НЕЛИНЕЙНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ТРЕЩИН И ИХ МЕСТОПОЛОЖЕНИЙ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2006 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к неразрушающему контролю качества материалов и конструкций нелинейными акустическими методами и может быть использовано для обнаружения трещин в твердом теле, в частности в толстостенных конструкциях, листовых материалах, трубах, колесных парах и других объектах и конструкциях в различных отраслях промышленности: машиностроении, авиастроении, автомобилестроении, судостроении.

Способ направлен на решение актуальной задачи обнаружения трещин на ранней стадии их развития, прогнозирования их поведения и роста, оперативного решения о возможности дальнейшей эксплуатации дорогостоящих и опасных твердых тел, имеющих трещины. Обычно твердое тело содержит множество дефектов: трещины, полости, свищи, вкрапления и др. Наиболее опасными из них являются трещины, так как они имеют тенденцию роста с течением времени и приводят к необратимым последствиям: расслоению поверхностей, разрушению конструкции, разрыву трубопровода. Появившаяся трещина развивается с течением времени тем быстрее, чем она больше. В отличие от трещин полости (каверны, отверстия, свищи и т.п. дефекты) являются типом дефекта, который хотя и может увеличивать свои размеры, но эти изменения происходят медленно, не приводя к быстрым катастрофическим изменениям свойств твердого тела. Именно поэтому возникает необходимость в разработке новых способов раннего обнаружения трещин (микротрещин, колоний трещин) как при выходном контроле твердого тела при его производстве, так и при периодическом контроле за их возникновением и развитием в процессе эксплуатации твердого тела. Эта информация о наличии и размере трещин позволяет определять и оценивать ресурс твердого тела, при котором он не изменит своих физико-механических свойств, снизить риск разрушений и увеличить безопасность его обслуживания и эксплуатации. Большинство известных способов обнаружения трещин используют для ультразвуковой локации принципы линейной акустики, при которых дефект обнаруживается по изменению амплитуды принятой ультразвуковой волны, и имеют существенный недостаток - они не позволяют определить тип дефекта (трещина или полость) и не обнаруживают закрытые (статически поджатые) трещины, не дающие отражения ультразвуковой волны при ее естественном состоянии.

Проблема обнаружения трещин в твердых телах может быть решена на основе использования нелинейных акустических способов (см., напр., Казаков В.В., Сутин А.М. Использование эффекта модуляции ультразвука вибрациями для импульсной локации трещин // Акустический журнал. т.47, N 3, 2001, с.364-369; D. Donskoy, A. Sutin, A. Ekimov Nonlinear acoustic interaction on contact interfaces and its use for nondestructive testing // NDT&E International Vol.34, 2001, p.231-238), поскольку трещины (колонии трещин) приводят к резкому возрастанию нелинейных акустических эффектов. Для реализации одного из возможных способов диагностики используется когерентная импульсная ультразвуковая локация при одновременном внешнем механическом воздействии (ударе, вибрации) на исследуемое твердое тело. При этом, благодаря импульсному режиму локации удается надежно определить местоположение дефекта, а по наличию или отсутствию модуляции принимаемых ультразвуковых импульсов возможно надежно отличить друг от друга дефекты разного типа: полости (модуляции нет) или открытые и закрытые трещины (модуляция есть). Модуляцию трещин в твердом теле можно осуществить различными способами: низкочастотной вибрацией (например, размещением на поверхности твердого тела вибростенда, возбуждающего твердое тело на резонансной частоте), ударом по поверхности (например, с помощью молотка), использованием вибрации внешних устройств, соединенных с твердым телом (например, вибрацией двигателя или компрессора, размещенного на твердом теле). Все эти способы модуляции приводят к возбуждению твердого тела на собственных модах, как правило, изгибных колебаний. В то же время существуют различные объекты, в которых возбудить изгибные колебания затруднительно (например, это объекты, имеющие значительную толщину: трубопроводы с толщиной стенки более сантиметра, рельс) или неэффективно из-за наличия на них ребер жесткости, специально установленных для того, чтобы объект не изгибался (например, колесные пары, фланцевые соединения трубопроводов). Кроме этого, существует ряд объектов с трудно доступными для возбуждения участками, например, - трубы, которые имеют изоляционное или другое покрытие, подавляющее выделение шума или тепла, снимать которое не рекомендуется в силу технических или экономических причин, но под такими покрытиями могут образовываться трещины и их нужно дистанционно обнаруживать. Объектами исследования могут быть твердые тела значительной толщины (в диапазоне единицы - десятки сантиметров), например, корпуса прочных объектов, стены, железобетонные блоки и другие объекты, трещины в которых могут находиться на значительной глубине. Очевидно, что больший уровень возбуждения позволяет сильнее модулировать акустические характеристики трещин и, следовательно, более достоверно их обнаруживать. Однако увеличение уровня возбуждения вибрационных колебаний приводит к возникновению проблемы, связанной с модуляцией контакта между ультразвуковым преобразователем, излучающим и принимающим ультразвуковую волну, и поверхностью твердого тела. Модуляция контакта приводит к модуляции ультразвуковой волны как в момент ее излучения, так и приема. Это приводит к тому, что излучаемая и принимаемая ультразвуковые волны будут иметь дополнительную модуляцию на частотах, соответствующих возбуждаемым низкочастотным колебаниям. Уровень дополнительной модуляции может существенно превышать уровень модуляции, создаваемый трещинами, что делает обнаружение трещин невозможным. Этот эффект появления дополнительной модуляции снижает достоверность проведения измерений и в ряде случаев, например при обнаружении трещин в толстостенных твердых телах, для возбуждения которых требуется использовать значительные уровни вибраций, делает использование нелинейного способа неэффективным. Для уменьшения влияния этого эффекта используют различные методы. При использовании модуляции с помощью вибростендов ультразвуковые преобразователи приклеивают к поверхности. Однако это технологически не эффективно, так как при массовом контроле твердых тел или для обнаружении трещин во всем объеме твердого тела требуется использование большого числа ультразвуковых преобразователей и затрат времени на их приклеивание и последующее отклеивание. Часть преобразователей неизбежно повреждается при отклеивании, что приводит к дополнительным финансовым затратам. При возбуждении поверхности твердого тела с помощью удара вводят для анализа сигнала временные окна, которые исключают из рассмотрения сигнал с ультразвуковых преобразователей, соответствующих моменту удара и колебаниям преобразователей, вызванных ударом, и оставляют для анализа время, соответствующее установившимся собственным колебаниям твердого тела. Однако в момент удара возбуждается большое число акустических (продольных, поперечных) и вибрационных (изгибных) волн, часть которых вызывает дополнительную модуляцию достаточно длительное время, уменьшает этим время анализа и создает неопределенность, связанную с выбором времени начала формирования окна для анализа, поскольку практика показывает, что от удара к удару характеристики возбуждаемых акустических волн (амплитуды, длительности) не являются стабильными. Таким образом, существует проблема, связанная с обнаружением трещин и их местоположения в твердых телах, имеющих значительную толщину или такую форму, для которых использование в качестве модуляции вибрационных колебаний (изгибных, продольных) неэффективно или приводит к снижению достоверности измерений.

