27

2. Методы прохождения и комбинированные методы

2.1. Теневой метод

Признаком обнаружения дефектов в дефекто­скопии теневым методом служит ослабление амплитуды уп­ругих волн, прошедших через ОК (сквозной сигнал). Ко­личественной оценкой выявляемости дефекта является отношение амплитуд электрических сквоз­ных сигналов при наличии де­фекта и в его отсутствие :

.

Это отношение амп­литуд лежит в пределах (0 … 1).

Расчет акустического тракта при контроле теневым методом сводится к анализу ослабления амплитуды сквозного сигнала. Сквозной сигнал (рис. 1-а) в отсутствие экрана-дефекта (далее просто дефекта) определяют так же, как при прохождении ультразвука между действительным и мнимым преобразователем в расчете донного эхосигнала:

.

Здесь – функция, определяющая поле излучателя диаметром в точке приемника; – площадь приемника; – постоянная амплитуда давления на поверхности излучателя; .

Рис. 1. К расчету ослабления сквозного сигнала

Алгоритм расчета сигнала на приемнике при наличии дефекта. Вычисляем звуковое давление в плоскости дефекта , рис. 1-б. Все точки в плоскости вне дефекта рассматриваются как вто­ричные источники излучения, давление за дефектом принимаем равным нулю. Находим суммарный сигнал на приемнике. Используемое предположение о распределении поля в плоскости соответствует приближению Кирхгофа. Оно достаточно точно, если размеры дефекта значительно больше длины волны.

Для нахождения сигнала на приемнике выполняют интегри­рование по бесконечной плоскости за вычетом площади дефек­та. Интеграл разделим на два: интеграл по всей плоскости минус интеграл по площади дефекта. Первый интегралов соответствует сквозному прохождению ультразвука, поскольку де­фект отсутствует, т.е. равен , а второй ( ) равен сигналу, отраженному от дефекта, с обратным знаком

.

(1)

Второй член под знаком модуля идентичен выражению эхосигнала от дефекта. Следовательно, возмущение поля за экраном равно возмущению поля перед экраном, т.е. отраженной волне . Это положение носит название принципа Бабине.

Было бы неправильно понимать это положе­ние так, что общие значения полей перед экраном и за ним одинаковы. Отраженная вол­на ни с чем не интерферирует, поэтому амплитуда сигнала равна . Возму­щение за экраном складывается с падающей волной, что приводит к существенным различиям. В общем случае имеют место нера­венства:

; .

(2)

Равенство здесь может возникнуть лишь в частных случаях. Несовпадение полей перед экраном и за ним под­тверждается сравнением полей на оси в дальней зоне. Перед круг­лым экраном с увеличением расстояния от него наблюдают посте­пенное ослабление сигнала. За экраном имеется «светлое пят­но», т.е. постоянный максимум.

Для вычисления сигнала в (1) используют метод моде­лирования. Выделяют безразмерные параметры, от которых зави­сит решение, и строят систему кривых в безразмерных координа­тах. Если излучатель и приемник одинаковы, таких параметров четыре. Удобно пользоваться следующими параметрами:

– отношение расстояния меж­ду преобразователями к длине ближней зоны ;

– отно­шение радиусов дефекта и преобразователя ( );

– отношение рас­стояния от излучателя до дефекта к расстоянию между двумя ПЭП ;

– отношение смещения дефекта от общей оси преоб­разователей к их радиусу .

Параметр можно исключить, если на номограмме указывать минимальные значения , соответствующие наибольшему ослаблению сквозного сигнала при перемещении дефекта в плоскости . Эта постановка задачи соответствует реальным условиям НК, когда ищут минимум прошедшего сигнала. Считая, что дефект расположен посередине между преобразователями, полагают = 0,5.

Семейство АРД-диаграмм теневого метода (Амплитуда – Расстоя­ние – Диаметр) показано на рис. 2, оно получено путем жидкостного моделирования. Экспериментальные точ­ки измерены при четырех разных диаметрах ПЭП и частотах. При переходе к безразмерным параметрам эти точки удовлетворительно ложатся на одни и те же кривые (сплошные линии), что подтверждает правильность выбора параметров.

Штриховые линии соответствуют переходу нера­венства (2) в равенство для некоторых значений . Для их построения по АРД-диаграмме эхометода измерен интервал между кривыми с соответствующими значениями и кривой «дон­ный сигнал». Измерения выполнены для расстояния , равного половине толщины ОК, т.к. в эхометоде модель дефекта располагалась на расстоянии , а в теневом – на расстоянии .

Рис. 2.

Кривая «донный сигнал» также построена для удвоенного пробега ультразвука в ОК с учетом зеркального отражения от дна. Измеренный интервал (в ) переведен в относительные единицы и вычтен из единицы. Штриховые кривые удовлетворительно совпадают со сплошными в зоне . Это показывает, что в ближней и переходной зонах неравенство (2) переходит в равенство.

Аналитическую оценку ослабления сквозного сигнала вблизи излучателя ( ) получаем из неравенства (2) в виде:

,

как показывает эксперимент, неравенство можно заменить равен­ством. В дальней зоне:

.

(3)

Зависимость от перемещения дефекта перпендикулярно оси преобразователей в средней плоскости показано на рис. 3. Макси­мум при соответствует «светлому пятну» за экраном. В ближней и переходной областях ( ) этого эффекта нет, на оси за экраном имеем наибольшее ослабление сигнала. Изменение амплитуды при перемещении дефекта между излучате­лем и приемником (изменение ) показано на рис. 2 заштри­хованными зонами.

