Импедансные методы контроля

Основоположником развития импедансного метода контроля является д.т.н. Ю.В. Ланге. Долгое время импедансный метод применяли только в СССР. Лишь в 1973 г. появилось сообщение о разработке английской фирмой Inspection Instruments первого зарубежного импедансного дефектоскопа AFD.

При работе импедансных дефектоскопов применяются изгибные и продольные упругие волны и используют непрерывные (отечественные дефектоскопы ИАД-3, АД-40 И, английские AFD-2, MIA3000, MIA2500) или импульсные упругие колебания, совмещенные или раздельно-совмещенные преобразователи .

Импеданс акустический, комплексное сопротивление, которое вводится при рассмотрении колебаний акустических систем (излучателей, рупоров, труб и т. п.).

И. а. представляет собой отношение комплексных амплитуд звукового давления и объёмной колебательной скорости частиц среды (последняя равна произведению усреднённой по площади колебательной скорости на площадь, для которой определяется И. а.). Комплексное выражение И. а. имеет вид

где  — мнимая единица. Разделяя комплексный И. а. на вещественную и мнимую части, получают активную R_a и реактивную X_a составляющие И. а. — активное и реактивное акустические сопротивления. Первое связано с трением и потерями энергии на излучение звука акустической системой, а второе — с реакцией сил инерции (масс) или сил упругости (гибкости). Реактивное сопротивление в соответствии с этим бывает инерционное или упругое.

Акустическое сопротивление в системе СИ измеряется в единицах н×сек/м⁵, в системе СГС — в дин×сек/см⁵ (в литературе для этой единицы встречается обозначение "акустический ом"). Понятие И. а. важно при рассмотрении распространения звука в трубах переменного сечения, рупорах и подобных системах или при рассмотрении акустических свойств излучателей и приёмников звука, их диффузоров, мембран и т. п. Для излучающих систем от И. а. зависят мощность излучения и условия согласования со средой.

Кроме акустического Z_a, применяют также удельный акустический Z₁ и механический Z_м импедансы, которые связаны между собой зависимостью Z_м = SZ₁ = S²Z_a, где S — рассматриваемая площадь в акустической системе. Удельный акустический импеданс выражается отношением звукового давления к колебательной скорости в данной точке или для единичной площади. В случае плоской волны удельный И. а. равен волновому сопротивлению среды. Механический импеданс (и соответственно механическое активное и реактивное сопротивления) определяется отношением силы (т. е. произведения звукового давления на рассматриваемую площадь) к средней колебательной скорости для этой площади. Единица механического сопротивления в системе СИ — н×сек/м, в системе СГС — дин×сек/см (иногда называется "механический ом").

В импедансных дефектоскопах механические импедансы оценивают с поверхности изделия в зонах возбуждения в нем изгибных колебаний звуковых или низких ультразвуковых частот.

Изменения механического импеданса преобразуют в соответствующие им изменения электрического сигнала который обрабатывают в электронном блоке дефектоскопа и представляют на индикаторе или используют для управления исполнительными механизмами.

В отличие от широко применяемого в ультразвуковой дефектоскопии понятия характеристического импеданса или удельного волнового сопротивления ( - плотность среды, с - скорость звука в ней), характеризующего среду, в которой распространяются упругие волны, механическим импедансом Z называется комплексное отношение силы, действующей на поверхности (или в точке) механической системы к средней колебательной скорости на этой поверхности (или в точке) в направлении силы. Таким образом, механический импеданс является характеристикой конструкции, а не среды. Понятие механического импеданса относится к линейным системам, находящимся в состоянии стационарных гармонических колебаний.

Механический импеданс как комплексная величина представляется в виде Z=R+jX , где R - активная, а X - реактивная составляющие, - модуль, или в виде , где ;

Инерционную реактивную составляющую принято считать положительной, упругую - отрицательной.

Механический импеданс многослойной конструкции в зоне приложения возмущающей силы определяется всеми элементами этой конструкции, соединенными в одну механическую систему. Когда все слои конструкции связаны (например, склеены) между собой, она колеблется как единое целое и модуль |Z₁| механического импеданса имеет максимальное значение. Если в изделии имеется дефект в виде нарушения соединения между слоями, то жесткость отделенного им участка изделия оказывается меньше жесткости в зонах доброкачественного соединения слоев. Поэтому модуль |Z₂| механического импеданса изделия в дефектной зоне будет меньше, чем |Z₁|. В общем случае в зоне дефекта меняется также отношение (а иногда и характер (знак) реактивной составляющей X). Таким образом, дефект соединения может быть обнаружен по изменению механического импеданса изделия. Устройством, чувствительным к изменению механического импеданса контролируемого объекта, служит преобразователь дефектоскопа. В импедансных дефектоскопах применяют совмещенные, раздельно-совмещенные и бесконтактные преобразователи. Первые два из них используют пьезоэлектрическое возбуждение и прием упругих колебаний. В бесконтактных преобразователях колебания возбуждаются электромагнитно-акустическим ЭМА) способом, и принимаются микрофоном.