Известен способ обнаружения трещин в твердом теле, использующий нелинейный акустический эффект (пат. RU 2219538, публ. 20.12.2003, МПК⁷ G 01 N 29/04). Данный способ позволяет обнаруживать наличие трещин в твердом теле. Способ заключается в том, что в твердом теле возбуждают первичные акустические волны различных частот, которые, взаимодействуя на трещинах, генерируют вторичные акустические волны на комбинационных частотах, измеряют амплитуды первичных и вторичных волн, на основании которых определяют коэффициент наличия трещин, по превышению которым порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о наличии трещин. Первичные акустические волны производят путем последовательного возбуждения ультразвуковых волн на ряде частот с одновременным с каждой из частот ультразвуковых волн возбуждением упругих колебаний на собственных частотах посредством ударного воздействия по твердому телу. При этом измеряют собственные частоты, комбинационные частоты определяют как сумму и разность каждой частоты ультразвуковых волн с каждой из собственных частот упругих колебаний, а коэффициент наличия трещин рассчитывают по определенной формуле, учитывающей амплитуды возбужденных комбинационных частот, амплитуды возбуждаемых ультразвуковых волн и амплитуды возбуждаемых упругих колебаний. Основным недостатком данного нелинейного акустического способа является то, что он не позволяет обнаруживать местоположение трещин и, следовательно, определять их распределение в твердом теле и количество, а определяет только их наличие. Это связано с тем, что для реализации способа используется непрерывный режим излучения ультразвуковой волны, который принципиально не позволяет обнаруживать положение трещин. Способ может использоваться только для разбраковки твердых тел по принципу: есть трещины или нет трещин. Существенным недостатком способа является ограниченный круг твердых тел, доступных для исследования. Это связано с тем, что для возбуждения твердого тела на собственных низкочастотных модах колебаний используется ударное возбуждение, которое может привести к повреждению его поверхности или покрытия. Поэтому объектами исследования могут быть только твердые тела, допускающие использование многочисленных механических ударов. Недостатком способа также является снижение достоверности обнаружения из-за модуляции излучаемой и принимаемой ультразвуковых волн в момент возбуждения в твердом теле упругих колебаний, которое в данном способе не контролируется и не учитывается. В момент удара по поверхности твердого тела в нем возбуждается большое количество быстро затухающих акустических волн. В том числе возбуждается и сильная поверхностная акустическая волна, которая и приводит к модуляции излучаемых и принимаемых ультразвуковых волн. Только спустя некоторое время после удара твердое тело начинает колебаться на собственных резонансных частотах, используемых в способе для модуляции характеристик трещин. Кроме этого к недостаткам способа следует отнести низкую повторяемость результатов одиночных измерений. Это связано с тем, что технически достаточно сложно реализовать механический удар с неизменяемой от удара к удару амплитудой возбуждаемых волн. Это обусловлено различными причинами. Во-первых, поскольку наконечник ударного устройства и поверхность могут изменить свои механические характеристики в процессе многократных ударов, изменится и их взаимодействие и, следовательно, сила удара. Во-вторых, от удара к удару может изменяться геометрия возбуждения, так как твердое тело и ударное устройство отталкиваются друг от друга, проявляя при этом инерционные свойства и смещаясь друг относительно друга. В-третьих, механические ударные устройства после произведенного удара, для приведения их в начальное состояние требуют значительного времени, что снижает производительность измерений. Нестабильность параметров удара приводит к необходимости усреднения результата измерений за большое число ударов, что также приводит к увеличению общего времени проведения измерений. К недостаткам способа можно отнести и сложность технической реализации, заключающуюся в необходимости проведения последовательных измерений на различных частотах ультразвуковых волн и низкочастотных вибраций.

Известен нелинейный акустический способ обнаружения трещин, позволяющий одновременно обнаруживать местоположение и наличие трещин по трассе локации (пат. USA 3867836, публ. 25.02.1975 г., МПК G 01 N 29/04). Способ заключается в обнаружении трещин консольно закрепленного протяженного твердого тела, свободный конец которого возбуждается акустической волной на первой частоте от первого источника колебаний. В торец закрепленного конца твердого тела излучают акустическую волну от импульсного источника колебаний второй частоты, причем вторая частота существенно выше первой. Волна второй частоты распространяется в твердом теле, отражается от трещины, формирует от нее эхо, которое показывается на осциллографе и по модуляции которого определяют местоположение трещины и оценивают ее размер. Недостатком способа является то, что он имеет ограниченные возможности применения и может использоваться только для таких твердых тел, в торец которых можно ввести ультразвуковую волну и которые можно закрепить консольно, что неприемлемо для обнаружения трещин в эксплуатируемых твердых телах, например трубопроводах, рельсах, колесных парах железнодорожного транспорта, стенах, частях корпусов и т.п.. В данном способе консольное закрепление используется для исключения модуляции ультразвуковой волны в месте ее излучения и приема изгибными колебаниями образца, что и ограничивает количество твердых тел, доступных для диагностирования. К недостаткам способа можно также отнести снижение достоверности обнаружения трещин из-за непрерывного возбуждения образца ультразвуковым вибратором только на одной, достаточно высокой (10-20 кГц) частоте. С увеличением частоты увеличивается номер возбуждаемой изгибной моды колебаний и, следовательно, количество узловых линий. Если трещина попадёт в узел колебаний, она не приведёт к модуляции ультразвуковой волны и ее обнаружение не состоится, что и снижает достоверность измерений.

Известен другой способ нелинейного ультразвукового сканирования для обнаружения трещин в твердом теле (патент USA 5736642, публ. 07.04.1998 г., МПК⁷ G 01 N 29/06), основанный на модуляции трещин ультразвуком и позволяющий локально обнаруживать трещины и определять их местоположение путем перемещения датчика по поверхности твердого тела. Данный способ обнаружения трещин и их местоположений в твердом теле заключается в том, что в твердом теле возбуждают первичные акустические волны различных частот, которые взаимодействуя на трещинах, генерируют вторичные акустические волны на комбинационных частотах, измеряют амплитуды первичных и вторичных волн, на основании которых определяют коэффициент наличия трещин по формуле: где - амплитуды акустических волн на комбинационных частотах, и амплитуды первичных акустических волн, по превышению которым порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о наличии трещин.

В частном варианте реализации способа, когда в качестве излучаемых акустических волн используются ультразвуковые волны, его основным недостатком является ограничение круга твердых тел, доступных для исследования, только теми телами, у которых трещины находятся в приповерхностном слое твердого тела, непосредственно в месте ввода в твердое тело ультразвуковых волн. Способ не позволяет обнаруживать трещины, расположенные в глубине твердого тела или на определенном расстоянии от места ввода ультразвуковых волн, что ограничивает возможности его использования. Это обусловлено тем, что способ имеет низкую чувствительность измерений, поскольку для взаимодействия используются две высокочастотные ультразвуковые волны. Высокочастотные ультразвуковые волны создают очень незначительные смещения среды в твердом теле и, следовательно, слишком малые изменения акустических характеристик трещин, что снижает эффект нелинейного взаимодействия волн и генерации акустических волн комбинационных частот. Чем дальше трещины расположены относительно места ввода ультразвуковых волн, тем эффект будет меньше вследствие их затухания, тем большего, чем выше частота ультразвуковой волны. Возникающие акустические волны на комбинационных частотах будут существенно меньше по сравнению с амплитудами модуляции, создаваемыми, например, с помощью вибростенда или удара. Недостатком способа также является ограничение чувствительности измерений, обусловленное ограничением амплитуды возбуждаемых первичных акустических волн. При практической реализации способа излучение одновременно двух ультразвуковых волн происходит через один и тот же волновод (акустическую линзу, концентратор), что может привести (особенно при увеличении амплитуды возбуждаемых волн с целью увеличения чувствительности способа) к их взаимодействию уже в волноводе вследствие появления нелинейных эффектов на границе в месте излучения первичных акустических волн, в месте клеевых соединений или границе с акустическим экраном, предназначенным для исключения взаимодействия первичных волн, поскольку он обеспечивает акустическую развязку только до определенных амплитуд и частот возбуждения. Взаимная модуляция акустических волн приведет к появлению волн комбинационных частот еще до взаимодействия первичных волн на трещине и снизит достоверность проведения измерений. Достоверность обнаружения трещин снижается также возможностью образования стоячей волны в слое согласующей среды между волноводом и поверхностью объекта. Поскольку для излучения используется цуг высокочастотных волн, состоящий из нескольких десятков периодов частот излучения, длительность которых должна быть такова, что за ее время сформируется разностная частота, то в слое согласующей среды возникнет реверберационная, переотраженная между волноводом и поверхностью твердого тела волна, создающая в нем промежуточный режим между бегущей и стоячей волнами. Такой режим обладает нелинейными свойствами и взаимодействие первичных акустических волн с образованием комбинационных частот произойдет уже в этом слое. Амплитуды возникших в этом слое комбинационных частот могут превышать значения амплитуд комбинационных частот создаваемыми трещинами, что и приводит к снижению достоверности измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является нелинейный акустический способ обнаружения трещин и их местоположений в твердых телах (пат. USA 6301967, публ. 16.10.2001 г., МПК⁷ G 01 N 29/00, G 01 H 13/00, пункт 10), основанный на модуляции трещин и позволяющий локально обнаруживать трещины и определять их местоположение, который выбран в качестве ближайшего аналога. Способ заключается в том, что в твердое тело излучают последовательность ультразвуковых импульсов и возбуждают в объекте низкочастотные вибрации, вызывающие изменение акустических характеристик дефектов и приводящие к модуляции распространяющейся в объекте последовательности ультразвуковых импульсов. Принимают отраженную от дефектов последовательность ультразвуковых импульсов, выделяют в ней области анализа, в которых будут обнаруживаться дефекты, и исследуют спектральный состав принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях, по наличию в спектре гармоник низкочастотной вибрации определяют наличие трещин, а по положению выбранных областей определяют их местоположение.

