Акустический контроль защитных шлемов

      Несмотря  на значительное влияние помех, этот метод также позволяет уверенно находить в органопластиках дефекты типа несплошностей, с эффективным диаметром более 3 мм, причем, в отличие от эхо-метода, здесь практически отсутствует "мертвая зона" в контролируемом изделии. 
 

      3.4 Реверберационно-сквозной метод [4, C. 259 – 260, 645 – 670] 

      Этот, относительно недавно разработанный метод, использует ослабление продольных волн в изделии, после их многократного отражения и рассеяния на стенках и неоднородностях контролируемого изделия, которое в данном случае должно иметь небольшую и, желательно, одинаковую толщину.

      Он  совмещает особенности метода прохождения  и эхоревербационного метода.

      На  рисунке 5 показана схема организации  этого вида контроля. Генератор 1 возбуждает колебания (обычно, с длиной волны порядка толщины изделия, хотя зарубежные стандарты неразрушающих методов контроля рекомендуют для контроля изделий из органопластиков конкретную частоту 2,25 МГц) в прямом излучателе 2. Прямой УЗ-преобразователь 3 принимает импульсы продольных колебаний, которые после усилителя 4 поступают в блок обработки сигнала 5 и блок индикации 6. Расстояние  между преобразователями – фиксированное (обычно, порядка нескольких сантиметров), и определяется акустическими характеристиками материала и изделия (на практике – экспериментально, по величине затухания зондирующих импульсов). 

 

      Принятые  сигналы имеют нерегулярную форму  и внешне напоминают сигналы, получаемые в методе акустической эмиссии. Каждому  зондирующему импульсу соответствует значительно растянутый по времени пакет импульсов на выходе.

      Метод выдает интегральные характеристики части  изделия, заключенной между преобразователями, и способен дать информацию о наличии  самых разнообразных дефектов, включая  неравномерности распределения связующего и армирующего волокна. Однако конкретной информации о виде присутствующих дефектов и их координатах он не представляет.

      Информация, которую приносят сигналы на выходе, интерпретируют, используя счетные  и энергетические параметры. Сам интегральный параметр назван разработчиками этого метода SWF (stress wave factor, - "фактор волны напряжения").

      Наиболее  простой способ представления SWF –  амплитудный, в котором измеряют максимальную разницу амплитуд пришедших  импульсов.

      Счетный способ представления SWF выражается через число сигналов, с амплитудой выше заданного порогового уровня, и определяется по формуле:

. (9)

      Здесь: А_i – пороговая амплитуда для i-го уровня, С_i , C_i+1 – число превышений i-го и (i+1)-го уровня, P – максимальный уровень.

      Энергетическое  выражение SWF определяется интегралом:

, (10)

где t_1,2 – интервал времени, соответствующий пришедшему пакету импульсов.

      Применяя  преобразование Фурье, энергетический критерий преобразуют к виду:

,  (11)

где - спектральная плотность сигнала в интервале частот [f_min, f_max].

      Установка временных или частотных интервалов определяется по достаточно нестрогим  процедурам.

      Спектральный  анализ, выполняемый в соответствии с (11), позволяет выделить наиболее сильно коррелирующие с дефектами частo'ты, что значительно увеличивает реальную чувствительность метода. Необходимо отметить, что, априори, более высокие частоты сильнее рассеиваются и поглощаются дефектами и неоднородностями в контролируемом изделии, что дает дополнительную возможность для увеличения информативности данного метода.

      Метод можно использовать и с расположением  преобразователей по обе стороны  изделия, но каких-либо преимуществ, это, по-видимому, не дает.

      При реализации этого метода, также, как и выше описанных, важно качество контакта преобразователя с изделием, но в значительно меньшей степени, чем в других методах, использующих эффект прохождения. С другой стороны, для этого метода имеет большое значение стабильность имеющихся свойств контакта в процессе измерения и при сканировании.

      Еще одна особенность этого метода –  влияние на его эффективность  характера контакта контролируемого  изделия с опорами. В связи с этим часто выбирают ре6ристые опоры, уменьшающие площадь контакта.

      Возможно  применение в данном методе наклонных  преобразователей, но информации об их реальной эффективности не найдено, хотя есть данные о том, что возбуждение и регистрация при этом методе волн Лэмба может значительно повысить информативность метода, особенно при выделении головной симметричной волны s₀, обладающей наименьшей дисперсией[4, С. 493 – 495]. Описание этого варианта метода, ввиду его объективной сложности, выходит за рамки данной работы.

      Практика  применения реверберационно-сквозного метода, особенно за рубежом, очень обширна. Это связано с тем, что только этот метод позволяет достаточно экспрессно обнаруживать дефекты типа микропористости (в случае выбранного нами изделия, – скоплений мелких воздушных пузырьков, не удаленных при формовании).

      Стандарты неразрушающего контроля предлагают использовать этот метод после методов, позволяющих достаточно просто и быстро обнаружить крупные дефекты (например, эхо-метод). Однако, представляется полезным и прямо противоположный порядок контроля: отбор изделий с дефектами ревербационно-сквозным методом, а затем определение в отобранных изделиях вида, размеров и координат дефектов, например, эхо-сквозным методом.

      Этот  метод может также оказаться полезным при отработке технологии формования органопластиков. Так, имеются экспериментальные данные о сильной зависимости затухания продольных волн в листовых материалах от степени полимеризации связующего [4, C. 814 – 815]. Ввод ультразвука при этом осуществлялся через воздушный промежуток.

      Для изделий, подобных по своей структуре  выбранному в данной работе, т.е. анизотропным по слоям материала, но изотропным по всему объему, выполнение контроля рассматриваемым методом должно включать в себя сканирование поверхности, по крайней мере, в двух направлениях.

