3.2. Методы вынужденных колебаний (резонансные)

В резонансных методах связь колеблющегося ОК с приемно-излучающей внешней системой при­водит к смещению резонансной частоты относительно частоты сво­бодных колебаний. Учесть это смещение трудно, а иногда невоз­можно, поэтому считают, что частоты резонансов и сво­бодных колебаний совпадают (систематическую погреш­ность). Амплитуды вынужденных колебаний больше, чем свободных, т.е. измерения выполнять легче. При измерении ре­зонансных частот стремятся оптимизировать взаимодействие приемно-излучающей системы с ОК так, чтобы эти частоты мало отличались от частот свободных колебаний, но при этом легко измерялись.

Интегральный метод вынужденных колебаний имеет различные способы реализации. Например, акустико-топографический метод, в котором регистрируется распределение амплитуд упругих коле­баний на поверхности контролируемого объекта или его большом участке с помощью наносимого на поверхность липнущего порош­ка. Дефектная зона отличается увеличением амплитуды изгибных колебаний в результате резонансных явлений, из-за чего осе­дание порошка на ней меньше.

Локальный метод вынужденных колебаний чаще всего приме­няют для измерения толщины объектов при одностороннем досту­пе (тонкостенные трубы, оболочки). Применению эхометода здесь мешает мертвая зона. Приборы для реализа­ции этого метода называют резонансными толщиномерами. Они ос­нованы на возбуждении в толщине стенки ОК колебаний и определении частот резонансов. В простейшем случае, представляя стенку ОК пластиной, поверхности которой с обеих сторон свободны, условие возбуждения упругих резонансов записывают в виде

(5)

где – частота -й гармони­ки. Согласно (2.51) для измерения толщины ОК с из­вестной скоростью зву­ка материала нужно знать резо­нансную частоту и номер гармоники .

Признаки наличия дефектов в ОК:

– при наличии расслоений частоты резонансов растут, как при уменьшении толщины;

– если дефект непараллелен поверхности ОК, резонансы по толщине стенки исчезают.

Метод применяют в двух вариантах: контактном и иммерсионном. При этом устройство приборов существенно отличается.

Контактный резонансный толщиномер, рис. 12–а. Генератор колебаний 1 возбуждает ПЭП 4, контактирующий с ОК 8 че­рез слой контактной жидкости. Частоту колебаний генератора из­меняют модулятором 5. Резонансы акустических колебаний изменяют режим работы колебательного контура генера­тора. Фильтром 2 эти изменения отделяют от всех дру­гих. Они кратковременны и имеют вид пиков. Частотную зависимость амплитуды с резонансными пиками через усилитель 3 и подают на ЭЛТ 7.

Рис. 12. Схема контактного резонансного толщи­номера (а) и его автогенератора: 1. – генератор; 2. – фильтр; 3. – усилитель; 4. – ПЭП; 5. – модулятор; 6. – блок развертки; 7. – ЭЛТ; 8. – ОК; 9. – измеритель

Модулятор управляет блоком временной развертки 6, ли­нейно изменяющееся напряжение которого поступает на ЭЛТ. Горизонтальная развертка связана с изме­нением частоты, а резонансные частоты проявляются пи­ками на соответствующих участках развертки. Измеритель­ный блок 9 переводит частотно-времен­ной интервал между резонансными пиками в измеряемую толщину ОК. Чем больше измеряемая толщина, тем боль­ше резонансных пиков и меньше интервал между ними.

Здесь резонансные частоты регистриру­ют по изменению режима колебательного контура генератора (рис. 12-б). Нагрузка генератора определяется суммарным комплексным электрическим сопротивлением:

; ,

где – емкость пьезопластины; – эквивалентное комплекс­ное электрическое сопротивление пьезоэлемента. Оно состоит из параллельно включенных активной и реактивной частей. Индуктивность (рис. 12–б) изменяют, намаг­ничивая ее ферромагнитный сердечник и тем самым меняя его магнитную проницаемость. При этом частота генерато­ра автоматически изменяется так, чтобы обеспечива­лось условие

.

Если частота соответствует резонансу акустических колебаний, тогда

.

В эквивалентной электрической цепи это условие соответствует частоте антирезонанса. При этом модуль комплексного суммарного сопротивления становится мини­мальным:

.

При постоянном напряжении генератора ток в цепи возрастает, а напряжение на пьезопластине падает.

Величина определяется условиями нагрузки пьезопластины. Демпфером и протектором пренебрегаем, т.к. в ПЭП резонансного толщиномера они отсутствуют. Отмечаемые прибором резонансные частоты соответствуют ус­ловию свободных колебаний пакета, состоящего из трех слоев: пьезопластина 1, контактная жидкость 2 и ОК 3:

.

(6)

Здесь , , – волновое сопротивление, волновое число и тол­щина слоя системы.

На рис. 13 в логарифмическом масштабе показана зависи­мость резонансных частот от толщины стального ОК для си­стемы кварц–масло–сталь, рассчитанная по (6). Антирезонансная частота кварцевой пластины 10 МГц. Сплош­ные линии соответствуют свободным поверхностям ОК.

Нагрузка поверхности ОК кварцем повышает резонансные частоты (штриховые линии). Это связано с тем, что в пакете кварц–ОК на резонансных частотах укладывается на одну полуволну больше, чем следует из . На частотах ниже 10 МГц толщина пластины кварца меньше полуволновой, поэтому в ОК укладыва­ется ( ) полуволн, где . Введе­ние слоя масла ведет к промежу­точным значениям резонансной часто­ты (штрихпунктирные линии).