Основным недостатком данного способа является ограниченная область его применения дефектоскопией только тех твердых тел, которые допускают использование для модуляции низкочастотные вибрационные колебания объекта, то есть твердых тел, имеющих небольшую толщину, допускающих колебания значительных областей твердого тела и не повреждающихся при воздействии сильных низкочастотных вибраций. Это связано с модуляцией излучаемой и принимаемой последовательности ультразвуковых импульсов в момент их излучения и приема под воздействием возбуждаемых низкочастотных вибраций. При возбуждении низкочастотных вибраций поверхность объекта непрерывно изгибается, что приводит к изменению её формы уже на характерном размере области излучения и приема последовательности ультразвуковых импульсов. Этот факт приводит к их модуляции с частотой, равной частоте возбуждаемой низкочастотной вибрации, что приводит к возникновению дополнительной модуляции последовательности ультразвуковых импульсов и, следовательно, к снижению достоверности измерений. При реализации способа ультразвуковой преобразователь закрепляется на поверхности объекта (приклеивается или прижимается с помощью магнитного крепления). В этом случае возникает колебательная система: масса ультразвукового преобразователя, масса участка поверхности, возбужденная вибрационными колебаниями, и упругость между ними, создаваемая силой прижима преобразователя к поверхности. При колебании поверхности ультразвуковой преобразователь колеблется вместе с ней как единое целое только до определенной частоты, далее, с увеличением частоты возникает резонанс этой системы и за резонансом преобразователь колеблется независимо от колебаний поверхности. То есть контакт ″ультразвуковой преобразователь - поверхность твердого тела″ будет модулироваться всегда и тем больше, чем ближе резонансная частота созданной колебательной системы к частоте низкочастотного возбуждения или выше ее. На низких частотах (до резонанса) возникновение модуляции зависит от силы прижима преобразователя к поверхности и амплитуды ее колебаний. Однако место соединения будет модулироваться тем больше, чем больше уровень возбуждения. При больших уровнях возбуждения преобразователь будет пытаться оторваться от поверхности (подпрыгивать), что также приведет к дополнительной, неконтролируемой модуляции последовательности ультразвуковых импульсов и, следовательно, к снижению достоверности обнаружения трещин. Очевидно, что значительные уровни возбуждения необходимы для исследования толстостенных изделий, для колебаний или изгиба которых необходимо приложить значительные усилия. Данный способ может применяться лишь при использовании небольших уровней возбуждения для дефектоскопии тонкостенных твердых тел, когда частоты и уровни возбуждаемых низкочастотных колебаний малы и создаваемые ими амплитуды гармоник дополнительной модуляции, возникающей в месте контакта, существенно меньше амплитуд модуляции ультразвуковых импульсов, возникающих при отражении от трещин, и ими можно пренебречь. Низкочастотный вибрационный сигнал можно возбудить различными способами: низкочастотной вибрацией, ударом инструментальным молотком и воздействием окружающей среды (работа насосов, моторов, движение транспорта и др.). Для возбуждения низкочастотных вибраций в твердых телах, имеющих значительную толщину или ребра жесткости необходимо использовать значительные силы возбуждения. При возбуждении твердого тела низкочастотной вибрацией трещины могут оказаться в узле возбуждаемой моды твердого тела, соответствующей возбуждаемой частоте колебаний. В этом случае трещины не будут модулировать последовательность ультразвуковых импульсов и их обнаружение не состоится. Эта особенность низкочастотного возбуждения так же снижает достоверность измерений. Для исключения таких условий измерения необходимо возбуждать твердое тело на нескольких частотах колебаний, что снижает производительность измерений и усложняет реализацию способа на практике, что является его дополнительным недостатком. Существенным недостатком использования мощного возбуждения является также возможность повреждения твердого тела и закрепленных на нем элементов под воздействием сильных вибраций. При возбуждении твердого тела ударом основным недостатком способа является ограниченная область применения способа исследованием только тех твердых тел, по которым можно многократно наносить удары без повреждения твердого тела или его покрытия, например, - краски или слоя изоляции. Кроме этого, удар в момент его проведения приводит к возникновению дополнительной модуляции последовательности ультразвуковых импульсов, поскольку возбуждает сильную поверхностную волну, приводящую к временному изменению условий ввода и приема ультразвуковых волн (ультразвуковой преобразователь ″подпрыгивает″), что снижает достоверность измерений. Работа внешних устройств приводит к модуляции акустических характеристик трещин достаточно эффективно только если они находятся на твердом теле. Такой способ возбуждения обладает всеми недостатками, присущими низкочастотному вибрационному возбуждению.

Известно устройство для нелинейного акустического обнаружения трещин и их местоположений в протяженном консольно закрепленном образце (пат. USA 3867836, публ. 25.02.1975 г., МПК G 01 N 29/04), которое позволяет обнаруживать наличие и местоположение трещин. Данное устройство содержит ультразвуковой преобразователь, выполняющий одновременно функции излучателя и приемника ультразвуковой волны, соединенный с ультразвуковым эхолокатором, а также блок возбуждения низкочастотных колебаний, содержащий генератор низкой частоты и вибратор. Выход ультразвукового эхолокатора соединен с блоком обработки информации, а вибратор приведен в контакт с поверхностью свободного конца упомянутого образца посредством сопрягающего элемента. Недостатком устройства является то, что оно имеет ограниченные возможности применения и может использоваться только для таких твердых тел, в торец которых можно излучить ультразвуковую волну и которые можно закрепить консольно, что неприемлемо для обнаружения трещин в эксплуатируемых твердых телах, например, трубопроводах, рельсов, колесных пар железнодорожного транспорта, стенах, частей корпусов.

Также известно устройство для нелинейного ультразвукового сканирования твердого тела для обнаружения в нем трещин (патент USA 5736642, публ. 07.04.1998 г., МПК⁷ G 01 N 29/06), позволяющее локально обнаруживать трещины и определять их местоположение путем перемещения датчика по поверхности твердого тела. Данное устройство содержит ультразвуковой импульсный генератор первой частоты, соединенный с первым ультразвуковым преобразователем, ультразвуковой импульсный генератор второй частоты, соединенный со вторым ультразвуковым преобразователем, третий ультразвуковой преобразователь, позволяющий принимать разностную или суммарную частоты указанных генераторов, соединенный с блоком определения амплитуды разностной или суммарной частоты, акустический элемент, на котором закреплены все указанные преобразователи, выполненный с возможностью распространения и доставки первой и второй волн в зону их взаимодействия в твердом теле и приема разностной или суммарной частоты третьим ультразвуковым преобразователем и согласующую среду между акустическим элементом и твердым телом. Главным недостатком устройства является его ограниченная область применения и возможность использования только для обнаружения трещин, находящихся в приповерхностном слое. Это обусловлено тем, что для генерации комбинационной (разностной или суммарной) частоты используются две высокочастотные ультразвуковые волны. Ультразвуковая волна создает ничтожные смещения среды и достаточно быстро затухает по мере распространения в твердом теле, что снижает эффект модуляции трещин. Следовательно, наиболее эффективно модуляции будет осуществляться только в приповерхностном слое.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для нелинейного акустического обнаружения дефектов и их положения в твердых телах (пат. USA 6301967 В1, публ. 16.10.2001 г., МПК⁷ G 01 N 29/00, G 01 H 13/00, пункт 21), которое позволяет обнаруживать трещины в твердых телах и которое выбрано в качестве ближайшего аналога. Это устройство содержит блок возбуждения низкочастотного сигнала, блок возбуждения последовательности коротких высокочастотных сигналов, блок приема сигналов, образовавшихся в результате взаимодействия низкочастотного и последовательности высокочастотных сигналов, и блок анализа выбранных областей в последовательности принятых высокочастотных сигналов, соответствующих отражению от различных областей твердого тела. С помощью блока анализа для выбранной области определяется наличие модуляции последовательности высокочастотных сигналов низкочастотным сигналом и регистрируется наличие трещин в выбранной области анализа. Недостатком устройства является снижение достоверности измерений при обнаружении трещин в твердых телах, имеющих значительную толщину или ребра жесткости. Это связано с тем, что использование непрерывных низкочастотных колебаний, вызванных низкочастотными вибрациями, ударом измерительного молотка или источниками колебаний, закрепленных на твердом теле, приводят к модуляции контакта в месте излучения и приема последовательности высокочастотных сигналов, что в свою очередь приводит к дополнительной модуляции высокочастотных сигналов. Амплитуда этой дополнительной модуляции будет увеличиваться с увеличением амплитуды низкочастотного возбуждения, что неизбежно для дефектоскопии твердых тел, имеющих большую толщину или ребра жесткости, поскольку для возбуждения в них изгибных волн необходимо прикладывать значительные усилия. Амплитуда этой дополнительной модуляции может превышать амплитуду модуляции, появляющуюся в результате взаимодействия последовательности высокочастотных и низкочастотной волн на трещинах, что создает неопределенность в результатах измерений и снижает их достоверность.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка нелинейного ультразвукового способа обнаружения трещин и их местоположений в твердом теле и устройства для его реализации, которые позволяют исследовать более широкий круг твердых тел по сравнению с прототипом при сохранении таких важных достоинств прототипа, как определение местоположения трещин и отсутствие повреждения поверхности твердого тела.

