Рассматриваются пьезоэлектрические преобразователи информационно-измерительных систем (ИИС), построенных на основе метода акустической эмиссии (АЭ). Проанализированы методы оценки параметров преобразователей и сделаны выводы об их эффективности. Показана необходимость оценки параметров используемых преобразователей на реальных объектах.

А.В. Васильчук, А.Н. Мисейко

            В последнее время все большее применение для контроля опасных производственных объектов находят ИИС, построенные на основе метода АЭ. Суть этого метода заключается в том, что дефекты, развиваясь в конструкциях под действием эксплуатационных нагрузок, генерируют упругие колебания материала [1]. Эти колебания, распространяясь в виде сигналов АЭ, могут быть зарегистрированы высокочувствительными преобразователями, расположенными на поверхности объекта. Зарегистрированные и преобразованные сигналы поступают на вход ИИС, где усиливаются, обрабатываются, накапливаются и отображаются. Преобразователь АЭ (ПАЭ) является важнейшим элементом ИИС. Его назначение заключается в приеме акустического сигнала, генерируемого источником АЭ в материале объекта и преобразовании в электрический сигнал, поступающий на вход ИИС. Параметры электрического сигнала используются для оценки степени опасности выявленного дефекта и анализа происходящих в материале структурных изменений.

            К ПАЭ предъявляется ряд технических и эксплуатационных требований [2].

            К техническим требованиям относятся:

• максимально возможная чувствительность в рабочей полосе частот;
• минимально возможный уровень собственных шумов в рабочей полосе частот;
• необходимое быстродействие преобразования входного сигнала;
• стабильность и воспроизводимость результатов измерений;
• равномерность частотных характеристик. Эксплуатационными требованиями являются:
• работоспособность без ухудшения метрологических характеристик в определенном диапазоне температур, давлений, влажности;
• защита от механических повреждений, вибрации, электромагнитных помех;
• стойкость к воздействию разного рода агрессивных сред;
• пожарои взрывозащищенность;
• надежность (безотказность, долговечность, сохраняемость) в течение расчетного срока службы;
• обеспечение передачи измеренных значений сигналов АЭ на определенное расстояние (расстояние уверенного приема при телеметрии).

            Среди существующих типов ПАЭ, большинству требований удовлетворяют пьезоэлектрические преобразователи, которые и нашли наибольшее распространение при проведении контроля. Самым главным достоинством пьезоэлектрических ПАЭ является их высокая чувствительность, порог которой по теоретическим оценкам составляет 10-17 м [1]. Реальный порог чувствительности зависит от конструкции ПАЭ и определяется собственными его тепловыми шумами.

            Существующие ПАЭ могут быть классифицированы по ряду признаков: чувствительности, частотному диапазону и ширине полосы пропускания [2].

            Чувствительность (коэффициент электроакустического преобразования) определяется величиной изменения сигнала АЭ на выходе ПАЭ при единичном нормальном смещении поверхности контролируемого объекта. По чувствительности ПАЭ разделяются на следующие классы: 1 класс – с чувствительностью менее 50·10^6 В/м, 2 класс – с чувствительностью в диапазоне от 50·10^6 до 100·10^6 В/м, 3 класс – с чувствительностью в диапазоне 100·10^6 до 200·10^6 В/м, 4 класс – с чувствительностью более 200·10^6 В/м.

            По частотному диапазону ПАЭ разделяются на низкочастотные (рабочая частота до 50 кГц), стандартные промышленные (диапазон частот 50-200 кГц), специальные промышленные (диапазон частот 200-500 кГц), высокочастотные (рабочая частота свыше 500 кГц).

            В зависимости от полосы пропускания частот ПАЭ делятся на резонансные, полосовые, широкополосные.

            Тип используемого ПАЭ определяет его метрологические характеристики, которые, в свою очередь, оказывают влияние на результаты и погрешности измерения параметров АЭ сигналов. Со временем и в зависимости от условий эксплуатации метрологические характеристики ПАЭ могут измениться и привести к потере необходимой точности измерений, а иногда и к регистрации недостоверных данных. На сегодняшний день существует ряд методов калибровки пьезоэлектрических ПАЭ с применением различных схем измерения их основных параметров, использованием различных генераторов сигналов АЭ, калибровочных блоков и образцовых средств измерений.

            Известно, что существуют два подхода к исследованию свойств измерительных средств – спектральный (частотный), при котором процесс описывается заданием комплексного спектра, являющегося функцией частоты, и временной, при котором процесс описывается функцией времени. Поэтому оценку параметров ПАЭ можно проводить как с использованием амплитудно-частотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик, так и с использованием импульсной характеристики (ИХ). Однако есть некоторые моменты, которые необходимо учитывать при выборе того или иного способа оценки параметров ПАЭ.

