Способ ультразвукового контроля объектов из твёрдых материалов, ультразвуковой высокочастотный преобразователь для его реализации (варианты) и антенная решётка с применением способа

Использование: для ультразвукового (УЗ) контроля объектов из твердых материалов. Сущность изобретения заключается в том, что согласно способу УЗ контроля выполняют излучение в объект контроля (OK) поперечных волн с горизонтальной поляризацией (SH волн), принимают эхо-сигналы из него и получают путем пространственно-временной обработки принятых сигналов распределение отражающей способности точек структуры материала ОК. Информацию о дефектности ОК получают из этого распределения. SH волны излучают путем создания на поверхности объекта касательных к поверхности колебательных сил. Прием SH волн осуществляют путем преобразования касательных к поверхности объекта колебательных смещений материала в электрические сигналы. Реализуется способ с помощью решетки преобразователей, выполненных в двух вариантах, первый из которых содержит герметичный корпус с демпфирующей жидкостью и пьезоэлемент со сдвиговыми колебаниями по толщине, направленными параллельно поверхности контролируемого объекта, установленный внутри корпуса на протектор, имеющий точечный контакт с поверхностью ОК. Второй вариант отличается тем, что содержит два пьезоэлемента. Созданная антенная решетка с усовершенствованными характеристиками может состоять из преобразователей любого из двух вариантов, которые установлены в ее корпусе на прижимных механизмах с возможностью возвратно-поступательного перемещения перпендикулярно ее рабочей поверхности. Технический результат: расширение функциональных возможностей системы неразрушающего контроля с одновременным улучшением ее дефектоскопических и эксплуатационных характеристик. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к ультразвуковому контролю объектов из твердых материалов - металлических и неметаллических, таких, как металлы, сплавы, пластмассы, керамика, стекло и др. с относительно небольшим затуханием ультразвука.

Ультразвуковой (УЗ) контроль твердых материалов, в частности - металлов, в подавляющем большинстве случаев проводят на поперечных волнах с вертикальной поляризацией. Этот способ реализуется при использовании прибора с фазированной антенной решеткой, установленной на призму. Пример можно привести из сборника изд. «Olimpus» «Advances in Phased Array Ultrasonic Technology Applications», Canada, 2007 г. раздел 1.2, стр. 7, 8, 9 (копия приложена). Там используются поперечные волны под разными углами ввода в объект контроля (ОК) и построение изображения сечения.

Недостатки способа - в сложном алгоритме расчета фокальных законов из-за призмы, односторонняя область обзора пространства в диапазоне углов 30-80 градусов.

Сложность алгоритма расчета фокальных законов вызвана тем, что при разных углах расположения отражателя относительно нормали к рабочей поверхности решетки, проведенной через центр, в частности - первого элемента, координата точки пересечения траекторией распространения УЗ сигнала границы призма - ОК для каждого элемента решетки рассчитывается методом итераций, исходя из условия минимума времени распространения сигнала. В решетке без призмы эти точки просто являются точками расположения элементов на поверхности ОК.

Другие недостатки способа:

- поперечные волны с вертикальной поляризацией не могут распространяться вдоль поверхности ОК, поэтому приповерхностные дефекты обнаружить нельзя;

- наклонное излучение поперечных волн при углах менее, примерно, 27 градусов сопровождается ненужными и мешающими продольными волнами;

- способ излучения поперечных волн с помощью призмы требует применения контактной жидкости, что не всегда удобно и допустимо, т.к. при автоматизированном контроле, когда УЗ преобразователь или антенная решетка перемещается по поверхности ОК, контактную жидкость нужно непрерывно добавлять в зону акустического контакта, а в аппаратуре должно быть устройство слежения за качеством контакта;

- излучать поперечные волны таким способом по нормали к поверхности ОК невозможно.

Наиболее близким аналогом является способ УЗ контроля сварных швов, при котором при перемещении вдоль шва транспортной платформы осуществляется излучение в область сварного соединения УЗ сигналов и прием сигналов, отраженных от нарушений сплошности и однородности металла и прошедших через сварной шов. Излучение и прием УЗ сигналов производится четырьмя линейными ЭМА решетками по две с каждой стороны сварного шва. Элементы решеток расположены на поверхности ОК вдоль двух пересекающихся прямых линий. Точка пересечения линий при движении платформы перемещается над осью шва. Каждое положение платформы на поверхности ОК характеризуется расстоянием от начальной точки движения платформы. Для этого используется датчик пути. По этому способу работает комплекс для ультразвукового контроля изделий, представленный в патенте RU 2515957 С1, 2014 г.

