§ 4.4. Дефектоскопия многонаправленных графито-эпоксидных композитов методом спектрального и корреляционного анализа рассеянных назад широкополосных акустических сигналов.

В настоящем параграфе продемонстрирована возможность применения оптико-акустической (ОА) методики в задачах неразрушающей ультразвуковой дефектоскопии композитных материалов [118,77]. Для этой цели необходимо использовать короткие по длительности зондирующие акустические сигналы, поскольку эффективное отражение от дефекта будет иметь место только тогда, когда пространственная протяженность импульса сравнима с его размером. Кроме того, длительность фронта зондирующего импульса определяет разрешающую способность метода дефектоскопии. Поэтому применение стандартных пьезоэлектрических преобразователей для возбуждения зондирующих импульсов в такой методике встречает значительные трудности. При термооптическом возбуждении звука пространственная протяженность акустических импульсов (здесь V_L - скорость звука в композите, - длительность импульса), как правило, не превышает 0.5¸ 0.6 мм. Это позволяет обнаружить дефекты типа несплошностей, расслоений или инородных включений в композитах на глубинах от 0.3 мм (при этом фронты зондирующего импульса и импульса, отраженного от дефекта, не перекрываются). Необходимо, однако, отметить, что даже на частотах в единицы мегагерц коэффициент затухания ультразвука в графито-эпоксидных композитах составляет более 1 см^-1. Поэтому для проведения исследований в образцах толщиной 20¸ 25 мм нецелесообразно использовать акустические импульсы с частотами >= 5 МГц.

В представленном в данном параграфе методе неразрушающей дигностики композитных материалов будет использован лазерный оптико-акустический рефлектометр с косвенной регистрацией ультразвуковых импульсов (см § 3.5). Такой преобразователь дает возможность осуществлять контроль деталей и изделий, к которым имеется только односторонний доступ.

Исследовались образцы графито-эпоксидных композитов толщиной 22 мм, в которых имелись как дефекты уплотнения, так и воздушные раковины.

Оптико-акустический сигналы, возбуждаемые в исследуемых образцах с использованием рефлектометра и зарегистрированные с помощью цифрового осциллографа типа Tektronix TDS-220, имеют характерный вид, представленный на рис.4.4.1.

 

а)

б)

Рис.4.4.1. Временные профили ОА сигналов, полученные с использованием ОА рефлектометра для образцов графито-эпоксидных композитов, содержащих дефект уплотнения (а) и воздушную полость (б).

Они состоят из нескольких условных частей: А - первый импульс большой амплитуды - зондирующий импульс, возбуждаемый при поглощении лазерного импульса в приповерхностном слое композита толщиной порядка (m _a - коэффициент поглощения света). Его временная форма определяется длительностью лазерного импульса, коэффициентом поглощения света в образце, а также диссипацией и дифракцией акустических волн в звукопроводе. Малая пространственная протяженность эталонного импульса D l_ref = 0.5¸ 0.6 мм позволяет обнаруживать дефекты в образцах или изделиях из г/э композитов на глубине от 0.5 мм. Таким же (0.5 мм) будет разрешение по глубине, при этом латеральное разрешение определяется радиусом пучка на поверхности образца и составляет около 3 мм. B- импульс, прошедший в образец и отраженный от его тыльной поверхности (так называемый “донный импульс”) (см. рис.4.4.1). Его амплитуда значительно меньше амплитуды эталонного импульса, что говорит о существенном затухании ультразвука в композите. По разности времен прихода на пьезоприемник сигналов А и B (t₁ и t₂ соответственно) определяется фазовая скорость продольных акустических волн в образцах композитов: (- время двойного пробега эталонного импульса по образцу известной толщины L). Измерения показали, что для образцов, содержащих дефект уплотнения и воздушную полость: V_L1=(2.91 ±  0.02)10³ м/с, V_L2=(3.01 ±  0.03)10³ м/с соответственно. Значения фазовых скоростей необходимы для определения глубины залегания дефектов и расчета продольного упругого модуля образца [80], величина которого существенно зависит от состава и качества структуры исследуемого образца. Часть зондирующего импульса, рассеянная назад на структурных неоднородностях и дефектах композита (или “структурный шум”) занимает на временной шкале пространство между импульсами А и B и образует длинный неупорядоченный трек (фрагмент его обозначен на рис.4.4.1 буквой C). С увеличением пористости образца амплитуда шумовой компоненты возрастает [76]. Буквой D на рис.4.4.1 обозначена часть зондирующего акустического импульса, отраженная от дефекта структуры композита и зарегистрированная приемником с временной задержкой, соответствующей пробегу ультразвука до дефекта в прямом и обратном направлениях. Для образца с воздушной полостью этот импульс отчетливо виден на рис.4.4.1б. Напротив, для образца, содержащего дефект уплотнения, он практически не заметен (рис.4.4.1а), что говорит о небольшом различии акустических импедансов композита и дефекта.

Для выявления таких дефектов и для точного определения глубины их залегания в работе предлагается методика обработки экспериментальных данных, основанная на спектральном и корреляционном анализе ОА сигналов.

Спектральный анализ эталонного импульса и структурного шума проводится с использованием преобразования Фурье от совокупности сигналов (А+С). Характерная форма полученного амплитудного спектра от сигнала с дефектом уплотнения изображена на рис.4.4.2.

