Тема 11

Физические основы акустико-эмиссионного контроля

1 Основные понятия

Акустической эмиссией (АЭ) называют процесс излучения акустических волн в процессе перестройки структуры материала. Однако не любое изменение структуры приводит к возникновению волн, так для появления АЭ необходимо выполнение двух основных условий, для появления акустических колебаний среды необходимо, чтобы некоторый процесс проходил с высокой скоростью в ограниченном объеме среды. Наиболее характерными примерами таких процессов являются образование и рост трещин. Поэтому основной областью применения АЭ в настоящее время считается решение задачи выявления развивающихся в объекте контроля (ОК) дефектов.

При передаче энергии источникам происходит активация источников в материале объекта контроля, происходит выделение упругой энергии и возникают акустико-эмиссионные волны (рис.1). Энергия может быть разного характера – тепловые перепады, механическое нагружение. При контроле проводится анализ акустико-эмиссионных сигналов. Огромным преимуществом метода является возможность регистрации развивающихся дефектов. Востребованность метода доказана его интенсивным использованием в технологиях испытаний Ростехнадзора, атомной промышленности. Основные термины и определения вводились государственным стандартом ГОСТ 27655 на термины и определения в области акустико-эмиссионной диагностики, который в настоящее время утратил силу.

2 Классификация источников сигналов АЭ

Традиционно акустическую эмиссию разделяют по способу возникновения на три основных вида: материала, трения и утечки. Под АЭ материала понимают процесс излучения акустических волн, который связан с изменением структуры материала: образование и рост трещин, пластическая деформация, фазовые превращения и т.д. АЭ материала также может быть вызвана разными причинам (представлены на рис.1).

АЭ трения возникает при пластической деформации и процессах разрушения на границах твердых тел, которые перемещаются друг относительно друга. АЭ утечки возникает при истечении жидкости или газа через сквозной дефект и принципиально отличается от первых двух. В случае утечки основным источником акустических волн являются турбулентные и кавитационные (схлопывание пузырьков) явления в струе жидкости и газа. Каждый из этих методов находит свое применение в технике – контроль развивающихся дефектов, контроль трущихся поверхностей и оценка степени износа, нерегламентированные истечения жидкости или газа (в том числе в течеискании).

Также разделяют источники АЭ по форме сигнала. Единичный акт АЭ называют актом АЭ. Сигналы, которые состоят из явно различимых импульсов, относят к дискретному типу, акустическую эмиссию с регистрируемыми сигналами дискретного типа называют дискретной АЭ (рис.2). Однако бывают такие ситуации, когда нельзя четко разделить отдельные импульсы АЭ. Тогда такой тип АЭ называют непрерывной (рис.3). Такая ситуация может возникнуть в различных ситуациях: высокой активности АЭ, наличия большого количества источников, большой длительности импульсов, когда они начинают пересекаться и накладываться. Основное различие между ними заключается в характерной форме: дискретный сигнал состоит из импульсов, а внутри непрерывного сигнала невозможно однозначно выделить импульсы.

В общем случае АЭ контроль любого объекта можно представить в виде алгоритма, то есть последовательности основных операций (на рис. 4). Предварительно подготавливают ОК и выполняют расстановку приемных преобразователей АЭ (ПАЭ) на поверхности ОК (этап 1) на рис. 4). Конкретные места установки определяются в зависимости от геометрии и акустических свойств материала детали. При этом любой возникший в изделии импульс должен быть уверенно зарегистрирован, по меньшей мере, тремя преобразователями на плоскостном объекте (или двумя преобразователями на линейном объекте). При этом разность по чувствительности по каналам по некоторым требованиям НТД, не должна превышать 6 дБ.

При недостаточном акустическом контакте между преобразователем и контролируемым объектом и низкой чувствительности сигналы от развивающегося дефекта могут быть пропущены диагностической системой. Проверку акустического контакта (этап 2 на рис. 4) и корректировку чувствительности выполняют с использованием специальных имитаторов, излучающих в ОК акустические волны, подобные волнам от трещины. Если амплитуды импульсов, принятых от имитатора, превышают заданный в НТД уровень, а посторонние помехи или шумы отсутствуют, то система и ОК правильно подготовлены к испытанию. Для акустико-эмиссионного контроля обязательно проведение нагружения, то есть применения активной силы, которая и приводит к провоцированию срабатывания источников. При этом обязательно параллельно проводится регистрация сигналов АЭ, как правило, одной из многоканальных микропроцессорных систем. Регистрация с помощью современных систем проводится в режиме реального времени, а обработка сигналов может проводиться как в процессе проведения контроля, так и после него.

