Основные принципы
Ультразвуковые волны – это механические колебания, возбуждаемые в упругой среде пьезоэлектрическим преобразователем под действием электрического напряжения. Типичные частоты ультразвуковой волны лежат в диапазоне от 0,1 МГц до 50 МГц. В промышленности чаще всего применяются частоты от 0,5 МГц до 15 МГц.
При ультразвуковом контроле обычно используются одноэлементные преобразователи, создающие расходящееся звуковое поле. Ультразвуковой пучок распространяется вдоль акустической оси с небольшим расхождением. Расхождение луча помогает обнаруживать и измерять размеры дефектов, расположенных под углом к лучу.
Представим, что пьезоэлемент разрезан на множество идентичных элементов, ширина каждого из которых многократно меньше его длины (e < W). Каждый из этих элементов может рассматриваться как источник цилиндрической волны.
Волновые фронты от множества узких пьезоэлементов будут интерферировать, создавая суммарный волновой фронт.
Эти волновые фронты могут быть задержаны во времени и синхронизированы по фазе и амплитуде таким образом, чтобы создавать сфокусированный и управляемый ультразвуковой луч.
Главная особенность технологии ультразвуковых фазированных решеток – управляемые компьютером амплитуда и фаза импульсов возбуждения отдельных пьезоэлементов в многоэлементном преобразователе. Возбуждение пьезоэлементов может осуществляться таким образом, чтобы была возможность управлять параметрами ультразвукового луча, например углом, фокусным расстоянием, размером фокусного пятна посредством компьютерной программы. Это позволяет обнаруживать дефекты, различно ориентированные относительно акустической оси. Простой одноэлементный преобразователь с высокой вероятностью может пропустить дефекты, расположенные под большим углом к акустической оси преобразователя, или в стороне от ультразвукового луча.
Обнаружение различно ориентированных дефектов одноэлементным (слева) и многоэлементным преобразователем (справа). Луч от преобразователя типа «фазированная решетка» может быть направлен под различными углами и сфокусирован, обеспечивая обнаружение различно расположенных дефектов.
Для того, чтобы создать луч под требуемым углом и требуемой фокусировкой, отдельные элементы возбуждаются в несколько отличающиеся моменты времени. Как показано на рис. 1.2, эхо-сигнал от определенной точки приходит на отдельные элементы преобразователя в различные моменты времени, которые возможно рассчитать. Эхо-сигналы на каждом элементе задерживаются по времени, затем суммируются. Их сумма отражается на А-скане, который отражает усиленный эхо-сигнал от требуемой фокальной точки и ослабленный – от всех остальных точек на пути луча.
• При излучении (emitting) генератор импульсов синхронизации (acquisition unit) посылает синхроимпульс на блок фазовых задержек (phased array unit). Последний генерирует импульс высокого напряжения заданной длительности и с заданной задержкой, определенной фокальным законом. На каждый элемент решетки поступает один задержанный импульс. Сумма волн, излученных каждым элементом представляет собой луч, распространяющийся под определенным углом и сфокусированный на определенном расстоянии. Этот луч отражается от дефекта.
• При приеме (receiving) сигнал принимается каждым элементом решетки, затем задерживается во времени в соответствии с заданным фокальным законом. Задержанные импульсы суммируются и формируют единый импульс, который поступает в устройства приемного тракта (acquisition unit).
Принцип фокусировки луча для прямого и наклонного ввода показан на рис. 1.3.
Величина временной задержки (delay) на элементах фазированной решетки (PA probe) зависит от величины апертуры, типа волны, требуемого угла и глубины фокусировки.
Существует три основных способа управления лучом:
• Электронное сканирование: один фокальный закон переключается в пределах группы элементов (см. рис. 1.4); сканирование выполняется с постоянным углом и вдоль длинной стороны решетки. Этот процесс эквивалентен механическому перемещению обычного одноэлементного преобразователя, выполняемого, например, с целью записи профиля донной поверхности.
• Динамическая фокусировка по глубине (вдоль акустической оси): сканирование выполняется посредством изменения фокусного расстояния. На практике для излучения используется один и тот же импульс, а в режиме приема решетка перефокусируется последовательно на различные значения глубины (рис. 1.5)
• Секторное сканирование (также называемое азимутальное, или угловое сканирование): излучение производится одной и той же группой элементов с сохранением одного и того же фокусного расстояния, таким образом, но последовательно под различными углами. Диапазон углов и шаг изменения угла могут быть различными.
Основные компоненты системы для работы с фазированными решетками
Основные блоки, требующиеся для построения простейшей системы для работы с фазированными решетками приведены на рис. 1.9.
На схеме обозначены:
компьютер с программой TomoView, специальный дефектоскоп TomoScan III PA, блок управления сканером MCDU-02 (верхний ряд), контролируемый образец, преобразователь-фазированная решетка, сканер (нижний ряд).
Еще лучшие изображения возможно получить, комбинируя линейное и секторное сканирование. Подобная комбинация методов дает хорошо распознаваемые образы дефектов. Рис. 1.11 показывает примеры обнаружения различных искусственных дефектов и отличия в их образах на В-скане.
Протяженный непровар корня и тела поп. шва. WT – 5.95 мм.