Недостатки прототипа такие же как и аналога, в связи с чем техническая задача, решаемая изобретением-способом, заключается в расширении функциональных возможностей системы неразрушающего контроля с одновременным улучшением ее дефектоскопических и эксплуатационных характеристик: возможность возбуждения в ОК и приема из него поперечных волн с горизонтальной поляризацией, что позволяет использовать все преимущества УЗ волн такого типа.

Эта задача решена способом ультразвукового контроля объектов из твердых материалов, согласно которому производят излучение импульсов ультразвуковых волн под разными углами к поверхности объекта, принимают эхосигналы от границ и различных неоднородностей материала объекта с разных направлений, и путем пространственно-временной обработки принятых сигналов получают распределение отражающей способности точек структуры материала объекта вдоль линии, или на плоскости, или в объеме контролируемой части объекта, по которому судят о дефектности объекта контроля, при этом излучают поперечные ультразвуковые волны с горизонтальной поляризацией путем создания на поверхности объекта касательных к поверхности колебательных сил, принимают колебания ультразвуковых поперечных волн с таким же направлением поляризации, как у излученных волн путем преобразования касательных к поверхности объекта колебательных смещений материала в электрические сигналы, причем, излучение волн и прием колебаний производят в конечном количестве точек поверхности объекта, образующих группу и расположенных в определенном и неизменном во времени порядке с заданными координатами каждой точки на поверхности объекта.

В частности, при диагностике с помощью передвижной платформы по поверхности исследуемого объекта, группу точек излучения и приема колебаний перемещают по поверхности объекта контроля, сохраняя порядок их взаимного расположения, а сигналы, принятые в нескольких соседних положениях группы, используют совместно при пространственно-временной обработке.

На фиг. 1 представлена иллюстрация группы точек излучения - приема ультразвуковых волн, расположенных на поверхности ОК.

Для плоской поверхности ОК координаты точек заданы в плоской системе координат XOY. Для каждой точки акустического контакта задана пара чисел х, у, которые хранятся в памяти и используются при вычислениях времен задержек сигналов на путях распространения УЗ сигнала от каждой точки излучения волны до отражателя и обратно к этой или другой точке приема. Реально расположение точек, естественно, определяется расположением элементов в антенной решетке, т.е. ее конструкцией и координатами центров элементов относительно выбранного начала координат.

При неплоской поверхности ОК, но такой, когда кривизна не сильно отличается от плоскости, можно использовать плоскую систему координат. Допустимая степень отличия поверхности ОК от плоскости определяется разностью расстояний между соседними точками контакта при неплоской и плоской поверхностями ОК. Эта разность не должна превышать десятой части длины поперечной волны в материале ОК.

При сильной кривизне поверхности ОК используется трехмерная система координат XYZ с тремя значениями координат каждой точки х, у, z. Координату z для каждой точки задают относительно некоторой нулевой плоскости, проходящей через начало координат.

Поперечные УЗ волны с горизонтальной поляризацией относительно поверхности ввода (SH волны) обладают весьма ценными свойствами. Они, распространяясь вглубь материала, при отражении от свободной донной и затем внешней поверхности ОК, не меняют фазу своих колебаний и не порождают трансформированных продольных волн. Коэффициент отражения их равен единице. Они не выходят за пределы твердого материала, граничащего с жидкой средой. Они распространяются вдоль свободной границы твердого тела практически без затухания. Их скорость распространения в слое материала не зависит от частоты колебаний и такая же, как в безграничном пространстве.

В отличие от поперечных волн с вертикальной поляризацией, вектор смещения частиц среды SH волн параллелен поверхности ввода ультразвука в ОК. Поэтому их невозможно излучить и принять из ОК через жидкую контактную смазку. Необходима жесткая связь УЗ преобразователя с ОК, например, склейка или пайка. Это неприемлемо практически. Можно использовать спецжидкости, но это очень неудобно. Остается только сухой точечный контакт (СТК) УЗ преобразователя с поверхностью ОК.

При использовании SH волн, направления векторов колебательных смещений (поляризации) при излучении и приеме волн одинаковы. Это нужно для того, чтобы обеспечить обзор пространства в одной плоскости, т.е. согласованно при излучении и приеме.

Конечное количество точек излучения и приема означает, что акустическая связь с ОК осуществляется не по сплошной площади, как это происходит при использовании обычного УЗ преобразователя с жидкостным контактом, а в нескольких обособленных точках акустического контакта, что возможно только при использовании преобразователей с СТК.

