24. Чувствительность эхо-метода контроля и способы ее повышения.

Чувствительность аппаратуры и метода контроля. Чувствительностью называют параметр УЗ контроля, определяющий возможность выявления при контроле отражателей заданного размера. Функциональную характеристику параметра «чувствительность» называют уровнем чувствительности. Понятие уровней чувствительности широко используется в практической дефектоскопии. Различают следующие уровни чувствительности.

Опорным называют уровень чувствительности, при котором эхо-сигнал от искусственного или естественного отражателя в образце из материала с определенными акустическими свойствами или в контролируемом изделии имеет заданную высоту на экране дефектоскопа. Например, при настройке чувствительности часто используют эхо-сигнал от цилиндрического отверстия в образце СО-2. Уровень чувствительности, установленный при этом, называют опорным, а отверстие — опорным отражателем.

Контрольным называют уровень чувствительности, при котором производится измерение характеристик обнаруженных несплошностей и оценка их допустимости по предельным значениям характеристик (условной протяженности, высоте и др.). В некоторых документах этот уровень чувствительности называют уровнем фиксации или уровнем регистрации. Во многих случаях на контрольном уровне чувствительности фиксируют непротяженные несплошности.

Браковочным называют уровень чувствительности, при котором производится оценка допустимости обнаруженной несплошности по амплитуде эхо-сигнала В отечественных документах браковочный уровень обычно задают максимальными эквивалентными размерами отражателя, допустимого по техническим условиям на данное изделие. В некоторых зарубежных документах браковочный уровень задают превышением амплитуды эхо-импульса от дефекта над контрольным уровнем. Обычно браковочный уровень ниже контрольного не менее, чем на 6 дБ.

Поисковым называют уровень чувствительности, устанавливаемый на дефектоскопе при поиске дефектов. Обычно он превышает контрольный уровень не менее, чем на 6 дБ. Необходимость установления поисковой чувствительности связана с тем, что в динамическом режиме (при перемещении ПЭП) ухудшается акустический контакт ПЭП с изделием, следовательно, через границу раздела проходит меньшее количество звуковой энергии, чем в статическом режиме. Кроме того, поиск дефектов производится с определенным шагом. Это значит, что не всегда акустическая ось ПЭП проходит над центром отражателя (дефекта), то есть не всегда в режиме поиска дефект дает максимальный эхосигнал. для компенсации этих потерь и увеличивают чувствительность при поиске. Излишнее увеличение чувствительности приводит к возрастанию мертвой зоны и снижает производительность контроля в случае большого количества мелких несплошностей в связи с необходимостью оценки эхо-сигналов от этих несплошностей.

Поисковому уровню соответствует самая высокая чувствительность, то есть будут выявляться самые маленькие несплошности. Будет выявлено все, что даст эхо- сигнал равный или выше линии поискового уровня. Браковочному уровню соответствует самая низкая чувствительность, то есть будут выявляться только крупные несплошности.

По способу задания различают следующие виды чувствительности.

Эквивалентной называют чувствительность, характеризуемую минимальными размерами искусственного отражателя определенной формы и ориентации, который еще обнаруживается на заданной глубине в изделии при данной настройке дефектоскопа. Например, если чувствительность задана размерами зарубки или цилиндрического отражателя, то ее называют эквивалентной.

Если в качестве искусственного отражателя используют торец отверстия с плоским дном, то получают частный случай эквивалентной чувствительности - предельную чувствительность. Предельную чувствительность характеризуют минимальной площадью отверстия с плоским дном, ориентированным перпендикулярно акустической оси ПЭП, которое еще обнаруживается на заданной глубине в изделии при данной настройке дефектоскопа. Если хотят охарактеризовать возможности дефектоскопа по выявлению несплошностей наименьших размеров на заданной глубине, то говорят о максимальной предельной чувствительности - предельной чувствительности при максимальной чувствительности приемника и мощности генератора и заданном соотношении сигнал-помеха.

