Современные технические объекты, такие как трубопроводы, энергетическое оборудование, авиационные и космические конструкции, работают в условиях высоких механических, термических и динамических нагрузок. Со временем в материалах этих объектов могут возникать дефекты — трещины, коррозионные повреждения, расслоения, — которые способны привести к катастрофическим последствиям, если их вовремя не обнаружить. В связи с этим особую актуальность приобретают методы неразрушающего контроля (НК), позволяющие оценивать состояние конструкций без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик.

Целью данной работы является обзор основных существующих методов ультразвуковой диагностики технических объектов, видов пьезоэффекта.

Ультразвуковой (УЗ) метод диагностики технических объектов относится к числу наиболее распространённых и эффективных способов НК. Он основан на использовании упругих колебаний высокой частоты, распространяющихся в материале объекта и взаимодействующих с его структурными элементами. Основная цель ультразвуковой диагностики — выявление внутренних дефектов, измерение толщины, определение свойств материала и оценка его целостности без нарушения эксплуатационных характеристик.

Принцип ультразвукового контроля (рис. 1) заключается в введении ультразвуковых колебаний в исследуемый материал, их распространении в объёме объекта и анализе отражённых, прошедших или рассеянных волн. В местах неоднородностей, дефектов, границ раздела различных сред (например, металл–воздух, металл–шлак, металл–включение) происходит частичное отражение ультразвуковой энергии. По характеру отражённых сигналов можно определить наличие, координаты, размеры и форму дефектов.

Рис. 1. Принцип ультразвукового контроля: Ep — толщина заготовки, D — расстояние до дефекта.

Основным элементом аппаратуры является пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП). Он выполняет двойную функцию: излучает ультразвуковые волны при подаче электрического импульса и принимает отражённые волны, преобразуя их обратно в электрические сигналы.

В ультразвуке используются прямой и обратный пьезоэффекты — явления, связанные с деформацией пьезоэлектрических материалов (ниобат лития, ниобат калия, цирконат-титанат свинца, титанат бария, титанат свинца) под действием механических или электрического воздействий. Эти эффекты используются в пьезоэлектрических преобразователях — устройствах, которые преобразуют электрические колебания в акустические, а затем обратно акустические в электрические.

1. Прямой пьезоэффект:

При упругой деформации пьезопластины на её поверхности возникает разность потенциалов, изменение во времени и величина которой пропорциональны внешнему механическому воздействию.

Применение:

Ультразвуковые колебания, приходящие извне, деформируют пьезоэлемент, а переменный электрический заряд, появляющийся на его поверхности, считывается и усиливается электронной схемой.

Если говорить про преобразование отражённых сигналов в электрический сигнал в ультразвуковом датчике, то под действием УЗ-волны возникает деформация кристалла, которая приводит к генерации переменного электрического поля, и соответствующее электрическое напряжение может быть измерено.

2. Обратный пьезоэффект:

При подаче на поверхность пьезоэлемента переменного, гармонически изменяющегося напряжения пьезоэлемент деформируется (колеблется с частотой приложенного напряжения) и тем самым излучает ультразвук.

Применение:

Основной частью излучателя является пластина или стержень из вещества с пьезоэлектрическими свойствами (чаще пьезокерамика на основе титаната бария или цирконата-титаната свинца). Если к электродам приложить переменное электрическое напряжение от генератора, то пластина начнёт деформироваться и вибрировать, излучая УЗ-волны.

При резонансной частоте электрического поля кварцевая пластинка является мощным источником ультразвука.

Существует несколько основных разновидностей ультразвуковых методов контроля, отличающихся способом регистрации сигнала и схемой расположения преобразователей:

1. Эхо-импульсный метод (рис. 2) — наиболее распространённый. Позволяет точно определить глубину залегания дефекта по времени прихода отражённого импульса. Данный метод основан на явлении отражения ультразвуковых волн от поверхности дефекта и регистрации отражённых сигналов. В контролируемое изделие излучается последовательность коротких ультразвуковых импульсов. Признаком дефекта является наличие эхо-сигнала, отражённого от несплошности. Временной интервал между зондирующим и эхо-импульсами пропорционален глубине залегания дефекта, а амплитуда, в определенных пределах, отражающей способности (размеру) дефекта.