Технический результат, обеспечиваемый разработанным способом, достигается за счет того, что в заявляемом нелинейном ультразвуковом способе обнаружения трещин и их местоположений, также, как и в ближайшем аналоге, в твердое тело излучают последовательность ультразвуковых импульсов с частотой посылок F, а также возбуждают в нём низкочастотный сигнал, приводящий к модуляции распространяющейся в твердом теле последовательности ультразвуковых импульсов, в последовательности принятых ультразвуковых импульсов выделяют области анализа для обнаружения в них трещин и исследуют спектральный состав принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях, а по присутствию в спектре гармоник определяют наличие трещин.

Новым в заявляемом способе является то, что модуляцию трещин осуществляют периодической последовательностью одиночных акустических импульсов, создающих в твердом теле изменяющуюся по определенному закону с периодом Т последовательность распространяющихся акустических импульсов сжатия и разрежения, устанавливают задержку излучения акустических импульсов, обеспечивающую совпадение выделенной области исследования с нахождением в ней максимальных значений амплитуд акустических импульсов, определяют в спектральном составе принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях гармонику, соответствующую заданному периоду последовательности акустических импульсов, по амплитуде которой определяют коэффициент k наличия трещин по формуле: где A_f - амплитуда излучаемой ультразвуковой волны. А_i - максимальное значение амплитуды акустического импульса, A _Ω - амплитуда гармоники, соответствующая периоду последовательности акустических импульсов , Ω - частота модуляции, F - частота посылок ультразвуковых импульсов, n - число акустических импульсов в периоде последовательности, и при превышении коэффициентом k порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о размере трещин.

В первом частном случае реализации способа взаимодействие ультразвуковых импульсов и акустических импульсов осуществляют для угла взаимодействия, выбранного в диапазоне 0-360 градусов.

Во втором частном случае реализации способа излучение и прием ультразвуковых импульсов или излучение акустических импульсов осуществляют бесконтактно, или излучение и прием ультразвуковых импульсов и акустических импульсов осуществляют бесконтактно.

В третьем частном случае реализации способа фиксируют место ввода последовательности акустических импульсов и обеспечивают облучение ими значительного объема твердого тела, а место излучения и приема ультразвуковых импульсов последовательно изменяют.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением в части устройства, достигается за счет того, что заявляемое устройство для нелинейного ультразвукового способа обнаружения трещин и их местоположений в твердом теле, также как и ближайший аналог, содержит блок обработки информации, соединенный с ультразвуковым эхолокатором, который соединен с ультразвуковым преобразователем, причем синхронизирующий выход ультразвукового эхолокатора также соединен с блоком обработки информации.

Новым в заявляемом устройстве является то, что в нем установлены последовательно соединенные блок задержки, блок изменения фазы и амплитуды, усилитель мощности и преобразователь акустических импульсов, при этом блок обработки информации соединен с блоком задержки, к которому подключен также синхронизирующий выход ультразвукового эхолокатора.

В первом частном случае изготовления устройства блок обработки информации выполнен в виде последовательно соединенных детектора, аналого-цифрового преобразователя и компьютера.

Во втором частном случае изготовления устройства ультразвуковой преобразователь и преобразователь акустических импульсов объединены посредством согласующего элемента и установлены в общем корпусе, при этом блок обработки информации выполнен в виде последовательно соединенных детектора, устройства выборки-хранения, усилителя, синхронного детектора и индикатора, причем вход детектора подключен к выходу ультразвукового эхолокатора, и введены также регулятор задержки и регулятор задержки строба, входы которых объединены и подключены к синхронизирующему выходу ультразвукового эхолокатора, а выход регулятора задержки подключен к блоку задержки, выход регулятора задержки строба подключен к устройству выборки-хранения, при этом блок изменения фазы и амплитуды соединен с синхронным детектором.

Технический результат разработанного способа обеспечивается за счет того, что для модуляции трещин используется периодическая последовательность акустических импульсов, создающих при распространении в твердом теле волны сжатия или разрежения. Излучение каждого акустического импульса синхронизовано с посылкой ультразвуковых импульсов. За счет направленного излучения акустических импульсов в определенную область твердого тела при наличии там трещин происходит периодическое взаимодействие ультразвуковых импульсов с акустическими импульсами сжатия и разрежения. Для увеличения амплитуды модуляции и избежания неоднозначности измерений каждый акустический импульс имеет ярко выраженный максимум (экстремум). Модуляция последовательности ультразвуковых импульсов определяется только в моменты времени, соответствующие максимальным значениям амплитуд акустических импульсов. Изменение параметров акустических импульсов происходит с определенной частотой , где n - число акустических импульсов за период повторения Т, F - частота посылок ультразвуковых импульсов. В данном способе модуляция сигналов ультразвуковых импульсов осуществляется за несколько посылок ультразвуковых импульсов. Специально сформированный закон изменения последовательности акустических импульсов сжатия и разрежения предназначен для того, чтобы для выделенной области анализа частоту модуляции Ω можно было надежно отличить от частоты посылок F ультразвуковых импульсов. Возможность создания различных законов изменения последовательности излучаемых импульсов сжатия и разрежения позволяет устанавливать различные соотношения между частотами F и Ω, что обеспечивает высокую помехоустойчивость способа, поскольку позволяет их надежно различить, несмотря на существенную разницу в амплитудах их гармоник. Например, периодическая последовательность акустических импульсов в виде: волна сжатия, волна разрежения, приводит к модуляции с частотой Ω=F/2, что создает определенные затруднения для ее фильтрации от частоты F, поскольку расположена к ней близко, а гармоника частоты F имеет существенно большую амплитуду. Более удобной является последовательность, приводящая к модуляции с частотой в 4 раза меньшей F. Гармонику такой частоты, имеющую к тому же малую амплитуду, технически более просто выделить на фоне гармоники частоты F. Для формирования нужной частоты модуляции Ω в формируемой последовательности можно использовать пропуск излучения акустических импульсов, то есть в определенные моменты времени, синхронные с периодом излучаемой последовательности ультразвуковых импульсов, акустические импульсы не излучают. Такой способ формирования последовательности излучения акустических импульсов приводит к созданию новых значений частоты Ω. Уменьшение частоты Ω приводит к повышению помехоустойчивости, но одновременно требует большего времени для проведения измерений. Очевидно, что различные законы модуляции приводят к различным значениям амплитуд гармонических составляющих частоты Ω. При реализации способа для модуляции трещин целесообразно использовать как излучение импульсов сжатия, приводящих к сжатию трещин, так и импульсов разрежения - приводящих к открытию трещин. Это позволяет избежать пропуска в определении закрытых трещин, поскольку поджатая трещина не будет модулироваться акустическим импульсом сжатия, а только - акустическим импульсом разрежения. Проведение измерений только для максимальных значений амплитуд акустических импульсов позволяет получить следующие преимущества. Во-первых, поскольку измерения проводятся только в экстремальные значения амплитуд акустических импульсов, можно провести временное разделение излучения ультразвуковых и акустического импульсов и этим избежать влияния излучателя акустических импульсов на излучатель и приемник ультразвуковых импульсов, то есть избежать модуляции ультразвуковой волны в момент ее излучения и приема и этим повысить достоверность измерений. Во-вторых, проведение измерений только в момент максимальных значений амплитуд акустических импульсов волн сжатия и разрежения позволяет получать максимальную модуляцию трещин. Кроме этого, использование импульсного режима для модуляции трещин позволяет создавать, при прочих равных условиях, смещения в твердом теле, существенно превосходящие смещения, создаваемые при непрерывном режиме излучения, что увеличивает эффективность способа. Выбор для создания акустического импульса диапазон частот в десятки-сотни килогерц позволяет создать акустические излучатели, позволяющие модулировать параметры трещин на значительном расстоянии от места ввода ультразвуковой волны и акустических импульсов. При этом сохраняются все присущие акустической волне достоинства, в частности - направленность излучения. Поскольку ультразвуковые и акустические импульсы имеют направленность излучения, это позволяет организовать пересечение их областей взаимодействия на значительном расстоянии от места их ввода в твердое тело, что позволяет определять местоположение и наличие трещин на значительных расстояниях, то есть дистанционно. Эта область взаимодействия может находиться как в глубине твердого тела на значительном расстоянии, так и в труднодоступных для возбуждения обычными методами местах или местах, затрудняющих непосредственный ввод ультразвуковых волн (ребра жесткости, фланцы, изоляционное покрытие), удаленных как от места ввода и приема ультразвуковых волн, так и от места ввода акустических импульсов, и размещенных на поверхности твердого тела в месте, не создающем технических проблем для проведения диагностических измерений, что существенно расширяет круг твердых тел, доступных для исследования. Кроме этого, использование для модуляции акустических импульсов не приводит к повреждению покрытия твердого тела. Модуляция акустическими импульсами по сравнению с использованием механического удара более стабильна по параметрам возбуждения, может проводиться существенно более часто, что позволяет накапливать и усреднять сигнал модуляции за большое количество периодов и за меньшее время измерений, повышая этим достоверность измерений и сохраняя все достоинства прототипа.

