47. Бесконтактные методы возбуждения и приема акустических волн.

Применение акустического контроля часто ограничивается необходимостью использования жидкой cреды для передачи колебаний от преобразователя к изделию и обратно. Особенно если контроль ведется при больших скоростях и вибрациях объекта, высоких и низких температурах, шероховатой и загрязненной поверхности, а также при реализации автоматического контроля. В этих случаях применяют иммерсионный способ акустического контакта. Однако при этом существенно усложняется конструкция установок и уменьшается чувствительность за счет двукратного прохождения границы жидкость - объект.

Бесконтактные методы возбуждения акустических волн расширяют возможности акустического НК. Рассмотрим основные бесконтактные методы.

Воздушно-акустическая связь. В принципе УЗ-колебания могут передаваться через воздушную среду. При этом из-за сильного затухания эффективный частотный диапазон колебаний составляет 0,1...1,0 МГц. Существенным ограничивающим фактором является низкий коэффициент прохождения через границу воздух - твердое тело. Для сравнения отметим, что ослабление сигнала при сквозном прозвучивании образца через воздушные слои в 2...3 тыс. раз больше, чем при иммерсионном способе контроля.

Воздушный контакт может быть эффективен при прохождении низкочастотных колебаний через тонкие слои твердого материала толщиной меньше четверти длины волны.

Практически данный метод ввода используется при экспресс-контроле чистоты обработки поверхности изделия, дистанционной виброметрии и толщинометрии листов (при двустороннем доступе). Как правило, применяются пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи, а также ударные волны.

1.2 Термо- и оптикоакустические эффекты. Термоакустический эффект - это возникновение акустических волн, вызванное изменяющимися во времени термомеханическими напряжениями в результате неравномерного нестационарного распределения температур.

Существует несколько способов быстрого бесконтактного нагрева участка твердого тела. Например, электроискровой посредством электрического конденсатора, при этом амплитуда акустического импульса в десятки тысяч раз меньше, чем при использовании пьезопреобразователей, частотный диапазон - 0,1...1,0 МГц.

Перспективен нагрев лучом лазера. Лазерный нагрев позволяет возбудить акустические импульсы с большой амплитудой, однако с малой длительностью. Экспериментально установлено, что производительность контроля при лазерном возбуждении по ряду причин на 2...4 порядка меньше, чем в обычных дефектоскопах.

Для нагрева также могут быть использованы индукционный метод и пучком электронов.

При амплитуде колебаний температуры 100C на частоте порядка 1 МГц напряжения, возбуждаемые в металле термоакустическим методом, на порядок меньше, чем напряжения, полученные обычным пьезоэлектрическим методом. Весьма проблематичным является прием акустических колебаний за счет термоакустического эффекта.

Эффект электрического поля. Если поверхность изделия (токопроводящую) сделать одной из обкладок конденсатора, то акустические колебания в ней могут быть вызваны за счет сил взаимодействия электрических зарядов. Прием колебаний может быть осуществлен за счет обратного эффекта, т.е. появления переменного электрического напряжения на обкладках конденсаторного преобразователя при изменении расстояния между обкладками.

Как правило, для устранения удвоения частоты на конденсатор подается постоянное напряжение U₀. Напряжение акустического поля в этом случае при некоторых допущениях описывается выражением

(1)

где =1 для воздуха; U₁ - переменное напряжение на обкладках ; h - зазор между обкладками, и численно примерно в 1000 раз меньше значения, достигаемого с помощью иммерсионного преобразователя.

В режиме приема реализуется аналогичный принцип. При этом чувствительность конденсаторного приемника будет также в 10³ раз меньше, чем иммерсионного преобразователя.

Описанные преобразователи используются при научных исследованиях. Их основное преимущество - широкополосность.

На аналогичном эффекте электростатического поля основано действие электретных преобразователей, в которых в отличие от конденсаторных на электроде, обращенном к изделию, закрепляется электретная пленка. Чувствительность таких преобразователей пропорциональна отношению g/h, где g - поверхностный заряд, h - зазор, и того же порядка, что и у конденсаторных.

Эффекты электромагнитного поля. Возбуждение акустических колебаний под действием электромагнитного поля происходит в результате магнитострикции, магнитного и электродинамического взаимодействий.

Явление магнитострикции открыл в 1847 Джоуль в результате опытов по воздействию магнетизма на размеры железных стержней. Магнитострикцией называют изменение формы и объема ферромагнитных материалов под действием внешнего магнитного поля. Обратный эффект - появление магнитного поля в результате деформации элементов ферромагнитного тела - называют магнитоупругим эффектом.

