книги / Применения ультразвука

данных. Алгоритм TDDвосстанавливаетдва сигнала из эхо-сигна­ ла, сформированного двумя четкими отражениями, что позволяет улучшить разрешение. Данный метод пригоден для структурных материалов, налагающих ограничения на ширину полосы частот, таких как, например, аустенитная сталь. Окончательное разреше­ ние в SAFT является функцией частоты дискретизации и ампли­ тудного разрешения полученных данных.

Исследование корреляции Исследование корреляции используется для извлечения перио­

дического сигнала из случайных шумов. Данный процесс подразу­ мевает введение временного запаздывания междудвумя сигналами. Сигнал может быть одним и тем же (автокорреляция), либо можно использоватьдва различных сигнала (взаимная корреляция) и взять их результат, величина которого является мерой подобия этих сиг­ налов, с последующим усреднением на протяжении некоторого вре­ менного периода. Метод корреляции позволяет усиливать сигналы, отраженные от дефекта, по сравнению со случайными шумами.

Метод обработки разложения спектра

Обработкаразложения спектра (SSP) является одним из попу­ лярнейших методов устранения когерентного шума, возникающе­ го из неразрешенного рассеяния, чтобы обеспечить разрешение переданных ультразвуковых импульсов. У полученного широко­ полосного ультразвукового сигнала меняется частотная область с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT). Сигнал разла­ гается на ряд узкополосных частотных спектров с помощью по­ лосного фильтра. Для того чтобы это осуществить, сигнал под­ вергается воздействию нескольких равноотстоящих гауссовых полосных фильтров. Полученные узкополосные частотные спек­ тры переводятся обратно во временную развертку. Данный метод устраняет когерентный шум, вызванный неразрешенным рассея­ нием в объеме разрешения.

Модифицированный метод ультразвуковой компьютерной томо­ графии

В данном методе две разные волны принимаются за первич­ ные. В результате нелинейного взаимодействия образуется вто­ ричная волна низкой частоты. Для воссоздания акустического изображения используются операции свертки. Поскольку вто­

ричная волна зависит от затухания и нелинейных параметров, возможно воссоздание томографии нелинейных параметров.

В этих случаях применяются пр0 1 рессивные концепции анали­

алгоритмы кластерного анализа и анализа общей картины. Они позволяют выявлять и ха­

рактеризовать дефекты, которые составляют 1 % толщины сварных соединений из нержавеющей стали (толщина сварного соединения - 14,0 мм) (рис. 7.87). Сложность данной проблемы открывает за­

мечательную область для разработки экспертной системы, которая будет давать советы насчет эффективной неразрушающей оценки (NDE) этих соединений.

С помощью принципов кластерного анализа и анализа общей картины в сварных соединениях деталей из мартенситной стали, используемых в обшивке ракетных двигателей в аэрокосмической промышленности, выявляются и характеризуются узкие трещины (3x1 мм), вызванные усталостной нагрузкой. Обнаружение столь малых дефектов в данных областях увеличивает полезную грузо­ подъемность ракеты, что имеет следствием получение экономи­ ческих и технологических выгод.

Вобоих вышеописанных случаях методы кластерного анализа

ианализа общей картины используют взаимные спектры мощнос­ ти (шумовых сигналов от сварного шва и сигналов отдефектов) для получения кластерных элементов. В методе анализа общей карти­ ны генерируется картина, называемая демодулированной автокоррелограммой (DMAC) и получаемая из функции автокорреляции сигнала. Характеристики DMAC изучаются для интерпретации и оценки. Картина шумов DMAC имеет больше выступов по сравне­ нию с картиной сигнала от дефекта. Физическое взаимодействие ультразвуковых волн со сложной микроструктурой материала про­ является в виде ряда выступов на картине обработанного сигнала DMAC. Истинная природа взаимодействия и подход к пониманию картин DMAC, основанный на данной модели, пока что не были установлены. Подробное обсуждение этого аспекта не являет­ ся предметом исследований данной книги. Кластерный анализ данных взаимной мощности в сварных соединениях из мартен­ ситной стали показал, что координаты центроидов для сигналов шум-дефекг выше, чем у сигналов шум-шум. Другой областью применения прогрессивных концепций анализа сигналов являет­ ся ультразвуковое обследование сварных соединений в заглушках топливных элементов, находящихся в ядерных реакторах с тяже­ лой водой под давлением (PHWR).

