УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к исследованию материалов с помощью ультразвуковых колебаний, в частности к средствам ультразвукового контроля материалов и изделий, и предназначено для обнаружения дефектов типа трещин, пор, непроваров сварных соединений различных изделий.

Известны схемы оценки акустического контакта, описанные в книге "Методы акустического контроля металлов", Москва, Машиностроение, 1989 г., с.185-186, рис.4.2. б, в, которые основаны на измерении амплитуды донного эхо-сигнала вспомогательной продольной волной при рабочей поперечной.

Недостатком указанных схем являются разнотипность рабочей волны (поперечной) и акустического контакта (продольной), разная величина их длин волн при одинаковой частоте возбуждения, что приводит к неидентичности изменения уровня рабочей чувствительности при изменении уровня сигнала акустического контакта.

По схеме контроля наиболее близок преобразователь, описанный в a.c. SU N 1298651 A1, кл. G 01 N 29/04, однако в этом преобразователе отсутствует функция слежения за наличием и уровнем акустического контакта.

Задачей предлагаемого решения является создание преобразователя, повышающего достоверность ультразвукового контроля за счет отображения на экране дефектоскопа сигнала акустического контакта, уровень которого идентично зависит от изменения рабочей чувствительности, при этом его можно регулировать, устанавливая, например, на уровне браковочного сигнала.

Поставленная задача достигается тем, что в раздельно-совмещенном преобразователе, содержащем корпус, наклонные призмы - первую (заднюю) и вторую (переднюю) с закрепленными первым и вторым пьезоэлементами, акустический экран, подстроечное устройство, на передней грани второй призмы дополнительно устанавливается третий пьезоэлемент, который направлен встречно первому и подключен ко второму через подстроечное устройство, которое позволяет регулировать амплитуду сигнала акустического контакта, а параметры третьего пьезоэлемента и угла ввода излучаемых им ультразвуковых волн выбирают такими, чтобы соблюдалось условие идентичности изменения уровня акустического контакта и рабочей чувствительности.

На фиг. 1 изображена схема преобразователя, на фиг. 2 - схема подключения подстроечного устройства, на фиг. 3 - экран дефектоскопа с импульсами акустического контакта и от дефекта.

Ультразвуковой раздельно-совмещенный пьезопреобразователь (ПЭП) содержит пьезоэлементы 1, 2, 3 (причем пьезоэлементы 2 и 3 включены параллельно), подстроечное устройство 4, подключенное последовательно к пьезоэлементу 3, призмы 5 и 6, на которые крепятся пьезоэлементы 1, 2, 3 под соответствующими углами наклона призм β₁, β₂, β₃, причем передняя грань призмы 6 может быть выполнена такой, чтобы изменять угол наклона призмы β₃ и ввода α₃ с неизменной точкой ввода, например, полукруглой по известной конструкции, описанной в книге "Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля" Москва, "Машиностроение", 86 г., с. 221, чтобы обеспечивать изменение угла наклона пьезоэлемента 3 путем перемещения пьезоэлемента 3 по поверхности передней грани призмы 6, акустический экран 11, корпус 12 и разъемы 13. Пьезоэлемент 1 и призма 5 составляют основу заднего ПЭП 8, пьезоэлементы 2, 3, подстроечное устройство 4 и призма 6 - переднего ПЭП 7.

Преобразователь расположен на изделии 9 с изображенным схематично дефектом 10.

Расстояние "b" между точками ввода призм 5 и 6 пьезоэлементов 1 и 2 выбирается исходя из условия
b < H[tg(α₁+θ₁)-tg(α₂-θ₂)],
где α₁, α₂ - углы ввода ультразвуковых волн приемного заднего ПЭП 8 и излучающего переднего ПЭП 7 соответственно;
θ₁, θ₂ - углы раскрытия диаграмм направленностей пьезоэлементов 1, 2 соответственно;
H - толщина изделия.

Преобразователь работает следующим образом.

