Ультразвуковые НЧ пьезопреобразователи с сухим точечным контактом и их применение для НК

Введение

Неметаллические материалы обладают более сильной зависимостью затухания ультразвука от частоты, чем металлы. Особенно быстро затухание растет с частотой в крупноструктурных неметаллах. Поэтому для неразрушающего контроля таких материалов приходится использовать нижние частоты УЗ диапазона. Например, УЗ контроль бетона и железобетона возможен на частотах не выше 150 - 200 кГц.

Бетон - один из наиболее распространенных неметаллов. Для дефектоскопии и оценки прочности бетонных конструкций чаще других применяют методы прохождения (теневые) при сквозном или поверхностном прозвучивании конструкций. Основным измеряемым параметром является время распространения ультразвука на некоторой базе прозвучивания. Поэтому базу необходимо знать с возможно большей точностью, особенно при поверхностном прозвучивании. Размеры рабочих поверхностей УЗ преобразователей для этого должны быть как можно меньше.

При контроле бетона эхо-методом нужна пространственная селекция отражателей, которую можно обеспечить либо с помощью преобразователя больших волновых размеров, либо с помощью метода синтезированной апертуры, фокусируемой в произвольную точку полупространства (САФТ). Метод САФТ предполагает использование УЗ преобразователей малых волновых размеров, с помощью которых и синтезируется апертура.

Для ряда задач, решаемых как методами прохождения, так и эхо-методом, необходимы преобразователи с малой длительностью преобразуемых импульсов и низким уровнем собственного реверберационного шума.

Грубая и пористая поверхность бетонных конструкций без трудоемкой подготовки не позволяет достичь приемлемого качества акустического контакта преобразователя через жидкость.

Все эти противоречивые требования были удовлетворены в предложенной нами конструкции пьезопреобразователя с СТК и малой длительностью импульсной характеристики [1].

Устройство преобразователей и их свойства

Неметаллические материалы обладают более сильной зависимостью затухания ультразвука от частоты, чем металлы. Особенно быстро затухание растет с частотой в крупноструктурных неметаллах. Поэтому для неразрушающего контроля таких материалов приходится использовать нижние частоты УЗ диапазона. Например, УЗ контроль бетона и железобетона возможен на частотах не выше 150 - 200 кГц.

Бетон - один из наиболее распространенных неметаллов. Для дефектоскопии и оценки прочности бетонных конструкций чаще других применяют методы прохождения (теневые) при сквозном или поверхностном прозвучивании конструкций. Основным измеряемым параметром является время распространения ультразвука на некоторой базе прозвучивания. Поэтому базу необходимо знать с возможно большей точностью, особенно при поверхностном прозвучивании. Размеры рабочих поверхностей УЗ преобразователей для этого должны быть как можно меньше.

При контроле бетона эхо-методом нужна пространственная селекция отражателей, которую можно обеспечить либо с помощью преобразователя больших волновых размеров, либо с помощью метода синтезированной апертуры, фокусируемой в произвольную точку полупространства (САФТ). Метод САФТ предполагает использование УЗ преобразователей малых волновых размеров, с помощью которых и синтезируется апертура.

Для ряда задач, решаемых как методами прохождения, так и эхо-методом, необходимы преобразователи с малой длительностью преобразуемых импульсов и низким уровнем собственного реверберационного шума.

Грубая и пористая поверхность бетонных конструкций без трудоемкой подготовки не позволяет достичь приемлемого качества акустического контакта преобразователя через жидкость.

Все эти противоречивые требования были удовлетворены в предложенной нами конструкции пьезопреобразователя с СТК и малой длительностью импульсной характеристики [1].

Устройство преобразователей и их свойства

Сущность СТК в том, что размеры зоны акустического контакта колеблющейся поверхности преобразователя с поверхностью твердого материала во много раз меньше длины УЗ волны в этом материале. Так при длине волны 40 мм (типичное значение при контроле бетона ультразвуком) контакт по площади диаметром менее 1 - 2 мм можно считать точечным. Контактная жидкость в таком случае не оказывает никакого влияния на коэффициент передачи сигнала и становится не нужной. Преобразователь действует на поверхность объекта контроля как сосредоточенная колебательная сила.