Рис. 2. Схема эхо-импульсного метода. ИП — излучатель и приемник в одном преобразователе

К преимуществам эхо-метода относятся:

— односторонний доступ к изделию;

— относительно большая чувствительность к внутренним дефектам;

— высокая точность определения координат дефектов.

К недостаткам эхо-метода можно отнести:

— низкую помехоустойчивость к поверхностным отражателям;

— резкую зависимость амплитуды эхо-сигнала от ориентации дефекта;

— невозможность контроля качества акустического контакта в процессе перемещения ПЭП, так как при отсутствии дефектов на выходе отсутствуют какие-либо сигналы.

Несмотря на указанные недостатки, эхо-метод является наиболее распространенным методом ультразвуковой дефектоскопии деталей подвижного состава. С помощью этого метода обнаруживают более 90 % дефектов.

2. Теневой метод (рис. 3) — основан на измерении ослабления волны, прошедшей через объект. Суть теневого метода ультразвукового контроля заключается в использовании двух преобразователей, установленных по разным сторонам объекта. Один из них формирует ультразвуковую волну (излучатель), а второй регистрирует отражённый сигнал (приёмник). В результате образуется «акустический тракт»

Рис. 3. Схема теневого метода. И — излучатель, П — приемник

Решение о состоянии проверяемого изделия выносится по уровню принятого сигнала (на электродах приемного ПЭП). Если на пути ультразвуковых волн от излучателя до приемника нет несплошностей, отражающих или рассеивающих ультразвуковые волны, то уровень принятого сигнала максимален. Этот уровень резко уменьшается или падает до нуля, если в изделии есть несплошность.

В отличие от эхо-метода, теневой метод имеет высокую помехоустойчивость и слабую зависимость амплитуды от угла ориентации дефекта. Недостатком метода является требование двухстороннего доступа к изделию. Кроме того, серьезным недостатком теневого метода является наличие значительных погрешностей показаний прибора, регистрирующего уровень прошедшего сигнала (из-за нестабильности акустического контакта обоих преобразователей с контролируемой деталью).

Теневой метод не дает информации о координатах дефекта. По этим причинам данный метод в дефектоскопии имеет ограниченное применение.

3. Зеркальный метод ультразвукового контроля используется поиске дефектов, ориентированных перпендикулярно к поверхности сканирования, например, некоторых контактно-усталостных трещин.

Данный метод реализуется при прозвучивании изделия двумя ПЭП, которые размещены на поверхности сканирования так: образом, чтобы фиксировать одним ПЭП сигнал, излучаемый другим ПЭП. Сигнал переотражаясь от противоположной поверхности изделий от плоскости дефекта, поступает на приемную пьезопластину (рис. 4).

Рис. 4. Зеркальный метод ультразвукового контроля

В простейшем случае в дополнение к первому ПЭП, работающему в обычном режиме «излучение-прием», на определенном расстоянии В от него устанавливают второй ПЭП, который может работать только в режиме приема зеркально отраженных от плоскости дефекта сигналов. Расстояние В между двумя ПЭП выбирают, исходя из условия наилучшего озвучивания зоны вероятного обнаружения дефектов.

Выбор конкретного метода определяется характером контролируемого объекта, его материалом, геометрией и требованиями к точности измерений.

Литература:

1. Ерофеев, Н. К. Пьезоэлектрические преобразователи: учебное пособие / Н. К. Ерофеев. — 3-е изд. — СПб.: БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, 2016. — 64 с. — Текст: непосредственный.
2. Краснова, М. Н. Неразрушающие методы контроля: методические указания / М. Н. Краснова. — Воронеж: ВГТУ, 2023. — 33 с. — Текст: непосредственный.
3. Аверин, А. С. Ультразвуковая дефектосокпия: методические указания / А. С. Аверин. — 3-е изд., испр. — М.: РУТ (МИИТ), 2005. — 29 с. — Текст: непосредственный.