В практике широкое применение получили преобразователи из магнитодиэлектриков: ферритов, оксиферов. Данные типы преобразователей применяются в низкочастотной УЗ-технике (до 40...50 кГц), т.к. на более высоких частотах они имеют очень большие потери.

Магнитное взаимодействие состоит во взаимном притяжении и отталкивании ферромагнитного материала и катушки с переменным электрическим полем. Если изделие намагнитить постоянным магнитом и поместить над ним катушку с переменным током, то она будет притягиваться и отталкиваться от него в зависимости от направления магнитного поля. Это вызовет возбуждение упругих колебаний поверхности изделия, т.к. магнитные полюса образуются только на поверхности изделия. Прием колебаний осуществляется на основе возникновения электрического тока в катушке при приближении и удалении поверхности изделия.

Электродинамическое воздействие основано на эффекте вихревых токов, индуцируемых в изделии под действием переменного тока в катушке, расположенной вблизи изделия, и проявляется в их взаимодействии с внешним магнитным полем от постоянного магнита. Упругие силы при этом будут концентрироваться в узком поверхностном слое. Обратный эффект состоит в том, что вихревые токи, возбуждаемые в металле под действием упругих волн, индуцируют переменный ток в катушке, которая служит приемником.

Магнитострикционный и магнитный эффекты позволяют возбуждать продольные УЗ-волны в ферромагнитных материалах и в магнитодиэлектриках. Электродинамический эффект позволяет возбуждать как продольные, так и поперечные волны в любых токопроводящих материалах.

Электромагнитно-акустические (ЭМА) преобразователи. Работа данных преобразователей основана на действии одновременно всех трех эффектов электромагнитного поля в ферромагнитных металлах.

Рассмотрим принцип действия и конструкции ЭМА-преобразователей. В приведенной схеме преобразователь состоит из электромагнита 3 (рисунок 1, а), питаемого постоянным током, и катушки 2, питаемой переменным током. В преобразователе магнитное поле с индукцией B_n в зоне действия вихревых токов расположено по нормали к поверхности изделия. Вихревой ток же в изделии создает катушка 2. Сила F, которая определяет смещение точек cреды, направлена в этом случае по касательной к поверхности, т.е. возбуждаются поперечные акустические волны.

Как видно из схемы преобразователя (рисунок 1, б), магнитное поле B_т направлено по касательной к поверхности изделия, поэтому в изделии будут возникать продольные волны.

Акустическое напряжение в изделии можно выразить через суммарное действие всех трех эффектов для ферромагнитных металлов

(2)

где T_э, T_м и T_c - составляющие напряжения, вызванные электродинамическим, магнитным и магнитострикционным эффектом соответственно; Н - напряженность магнитного поля катушки;  - относительная магнитная проницаемость материала; =-1 - для парамагнетиков и =a/H₀ - для ферромагнетиков; а - магнитострикционная постоянная; H₀ - напряженность постоянного поля подмагничивания; _l - безразмерный параметр, равный отношению волновых чисел акустической и электромагнитной волн.

а) б)

Рисунок 1 – Схемы ЭМА- преобразователей для возбуждения волн различного типа

Чувствительность ЭМА-преобразователей примерно в 1000 раз меньше, чем пьезопреобразователя при контроле иммерсионным способом.

С помощью ЭМА-преобразователей могут быть возбуждены самые различные типы волн. Как видно из приведенных схем, продольные и поперечные волны могут быть возбуждены раздельно, если токовые катушки располагать над такими участками поля магнитной индукции, где существует только одна нормальная или тангенциальная его составляющие.

Возможно возбуждение волн Рэлея и Лэмба, если расстояние между проводниками с одинаковым направлением тока сделать равным длине соответствующей волны.

С помощью ЭМА-преобразователей удается возбудить нормальные поперечные волны, что сложно сделать другими способами.

Важным достоинством ЭМА-метода является возможность его использования при высоких температурах.

Преимуществами ЭМА-преобразователей является более высокая чувствительность по сравнению с другими способами бесконтактного возбуждения на частотах, применяемых в дефектоскопии, широкополосностью, возможностью возбуждать волны разных типов, температуростойкостью. К недостаткам следует отнести громоздкость и малую чувствительность относительно пьезопреобразователей.

Лазерный способ возбуждения акустических волн. Оптический лазерный способ применяют как для излучения, так и для приема упругих колебаний. Излучение происходит под действием нескольких эффектов. При небольших значениях интенсивности падающего светового по­тока имеет место импульсное локальное расширение объема вблизи поверхности ОК. Эти деформации передаются сосед­ним зонам, порождая упругие волны. При этом амплитуда УЗ-колебаний пропор­циональна повышению температуры ме­талла и достигает наибольшего значения при температуре плавления. В этой облас­ти реализуется термоупругий механизм генерации УЗ.