Принцип СТК давно известен и применяется в различных низкочастотных УЗ приборах [2, 3]. Для контроля бетонных конструкций используются низкочастотные преобразователи с полуволновыми концентраторами [4]. Концентраторы являются резонансными элементами, собирающими колебания достаточно большой апертуры преобразователя в точку контакта.

Предложенные нами УЗ низкочастотные преобразователи с СТК отличаются от преобразователей с концентраторами тремя главными особенностями. Во-первых, элемент, передающий УЗ колебания от пьезоэлемента в точку акустического контакта (протектор), имеет размеры много меньшие длины волны. Во-вторых, размеры пьезоэлемента в плоскости, параллельной плоскости поверхности объекта контроля, не менее, чем в 1,3 раза меньше толщины пьезоэлемента, равной половине длины волны в его материале. И, наконец, в-третьих, демпфер преобразователя, выполненный из жидкого композитного материала с большим затуханием ультразвука, окружает всю свободную поверхность пьезоэлемента [1].

Поскольку протектор имеет малые волновые размеры, он колеблется как сосредоточенное тело, почти не деформируясь. В результате он, являясь апериодическим, не искажает передаваемый сигнал, в отличие от полуволнового концентратора. Выбор указанных выше соотношений размеров пьезоэлемента позволяет вынести частоты радиальных колебаний пьезоэлемента вверх за пределы полосы рабочих частот, то есть сделать частоту рабочей моды пьезоэлемента наинизшей. Это в сочетании с эффективным демпфированием обеспечивает быстрое затухание рабочих колебаний пьезоэлемента (более 10 дБ за период колебаний) и собственных реверберационных шумов преобразователя.

Устройство предложенных УЗ преобразователей показано на рис. 1. Преобразователь, рис. 1, а, создает нормальные напряжения в точке контакта с поверхностью твердого тела. Его пьезоэлемент для простоты изображен двухслойным, хотя слоев может быть и больше. Знаками "+" и "-" условно показана полярность составляющих его пьезопластин. При такой полярности пьезоэлемент совершает колебания растяжения-сжатия по длине. Направления колебаний протектора показаны на рис. 1 стрелками.

Для получения поперечных колебаний протектора, позволяющих создать касательные напряжения на поверхности твердого тела, нами предложено на общий протектор устанавливать два пьезоэлемента симметрично относительно центра протектора (см. рис. 1, б). Полярность пьезопластин, составляющих пьезоэлементы этого преобразователя, выбирают так, чтобы при подаче на оба пьезоэлемента одинаковых (синфазных) сигналов пьезоэлементы колебались по длине противофазно.

Очевидно, что эта же конструкция преобразователя, рис. 1, б, пригодна для создания и продольных колебаний протектора, как и преобразователь с одним пьезоэлементом, рис. 1, а. Для этого оба пьезоэлемента при излучении должны колебаться синфазно, а при приеме давать синфазные электрические сигналы при продольных смещениях вершины протектора. Тогда их сумма будет принятым сигналом продольной волны. Это, естественно, получится при одинаковых пьезоэлементах, то есть состоящих из одинаково (по полярности) собранных пьезопластин.

Преобразователь, содержащий два пьезоэлемента (рис. 1, б), позволяет управлять направлением колебаний протектора, если оба его пьезоэлемента одинаковы, а выводы от них независимы. Тогда синфазное их возбуждение дает продольные колебания протектора, а противофазное - поперечные колебания. Для приема нормальных колебаний поверхности материала, вызванных продольными волнами, сигналы от пьезоэлементов суммируются, а для приема касательных колебаний поверхности (от поперечных волн) - вычитаются. Необходимую фазировку пьезоэлементов в режимах излучения и приема можно выполнить электронным коммутатором, встроенным, в частности, прямо в корпус преобразователя.