ВPHWR топливные таблетки из диоксида урана инкапсулиру­ ются в трубы-оболочки из циркалоя-2, имеющие толщину 0,37 мм

изапечатанные с помощью заглушек. Контактная сварка заглу­ шек с трубами-оболочками приводит к высадке материала внутри

иснаружи сварного соединения. Наружные высадки можно уда­ лить механическим путем, оставляя лишь крошечный след между заглушкой и трубой, однако внутренние останутся. По этой при­

чине все сварные соединения проходят испытания на герметич­ ность с помощью гелия, а для проверки целостности в некоторых соединениях проводят разрушающие металлографические иссле­ дования. Испытания на герметичность с помощью гелия выяв­ ляют только те дефекты, которые проходят толщину трубы «на­ сквозь». Металлография относится к разрушающим испытаниям

идемонстрирует лишь поперечное сечение, кроме того, ее нельзя проводить во всех соединениях. Процедуры проверки качества тоже не дают достаточной уверенности, когда цель заключается в нулевых показателях выхода из строя, а задача состоит в том, что­ бы поддерживать наименьший возможный уровень радиоактив­ ности в охладителях ядерных реакторов. Решение было найдено в разработке ультразвукового тестирования с использованием про­ грессивного цифрового анализа сигналов.

Ультразвуковое тестирование заглушек, соединенных с помо­ щьюсварки, сопряжено с рядом значительныхтрудностей: (1 )малые размеры (диаметр трубы, толщина стенок и т.д.), (2 ) нестандартные контуры сварных швов, (3) высокие требования к чувствительнос­ ти. Ожидается, что использование техники анализа применительно

культразвуковым сигналам решит вышеперечисленные проблемы. Чтобы смоделировать идеальные условия, на внутренней и внешней поверхностях сварного соединения спомощью стандартного метода электроэрозионной обработки были нанесены контрольные дефек­ ты (отверстия) диаметром 0,1 мм и глубиной 5, 10 и 20% от толщи­ ны трубы. Такие дефекты были выбраны для того, чтобы оценить чувствительность обнаружения и получить информацию о размерах дефектов. Ультразвуковое тестирование области сварки основано на наклонном зондировании поперечными волнами с использова­ нием иммерсионного импульсного эхо-метода.

Удалось установить, что отраженные сигналы, связанные с геометрией сварных соединений, составляют 17—35% полной шкалы высот (FSH). Следовательно, вероятность обнаружения де­ фектов внешней поверхности, составляющих 2 0 % и более, с помо­ щью традиционной техники ультразвукового тестирования доста­ точно велика. В случае 10или 5-процентных дефектов сигналы, отраженные от них, были полностью замаскированы сигналами, связанными с геометрией соединений. По этой причине, для того чтобы увеличить чувствительность выявления дефектов глубиной 1 0 % и меньше, применяется техника цифрового анализа сигналов,

иособенно спектрального анализа собственной мощности.