Подключают преобразователь к дефектоскопу 14 так, чтобы параллельно включенные пьезоэлементы 2 и 3 работали на излучение, а пьезоэлемент 1 - на прием ультразвуковых волн (фиг. 1, 2). На поверхность настроечного образца с контрольным отражателем и контролируемого изделия, одинаковых по толщине, наносится контактная жидкость и сначала устанавливают преобразователь на настроечный образец, сканируя по поверхности которого, находят максимальный эхо-сигнал от контрольного отражателя. Далее, изменяя угол наклона призмы β₃ пьезоэлемента 3 и тем самым изменяя угол ввода α₃, находят максимальный эхо-сигнал, отраженный от дна изделия 9 и принятый пьезоэлементом 1 по зеркально-теневой схеме контроля (импульс 15 акустического контакта). Ультразвуковые волны, проходящие в изделие 9 от пьезоэлементов 2, 3, - однотипные, например, поперечные.

Затем подстроечным устройством 4 (фиг.1, 2), в качестве которого может быть применено переменное сопротивление, изменяют величину этого сопротивления и тем самым регулируют амплитуду импульса 15 (фиг.3) до заданного значения, например, браковочного уровня, приравнивая его к амплитуде импульса 16 от контрольного отражателя.

Далее устанавливают преобразователь на контролируемое изделие и производят сканирование по его поверхности вдоль сварного соединения. Если шероховатость поверхности изделия 9 и настроечного образца идентична, то амплитуда импульса 15 акустического контакта такая же, как и при настройке. Если шероховатость поверхности изделия отличается от шероховатости поверхности настроечного образца, то амплитуда импульса 15 изменится, при этом величина импульса 15 будет равна браковочному уровню чувствительности.

При обнаружении дефекта 10 измеряют его максимальную амплитуду (импульс 16) и сравнивают с импульсом 15 сигнала акустического контакта, равного по величине браковочному уровню независимо от состояния контролируемой поверхности.

Для обеспечения изменения уровня акустического контакта при аналогичном изменении чувствительности, вызванного, например, изменением шероховатости поверхности изделия, необходимо выполнить следующие условия:
1) R₃=R₂ (1), R₃'=R₁ (2),
где R₁, R₂, R₃ - зоны пересечения диаграмм направленностей первого 1, второго 2 и третьего 3 пьезоэлементов соответственно с рабочей поверхностью преобразователя;
R₃' - зона пересечения диаграммы направленности (ДН) третьего пьезоэлемента 3 с поверхностью изделия 9 под призмой 5 при распространении ультразвуковых волн, идущих от третьего пьезоэлемента и отраженных от дна изделия, в направлении к первому пьезоэлементу 1,
2) точки ввода ультразвуковых волн пьезоэлементов 2 и 3 должны совпадать;
3) точка ввода ультразвуковой волны пьезоэлемента 1 и максимум энергии (точка выхода ультразвуковой волны из изделия на призму 5 ПЭП 8) импульса акустического контакта должны совпадать, что фактически выполняется при соблюдении условия
α₃ = arctg[b/2H], (3)
где H - толщина изделия;
b - расстояние между точками ввода переднего 7 и заднего 8 ПЭП.

Чтобы импульсы акустического контакта 15 и от дефекта 16 не сливались на экране дефектоскопа, т. е. приходили в разное время, необходимо выполнить условие
t_aк±Δt ≠ t_д, (4)
где t_ак - время прихода импульса акустического контакта;
t_д - время прихода импульса от дефекта;
Δt - длительность импульса,
или более развернуто:
, (5)
где t_з3 - время распространения ультразвуковой волны от пьезоэлемента 3 до поверхности изделия 9 (время задержки в призме);
t_з2 - то же для пьезоэлемента 2;
α₁, α₂, α₃ - углы ввода ультразвуковых волн (у.з.) пьезоэлементов 1, 2, 3 соответственно;
θ₁, θ₂ - углы раскрытия диаграмм направленностей пьезоэлементов 1, 2 соответственно;
n - количество переотражений от дна у.з. волны акустического контакта;
H - толщина изделия;
C_t - скорость распространения поперечной волны в изделии.

ПРИМЕР
Контролируют изделие с толщиной стенки Н=10 мм, преобразователем с параметрами (диаметры и частоты пьезоэлементов 1 и 2): 2a₁ = 2а₂ = 10 мм; f₁ = f₂ = 5 МГц;
угол ввода α₁ = α₂ = 75^o; b = 22 мм;
углы раскрытия ДН (определены эмпирически) θ₁ = θ₂ = 7^o;
время распространения t_з1 = t_з2 = t_з3 = 5 мкс;
длительность импульса Δt = 1 мкc.
Требуется для частоты f = 5 МГц найти параметры третьей пьезопластины: β₃ - угла наклона призмы, α₃ - угла ввода, 2а₃ - диаметра пьезоэлемента для обеспечения вышеперечисленных условий.