При увеличении энергии лазерного излучения начинается интенсивное плав­ление поверхностного слоя металла и к термоупругому механизму добавляется гидродинамический. Амплитуда УЗ при этом резко возрастает по линейному зако­ну. Действие гидродинамического меха­низма в дюралюминии начинается с ин­тенсивности лазерного излучения 30 МВт/см².

По мере увеличения интенсивности падающего светового потока разрушается поверхность металла, и в действие вступа­ет испарительный механизм. При этом формируется мощная струя ионизирован­ного пара и возникает плазменное облако. Так как эффективность испарительного механизма невелика, амплитуда УЗ хотя и увеличивается, но темп ее роста постепен­но уменьшается. При смене механизмов генерации УЗ изменяются форма и дли­тельность регистрируемых импульсов.

При интенсивностях лазерного излучения, пре­вышающих термоупругий механизм гене­рации, амплитуда УЗ-колебаний усилива­ется и приближается к возбуждаемым ПЭП. Но это сопровождается повреждением поверхности ОК, т.е. при большей плотности энергии происходит разруше­ние поверхностного слоя ОК.

Для возбуждения в ОК упругих коле­баний используют твердотельные и газо­вые лазеры, генерирующие оптические импульсы длительностью 5 ... 30 нс. Луч лазера с изначально малым сечением час­то дополнительно фокусируют на поверх­ность ОК для уменьшения площади облу­чаемой зоны. Диаметр последней может составлять всего 10 мкм, поэтому концентрация энергии в облучаемой зоне может быть очень большой.

Рассматривая в более общем плане процесс излучения, возмож­ны три случая взаимодействия оптическо­го излучения с материалом ОК. В первом случае лазерный луч падает на свободную поверхность ОК (рисунок 2, а слева). Удельная мощность излучения не превышает порога, за которым происходит абляция, сопровождающаяся повреждени­ем поверхности ОК. Для алюминиевых сплавов этот порог составляет ~10⁵ Вт/мм². Со стороны наружной поверхности расширение материала в зоне нагрева ни­чем не ограничено. В резуль­тате происходит выпучивание этой зоны. Экспериментальная диаграмма направ­ленности возбуждаемых продольных волн с длиной волны, большей размеров нагре­ваемой зоны, приведена на рисунке 2, а (справа). Кроме продольной, в материал из­лучаются также поперечная и поверхност­ная (рэлеевская) волны, которые на ри­сунке не показаны.

Рисунок 2 – Три типа взаимодействия оптического излучения с материалом ОК и диаграммы направленности волн

Во втором случае луч лазера падает на поверхность ОК через прозрачный слой, например приклеенную стеклянную пластинку, тонкую пленку масла или воды (рисунок 2, б слева). Данный слой пред­ставляет собой инерционное сопротивле­ние, препятствующее свободному расши­рению нагреваемой зоны. От этого повы­шается эффективность излучения в ОК и меняется характер диаграммы направлен­ности продольных волн (рисунок 2, б спра­ва), максимум которой совпадает с норма­лью к поверхности ОК. Прозрачный слой увеличивает амплитуды излучаемых продольных и поперечных волн до 30 дБ, в зависимости от материала ОК и парамет­ров слоя.

В третьем случае плотность энергии лазерного луча в зоне нагрева превышает порог абляции (рисунок 2, в, слева). Выбра­сываемый в результате абляции материал, подобно реактивной струе, увеличивает действующую на поверхность нормаль­ную силу. Это увеличивает амплитуду излучаемых упругих волн и меняет диа­грамму направленности продольной вол­ны, которая становится подобной таковой для второго случая. Этот способ позволяет излучать наиболее интенсивные упругие волны, сравнимые с получаемыми с по­мощью ПЭП, поэтому, несмотря на по­вреждение поверхности, его применяют, когда эти повреждения несущественны или если поверхностный слой удаляют дальнейшей механической обработкой.

Отметим, что на рисунке 2 приведены диаграммы направленности только для продольных волн, хотя возбуждаются также поперечные и поверхностные (рэлеевские) волны. Поверхностные волны рас­пространяются во все стороны ненаправ­ленно.

Нормальные к поверхности объем­ные волны практически не возбуждаются, как на рисунке 2, а. Это объясняется тем, что нагретый участок поверхности имеет конечную толщину (~ 0,1 мкм), причем продольные волны от наружной и внут­ренней поверхностей этого слоя противо­положны по фазе и гасят друг друга. По­перечная нормальная к поверхности волна также не возбуждается. Это устраняется нанесением на поверхность ОК тонкого слоя воды или масла, как рассмотрено ра­нее.