Эта группа точек, которые могут быть расположены произвольно на поверхности твердого материала даже случайным образом, задана координатами каждой точки на поверхности материала. Координаты известны и неизменны относительно начала координат. Для пространственно-временной обработки этого достаточно. Расположение точек в каком-либо правильном порядке, например, в узлах квадратной, прямоугольной, или треугольной сетки необязательно.

Направление вектора поляризации в общем случае может не совпадать с направлением одной из осей координат. Но чаще всего оно совпадает с одной из осей, например, с осью X.

Перемещение группы точек по поверхности ОК обеспечивает получение дополнительных реализаций УЗ колебаний из ОК в новых точках его поверхности. Эти дополнительные реализации добавляют информацию об объекте, что позволяет синтезировать апертуру УЗ системы размеров больших, чем от одного положения группы точек. Это известный принцип синтезированной апертуры.

При перемещении точек по поверхности ОК периодически производят поочередное зондирование ОК УЗ импульсами в каждой отдельной точке группы. Одновременно с посылкой зондирующего сигнала проводят прием УЗ волн сразу во всех точках поверхности ОК в течение определенного периода времени, необходимого для приема эхосигналов от самого отдаленного отражателя, который требуется обнаружить.

Перемещение точек выполняют достаточно медленно, так, чтобы в процессе зондирования ОК из всех точек группы с приемом УЗ волн смещение точек за время этого зондирования не превышало четверти длины поперечной волны. Возможен также вариант пошагового перемещения точек: при перемещении зондирование не производится, а для зондирования делается остановка. Затем снова - перемещение на следующий шаг.

Для реализации описанного способа предложены два варианта ультразвукового высокочастотного преобразователя.

Известен ультразвуковой низкочастотный преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующей жидкостью, пьезоэлемент, установленный внутри корпуса, и протектор, сопряженный с корпусом со стороны излучающей поверхности пьезоэлемента, дополнительный второй пьезоэлемент и коммутатор обеспечивают подключения пьезоэлементов синфазно или противофазно, второй пьезоэлемент расположен в корпусе симметрично первому пьезоэлементу относительно акустической оси преобразователя, а протектор выполнен с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого изделия в точке или по линии RU 2082163 С1, 1997 г.

Этот преобразователь имеет следующие недостатки: требуются очень малые размеры пьезоэлементов для получения средних и тем более высоких рабочих частот, также малые размеры поверхности протектора, на которой установлены пьезоэлементы, т.к. расстояние между пьезоэлементами должно быть минимальным. Высота пьезоэлементов выбирается приблизительно равной половине длины продольной волны в материале пьезоэлемента на рабочей частоте преобразователя. Например, при частоте 100 кГц высота пьезоэлемента примерно равна 10 мм. Поэтому для получения частоты в 1 МГц пришлось бы использовать пьезоэлемент высотой в 1 мм при еще меньших поперечных размерах.

Наиболее близким аналогом преобразователя является ультразвуковой низкочастотный преобразователь с переключением типа волн, содержащий пьезоэлемент, коммутатор, герметичный корпус с демпфирующей жидкостью и протектором в виде конуса или пирамиды, основание которых является одной из стенок корпуса, причем вершина конуса или пирамиды контактирует с объектом контроля, а высота протектора много меньше длины акустической волны, распространяющейся в его материале, пьезоэлемент закреплен внутри корпуса на протекторе, непосредственно сопряжен с основанием проектора и состоит из двух электрически изолированных друг от друга частей, монолитно соединенных между собой граничащими поверхностями, ориентированными перпендикулярно основанию проектора, коммутатор обеспечивает синфазное или противофазное включение частей пьезоэлемента, причем при противофазном включении частей пьезоэлемент совершает изгибные колебания, вход коммутатора является входом преобразователя, а выходы коммутатора подключены к соответствующим выводам частей пьезоэлемента - RU 2224250 С2, 2004 г.

Недостаток известного низкочастотного УЗ преобразователя заключается в невозможности его применения на средних и высоких частотах. Низкими частотами в УЗ контроле считают диапазон от 20 до 150-200 кГц. Длины волн - единицы сантиметров. Диапазон от 200 кГц до 1 МГц можно условно отнести к средним частотам. А выше 1 МГц - это высокие частоты.

Сделать преобразователь, устроенный аналогично прототипу, т.е. на изгибных колебаниях пьезоэлемента, даже на средние частоты не удается. Все размеры преобразователя получаются чрезвычайно малыми, что нетехнологично.

Предлагаемый преобразователь может работать на частотах выше 200 кГц и даже на мегагерцах. Все зависит от его размеров и толщины пьезоэлемента.

