Способ возбуждения акустических колебаний в электропроводящих материалах

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой способ возбуждения акустических колебаний электромагнитно-акустическим (ЭМА) методом с использованием явления ЭМА-резонанса и может применяться при неразрушающем контроле, в частности, слабопроводящих материалов. Способ заключается в том, что в верхнем слое контролируемого изделия создают вихревые токи и инициируют возникновение и распространение акустических колебаний, при этом частоту возбуждающего поля выбирают из условий равенства длин волн электромагнитного и акустического полей, а фазу подстраивают до совпадения пространственного распределения вынуждающей силы с деформациями кристаллической решетки. Техническим результатом является повышение эффективности возбуждения акустических колебаний электромагнитно-акустическим методом. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к технологии возбуждения акустических колебаний электромагнитно-акустическим (ЭМА) методом.

Известен способ возбуждения акустических колебаний ЭМА-методом, реализованный конструкцией (ЭМА) преобразователя (патент на полезную модель РФ №31305, опубл. 27 июля 2003), в котором излучатель и приемник пространственно разделены, что дает значительные преимущества, т.к. при этом резко повышается отношение сигнал/помеха на входе приемного устройства, а это, в свою очередь, позволяет осуществлять контроль изделий эхо-методом с шероховатой и корродированной поверхностями, несмотря на то, что величина принимаемого сигнала при этом невелика.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ возбуждения акустических волн в электропроводящих материалах (патент РФ №2314880, опубл. 20.01.2008), при котором для достижения максимальной эффективности определенным образом выбирается отношение пространственной частоты к частоте возбуждения.

Обоим этим способам присущи недостатки, общие для способов возбуждения акустических колебаний ЭМА-методом, это низкий коэффициент преобразования энергии, для нержавеющей стали он составляет приблизительно 10-5. Для слабопроводящих материалов, таких как графит и углепластики, он еще ниже. При втором способе, принятом за прототип, эффективность выше, но тем не менее остается недостаточной высокой, что не обеспечивает контроль в некоторых случаях: контроль слабопроводящих материалов, материалов с высокой шероховатостью и т.д.

Изобретением решается задача повышения эффективности возбуждения акустических колебаний бесконтактным электромагнитно-акустическим методом, используя явление ЭМА-резонанса.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе частота возбуждения выбирается из условий равенства электромагнитной и акустической волн в металле, а фаза возбуждаемой электромагнитной волны регулируется и настраивается оптимальным образом по максимуму сигнала, добиваясь такого распределения пространственной силы, при котором оно будет совпадать с пространственным распределением акустической волны.

Структурная схема для осуществления предлагаемого способа приведена на рис.1. Задающий генератор 1 вырабатывает синусоидальные колебания, которые через фазовращатель 2 поступают на индуктор 3 электромагнитно-акустического преобразователя (ЭМАП). Конструкция ЭМАП выполнена с разделенными индуктором 3 и приемным элементом 5. ЭМАП возбуждает акустические колебания, которые распространяются в толщу объекта возбуждения, отражаются от противоположной стенки и возвращаются к исходной границе, связанной с ЭМАП. В результате электромагнитно-акустического преобразования акустические колебания преобразуются в вихревые токи, электромагнитное поле которых воспринимается приемным элементом 5 ЭМАП, индуцируя ЭДС в катушке приемного элемента. Усиленный сигнал поступает на анализатор 7 амплитуды и фазы, а затем с ее выхода поступает на фазовращатель 2. Задачей устройства фазовращателя является получение максимальной эффективности ЭМА преобразования, а следовательно, и максимума сигнала.

Отличительные признаки предложенного способа заключаются в использовании явления электромагнитно-акустического (ЭМА) резонанса. Как известно, в акустическом контроле используют довольно широкий диапазон частот: от 50 Гц до 50 МГц. При конструировании ЭМА-приборов частоту выбирают из различных соображений: максимальной эффективности ЭМА-преобразования, основываясь на математических расчетах процессов преобразования полей, оптимальной диаграммы направленности, наилучших условий выявляемости дефектов. При возбуждении предлагаемым способом частота выбирается исходя из условий равенства длин акустической и электромагнитной волн. Например, скорость распространения электромагнитной волны в твердом теле со сравнительно высокой электропроводностью определяется по формуле:

c m = 1 μ 0 μ σ ω .                         (1)

В приведенной формуле:

µ0 - магнитная проницаемость вакуума, µ0=4π·10-7·Н/m;

µ - относительная магнитная проницаемость;

σ - электропроводность S/m;

ω - циклическая частота.

