В статье рассмотрены состоя­ние и перспективы акустического ме­тода контроля, основанного на изме­рении частот собственных колебаний (ЧСК) контролируемых объектов. При­ведены физические основы метода и описаны приборы, реализующие метод измерения ЧСК с использованием сво­бодных и вынужденных колебаний. Рассмотрены основные области при­менения метода и перспективы его использования в промышленности.

 

Об авторе

 

 

Московенко Игорь Борисович

Заведующий отделом неразрушающего контроля ОАО "Абразивы и шлифование" (ОАО "ВНИИАШ), Санкт- Петербург. Кандидат технических наук. Окончил в 1962 г. ЛЭТИ им. В. И. Ульянова /Ленина/ по специаль­ности электроакустика и ультразву­ковая техника. Научные интересы - методы неразрушающего контроля, основанные на измерении частот собственных колебаний изделий и образцов из различных материалов.

 

 

Методы неразрушающего контроля, основанные на изме­рении частоты собственных колебаний (ЧСК), хотя и не нашли до настоящего времени такого широкого распространения, как ме­тоды ультразвуковой дефектоскопии, но область их применения в последние годы существенно расширилась. В соответствии с общепринятой классификацией акустических методов контроля они разделяются на методы свободных и вынужденных колеба­ний, которые, в свою очередь, подразделяются на локальные и интегральные методы контроля.

Структурные схемы устройств 

 

 

Рис. 1. По методу свободных  колебаний

 

Рис. 2. По методу вынужденных колебаний 

 

Среди методов неразрушающего контроля метод свобод­ных колебаний является одним из самых древних: по дребезжа­щему звуку при простукивании гончарных керамических изделий удавалось обнаруживать изделия с трещинами и другими видами дефектов. Этот простейший метод дожил до наших дней, и им широко пользуются продавцы посуды во всем мире.

С развитием техники сфера применения этого метода расширялась, и наиболее широкое распространение он нашел на железнодорожном транспорте. Практически на любой станции, где поезд стоит дольше 10 минут, выглянув в окно вагона, можно увидеть человека с молотком, который субъективно, по только ему понятным признакам, пытается обнаружить дефекты, способные привести к аварийной ситуации. Методы, основанные на измерении ЧСК, нашли также достаточно широкое распространение для определения физико-механических свойств различного рода материалов и изделий. Еще 200 лет тому назад Юнг ис­пользовал метод вынужденных колебаний для определения динамического модуля нормальной упругости (модуля Юнга) - одной из основных характеристик, определяющих упругие свойства материала.

В основу акустического метода неразрушающего контроля, основанного на измерении ЧСК, положено наличие корреля­ционных зависимостей между упругими константами материала изделия и такими физико-механическими свойствами, как твердость, пористость, плотность, прочность и т. п., а также эксплуатационными характеристиками изделий и технологией их изготовления.

В процессе контроля измеряется ЧСК из­делия, соответствующая определенному виду колебаний, затем рассчитывается приведенная скорость распространения акустических волн (стержневая скорость звука, С_і) по известной формуле f_і = F_і-C_і (где f_і - ЧСК определенного ви­да і; F_і - коэффициент формы, зависящий от фор­мы и размеров изделия, вида возбуждаемых колебаний и коэффициента Пуассона, C_і = √E/ρ, Е - модуль нормальной упругости, ρ - плот­ность) и по предварительно заданным корреля­ционным зависимостями определяются необхо­димые физико-механические свойства. Пара­метр C, является весьма информативным, и в ряде случаев достаточно полно характеризует физико-механические свойства изделий, опре­деляющие их поведение при эксплуатаци.

До последнего времени серьезным препятствием на пути практического применения метода и снижения субъек­тивного фактора при контроле являлась сильная зависи­мость ЧСК от формы и размеров контролируемого изделия. В настоящее время для целого ряда изделий, имеющих сравнительно простую форму (диски, стержни различного сечения, квадратные и прямоугольные пластины, диски и цилиндры с центральным осевым отверстием и т. п.), ана­лиз спектра ЧСК и определение p может производиться с первом случае при ударе по поверхности конт­ролируемого изделия возникают механические колебания, которые преобразуются в электриче­ский сигнал микрофоном, усиливаются, прохо­дят через фильтр, который выделяет из спектра ЧСК частоту, соответствующую выбранному для регистрации типу колебаний, значение которой, в свою очередь, измеряется частотомерным уст­ройством. При использовании метода вынуж­денных колебаний электрические колебания, создаваемые плавно перестраиваемым генера­тором, преобразуются с помощью пьезоэлектри­ческого преобразователя в механические и передаются контролируемому изделию. Колеба­ния изделия принимаются аналогичным преоб­разователем, преобразуются в электрические, усиливаются и подаются на индикатор резонанса, который фиксирует момент совпадения частоты генератора с измеряемой частотомерным уст­ройством ЧСК контролируемого изделия.

