Удосконалення акустичного методу контролю товщини металоконструкцій

Розділ 2
теоретичне обґрунтування безконтактного
акустичного методу контролю товщини металоконструкцій
2.1 Розроблення фізичної моделі процесу безконтактного акустичного контролю
металоконструкцій
З метою вибору та обґрунтування напрямків удосконалення акустичного методу та
подальших досліджень побудуємо описову фізичну модель процесу безконтактного
акустичного контролю товщини елементів металоконструкцій при односторонньому
доступі до поверхні ОК з використанням одного п’єзоелектричного перетворювача
(ПЕП) (рис. 2.1) та фізичну модель процесу безконтактного акустичного контролю
товщини елементів металоконструкцій при двосторонньому доступі до поверхонь ОК
з використанням двох ПЕП (рис. 2.2).
Рис. 2.1. Фізична модель методу вимірювання товщини при односторонньому доступі
до поверхні ОК:
1 – ПЕП, 2 – акустичні коливання, 3 - ОК , 4 – генераторно-приймальний тракт, 5
– аналого-цифровий перетворювач, 6 – блок оброблення та візуалізації
результатів контролю.
Рис. 2.2. Фізична модель методу вимірювання товщини при двосторонньому доступі
до поверхонь ОК:
1 – випромінюючий ПЕП, 2 – акустичні коливання, 3 - ОК , 4 – пройшовші через ОК
акустичні коливання, 5 – приймаючий ПЕП, 6 – генераторно-приймальний тракт, 7 –
аналого-цифровий перетворювач, 8 – блок оброблення та візуалізації результатів
контролю.
Вимірювання товщини елементів металоконструкцій при односторонньому доступі до
поверхні ОК здійснюється наступнім чином. Генератор акустичних коливань, який
входить в генераторно-приймальний тракт, формує імпульси напруги визначеної
тривалості та частоти, які збуджують акустичні коливання в п’єзопластині ПЕП.
Акустичні коливання від ПЕП через шар повітря поширюються до об’єкта контролю.
На границі повітря/ОК (зовнішня поверхня ОК) акустичні коливання зазнають
часткового відбивання та заломлення. Відбиті від зовнішньої поверхні ОК
акустичні коливання проходять зворотній шлях через шар повітря і потрапляють на
ПЕП. Заломлені акустичні коливання проходять через об’єкт контролю, зазнають
відбивання від границі розділу ОК/повітря (внутрішня поверхня ОК) і, пройшовши
зворотній шлях через об’єкт контролю та шар повітря, потрапляють на ПЕП
(рис.2.1). Акустичні коливання, потрапивши на п’єзоелектричний перетворювач,
збуджують в ньому електричні коливання напруги, які підсилюються за допомогою
підсилювача акустичних коливань (входить в склад генераторно-приймального
тракту). Підсилені коливання напруги потрапляють на аналого-цифровий
перетворювач, який здійснює оцифрування сигналу і далі у цифровому вигляді
потрапляють у блок оброблення та візуалізації результатів контролю. Останній за
значенням часу проходження акустичних коливань в тілі об’єкта контролю визначає
його товщину.
Вимірювання товщини елементів металоконструкцій при двосторонньому доступі до
поверхонь ОК (рис. 2.2) здійснюється аналогічно до попереднього, з тією
різницею, що реєструється не час поширення відбитих від поверхонь ОК акустичних
коливань, а час поширення пройшовших через ОК акустичних коливань.
Основними проблемами при передачі ультразвукової енергії через повітря в
досліджуваний матеріал є значне неспівпадання акустичного опору п’єзопластини,
повітря та досліджуваного матеріалу та високе значення коефіцієнта затухання
ультразвукових коливань в повітрі. Внаслідок чого тільки 0,007% енергії
акустичних коливань, яка випромінюється ПЕП, передається через шар повітря до
ОК. На границі розділу повітря/ОК також втрачається значна частина енергії
акустичних коливань – тільки 0,004% енергії акустичних коливань, які потрапили
на поверхню ОК, проходить через границю розділу повітря/ОК [59].
Дані проблеми призводять до зменшення величини енергії акустичних коливань на
виході перетворювача (на кожній границі розділу п’єзоелемент/повітря та
повітря/об’єкт контролю втрачається біля 99,99% енергії акустичних коливань)
[23, 59], співвідношення сигнал-шум, чутливості методу та унеможливлюють
використання традиційних методів обробки дефектоскопічної інформації.
Таким чином, для реалізації безконтактного акустичного методу контролю
необхідно вирішити дві проблеми, що дасть можливість компенсувати зменшення
втрат енергії акустичних коливань:
- на границі розділу п’єзоелемент/повітря;
- у повітрі (зменшення коефіцієнта затухання) та на границі розділу
повітря/об’єкт контролю.
Шляхом аналізування описової фізичної моделі процесу безконтактного акустичного
контролю елементів металоконструкцій визначимо напрямки удосконалення
акустичного методу контролю товщини:
- необхідність використання узгоджуючого шару (чи шарів), визначення його
характеристик в залежності від матеріалу об’єкта контролю та характеристик
п’єзоелемента перетворювача, що дасть можливість компенсації суттєвих втрат
енергії акустичних коливань на границі розділу п’єзоелемент/повітря;
- компенсація втрат енергії акустичних коливань в повітрі та на границі розділу
повітря/об’єкт контролю шляхом використання технологій штучних нейронних мереж
для оброблення вимірювальної інформації, що дасть можливість підвищення
чутливості методу.
В техніці ультразвуку можливі наступні способи узгодження акустичних опорів
[60], що дає можливість зменшити втрати енергії акустичних коливань на границі
розділу:
1) за допомогою проміжної узгоджуючої ланки (чи декількох) акустичні
властивості якої постійні по всій довжині; акустичні властивості і довжина
узгоджуючої ділянки повинні мати певні значення;
2) за допомогою проміжної узгоджуючої ланки визначеної довжини з плавно, за
певним законом, змінними характеристиками.
Узгоджуючі ланки доцільно використовувати на границі розділу
п’єзоелемент/повітря.