Система классификации источников акустико-эмиссионных сигналов сформирована исходя из степени опасности источника. Амплитудный критерий определяет пороговое значение амплитуды регистрируемых сигналов, резкое повышение которой свидетельствует о наличие в объекте критически опасного источника. В локально-динамическом критерии основной величиной, по которой судят о степени развития дефекта, является число импульсов АЭ. Для создания логически завершенной классификации обязательным является установление соответствия между типом обнаруженного источника и действиями оператора. Разработка дальнейших технологических процессов с участием диагностируемой детали основывается на известных механических свойствах объекта, прочностных расчетах, опыте эксплуатации и, несомненно, свойствами самой системы НК. Возможными вариантами реакции на результаты обследования являются: наблюдение, прекращение испытаний, дополнительный контроль другими методами, ремонт, брак и изъятие из эксплуатации.

Таблица 1 – Классификация источников акустической эмиссии по активности излучения акустических волн

Класс источника	Описание источника	Поведение источника и действия оператора
I	Пассивный	– Не излучает, но обнаружен другими методами; – Регистрируют для учета в будущих испытаниях и анализа динамики его развития.
II	Активный	– Излучает постепенно уменьшающееся в единицу времени количество сигналов; – Регистрируют и следят за развитием ситуации в процессе выполнения контроля.
III	Критически активный	– Излучает примерно постоянное в единицу времени количество сигналов; – Регистрируют и следят за развитием ситуации в процессе выполнения контроля.
IV	Катастрофически активный	– Излучает резко возрастающее в единицу времени количество сигналов; – Производят немедленный сброс нагрузки и осматривают объект и при необходимости проводят контроль другими метода

Для обоснованного применения метода АЭ при диагностике тех или иных объектов необходимо учитывать его особенности. На современном уровне развития АЭ систем и методик контроля выделяют следующие преимущества по сравнению с активными методами:

1) Интегральность – это свойство метода, заключающееся в контроле всего материала объекта с использованием одного или нескольких преобразователей, неподвижно установленных на поверхности детали.

2) Пространственное положение и ориентация объекта не влияют на выявляемость дефектов.

3) Метод АЭ имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой материалов, в сравнении с активными методами.

4) Метод обладает высокой чувствительностью к растущим дефектам – позволяет выявлять в рабочих условиях однократный акт АЭ, связанный с приращением трещины порядка долей миллиметра. Предельная чувствительность АЭ аппаратуры по теоретическим оценкам составляет порядка 1 мкм².

5) Метод обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности.

Основным ограничением применения метода является сложность выделения сигналов АЭ на фоне акустических шумов и электромагнитных помех. Метрологической особенностью метода является невозможность воспроизведения результатов контроля и условий контроля в повторных испытаниях.

Для разработки методики контроля, в отличие от активных методов диагностики, необходимы объекты с реальными дефектами, вероятность появления которых в детали превышает максимально допустимую. Создание критериев браковки требует многочисленных испытаний, проводимых с целью определения зависимостей характеристик АЭ в исследуемом материале от параметров нагружения.

Максимальная эффективность применения метода достигается на протяженных объектах с грубо обработанной поверхностью и произвольным расположением или ориентацией развивающихся дефектов. Особое достоинство АЭ диагностики – это возможность оценки степени и скорости развития дефекта с целью продления безопасного срока эксплуатации изделия.

АЭ метод относится к акустическому виду, поэтому для его применения в системе контроля необходимы знания закономерностей взаимодействия акустических волн с материалом ОК.

3 Основные понятия акустики

Периодическое, повторяющееся движение материального тела вблизи положения равновесия называют механическими колебаниями. Характерным примером такого движения являются колебания маятника или закрепленного на пружине груза. При колебаниях происходит последовательный переход энергии из одного вида в другой и обратно. В случае механических колебаний энергия последовательно трансформируется из кинетической (движение тела) в потенциальную энергию, например, сжатие пружины.

В основе любых колебаний лежат два физических процесса, это инерция и упругость.

Инерцией называют свойство материальных тел покоиться или двигаться прямолинейно и равномерно, если сумма всех сил, действующих на тело, равна нулю. Этот механизм обеспечивает запас кинетической энергии и не позволяет телу остановиться в положении равновесия.

Упругостью называют свойство тел восстанавливать свою первоначальную форму или объем после прекращения воздействия внешней силы на тело. Таким образом, при изменении формы или объема в материале возникают силы, стремящиеся вернуть тело в исходное состояние. Твердые тела обладают упругостью формы и объема, а жидкие тела и газы – только упругостью объема.

Упругие колебания – это колебаний частиц вблизи положения равновесия. Причем движение повторяется через определенный промежуток времени, его называют периодом колебаний T. Период – это время одного колебания, измеряется в секундах, с. Частота – это обратная периоду величина, физически это количество колебаний за единицу времени, и измеряется оно в Герцах, Гц.