РЕШЕНИЕ
Для обеспечения условия (1) R₃ = R₂ необходимо выбрать диаметр третьего пьезоэлемента равным:
2a₃ = 2a₂•cosβ₃/cosβ₂, (6)
где β₂, β₃ - углы наклона призмы пьезоэлементов 2 и 3 соответственно;
β₃ = arcsin[sinα₃•C_lпp/C_t] (7), из закона синусов,
здесь C_1пр - скорость продольной волны в призме,
C_t - скорость поперечной волны в изделии.

Подставляя (3) в (7), а (7) в (6), получаем
, (8)
Численные значения из формул (3), (7), (8):
2а₃ = 14 мм.

Для обеспечения условия (2): R₃' = R₁ необходимо, чтобы путь у. з. волны акустического контакта находился в ближней зоне третьего пьезоэлемента, т.е. выполнялось условие
rб3 = (a²•f/C_t)•cosα₃/cosβ₃ > 2H/cosα₃. (9)
Численно: 42,3 мм > 29,7 мм, т.е. условие (9) выполняется.

Осталось проверить время прихода импульсов 1 и 2 (см. фиг. 3) по формуле (5). Численно: 14,1 ± 1 мкс ≠ 35,2 мкс, т.е. условие (5) выполняется.

Изобретение относится к исследованиям материалов с помощью ультразвуковых колебаний и может быть использовано для обнаружения дефектов в сварных швах. Повышение достоверности ультразвукового контроля достигается за счет того, что ультразвуковой преобразователь содержит первую и вторую призмы с закрепленными на них первым и вторым пьезоэлементами соответственно, расположенные на заданном расстоянии. Третий пьезоэлемент установлен на второй призме навстречу к первому пьезоэлементу и включен через подстроечное устройство для обеспечения регулирования амплитуды импульса акустического контакта с углом ввода излучаемых им ультразвуковых волн α₃= arctg[b/2H], H - толщина изделия, b - расстояние между точками ввода ультразвуковых волн от первого и второго пьезоэлементов. Точки ввода ультразвуковых волн второго и третьего пьезоэлементов совпадают и R₃=R₂, R'₃=R₁, где R₁, R₂, R₃ - зоны пересечения диаграмм направленности первого, второго и третьего пьезоэлементов с рабочей поверхностью преобразователя, R'₃ - зона пересечения диаграммы направленности третьего пьезоэлемента с поверхностью изделия под первой призмой при распространении ультразвуковых волн, идущих от третьего пьезоэлемента и отраженных от дна изделия, в направлении к первому пьезоэлементу. Кроме того, t_ак± Δt ≠ t_д, где t_ак - время прихода импульса акустического контакта, t_д - время прихода импульса от дефекта, Δt - длительность импульса. 3 ил.

Ультразвуковой преобразователь, содержащий первую и вторую призмы с закрепленными на них первым и вторым пьезоэлементами соответственно, расположенные на заданном расстоянии, отличающийся тем, что он снабжен третьим пьезоэлементом, установленным на второй призме навстречу к первому пьезоэлементу и включенным через подстроечное устройство для обеспечения регулирования амплитуды импульса акустического контакта с углом ввода излучаемых им ультразвуковых волн α₃, определенным по формуле
α₃ = arctg[b/2H],
где Н - толщина изделия;
b - расстояние между точками ввода ультразвуковых волн от первого и второго пьезоэлементов,
причем точки ввода ультразвуковых волн второго и третьего пьезоэлементов совпадают и выполняются следующие условия:
R₃ = R₂, R'₃ = R₁,
где R₁, R₂, R₃ - зоны пересечения диаграмм направленности первого, второго и третьего пьезоэлементов с рабочей поверхностью преобразователя;
R'₃ - зона пересечения диаграммы направленности третьего пьезоэлемента с поверхностью изделия под первой призмой при распространении ультразвуковых волн, идущих от третьего пьезоэлемента и отраженных от дна изделия, в направлении к первому пьезоэлементу, и
t_aк±Δt ≠ t_д
где t_ак - время прихода импульса акустического контакта;
t_д - время прихода импульса от дефекта;
Δt - длительность импульса.