Устройство для ультразвукового контроля

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано в дефектоскопии и медицинской диагностике . Цель изобретения - повышение качества контроля и формирование различной зоны фокусировки. Цель достигается за счет того, что устройство для ультразвукового контроля , содержащее источник ультразвуковой энергии, электрически связанный с ним ультразвуковой генератор, связанные между собой формирователь фокусного расстояния , источник регулируемого постоянного магнитного поля, блок управления,снабжено контактной акустической призмой в виде цилиндра со скошенными плоскостями, расположенными под углом к его оси оппозитно друг другу, причем формирователь фокусного расстояния выполнен в виде не менее одной пары магнитострикционных волноводов с намотанными на них катушками , электрически связанных с источником магнитного поля и установленных на скошенных плоскостях контактной акустической призмы, а источник ультразвуковой энергии выполнен в виде не менее одной пары преобразователей по числу волноводов , установленных на соответствующих волноводах через контактные втутткя: Кроме того, устройство снабжено магнитометрами по числу магнитострикционных волноводов, установленными на соответствующих волноводах на границах раздела магнитопровод - контактная призма. 1 с, и 1 з. п. ф-лы, 1 ил. (Л С

союз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я>5 G 01 N N29/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4897489/28 (22) 10,10.90 (46) 23,12,92; Бюл, ¹ 47 (71) Институт физики металлов Уральского отделения АН СССР и Хозрасчетный центр при областном Совете ВОИР "СОДВИ" (72) В. М. Клячин и В. Д. Болтачев (56) Патент Великобритании ¹ 1601995, кл.

G 01 N 29/00, 1981.

Патент Великобритании ¹ 1534965, кл. G 01 N 29/00, 1978. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГо КОНТРОЛЯ (57) Изобретение относится к нераэрушающему контролю и может быть использовано в дефектоскопии и медицинской диагностике. Цель изобретения — повышение качества контроля и формирование различной зоны фокусировки. Цель достигается за счет того. что устройство для ультразвукового контро. ля, содержащее источник ультразвуковой энергии, электрически связанный с ним ультразвуковой генератор, связанные между

Изобретение относится к неразрушаю- щему контролю и может быть использовано в дефектоскопии и медицинской диагностике.

Известен приемный зонд для ультразвукового контроля (1). Зонд содержит источник ультразвуковой энергии и соосную с ним линзу, а также электрически связанную с источником электронную систему управления генерированием и фокусированием ультразвуковых сигналов. Источник выполнен в виде соосно расположенных на разном расстоянии от линзы преобразователей, путем электронной ком,,5U„„1783414 А1 собой формирователь фокусного расстояния, источник регулируемого постоянного магнитного поля, блок управления,снабжено контактной акустической призмой в виде цилиндра со скошенными плоскостями, расположенными под углом к его оси оппозитно друг другу, причем формирователь фокусного расстояния выполнен в виде не менее одной пары магнитострикционных волноводов с намотанными на них катушками, электрически связанных с источником магнитного поля и установленных на скошенных плоскостях контактной акустической призмы, а источник ультразвуковой энергии выполнен в виде не менее одной пары преобразователей по числу волноводов, установленных на соответствующих волноводах через контактные втулкй. Кроме того, устройство снабжено магнитометрами по числу магнитострикционных волноводов, установленными на соответствующих - волноводах на границах раздела магнитопровод — контактная призма, 1 с, и 1 з. и. ф-лы, 1 ил. мутации которых в процессе ультразвукового контроля осуществляется фокусирование зонда на разную глубину. Однако устройство содержит сложную систему коммутации, запоминания и детектирования сигнала.

Кроме того, с помощью этого устройства осуществляется дискретное перемещение точки фокуса, что ведет к некоторой потере информации, а также позволяет осуществлять фокусирование только вдоль оси линзы.

Самым близким к заявляемому устройству является устройство, реализующее способ управления фокусным расстоянием

1783414 линзы (2). Устройство содержит: источник ультразвуковой энергии, электрически связанный с ним ультразвуковой генератор, акустическую линзу, образованную тонкостенной жесткой оболочкой, заполненную жидким кристаллом и помещенную внутрь магнитной катушки, являющейся источником регулируемого магнитного поля; а также блок управления. Акустическая линза, магнитная катушка и блок управления взаимосвязаны между собой и представляют законченный функциональный узел, предназначенный для формирования фокусного расстояния, а также перемещения точки фокуса за счет изменения скорости звука в линзе с помощью регулируемого магнитного поля. Однако акустическая линза с жестко заданной кривизной поверхностей имеет точки фокусов, расположенные только вдоль оптической оси. Наряду с этим описываемое устройство при достижении даже больших величий магнитного поля в линзе (до-1 кЭ) не осуществляет перемещение точки фокуса более чем на 3 см. Кроме того, при расположении акустической линзы, как зто указано в прототипе, внутри незамкнутого магнитопровода наблюдается сильная неравномерность распределения линий магнитного поля внутри обьема линзы. Это значительно усложняет определение характеристик акустического поля и, как следствие, затрудняет точное определение места фокуса.