Рассмотрим также деление колебаний по частотному признаку. Колебания подразделяют на инфразвуковые, звуковые, ультразвуковые, гиперзвуковые. Для акустико-эмиссионного контроля металлов используют, как правило, колебания в частотном диапазоне от 50 кГц до 1 МГц.

Вторым важным параметром для колебаний кроме частоты является максимальное смещение частиц при колебании, это смещение называют амплитудой. В некоторых системах пользуются термином «размах колебаний». Амплитуда и размах – это акустические энергетические величины. Чаще всего на практике АЭ контроля пользуются именно ими. Также акустическими величинами являются колебательная скорость, максимальная разность давления, механическое напряжение.

Процесс распространения акустических колебаний в объекте контроля называется акустической волной, при этом происходит передача энергии колебаний последовательно от колеблющихся частиц к неподвижным частицам. Необходимо отметить, что при движении акустической волны передается только энергия колебаний, но не масса. Это означает, что частицы среды не перемещаются по ОК. Следующими основными характеристиками акустической волны являются:

Скорость распространения ультразвуковых волн в большинстве случаев определяется только свойствами материала ОК, его плотностью, и физическими параметрами. Длина волны определяется отношением скорости к частоте волны. К примеру, длина волны в частотном диапазоне от 100 до 500 кГц, составляет от 6 до 1,2 см соответственно.

По типу волны разделяют на продольные волны – это акустические волны, в которых частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. Материал ОК испытывает деформацию сжатия и растяжения, поэтому продольные волны распространяются во всех телах, в том числе жидких и газообразных, кроме вакуума, и их скорость максимальна по сравнению с другими типами волн. Поперечные волны (или сдвиговые) – это акустические волны, в которых частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, материал испытывает сдвиговую деформацию, могут распространяться только в твердых телах. В жидкостях и газах поперечные волны практически не распространяются.

Особый интерес для акустико-эмиссионного контроля представляют нормальные волны в пластинах (волны Лэмба). У пластины один из пространственных размеров - толщина (h) значительно меньше двух других размеров ширины (S) и длины (L). Если длина волны λ сравнима или больше толщины изделия – h, то волна распространяется вдоль пластины, многократно отражаясь от ее границ. Результатом взаимодействия переотраженных волн является их самоорганизация: колебания на верхней и нижней границах пластины синхронизированы.

В зависимости от формы колебаний по толщине, волны Лэмба делят на симметричные s и антисимметричные a. В симметричных волнах движение происходит симметрично относительно центральной плоскости. То есть в нижней половине пластины смещения частиц среды зеркально повторяют смещения в верхней половине. В антисимметричных волнах движение антисимметрично относительно плоскости z = 0. В верхней и нижней половинах пластины вертикальные смещения имеют одинаковое направление.

При малых толщинах пластины в ней возможно распространение только двух волн Лэмба нулевого порядка: s₀ – нулевая симметричная волна (рис.5, а) и a₀ – нулевая антисимметричная волна (рис. 5, б).

В общем случае количество волн Лэмба бесконечно. Каждый тип имеет свою форму колебаний и называется модой волны. При этом каждая мода волны распространяется с собственной амплитудой и скоростью. Еще одним очень интересным явлением является дисперсия волн. Дисперсия – это зависимость скорости моды волны от частоты. Дисперсия волн и скорость той или иной моды будет зависеть от акустических свойств материала, толщины пластины, от частоты, эти зависимости еще называют дисперсионными кривыми. Нулевая симметричная s₀ и антисимметричная a₀ моды волн качественно отличаются от всех остальных волн тем, что существуют при любых частотах и толщинах пластины. С увеличением толщины пластины нормальные волны будут вырождаться в поверхностные.

Для того, чтобы проиллюстрировать эффект дисперсии, рассмотрим рис.6. На рис. 6 представлены сигналы, зарегистрированные на разных расстояниях от источника, для пластины толщиной 10 мм. Нулевая симметричная мода обладает высокой скоростью 4,3 мм/мкс, поэтому на все преобразователи приходит первой. Нулевая антисимметричная мода a₀ распространяется с меньшей скоростью 3 мм/мкс, поэтому регистрируется всегда позже симметричной моды. При этом, чем дальше расположен приемный преобразователь, тем сильнее отстает антисимметричная мода волны.

4 Параметры сигналов дискретной акустической эмиссии

Образование и развитие несплошности в материале ОК вызывает появление акустических колебаний, которые в виде упругих волн различных типов (продольных, поперечных, поверхностных, Лэмба) распространяются и достигают преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ). Под действием механических колебаний в ПАЭ возникает электрический сигнал, измеряемый АЭ системой. Степень опасности дефекта оценивается по результатам анализа регистрируемых сигналов, характерная форма которых приведена на рисунке 7. Это импульсный сигнал дискретной акустической эмиссии.