Рис. 2. Диаграммы направленности преобразователей с сухим точечным контактом продольных (a) и поперечных (б, в) колебаний протектора:

· - поперечные волны; 0 - продольные волны. Нормаль к поверхности полупространства - направление 0 градусов. Двунаправленные стрелки и окружность с точкой в центре символизируют ориентацию вектора колебательных смещений протекторов преобразователей.

На рис. 2 приведены экспериментально снятые диаграммы направленности преобразователей с СТК. Из диаграмм видно, что преобразователь с продольными колебаниями протектора (см. рис. 2, а) обеспечивает излучение и прием продольных УЗ волн по нормали к поверхности полупространства. Преобразователь с поперечными колебаниями протектора (рис. 2, б, в) позволяет излучать и принимать поперечные УЗ волны по нормали к поверхности.

Вследствие точечного акустического контакта кроме основного типа волн каждый из преобразователей неизбежно излучает и способен принимать под некоторыми углами к поверхности полупространства другой тип объемных волн, см. рис. 2.

Кроме того, вдоль поверхности полупространства от этих преобразователей в разные стороны от точки контакта распространяются различные поверхностные волны. Преобразователь с продольными колебаниями протектора является ненаправленным излучателем волн Релея. Преобразователь с поперечными колебаниями протектора в направлении вектора смещений излучает продольные подповерхностные (головные) волны и волны Релея. Он же в перпендикулярном вектору смещений направлении излучает поперечные волны с горизонтальной поляризацией (SH волны). Эти свойства преобразователей с поперечными колебаниями протектора дают возможность измерений скоростей продольных и поперечных волн в материалах способом поверхностного прозвучивания.

Рис. 3. Сигналы (слева) и спектры (справа) УЗ преобразователей с СТК продольных (а) и поперечных (б) колебаний протектора. Двунаправленные стрелки символизируют ориентацию вектора колебательных смещений протекторов преобразователей.

На рис. 3 показан типичный вид сигналов и спектров разработанных преобразователей. Осциллограммы сигналов записаны при сквозном прозвучивании образца из фторопласта диаметром 120 мм и толщиной 40 мм парой одинаковых преобразователей. База прозвучивания равна 40 мм. Верхняя осциллограмма и спектр (рис. 3, а) получены от преобразователей с продольными колебаниями протектора, нижние (рис. 3, б) - от преобразователей с поперечными колебаниями протектора. Спектры вычислены на интервалах, выделенных вертикальными линиями и содержащих принятые сигналы. Видно, что сигналы преобразователей имеют всего 1 - 2 периода заполнения. Ширина их спектра обычно превышает 60 - 70 % от частоты максимума спектра. Столь короткие сигналы хорошо подходят для контроля бетона эхо-методом, а также для сквозного и поверхностного прозвучивания материалов, когда требуется временное разрешение импульсов разных типов волн.

Внешний вид преобразователей приведен на рис. 4. Преобразователи можно применять как для ручного контроля, так и в качестве элементов антенных решеток. Благодаря малой длительности сигналов и сухому акустическому контакту их можно использовать для решения самых разных задач низкочастотного УЗ контроля.

Применение преобразователей

На основе антенной решетки преобразователей с СТК и метода САФТ удалось создать приборы для дефектоскопии бетонных конструкций эхо-методом. Результат контроля одним из этих приборов монолитного бетонного фундамента представлен на рис. 5. Это томограмма типа В, полученная на УЗ томографе А1230 при обследовании фундамента здания, построенного методом скользящей опалубки [5]. Здесь внутри бетона находилась двутавровая металлическая балка. Одна из плоских сторон балки параллельна доступной поверхности фундамента, по которой проводилось сканирование антенным устройством томографа. Линия сканирования была проведена горизонтально так, чтобы визуализируемое сечение прошло перпендикулярно продольной оси балки. Толщина бетона в этом месте фундамента 450 мм. Глубина расположения плоскости балки, обращенной к поверхности фундамента примерно, 230 - 240 мм. Толщина металла балки - 20 мм. На томограмме (рис. 5) металлическая балка выглядит как отражающая плоскость, затеняющая собой отражение от донной поверхности бетона. Образ донной поверхности находится в левой нижней части томограммы в интервале 70 - 270 мм по оси Х. Далее он обрывается и появляется вновь при 760 мм по оси Х. Образ плоскости балки в виде прерывистой широкой полосы, характерной для больших отражающих поверхностей, располагается в интервале от 300 до 750 мм по оси Х. Под ним на удвоенной глубине можно различить более слабое образование, представляющее собой второе отражение от балки.