Уровень чувствительности можно задать и косвенным путем с использованием условной чувствительности. В соответствии с ГОСТ 14 782-86 условной называют чувствительность, характеризуемую размерами и глубиной залегания выявляемых искусственных отражателей, выполненных в образце из материала с определенными акустическими свойствами.

Условную чувствительность по стандартному образцу СО-1 выражают наибольшей глубиной (мм) расположения цилиндрического отражателя, фиксируемого индикаторами дефектоскопа. Условную чувствительность по стандартному образцу СО-2 выражают разностью в дБ между показанием аттенюатора при данной настройке дефектоскопа и показанием, при котором цилиндрическое отверстие диаметром 6 мм на глубине 44 мм фиксируется индикаторами дефектоскопа.

С целью характеристики технических возможностей дефектоскопа в части усиления электрических сигналов введено понятие абсолютная чувствительность.

Абсолютная чувствительность определяется отношением минимального акустического сигнала, который регистрируется дефектоскопом, к амплитуде акустического зондирующего импульса. Понятие абсолютной чувствительности, применяемое в отечественной литературе, идентично ранее рассмотренному понятию резерва усиления. Абсолютная чувствительность выражается в дБ. Используя абсолютную чувствительность, можно определить максимальную предельную чувствительность.

И, наконец, когда хотят поставить вопрос о фактических размерах несплошностей, выявляемых при контроле, то говорят о реальной чувствительности. Реальная чувствительность характеризуется минимальными размерами реальных несплошностей конкретного типа, выявляемых в конкретном объекте на заданной глубине данными средствами контроля, при заданных параметрах контроля и схеме прозвучивания. Она может быть определена в результате статистической обработки данных контроля и металлографического исследования большой серии объектов этого вида. Реальная чувствительность может служить основанием для оценки эффективности УЗ-контроля.

Наибольшие реальная и предельная чувствительности ограничиваются, т.к. отраженный от дефекта эхо-сигнал Р должен быть больше Р_min, определяемого максимальной акустической чувствительностью, и больше уровня шумов, т.е.

P Р_min; (2.16)

P Р_п, (2.17)

где Р_min - наименьший акустический сигнал, регистрируемый аппаратурой;

P_п - средний уровень помех.

Если рассматривать мелкозернистые материалы, то здесь, в основном, учитывается условие (2.16).

С учетом амплитуды зондирующего импульса получаем

(2.18)

где P_min/P₀ - максимальная акустическая чувствительность прибора.

Связь акустической и электрической чувствительностей может быть описана зависимостью

(2.19)

где K_UU - коэффициент двойного преобразования.

Для преобразователя с акустической задержкой будем иметь

(2.20)

где D - коэффициент прозрачности по энергии для границы между задержкой и объектом контроля;

₁ и r₁ - затухание и средний путь ультразвука в задержке.

Анализ формул (2.19) и (2.20) позволяет выявить возможные способы повышения чувствительности, т.е. снижения величины P_min/P₀. Максимальные значения K_UU могут достигать 0,1-0,5.

Рассмотрим основные способы повышения акустической чувствительности.

За счет повышения амплитуды сигнала генератора U₀. Максимальная амплитуда зондирующего электрического импульса ограничивается допустимой напряженностью электрического поля в пьезопластине (Е₀=200..300 В/мм). С учетом того, что толщина пластины h выбирается полуволновой, получим

(2.21)

За счет снижения величины U_min. Достигается увеличением коэффициента усиления усилителя. Однако в этом случае величина U_min ограничивается собственными шумами усилителя (U_min10^-4//10^-3 B).

Для преобразователей с акустической задержкой чувствительность можно увеличить повышением коэффициента прозрачности и уменьшением затухания в задержке. Это достигается подбором материала и оптимизацией конструкции задержки.

Уменьшение пути ультразвука в задержке r₁ ограничивается требованием устранения помех от ложных отражений в задержке. При этом в случае плоскопараллельной задержки условие минимального пути имеет вид

r₁>rc₁/c, (2.22)

где r - толщина изделия;

c - скорость звука в изделии.