Техническая задача, решаемая преобразователями - работа на поперечных волнах с горизонтальной поляризацией без использования специальных контактных смазок с возможностью сканирования по поверхности ОК при технологически реализуемых габаритных размерах.

Эта задача в первом варианте решена так, что в ультразвуковом преобразователе, содержащем герметичный корпус с демпфирующей жидкостью и пьезоэлемент, установленный внутри корпуса на протектор, жестко связанный с корпусом и выполненный с возможностью механического контакта с поверхностью контролируемого объекта в точке, совпадающей с проекцией центра протектора на поверхность объекта, указанный пьезоэлемент обладает сдвиговыми колебаниями по толщине с вектором смещений, направленным параллельно поверхности контролируемого объекта, размер протектора от поверхности установки пьезоэлемента до точки контакта не превышает длины поперечной волны в материале протектора на рабочей частоте преобразователя, а удельные волновые сопротивления материалов протектора, корпуса и пьезоэлемента отличаются друг от друга не более чем на 20% от среднего арифметического значения их удельных волновых сопротивлений.

В частном исполнении, в качестве материала протектора использована керамика на основе окиси алюминия.

Эта задача во втором варианте решена так, что ультразвуковой преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующей жидкостью и первый пьезоэлемент, установленный внутри корпуса на протектор, жестко связанный с корпусом и выполненный с возможностью механического контакта с поверхностью контролируемого объекта в точке, совпадающей с проекцией центра протектора на поверхность объекта, дополнительно содержит второй пьезоэлемент, оба пьезоэлемента размещены по сторонам протектора симметрично относительно нормали к поверхности контролируемого объекта, проходящей через точку контакта протектора с объектом, векторы смещений пьезоэлементов параллельны поверхности контролируемого объекта и направлены в одну сторону, расстояние от центра каждого пьезоэлемента до точки контакта не превышает длины поперечной волны в материале протектора на рабочей частоте преобразователя, а удельные волновые сопротивления материалов протектора, корпуса и каждого пьезоэлемента отличаются друг от друга не более чем на 20% от среднего арифметического значения их удельных волновых сопротивлений.

В частном исполнении, в качестве материала протектора использована керамика на основе окиси алюминия.

На фиг. 2 показана конструкция в разрезе первого варианта УЗ преобразователя: слева - фронтальный вид, справа - вид сбоку, на фиг. 3 - конструкция в разрезе второго варианта УЗ преобразователя с аналогичным расположением видов.

Преобразователи по фиг. 2 и 3 содержат герметичный корпус 1 с демпфером 2 (демпфирующей жидкостью) и пьезоэлемент 3, установленный внутри корпуса 1 на протектор 4, жестко связанный с корпусом 1 и выполненный с возможностью механического контакта с поверхностью контролируемого объекта (не показан) в точке, совпадающей с проекцией центра протектора 4 на поверхность объекта.

Второй вариант УЗ преобразователя по фиг. 3, кроме первого пьезоэлемента 3, дополнительно содержит второй пьезоэлемент 5, (вид справа), оба пьезоэлемента - 3 и 5 размещены по сторонам протектора 4 симметрично относительно нормали к поверхности контролируемого объекта, проходящей через точку контакта протектора с объектом.

УЗ преобразователь с СТК позволяет передавать в твердый материал касательные к поверхности материала колебательные смещения точки контакта - конца контактного наконечника или протектора. Точка контакта жестко связана с материалом ОК благодаря прижиму наконечника в поверхности ОК с некоторой силой. Проскальзывания нет, т.к. смещения очень малы. В результате в материале ОК возникают SH волны, которые распространяются практически во все стороны в объем материала от точки возбуждения. Прием волн также возможен при обратной передаче колебаний от ОК к контактному наконечнику преобразователя.

Диаграммы направленности преобразователя с СТК различны в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, содержащих нормаль к поверхности ОК.

В плоскости, совпадающей с вектором смещений контактного наконечника преобразователя, диаграмма направленности имеет вид, близкий к окружности, касающейся поверхности ОК в точке акустического контакта преобразователя с ОК. Излучения SH волн в направлениях вдоль вектора смещений нет. А по мере отклонения направления излучения от направления вектора смещений амплитуда волн растет. И в направлении, перпендикулярном к вектору смещений, амплитуда колебаний в волне максимальна.

В плоскости, перпендикулярной вектору смещений, диаграмма направленности представляет собой полуокружность с центром в точке акустического контакта, т.е. амплитуда колебаний в SH волне не меняется в зависимости от направления.

В объеме диаграмма направленности имеет тороидальный вид. Точнее - это полутор, т.к. УЗ волны распространяются только в материале (в полупространстве).