Под материалами со сравнительно высокой электропроводностью понимаются такие, в которых токи проводимости значительно (как правило, на два порядка и более) превышают токи смещения. Такое условие выполняется не только для всех металлов, но также для углепластиков, графита и многих полупроводников. Зная скорость распространения электромагнитной волны в твердом теле, нетрудно определить и ее длину:

λ m = c m f ,

где: f = ω 2 π - частота электромагнитного поля.

Данный способ представляет повышенный интерес для контроля материалов с невысокой электропроводностью. По причине низкой электропроводности длина электромагнитной волны оказывается равной длине акустической волны при сравнительно невысокой частоте. Предлагаемый способ можно использовать и при контроле материалов с высокой электропроводностью, но при этом частоты получаются достаточно высокими, какие редко используются в дефектоскопии. Так, например, при контроле алюминия оптимальная частота возбуждения для достижения явления ЭМА-резонанса составит около 80-ти МГц. В тоже время для контроля нержавеющей стали частота составляет всего 2 МГц. Весьма перспективной представляется реализация метода для контроля слабопроводящих материалов, например углепластиков, графита. Так при контроле углепластиков диапазон частот в зависимости от электропроводности может изменяться от 10 кГц до 80 кГц, для графита - 250 кГц. Очевидно, что при снижении электропроводности будет снижаться и эффективность возбуждения акустических колебаний, но учитывая высокую добротность при электромагнитно-акустическом резонансе, можно получить достаточно высокую величину смещений узлов кристаллической решетки.

Максимальную эффективность данного способа можно реализовать при непрерывной работе задающего генератора и, следовательно, непрерывном возбуждении акустических колебаний. Образно говоря, в этом случае кристаллическая решетка непрерывно раскачивается в соответствии со своей собственной частотой (электромагнитно-акустический резонанс), и амплитуда колебаний при этом может достичь достаточно высокой величины. Однако предлагаемый способ резонансного возбуждения дает преимущества при работе генератора в квазиимпульсном и даже в чисто импульсном режиме. В этом случае в схему необходимо дополнительно ввести узел 8 (рис.2) синхронизатора для управления работой задающего генератора.

Так как в данном случае мы имеем дело с распределенной колебательной системой, недостаточно добиться только совпадения частот, необходимо еще добиться правильного пространственного распределения вынуждающей силы. Резонанс наступает, если пространственное распределение внешней силы повторяет форму собственной функции, которой в нашем случае является форма кристаллической решетки. Для этой цели в устройстве служит фазовращатель 2.

Оценивая возможности предложенного способа нельзя забывать, что электромагнитная волна быстро затухает, и нельзя сказать, что она будет действовать по длине всего периода колебаний кристаллической решетки. Сравнительное пространственное расположение акустической и электромагнитной волны проиллюстрировано на графике, представленном на рис.3. Как видно, электромагнитная волна эффективно действует только приблизительно на 1/8 от полной длины волны, но тем не менее очевидно, что и это будет давать значительный эффект, т.к. электромагнитно-акустический резонанс обладает высокой добротностью.

1. Способ возбуждения акустических колебаний в электропроводящих материалах, заключающийся в том, что в верхнем слое контролируемого изделия создают вихревые токи, в результате взаимодействия которых с постоянным магнитным полем возникает сила, инициирующая возникновение и распространение акустических колебаний, отличающийся тем, что частота выбирается из условий равенства электромагнитной и акустической волны в материале, а фаза возбуждаемой электромагнитной волны регулируется и настраивается оптимальным образом по максимуму сигнала, добиваясь такого распределения пространственной силы, при котором оно будет совпадать с пространственным распределением акустической волны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в схему дополнительно введен узел синхронизатора для обеспечения работы в импульсном и квазиимпульсном режимах.



 

Похожие патенты:

Использование: для ультразвукового обнаружения микротрещин на рабочей выкружке головки рельса. Сущность изобретения заключается в том, что на поверхности катания рельса устанавливают два электроакустических преобразователя, направленные на противоположные внутренние поверхности головки рельса, зондируют головку рельса, для чего, перемещая электроакустические преобразователи вдоль рельса, излучают зондирующие и принимают отраженные ультразвуковые сигналы, которые анализируют в выбранном временном окне, и делают заключение о наличии и степени развития дефекта, при этом положение и направление излучения электроакустических преобразователей выбирают так, чтобы их ультразвуковые зондирующие сигналы после отражения от внутренних поверхностей головки рельса были направлены соответственно на рабочую и нерабочую выкружки головки рельса, временное окно приема сигналов от микротрещин на рабочей выкружке головки рельса выбирают в окрестности ожидаемого времени приема сигналов, отраженных от выкружек головки рельса, в котором увеличивают чувствительность приема электроакустических преобразователей до уровня начала приема структурных шумов металла рельса, анализ отраженных ультразвуковых сигналов и заключение о наличии и степени развития микротрещин производят на основе сравнения отраженных сигналов, принятых электроакустическими преобразователями от рабочей и нерабочей выкружек.

