Ультразвуковая антенная решетка в виде двухмерной матрицы

 

Использование: для измерения толщины и контроля дефектов в крупноструктурных материалах. Сущность изобретения: решетка содержит установленные в корпусе ультразвуковые преобразователи, подключенные к выходам коммутатора для соединения выводов ультразвуковых преобразователей с выходом импульсного генератора и входом измерительного блока. Ультразвуковые преобразователи выполнены с протектором, обеспечивающим точечный или линейный контакт, с индивидуальным прижимным механизмом и с возможностью возвратно-поступательного перемещения перпендикулярно рабочей поверхности антенной решетки. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использовано для дефектоскопии, толщинометрии и определения физико-механических характеристик крупноструктурных и неоднородных материалов и изделий, например бетона, горных пород, пластиков, древесины и т.п.

Известна многоэлементная антенная решетка с динамической фокусировкой, содержащая установленные в корпусе с возможностью регулировки положения концентрические кольцеобразные элементы вогнутого излучателя [1] Однако при использовании этой антенной решетки для контроля толщины или дефектоскопии неоднородных материалов эхо-импульсным методом на низких частотах доминирующим является не полезный сигнал, а шум структурной реверберации (шум превышает донный сигнал на 15-20 дБ). Это затрудняет или даже делает невозможным проведение контроля. Шум структурной реверберации возникает из-за рассеяния ультразвуковой волны на неоднородностях материала и взаимной трансформации продольных волн в поперечные и обратно. В то же время ограниченные размеры решетки не позволяют получить синтезированную апертуру достаточно больших волновых размеров.

Этот недостаток частично устранен в антенной решетке, содержащей установленные в корпусе пьезопреобразователи, которые с помощью коммутатора подключаются либо к генератору, образуя излучающую группу, либо к измерительному блоку, образуя приемную группу [2] Известная антенная решетка позволяет контролировать бетонные изделия, но при выполнении тщательной подготовки поверхности и использовании контактной смазки. Кроме того использование групп преобразователей дает приемлемые результаты лишь в случаях, когда достаточна фокусировка в определенные точки объема изделия. Когда же необходима перестраиваемая фокусировка в различные точки объема, результирующее отношение сигнал/шум оказывается недостаточным для обнаружения дефектов изделия.

Наиболее близкой к предложенной является вышеописанная антенная решетка, патент США [2] содержащая установленные в корпусе ультразвуковые преобразователи, подключенные к выходам группового коммутатора, входы которого соединены с выходами импульсного генератора и блока измерения соответственно. Второй блок измерения соединен с выходом генератора.

Как уже отмечалось, основным недостатком данной решетки является ограниченная область применения.

Таким образом техническим результатом от использования изобретения является расширение области применения антенной решетки за счет возможности контроля изделий с неподготовленными поверхностями при сухом акустическом контакте и обеспечения фокусировки в произвольную точку объема материала.

Указанная цель достигается тем, что в известной ультразвуковой антенной решетке в виде двухмерной матрицы, содержащей установленные в корпусе ультразвуковые преобразователи, подключенный к ним коммутатор, импульсный генератор, связанный с ним измерительный блок и блок управления, подключенный к управляющим входам коммутатора и измерительного блока, связанного информационным входом с выходом коммутатора, а выход импульсного генератора подключен ко входу возбуждения коммутатора, каждый из ультразвуковых преобразователей выполнен с протектором, обеспечивающим точечный или линейный контакт с контролируемым изделием, и с прижимным механизмом с возможностью возвратно-поступательного перемещения ультразвукового преобразователя перпендикулярно рабочей поверхности антенной решетки.

Кроме того ультразвуковые преобразователи снабжены акустическими экранами, устраняющими взаимное влияние преобразователей.

Шаг антенной решетки выбирают из условий: r<d<1,4r, r радиус корреляции структурного шума материала изделия.

И, наконец, коммутатор выполнен с обеспечением одновременного подключения одного ультразвукового преобразователя в режиме излучения к импульсному генератору и одного ультразвукового преобразователя в режиме приема к измерительному блоку.

