СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ Российский патент 2008 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля токопроводящих объектов, преимущественно ультразвуковым методом.

Известен механический способ формирования звуковой волны в объекте контроля (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: справочник. / Под ред. В.В.Клюева. Кн. 2. - М.: Машиностроение, 1976, - стр.280), заключающийся в кратковременном импульсном воздействии (ударе) твердым предметом на поверхность объекта контроля. Недостатком способа является невозможность формирования звуковой волны с заданными характеристиками.

Известен контактный способ формирования звуковой волны в объекте контроля (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: справочник. / Под ред. В.В.Клюева. Кн. 2. - М.: Машиностроение, 1976, - стр.178). Для возбуждения волны используют преобразователь, который прижимают к поверхности изделия, смазанного контактной жидкостью. Звуковая волна формируется преобразователем (например, пьезоэлектрическим или магнитострикционным) и передается в среду объекта контроля через контактную жидкость. Способ получил широкое распространение, однако имеет ограничения, связанные с необходимостью создания хорошего акустического контакта между преобразователем и объектом контроля.

Разновидностью контактного способа являются менисковый (щелевой) и иммерсионный способы формирования звуковой волны в среде объекта контроля (см. тот же источник информации). Способам присущи те же недостатки.

Известен тепловой способ формирования звуковой волны в объекте контроля (см. Неразрушающий контроль: справочник. / Под ред. В.В.Клюева. Т. 2: Ультразвуковой контроль. / И.Н.Ермолов, Ю.В.Ланге. - М.: Машиностроение, 2004. - 864 с.). В тепловом способе поверхность объекта контроля подвергают импульсному локальному нагреву с помощью лазера или высокочастотного индуктора. При этом акустическая волна возникает за счет изменяющихся во времени термомеханических напряжений из-за неравномерного распределения температур. Недостатком способа является сложность приема акустических колебаний. Кроме того, в ряде случаев применение локального нагрева объекта контроля может быть нежелательным.

Известен емкостный способ формирования звуковой волны в объекте контроля (см. Цапенко В.К. Акустичнi перетворювачi. - К.: НТУ КПI, 2004, - стр.7-8). Поверхность объекта контроля делают одной из пластин конденсатора. Акустические колебания возникают за счет сил взаимодействия электрических зарядов. Из-за низкой чувствительности и сложности создания узкой диаграммы направленности способ не получил широкого распространения.

Известен электромагнитный акустический (ЭМА) способ формирования звуковой волны (см. Сазонов Ю.И., Шкарлет Ю.М. Исследование бесконтактных методов возбуждения и регистрации ультразвуковых колебаний: Ультразвуковые методы контроля. - Дефектоскопия, 1969, №5, с.2), являющийся прототипом заявляемого изобретения. Способ заключается в следующем. Параллельно поверхности контролируемого объекта устанавливают проводник. На среду объекта контроля воздействуют магнитным полем. По проводнику пропускают импульс тока, под действием которого в объекте контроля индуцируются вихревые токи. Взаимодействие первичного и наведенного токов приводит к появлению давлений, изменяющихся с звуковой частотой. Звуковые колебания, в свою очередь, создают в металле пространственно-периодическое поле, под влиянием которого частицы среды совершают колебания. Данный способ положен в основу работы большинства бесконтактных преобразователей. В ряде ЭМА преобразователей, для увеличения чувствительности, в качестве проводника используют решетку из нескольких расположенных параллельно друг другу нитей-излучателей (см., например, патент Японии 2004-177267, G01N 29/04).

Способ, выбранный в качестве прототипа, позволяет сформировать в контролируемом объекте звуковую волну через воздушный промежуток, слой краски или ржавчины, не требует контактной жидкости, прост в реализации. Способ реализуем в условиях высоких температур и больших скоростей перемещения объекта контроля относительно проводника. Вместе с тем, для реализации способа требуется создание достаточно мощного внешнего магнитного поля, что в ряде случаев может быть нежелательно. Из-за мощных магнитов большинство электромагнитных акустических датчиков имеет относительно большие габариты.