Рис. 5. Томограмма типа В стенового фундамента здания с замоноличенной стальной двутавровой балкой, полка которой параллельна внешней поверхности фундамента и находится на глубине 230 мм.

Разрешающая способность томографа составляет приблизительно 60 - 80 мм по обеим осям координат. Чувствительность его достаточна для обнаружения в мелкозернистом бетоне полостей с размерами от 30 мм и более. При размерах крупного заполнителя более 20 - 30 мм томограф позволяет обнаружить полости, превышающие средний размер зерна в 1,5 - 2 раза.

Использование А-развертки при контроле бетона эхо-методом позволяет оценивать толщину конструкций, обнаруживать достаточно крупные дефекты в бетоне и в некоторых случаях определять состояние границы между соединенными материалами, например, между бетоном и металлом. На рис. 6 представлена осциллограмма эхо-сигналов из железобетонной плиты толщиной 180 мм, полученная с помощью дефектоскопа А1220, разработанного в НИИ интроскопии МНПО "Спектр". На осциллограмме видны несколько повторяющихся импульсов отражений от поверхностей стены.

Рис. 7. Эхо-сигналы от границ раздела гранит - бетон и бетон - сталь, записанные с помощью низкочастотного УЗ дефектоскопа А1220:

а - при слабом сцеплении гранита с бетоном; б - при хорошем сцеплении гранита с бетоном и бетона со сталью; в - при среднем сцеплении гранита с бетоном и слабом сцеплении бетона со сталью. Вертикальные линии, обозначенные цифрами 1 и 2, показывают моменты времени прихода фронтов эхо-сигналов от границ между гранитом и бетоном и между бетоном и сталью, соответственно.

Осциллограммы на рис. 7, также полученные с помощью дефектоскопа А1220, иллюстрируют вид эхо-сигналов при контроле качества закрепления гранитного вала на стальной оси с помощью бетонной массы. Такие валы (их диаметр порядка 1 метра) используются при производстве бумаги. Осциллограммы получены в трех разных местах вала: верхняя (рис. 7, а) там, где связь гранита с бетоном плохая, средняя (рис. 7, б) - в месте хорошего сцепления гранитной оболочки с бетоном и бетона с металлом, нижняя (рис. 7, в) - над областью, где гранит с бетоном имеют связь среднего качества, а бетон с металлом плохую. Плохая связь бетона с металлом определена по фазе эхоимпульса от границы бетон - металл. На средней осциллограмме, где такая связь хорошая, фаза этого импульса противоположна фазе импульса на нижней осциллограмме (ср. импульсы 2 на рис. 7, б и в).

Созданные преобразователи позволяют легко и быстро проводить дефектоскопию разных неметаллических материалов и оценивать их физико-механические характеристики путем измерений скоростей распространения УЗ волн способом сквозного прозвучивания. В частности, с их помощью можно оценивать прочность бетона, коррелирующую со скоростями продольных c_L и поперечных c_T волн, или измерять коэффициент Пуассона, который, как известно, можно вычислить через отношение скоростей этих волн:

На рис. 9 представлены осциллограммы сигналов, полученные при поверхностном прозвучивании образца из капролона парой преобразователей с поперечными колебаниями протектора. База прозвучивания равнялась 100 мм. Осциллограмма, рис. 9, а, записана при ориентации векторов смещений преобразователей вдоль одной прямой, осциллограмма, рис. 9, б, - когда векторы смещений были параллельны. Эти осциллограммы иллюстрируют вид сигналов УЗ волн, распространяющихся вдоль поверхности твердого тела, при измерении времени распространения которых на известной базе можно определить скорости продольных, поперечных и релеевских волн в бетоне или другом твердом материале.