На чертеже схематично изображена предлагаемая антенная решетка в виде двухмерной матрицы.

Решетка содержит корпус 1, в котором установлены ультразвуковые преобразователи 2 с протекторами 3, обеспечивающими точечный или линейный контакт с контролируемым изделием 10, и с прижимными механизмами 4, благодаря которым есть возможность возвратно-поступательного перемещения ультразвуковых преобразователей перпендикулярно рабочей поверхности антенной решетки. Каждый ультразвуковой преобразователь снабжен акустическим экраном 5. Преобразователи расположены в решетке с шагом d.

Выводы всех ультразвуковых преобразователей подключены к коммутатору 6, который своим входом возбуждения связан с выходом импульсного генератора 7, а выходом соединен с информационным входом измерительного блока 8. Управляющие входы коммутатора 6 и измерительного блока 8 подключены к выходам блока управления 9. Измерительный блок 8 связан также с выходом импульсного генератора 7. Коммутатор 6 выполнен таким образом что под действием сигналов блока управления 9 он обеспечивает одновременное подключение одного ультразвукового преобразователя в режиме излучения к импульсному генератору и одного ультразвукового преобразователя в режиме приема к измерительному блоку.

Протекторы 3 ультразвуковых преобразователей 2 выполнены в виде конуса или треугольной призмы. Конус контактирует с поверхностью контролируемого изделия своей вершиной, а призма ребром, то есть контакт происходит в точке или по линии. Благодаря этому при контроле не требуется контактная смазка.

Прижимной механизм 4 каждого из ультразвуковых преобразователей 2 может представлять собой, в частности, пружину или эластичную прокладку и направляющую штангу, благодаря которой преобразователь может перемещаться только вдоль своей продольной оси, как показано на чертеже.

Акустический экран 5 устанавливается на боковой поверхности ультразвукового преобразователя 2. Он выполняется из звукоизолирующего материала, например, поролона и предназначен для устранения взаимного влияния преобразователей.

Необходимость выбора определенного шага d решетки, то есть расстояния между центрами соседних ультразвуковых преобразователей 2 в решетке, объясняется тем, что при малом шаге используется избыточное количество преобразователей, а при большом не удается надежно выделить полезный сигнал на фоне структурных шумов. Как показали исследования, оптимальным является диапазон от r до 1,4r, хотя допустимо выбирать шаг до 1,6r. При этом для определения радиуса корреляции r строят зависимость взаимного коэффициента корреляции принятых реализаций структурного шума от расстояния (шага) между преобразователями и определяют радиус r как расстояние, при котором коэффициент уменьшается до величины порядка 0,1-0,2. Иными словами, радиус корреляции структурного шума есть такое минимальное расстояние между двумя произвольно взятыми точками поверхности контролируемого полупространства, при котором реализация структурного шума при отсутствии дефектов, принятых из этих точек при неподвижном излучателе, практически, не коррелированы, то есть их взаимный коэффициент корреляции не превышает 0,1- 0,2. Для типичных бетонов эта величина равна 10- 20 мм.

Устройство используют следующим образом. Корпус 1 антенной решетки с преобразователями 2 устанавливают на неровную неподготовленную поверхность 10 контролируемого изделия, не нанося при этом смазывающей жидкости. Сухой акустический контакт обеспечивается в точке или по линии касания подпружиненного протектора 3 поверхности 10. С помощью коммутатора 6 поочередно попарно подключают преобразователи 2 к импульсному генератору 7 и измерительному блоку 8, причем одновременно один преобразователь в режиме излучения подключают к генератору 7 и один преобразователь в режиме приема к блоку 8. В измерительном блоке 8, куда наряду с принятыми эхо-сигналами поступают также данные о моменте излучения генератором 7 зондирующих импульсов и адресная информация с блока управления 9 о номерах (координатах) подключенных ультразвуковых преобразователях, происходит накопление и обработка полученной информации для создания синтезированной апертуры, фокусируемой в произвольную точку полупространства (САФТ).