Цель изобретения — повышение качества контроля и формирование различной зоны фокусировки.

Поставленная цель достигается, тем, что устройство для ультразвукового контроля снабжено контактной акустичесой призмой в виде цилиндра со скошенными плоскостями, расположенными под углом к его оси оппозитно друг к другу, формирователь фокусного расстояния выполнен в виде не менее одной пары магнитострикционных волноводов с намотанными на них катушками, электрически связанных с источником магнитного поля и установленных на скошенных плоскостях контактной акустической призмы, источник акустического излучения выполнен в виде не менее одной пэры преобразователей по числу волноводов, установленных на соответствующих волноводах через контактные втулки, контроль nîëoæåèèÿ точки фокуса осуществляют с помощью магнитометров по числу магнитострикционных волноводов, установленных на соответствующих волноводах на границах раздела магнитопровод — контактная призма, ля 11, электронный блок 12 и блок управления 13; магнитометров 14, 15.

15 Чтобы уменьшить размагничивающий.

45

55

sin i з1п а<

10

На чертеже представлена схема устройства, Устройство состоит из источников ультразвуковой энергии 1, 2 с контактными втулками 3, 4; электрически связанного с источниками ультразвукового генератора 5; формирователя фокусного расстояния, включающего; контактную цилиндрическую призму 6, волноводы 7, 8, выполненные из магнитострикционного материала, с намотанными на них катушками 9. 10, источника регулируемого постоянного магнитного пофактор, магнитострикционные волноводы 7, 8 имеют замкнутую форму. Величина магнитного поля рассчитывается по формуле: где N — число витков обмотки, охватывающих сердечник волновода;

1 — ток; — длина средней линии сердечника.

В качестве магнитострикционного материала для волноводов целесообразно применять магнитомягкие мятериалы, обладающие большим hE- эффектом. Такими материалами могут быть: пермендюр (сплав

50-КФ), аморфные металлические сплавы. (величина ЛЕ- эффекта достигает сотен процентов) и др.

Ультразвуковые пучки 16, 17, распространяющиеся по волноводам 7, 8, претерпевают преломление на границах раздела S, S

"волноводы-призма 6". Преломление происходит из-за разностИ скоростей распространения ультразвука в волноводах 7, 8 и в контактной призме 6. Для простоты рассмотрим случай симметрично расположенных относительно оси 001, двух одинаковых волноводов 7, 8. Скошенные контактные поверхности S, S обеспечивают падение ультразвукового пучка на границу раздела под углом i к нормали от поверхности S для волновода 7 и под углом (-1) к нормали от поверхности для волновода 8, соответственно (далее будем рассматривать углы преломлений для ультразвукового пучка 16, подразумевая знак минус для симметрично распространяющегося пучка 17), Согласно закону Снелиуса:

1783414 где I — угол падения ультразвукового пучка на границу раздела сред;

Q> — первый угол преломления пучка; с — скорость распространения звука в волноводе; 5 с1 — скорость распространения звука в контактной призме 6.

Фокальная точка Б получается как ре- зультат интерференции двух синхфазных ультразвуковых пучков 19. 10

Формирователь фокусного расстояния работает следующим образом. На границе раздела (поверхность S>) контактной призмы 6 и исследуемой детали 18 ультразвуковой пучок 19 претерпевает второе 15 преломление и распространяется уже под углом Р1. Для этого случае справедливо: в!и a> sin — (г)

20 где a< — угол падения ультразвукового пучка на исследуемую деталь 18;

P< — второй угол преломления; с — скорость распространения звука в. контактной призме; с — скорость распространения звука в

П исследуемом материале, К примеру, при изменении напряженности магнитного поля в пределах от НО=0,1Э до Н»х-20Э величина модуля Юнга для сплава 50 КФ меняется до 207 (21от первоначального значения, При этом скорость звука меняется до 10 . В этих же пределах, кэк это видно из выражения (3), меняются и углы преломления G1, Q2, tX3 и P1$2, j93.

Два симметрично распространяющиеся пучка 8 фокусируются в точке В (на фиг.

1 показан случай, когда фокэльйая точка находится нэ поверхности объекта контроля

18). При одинаковом изменении величины напряженности магнитного поля в волноводах 7, 8 в пределах Н o — Hmax фокэльная точка будет смещаться вдоль оси по прямой BED.