В основу изобретения положена задача бесконтактного формирования акустической волны в средах объектов контроля без воздействия сильных внешних полей и расширения функциональных возможностей аппаратуры неразрушающего контроля путем пропускания тока через объект контроля. Это позволит отказаться от источника внешнего магнитного поля, что, в свою очередь, позволит упростить конструкцию преобразователя, уменьшить его габариты.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе формирования акустической волны в токопроводящей среде объекта контроля, заключающемся в том, что параллельно поверхности объекта контроля размещают проводник, по которому пропускают импульс тока, в соответствии с изобретением одновременно с пропусканием тока по проводнику ток пропускают и через объект контроля непосредственно под проводником.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Параллельно поверхности контролируемого объекта устанавливают проводник, по которому пропускают импульс тока, в идеальном случае изменяющийся по гармоническому закону. Одновременно с этим ток пропускают по объекту контроля вдоль проводника. В этом случае поверхность объекта контроля и проводник могут рассматриваться как параллельно расположенные проводники с током, взаимодействующие между собой. Из электромагнитной теории поля известно, что на параллельные проводники с током действует сила, прямо пропорциональная произведению токов в проводниках и обратно пропорциональная расстоянию между ними (см., например, Савельев И.В. Курс общей физики, том 2. - М.: Наука, 1973, - стр.157). При одинаковом направлении токов проводники притягиваются, при противоположном - отталкиваются. В связи с этим, в момент пропускания импульса тока по проводнику на единицу длины поверхности объекта контроля будет действовать определенная сила, выражение для которой в общем случае может быть записано в виде:

,

где f - сила, действующая на единицу длины поверхности объекта контроля; k - коэффициент пропорциональности; μ₀ - магнитная постоянная; i₁, i₂ - токи, протекающие по проводнику и объекту контроля (под проводником); b - расстояние от проводника до объекта контроля.

Под действием силы f на поверхности объекта контроля под проводником будет формироваться распределение давлений. При этом величина давления непосредственно под проводником будет максимальной, изменяющейся по закону, определяемому законом изменения токов в проводнике и объекте контроля. Изменение давления на поверхности объекта контроля приведет к формированию пространственно-периодического поля, под влиянием которого частицы среды совершают колебания, происходящие с определенной колебательной скоростью, то есть к формированию звуковой волны.

Для повышения создаваемого на поверхности объекта контроля давления проводник может быть выполнен в виде решетки из расположенных параллельно друг другу нитей-излучателей. Нити-излучатели должны располагаться друг от друга на расстоянии l, пропорциональном λ - длине возбуждаемой нормальной акустической волны. То есть l=λ/n, где n=1, 2,... k - целое число.

Эффект может быть усилен, если одновременно с пропусканием импульса тока по проводнику, между проводником (проводниками) и поверхностью объекта контроля подают импульс напряжения. Дополнительное давление на поверхность объекта контроля создается за счет электростатического взаимодействия между зарядами проводника (проводников) и объекта контроля.

На фиг.1 и 2 представлены чертежи, поясняющие предлагаемый способ формирования акустической волны.

На фиг.1 показано размещение проводника 1 относительно поверхности объекта контроля 2, где i₁, i₂ - токи, протекающие по проводнику и объекту контроля (под проводником).

На фиг.2 показан вариант выполнения проводника в виде решетки нитей-излучателей.

Предлагаемый способ формирования звуковой волны может найти применение при проведении неразрушающего контроля проводников, находящихся под током (например, силовых шин), а также трубопроводов, оборудованных системой катодной защиты. В этом случае отпадает необходимость в дополнительном источнике тока.

Использование: для формирования акустической волны при неразрушающем контроле токопроводящих объектов, преимущественно ультразвуковым методом. Сущность заключается в том, что параллельно поверхности объекта контроля размещают проводник, по которому пропускают импульс тока, при этом одновременно с пропусканием тока по проводнику ток пропускают и через объект контроля непосредственно под проводником. Технический результат: возможность формирования акустической волны в токопроводящих средах объектов контроля без воздействия сильных внешних полей, расширение функциональных возможностей аппаратуры неразрушающего контроля, а также возможность отказа от использования мощных магнитов, имеющих большие габариты. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования акустической волны в токопроводящей среде объекта контроля, заключающийся в том, что параллельно поверхности объекта контроля размещают проводник, по которому пропускают импульс тока, отличающийся тем, что одновременно с пропусканием тока по проводнику ток пропускают и через объект контроля непосредственно под проводником.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве проводника используют решетку из нитей-излучателей, расположенных параллельно друг другу на расстоянии l=λ/n, где n=1, 2...k - целое число, λ - длина формируемой нормальной акустической волны.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что одновременно с пропусканием импульса тока по проводнику между проводником (проводниками) и поверхностью объекта контроля подают импульс напряжения.