Использование: для лазерно-ультразвукового контроля качества паяных соединений. Сущность изобретения заключается в том, что генерируют с помощью импульсного лазера оптические импульсы, преобразуют их в акустический сигнал - последовательность ультразвуковых импульсов, образующих зондирующий ультразвуковой луч, облучают этим лучом исследуемый объект, принимают пьезоприемником отраженные от исследуемого объекта сигналы, анализируют их и по результатам анализа судят о внутренних дефектах объекта, при этом указанный акустический сигнал формируют в виде апериодической последовательности ультразвуковых импульсов длительностью от 5 до 20 нс с образованием зондирующего ультразвукового луча с диаметром в пределах от 0,6 до 1,0 мм.

Использование: для неразрушающих методов контроля внутренних структур объектов. Сущность изобретения заключается в том, что лазерный ультразвуковой дефектоскоп содержит импульсный лазер, соединенный через оптоволокно с оптико-акустическим преобразователем, выполненным в виде единого блока, расположенного на исследуемом объекте, и содержащим пластину оптико-акустического генератора, а также пьезоприемник, соединенный через усилитель с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к компьютеру, при этом оптико-акустический генератор и пьезоприемник пространственно разнесены и размещаются на наклонных звукопроводах, контактирующих с исследуемым материалом, а лазер, аналого-цифровой преобразователь и блок питания размещены в отдельном корпусе.

Использование: для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений стальных конструкций, содержащее корпус, заполненный иммерсионной жидкостью, акустическое фокусирующее устройство в виде линз, взаимодействующее с ультразвуковым преобразователем, и блок приема информации с регистрирующими датчиками, при этом корпус выполнен в виде металлической емкости с расположенными в нем одинаковыми акустическими линзами, ко дну корпуса, с наружной стороны, закреплены приемные пьезопреобразователи, расположенные на фокальной плоскости линз, а в верхней части корпус снабжен стальной пробкой со сферической поверхностью, направленной к акустическим линзам, при этом с наружной стороны пробка имеет глухое отверстие, в котором расположен литиевый цилиндр, верхний конец которого взаимодействует с исследуемой конструкцией, а снаружи он окружен индукционной катушкой, закрепленной в кольце-каркасе, взаимодействующем с дополнительно установленной опорной перекладиной, которая соединена с нижней перекладиной, а блок приема информации снабжен импульсным генератором, двумя широкополосными усилителями, резистором, аналогово-цифровым преобразователем и персональным компьютером.

Изобретение относится к неразрушающему контролю магистральных трубопроводов. В диагностируемый магистральный нефтепровод помещают внутритрубный снаряд-одометр, снабженный источником изотропного акустического излучения, линейкой приемников гидрофонов и бортовым микрокомпьютером.

Использование: для неразрушающего исследования гибких композитных изделий. Сущность изобретения заключается в том, что исследование внутренней структурной изменчивости в объеме гибкого композитного эластомерного изделия или различий между гибкими композитными эластомерными изделиями включает установку гибкого композитного эластомерного изделия в фиксированное положение, простукивание изделия, определение продолжительности ударного воздействия при простукивании и сравнение продолжительности ударного воздействия с эталонным значением.

Использование: для определения направленности дефекта. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой головкой (2) из разных измерительных точек (МР) воздействуют ультразвуковыми сигналами на конструктивный элемент (В), причем ультразвуковые эхо-сигналы, которые отражаются от находящейся внутри конструктивного элемента (В) подлежащей исследованию точки (Р) обратно к измерительным точкам (МР), принимаются этой или другой ультразвуковой головкой (2); и с модулем (4) обработки данных, который с учетом направления звукового воздействия между соответствующей измерительной точкой (МР) и подлежащей исследованию точкой (Р) оценивает принятые эхо-сигналы для определения ориентации дефекта, причем в зависимости от зарегистрированного времени прохождения сигнала между моментом подачи ультразвукового сигнала и моментом приема отраженного обратно дефектом ультразвукового эхо-сигнала для каждой измерительной точки (МР) рассчитывается расстояние (d) между измерительной точкой (МР) и подлежащей исследованию точкой (Р) и принятые с временным сдвигом в разных измерительных точках (МР) ультразвуковые эхо-сигналы подлежащей исследованию точки (Р) синфазно суммируются для их оценки.