Таким образом, технический результат, обеспечиваемый разработанным способом, заключается в том, что модуляция трещин осуществляется дистанционно с помощью периодической, изменяемой по определенному закону последовательности акустических импульсов, которые с каждой посылкой ультразвуковых импульсов по определенному закону излучают акустические импульсы сжатия или разрежения, причем модуляция измеряется только в максимальные значения амплитуд акустических импульсов, что позволяет локализовать место модуляции по пространству и по времени, а это в свою очередь позволяет проводить обнаружение трещин на значительном расстоянии от мест ввода и приема ультразвуковых импульсов и акустических импульсов, в том числе в труднодоступных местах, без повреждения покрытия твердого тела и тем самым позволяет исследовать более широкий круг твердых тел по сравнению с прототипом, то есть решить поставленную задачу.

Использование для модуляции трещин акустических импульсов и определение модуляции только во времена, соответствующие максимальным значениям их амплитуд, позволяет также получить дополнительный технический результат, заключающийся как в разнесении в пространстве места излучения ультразвуковых и акустических импульсов, так и в разделении во времени их излучения и приема, что позволяет избежать влияния на излучение и прием ультразвуковых волн акустических импульсов сжатия и разрежения, исключить этим их модуляцию в момент излучения и приема и этим самым повысить достоверность обнаружения трещин.

Дополнительный технический результат в первом частном случае реализации способа, заключающийся в расширении возможностей способа путем осуществления модуляции трещин при различных углах падения на них ультразвуковых и акустических импульсов, достигается за счет того, что в зависимости от преимущественных направлений ориентации трещин в твердом теле, угол падения на них ультразвуковых и акустических импульсов выбирают таким, что модуляция принятой последовательности ультразвуковых импульсов является максимальной, что повышает достоверность обнаружения трещин.

Дополнительный технический результат во втором частном случае реализации способа, заключающийся в уменьшении влияния ее на результат измерений модуляции ультразвуковых импульсов в месте их излучения и приема и, следовательно, увеличении достоверности измерений, достигается за счет того, что или ультразвуковые импульсы или акустические импульсы излучают или принимают бесконтактным способом, или и ультразвуковые импульсы и акустические импульсы излучают и принимают бесконтактно. Бесконтактные способы излучения и приема ультразвуковых и акустических импульсов не приводят к модуляции ультразвуковых импульсов в момент их излучения и приема, что увеличивает достоверность обнаружения трещин, так как они облучаются немодулированной ультразвуковой волной и, следовательно, не имеют дополнительной побочной модуляции.

Дополнительный технический результат в третьем частном случае реализации способа, заключающийся в увеличении производительности обнаружения трещин во всем объеме твердого тела путем уменьшения времени на его сканирование, достигается за счет того, что фиксируют место излучения акустических импульсов и ими сразу облучают значительный или весь объем твердого тела, а область взаимодействия ультразвуковых и акустических импульсов определяется только текущим местом ввода ультразвуковых импульсов, что сокращает время на формирование области взаимодействия в различных областях твердого тела и позволяет более оперативно обнаруживать трещины во всем объеме твердого тела.

Первый дополнительный технический результат, обеспечиваемый разработанным устройством, заключается в том, что для обнаружения трещин на различных дальностях, ультразвуковой преобразователь и преобразователь акустических импульсов располагают так, что область их взаимодействия достаточно велика. При этом, не изменяя их взаимного положения, в блоке обработке информации оперативно изменяют область анализа и устанавливают для нее соответствующую временную задержку для блока задержки, что позволяет повысить производительность измерений и провести сканирование значительной области твердого тела, не перемещая ультразвуковой и акустический преобразователи, за минимальное время. Использование в блоке обработке информации компьютера с платой аналого-цифрового преобразователя позволяет достаточно быстро и просто изменять и устанавливать временную задержку между сигналами ультразвуковой волны и акустического импульса и обеспечивать их временное совпадение в устанавливаемой области анализа.

Второй дополнительный технический результат, обеспечиваемый разработанным устройством, заключается в априорном установлении области анализа и проведении измерений только для заданной дальности, что позволяет упростить обработку сигналов и увеличить чувствительность измерений. В этом случае ультразвуковой преобразователь и преобразователь акустических импульсов объединяют в общем корпусе, формируя таким образом область пересечения их лучей на фиксированном расстоянии R и обеспечивая возможность их одновременного перемещения по поверхности твердого тела. Априорно устанавливают для этого расстояния соответствующую временную задержку и определяют в принятом сигнале ультразвуковой волны модуляцию только для данного расстояния R, что исключает последующую процедуру установления требуемой временной задержки, упрощает обработку сигнала ультразвуковой волны и удешевляет устройство за счет отказа от использования платы аналого-цифрового преобразователя и компьютера. Дополнительным преимуществом данного устройства является более высокая чувствительность измерений, обусловленная тем, что в нем отсутствует аналого-цифровая плата, имеющая ограниченный динамический диапазон по амплитуде регистрируемых сигналов, и используется усиление только переменных сигналов частоты Ω, что позволяет увеличить динамический диапазон измеряемых амплитуд на 30-40 дБ. Сканирование твердого тела осуществляется путем перемещения по его поверхности корпуса с размещенными в нем преобразователями.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего разработанный нелинейный ультразвуковой способ обнаружения трещин и их местоположений в твердом теле в соответствии с п.1 формулы.

На фиг.2 приведена блок-схема устройства, реализующего разработанный способ в соответствии с пунктами 1÷4 формулы.

На фиг.3 приведена блок-схема устройства, реализующего разработанный способ в соответствии с пунктами 1÷3 формулы.

В общем случае реализации в соответствии с п.5 формулы изобретения устройство (см. фиг.1) содержит ультразвуковой эхолокатор 1, соединенный с ультразвуковым преобразователем 2, излучающим и принимающим в заданном направлении последовательность ультразвуковых импульсов, а также преобразователь акустических импульсов 3, излучающий акустические импульсы сжатия и разрежения в направлении, обеспечивающем пересечение под углом α областей распространения ультразвуковых и акустических импульсов на расстоянии R от места ввода ультразвуковых импульсов и формирующих область, в которой обнаруживаются трещины. Кроме того, устройство содержит блок задержки 4, обеспечивающий задержку излучения акустических импульсов относительно излучения ультразвуковых импульсов, блок изменения фазы и амплитуды 5 акустического импульса, формирующий последовательность акустических импульсов сжатия и разрежения, усилитель мощности 6, возбуждающий преобразователь акустических импульсов 3, и блок обработки информации 7, в котором происходит выбор областей для анализа последовательности ультразвуковых импульсов, определяется время задержки излучения акустических импульсов для установления его блоком задержки 4, обеспечивающем нахождение акустических импульсов, имеющих максимальную амплитуду в выбранных областях анализа, определяется модуляция принятой ультразвуковой волны и рассчитывается коэффициент наличия трещин и их местоположение.

В первом частном случае изготовления устройства (фиг.2) блок обработки информации 7 состоит из последовательно соединенных детектора 8, аналого-цифрового преобразователя 9 и компьютера 10.

Во втором частном случае изготовления устройства (фиг.3) блок обработки информации 7 состоит из детектора 8, предназначенного для предварительной обработки сигнала с выхода ультразвукового эхолокатора 1, регулятора задержки строба 11, определяющего временное положение области для анализа, регулятора задержки 12, обеспечивающего совпадение ультразвуковых и акустических импульсов в области анализа, устройства выборки-хранения 13, запоминающего амплитуду сигнала с выхода детектора 8 на время, равное периоду ультразвуковых посылок, усилителя 14, усиливающего сигнал частоты Ω, синхронного детектора 15, выделяющего сигнал частоты Ω и индикатора 16, отображающего коэффициент наличия трещины. Кроме этого устройство содержит согласующий элемент 17, фиксирующий взаимное положение ультразвукового преобразователя 2 и преобразователя акустических импульсов 3, осуществляющий их акустическую развязку, а синхронный детектор 15 также соединен с блоком изменения фазы и амплитуды 5.

Описание узлов, используемых при реализации устройства.