ем, однако со смещением фазы, что связано с временными разли­ чиями (различные значения времени прохождения ультразвукового сигнала, отражающегося от точек геометрической высадки). Это же можно объяснить следующим образом. Сумма спектральных состав­ ляющихсигналовотлюбыхдвухточек геометрическойвысадки, име­ ющих одинаковые амплитуды, но различающихся по фазе на 180°, равна нулю. Таким образом, спектральная картина высадки проявля­ ется в виде сильных колебаний мощности и состоит из ряда узких па­ кетов. Присутствие дефекта, который затеняет часть геометрической высадки, уменьшает вероятность получения сигналов с разностью фаз 18*, тем самым снижая шансы наблюдения сильных колебаний. Даже если дефект (0,034 мм) намного меньше длины волны (0,236 мм), его можно обнаружить благодаря эффекту затенения. Данное объяснение предполагает, что даже если имеется дефект порядка длины волны, его можно выявить, не сталкиваясь с проблемой мно­ жественных эхо-сигналов и колебаний в спектре мощности. Следует указать на тот факт, что эта методология позволяет обнаруживать дефекты, которые намного короче, чем длина волны используемого ультразвукового луча. Если дефекты сопоставимы с длиной волны, целесообразно применять традиционные ультразвуковые подходы и не прибегать к технике пр0 1 рессивного анализа сигналов. После обоснования данного подхода с помощью искусственных дефектов было подвергнуто тестированию с цифровым анализом ультразву­ кового сигнала большое количество производственных заглушек со сварными швами, прошедших гелиевое испытание на герметич­ ность. Результаты этих тестов подтвердили информацию, получен­ ную в ходе предыдущих обследований искусственных дефектов, и тем самым доказали правильность техники анализа сигналов при де­ фектоскопии сварных соединений. Данный подход также проложил дорогу проектированию и применению автоматизированной рабо­ чей станции, которая будет выполнять зондирующее сканирование, обнаружение сигнала, оцифровку и анализ, а также классификацию.

7 .9 .5 . Ультразвуковая неразрушающая оценка (N D E )

композиционных материалов

Композиционные материалы очень популярны в промышлен­ ности благодаря высокой прочности и легкому весу. Передовые композиционные материалы играют важную роль в аэрокосми­ ческой и автомобильной отраслях промышленности, находят применение в инженерно-строительных конструкциях, например

вукреплении мостов и опор автомагистралей, и используются в биомедицинских продуктах, таких как протезы. В последние годы

втестировании композиционных структур были опробованы не­ которые техники NDE, что доказало полезность ультразвуковых методов.

Композит в самой простой форме представляет собой матери­ ал, составленный как минимум из двух элементов, которые при соединении друг с другом обладают характеристиками, не прису­ щими им по отдельности. На практике большинство композитов состоят из основного материала («матрицы») и некоторого упрочнителя, добавляемого в первую очередь для увеличения прочнос­ ти и жесткости матрицы. Как правило, упрочняющий материал представлен в виде волокон. В настоящее время наиболее распро­ страненные композиты, созданные человеком, можно разделить на три группы. Самыми популярными являются полимерные матричные композиты (РМС) — они и будут главным объектом обсуждений в данном руководстве. Так, в волоконных усиленных полимерах (или пластике), известных как FRP, в качестве мат­ рицы используется полимерная смола, а в качестве упрочнителя выступают разнообразные волокна, такие как стекло, углерод и арамид. В автомобильной промышленности находят все большее применение металлические матричные композиты (ММС). В этих материалах матрицей служит металл, например алюминий, а упрочнителями — волокна карбида кремния. Керамические мат­ ричные композиты (СМС) используются в высокотемпературных средах. В них роль матрицы выполняет керамика, упрочненная короткими волокнами или контактными волосками, сделанными из карбида кремния и нитрида бора.

Кроме того, дополнительно выделяется четвертая группа, к которой относятся углеродисто-волоконные композиты (CFC). CFC, как и другие композиционные материалы, состоят из угле­ родных волокон, встроенных в матрицу из смолы, которая их ок­ ружает и крепко с ними связана. CFC обладают определенными преимуществами перед традиционными материалами, однако им также свойственны некоторые недостатки. К примеру, им при­ суща высокая анизотропность, то есть их прочность, жесткость и другие параметры изменяются в зависимости от ориентации ком­ позиционного материала. Это может создавать проблему, если ма­ териал будет применяться в структурах, которые воздействуют на свои составные элементы посредством многонаправленных сил.