Изобретение относится к генераторным трактам акустических эхоимпульсных локаторов. Преимущественная область использования - гидроакустика, ультразвуковая дефектоскопия.

Использование: для стабилизации скорости перемещения внутритрубного инспектирующего снаряда. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для стабилизации скорости перемещения внутритрубного инспектирующего снаряда состоит из цилиндрического полого корпуса, байпасных цилиндрических проходных каналов, модуля управления перепуском газа с аксиально перемещаемыми затворами запорных клапанов, первой и второй полиуретановых манжет, гидропривода, бортовой электронной аппаратуры, одометрического измерителя скорости движения устройства и системы электронного управления, при этом в него введены группа заслонок шарнирных секторных и электроуправляемый сбросной клапан, причем байпасный перепускной канал выполнен в виде полости в цилиндрическом корпусе самого инспектирующего снаряда, а модуль управления перепуском газа выполнен в виде цилиндрического корпуса с группой вертикальных щелей в передней части и группой горизонтальных щелей на цилиндрической его поверхности с цилиндрической шиберной задвижкой в передней его части, жестко соединенной с наружной поверхностью скользящей трубы, продольно перемещаемой по наружной поверхности гидравлического цилиндра, а также другие элементы устройства.

Использование: для визуализации ультразвуковой дефектоскопии трехмерного изделия. Сущность изобретения заключается в том, что устройство ультразвуковой томографии содержит антенную решетку с n приемно-передающими элементами, каждый из которых соединен с выходом соответствующего генератора импульсов и входом соответствующего усилителя, n аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами блока памяти реализации, количество выходов которого - N определено формулой N=n·(n+1)/2.

Изобретение относится к способам и устройствам для получения механических колебаний с использованием электрической энергии. Способ случайного смещения грузов включает в себя то, что на станине или раме закрепляют статор или группу статоров, причем корпус каждого статора, как и его внутреннее пространство делят на сектора, в которых размещают индукторы, с помощью которых производят генерирование электрического тока или магнитных полей, текущих во внутреннем пространстве своего сектора, так же во внутреннем пространстве каждого статора располагают вал ротора не менее чем с одним колесом, причем на каждом колесе закрепляют ось с сегментами, между сегментами в плоскости вращения ротора формируют равные зазоры, в которых устанавливают упругие элементы, причем сегменты выполняют с возможностью качения на своих осях, и имеющими эксцентриситет массы, точки эксцентриситета массы которых в плоскости вращения ротора лежат за окружностью, перпендикулярно которой лежат их оси, содержащие обмотки с сердечниками, которыми генерируют магнитные поля или электрический ток, и которые подключают к электрическим цепям устройства через коллекторно-щеточный механизм или постоянные магниты.

Изобретение относится к электротехнике и может найти широкое применение для виброперемешивающих устройств в аппаратах и реакторах нефтехимических, химических, микробиологических, пищевых и других производств.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения и регистрации морского волнения методом импульсной эхолокации узконаправленным лучом в направлении от дна к поверхности воды.

Изобретение относится к области вибрационной техники и может быть применено, например, в машиностроении для снятия остаточных механических напряжений, для вибровоздействия на среды и т.д.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в системах активного воздействия на нарушителей охраняемых акваторий и надводных объектов.

Изобретение относится к электротехнике и электромашиностроению и может быть использовано в вибрационных машинах и устройствах. .

Изобретение относится к технике обнаружения скрытых коммуникаций: кабелей металлических и пластмассовых трубопроводов, находящихся под слоем грунта, снега, асфальта.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для излучения электромагнитных колебаний. .

Изобретение относится к вибрационной технике. .

Изобретение относится к вибрационной технике. .

Использование: для динамической калибровки ультразвукового дефектоскопа. Сущность изобретения заключается в том, что проводят динамическую калибровку УЗ дефектоскопа, содержащего рядный блок электроакустических преобразователей, первый из которых является генератором УЗ излучения, а последующий преобразователь или преобразователи являются приемниками УЗ излучения, при этом пороговый уровень срабатывания дефектоскопа задают исходя из текущего значения амплитуды опорного сигнала, излучаемого зеркально по отношению к основному зондирующему сигналу и представляющего собой остаточное УЗ излучение генератора в текущем такте или принудительное УЗ излучение генератора в дополнительном такте. Технический результат: повышение точности задания порогового уровня срабатывания УЗ дефектоскопа в процессе контроля. 2 з.п. ф-лы. 17 ил.
Наверх