В качестве импульсного ультразвукового эхолокатора 1 может использоваться любой импульсный ультразвуковой эхолокатор, например стандартный дефектоскоп УД-12, или дефектоскопы фирм Панаметрик или Крауткрамер, с соответствующим ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем 2. Ультразвуковой эхолокатор 1 имеет выход сигналов принятых ультразвуковых импульсов и синхронизирующий выход. Синхронизирующий выход позволяет засинхронизировать с моментом начала излучения ультразвукового импульса работу всех блоков устройства. В качестве ультразвукового преобразователя 2 могут использоваться любые пьезоэлектрические преобразователи указанных фирм или стандартные ультразвуковые преобразователи типа РПО или РП55, используемые для дефектоскопии рельсов. Частота излучаемой ультразвуковой волны определяется используемым ультразвуковым преобразователем 2 и может находиться в диапазоне 1-10 МГц. Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи являются обратимыми преобразователями и позволяют как излучать, так и принимать ультразвуковую волну. В качестве преобразователя акустических импульсов 3, излучающего акустические импульсы, может использоваться контактный наклонный пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из призмы, выполненной из оргстекла, к которой приклеен составной ультразвуковой преобразователь типа пакета Ланжевена. Частота такого составного пьезоэлектрического преобразователя определяется толщиной используемых в нем насадок и силой, с которой они сжимают расположенный между ними набор пьезоэлементов и может составлять десятки - сотни килогерц. Последовательной подачей на пьезоэлементы преобразователя акустических импульсов 3 электрических импульсов различной полярности можно возбудить с его помощью или одиночный акустический импульс волны сжатия или одиночный акустический импульс волны разрежения. Для получения максимальной модуляции трещин и обеспечения отсутствия пропуска при обнаружении поджатых (закрытых) трещин используются одиночные акустические импульсы с ярко выраженной амплитудой второй полуволны колебаний. Модуляция трещин максимальна именно в момент максимальных по амплитуде значений акустических импульсов. Трещина как бы ″подсвечивается″ акустическими импульсами. В данном случае используется локальная модуляция трещин в заданной области твердого тела, местоположение которой определяется временным совпадением в ней ультразвуковых импульсов и максимальной амплитуды акустических импульсов. Вместо пьезоэлектрического преобразователя акустических импульсов 3 может использоваться магнитострикционный преобразователь с соответствующей коммутацией обмоток возбуждения. Для бесконтактного излучения и приема ультразвуковой волны в качестве ультразвукового преобразователя 2 или преобразователя акустических импульсов 3 могут использоваться бесконтактные электромагнитно-акустические (ЭМАП) преобразователи, также выпускающиеся рядом фирм для решения задач ультразвуковой дефектоскопии. Увеличение области облучения твердого тела преобразователем акустических импульсов 3 может быть осуществлено следующим образом. Как известно (см. например, Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: Изд-во физ.-мат. литературы. 1959. 544 с.) характеристика направленности акустического излучателя и, следовательно, область облучения объема твердого тела зависит от соотношения его геометрических размеров к длине излучаемой им акустической волны. Если его размеры много меньше длины излучаемой акустической волны, он имеет монопольное излучение и позволяет облучать весь объем твердого тела. Если его размеры много больше длины волны, то он работает в зоне геометрической акустики. В этом случае облучается объем твердого тела, площадь которого сравнима с площадью излучающего преобразователя, которую для увеличения размеров исследуемого объема твердого тела выбирают достаточно большой. Ультразвуковой преобразователь 2 и преобразователь акустических импульсов 3 могут перемещаться по поверхности твердого тела раздельно или быть объединены в одном корпусе посредством согласующего элемента 17 и образовывать единый датчик. В корпусе преобразователи должны быть акустически развязаны, для чего согласующий элемент 17 выполняется из различных полимерных, резиноподобных материалов и компаудов, обладающих высоким коэффициентом поглощения ультразвуковых и акустических волн. Согласующий элемент 17 позволяет акустически развязать преобразователи, то есть исключить их взаимное влияние и одновременно позволяет перемещать их по поверхности твердого тела как единое целое, обеспечивая сканирование твердого тела. В частном случае выполнения устройства положение области анализа и временная задержка излучения акустического импульса могут быть жестко зафиксированы и не изменяться во время проведения измерений. В этом случае область пересечения ультразвуковой волны и акустических импульсов заранее определена, то есть трещины обнаруживаются на заданной дальности, например на расстоянии 10-15 см. В другом частном случае ультразвуковой преобразователь 2 и преобразователь акустических импульсов 3 можно располагать на поверхности твердого тела независимо. В этом случае направление излучения акустических импульсов может быть различным по отношению к направлению распространения ультразвуковых импульсов. Ультразвуковой преобразователь 2 и преобразователь акустических импульсов 3 могут быть расположены как на одной стороне поверхности твердого тела (модуляция на отражение), так и по разные стороны (модуляция на просвет). Возможность модуляции трещин под различными углами расширяет возможности применения разработанного способа. В качестве блока задержки 4 может использоваться одновибратор, выполненный на элементах цифровой техники, например - D-триггерах. Время задержки импульса, поступающего на вход блока задержки 4 с синхронизирующего выхода эхолокатора 1, пропорционально амплитуде управляющего напряжения или коду сигнала, поступающего на его информационный вход с блока обработки информации 7. Блок изменения фазы и амплитуды 5 также может быть выполнен на элементах цифровой логики. По сигналу с блока задержки 4 он периодически изменяет полярность и амплитуду напряжения сигнала на его выходе для управления работой усилителя мощности 6. Выбор последовательности излучения акустических импульсов происходит из соображений обеспечения максимальной модуляции трещин и формирования частоты и, амплитуду которой можно надежно и технически более просто измерить на фоне амплитуды гармоники частоты F ультразвуковых посылок. Частота Ω, выбирается в диапазоне частот F/2÷F/6. Сигнал сформированной последовательности частоты Ω, может использоваться в качестве опорного для работы других блоков устройства, в частности - синхронного детектора 15. Для того, чтобы отличить частоту Ω модуляции от частоты повторения F, последовательность излучения акустических импульсов сжатия и разрежения изменяется по определенному закону, синхронно с каждой посылкой ультразвуковых импульсов. Возможно использование различных законов изменения и чем больше значение частоты Ω отличается от значения F, тем лучше. Однако чрезмерное уменьшение значения частоты Ω приводит к увеличению продолжительности измерений и не приводит к увеличению амплитуды первой гармоники частоты Ω, поскольку в анализируемом спектре одновременно присутствуют и гармоники кратные частоте Ω, т.е. 2 Ω, 3 Ω и увеличение их амплитуд происходит быстрее, чем амплитуды частоты Ω. Целесообразно выбрать период повторения акустических импульсов равным значению 4/F и использовать одну из двух следующих последовательностей, тактируемых с частотой ультразвуковых посылок. Первая последовательность: импульс сжатия, отсутствие излучения акустического импульса, импульс разрежения, отсутствие излучения акустического импульса. Вторая последовательность: импульс сжатия, импульс сжатия, импульс разрежения, импульс разрежения. В обоих случаях частота модуляции Ω=F/4, что позволяет ее надежно отличить от частоты F, но моделирование на компьютере показывает, что амплитуда гармоники частоты Ω при использовании второй последовательности будет больше примерно в 1,4 раза, следовательно, и чувствительность измерений будет выше. Поэтому при реализации способа предпочтительно использовать вторую последовательность излучаемых акустических импульсов. В качестве усилителя мощности 6 можно использовать двухтактный каскад с трансформаторным выходом. При этом, подавая электрические импульсы на первый или второй вход двухтактного каскада, на выходе трансформатора будут создаваться импульсы или положительной или отрицательной полярности, что и используется для возбуждения импульса сжатия в излучающем преобразователе (пьезоэлементы в пакете Ланжевена расширяются) или импульса разрежения (пьезоэлементы сжимаются). Блок обработки информации 7 предназначен для обнаружения гармоник частоты модуляции Ω в последовательности принятых ультразвуковых импульсов, расчета коэффициента наличия трещин и расчета управляющего сигнала для блока задержки 4, обеспечивающего совпадение в области анализа ультразвуковых и акустических импульсов. Блок обработки информации 7 может быть выполнен в двух вариантах исполнения: программном (с использованием компьютера) и аппаратурном (на дискретных аналоговых и цифровых блоках). Программный вариант реализации позволяет более просто обрабатывать сигналы ультразвуковых импульсов, рассчитывать и устанавливать требуемые времена задержки, но его недостатком является ограниченная чувствительность измерений, определяемая разрядностью используемой платы АЦП. Аппаратурный вариант менее универсален в установлении времени задержки, но за счет того, что он позволяет усиливать и регистрировать сигналы только нужной частоты Ω, он имеет более высокую (на 30-40 дБ) чувствительность измерений. Программный вариант исполнения заключается в том, что блок обработки информации 7 выполняется в виде последовательного соединения детектора 8, платы АЦП 9 и компьютера 10 (см. фиг.2). В качестве детектора 8 можно использовать амплитудный или фазовый детекторы, предназначенные для предварительной обработки сигнала с выхода ультразвукового эхолокатора 1. Амплитудный или фазовый детектор позволяют использовать для анализа более низкочастотный сигнал, что повышает стабильность измерений и не требует использования высокочастотных устройств. В качестве платы АЦП 9 может использоваться любая высокоскоростная плата АЦП, например, плата аналого-цифрового преобразователя фирмы ″Инструментальные системы″ (г.Москва) типа ADM214x60M с соответствующим субмодулем, обеспечивающим ее работу. В качестве компьютера 10 может использоваться любой компьютер, позволяющий вставить в корпус соответствующую плату АЦП, и обладающий необходимой для ее нормальной работы производительностью, например, компьютер класса Pentium 3, 4. Компьютер должен позволять определять модуляцию принятой последовательности ультразвуковых импульсов, рассчитывать коэффициент наличия трещин и определять их местоположение, рассчитывать необходимую задержку излучения акустического импульса для блока задержки 4. При этом по превышению коэффициентом k порогового значения, определяемого при дефектоскопии бездефектного твердого тела, определяется наличие трещин, а по времени выбора области анализа ультразвуковых импульсов относительно момента излучения, зная скорость распространения ультразвуковой волны, рассчитывается дальность до них, и таким образом определяется местоположение трещин. Время задержки для блока задержки 4 рассчитывается, исходя их геометрии эксперимента (взаимного расположения ультразвукового преобразователя 2 и преобразователя акустических импульсов 3, направлений их излучения, времени задержки распространения волны в преобразователе акустических импульсов 3 и скорости ультразвуковых и акустических волн в твердом теле). Для упрощения расчета возможно направление излучения ультразвуковых импульсов и акустических импульсов сделать одинаковым. При аппаратурном варианте реализации (см. фиг.3) блок обработки информации 7 целесообразно выполнить в виде отдельных блоков, реализуемых на дискретных элементах аналоговой и цифровой техники. В качестве детектора 8 также может использоваться обычный амплитудный или фазовый детектор. В качестве регулятора задержки строба 11 может использоваться цифровой регулируемый одновибратор на D-триггере, например К555ТМ2, который по фронту поступающего на него сигнала синхронизации с синхронизирующего выхода ультразвукового эхолокатора задерживает сигнал на его выходе на определенную величину и формирует импульс, длительность которого и определяет время анализа, а задержка - положение области анализа. Этот импульс используется для управления работой устройства выборки-хранения 13. Устройство выборки-хранения 13 позволяет запоминать амплитуду сигнала с выхода детектора 8 на время равное периоду Т, то есть до прихода следующего сигнала с ультразвукового эхолокатора 1. Устройство выборки-хранения реализуют микросхемы КР1100СК2, AD783, AD9101. Регулятор задержки 12 также выполнен в виде регулируемого одновибратора на элементах цифровой техники типа К555ТМ2 или К561ТМ2. Одновибратор позволяет задерживать фронт поступающего на него сигнала на определенное время. Это время устанавливают таким, чтобы акустические импульсы находились в области анализа, то есть временное положение ультразвуковых и акустических импульсов совпали. Усилитель 14 предназначен для усиления сигнала, равного частоте модуляции Ω, и выполняется на любом операционном усилителе, например, К544УД2, К140УД5, ОРА27. Он усиливает только переменный сигнал и это позволяет увеличить динамический диапазон измерения амплитуды модуляции частоты Ω. Плата АЦП 9 записывает и постоянное значение сигнала, поэтому именно оно ограничивает по амплитуде диапазон сигналов, которые можно записать, поскольку его разрядность ограничена (обычно 12 или 14 бит), что в свою очередь снижает общую чувствительность измерений. Синхронный детектор 15 предназначен для узкополосной фильтрации сигнала частоты Ω и позволяет выделить из общего сигнала сигнал частоты Ω, с узкой полосой пропускания и большим усреднением, что повышает стабильность и достоверность измерений. Синхронный детектор 15 выполняется на элементах аналоговой техники (импульсные трансформаторы, усилители на транзисторах). Существует большое число схем их реализации, в частных случаях в качестве них используются балансные или фазовые детекторы. Для работы синхронного детектора 15 нужен опорный сигнал частоты Ω, который поступает на него с блока изменения амплитуды и фазы 5. Индикатор 16 предназначен для вычисления коэффициента наличия трещин и его отображения на стрелочном или цифровом индикаторах, в качестве которых могут быть использованы любые индикаторы, например, выполненные с использованием микросхем К572ПВ5 с ЖКИ индикатором или любым стрелочным индикатором с усилителем на операционном усилителе. При этом предварительную обработку сигнала (нормировку) осуществляют с помощью масштабируемого операционного усилителя.

