Примеры акустических изображений

Практическое занятие 15

«Изучение принципов работы дефектоскопов с антенными решетками. Обнаружение дефектов в образцах сварных соединений с применением ультразвукового дефектоскопа А1550 Intro Visor».

Цель работы:

§ Закрепить полученные теоретические знания о методе ультразвуковой дефектоскопии.

§ Изучить принципы работы дефектоскопов с антенными решетками.

Теоретические основы.

Ультразвуковая дефектоскопия основана на свойстве ультразвуковых волн направленно распространятся в средах и отражаться от их границ или нарушений сплошности (дефектов), обладающих другим акустическим сопротивлением. В практике контроля качества сварных соединений используют в основном эхо-импульсный метод (или метод эхо-локации). Он заключается в "прозвучивании" сварного соединения короткими импульсами ультразвука и регистрации эхо-сигналов, отраженных соответственно от нижней поверхности детали и дефекта к приемнику. Признаком наличия дефекта в сварном соединении служит появление эхо-сигнала на экране дефектоскопа.

Процесс распространения ультразвука в пространстве является волновым. Граница, определяющая колеблющееся частицы среды от частиц, еще не начавших колебаться, носит название фронта волны. Упругие волны характеризуются скоростью распространения с длиной и частотой. Под длиной волны понимают расстояние между ближайшими частицами, которые колеблются одинаковым образом (в одной и той же одинаковой фазе). Число волн, проходящих через длинную точку пространства в каждую секунду, определяет частоту ультразвука. Длина волны связана со скоростью ее распространения и частотой колебаний.

Существует несколько типов волн:

• Продольные (волны сжатия)

• Поперечные (волны сдвигов)

Поперечные волны возникают лишь в среде обладающей сопротивление сдвигу.

В качестве излучателей и приемников ультразвука используют пластины из пьезоэлектрического материала - керамики или кварца.

Излучатели и приемники ультразвуковых волн называются пьезопреобразователи. При подаче на пьезопластику электрического напряжения изменяется ее толщина вследствие так называемого обратного пьезоэлектрического эффекта. Если к пластине приложено знакопеременное напряжение, то она колеблется в такт с этими изменениями, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина действует как излучатель. И наоборот, если пьезоэлектрическая пластина воспринимает импульс давления (отраженная ультразвуковая волна), то на ее обкладках вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляется электрический заряд, который может быть измерен. В этом случае пьезопластина действует как приемник.

Антенная решетка представляет собой набор пьезоэлектрических элементов, расположенных на одной подложке. В пьезоэлектрических элементах используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого состоит в том, что под действием приложенного усилия на гранях некоторых кристаллов (кварца, титана, бария, турмалина, сегнетовой соли и др.) появляются электрические заряды (прямой пьезоэффект), а при внесении пьезоэлемента в электрическое поле он деформируется (обратный пьезоэффект). Самые распространенные типы решеток – линейные (рис. 1). Дефектоскопы, использующие в качестве преобразователей антенные решетки, формируют акустические изображения когерентными (протекающими согласованно по времени) способами и представляют результат в виде двумерного сечения.

Рисунок 1 - Конструкция ультразвуковых антенных решеток

Демпфер - устройство для гашения или предотвращения колебаний, возникающих в машинах, приборах, системах или сооружениях при их работе.

Протектор - технический элемент, служащий для защиты устройства или его частей.

Ультразвуковой дефектоскоп A1550 IntroVisor (рис. 2) реализует алгоритм фокусируемой синтезируемой апертуры (SAFT – Synthetic Aperture Focusing Technique). Используются данные об амплитуде эхо-сигналов и времени их прихода в каждую точку приемной апертуры решетки.

Апертура (лат. apertura — отверстие) в оптике — характеристика прибора, описывающая его способность собирать свет и противостоять дифракционному размытию деталей изображения.

Рисунок 2 - A1550 IntroVisor

Главное достоинство этих приборов – возможность оперативной визуализации внутренней структуры металлов, что позволяет упростить методологию ультразвукового контроля и повысить его производительность.

Это свойство значительно облегчает контроль и упрощает интерпретацию результатов.

Ограничения и недостатки приборов данного типа:

Ø Реконструируемые образы не полностью эквивалентны реальным геометрическим образам дефектов и отражателей, а получаются с учетом волновой природы ультразвуковых колебаний (набор «блестящих точек», формируемых отражающими элементами материала). Поэтому для правильной интерпретации образов требуется подготовка и знание физики процесса. Необходимо также развитие методологической базы, создание специализированных методик, стандартизирующих процедуру поиска дефектов и интерпретации результатов.

Ø Как правило, многоканальный дефектоскоп сложнее, габаритнее и тяжелее обычного дефектоскопа из-за большего числа каналов. Пропорционально их числу увеличиваются энергопотребление прибора, габариты аккумулятора и самого прибора.

Ø Использование классических наклонных призм, устанавливаемых на решетку для получения поперечных волн, с одной стороны, удешевляет конструкцию, а с другой – увеличивает мертвую зону, т.к. очень трудно добиться малой реверберации (это процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях) колебаний в призме.

Разновидность SAFT метода – SAFT-C – алгоритм синтезируемой фокусированной апертуры с комбинационным зондированием с использованием матричной приемно-излучающей решетки ультразвуковых преобразователей. Зондирование выполняется поочередно каждым элементом решетки, прием производится сразу всеми элементами при каждом зондировании (рис. 4). Полный набор принятых сигналов содержит сигналы, полученные при всех возможных сочетаниях излучающего и приемного элементов решетки. Временной интервал приема сигналов равен времени распространения ультразвука от решетки до наиболее удаленной точки в объекте контроля. Каждый принятый сигнал содержит эхо-сигналы от возможных отражателей и шум от структуры материала и границ объекта контроля. Суммирование выборок эхо-сигналов определяет яркость или цвет каждой точки изображения.

Рисунок 4 - Принцип работы SAFT-C

Для получения изображения в т. A (x, y) из каждой записанной реализации выбирается фрагмент длительностью τи с временем задержки. Все эти фрагменты содержат эхо-импульсы от отражателя в т. A(x,z), полученные при разных ракурсах падения в эту точку и отражения (рис. 5).

Выбранные фрагменты совмещаются по времени t с точностью до фазы и суммируются.

Рисунок 5 - Схема распространения лучей от излучающих элементов к отражателю в т. А(x,z) и обратно

Вычисляется огибающая результирующего эхо-импульса, максимум функции записывается в память прибора. Этому значению присваивается определенный цвет или яркость т. A(x,y) на экране прибора.

Разрешающая способность - минимальное расстояние между двумя отражателями, наблюдаемыми раздельно с помощью акустической аппаратуры. В практике ультразвукового контроля дефектоскопами с пьезоэлектрическими преобразователями различаются лучевая разрешающая способность и фронтальная разрешающая способность.