            Необходимо отметить, что АЧХ и ФЧХ определяют в большинстве случаев расчетным путем с использованием Фурье-преобразования. При этом, как правило, полагают ПАЭ минимально-фазовой системой, что в целом не соответствует действительности, и ограничиваются определением АЧХ [1]. Погрешность, возникающая при этом, не учитывается при анализе частотных характеристик.

            Существующие методы оценки, основанные на анализе частотных характеристик, допускают проводить возбуждение ПАЭ непрерывным сигналом, перестраиваемым по частоте [3,5]. Но подобный подход следует применять только в том случае, если нет необходимости восстановления истинного сигнала АЭ по его спектру. Невозможность экспериментального определения ФЧХ в частотном методе измерения характеристик является существенным ограничением использования этого метода для определения параметров ПАЭ. Кроме того, при экспериментальном определении АЧХ с помощью непрерывного (например, гармонического) перестраиваемого по частоте сигнала трудно добиться исключения влияния резонансов калибровочного блока, на который устанавливается калибруемый ПАЭ. Это приводит к появлению дополнительной погрешности в процессе измерения. Несмотря на указанные недостатки, частотный подход к определению параметров ПАЭ достаточно распространен, поскольку существует мнение, что получение АЧХ дает возможность решить обратную задачу – найти частотные параметры источника АЭ – и приводит к удобному представлению о спектре сигналов АЭ [6, 7].

            Однако эксперименты показывают, что нахождение спектра источника АЭ по частотным характеристикам сигнала, зарегистрированного на выходе ПАЭ, является, в принципе, некорректной задачей [1]. Сигнал АЭ, проходя от источника до ПАЭ, полностью теряет свою первоначальную форму, а соответственно и необратимо меняется его частотное содержание. Это происходит в результате явлений многократного отражения, рассеивания, затухания и дисперсии акустических волн, возникновения резонанса. Поэтому спектр сигналов, регистрируемых ПАЭ, отражает в большей степени информацию обо всем акустическом тракте, нежели об источнике АЭ.

            Ряда недостатков, присущих частотному подходу в определении параметров ПАЭ, можно избежать, рассматривая его ИХ. Использование ИХ предоставляет возможность выделить первоначальный («истинный») сигнал АЭ из сигналов, возникших в результате многократных отражений на границах калибровочного блока или реального объекта. Обязательному определению при анализе ИХ подлежат: ее максимальное значение (амплитуда), длительность ИХ (либо число выбросов над заранее установленным уровнем), период основных колебаний и энергия ИХ. Измерение этих параметров в ходе калибровки может производиться с использованием общепринятых методов непосредственной оценки или сравнения.

            В первом случае значения параметров определяются в результате непосредственного измерения величин на входе и выходе калибруемого ПАЭ. Так, важнейший параметр ПАЭ – коэффициент электроакустического преобразования К – находится по измеренным максимальным значениям ИХ u_mэ и нормального смещения u_mа частиц поверхности калибровочного блока (или объекта контроля) в соответствии с выражением [1]:

            Во втором случае значения параметров калибруемого ПАЭ определяются путем сравнения с известными параметрами образцового (эталонного) ПАЭ. Здесь коэффициент преобразования калибруемого ПАЭ находится по формуле [2]:

            Где К⁰ и  u_mэ⁰ соответственно коэффициент преобразования и максимальное значение ИХ образцового ПАЭ.

            Поскольку реальные сигналы АЭ являются широкополосными, калибровка ПАЭ должна проводиться в широкой полосе частот. Часто эту задачу упрощают, определяя АЧХ и ограничиваясь измерением относительных изменений коэффициента преобразования при изменении частоты возбуждения. Такая калибровка получила название относительной. Абсолютная калибровка проводится с целью определения абсолютных значений чувствительности ПАЭ в широкой полосе частот. В некоторых случаях можно во всем интервале исследуемых частот провести относительную калибровку, осуществив абсолютную калибровку на одной частоте и рассчитав чувствительность на других частотах по результатам относительной калибровки [6]. При этом, однако, возможно изменение характеристик взаимодействия ПАЭ с объектом, на котором установлен ПАЭ, при изменении частоты возбуждения. Изменение объекта, места или способа крепления ПАЭ на нем могут существенно изменить характер реакции ПАЭ и привести к ошибкам. Поэтому наиболее корректны измерения в широкой полосе частот, проводимые с ПАЭ, непосредственно установленным на объекте контроля или адекватной ему модели.

