4.4 Амплитуда эхосигнала и коэффициент выявляемости дефекта

Амплитуда эхосигнала от дефекта, как известно из формул акустического тракта, зависит от большого числа факторов и характеризует, как следует из физических основ, размах колебаний. Как правило, при оценке той или иной характеристики, зависящей от многих факторов, более точными являются относительные, а не абсолютные измерения. Поэтому амплитуду при ультразвуковом контроле измеряют в относительных единицах – децибелах (дБ):

N = 20lg , (4.5)

где U₁ и U₂ – амплитуды первого и второго сигналов;

N – их отношение (в дБ).

Поскольку децибелы имеют логарифмический масштаб, шкала отношений амплитуд сжимается, т. е. меньшими значениями могут быть выражены большие соотношения. Это важно, поскольку диапазон изменений амплитуд сигналов в ультразвуковой дефектоскопии очень велик.

Таблицы и графики перевода децибел в относительные единицы имеются в справочной литературе. Некоторые наиболее употребительные соотношения U₁/U₂ приведены в табл. 4.2.

Необходимо обратить внимание на то, что значения амплитуд в децибелах нельзя перемножать и делить (умножение заменяется сложением, деление – вычитанием). Следует различать положительные (если U₁ > U₂) и отрицательные (если U₁ < U₂) децибелы.

Таблица 4.2

Шкала децибел

Относительные единицы	0,1	0,5	0,7	1	2	4	5	10	100
дБ	–10	–6	–3	0	6	12	14	20	40

Кроме амплитуды эхосигнала, в качестве главной измеряемой характеристики используют понятие коэффициента выявляемости. Связано это с тем, что часто представляет интерес соотношение амплитуд (в первую очередь, отношение амплитуды эхосигнала от дефекта к амплитуде эхосигнала от эталонного отражателя). Это и есть коэффициент выявляемости:

К_д = = N_д – N₀ (дБ), (4.6)

здесь N_д и N₀ соответствуют показаниям органа управления дефектоскопа (аттенюатора или усилителя), регулирующего амплитуду эхосигнала; индекс «д» относится к дефекту, «0» – к эталонному отражателю.

На практике выражение для коэффициента выявляемости может дополняться величиной, характеризующей качество акустического контакта, потому что зачастую условия, в которых измеряются U_д и U₀, с точки зрения контакта заметно различаются.

4.5 Эквивалентная площадь дефекта. Методы измерения.

АРД- и SKH-диаграммы

В ряде случаев вместо амплитуды эхосигнала от дефекта, в качестве его измеряемой характеристики используют его эквивалентный размер, который можно определить, зная амплитуду эхосигнала и его координаты. Эта замена является, по существу, моделированием: неизвестный объект (дефект), для которого измерены только две характеристики U_д (или N_д) и Н_д, заменяют известным объектом (моделью), помещая его в ту же точку объекта, что и дефект. Далее подбирают площадь модели таким образом, чтобы амплитуда эхо-сигнала от нее была равна U_д. В качестве такой модели чаще всего используют диск (на практике – плоскодонный отражатель).

Эквивалентной площадью дефекта называется площадь плоскодонного отражателя, ориентированного перпендикулярно акустической оси, залегающего в специальном образце на той же глубине и дающего такую же амплитуду, что и выявленный дефект. При этом необходимо, чтобы образец был изготовлен из такого же материала, что и контролируемое изделие, чтобы поверхности контролируемого изделия и образца были идентичны (или вносилась соответствующая поправка на акустический контакт).

Используются два основных варианта измерения эквивалентной площади:

а) по тест-образцам с моделями дефектов;

б) по специальным диаграммам.

Измерение по тест-образцам. При использовании этого метода определение эквивалентной площади сводится к нахождению отражателя в тест-образце, залегающего на одинаковой с дефектом глубине и дающего одинаковую амплитуду эхо-сигнала, т. е. удовлетворяющего условиям определения S_э. На практике с этой целью используют плоскодонное отверстие, сегментный отражатель, угловой отражатель (зарубку), а также боковое цилиндрическое отверстие.

Важной разницей в использовании моделей разного вида является то, что при N_д = N₀ для плоскодонного отверстия и сегментного отражателя – S_э = S₀, а для углового отражателя (зарубки) – S_э = n_зS₀, где n_з – коэффициент, зависящий от угла ввода ₁ (рис. 4.7).

При использовании в качестве эталонного бокового отражателя цилиндрического отверстия необходимо предварительно экспериментально определить эквивалентную площадь отражателей в тест-образце, т. е., по существу, выполнить калибровку тест-образца.

Рис. 4.7. Отношение площадей эквивалентных плоскодонного и углового отражателя для стали, алюминия и его сплавов, титана и его сплавов

Измерение S_э с помощью тест-образцов сводится к выполнению следующих действий:

1) выявить дефект, измерить в положении максимальной амплитуды N_д и Н_д (амплитуда, координата);

2) подобрать тест-образец, изготовленный из соответствующего материала с набором отражателей разного размера, залегающих на глубине Н₀ = Н_д;

3) последовательно измерять амплитуды эхосигналов от моделей, пока не будет найдена модель, для которой выполняется условие N₀ = N_д;

4) при использовании плоскодонного отверстия и сегментного отражателя принять, что S_э = S₀; при использовании углового отражателя (зарубки) рассчитать S_э по формуле S_э = n_зS₀. Коэффициент n_з найти из графика по величине угла , используемого при измерении.