Рис. 13. Резонансные частоты пакета: ПЭП–слой масла–ОК. Толщина ОК равна

Для умень­шения погрешности из-за смещения ре­зонансных частот следует (рис. 13):

– работать на частотах, близких к резонансной частоте пьезопластины,

– использовать резонансные пики, соот­ветствующие высшим гармоникам,

– уве­личивать толщину слоя масла до опти­мальных (четвертьволновых) значе­ний,

– проводить градуировку прибора и измерять толщину при одинаковой силе прижатия ПЭП к по­верхности ОК.

Колеблющиеся ПЭП и ОК можно представить как две связанные колебатель­ные системы. Чем слабее связь, тем точнее резонансные частоты ОК соответствуют режиму свободных колебаний. Ослабить связь колеблющихся систем можно, выбрав контактную жидкость с малым волновым сопротивлением и сделав ее толщину равной не­четному числу четвертей волны. При этом генератор слабо реагирует на резонансы колебаний ОК, что ослабляет резонансные пики. Это принципиальный недостаток контакт­ного резонансного метода с регистрацией резонансных частот по изменению ре­жима колебаний контура генератора.

Для материалов с малым затуханием ультразвука шири­на резонансных пиков на половине их высоты составляет около 1% от частоты. Связанная с этим погрешность измерения не пре­вышает 0,5%. Общая погрешность контактных резо­нансных толщиномеров с учетом возможного смещения резонанс­ных частот достигает (2 ... 5)%.

Если резонансную частоту измерять не по изменению режима работы генератора, а отдельным приемником, то связь между возбуждающим преобразователем и ОК можно зна­чительно ослабить потерю чувствительности, резко повысив точность измерений. Такой способ применен в при­борах, работающих по схеме рис. 10.

Другие факторы, ограничивающие применение ре­зонансного метода.

1. – Часто резонансные дефектоскопы-толщиномеры применяют для измерений тол­щины стенок труб. Поскольку плоская поверхность ПЭП соприкасается с искривленной поверхностью трубы на небольшом участке, то область установления резонансов сокращается, а высота резонансных пиков сильно уменьшается. Вместе с продольными возбуждаются волны Рэлея и Лэмба, обегающие трубу и дающие резонансы, мешающие измерению. Поэтому удается измерять толщину труб диаметром не менее 10 ... 12 мм.

2. – На практике часто контролируют изделия с неровными и непараллельными поверхностями. Изменение толщины изделия в зоне взаимодействия его с ПЭП приводит к возбуждению резонансных колебаний не на одной частоте, а в частотном интервале. Расши­рение резонансных пиков затрудняет их регистрацию. Измерения резонансным методом возможны, если изменение толщины изделия в зоне контакта с ПЭП не превосходит 8% от среднего значения толщины.

Иммерсионный резонансный толщиномер используют для изме­рений толщины непрерывно движущихся труб, которые протягивают через локальную иммерсионную ванну, где толщина слоя воды между трубой и ПЭП составляет 40 ... 50 мм. Частоту УЗ колебаний непрерывно меняют, в резуль­тате чего в слое иммерсионной жидкости возникают резонансные коле­бания. Толщина слоя во много раз больше длины волны на ми­нимальной частоте (около 3 МГц). Поэтому резонансных пиков очень много, они близко расположены на линии развертки. Коэффициент отражения от границы иммерсионная жидкость–ОК зависит от толщины стенки ОК. На частотах (5), кратных полуволновым, он минимален. Поэтому высота резонансных пиков слоя воды на этих частотах резко уменьшается, образуя минимумы. По частоте минимума или по частотному интервалу между минимумами из­меряют толщину.

Иммерсионно-резонансный толщиномер предназначен, прежде всего, для слежения за изменением толщины стенки. Поэтому измерение ведут на резонансной частоте или основной частоте свободных колебаний изделия ( и ), либо на одной из низших гармоник ( = 2; 3). Повышение частоты усиливает влияние затухания, делая резонансы более заметными.

Иммерсионно-резонансный метод реализован в приборах серии «Металл», обеспечивающих измерение толщины в диапазоне (0,2 ... 6) мм с погрешностью (1 ... 2)% и производительностью 100 измере­ний в секунду. На пути повышения точности и частоты замеров возникают принципиальные затруднения.

Основной ис­точник погрешностей вызван дискретностью определения часто­ты, на которой устанавливаются резонансы в изделии. Дискрет­ность обусловлена интервалом между резонансами слоя воды, по минимуму которых определяют резонанс ОК. Чтобы точно определить положение резонансной частоты ОК, нужно увеличить высоту столба воды. Однако чем больше высота столба, тем медленнее должна меняться частота, чтобы частота колебаний, отраженных от ОК в мо­мент прихода волны к ПЭП, мало отличалась от изменившейся частоты генератора. Существует взаимосвязь производительности и точности для иммерсионно-ре­зонансного способа контроля.

Этот другие иммерсионные способы имеют преимущество перед контактным резонансным способом при контроле труб малого диаметра. Минимальный диаметр изме­ряемых труб равен (3 ... 4) мм против (10 ... 12) мм благодаря быстрому затуха­нию обегающих трубу волн Рэлея и Лэмба при погружении трубы в жидкость.