Для того, чтобы охарактеризовать акустико-эмиссионный импульс используют набор параметров.

Амплитудные параметры, как мы уже рассмотрели, определяют величину максимального U_max и минимального U_min значений электрического импульса сигнала. Для симметричных сигналов пользуются понятием «амплитуда», для несимметричных – понятием «размах» - разницы максимального и минимального значений напряжения.

Амплитуда акустико-эмиссионного сигнала будет зависеть от параметров излучателя – трещины.

Иные амплитудными параметрами являются: среднеквадратическое отклонение (СКО) сигнала, средняя мощность сигнала, энергия сигнала, энергетический параметр сигнала.

Следующей группой являются временные параметры, описывающие изменения сигнала во времени. Первичными являются следующие временные параметры: время начала импульса и время окончания импульса. Время начала импульса является наиболее важным для анализа параметром, так как позволяет определять координату источника сигнала. При этом должно быть определено пороговое значение сигнала U_пор (по амплитуде), которое и определит время прихода сигнала. На рис.9 показаны несколько порогов, от минимального U_1пор до максимального U_3пор. На практике уровень порога чаще всего устанавливается исходя из среднего уровня шумов, то есть порог является адаптивным параметров, который может меняться в зависимости от условий контроля.

Так как порог непрерывно подстраивается под шум в канале, то его называют «плавающим».

Для описания формы АЭ импульсов используют следующие информативные параметры (рис. 10):

– длительность переднего фронта (T_пф) – интервал времени от начала импульса до момента времени, при котором импульс достигает максимального значения;

длительность заднего фронта (T_зф) – интервал времени от максимального значения импульса до конца импульса;

длительность импульса (T_им) – интервал времени от начала импульса до его окончания.

Эти параметры сигнала характеризуют время излучения акустической волны источником АЭ и, следовательно, продолжительность разрушения. Однако в процессе распространения от источника до приемника акустические сигналы подвергаются искажению. При наличии дисперсии акустической волны происходит увеличение всех длительностей, характеризующих импульс, то есть сигнал буквально «расплывается».

Сильное влияние на окончательную форму импульса оказывает ПАЭ. Например, резонансный преобразователь вырезает из спектрального состава сигнала узкую полосу частот вблизи резонансной частоты, что приводит к увеличению длительности регистрируемых импульсов. Широкополосный и полосовой преобразователи в меньшей степени влияют на окончательную форму импульса. При этом сказывается только неравномерность коэффициента преобразования в рабочей полосе частот.

Таким образом, временные параметры АЭ импульсов зависят как от свойств источника АЭ, так и от свойств ОК, ПАЭ.

Для описания параметров не отдельно взятого импульса, а ряда сигналов, записанных в процессе контроля, применяют потоковые характеристики АЭ сигналов.

Чаще всего пользуются следующими характеристиками.

Для дискретной акустической эмиссии используют число импульсов N_Σ – количество зарегистрированных сигналов (рис.11,а), и понятие активность Σ (в). Активность – это динамика изменения количества сигналов за единицу времени.

На рис. 11, в приведена активность источника АЭ, построенная по дискретному сигналу.

За первую секунду было зарегистрировано 5 импульсов – активность равна 5. За вторую секунду зарегистрировано 3 импульса и, следовательно, активность равна 3.

В некоторых случаях для анализа результатов контроля предпочтительнее использоватьзависимость числа импульсов АЭ от времени. В других случаях более информативным представлением информации является активность. Эти две потоковые характеристики являются подобными, представляют одно и тоже свойство источника: его эмиссионную способность в определенном интервале времени. Суммарный счет и скорость суммарного счета АЭ – это характеристики, эквивалентные числу импульсов и активности, но только для непрерывной АЭ. При вычислении суммарного счета и его скорости определяют суммарное количество превышений сигналом порогового уровня, а не количество импульсов.

В процессе деформирования ОК амплитуда импульсов АЭ изменяется случайным образом.

Одной из характеристик источника АЭ является распределение импульсов по амплитудам или амплитудное распределение. Разделение импульсов по амплитудным диапазонам позволяет условно классифицировать источники АЭ по физическим процессам в материале ОК. При этом выделяют четыре уровня деформации материала: образование микротрещин, мезотрещины, макротрещины, распространение магистральной трещины, которая приводит к окончательному долому материала объекта.

Потоковые характеристики и параметры импульсов позволяют разделить влияние различных факторов на форму АЭ сигнала, выделив информацию об источнике. Однако, информативные параметры являются лишь следствием воздействия на ОК. Для объективной оценки результатов неразрушающего контроля или мониторинга необходим подробный анализ связи сигналов АЭ с соответствующими процессами перестройки структуры материала детали.