Величину P_min/P₀ для системы дефектоскоп-преобразователь обычно измеряют по амплитуде эхо-сигнала от искусственного отражателя по соответствующей методике.

Уровень P₀ обычно определяют по эталону СО3 как амплитуду максимального эхо-сигнала плюс 2дБ, учитывающих расхождение лучей в поперечном направлении.

После определения максимальной акустической чувствительности решают задачу достижения максимальной предельной чувствительности на основе анализа формул акустического тракта.

Рассматривая преобразователь без задержки, подставим выражение (2.4) в условие (2.18):

(2.23)

Здесь r равно толщине изделия, длина волны  и коэффициент затухания  зависят от материала изделия и частоты f. Отсюда видно, что для достижения минимального значения S_b можно варьировать два параметра - S_a и f.

Следует учитывать, что чувствительность в акустическом тракте повышается с увеличением S_a до тех пор, пока дефект попадает на границу ближней зоны преобразователя. С другой стороны, величина S_a ограничивается конструктивными соображениями.

В выражении (2.23) частотнозависимыми являются величины  и . В области >10D  возрастает с ростом частоты. Создается ситуация, при которой возрастание частоты, с одной стороны, способствует повышению чувствительности за счет уменьшения длины волны, а с другой, уменьшению из-за роста затухания. Решая задачу о максимуме чувствительности, можно найти уравнение для оптимальной частоты

(2.24)

Данное уравнение, как отмечалось ранее, справедливо для мелкозернистых материалов. Необходимо отметить, что при использовании наклонных преобразователей следует учитывать частотную зависимость затухания ультразвука в призме и коэффициента прохождения через границу призма-изделие.

Максимальная чувствительность при высоком уровне структурных помех достигается выбором оптимальных параметров контроля на основе закономерностей формирования этих помех.

Рассмотрим связь между сигналами от искусственных дефектов различных типов Р и структурными помехами Р_п. Рассеяние считаем однократным, а преобразователь — круглым, с площадью S_a.

Для диска площадью S_b: при r < r_б

(2.25)

при r > 2r_б

(2.26)

Для сферы диаметром 2b_c: при r < r_б

(2.27)

при r > 2r_б

(2.28)

Для бесконечного цилиндра диаметром 2b_ц: при r < r_б

(2.29)

при r > 2r_б

(2.30)

В приведенных выражениях величина _p представляет собой долю рассеяния в коэффициенте затухания (например, для стали 45 _p, а для стали 60ХЗГ8Н8В _p=0,5), а  - длительность импульса.

Анализ формул (2.25-2.30) показывает, что для повышения отношения сигнал-помеха от отражателя в дальней зоне целесообразно увеличивать площадь преобразователя S_а. При этом будет улучшаться его направленность. Если отражатель находится в ближней зоне, то увеличение S_a приводит к уменьшению концентрации ультразвуковой энергии, при этом отношение сигнал/помеха для точечных отражателей уменьшается. В этом случае лучше всего применять фокусировку ультразвукового поля. Например, для диска, находящегося в оптическом фокусе, при r=F амплитуда сигнала будет равна

(2.31)

Отношение сигнал-помеха определяется формулой

(2.32)

Отсюда видно, что повышение отношения сигнал-помеха для фокусирующего преобразователя растет с увеличением его площади.

Концентрация энергии происходит также при уменьшении длительности импульса , что повышает отношение сигнал-помеха.

Таким образом, очевидно, что для улучшения выявляемости дефектов на фоне помех необходимо локализовать контролируемый объект, т.е. уменьшить пространство, занимаемое ультразвуковым импульсом в месте расположения дефекта. В данном случае эффективно применение колоколообразных импульсов с высокочастотным заполнением, использование раздельно-совмещенных преобразователей, введение компенсированной отсечки. Кроме того, важен правильный выбор для конкретного объекта контроля частоты, типа волн и направления прозвучивания с учетом акустических свойств среды.