты от­сутствуют, волны, отражаясь от поверхностей образца, затухают, т. е. к источнику сигнал не возвращается. При наличии дефекта появляется отраженный сигнал, который будет зарегистрирован преобразователем [8].

Кроме локации (обнаружения) дефектов с помощью ультра­звуковых методов можно определять толщину материалов. Сквоз­ное прозвучивание и эхо-импульсный метод позволяют опреде­лять толщину стеклопластиков с ошибкой не более 2 % при тол­щине 3,2 ... 1,3 мм [9]. Для меньших толщин эхо-импульсный метод непригоден из-за возможной интерференции, а метод сквоз­ного прозвучивания используют и на более толстых образцах.

Резонансный метод ультразвукового контроля основан на де­тектировании изменения резонансной частоты или уменьшения энергии на резонансной частоте вследствие наличия дефектов в ар­мированных пластиках. Исходно определяемая резонансная ча­стота зависит от состава материала и толщины образца. Изменения в составе и (или) толщине образца сказываются на чувствитель­ности метода и на локационном разрешении дефекта. С помощью этого метода можно определять также и толщину образца:

, п%

1~~Г>

Где Я, — резонансная длина волны; п — число, соответствующее гармонике данных колебаний (основной гармонике — резонансу — соответствует п = 1).

Изменение скорости прохождения ультразвука при извест­ной толщине образца может служить для определения изменения плотности и модуля упругости [10], исходя из соотношения

Где VL — скорость распространения продольных волн; Е — объемный модуль упругости; р — плотность материала; v — коэф­фициент Пуассона. Для стеклопластиков на основе £-стеклотка - ней типа 181 с эпоксидными, фенольными, полиэфирными, сили­коновыми, а также полибензамидазольными (ПБИ) связующими в отчете AVCO рекомендуется соотношение

VlP = 0,0124£,

Где Vl — продольная скорость распространения волны, изме­ряемая в плоскости слоя.

Измерения продольной скорости распространения ультразву­ковых колебаний VL при сквозном прозвучивании образца дают достаточно хорошую корреляцию с пределом прочности при ра­стяжении для стеклопластикового цилиндра, армированного ко­роткими волокнами 111). Аналогично измерение продольной ско­рости распространения волны в направлении армирования для однонаправленных борэпоксидных композитов (ЭБП) коррели­рует с переделом прочности этих материалов при сдвиге [12]. В обоих случаях высокой продольной скорости распространения волн соответствует высокая прочность материалов, в то время как для модуля упругости этот параметр зависит еще и от плот­ности.

Широкие исследования ультразвуковых МНК для намоточных композитов были проведены фирмой «Дуглас» по заказу ВВС США [13]. Техника сквозного прозвучивания была приспособлена для образцов толщиной 508 мм с использованием воды в качестве им­мерсионной жидкости для акустического контакта. Определялись дефекты, связанные с нарушением армирующего компонента, пористостью и изменением состава связующего. Надежно уда­валось фиксировать обрывы нитей при намотке сосудов высокого давления.

Определение глубины проникновения трещин в материал и классификация типов трещин проведены Бар-Коэном [14] с по­мощью варианта эхо-импульсного метода с очень коротким «удар­ным» импульсом [15]. На ЭЛТ выводится сигнал образца, в котором отсутствуют дефекты. При дальнейших измерениях участки с де­фектами вносят изменения в картину на экране ЭЛТ. Могут на­блюдаться следующие изменения: дополнительные отражения сиг­нала, изменение скорости его прохождения, вариации затухания или смещение фазы отраженного сигнала. Этот метод приме­нялся для оценки сандвичевых конструкций, состоящих из угле - пластиковых слоистых обшивок и сотового алюминиевого запол­нителя. Исследовалась возможность определения дефектов раз­личного типа, включая нарушение сплошности в слоистом пла­стике, несвязанные (непроклеенные) участки между обшивкой и заполнителем и расхождение между концами волокон в слои­стой обшивке.

Следующие стандарты Американского общества (ASTM) по испытаниям материалов излагают ультразвуковые неразрушающие методы контроля:

ASTM Е113-67. Ультразвуковой контроль резонансным методом; ASTM Е114-75. Ультразвуковой коротко лучевой эхо-импульс­ный контактный метод контроля;

ASTM Е214-68. Иммерсионный ультразвуковой метод кон­троля, использующий отражение импульса продольной волны; ASTM Е317-68. Оценка технологических характеристик с по­мощью ультразвукового эхо-импульсного метода;

ASTM E494-75. Измерение скорости прохождения ультразвука в материалах.

В военно-морской лаборатории прикладных исследований США был опубликован ряд сообщений о возможностях использо­вания ультразвуковой техники для неразрушающего контроля армированных пластиков различных типов [15]. Центр по иссле­дованию материалов армии США (шт. Массачусетс, г. Уотер­таун) издал обзор по методам ультразвуковых испытаний (A re­port guide to ultrasonic testing literature, v. I, March 1966).

Прибор «Фоккербондтестер», созданный голландской фирмой «Фоккер», использует ультразвуковой резонансный метод, вклю­чая пьезоэлектрические преобразователи колебаний в широком интервале частот. Были предложены другие разработки в виде приборов «Коиндаскоп», «Стабметер» и «Сонизон». При контроле образцов весьма существенное влияние оказывает контакт пре­образователя колебаний с образцом. Обычно используемая схема включает вольтметр (Б-шкала), фиксирующий общее затухание преобразователя. Визуализация на экране ЭЛТ позволяет выде­лить резонансную частоту.

Прибор «Фоккербондтестер» широко используется для нераз­рушающего контроля адгезионно связанных конструкций. Наи­более эффективно он используется для определения качества ад­гезионных соединений металлов с металлами. Успехи достигнуты и при определении качества сотовых сандвичевых структур, для выявления несвязанных участков [16].

При определении качества продукции такие приборы градуи­руются по образцам, в которых дефекты отсутствуют. Для санд­вичевых конструкций качество адгезионных связей металла с ме­таллом в плоскости растяжений определяет сдвиговые характе­ристики материала. Качество таких связей определяется по ам­плитуде колебаний на резонансной частоте (Л-шкала) и по зату­ханию максимальной амплитуды (Б-шкала).