 

4. Акустический контроль защитных  шлемов 
 

      4.1 Аппаратурное оформление  контроля 

      4.1.1 Общие требования  к аппаратуре

      Для контроля органопластиков рассмотренными комбинированными методами вполне подходят современные универсальные эхо-дефектоскопы, желательно, совместимые, например, по протоколу R232, с компьютером. Многие современные приборы этого типа включают в свой основной комплект ноутбук, в качестве обрабатывающего и индицирующего блока, имеющего практически неограниченный ресурс для архивирования данных контроля. Специфические требования к дефектоскопу, по крайней мере, на этапе отработки технологии контроля: возможность генерации широкополосных импульсов, возможность генерации колоколообразных и прямоугольных импульсов, возможность генерации импульсов в диапазоне частот , как минимум, в диапазоне от 400 кГц до 5 МГц. Все остальные функциональные требования к контролю изделий из органопластиков, включая изделие "защитный шлем", в этих приборах наверняка присутствуют, или могут быть добавлены, как опция, при заказе. Буквально ежемесячно появляются новые программы для обработки сигналов УЗ-контроля, и их качество, по крайней мере, в коммерческих продуктах, становится заметно выше.

      Механические устройства для сканирования изделий различных профилей также разработаны в большом количестве, и эта задача считается принципиально решенной, как и задача создания надежных контактов "преобразователь – изделие" всевозможных типов.

      В итоге, можно констатировать, что в настоящее время потенциальные возможности аппаратуры опережают теоретические и экспериментальные разработки в области акустического контроля композиционных материалов. 
 

      4.1.2 Аппаратурное  снижение структурных помех

      Основная  особенность акустического контроля этого типа изделий определяется структурой органопластиков. Они, с одной стороны, имеют высокий модуль упругости и, соответственно высокую скорость распространения механических колебаний, а с другой, их структура послойно настолько анизотропна, что приводит к быстрому затуханию колебаний высокой частоты (на этом, несмотря на их малую плотность, основано их применение в качестве шумо – и виброизоляторов).

      Т.к. изделия из органопластиков, подобные тем, что выбраны в качестве примера  для данной работы, изотропны по объему в целом и анизотропны послойно, акустические свойства их специфичны и трудно поддаются теоретической оценке. В этих изделиях велика именно упругая анизотропия, т.к. упругие свойства связующего, волокна и даже переходных слоев между ними существенно различны.

      Исходя  из сказанного, понятно, что реальная чувствительность метода определяется уровнем структурных помех и  возможностью их исключения.

      Высокий уровень структурных помех, учет его и подавление в значительной степени уменьшает значение помех, вызванных изменением характеристик контакта преобразователя с контролируемым изделием.

      Классический  успешный акустический контроль предполагает превышение полезного сигнала, например, соответствующего отражению от дефекта, не меньше чем вдвое по сравнению с уровнем сигналов от неоднородностей структуры. В настоящее время развитие теоретических положений акустического контроля, накопленный экспериментальный материал, а также развитие вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения, позволяют ослабить этот критерий:

а) Применением  фокусирующих преобразователей с возможно большей излучающей поверхностью, что  увеличивает отношение "сигнал/помеха".

б) Применением  методов контроля, использующих продольные волны, что дает уменьшение уровня помех от вторичного рассеяния (с оговорками, это справедливо и для методов, использующих волны Лэмба).

в) Частота  колебаний не должна превышать значения, в общем случае экспериментально определяемого, при котором уровень  структурных помех начинает превышать полезный сигнал.

г) Широкий  диапазон частоты излучения преобразователя  в сочетании с регулируемыми  аппаратурными методами амплитудной  отсечки значительно повышают возможности  оператора по определению минимальных  по размерам дефектов.

д) Использование  статистических методов обработки  сигналов, на основе исключения корреляции помех направленным изменением излучающего  поля, например, длительности зондирующих  импульсов t при сохранении их амплитуды. Т.к. интенсивность помех пропорциональна , а полезный сигнал не растет после достижения величины t больше четырех периодов колебания, возникает возможность отсечки структурных помех направленным изменением t во время выполнения контроля. Т.е. при вариациях t в пределах 4…10 периодов колебаний сигналы, соответствующие дефектам остаются практически неизменными, а сигналы от структурных помех изменяются очень заметно.

е) Современные  дефектоскопы, в состав которых входит персональный компьютер, имеющий соответствующий  специализированный софт, могут, для исключения влияния структурных помех, использовать т.н. "сплит-спектральный" метод" и "вэйвлет" метод (от английского "wave-let", т.е. небольшой участок волны).

      "Сплит-спектральный" метод заключается в следующей  процедуре обработки сигналов на выходе дефектоскопа: амплитудные сигналы подвергают фурье-преобразованию, и полученные частотные спектры разбивают на характерные полосы и выполняют для каждой из них обратное фурье-преобразование. Полученные ранее частотные полосы взвешивают по их суммарным амплитудам, с подбором весов, соответствующих максимальному соотношению "сигнал/шум". В итоге, после повторения этой процедуры несколько раз, получают близкое к теоретическому максимуму отношение полезного сигнала к структурным помехам.

      "Вэйвлет"  – метод заключается в выделении  характерных отрезков зондирующего  импульса и импульсов на выходе, с последующим анализом их  эволюции во времени. Анализ  набора полученных при выполнении  контроля "вэйвлетов" позволяет,  при применении экспериментально полученных зависимостей, привязать конкретный "вэйвлет" к наличию в изделии конкретного дефекта.