СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ТРЕЩИН В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ Российский патент 2006 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к неразрушающему контролю твердых тел с помощью акустических волн, а именно к способам обнаружения трещин в твердом теле.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ обнаружения трещин в твердом теле (см. патент РФ на изобретение №2219538, «Способ обнаружения трещин в твердом теле» авторов Ерилина Е.С. и др., М. кл.⁶ G 01 N 29/04, опубл. 27.01.02, бюл. №3), который заключается в том, что посредством ударного воздействия в твердом теле возбуждают упругие колебания на собственных частотах и измеряют их амплитуды, на основании которых определяют коэффициент наличия трещины, по превышению которым порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о наличии трещин.

Недостаток способа заключается в том, что для получения волн на комбинационных частотах используют возбуждение в твердом теле монохроматической ультразвуковой волны и обнаружение трещины происходит за счет волн, обусловленных нелинейным взаимодействием на ней ультразвуковой волны и колебания на собственных частотах, а это требует использования генератора монохроматического сигнала, усилителя мощности ультразвукового сигнала, пьезоэлектрического излучателя и трудоемкой операции приклеивания излучателя к поверхности твердого тела, а это приводит к усложнению и удорожанию способа.

Задачей настоящего изобретения является упрощение и удешевление способа.

Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения трещин в твердом теле, заключающемся в том, что посредством ударного воздействия в твердом теле возбуждают упругие колебания на собственных частотах и измеряют их амплитуды, на основании которых определяют коэффициент наличия трещины, по превышению которым порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о наличии трещин, регистрируют временную реализацию упругих колебаний на собственных частотах, которую разбивают на последовательные временные отрезки и в каждом из них вычисляют преобразование Фурье, и в полученном спектре определяют максимальную амплитуду, которую сравнивают с максимальной амплитудой упругих колебаний на первом временном отрезке и от полученной нормированной временной последовательности максимальных амплитуд вычисляют амплитудный спектр, по которому определяют конечные разности второго порядка, максимальное значение которых принимают за коэффициент наличия трещин.

Такое выполнение способа, при котором регистрируют временную реализацию упругих колебаний на собственных частотах, которую разбивают на последовательные временные отрезки и в каждом из них вычисляют преобразование Фурье, и в полученном спектре определяют максимальную амплитуду, которую сравнивают с максимальной амплитудой упругих колебаний на первом временном отрезке и от полученной нормированной временной последовательности максимальных амплитуд вычисляют амплитудный спектр, по которому определяют конечные разности второго порядка, максимальное значение которых принимают за коэффициент наличия трещины, позволяет использовать для вычисления коэффициента наличия трещины только результаты измерений на собственных частотах, что уменьшает диапазон частот измеряемого сигнала, позволяет использовать микрофоны вместо пьезоакустических преобразователей, отказаться от трудоемкой операции приклеивания, не накладывать дополнительных требований на коэффициент нелинейности усилителя принимаемого сигнала, не требует наличия генератора и усилителя мощности ультразвукового сигнала, что приводит к упрощению и удешевлению способа.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства для осуществления способа обнаружения трещин в твердом теле.

На фиг.2 изображена трехмерная спектрограмма оси с трещиной.

На фиг.3 изображена трехмерная спектрограмма оси без трещины.

На фиг.4 изображена зависимость отношения максимального значения амплитуд волн на собственных частотах на текущем отрезке временной реализации принимаемого сигнала к максимальной амплитуде на первом отрезке для оси с трещиной.

На фиг.5 изображена зависимость отношения максимального значения амплитуд волн на собственных частотах на текущем отрезке временной реализации принимаемого сигнала к максимальной амплитуде на первом отрезке для оси без трещины.

На фиг.6 изображен спектр от временной зависимости максимальных значений амплитуд волн на собственных частотах для оси с трещиной.

На фиг.7 изображен спектр от временной зависимости максимальных значений амплитуд волн на собственных частотах для оси без трещины.

На фиг.8 изображена конечная разность второго порядка спектра от временной зависимости максимальных значений амплитуд волн на собственных частотах для оси с трещиной.

На фиг.9 изображена конечная разность второго порядка спектра от временной зависимости максимальных значений амплитуд волн на собственных частотах для оси без трещины.