Рис. 3. Изменение прохождения при сме­щении дефекта перпендикулярно оси преоб­разователя

Теневой метод чаще применяют в иммерсионном варианте, когда между преобразователями и изделием имеются слои жидко­сти с толщинами и . В этом случае пользуются приведенными выше формулами и графиками, но под­ставляют вместо величину

,

а вместо соответственно значение

,

где и – скорости звука в иммерсионной жидкости и ОК.

Экспериментально установлено, что даже тонкие дефекты, рас­положенные вдоль направления распространения лучей, вызывают сильное уменьшение сквозного сигнала, хотя площадь их попереч­ного сечения близка к нулю. Объяснение этого явления состоит в том, что продольная волна, распространяясь вдоль свободной по­верхности такого дефекта, становится головной. В каждой точке поверхности ею порождаются отходящие в сторону (боковые) по­перечные волны, что вызывает ослабление сквозного сигнала.

Помехи при контроле те­невым методом относятся к мультипли­кативным, т.к. под их вли­янием изменяются значения сомножителей, определяю­щих амплитуду сквозного сигнала. Источники помех:

– нестабильность акустического контакта;

– не­соосность преобразователей;

– многократ­ные отражения УЗ импульса;

– структурные помехи и др.

При эхометоде кратковременное ухудшение акустического контакта снижает чувствительность конт­роля некоторого объема из­делия. Борются с этим, снижая по­рог чувствительности УЗД при поиске дефектов и повторным контролем каждого объема ОК.

При теневом методе случайное ухудшение акустического контакта ослабляет сквозной сигнал, что регистрируют как появление дефекта. Описанные выше приемы борьбы с нестабильностью кон­такта неэффективны. Поэтому при дефектоскопии теневым методом контроль ведут иммерсионным или щелевым спо­собом, для которых нестабильность контакта меньше.

Для снижения помех от не­соосности выполняют сведение осей излучателя и прием­ника в одну линию, добиваясь максималь­ной амплитуды сквозного сигнала, затем оба ПЭП жестко закрепляют. Но из-за непараллельности поверхностей и непланшетности (коробление) ОК, случайного поворота ОК при движении несоосность проявляется в процессе контроля. Двойное преломление акустической оси на границе им­мерсионной жидкости и ОК приводит к смещению акустической оси, уменьшая сквозной сигнал.

В ОК и слоях иммерсионной жидкости УЗ импульс испытывает многократ­ные переотражения. Если его длитель­ность превышает ( – толщина ОК или слоя, – скорость звука в них), то возникает интерференция накладывающихся импульсов. Это при­водит к изменению амплитуды сквозного сигнала и маскировке дефекта. Для предотвращения этой помехи умень­шают и удлиняют им­мерсионные слои. Это явление ограничи­вает минимальную толщину ОК.

Структурные помехи из-за рассеяния им­пульса приходят позже сквозного сигнала и не мешают контролю. Однако мультипликативные помехи из-за неравномерного затухания ультразвука на разных участках ОК затрудняют выявление дефектов. При этом крупные дефекты, исклю­чающие прохождение сквозного сигнала, обнаруживаются. В этом состоит преимущество теневого метода пе­ред эхометодом: крупные дефекты удает­ся обнаружить даже при большом рас­сеянии.

Внешние и электрические помехи, влияние края ОК на сквозной сигнал аналогичны помехам эхометода.

Порог чувствительности теневого метода, достигаемый на прак­тике, выше, чем для эхометода. Главная причина – изменение сквозного сигнала под влиянием помех. При контроле толстых лис­тов в условиях производства они приводят к изменению сквозного сигнала на (4 ... 6) дБ. На этом фоне фиксируют из­менение сигнала лишь на (8 ... 10) дБ, что соответствует порогу чувстви­тельности, обеспечивающему выявление дефектов площадью (100 ... 200) мм². При контроле тонких изделий (паяные панели), когда принимают все меры к стабилизации про­хождения ультразвука, порог чувствительности удается снизить до уровня, близкого к уровню эхометода (5 ... 10) мм².

Рис. 4. Структурная схе­ма одного канала теневого дефектоскопа: 1. – синхронизатор; 2 – генератор импульсов; 3 – излучатель; 4 – ОК; 5 – приемник; 6 – регистратор с амплитудным дискриминантом; 7. – временный селектор; 8 – усилитель

Аппаратура для контроля теневым методом проще по устрой­ству, чем эходефектоскоп. Однако она может услож­няться из-за использования большого числа параллельно ра­ботающих каналов. На рис. 4 показана структурная схема од­ного канала импульсного теневого дефектоскопа. Частое применение импульсных прибо­ров связано с тем, что в них легко избавиться от помех, связанных с интерференционными явлениями, применяя достаточно короткие импульсы. Стробируя время прихода сквозного сигнала, уменьша­ют действие внешних электрических шумов.

Пример многоканального теневого – ус­тановки типа УЗУЛ для контроля листов, которые имеют более 200 пар излучатель-приемник, объединенных в группы так, чтобы уменьшить число генераторов и усилителей. В качестве теневого дефектоскопа может быть использован любой эходефектоскоп, включенный по раздельной схеме.