В примере конкретной реализации устройства в качестве ультразвукового эхолокатора 1 используется модифицированный дефектоскоп УД-12, имеющий частоту повторения F=76 Гц и частоту локации f=2,5 МГц. Каждый излучаемый импульс ультразвуковой волны с ультразвукового эхолокатора 1 равен по длительности 8 периодам частоты локации. В качестве ультразвукового преобразователя 2 используется стандартный преобразователь типа РП-55 для ультразвуковых дефектоскопов рельсов. В качестве модели твердого тела, имеющего дефект в виде трещины, использовалась стальная пластина размером 305×6×50 мм³, имеющая усталостную трещину. Трещина расположена на расстоянии 204 мм от ее торца. В качестве преобразователя акустических импульсов 3 используется наклонный преобразователь, состоящий из акустической призмы и составного пьезоэлектрического преобразователя. Акустическая призма (на чертеже не показана) шириной 30 мм, длиной 40 мм и высотой 40 мм, позволяющая вводить акустические импульсы с углом ввода 55° выполнена из оргстекла. К поверхности призмы приклеен пьезоэлектрический преобразователь типа пакета Ланжевена, в виде набора из семи определенным образом склеенных пластин из пьезокерамики ЦТС-19, сжатых стальным болтом. Резонансная частота преобразователя составляет 30 кГц. Ультразвуковой преобразователь 2 и преобразователь акустических импульсов 3 размещены на исследемой стальной пластине на расстоянии 100 мм от трещины, под углом друг к другу, так что их оси излучения пересекаются в месте расположения трещины. Устройство задержки 4 выполнено в виде регулируемого напряжением одновибратора на триггере К555ТМ2 и полевом транзисторе КП303 по стандартной схеме включения. С помощью сигнала управления, поступающего с блока обработки информации 7 устанавливается временная задержка запуска блока изменения фазы и амплитуды 5, компенсирующая задержку распространения акустического импульса в призме из оргстекла и обеспечивающая совпадение временного положения импульса ультразвуковой волны и акустических импульсов для выбранной области анализа. Путем изменения временной задержки изменяют временное положение акустических импульсов по отношению к ультразвуковым импульсам при одновременном сохранении выбранной области анализа ультразвуковых импульсов. В данном случае область анализа установлена совпадающей с положением трещины. Устройство изменения фазы и амплитуды 5 изготовлено на двух цифровых коммутаторах типа К555КП2 и трех триггерах типа К555ТМ2 по стандартной схеме включения. Устройство имеет два выхода для подключения к двухтактному усилителю мощности 6, работающему в ключевом режиме на двух транзисторах типа КП901 с трансформаторным выходом. На выходе блока изменения фазы и амплитуды 5 формируется последовательность импульсов, поочередно подающихся то на один вход двухтактного усилителя мощности 6, то на другой. Используется следующая периодически повторяемая последовательность: импульс сжатия, импульс сжатия, импульс разрежения, импульс разрежения. Таким образом, частота модуляции трещины равна Ω=76 Гц/4=19 Гц. Для контроля правильности возбуждения в твердом теле акустических импульсов сжатия и разрежения излучаемая последовательность акустических импульсов регистрировалась с помощью широкополосного ультразвукового преобразователя из ЦТС-19, временно прислоняемого к твердому телу (на чертеже не показан). Сигнал с преобразователя подавался на осциллограф С 1-55. На осциллографе синхронно с излучаемыми импульсами ультразвуковой волны действительно наблюдалась последовательность излучаемых акустических импульсов сжатия и разрежения, амплитуды которых были равны по абсолютному значению и совпадали по времени. В качестве детектора 8 используется амплитудный детектор, выполненный по стандартной схеме на операционном усилителе AD8009. При реализации программного варианта устройства в качестве платы АЦП 8 используется высокоскоростная плата АЦП ADM214x60M с базовым субмодулем AMBPCI v.2.0 фирмы ″Инструментальные системы″ (г.Москва). Плата АЦП 9 имеет встроенный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Цифровой код, соответствующий вычисленной задержке для каждой дальности локации, подается в ЦАП. Соответствующее коду напряжение на выходе ЦАП, подается на управляющий вход блока задержки 4, и устанавливает временную задержку, обеспечивающую совпадение ультразвуковых и акустических импульсов в выбранной области анализа. В качестве компьютера 9 используется компьютер класса Celeron 2,4 ГГц. Для обработки сигналов принятой последовательности ультразвуковых импульсов на основе стандартного пакета программ для языка программирования С⁺⁺ и драйверов платы АЦП, поставляемых изготовителем платы, написана программа, позволяющая синхронно с началом излучения ультразвуковых импульсов записывать в память компьютера 512 временных реализации длительностью 10000 отсчетов каждая с частотой квантования по времени 15 МГц. На экране компьютера отображаются две зависимости ″амплитуда принятого ультразвукового импульса - время (или дальность)″ и ″коэффициент наличия трещин - время (или дальность)″. Выбор шкалы времени или дальности осуществляется вручную. Первая зависимость соответствует линейной локации, вторая - нелинейной. По первой зависимости с помощью маркеров выбирается область анализа, например, она соответствует дальности, на которой расположена трещина. Для нее рассчитывается необходимая временная задержка для блока задержки 4. Длительность области устанавливается равной одному или 10 отсчетам квантования по времени платы АЦП. Для заданной области анализа из 512 записанных в компьютер 10 ультразвуковых импульсов получают временную реализация из 512 отсчетов. Она соответствует изменению амплитуды ультразвуковых импульсов на выбранной дальности. Для этой реализации рассчитывают спектр Фурье и в нем определяют значение амплитуды гармоники частоты Ω=19 Гц. По значениям амплитуды излучаемой ультразвуковой волны A_f=0,01 мкм, амплитуды акустических импульсов A_i=1 мкм и измеренной амплитуде гармоники А _Ω=4,3/10^-7 рассчитывают коэффициент наличия трещин k=4,3·10^-5 1/ мкм на выбранной дальности. Изменение коэффициента k наличия трещин в зависимости от дальности отображают на втором графике. Путем изменения области анализа определяют распределение коэффициента k наличия трещин на различных дальностях. В качестве контрольных измерений проводят измерения на твердом теле не имеющем дефекта в виде трещин (аналогичная пластина, у которой вместо трещины - отверстие, то есть линейный дефект), для аналогичных условий измерений. Эксперимент показал отсутствие модуляции принятого сигнала с частотой Ω на дальности, соответствующей местоположению отверстия, что подтверждает факт возникновения модуляции только на дефекте, обладающем нелинейными свойствами. Расчитанный коэффициент k наличия трещины для нее равен 0,7·10^-5. Это значение выбирают в качестве порогового для обнаружения трещин в аналогичных пластинах. При реализации аппаратурного варианта устройства (см. фиг.3) в качестве детектора 8 используют аналогичный амплитудный или фазовый детектор. Регулятор задержки строба 11 и регулятор задержки 12 выполняют на двух регулируемых потенциометром одновибраторах на триггере К555ТМ2, по обычной схеме включения. В качестве устройства выборки-хранения 13 используют микросхему КР1100СК2. Усилитель 14 выполняют на операционном усилителе К544УД2 с коэффициентом усиления, равным 20. Синхронный детектор изготавливают по стандартной схеме включения на основе мультиплексора ADG508A и операционного усилителя ОРА37. В качестве индикатора 16 может использоваться стрелочный индикатор типа М4248 со схемой усиления на операционном усилителе, работающем в режиме усиления с коэффициентом, учитывающим значения амплитуд излучаемых ультразвуковых и акустических импульсов. В этом случае индикатор 16 отображает текущее значение коэффициента наличия трещин. В качестве согласующего элемента 17 используют эпоксидный клей с наполнителем из вольфрама. Соединенные согласующим элементом 17 преобразователи 2 и 3 размещают в общем корпусе.