Такая форма диаграммы направленности УЗ преобразователя с СТК является очень хорошей для УЗ контроля, т.к. SH волны в плоскости, перпендикулярной вектору смещений, распространяются по всем направлениям одинаково: как в одну сторону от преобразователя, так и в другую, включая и направление по нормали к поверхности ОК.

В заявляемом преобразователе используется пьезоэлемент с колебаниями сдвига по толщине. Его одна поверхность с электродом сдвигается в одну сторону, а противоположная поверхность - в другую сторону при подаче на обкладки электрического напряжения. Эти поверхности на фиг. 2 расположены горизонтально и перпендикулярно плоскости рисунка. Толщина пьезоэлемента является резонансным размером. Ею определяется рабочая частота пьезоэлемента.

На спектр зондирующего импульса (на форму импульса) кроме пьезоэлемента 3 (или 3 и 5) влияет также протектор 4 и корпус 1 преобразователя. В протекторе 4 происходит отражение колебаний от его границ. Часть энергии колебаний уходит в корпус 1. Для получения возможно меньшего уровня реверберационного шума преобразователя, пьезоэлементы 3, 5, протектор 4 и стенки корпуса 1 задемпфированы жидким демпфером 2. Чтобы реверберационные колебания в пьезоэлементах 3, 5 и протекторе 4 эффективно уходили в корпус 1 для их поглощения в демпфере 2, волновые сопротивления материалов этих элементов должны быть как можно ближе друг к другу. Отличие в 20% этих сопротивлений от среднего значения отвечает этому требованию. При больших отличиях реверберационный шум преобразователя возрастает.

Высоту h протектора 4 аналогично прототипу желательно выбирать минимальной. Но выполнить ее много меньше длины волны на средних и тем более - на высоких частотах трудно или невозможно. Малая высота h обеспечивает минимальное количество дополнительных колебаний протектора 4, возникающих в нем после импульса возбуждения. Это нужно для получения зондирующего импульса минимальной длительности (с минимумом колебаний). Если высота h много меньше длины волны X, то дополнительных колебаний нет, и зондирующий импульс будет наиболее короткий.

При высоте h, не превосходящей длину волны λ, колебания в протекторе 4 возникают, но на короткое время, несущественно удлиняя зондирующий импульс. Этому способствует и форма протектора, не имеющая в вертикальном направлении параллельных плоскостей, между которыми могли бы отражаться волны. Кроме того, колебания ослабляются демпфером 2. Высота h протектора 4, превышающая длину волны X, уже может стать причиной добавления в зондирующий сигнал шумовых выбросов, отстоящих от основного импульса на время, определяемое временем пролета сигнала по высоте протектора.

Для того, чтобы протектор 4 был технологически выполнимым, т.е. не микроскопически малым, его материал должен иметь как можно большую скорость распространения ультразвука. Этому отвечает керамика на основе окиси алюминия. Скорость распространения поперечных волн в ней порядка 5700 м/с. Кроме того, эта керамика по волновому сопротивлению близка к пьезокерамике.

Размеры пьезоэлемента в плане (при виде сверху на преобразователь) не должны быть намного больше его толщины, т.к. это не увеличивает амплитуду зондирующего импульса, а только увеличивает реверберационный шум. Форма пьезоэлемента 3 в плане может быть любой: прямоугольник, квадрат, круг или многоугольник. Ее можно выбирать из технологических предпочтений. Тоже относится и к форме протектора 4. Однако в любом случае размеры протектора 4 в плане должны быть минимальными, исходя из конструктивных возможностей.

Точечный контакт протектора 4 с поверхностью ОК обеспечивается малыми в сравнении с длиной волны размерами точки контакта. Поэтому протектор имеет острый кончик. Если размеры контакта соизмеримы с длиной волны, то точка контакта станет неопределенной, и ее положение будет зависеть от шероховатости поверхности ОК. Материал протектора 4 имеет высокую твердость, поэтому он мало изнашивается, и размеры точки контакта со временем почти не увеличиваются.

Отличие конструкции УЗ преобразователя по второму варианту (см. фиг. 3) от первого заключается в том, что второй пьезоэлемент 5, работая синфазно с первым пьезоэлементом 3, обеспечивает повышенную амплитуду зондирующего импульса. Так же и при приеме колебаний амплитуда принятого сигнала больше, чем от одного пьезоэлемента при таких же смещениях поверхности ОК. Но конструктивно такой преобразователь сложнее.

Преобразователь по первому варианту, представленный на фиг. 2, работает следующим образом.

