Акустический контроль защитных шлемов

      Теоретически  возможный минимальный размер дефекта, который еще можно обнаружить в акустическом контроле, обычно привязывают к длине волны используемого излучения и скорости распространения звука в исследуемом материале. В данном случае так просто это не выполнить, из-за существенной акустической анизотропности материала. Поэтому зададимся вполне реальным и, практически, также достаточным размером минимального обнаруживаемого дефекта – 5 мм (эффективный диаметр). Наличие такого дефекта еще не делает критической эксплуатацию выбранного изделия, но дает реперную точку для оценки его качества.

      Необходимо  еще раз отметить низкую эффективность теоретических расчетов параметров акустического контроля композиционных материалов изделий сложной формы из органопластиков. В настоящее время применяется, в основном, лишь приблизительная теоретическая оценка метода, но, при внедрении метода контроля, обязательно подкрепленная экспериментальными результатами для конкретного изделия.

 

3. Характеристика комбинированных  видов акустического контроля органопластиков 
 

      3.1 Теоретические  основы акустических методов  контроля [6, С. 12 – 45] 

      Данные  методы используют, в качестве физического  воздействия на объект, упругие колебания, либо водимые в него извне (активные методы), либо возникающие в самом  объекте при внешних воздействиях различного вида, обычно – механической нагрузки (пассивные методы). Анализ изменения параметров упругих колебаний при прохождении через объект дает информацию о внутреннем строении объекта и физических характеристиках его материала.

      Упругие колебания в твердом теле обычно описываются в рамках теории волнового процесса, и соответствуют области т.н. линейной акустики, в которой соблюдается закон Гука. Основными параметрами собственно упругих колебаний, при рассмотрении акустического контроля, являются:

- частота f (период Т, длина волны );

- амплитуда A, которая, в свою очередь выражается через величины смещения частиц среды U, их колебательную скорость или акустическое давление P;

- фаза, определяющая состояние колебательного процесса в определенный момент времени.

      Остальные применяемые параметры упругих колебаний, например, плотность энергии волны E и интенсивность I, учитывают характеристики среды распространения волн:

, (1)

где - плотность среды; с – скорость распространения колебаний, - круговая частота.

      Закон распространения акустической волны  в твердом теле подчиняется волновому  уравнению (запишем его для одномерной волны):

, (2)

где - константы упругости твердого тела Ламэ, - оператор Лапласа, - величина деформации растяжения-сжатия.

      Константы упругости Ламэ входят в формулировку обобщенного закона Гука:

, (3)

где δ_ij = 1, когда i = j, δ_ij = 0, когда i ≠ j (символ Кронекера).

          При рассмотрении технических  систем, в том числе систем акустического  контроля, вместо констант Ламэ применяют модули нормальной упругости Е (модуль Юнга) и сдвига G, а также коэффициент Пуассона ν,: 

;    . (4)

      Решение волнового уравнения для амплитуды гармонической (одночастотной) волны:

.  (5)

      Решение волнового уравнения относительно скорости распространения волны  приводит к двум типам волн, распространяющихся с различными скоростями:

- продольная  волна, соответствующая деформациям  расширения – сжатия, со скоростью распространения:

; (6)

- поперечная  волна, соответствующая сдвиговой  деформации, со скоростью распространения:

. (8)

      Очевидно, скорость распространения продольных волн, т.е. волн, колебания среды в  которых совпадают с их направлением распространения, всегда больше (обычно на 30…45 %), чем скорость волн поперечных, что объективно делает возможным наблюдать мало расходящиеся акустические пучки излучения.

      При наклонном падении продольной волны  на поверхность объекта контроля из внешней среды (т.н. призмы преобразователя), происходит трансформация падающей продольной волны в поперечную.

      В высокочастотном акустическом контроле (УЗ – контроле), к которому относятся и применяемые для контроля органопластиков комбинированные методы, используют короткие волновые пакеты – импульсы. Основные характеристики ультразвуковых импульсов:

- форма  огибающей (в ультразвуковой дефектоскопии – чаще всего колоколообразная);

- длительность  (время, обычно условно соответствующее длительности существования импульса с амплитудой, равной 10 % от максимальной);

- пространственная  длительность, равная  ;

- спектральный  состав.

      Для оценки сопротивления среды распространению  волнового движения вводят понятие волнового сопротивления (иногда называемого акустическим или характеристическим импедансом). В твёрдых телах в случае продольных волн волновое сопротивление равно отношению механического напряжения, взятого с обратным знаком, к колебательной скорости частиц среды.

      Важной  характеристикой распространения  колебаний в среде является коэффициент  затухания  , который определяет ослабление амплитуды волны при прохождении в среде. Ослабление подчиняется закону . Коэффициент затухания имеет две составляющие, соответствующие:

- поглощению  кинетической энергии волнового  движения и переходу в тепловую  энергию;

- рассеянию  энергии, вызванному взаимодействием фронта волны с неоднородностями и внутренними напряжениями среды контролируемого объекта.

      Коэффициент затухания для поперечных волн всегда меньше, чем для продольных, т.к. в  них не происходит объемной деформации материала.