Преобразователь (рис.5) представляет собой стержень (5), на торцах которого размещены возбуждающий колебания (2) и измерительный (6) пьезоэлементы. Между объектом контроля (11) и пьезоэлементом (6) находится контактный наконечник (9) со сферической поверхностью. Пьезоэлемент (2) соединен с генератором (4) синусоидального электрического напряжения, пьезоэлемент (6) – с усилителем (10). Масса (3) повышает мощность излучения в стержень (5). Генератор и усилитель соединены с блоком (7) обработки сигнала с индикатором (8) на выходе. Блок (7) управляет сигнальной лампочкой (1) и самописцем (на рисунке не показан), регистрирующем дефекты при использовании прибора в системах механизированного контроля.

Рис. 5. Структурная схема импедансного дефектоскопа

Совмещенный преобразователь контактирует с контролируемым объемом в одной зоне, через которую происходит как возбуждение упругих колебаний, так и оценка механического импеданса.

Раздельно - совмещенный преобразователь имеет две зоны контакта с контролируемым объектом. Через одну из них происходит возбуждение, через другую - прием упругих колебаний. Для излучения и приема служат разные вибраторы, размещенные в общем корпусе и акустически изолированные друг от друга.

Совмещенные преобразователи используются также в импульсных импедансных дефектоскопах (а. с. 1226296 СССР). В этом случае в системе преобразователь - контролируемый объект возбуждают импульсы свободно затухающих упругих колебаний. Признаком дефекта служит изменение амплитуды, несущей частоты и фазы выходного сигнала преобразователя. Совмещенные преобразователи импульсных дефектоскопов принципиально не отличаются от описанного преобразователя.

Преимущество совмещенного преобразователя - контакт с изделием с в одной, малой по площади зоне, недостаток - относительно небольшая глубина залегания выявляемых дефектов. Этот недостаток связан с влиянием упругого сопротивления (К_к – контактная гибкость) зоны контакта преобразователя с изделием.

Импеданс Z_к соединен с импедансом Z_н изделия цепочкой, что на эквивалентной схеме соответствует параллельному соединению этих элементов. Поэтому импеданс общей механической нагрузки преобразователя

.

С увеличением глубины залегания дефекта величина |Z_н| быстро увеличивается. Когда она становится много больше |Z_к|, импеданс изделия практически перестает влиять на Z₀ и дефекты не выявляются .

При работе совмещенными преобразователями используют непрерывные колебания с частотой: 200 - 8 кГц, а также импульсы с несущей частотой до 6 кГц.

Раздельно-совмещенные (РС) преобразователи могут работать в . непрерывном и импульсном режимах, причем последний получил преимущественное распространение. Обобщенная структурная схема импульсного импедансного дефектоскопа с РС - преобразователем показана на рис. 6. Идентичные пьезоэлектрические вибраторы (1) и (9) со сферическими контактными наконечниками размещены в общем корпусе преобразователя и акустически изолированы друг от друга.

Рис. 6. Структурная схема импедансного дефектоскопа с раздельно-совмещенным преобразователем.

В излучающем вибраторе (1) с помощью управляемого синхронизатором (3) генератора (2) возбуждаются продольные упругие колебания, несущая частота которых соответствует основной частоте нагруженного вибратора. Вибратор (1) возбуждает в контролируемом изделии (10) изгибные волны, распространяющиеся во все стороны. Эти волны принимаются приемным вибратором (9) и преобразуются им в электрические сигналы. После усиления усилителем (7) эти сигналы поступают в блок обработки информации (6) соединенный с индикатором (5) и автоматическим сигнализатором дефектов (8). Последний управляет работой расположенной в преобразователе теле сигнальной лампы, самописца или исполнительно механизма. При использовании амплитудно-фазовой обработки сигнал с генератора (2) через блок (4) управления фазой поступает на второй вход блока (6). Изменение в зонах дефектов меняет амплитуду и фазу принятых сигналов, что регистрируется дефектоскопом .

Дефекты выявляются лишь при одновременном нахождении излучающего и приемного вибраторов в дефектных зонах. Поэтому базу преобразователя (расстояние между точками касания вибраторов с изделиями) выбирают как можно меньшей.

Преимуществом РС - преобразователей перед совмещенными является большая глубина залегания обнаруживаемых дефектов (до 15-20 мм в пластиках), что объясняется другим механизмом влияния контактной гибкости В отличие от совмещенных, РС - преобразователи эффективны и при . По чувствительности к мелким, неглубоко залегающим дефектам, РС - преобразователи уступают совмещенным. Это связано с невозможностью выявления дефектов, протяженность которых меньше базы преобразователя.

Импедансный дефектоскоп с бесконтактным преобразователем содержит генератор, питающий обмотки ЭМА - излучателя, усилитель принятых микрофоном сигналов и блок обработки информации с индикатором и выходами на исполнительные устройства.

Бесконтактный ЭМА - преобразователь возбуждает упругие колебания через зазор толщиной порядка десятых долей миллиметра. Так как ЭМА способ позволяет возбуждать упругие колебания только в проводящих средах, область применения этого преобразователя ограничена конструкциями с металлическими обшивками.