По измеренным таким образом ЧСК изде­лия по заранее определенным корреляционным зависимостям определяют подлежащие конт­ролю физико-механические свойства или судят применением вычислительной техники и использованием как теоретически рассчитанных, так и экспериментально полученных аналитических зависимостей. Для изделий более сложных форм разработаны методики расшифровки спектра ЧСК, предусматривающие построение специальных дисперсионных зависимостей или проведение анализа спектра на реальных изделиях или моделях, изготовленных из материала с известным значением С, - скорости распро­странения акустических волн.

Сущность метода видна из структурных схем устройств, реализующих метод свободных (рис.1) и вынужденных (рис.2) колебаний. В по изменению спектра ЧСК о наличии в изделии дефектов.

Для реализации метода наиболее широкое распро­странение в отечественной промышленности нашли специ­альные измерители частот собственных колебаний типа "Звук" двух модификаций: "3вук-203" (рис. 3) и "Звук-107" (рис. 4), в основу которых положены соответственно метод свободных колебаний и резонансный метод измерений. При­боры имеют полное метрологическое обеспечение, они прошли Госиспытания и были включены в Госреестр под № 6542-78. Из известных зарубежных аналогов наиболее широкое применение в мировой практике нашли приборы типа "Grindo Sonic" бельгийской фирмы

"J.W. Lemmens N.V." , действие которых основано на использовании метода свободных колебаний, но с применением несколько отлича­ющейся методики измерения и расшифровки спектра ЧСК. При этом приборы "Grindo Sonic", также как "3вук-203", не могут использоваться для контроля малогабаритных изде­лий. Единственным средством контроля подобных изделий (малогабаритные абразивные круги, бруски и головки, режущие пластинки из керамики и твердого сплава и т.п.), является "Звук-107", реализующий метод вынужденных колебаний с применением оригинальной методики расши­фровки спектра ЧСК.

 

       Рис. 4   

В настоящее время закончена разработка приборов "Звук" нового поколения, работающих в комплекте с современными компьютерными средствами (рис. 5). Прибор "Звук-ИОМ" (рис. 6) состоит из измерительной стойки и электронной платы, устанавливаемой в /ВМ-компьютер. Изме­рение производится автоматически сразу после закрепления контролируемого изделия в измери­тельной стойке и запуска специальной програм­мы, по которой осуществляется анализ спектра ЧСК и необходимые расчеты. Результаты изме­рений и их обработки выводятся на экран мони­тора (рис. 7-10), хранятся на диске и могут быть распечатаны в удобном виде.

Рис. 7

Рис. 8

Рис.9     

Рис. 10

"3вук-203м" - это портативный прибор, который опе­ратор при работе легко удерживает в руке (рис. 11). Он имеет встроенный электретный микрофон для приема акустичес­ких колебаний, жидкокристаллический дисплей для индика­ции результатов измерения и пленочную клавиатуру для управления работой прибора. Практически мгновенно после нанесения удара по контролируемому изделию на дисплее высвечивается результат в одной из заданных оператором форм: ЧСК в Гц, приведенная скорость распространения акустических волн в м/с, звуковой индекс - градация этой скорости по определенной шкале или степень твердости в буквенном виде (для абразивных изделий, в том числе по международной шкале Нортона). Возможна индикация и других физико-механических свойств, например, модуля Юнга, прочности, плотности, пористости и др. при введении в прибор соответствующих корреляционных или аналити­ческих зависимостей. Предусмотрена возможность переда­чи данных на внешнее устройство по интерфейсу К5-232.

Метод контроля, основанный на измере­нии ЧСК, и приборы типа "Звук" уже нашли

достаточно широкое при­менение для контроля изделий из различных материалов.

 

Рис. 11 

Контроль абразивных изделий

Основное назна­чение приборов "Звук" - контроль твердости аб­разивных изделий в ши­роком диапазоне разме­ров - от 3 до 1200 мм как на заводах-изгото­вителях абразивного инструмента, так и на заводах- потребителях в самых разнооб­разных отраслях: автомобиле­строении, моторостроении, подшипниковой промышлен­ности и др. Разработан стан­дарт ГОСТ 25961-83 "Инстру­мент абразивный. Акустичес­кий метод контроля физико- механических свойств". Анало­гичный стандарт TGL S5047 "Шлифовальные круги. Опре­деление твердости. Акустичес­кий метод" был разработан в ГДР. Подобные стандарты есть в Венгрии и Чехословакии.