      Коэффициент затухания имеет сильную зависимость  от частоты, от f до f³ для различных материалов.

      Законы  отражения и преломления акустических волн, которые и определяют формирование сигналов о дефектах в изделиях, в общих чертах аналогичны законам геометрической оптики и законам распространения света в коллоидных системах. 
 

      3.2 Зеркально-теневой метод 

      Суть этого метода, как одного из вариантов реализации эхо-метода, проиллюстрирована на рисунке 3. По характеру фиксированного сигнала (регистрируется эхосигнал) он является методом отражения, а по информационной сущности, т.к. фиксируется амплитуда донного сигнала, – он близок к методу теневому, т.е. методу прохождения. Используют следующие варианты этого метода[4, 151 - 160]:

- с одним  прямым преобразователем и фиксированием  первого донного отражения продольной  волны (Рис.3, а); это вариант, аналогичный эхо-методу отражения и имеющий те же характеристики;

- с одним  прямым преобразователем и фиксированием  n-го донного отражения продольной волны (Рис.3, б);

- с двумя  наклонными преобразователями и  фиксированием донного отражения  поперечной волны (Рис.3, в);

- с двумя  наклонными преобразователями и фиксированием донного отражения продольной волны (внешне выглядит так же, как показано на Рис.3, в), но другие угол ввода колебаний и расстояние между преобразователями, приводят к образованию продольной волны;

- с одним  прямым преобразователем и фиксированием отношения амплитуд второго донного сигнала и первого донного сигнала.

      Современные дефектоскопы могут работать в двух режимах организации контроля, т.е. функции излучателя и приемника  могут быть, как совмещены в каждом преобразователе, так и разделены. В случае совмещения функций зондирующий импульс стробируется, с тем, чтобы индицируемый донный сигнал соответствовал создавшему его зондирующему импульсу.

      Т.к. очевидно, что чувствительность этого  метода выше по тому варианту, в котором фиксируется n-ый (второй, третий, четвертый) донный сигнал, то выбираем, как потенциально полезный для контроля выбранного изделия, именно этот вариант метода (Рис.3, б).

      Основное  преимущество этого метода: сканирование изделия с одной стороны, что  не очень актуально для изделия "защитный шлем БЗШ".

      Основные  недостатки метода:

- низкая  чувствительность к отдельным  мелким дефектам;

- высокая  требовательность к стабильности акустического контакта и состоянию противоположной поверхности изделия. 

      Этот  метод достаточно эффективен при  последовательном сканировании с обеих сторон изделия, и, по меньшей мере, не уступает эхо – методу в чувствительности, но предлагает дополнительные возможности нахождения дефектов, т.к. акцентирован именно на измерение изменения амплитуды донного сигнала.

      Для выбранного изделия, возможна автоматизация контроля данным методом (автоматизация процесса сканирования, с соблюдением необходимого взаимного расположения преобразователей, а также записи и сравнения результатов сканирования одних и тех же участков с разных сторон изделия).

      По  имеющимся данным, этот метод позволяет надежно выявлять в органопластиках дефекты типа расслоений и трещин с эффективным диаметром более 3 мм. 
 

      3.3 Эхо – сквозной метод 

      Этот  метод практически включает в себя и те методы, которые в литературе называют эхо – теневым методом и методом многократной тени [5, C. 151 – 153].

      Применение  этого метода требует доступности  к изделию с двух сторон, что выполняется в случае выбранного изделия.

 Суть метода проиллюстрирована на рисунке 4. Метод объединяет преимущества эхо - и теневого метода, но также наследует и их недостатки, характерные помехи. 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

      В этом методе фиксируются следующие  сигналы (см. Рис. 4): I – соответствует сквозному прохождению колебаний через изделие; IV – сигнал соответствующий двукратному прохождению изделия; II – сигнал, соответствующий отражению от верхней границы дефекта; III – сигнал, соответствующий отражению от нижней границы дефекта.

      Возможно фиксирование сигналов, прошедших сквозь полупрозрачный дефект несколько раз. При попадании на пути излучения значительного по размерам дефекта (сравнимого с излучающей поверхностью преобразователя), будет наблюдаться уменьшение сигналов I и IV вплоть до полного их исчезновения. При попадании в поле излучателя набольших, по сравнению с размером волнового фронта, дефектов, будут появляться сигналы I и II.

      В процессе сканирования амплитуда сигналов II или III сначала растет, по мере увеличения отражения от дефекта, а затем убывает, в результате поглощения дефектом сквозного сигнала. Для исключения возможной неоднозначности при определении дефекта в дефектоскопах реализуют измерение отношения амплитуд этих сигналов к амплитуде сквозного сигнала. Это повышает реальную чувствительность метода и уменьшает влияние помех из-за изменения качества контакта преобразователь – изделие.

      При выполнении контроля этим методом неизбежно  возникают поперечные волны в  изделии, являющиеся в данном случае специфической помехой, поэтому на аппаратурном уровне используют временное стробирование и амплитудную дискриминацию.

      Т.к. для этого метода имеет особое значение качество контакта преобразователя  с изделием, его обычно реализуют  в иммерсионном варианте.