Устройство по способу обнаружения трещин в твердом теле содержит твердое тело 1 (в частности, вагонная ось), опирающееся на опоры 2, на которое воздействуют ударником 3. Микрофон 4 подключен через усилитель 5 принимаемого сигнала к аналого-цифровому преобразователю 6 (АЦП), подключенному к компьютеру 7.

Способ обнаружения трещин в твердом теле осуществляют следующим образом.

В твердом теле 1 (в вагонной оси) посредством ударного воздействия ударником 3 возбуждают упругие колебания на собственных частотах, измеряют колебательный отклик микрофоном 4, сигнал которого усиливается усилителем 5, преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП 6 и записывается в компьютер 7 в виде дискретных равноотстоящих отсчетов. В зарегистрированной временной реализации отклика выделяется начало удара, и с этого момента временная реализация разбивается на последовательные N отрезков по М отсчетов каждый. u_nm - последовательные дискретные значения амплитуд измеряемого сигнала u(t), где n - порядковый номер отрезка, a m - номер отсчета в n-ом отрезке. От каждой из N временных реализаций (отрезков) принимаемого сигнала вычисляется преобразование Фурье и в полученном спектре определяется максимальная амплитуда волны f_n ^max на одной из k собственных частот в данный момент времени (фиг.2 и 3). К - число собственных частот.

где

Определяется зависимость отношения максимальной амплитуды f_n ^max на n-ом отрезке к максимальной амплитуде на первом отрезке f₁ ^max от времени g_n ^max, где g_n ^max=f_n ^max/f₁ ^max (фиг.4 и фиг.5). Далее от нормированной временной последовательности максимальных амплитуд волн на собственных частотах g_n ^max вычисляется спектр a_n, a_n=|G_n| (фиг.6 и 7).

здесь g_l ^max=g_n ^max, где l и n текущий индекс. Число входных точек функции g_l ^max l равно числу n вычисленных значений спектра a_n.

Затем от вычисленного амплитудного спектра a_n берется конечная разность второго порядка Δ_n (фиг.8 и 9).

где a_n, a_n+1, a_n+2 - последовательные спектральные амплитуды спектра от нормированной временной зависимости максимальных значений амплитуд колебаний на собственных частотах, и среди них определяют максимальное значение, которое принимают за коэффициент наличия трещины К_ТР.

К_ТР=max{Δ_n}.

Измеряя бездефектное твердое тело, определяют коэффициент наличия трещины, который принимают за пороговое значение, и по превышению его коэффициентом наличия трещины, полученным при измерении дефектного твердого тела, судят о наличии трещины в последнем.

Использование: для обнаружения трещин в твердом теле. Сущность заключается в том, что посредством ударного воздействия в твердом теле возбуждают упругие колебания на собственных частотах и измеряют их амплитуды, регистрируют временную реализацию упругих колебаний на собственных частотах, которую разбивают на последовательные временные отрезки и в каждом из них вычисляют преобразование Фурье, и в полученном спектре определяют максимальную амплитуду, которую сравнивают с максимальной амплитудой упругих колебаний на первом временном отрезке, и от полученной нормированной временной последовательности максимальных амплитуд вычисляют амплитудный спектр, по которому определяют конечные разности второго порядка, максимальное значение которых принимают за коэффициент наличия трещины, по превышению которым порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о наличии трещин. Технический результат: упрощение способа. 9 ил.

Способ обнаружения трещин в твердом теле, заключающийся в том, что посредством ударного воздействия в твердом теле возбуждают упругие колебания на собственных частотах и измеряют их амплитуды, на основании которых определяют коэффициент наличия трещины, по превышению которым порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о наличии трещин, отличающийся тем, что регистрируют временную реализацию упругих колебаний на собственных частотах, которую разбивают на последовательные временные отрезки и в каждом из них вычисляют преобразование Фурье и в полученном спектре определяют максимальную амплитуду, которую сравнивают с максимальной амплитудой упругих колебаний на первом временном отрезке и от полученной нормированной временной последовательности максимальных амплитуд вычисляют амплитудный спектр, по которому определяют конечные разности второго порядка, максимальное значение которых принимают за коэффициент наличия трещины.