В качестве выходных парамет­ров этими стандартами предусмотрены скорость распространения акустичес­ких волн и звуковой индекс (ЗИ), отра­жающие твердость абразивного инст­румента. Акустический метод введен наряду с традиционными механичес­кими методами контроля твердости в ГОСТ 2424-83 "Круги шлифовальные. Технические условия", причем при при­менении акустического метода конт­роля вместо буквенного обозначения степени твердости круги могут маркироваться звуковым индексом. Этот метод введен также в ГОСТ 2464-82 "Сегменты шлифовальные. Технические условия" и ГОСТ 2456-82 "Бруски шлифоваль­ные. Технические условия", а также в качестве основного метода контроля физико-механических свойств отрезных кругов в ГОСТ 21963-82 "Круги отрезные. Технические условия". С 01.01.86. в соответствии с этим стандартом на отрезных кругах диаметром менее 600 мм маркируется вместо обозначения твердости значение ЗИ. Кроме того, в соответствии с рядом ТУ и другой НТД производится выпуск инструмента с применением в качестве выходного контроля акустического метода и маркировкой на изделии ЗИ.

Контроль огнеупорных изделий

Для этих изделий имеется корреляционная связь между ЧСК и их основными характеристи­ками, порядок определения которых регламен­тирован ГОСТ 25714-83 "Контроль неразрушающий. Акустический звуковой метод определения открытой пористости, кажущейся плотности, плотности и предела прочности на сжатие огне­упорных изделий".

При контроле ряда изделий, например, графитовых тиглей, обнаружено изменение значений ЧСК при много­кратных циклических термонагружениях, что показывает воз­можность использования результатов контроля для оценки ресурса изделия с целью своевременного вывода его из эксплуатации и предотвращения аварийных последствий.

Контроль углеродных изделий

Здесь акустический метод находит приме­нение при выходном контроле свойств изделий, используемых при производстве алюминия и других металлов: подовых блоков ванн электро­лизеров, углеграфитовых электродов и т. п. Для этих изделий скорость С, связана с пористостью, прочностью и эксплуатационными характерис­тиками.

На Новосибирском электродном заводе метод конт­роля и применение приборов типа "Звук" были включены в действующую НТД, в соответствии с которой в качестве вы­ходного параметра, характеризующего физико-механичес­кие свойства изделия, установлен звуковой индекс ЗИ.

Контроль заготовок из чугуна

Для деталей из чугуна имеются корреля­ционные зависимости между скоростью звука С, и такими важными параметрами, как твердость по Бринеллю, прочностные характеристики, со­держание шаровидного графита.

Интересны результаты контроля весьма ответствен­ных деталей подвески типа "шапка изолятора" электропере­дач высоковольтных линий. Акустический метод, основанный на применении свободных колебаний, позволил обнаружить до 70 % годных изделий среди забракованных по субъек­тивному методу "простукивания", в то время как среди приз­нанных годными обнаружено до 10 % изделий с дефектами.

Приборы типа "3вук-203" используются на ряде за­водов моторостроения и автомобилестроения для контроля заготовок деталей силовых агрегатов: дисков сцепления, маховиков и т.п.

Контроль изделий из высокопрочной керамики и синтетических высокотвердых материалов

Для таких изделий установлены корреляционные зависимости между скоростью С,, коэффициентом Пуассона и твердостью, плотностью, а также эксплуатационными по­казателями: износостойкостью - для режущих пластин, эф­фективностью поглощения упругой энергии удара - для броневых пластин. Скорость С, зависит от технологи­ческих параметров: количества добавок, давления прес­сования, температурных режимов и т. п., что делает возможным применение приборов типа "Звук" для экспресс- контроля такого типа изделий. Учитывая эти данные, был разработан метод контроля заготовок режущих пластин из композиционных материалов на основе эльбора (кубичес­кого нитрида бора) с использованием прибора "Звук-107" и метод контроля броневых пластин.

Определение упругих констант материалов

Приборы типа "Звук" имеют полное метро­логическое обеспечение и могут применяться для определения модуля Юнга, коэффициента Пуассона и других параметров, характеризующих упругие свойства различных материалов. Для образцов в виде брусков определенных типо­размеров измерения могут проводиться в соот­ветствии с международными стандартами, на­пример, стандартом США АБТМ С159-94.

Разработаны методики и программное обеспечение для определения модуля Юнга и коэффициента Пуассона образцов в виде дисков и квадратных пластин (рис. 9, 10).

Перспективы применения метода

Последние исследования показали прин­ципиальную возможность использования метода свободных колебаний для поиска развитых уста­лостных трещин в ободьях цельнокатанных же­лезнодорожных колес . При проведении до­полнительных НИР области применения метода могут быть существенно расширены в направ­лении неразрушающего контроля узлов и дета­лей железнодорожного транспорта, в том числе степени натяга сопряженных деталей, а также элементов пути (шпалы, рельсы, столбы и т. д.). Весьма перспективным представляется исполь­зование этого метода для контроля качества различного рода строительных изделий.