При лазерном возбуждении в ОК из­лучается короткий акустический импульс. Его спектр определяется в основном дли­тельностью импульса лазера и лежит в пределах частот до f_max = 1/ . Рассмотренным способом в ОК воз­буждают короткие (наносекундные) им­пульсы продольных, поперечных и по­верхностных волн, а при определенных условиях также волн Лэмба.

Для получения импульса поверхно­стных волн колоколообразной формы ин­тенсивность освещенных полос должна плавно убывать от середины зоны возбу­ждения к ее краям. Способ пригоден так­же для возбуждения определенных мод волн Лэмба, если при выбранной длине волны параметры листа (слоя) удовлетво­ряют условиям распространения данной моды.

Особенностью лазерного возбужде­ния, полезной при контроле изделий сложной формы, является постоянство диаграммы направленности излучаемых волн при значительном отклонении угла падения лазерного луча от нормали к по­верхности ОК. Лазерные преобразователи даже при падении луча под острыми угла­ми к поверхности излучают УЗ перпенди­кулярно к ней.

Оптическая сканирующая система может быть расположена на расстоянии 1 ... 2 м от ОК. С одной позиции можно сканировать площадь 1 ...2м².

Оптический (лазерный) прием упру­гих волн. С помощью лазеров можно при­нимать упругие волны широкого диапазо­на частот, имеющие нормальные состав­ляющие смещений. К ним относятся про­дольные, поверхностные, поперечные (с вертикальной поляризацией), а также волны в пластинах (волны Лэмба) и стержнях. В отличие, например, от ПЭП и электростатического преобразователя, способных как излучать, так и принимать упругие волны, лазерные системы излуче­ния и приема не являются обратимыми и имеют различное устройство.

На рисунке 3 показана одна из воз­можных структурных схем аппаратуры для лазерного УЗ-контроля методом про­хождения. Система излучения (слева от ОК 5) имеет измеритель мощности излу­чения 4.

Для приема применяют лазерный интерферометрический приемник, показанный на рисунке 3 справа. Луч от маломощ­ного лазера 9 раздваивается полупрозрач­ным зеркалом 8. Эти лучи отражаются от неподвижного зеркала 6 и поверхности ОК 5, которая колеблется под действием падающей УЗ-волны. Оба луча приходят на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 11, который показывает результат интер­ференции.

Движение поверхности ОК изменяет соотношение фаз интерферирующих све­товых лучей, а следовательно, амплитуду суммарного колебания. Таким же образом колеблется ток ФЭУ.Разность хода лучей в плечах интер­ферометра выставлена так, чтобы она бы­ла равна нечетному числу четвертей све­товой волны.

Чувствительность такого приемника в тысячи раз меньше, чем ПЭП. Это объ­ясняется большими помехами в ФЭУ. На приемную систему также сильно влияют внешние вибрации. Для отстройки от них зеркало 6 делают перемещающимся. Из сигнала на ФЭУ фильтром 12 выделяют низкочастотную составляющую, которая соответствует низкочастотным вибраци­ям; усиливают ее усилителем 7 и управ­ляют перемещениями зеркала 6, укреп­ленного на компенсирующем его движе­ния пьезоэлементе.

Рисунок 3 – Схема лазерного способа возбуждения (слева) и приема (справа) УЗ-волн

Оптические методы приема можно разделить на две группы: методы приема в точке или небольшой зоне по­верхности ОК в реальном масштабе вре­мени и методы, позволяющие наблюдать распределение возмущений на значитель­ной площади в определенный момент времени. Применение методов второй группы ограничено их еще меньшей чув­ствительностью, поэтому для неразрушающего контроля применяют преиму­щественно методы первой группы.

Недостатки лазерного способа воз­буждения и приема, мешающие его про­мышленному применению, - громозд­кость аппаратуры, малая частота следова­ния импульсов, недостаточно большой ресурс работы лазера, малая чувствитель­ность при приеме. Возможно сочетание лазерного возбуждения с неоптическими способами приема.

Оптический способ излучения и приема УЗ используют для очень точного измерения скорости и коэффициента зату­хания, для абсолютной градуировки пьезопреобразователей и контроля не­металлических материалов.

Лазерное возбуждение применяют для контроля при высоких температурах ОК, например для исследования измене­ния упругих свойств, слежения за процессом синтеза керамики, дефектоскопии слоистых материалов, в том числе для контроля отслоения пленок толщиной все­го 100 А^о, применяя лазерные импульсы длительностью 0,1 нс.

Один из основных недостатков ла­зерного способа - низкая чувствитель­ность при приеме УЗ-колебаний. Выпол­ненные ранее оценки давали значе­ние минимальной амплитуды регистри­руемых колебаний 10^-8мм.