При подаче на электроды пьезоэлемента 3 импульса электрического напряжения, пьезоэлемент 3 совершает колебания сдвига, повторяющие форму импульса возбуждения. Поверхность пьезоэлемента 3, связанная с поверхностью протектора 4, смещает эту поверхность протектора 4, и колебания через контактный наконечник протектора 4 передаются в объект контроля. После окончания импульса возбуждения пьезоэлемент 3 и протектор 4 по инерции продолжают колебаться. Энергия этих нежелательных колебаний передается в демпфер 2 и в стенки корпуса 1, через которые часть энергии этих колебаний также передается в демпфер 2. Демпфер 2, обладая достаточно высоким волновым сопротивлением и большим затуханием ультразвука, поглощает реверберационные колебания пьезоэлемента 3 и протектора 4. В режиме приема все происходит в обратном порядке: касательные колебания поверхности контролируемого объекта передаются через протектор 4 к пьезоэлементу 3, который преобразует эти колебания в электрические сигналы.

Преобразователь по второму варианту, показанный на фиг. 3, работает аналогично. Только протектор 4 получает колебания сразу от обоих пьезоэлементов: первого пьезоэлемента 3 и второго пьезоэлемента 5, поверхности которых, связанные с поверхностями протектора 4, совершают синфазные сдвиговые колебания. При приеме акустических сигналов из объекта контроля, колебания протектора 4 передаются обоим пьезоэлементам 3, 5, на электродах которых возникают синфазные электрические сигналы.

Оба варианта преобразователя, работающие по предлагаемому способу УЗ контроля, могут быть использованы для создания антенной решетки (АР) с усовершенствованными характеристиками.

Известно устройство ультразвуковой томографии, содержащее антенную решетку с n приемно-передающими элементами, каждый из которых соединен с выходом соответствующего генератора импульсов и входом соответствующей цепочки последовательно соединенных усилителя и аналого-цифрового преобразователя, выход каждой из n указанных цепочек соединен с соответствующим входом памяти реализации, количество выходов которой - N определяется формулой N=n⋅(n+1)/2, выходы памяти реализации соединены с соответствующими входами вычислительного блока, связанного с дисплеем через память изображения, при этом входы синхронизации каждого генератора импульсов, памяти реализации, вычислительного блока и памяти изображения соединены с соответствующими выходами синхронизатора, а также - соединенный с вычислительным блоком блок накопительной памяти, суммирующий для каждой точки изображения все фрагменты реализаций, времена задержки которых соответствуют временам распространения ультразвуковых сигналов как без отражений, так и с переотражениями их от границ объекта контроля - RU 2458342 С1, 2012 г.

При неточечном контакте приемно-передающих элементов в известном устройстве нужна контактная жидкость. Поэтому при использовании поперечных волн может быть только вертикальная поляризация со всеми изложенными ранее недостатками.

Наиболее близким аналогом антенной решетки является ультразвуковая антенная решетка в виде двухмерной матрицы, содержащая установленные в корпусе УЗ 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, каждый из УЗ преобразователей выполнен с протектором, обеспечивающим точечный или линейный контакт с контролируемым изделием и с прижимным механизмом с возможностью возвратно-поступательного перемещения УЗ преобразователя перпендикулярно рабочей поверхности антенной решетки - RU 2080592 С1, 1997 г.

Недостаток известной АР состоит в том, что в ней не предусмотрены средства, обеспечивающие одинаковую пространственную ориентацию преобразователей при их возвратно-поступательном перемещении. Одинаковая ориентация преобразователей необходима для того, чтобы векторы колебательных смещений их контактных наконечников всегда оставались параллельны. Тогда направления излучения и приема поперечных волн с горизонтальной поляризацией каждого преобразователя будут согласованы в пространстве, и эхосигналы от любой пары преобразователей излучатель - приемник будут максимальны по амплитуде при минимуме помех от других типов ультразвуковых волн.

Техническая задача, решаемая предлагаемой АР состоит в возможности работы на поперечных волнах с горизонтальной поляризацией без использования специальных контактных смазок с возможностью сканирования по поверхности ОК.

Эта задача решена в антенной решетке, содержащей УЗ преобразователи, установленные в корпусе на прижимных механизмах с возможностью возвратно-поступательного перемещения перпендикулярно рабочей поверхности антенной решетки, каждый преобразователь оснащен выводами для подключения к внешнему электронному оборудованию, все преобразователи выполнены в соответствии с предложенными вышеописанными двумя вариантами конструкций УЗ преобразователей, ориентированы в пространстве одинаково, а шаг решетки лежит в пределах от одного до полутора интервалов пространственной корреляции структурного шума материала объекта контроля или, при отсутствии шума, не превышает пяти длин поперечных волн в материале объекта на рабочей частоте решетки.