Для реализации такого способа измерений требуется значительное количество тест-образцов с моделями, и на практике он применяется лишь при контроле серийной однотипной продукции, особенно если статистика распределения дефектов в ней заранее известна.

Измерение по диаграммам. Отмеченного недостатка лишен второй способ определения S_э – по специальным диаграммам. Эти диаграммы рассчитаны по формулам акустического тракта и представляют собой графическую зависимость между амплитудной характеристикой дефекта, его координатой и эквивалентной площадью (или размером). Каждая точка диаграммы представляет собой отдельную точку такой зависимости, причем относительно некоторого эталонного отражателя. Известны три вида таких диаграмм: АРД, АVG, SКН (первые две принципиально не отличаются друг от друга). Отметим, что эти диаграммы используются, как будет показано ниже, и для настройки предельной чувствительности. В этом случае под S понимают S_п, т. е. величину предельной чувствительности.

АРД-диаграмма связывает: А – амплитуду, Р – расстояние до дефекта, Д – эквивалентный диаметр (диаметр эквивалентного плоскодонного отражателя).

В качестве эталонного отражателя и при расчете, и при построении АРД-диаграмм чаще всего используют бесконечную плоскость. На практике часто применяют обобщенные АРД-диаграммы (рис. 4.8), основным отличием которых является их безразмерность, для чего амплитуду N_д заменяют на отношение амплитуд (N_д/N₀), расстояние r – на отношение r/r_бл, эквивалентный размер b_э – на b_э/а (а – полуразмер пьезопластины). Еще одной особенностью АРД-диаграммы является возможность учета затухания ультразвука в контролируемом изделии (для этого имеется специальная шкала со значениями затухания).

SКН-диаграмма (рис. 4.9) связывает: S_э – эквивалентную площадь, К_д – коэффициент выявляемости; Н_д – глубину залегания дефекта.

Рис. 4.8. Обобщенная АРД-диаграмма

В качестве эталонного отражателя при построении SКН-диаграммы используют боковое цилиндрическое отверстие. Эта модель предпочтительна по сравнению с бесконечной плоскостью, так как эхосигнал формируется в основном центральными лучами пучка, что имеет место при выявлении реальных дефектов. Эталонный боковой цилиндр для SКН-диаграммы – цилиндрическое отверстие диаметром 6 мм, залегающее в стандартном образце № 2 (СО-2) на глубине 44 мм.

Как отмечалось выше, для точного измерения эквивалентной площади необходимо иметь одинаковые поверхности контролируемого и настроечного образцов или вводить поправку. Здесь это делается введением в выражение для коэффициента выявляемости поправки ΔN (дБ) – разности коэффициентов прозрачности границ призмы преобразователя с контролируемым изделием и с СО-2. В таком случае формула для К_д принимает вид

К_д = N_д – (N₀ + ΔN) (дБ). (4.7)

Рис. 4.9. SКН-диаграмма

ΔN можно измерить как разницу амплитуд эхосигналов от одинаковых отражателей в контролируемом изделии и стандартном образце (иногда приходится изготавливать также отражатель в контролируемом изделии).

В SКН-диаграмме учитывается и точное значение рабочей частоты f, если оно известно или измерено заранее.

Полученные по SКН-диаграмме и измеренные значения эквивалентной площади хорошо совпадают при  = 50º. При других углах наблюдается заметное расхождение, что связано, в первую очередь, с эллипсовидной формой мнимого излучателя.

При изменении контролируемого материала ход кривых (вид зависимости) сохраняется, а их крутизна заметно меняется.

Порядок нахождения S_э по SКН-диаграмме таков:

1) предварительно измерить величины N₀, ΔN и при возможности действительное значение рабочей частоты f;

2) выявить дефект и, установив преобразователь в положение, соответствующее максимальной амплитуде эхосигнала, измерить N_д и Н_д;

3) вычислить значение К_д по формуле (4.7);

4) из точки Н_д оси абсцисс восстановить перпендикуляр (см. рис. 4.9) до пересечения с кривой, соответствующей найденному значению К_д;

5) горизонтально перенести найденную точку до пересечения с вертикальной линией, соответствующей измеренному или номинальному значению частоты f;

6) параллельно ближайшей наклонной линии перенести последнюю точку на ось ординат и найти S_э.

Пример.

Контролируемый материал – сталь, f = 2,5 МГц,  = 50º.

Измеренные значения: N₀ = 30 дБ, ΔN = 4 дБ, а также N_д, Н_д.

Найти: S_э.

1. N_д = 16 дБ, Н_д = 15 мм.

К_д = N_д – (N₀ + ΔN) = 16 – (30 + 4) = –18 дБ. S_э = 1,3 мм ².

2. N_д = 22 дБ, Н_д = 15 мм.

К_д = 22 – (30 + 4) = –12 дБ. S_э = 2,5 мм ².

3. Отверстие  6 в СО-2Н_д = 44 мм.

К_д = 0 дБ. S_э = 9,65 мм ².