Если в волноводе 7 установить поле Но, а в волноводе 8 менять величину поля в пределах Ho — Hmax, то фокальная точка будет смещаться вдоль прямой АВ. При установлении в волноводе 7 поля Но и при изменении величины поля в волноводе 8 в пределах

Ho — Наах фокальная точка будет смещаться вдоль прямой CD. То же самое справедливо и для симметричного случая, когда в волноводе 8 сначала устанавливается поле, затем — Hmax, при этом в волноводе 7 величина поля меняется от Но до Hm». Тогда фокальная точка будет сначала смещаться вдоль прямой ВС, затем — AO, Вполне ясно, что любая другая комбинация полей в пределах

Но Hmax для волноводов 7, 8 вызовет сканирование фокэльной точки внутри замкнутой области ABCD. Это и есть область сканирования 20.

Устройство позволяет также автоматически контролировать формируемое фокусное расстояние. С этой целью в состав устройства включены специальные магнитометры 15, 14, блок электроники 12 и блок управления 13. Магнитометры измеряют напряженность магнитного поля Н в волноводах на границе раздела волноводконтактная призма. В качестве их могут быть использованы датчики Холла. Г)о известным значениям Н в блоке управления 13 производится вычисление скоробей звука в сердечниках волноводов (31, а по ним согласно выражениям (1) и (2) определяются углы преломления ультразвуковых пучков, э далее — геометрически вычисляется место положения фокальной точки, Углы преломления определяются в электронном блоке

12, на вход которых поступают сигналы с магнитометров 15, 14, С выхода блока 12 напряжение, соответствующее углу преломления, подается на вход блока управления.

Блок управления 13 содержит ЭВМ, с помощью которой производится вычисление координат точки фокуса. Программа ЭВМ включает задание матричного пространства, определяющего зависимость скорости звука в волноводе от напряженности магнитного поля. Блок управления 13 позволяет также: — программно или с помощью команд управления оператора изменять скорость изменения углов путем регулировки скорости нарастания величины. напряженности магнитного поля; — менять пределы области сканирования путем изменения ограничения пределов регулирования магнитного поля, — изменять параметры ультразвуковых пучков 16, 17 (амплитуду,.частоту).

Блок 12 является также блоком сопряжения ЭВМ с внешними устройствами (адаптер). Внешними устройствами ЭВМ являются магнитометры 14, 15 и источник регулируемого магнитного поля 11, Через электронный блок 12 блок управления 13 управляет работой источника регулируемого магнитного поля 11, который с помощью катушек 9, 10 меняет величину напряженности магнитного поля Н в волноводах 7, 8.

Это, в конечном счете, приводит к перемещению фокальной точки внутри области сканирования 20, т,е. происходит управление сканированием фокальной точки.

Контактные втулки 3, 4 служат для передачи ультразвуковой энергии от пьезопла1783414 стины к волноводам 7, 8, а также они служат для ослабления влияния магнитных полей в волноводах на работу пьезопластины. В качестве источников ультразвуковой энергии могут применяться и электрические обмот- 5 ки, охватывающие эти же сердечники волноводов. . Контактная призма 6, а также волноводы 7, 8 имеют такую конструкцию, углы падения i и преломления Р, а также размеры 10 и взаимное расположение и количества контактных поверхностей S, S>, чтобы получить необходимую область сканирования.

Описанное стройство изготовлено в лаборатории прикладного магнетизма ИФМ 15

УрО AH СССР и в настоящее время йроходит наработку на сканирвоание в различных материалах.

Таким орбразом, по сравнению с заявляемым прототипом, устройство имеет сле- 20 дующие преимущества:

1. Устройство может быть сфокусировано не только вдоль оси, но и по заданной области. 25

2. Формирователь фокусного расстояния имеет значительно меньшие габариты, обусловленные тем, что для реализации сканирования требуются небольшие величины магнитных полей, примерно, в 50 раз мень- 30 ше, чем.s прототипе (2), 3, Устройство содержит узел контроля за положением точки фокуса„Это существенно повышает качество и точность сканирования. 35

4, Устройство не содержит жидких сред, что упрощает его и расширяет область его применения, Формула изобретения

1, Устройство для.ультразвукового контроля, содержащее источник ультразвуковой энергии, электрически связанный с ним ультразвуковой генератор, связанные между собой формирователь фокусного расстояния, источник регулируемого постоянного магнитного поля, блок управления, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения качества контроля и формирования различной зоны фокусировки, оно снабжено контактной акустической призмой в виде цилиндра со скошенными плоскостями, расположенными под углом к его оси одна оппозитно другой, формирователь фокусного расстояния выполнен в виде не менее одной. пары магнитострикционных волноводов с намотанными на них катушками, электрически связанных с источником магнитного поля и установленных на скошенных плоскостях контактной акустической призмы, источник ультразвуковой энергии выполнен в виде не менее одной пэры преобразователей по числу волноводов, установленных на соответствующих волноводах через контактные втулки, 2, Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е- е ся тем, что оно снабжено магнитомерами по числу магнитострикционных волноводов,, установленными на соответствующих волноводах на границах раздела магнитопроаод — контактная призма, 1783414!

5 Г 11

Составитель В. Клячин

Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4511, Тираж, Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5