В частном случае исполнения АР вывод каждого УЗ преобразователя для его подключения к внешнему электронному оборудованию выполнен экранированным.

На фиг. 4 показан вариант конструктивного исполнения АР при виде на сторону, вдоль которой расположены четыре преобразователя; на фиг. 5 - АР при виде на сторону с большим количеством преобразователей, в частности, с шестнадцатью преобразователями. Показаны не все, а только шесть.

Преобразователи на фиг. 4 показаны в разрезе. Они содержат корпус 1, демпфер 2, пьезоэлемент 3 и протектор 4. Все преобразователи установлены в пазах станины 6 антенной решетки. Пазы служат направляющими для возвратно-поступательного перемещения в них преобразователей. Пазы так же предотвращают поворот преобразователей вокруг своих осей. Для подпружинивания преобразователей служат пружинные контакты 7 электрических разъемов 8. Второй слева преобразователь на фиг. 4 показан вдвинутым внутрь станины 6 в положении, когда пружины контактов 7 сжаты.

Используя множество УЗ преобразователей с СТК (двумерную антенную решетку) можно путем только пространственно-временной обработки сигналов от этих преобразователей (решетки) получать любую функцию направленности решетки в диапазоне углов от минус 90 до плюс 90 градусов. А используя фокусировку такой решетки в каждую точку полупространства, можно реконструировать томограммы ОК.

Использование прижимных механизмов у каждого преобразователя АР и их возвратно-поступательного перемещения необходимо для того, чтобы обеспечить акустический контакт всех преобразователей с неплоской и шероховатой поверхностью ОК.

Одинаковая ориентация всех преобразователей нужна для того, чтобы SH волны распространялись от каждого преобразователя в одинаковом направлении. При приеме - то же самое. Тогда эффект пространственно-временной обработки принятых сигналов будет наилучшим. Наилучшим будет и качество реконструированного изображения сечения материала ОК.

Шаг расположения преобразователей в АР обычно выбирают в соответствии с интервалом корреляции структурного шума материала ОК. Выбор пределов от одного до полутора этих интервалов оптимален с точки зрения получения максимального отношения полезных сигналов к структурному шуму при минимальном количестве преобразователей в решетке. Интервал корреляции структурного шума обычно соизмерим с длиной УЗ волны. Он может быть близок к половине длины волны. Поэтому шаг решетки получается порядка одной - полутора длин волн, что удовлетворяет условию малости побочных образов на изображении (артефактов) (аналогов побочных боковых лепестков диаграммы направленности нефокусируемой АР).

Если структурный шум материала отсутствует или он мал и им можно пренебречь, то шаг АР можно выбирать в большем диапазоне, исходя только из допустимого уровня артефактов изображения. Причем от количества преобразователей в АР этот уровень зависит: чем больше преобразователей при неизменных размерах апертуры, тем уровень артефактов ниже. Поэтому сильно прореженные решетки имеют заметный уровень артефактов в сравнении с уровнем полезных образов от обнаруживаемых отражателей. Исходя из этих условий, максимально допустимый шаг решетки не должен превышать величину в пять длин поперечных волн.

Использование поперечных волн с горизонтальной поляризацией позволяет реконструировать изображения внутренней структуры ОК в полном диапазоне углов (±90 градусов), а также измерять толщину ОК в зоне расположения антенной решетки.

Антенная решетка работает следующим образом.

В начальный момент времени на первый ее преобразователь от генератора импульсов возбуждения поступает электрический импульс, который преобразуется в акустический сигнал. И этот преобразователь излучает сигнал в ОК. Сразу же после этого все преобразователи АР начинают прием акустических колебаний из ОК. Эти колебания, преобразуемые в электрические сигналы, после усиления в приемных трактах аппаратуры записываются в память. Далее весь процесс излучения и приема сигналов повторяется последовательно для всех остальных элементов АР. Записанный массив сигналов подвергается пространственно-временной обработке, в результате которой в памяти аппаратуры реконструируется изображение внутренней структуры материала контролируемого объекта. В процессе перемещения АР по поверхности контролируемого объекта в каждом новом ее положении на объекте изложенный процесс повторяется. Новые записанные в памяти сигналы также используются в пространственно-временной обработке, при которой реконструируемое изображение достраивается новыми зонами внутренней структуры объекта контроля.