Разработанный способ в соответствии с п.1 формулы реализуют следующим образом (см. фиг.1). С помощью ультразвукового эхолокатора 1, соединенного с ультразвуковым преобразователем 2, в предполагаемом направлении трещин периодически с частотой F излучают последовательность ультразвуковых импульсов. С помощью преобразователя акустических импульсов 3 в этом же направлении излучают последовательность акустических импульсов. Ввод ультразвуковых волн осуществляют так, что области распространения ультразвуковых и акустических импульсов перекрываются. Одновременно с началом излучения ультразвуковых импульсов синхронизирующий импульс ультразвукового эхолокатора 1 и принятый сигнал ультразвукового импульса подают на блок обработки информации 7. Блок обработки информации синхронно с работой ультразвукового эхолокатора 1 регистрирует последовательности принятых ультразвуковых импульсов. В принятой последовательности устанавливают область анализа ультразвуковых импульсов, соответствующую местоположению предполагаемых трещин. В блоке обработке информации 7 определяют временную задержку излучения акустических импульсов, обеспечивающую совпадение в области анализа ультразвуковых импульсов и максимальных значений амплитуд акустических импульсов. По сигналу с блока обработки информации 7 необходимую задержку устанавливают блоком задержки 4. Сигнал с блока задержки 4 подают на вход блока изменения фазы и амплитуды 5, который формирует очередность изменения параметров акустических импульсов по определенному закону синхронно с поступающими на него сигналами с блока задержки 4. В частном случае акустические импульсы изменяются периодически с частотой Ω=F/4 в следующей последовательности: импульс сжатия, импульс сжатия, импульс разрежения, импульс разрежения. Сформированную последовательность подают на усилитель мощности 6 и возбуждают в твердом теле с помощью преобразователя акустических импульсов 3 акустические импульсы сжатия или разрежения. В блоке обработки информации 7 за время, много большее периода Т последовательности акустических импульсов, в выбранной области анализа определяют амплитуду гармоники частоты Ω. Для выбранной области анализа рассчитывают коэффициент наличия трещин по формуле где A_f - амплитуда излучаемой ультразвуковой волны, А_i - максимальное значение амплитуды акустического импульса, A _Ω - амплитуда гармоники частоты , n - число акустических импульсов за период их повторения, и по превышению коэффициентом k порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о размере трещин. Изменяя область анализа, определяют наличие трещин и их местоположения в твердом теле во всей области взаимодействия ультразвуковых и акустических импульсов. Изменяя взаимное положение ультразвукового преобразователя 2, преобразователя акустических импульсов 3 и направления их излучения, обеспечивают сканирование всего объема твердого тела и обнаруживают трещины на различных дальностях для широкого круга твердых тел без повреждения их покрытия.

Особенностью реализации разработанного способа по п.2 с помощью устройств, приведенных на фиг.2 и фиг.3, является то, что ультразвуковой преобразователь 2 и преобразователь акустических импульсов 3 устанавливают под различными углами взаимодействия и изменяют этим направление и условия модуляции трещин.

Особенностью реализации разработанного способа по п.3 с помощью устройств, приведенных на фиг.2 и фиг.3, является то, что излучение и прием ультразвуковых импульсов с помощью ультразвукового преобразователя 2 и излучение акустических импульсов преобразователем акустических импульсов 3 осуществляют бесконтактно в различных комбинациях.

Особенностью реализации разработанного способа по п.4 с помощью устройства, приведенного на фиг.2, является то, преобразователем акустических импульсов 3 обеспечивают облучение значительного объема твердого тела, а ультразвуковой преобразователь 2 перемещают по его поверхности.

Использование: для обнаружения трещин и их местоположений в твердом теле. Сущность заключается в том, что в твердое тело излучают последовательность ультразвуковых импульсов с частотой посылок F, а модуляцию трещин осуществляют периодической последовательностью одиночных акустических импульсов, создающих в твердом теле изменяющуюся по определенному закону с периодом Т последовательность распространяющихся акустических импульсов сжатия и разрежения. Устанавливают задержку излучения акустических импульсов, обеспечивающую совпадение в области анализа ультразвуковых импульсов и максимальных значений амплитуд акустических импульсов и определяют в спектральном составе принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях гармонику, соответствующую заданному периоду последовательности акустических импульсов, по амплитуде которой определяют коэффициент k наличия трещин. При превышении коэффициентом k порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о размере трещин. Технический результат: расширение круга твердых тел, доступных исследованию за счет модуляции трещин специально сформированной последовательностью распространяющихся акустических импульсов сжатия и разрежения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Нелинейный ультразвуковой способ обнаружения трещин и их местоположений в твердом теле, заключающийся в том, что в твердое тело излучают последовательность ультразвуковых импульсов с частотой посылок F, а также возбуждают в нем низкочастотный сигнал, приводящий к модуляции распространяющейся в твердом теле последовательности ультразвуковых импульсов, в последовательности принятых ультразвуковых импульсов выделяют области анализа для обнаружения в них трещин и исследуют спектральный состав принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях, а по присутствию в спектре гармоник определяют наличие трещин, отличающийся тем, что модуляцию трещин осуществляют периодической последовательностью одиночных акустических импульсов, создающих в твердом теле изменяющуюся по определенному закону с периодом Т последовательность распространяющихся акустических импульсов сжатия и разрежения, устанавливают задержку излучения акустических импульсов, обеспечивающую совпадение выделенной области исследования с нахождением в ней максимальных значений амплитуд акустических импульсов, определяют в спектральном составе принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях гармонику, соответствующую заданному периоду последовательности акустических импульсов, по амплитуде которой определяют коэффициент k наличия трещин по формуле

где A_f - амплитуда излучаемой ультразвуковой волны, А_i - максимальное значение амплитуды акустического импульса, A _Ω - амплитуда гармоники, соответствующая периоду последовательности акустических импульсов , Ω - частота модуляции, F - частота посылок ультразвуковых импульсов, n - число акустических импульсов в периоде последовательности, и при превышении коэффициентом k порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о размере трещин.