§ 3.5. Принципиальная схема ОА рефлектометра.

В этом параграфе подробно описана принципиальная схема ОА метода структуроскопии и дефектоскопии конструкционных материалов; приведена конструкция и характеристики прибора - “рефлектометра”, предназначенного для этой цели и работающего по схеме с косвенной регистрацией акустических импульсов [76,77].

В задачах неразрушающего ультразвукового контроля регистрируются характеристики акустических сигналов, распространяющихся в исследуемом материале. Такими характеристиками служат фазовые скорости упругих волн (см. § 4.2, § 4.3), спектр пропускания ультразвука (см. § 3.4), затухание ультразвука и т.д. Причем могут регистрироваться как прошедшие через образец насквозь (схема с прямой регистрацией акустических сигналов), так и рассеянные назад неоднородностями структуры сигналы (схема с косвенной регистрацией акустических сигналов).

Схема с прямой регистрацией акустических сигналов использовалась в экспериментах, описанных в главе II и в § 3.4. Однако эта схема имеет ряд недостатков. Основным ее недостатком является требование изготовления образцов в виде плоскопараллельных пластин (для обеспечения пропускания высокочастотных гармоник сигналов). Поэтому данная методика неприменима для контроля готовых деталей и изделий в процессе эксплуатации.

Рис.3.5.1. Лазерный оптико-акустический преобразователь с косвенной регистрацией ультразвуковых импульсов.

Для ультразвукового контроля изделий, к которым имеется только односторонний доступ, предлагается использовать лазерный оптико-акустический преобразователь с косвенной регистрацией широкополосных акустических импульсов (рис.3.5.1). Лазерный импульс падает под углом на лицевую поверхность образца или изделия через прозрачную призму. Призма находится в акустическом контакте с образцом и является звукопроводом широкополосного пьезоприемника. Акустический контакт призмы с пьезоприемником обеспечивается конструкцией преобразователя. При поглощении лазерного импульса в образце происходит термооптическое возбуждение ультразвукового импульса продольных акустических волн, при этом он распространяется от поверхности как в глубь образца, так и в прозрачную призму. Сигнал от поверхности образца, прошедший призму и зарегистрированный пьезоприемником (косвенная схема регистрации), является эталонным в данном преобразователе (на рис.3.5.1 он изображен черным цветом). Ультразвуковой сигнал, распространяющийся от поверхности в глубь образца (изображен белым цветом), претерпевает рассеяние на неоднородностях структуры. Часть этого сигнала, рассеянная "назад", попадает в призму и тоже регистрируется пьезоприемником с некоторой временной задержкой относительно прихода эталонного сигнала. Время прихода рассеянных сигналов соответствует определенной глубине залегания структурных неоднородностей в образце или изделии. Пространственная протяженность зондирующего эталонного импульса (здесь  - длительность импульса), как правило, не превышает 0.5¸ 0.6 мм. Это позволяет обнаружить неоднородности структуры материала на глубинах от 0.5 мм (при этом фронты зондирующего импульса и импульса, отраженного от дефекта, не перекрываются). Если толщина L образца или изделия в зоне контроля известна, то по разности времен прихода на пьезоприемник эталонного сигнала t₁ и сигнала, отраженного от тыльной поверхности образца t₂, можно определить фазовую скорость продольных акустических волн в образце: . По фазовой скорости может быть определен продольный упругий модуль материала [69,80], значение которого сильно меняется при его усталостных повреждениях или возникновении дефектов в его структуре.

Таким образом, для ультразвукового неразрушающего контроля физико-механических свойств и качества структуры конструкционных материалов представляется целесообразным использовать оптико-акустический преобразователь с косвенной регистрацией ультразвуковых импульсов, описанный выше. Такой преобразователь позволяет осуществлять контроль деталей и изделий, к которым имеется только односторонний доступ. Более того, анализ временной формы и частотного спектра рассеянного назад акустического сигнала может позволить ввести количественную характеристику композитных материалов - сечение рассеяния ультразвуковых волн “назад”, определяемое неоднородностями структуры материала и, вообще говоря, их распределением по глубине образца или изделия.

На основе лазерного оптико-акустического преобразователя с косвенной регистрацией был создан прибор - “рефлектометр”, конструкция которого и основные характеристики описаны ниже.

Рис.3.5.2. Схема ОА рефлектометра.

Рефлектометр схематически изображен на рис.3.5.2 Лазерный импульс направляется в оптическое кварцевое волокно (1). Оно закрепляется в дюралюминиевом корпусе (2) с помощью стандартного разъема (3), обеспечивающего возможность смены волокна в случае его повреждения. Лазерный импульс, вышедший из волокна, проходит систему формирования пучка (4) и через просветленную фаску на боковой поверхности прозрачного цилиндра (5) падает на поверхность исследуемого образца (6), угол падения около 45° , радиус лазерного пучка на поверхности образца 0.3 см. Цилиндр с плоскопараллельными шлифованными основаниями изготовлен из плексигласа и является одновременно звукопроводом для термооптически возбуждаемых в образце ОА сигналов. Эти сигналы, прошедшие цилиндр-звукопровод, регистрируются широкополосным пьезоприемником (7) из ПВДФ-пленки, приклеенной на тыльное основание звукопровода и демпфированной слоем полимеризованной эпоксидной смолы [81]. Чувствительность пьезоприемника на основе ПВДФ-пленки толщиной h=30 мкм составляет 600 мВ/атм.

Акустический контакт исследуемого образца с лицевой поверхностью цилиндра-звукопровода обеспечивается через тонкий слой воды при ручном прижиме к поверхности образца. Для удобства прижима рефлектометра к поверхности образца или изделия, которые могут иметь ограниченные плоские участки, диаметр цилиндра-звукопровода D₀ не должен быть слишком большим. С другой стороны, величина D₀ должна быть существенно больше диаметра лазерного пучка на поверхности образца для исключения засветки корпуса рефлектометра отраженным от поверхности лазерным излучением. В противном случае такая засветка приведет к лазерному возбуждению паразитных ультразвуковых сигналов в стенках корпуса.

Таким образом, данный прибор позволяет проводить исследования структуры конструкционных материалов при одностороннем доступе к объекту контроля. Экспериментальным результатам будет посвящен следующий параграф и § 4.4.