Сущность этого метода заключается в облучении выбранной точки исследуемого полупространства с разных направлений с поверхности 10 этого полупространства, прием эхо-сигналов от этой точки также с разных направлений и суммировании принятых сигналов с предварительным введением в них временных задержек, компенсирующих различия в расстоянии (временах прохождения сигнала) от точек поверхности 10 до выбранной точки в объеме исследуемого полупространства и обратно. Описанная процедура повторяется для всех точек некоторого объема под поверхностью 10, в результате чего формируется массив данных об отражающей способности всех точек данного объема. Тем точкам массива, где уровень сигнала превышает некоторый выбранный порог, ставится в соответствие наличие дефекта или другой неоднородности исследуемого объема полупространства, например, донной поверхности контролируемого изделия.

Как показали исследования, для получения наибольшего отношения сигнал/шум в результирующем массиве данных синтезируемая апертура должна быть заполненной, а излучение и прием сигналов должен осуществляться каждой парой ультразвуковых преобразователей из всех возможных комбинаций преобразователей антенной решетки независимо одна от другой, включая и работу каждого преобразователя самого с собой, то есть в режиме излучения и приема. В последующем случае это означает, что преобразователь 2 с помощью коммутатора 6 подключается одновременно и к импульсному генератору 7 и к измерительному блоку 8, поэтому после излучения зондирующего импульса этот же преобразователь и принимает эхо-сигналы.

При выполнении названных условий количество актов излучения-приема сигналов N= n(n+1)/2, где n количество преобразователей 2, составляющих антенную решетку. Во столько же раз больше отношение сигнал/шум по мощности в накопленном данной антенной решеткой массиве данных по сравнению с использованием отдельного преобразователя. Выбор достаточного количества преобразователей n (практически, не более 40-50) позволяет добиться такого отношения сигнал/шум, что становится возможным обнаружение в бетоне не только донных поверхностей, но и неоднородностей сравнимых с длиной используемой ультразвуковой волны.

В то же время, заостренная форма протекторов ультразвуковых преобразователей и наличие у каждого из них прижимных механизмов с возможностью возвратно-поступательного перемещения преобразователя перпендикулярно рабочей поверхности антенной решетки обеспечивают сухой акустический контакт для всех преобразователей решетки с неровной шероховатой поверхностью контролируемого изделия, а акустические экраны исключают взаимное влияние смежных преобразователей.

Таким образом, предлагаемая антенная решетка позволяет контролировать изделия при одностороннем доступе к ним без трудоемких подготовительных операций сразу после установки решетки на изделие без контактной смазки, что весьма актуально при измерении толщины или дефектоскопии бетонных покрытий дорог, аэродромов, стен шахт, тоннелей, энергетических сооружений и т.п.

1. Патент США N 4276779, G 01 N 29/00, 1981.

2. Патент США N 4281550, G 01 N 29/00, 1981.

Формула изобретения

1. Ультразвуковая антенная решетка в виде двухмерной матрицы, содержащая установленные в корпусе ультразвуковые преобразователи, подключенный к ним коммутатор, импульсный генератор, связанный с ним измерительный блок и блок управления, подключенный к управляющим входам коммутатора и измерительного блока, связанного информационным входом с выходом коммутатора, а выход импульсного генератора подключен к входу возбуждения коммутатора, отличающаяся тем, что каждый из ультразвуковых преобразователей выполнен с протектором, обеспечивающим точечный или линейный контакт с контролируемым изделием и с прижимным механизмом с возможностью возвратно-поступательного перемещения ультразвукового преобразователя перпендикулярно рабочей поверхности антенной решетки.

2. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что ультразвуковые преобразователи снабжены акустическими экранами.

3. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что шаг d антенной решетки выбирают из условия r<d<1,4·r, где r радиус корреляции структурного шума материала изделия.

4. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что коммутатор выполнен с обеспечением одновременного подключения одного ультразвукового преобразователя в режиме излучения к импульсному генератору и одного ультразвукового преобразователя в режиме приема к измерительному блоку.

РИСУНКИ

Рисунок 1