Недавно Паланичами и Буссе охарактеризовали дезориента­ цию углеродных волокон в CFCс помощью амплитуды обратного рассеяния боковых волн в ультразвуковом С- и ^-сканировании. Они также попытались определить процентное содержание стекловолокна, рассредоточенного в полимерных компози­ тах, путем статистической оценки сигналов в ^-сканировании. Бесконтактное тестирование композиционных материалов с по­ мощью лазерной ультраакустики показало, что, используя методы лазерного обследования, можно выявлять и характеризовать раз­ нообразные внутренние и поверхностные дефекты. В последнее время поверхностные дефекты были всесторонне изучены и уда­ лосьдоказать, что во многих случаяхлазерные методы работают не хуже пьезоэлектрических преобразователей и даже демонстриру­ ют более высокую пространственную разрешающую способность. Тем не менее до настоящего времени данные о дефектах внутри образцов были менее ясными и воспроизводимыми. Несмотря на это, предварительные результаты позволяют предположить, что лазерная ультраакустика прекрасно подходит для измерений вре­ мени пробега при наличии дифракции. Другой полезный способ применения — выявление дефектов, расположенных вблизи по­ верхности, что представляет собой сложную задачу для контакт­ ных зондов из-за эффектов ближнего поля.

Лазерная ультраакустика применялась для измерений па­ раметров множества материалов. К определяемым параметрам относились толщина образца, упругие постоянные, грануломет­ рический состав, микроструктура, стадия фазных превращений, качество покрытия, качество связи т.д. в металлах и композици­ онных материалах. В большинстве случаев потенциал лазерной техники еще только демонстрировался, и лишь очень малое число исследований было доведено до ее применения на коммерческой основе.

7.9.6. Ультразвуковое тестирование с использованием твердых прослоек

Ультразвуковое тестирование с использованием твердых просло­ ек, которое обобщенно называется методом сканирования «всу­ хую», или сухое ультразвуковое тестирование, позволяет исследо­ вать материалы без какой бы то ни было связующей среды. Метод сухого сканирования можно успешно применять, когда использо­ вание связующей среды представляется невыполнимым или не­

целесообразным по причине возможного загрязнения и ущерба. Главное достоинство метода заключается в том, что требованиями к геометрии, характерными для традиционного ультразвукового тестирования, можно пренебречь, а в поверхностной обработке материалов нет надобности. Метод сухого сканирующего ультра­ звукового тестирования применяется для выявления связи, рас­ слоений композитных материалов и тестирования сварных швов или твердого припоя в тонких срезах и маленьких компонентах. Метод также подает большие надежды в области ультразвукового обследования важнейших компонентов ядерных реакторов в про­ цессе их эксплуатации, где неудобная геометрия и необходимость использования прослойки являются проблемой, требующей тща­ тельного планирования и анализа перед проведением тестирова­ ния.

Метод подразумевает передачу ультразвуковой энергии пере­ дающим зондом в материал в некоторой точке и прием энергии принимающим зондом в другой точке, после того как ультра­ звуковые волны проходят через этот материал. Ультразвуковая энергия передается в тестируемый объект и принимается от объекта через прорезиненные подушечки, плотно соединенные с зондами. Подушечки помогают связать зонд с объектом под давлением, тем самым, устраняя потребность в традиционной прослойке.

Существуют два способа реализации данного метода: (1) пос­ редством прозвучивания, когда зонды находятся по разные сторо­ ны объекта, (2 ) посредством поиска —захвата (pitch catch), когда оба зонда находятся с одной стороны объекта.

В первом случае нет необходимости располагать передаю­ щий зонд под углом, однако во втором передающий зонд уста­ навливается под нужным углом к поверхности о&ьекта, чтобы прохождение энергии в материал было максимальным. Если приемник зафиксирован, можно передвигать передатчик в раз­ личные положения, добиваясь получения максимальной энер­ гии. Таким образом, данный метод основан скорее на перена­ правлении звуковой энергии, чем на однократном ее отражении (рис. 7.89), следовательно, его можно обозначить как теневую тех­ нику. Интерпретация и оценка области дефекта осуществляются через анализ картины пульсаций, формируемой на экране CRT (рис. 7.90). У этой картины есть две характеристики, а именно, интенсивность и смещение (рис. 7.90).