            На сегодняшний день считается доказанной целесообразность калибровки ПАЭ в свободном акустическом поле. Это предполагает, что электрический сигнал на выходе калибруемого ПАЭ должен быть связан с акустическими величинами, существовавшими в калибровочном блоке до установки на него ПАЭ, т.е. калибровка должна быть привязана к акустическому полю ненагруженного твердого тела. Частотный диапазон абсолютной калибровки ПАЭ в свободном поле можно условно разбить на четыре поддиапазона: 10,0-1,0; 1,0-0,2; 0,2-0,02 и 0,02-0,001 МГц [8].

            Высокочастотный ультразвуковой поддиапазон (10,0-1,0 МГц) в настоящее время почти не используется для калибровки ПАЭ, поскольку АЭ-измерения производственных объектов в этой полосе частот почти не проводятся.

            Поддиапазон 1,0-0,2 МГц широко используется для калибровки, так как практический контроль методом АЭ чаще всего осуществляется в указанной полосе частот [1-9]. Калибровка проводится, как правило, с использованием ранее упомянутых методов непосредственной оценки или сравнения, а также путем взаимных измерений (методом взаимностей).

            Для непосредственной оценки параметров ПАЭ (в частности, нахождения коэффициента преобразования) применяются аналитико-экспериментальный и экспериментальный способы измерений. В основе аналитико-экспериментального способа лежит расчет амплитуды динамического смещения U_ma точек поверхности калибровочного блока (полупространства), на который устанавливается калибруемый ПАЭ. Расчет выполняют с использованием моделей теории упругости и акустики. На поверхность калибровочного блока воздействуют статической точечной силой F , величина которой динамически изменяется от максимума Fm до нуля. При этом амплитуда динамического смещения определяется выражением [9]:

где G=(1 n^2)/pEr ¢ — функция осреднения контактной поверхности блока или объекта, E — модуль Юнга (упругости), n- коэффициент Пуассона, r — расстояние от точки приложения силы F до точки измерения смещения.

            Экспериментальный способ определения параметров ПАЭ основан на прямых измерения входных акустических и выходных электрических сигналов. При этом, как правило, используются образцовые средства измерений, имеющие широкую полосу пропускания и высокую точность (например, установки на базе лазерных интерферометров).

            Методы сравнения предполагают наличие информации либо о значениях параметров образцовых ПАЭ, либо о свойствах свободного акустического поля. В первом случае параметры калибруемых ПАЭ находятся по уже известным значениям параметров образцовых ПАЭ, в соответствии с выражением (1.2). Во втором случае измеряются параметры свободного акустического поля (параметры калибровочного блока или меры) с помощью образцовых средств и найденные значения смещения U_ma используются в дальнейшем для оценки параметров калибруемого ПАЭ. Т.е. в этом случае сравнение параметров образцового и калибруемого ПАЭ происходит опосредовано по известным свойствам свободного акустического поля. Данный метод реализован ГП ВНИИФТИ «Дальстандарт» с помощью специально разработанных мер ультразвукового смещения. Указанные меры представляют собой устройства, в которых источник возбуждения (пьезоэлемент) встроен в калибровочные блоки разных видов, что позволяет генерировать различные акустические поля с заданными свойствами: продольные и поверхностные волны, а также непрерывный шумовой сигнал (диффузный шум) [1, 9].

            Главным преимуществом методов сравнения является их более высокая точность и наличие необходимой для калибровки методической базы.

            Проведение калибровки ПАЭ в поддиапазоне 0,2-0,02 МГц сопряжено с трудностями реализации калибровочных блоков, имитирующих безграничное полупространство. Так, поскольку длина продольной волны в углеродистой стали на частоте 20 кГц составляет около 30 см, то изготовление калибровочного блока с размерами, в которые укладывались бы несколько длин волн, становится весьма проблематичным. Вместе с тем, необходимость калибровки ПАЭ в указанном поддиапазоне остро существует, поскольку контроль производственных объектов методом АЭ в данной полосе частот проводится также широко, как и в предыдущем поддиапазоне (1,0-0,2 МГц). Выход из этого положения может быть найден в замене полупространства круглым стержнем полубесконечной длины. В этом случае измерения проводятся путем поочередной установки на рабочий торец стержня калибруемого и образцового ПАЭ. Если поместить источник возбуждения акустического сигнала в середину стержня, то измерение параметров калибруемого и образцового ПАЭ, установленных на обоих торцах можно проводить одновременно (методом сравнения) [1].

            Калибровка ПАЭ в поддиапазоне 0,02-0,001 МГц в условиях свободного акустического поля пока не проводится. Это можно объяснить лишь сравнительно недавно возникшими задачами контроля крупногабаритных объектов (МТ и шахтных выработок), а также отсутствием экономического обоснования для создания калибровочных блоков (или даже специальных полигонов) для калибровки ПАЭ в указанном поддиапазоне частот.