Предлагаемыми объектами решена техническая задача расширения функциональных возможностей системы неразрушающего контроля с одновременным улучшением ее дефектоскопических и эксплуатационных характеристик: возможность возбуждения в ОК и приема из него поперечных волн с горизонтальной поляризацией, что позволяет использовать все преимущества УЗ волн такого типа. Конструктивным исполнением преобразователей, реализующих данный способ, решена задача работы на поперечных волнах с горизонтальной поляризацией без использования специальных контактных смазок с возможностью сканирования по поверхности ОК при технологически реализуемых габаритных размерах. Создание антенной решетки, использующей предложенные преобразователи, также позволяет работать на поперечных волнах с горизонтальной поляризацией без использования специальных контактных смазок с возможностью сканирования по поверхности ОК.

1. Способ ультразвукового контроля объектов из твердых материалов, согласно которому производят излучение импульсов ультразвуковых волн под разными углами к поверхности объекта, принимают эхо-сигналы от границ и различных неоднородностей материала объекта с разных направлений и путем пространственно-временной обработки принятых сигналов получают распределение отражающей способности точек структуры материала объекта вдоль линии, или на плоскости, или в объеме контролируемой части объекта, по которому судят о дефектности объекта контроля, отличающийся тем, что излучают поперечные ультразвуковые волны с горизонтальной поляризацией путем создания на поверхности объекта касательных к поверхности колебательных сил, принимают колебания ультразвуковых поперечных волн с таким же направлением поляризации, как у излученных волн путем преобразования касательных к поверхности объекта колебательных смещений материала в электрические сигналы, причем излучение волн и прием колебаний производят в конечном количестве точек поверхности объекта, образующих группу и расположенных в определенном и неизменном во времени порядке с заданными координатами каждой точки на поверхности объекта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что группу точек излучения и приема колебаний перемещают по поверхности объекта контроля, сохраняя порядок их взаимного расположения, а сигналы, принятые в нескольких соседних положениях группы, используют совместно при пространственно-временной обработке.

3. Ультразвуковой преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующей жидкостью и пьезоэлемент, установленный внутри корпуса на протектор, жестко связанный с корпусом и выполненный с возможностью механического контакта с поверхностью контролируемого объекта в точке, совпадающей с проекцией центра протектора на поверхность объекта, отличающийся тем, что пьезоэлемент обладает сдвиговыми колебаниями по толщине с вектором смещений, направленным параллельно поверхности контролируемого объекта, размер протектора от поверхности установки пьезоэлемента до точки контакта не превышает длины поперечной волны в материале протектора на рабочей частоте преобразователя, а удельные волновые сопротивления материалов протектора, корпуса и пьезоэлемента отличаются друг от друга не более чем на 20% от среднего арифметического значения их удельных волновых сопротивлений.

4. Ультразвуковой преобразователь по п. 3, отличающийся тем, что в качестве материала протектора использована керамика на основе окиси алюминия.

5. Ультразвуковой преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующей жидкостью и первый пьезоэлемент, установленный внутри корпуса на протектор, жестко связанный с корпусом и выполненный с возможностью механического контакта с поверхностью контролируемого объекта в точке, совпадающей с проекцией центра протектора на поверхность объекта, отличающийся тем, что дополнительно введен второй пьезоэлемент, оба пьезоэлемента размещены по сторонам протектора симметрично относительно нормали к поверхности контролируемого объекта, проходящей через точку контакта протектора с объектом, векторы смещений пьезоэлементов параллельны поверхности контролируемого объекта и направлены в одну сторону, расстояние от центра каждого пьезоэлемента до точки контакта не превышает длины поперечной волны в материале протектора на рабочей частоте преобразователя, а удельные волновые сопротивления материалов протектора, корпуса и каждого пьезоэлемента отличаются друг от друга не более чем на 20% от среднего арифметического значения их удельных волновых сопротивлений.

6. Ультразвуковой преобразователь по п. 5, отличающийся тем, что в качестве материала протектора использована керамика на основе окиси алюминия.

7. Антенная решетка, содержащая ультразвуковые преобразователи, установленные в корпусе на прижимных механизмах с возможностью возвратно-поступательного перемещения перпендикулярно рабочей поверхности антенной решетки, каждый преобразователь оснащен выводами для подключения к внешнему электронному оборудованию, отличающаяся тем, что все преобразователи выполнены в соответствии с конструкцией по п. 3 или 5 и ориентированы в пространстве одинаково, а шаг решетки лежит в пределах от одного до полутора интервалов пространственной корреляции структурного шума материала объекта контроля или, при отсутствии шума, не превышает пяти длин поперечных волн в материале объекта на рабочей частоте решетки.

8. Антенная решетка по п. 7, отличающаяся тем, что вывод каждого преобразователя для его подключения к внешнему электронному оборудованию выполнен экранированным.