На основе УЗ преобразователей с СТК и поперечными колебаниями протектора был разработан УЗ тестер УК1401. Его внешний вид приведен на рис. 10.

Преобразователи встроены в корпус прибора и расположены на стандартной базе 150 мм. Предусмотрена возможность установки преобразователей на базе 120 мм. Векторы колебательных смещений преобразователей расположены на одной прямой, поэтому тестер при поверхностном прозвучивании обеспечивает измерения времени или скорости распространения продольных УЗ волн в материалах. Погрешность измерений не более 1%. С его помощью возможна оценка прочности бетона по скорости ультразвука. Кроме того, прибором можно определять глубину трещин, выходящих на поверхность бетона, в диапазоне глубин от 10 до 50 мм.

Преобразователи с продольными колебаниями протектора при поверхностном прозвучивании материалов можно использовать для измерений скорости распространения волн Релея, так как другие типы поверхностных волн они почти не излучают.

Малая длительность сигналов разработанных преобразователей позволяет использовать их для контроля целостности и дефектности объектов, протяженных по одной из осей координат. Если длина волны ультразвука больше поперечных размеров объекта, то он может служить волноводом, и в нем на значительные расстояния могут распространяться различные типы стержневых волн. Примером такого применения преобразователей является контроль состояния и длины стальных анкерных болтов, замоноличенных в бетон. Контроль ведут эхо-методом. На рис. 11 представлены две осциллограммы, полученные с помощью пары преобразователей с поперечными колебаниями протектора на моделях анкерных болтов, в качестве которых использовались стальные стержни диаметром 30 мм и длиной 1 м. Преобразователи устанавливали рядом друг с другом на боковую поверхность стержня вблизи одного из его концов и ориентировали векторы смещений поперек оси стержня. Верхняя осциллограмма на рис. 11, а, получена на свободном стержне, не замоноличенном в бетон, то есть моделирующим отсутствие сцепления металла с бетоном. Нижняя осциллограмма (рис. 11, б) - на стержне, замоноличенном в бетонную балку так, что свободным был оставлен конец длиной 50 мм. Существенное различие характеров осциллограмм показывает, что о качестве сцепления стержня с бетоном можно судить по тому, как быстро со временем уменьшается амплитуда импульсов отражений УЗ волн от концов стержня. По времени задержки между этими импульсами можно определить длину стержня или неразрушенной его части.

Рис. 11. Осциллограммы эхо-сигналов от концов стержня, акустически свободного (а) и замоноличенного в бетон (б), при излучении и приеме УЗ волн со стороны одного из его концов.

Таким образом, разработанные низкочастотные УЗ преобразователи с СТК могут найти применение в различных областях УЗ контроля материалов и изделий.

Литература

1. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь. - Патент РФ № 2082163. - Бюлл., изобр., 1997, № 17.
2. Ланге Ю. В. Акустические низкочастотные методы и средства неразрушающего контроля многослойных конструкций. М.: Машиностроение, 1991. 272 с.
3. Глухов Н. А. Точечные источники ультразвука как инструмент контроля физико-механических свойств материалов. // Дефектоскопия, 1992, № 8, с. 49 - 51.
4. В. В. Дзенис, Применение ультразвуковых преобразователей с точечным контактом для неразрушающего контроля. Рига: Зинатне. 1987. 260 с.
5. Shevaldykin V. G., Kozlov V. N., Samokrutov A. A. Inspection of Concrete by Ultrasonic Pulse-Echo Tomograph with Dry Contact. 7th European conference on Non-Destructive Testing. Copenhagen, 26 - 29 May, 1998.
6. Шевалдыкин В. Г., Самокрутов А. А., Козлов В. Н. Новые аппаратурно-методические возможности ультразвукового прозвучивания композитов и пластмасс. // Заводская лаборатория. 1998. № 4. С. 29 - 39.