            Говоря о методах калибровки, необходимо упомянуть о существующих способах формирования акустического воздействия на входе калибруемого ПАЭ. Как упоминалось выше, калибровка ПАЭ чаще всего проводится с использованием продольных и поверхностных волн, а также диффузного шума. При этом калибровка на поверхностную волну предпочтительней, так как в большей степени отвечает реальным условиям проведения АЭ контроля и рекомендована российскими и зарубежными стандартами [2, 4].

            Идея калибровки ПАЭ с использованием диффузного шума была подсказана случайным характером АЭ при наступлении текучести материала, фазовых превращениях и других подобных явлениях, когда поток АЭ сигналов представляет собой множество дискретных случайных событий. Среди технических вариантов реализации диффузного шумового поля при калибровке ПАЭ следует отметить возбуждение сигнала искровым разрядом, струей жидкого гелия, широкополосным ультразвуковым преобразователем, соединенным с генератором белого шума, потоком механических частиц, случайно соударяемых с калибровочным блоком или калибруемым ПАЭ, акустическими шумами, возникающими в результате электрохимических процессов или перемагничивания никеля, а также тепловыми шумами при хаотичном движении атомов твердого тела [6, 9].

            Надо сказать, что в большинстве случаев сигнал диффузного поля имеет ограниченный и неравномерный спектр, что обусловлено временем взаимодействия дискретных источников с поверхностью калибровочного блока или временем протекания процессов, лежащих в основе формирования шумового поля. Приемлемую равномерность и широкий спектр (до нескольких гигагерц) обеспечивает только тепловое движение атомов твердого тела. Но поскольку сигнал теплового шума очень мал по амплитуде (порядка 10-16 м), то такая калибровка может осуществляться только для резонансных ПАЭ с определенными конструктивными особенностями [8].

            Подводя итог рассмотрению существующих методов оценки параметров ПАЭ, используемых для контроля производственных объектов можно сделать следующие выводы:

1. Калибровка ПАЭ осуществляется, как правило, в так называемых «обобщенных» рабочих условиях, которые предполагают наличие свободного акустического поля, выбор в качестве входного акустического сигнала величину смещения частиц контактной поверхности калибровочного блока, размещение ПАЭ на небольшом удалении от источника излучения, возбуждение калибруемого ПАЭ одним из типов стандартного акустического сигнала, исполнение калибровочного блока в виде твердого акустического полупространства из стандартного материала. Калибровка ПАЭ практически всегда проводится в лабораторных условиях, а не на реальных объектах.
2. Калибровка в лабораторных условиях не учитывает особенностей реального производственного объекта, что приводит к появлению существенных погрешностей в добавление к уже существующим. В частности, при переносе результатов калибровки, проведенной в лабораторных условиях на конкретный производственный объект, не оцениваются и не учитываются следующие факторы:

— различие материалов калибровочного блока и конкретного производственного объекта;

— предыстория нагружения материала, из которого изготовлен конкретный производственный объект, которая влияет на акустические свойства этого объекта;

— различие типов акустических полей, генерируемых в лабораторных условиях и регистрируемых на конкретных производственных объектах;

— влияние внешних условий и изменение состояния объекта в момент проведения измерений;

— изменение акустического контакта при установке ПАЭ на калибровочный блок и конкретный производственный объект;

— изменение параметров ИИС при проведении измерений в лабораторных и производственных условиях.

            БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 7: В 2 кн. Кн. 1: В.И. Иванов, И.Э. Власов. Метод акустической эмиссии. – М.: Машиностроение, 2005. – 829 с.
2. РД 03-300-99 Требования к преобразователям акустической эмиссии, применяемым для контроля опасных производственных объектов. – М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2001. – 25 с.
3. МИ 1786-87 Методические указания. ГСИ. Основные параметры приемных преобразователей акустической эмиссии. Методика выполнения измерений. – Хабаровск: НПО Дальстандарт, 1987. – 37 с.
4. ASTM E 976-84 Standard Guide for Determining the Reproducibility of Acoustic Emission Sensor Response.
5. УВТ-100-А-2000 Методика проведения калибровки преобразователей акустической эмиссии / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, ОАО «Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума».
6. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. – М.: Изд-во стандартов, 1976. – 276 с.
7. Jaffrey D. Sources of acoustic emission in metals – a review // Non. Destruct. Test. – 1979. – v.16, №4, pp. 9-18; №5, pp. 9-17.
8. Панин В.И., Дробот Ю.Б. Современное состояние работ по градуировке первичных преобразователей АЭ // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 1989. – №3. с. 52-55.
9. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса / В.М. Баранов, А.И. Гриценко, А.М. Карасевич и др. – М.: Наука, 1998. – 304 с.