Рис.4.4.2. Частотный спектр ОА сигнала для образца графито-эпоксидного композита с дефектом уплотнения: совокупность зондирующего импульса и структурного шума.

Этот спектр имеет гладкую и осциллирующую (“шумовую”) O(f) составляющие. Гладкая часть является спектром зондирующего импульса А и описывается выражением:

(4.4.1)

где множитель соответствует гауссовому временному профилю поглощенного лазерного импульса, параметр U₀ описывает амплитуду возбуждаемого эталонного импульса. Первый множитель в (4.4.1) есть передаточная функция термооптического преобразования [3] (), второй множитель описывает дифракцию ультразвукового импульса в звукопроводе ОА рефлектометра, а экспонента с показателем соответствует затуханию акустических волн в звукопроводе. Для различных г/э композитов величины U₀ и будут различны, поскольку теплофизические параметры и коэффициент поглощения света могут меняться в зависимости от процентного содержания графита и наполнителя. Поэтому спектр зондирующего импульса рассчитывается путем аппроксимации спектра экспериментально полученного ОА сигнала выражением (4.4.1) с тремя подгоночными параметрами () и экспериментально измеренному параметру . Информация о неоднородностях структуры исследуемого образца или изделия содержится в осциллирующей части спектра S(f), определяемой спектром O(f) рассеянных назад акустических волн. Величина

(4.4.2)

является полной нормированной мощностью шумовой компоненты спектра ОА сигнала ( и - граничные частоты рабочего диапазона рефлектометра).

Следует отметить, что величина W может служить характеристикой пористости структуры г/э композита, т.к. благодаря малым по сравнению с длиной УЗ волны размерам поры рассеивают звук эффективно во всех направлениях.

Для получения информации о наличии дефектов в структуре исследуемого образца или изделия осуществлялся корреляционный анализ [119] экспериментально полученных ОА сигналов. Для этого необходимо знать теоретический временной профиль зондирующего импульса для исследуемого образца композита. Используя обратное преобразование Фурье от спектра (4.4.1), можно получить теоретическую временную форму эталонного импульса:

(4.4.2)

где все параметры уже известны. Интеграл (4.4.2) берется только численно, результат расчета для сигнала, возбуждаемого в образце с дефектом уплотнения, представлен на рис.4.4.3.

Рис.4.4.3. Теоретический зондирующий импульс (жирная линия) и экспериментальный ОА сигнал (тонкая линия) в образце графито-эпоксидного композита с дефектом уплотнения.

Зная теоретическую временную форму зондирующего импульса в исследуемом образце, можно построить нормированную на затухание ультразвука в композите автокорреляционную функцию (АКФ) [119] полного трека ОА сигнала. Эта функция есть временная свертка экспериментального ОА сигнала с теоретической формой эталонного импульса, в ней содержится информация о наличии дефектов в структуре композита. На рис.4.4.4 эта функция построена в пространственном масштабе , временной масштаб тот же, что и на рис.4.4.1.

 

а)

б)

Рис.4.4.4. Автокорреляционная функция (АКФ) ОА сигналов для образцов графито-эпоксидных композитов, содержащих дефект уплотнения (а) и воздушную полость (б).

Первый “всплеск” в АКФ имеет характерную трехполярную форму и соответствует зондирующему импульсу. Поэтому максимум первого “всплеска” на пространственной шкале соответствует лицевой поверхности образца z=0. Последний “всплеск” соответствует донному акустическому импульсу, т.е. сигналу, отраженному от тыльной поверхности образца. Поскольку донный импульс появляется при отражении эталонного импульса от границы раздела композит-воздух, его фаза будет инвертированной по отношению к фазе зондирующего импульса (отражение происходит от среды с меньшим акустическим импедансом). Поэтому положение минимума последнего “всплеска” АКФ на пространственной шкале будет соответствовать тыльной поверхности образца.

“Всплески” в АКФ, расположенные на пространственной шкале между первым и последним и имеющие аналогично первому “всплеску” трехполярную форму, будут определяться наличием дефектов в образце. Это обусловлено тем, что ультразвуковой импульс, отраженный от дефекта, будет иметь схожую с зондирующим импульсом форму. Трехполярные “всплески” с положительным центральным пиком будут характеризовать дефекты уплотнения, а с отрицательным пиком - дефекты разрежения плотности типа расслоений или воздушных раковин. На рис.4.4.4а отчетливо виден всплеск, соответствующий глубине залегания дефекта уплотнения, отраженный от которого импульс был практически неразличим во временном треке ОА сигнала (рис.4.4.1а). На рис.4.4.4б всплеск с отрицательным центральным пиком соответствует воздушной раковине.

Таким образом, в данном параграфе продемонстрирована возможность применения ОА метода для неразрушающей ультразвуковой диагностики и дефектоскопии композитных материалов. Использованный в работе лазерный ОА преобразователь с косвенной регистрацией ультразвуковых импульсов и спектральный и корреляционный анализ рассеянных назад оптико-акустических сигналов позволили установить характер дефектов структуры графито-эпоксидных композитов и их распределение по глубине образцов. Предложенная методика представляется перспективной для ультразвукового неразрушающего контроля и диагностики деталей и изделий из композитов как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации.