СПОСОБ НЕКОНТАКТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ Российский патент 2010 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области ультразвуковой диагностики, а именно к неконтактному способу по возбуждению и регистрации ультразвуковой (акустической) волны, и может быть использовано в неразрушающем дистанционном контроле различных силовых конструкций и ответственных деталей.

Известен способ лазерно-акустического контроля, заключающийся в генерации лазерного импульса, преобразовании его с помощью поглощающей световой импульс плоскопараллельной пластины в акустический сигнал, излучении акустического сигнала в исследуемую среду и регистрации отраженного сигнала [1]. Недостатком данного способа является низкая чувствительность оптической регистрации отраженного сигнала.

Известен способ [2] бесконтактной ультразвуковой дефектоскопии, использующий метод зондирования объекта диагностики последовательностью генерируемых ультразвуковых импульсов заданной интенсивности и формы с последующей регистрацией отраженных или прошедших сигналов, в котором в качестве зондирующих и приемных устройств используют источники когерентного электромагнитного излучения (например, лазеры), а для подвода и съема энергии в выбранных точках поверхности объекта диагностики применяют средства волоконной оптики. В данном способе оптико-акустическое преобразование осуществляется непосредственно в объекте исследования. Это дает возможность значительно увеличить мощность ультразвуковой волны в исследуемом объекте и позволяет оптическим методом увеличить чувствительность регистрации отраженной ультразвуковой волны. Вместе с тем, для достижения разрешающей способности групп нитевидных и объемных дефектов с поперечным сечением 10-100 мкм в стальных объектах необходимо ультразвуковое облучение с длинной волны 5-50 мкм. Это соответствует частоте ультразвуковой волны 100-1000 МГц. Акустические волны в этом частотном диапазоне эффективно поглощаются объектом. Поэтому для диагностики таких микродефектов, к примеру, в стальных объектах даже на глубине 2 см мощность ультразвуковой волны на поверхности объекта должна достигать не менее 1-10 МВт. Учитывая, что коэффициент поглощения света обычной поверхностью металлических образцов составляет 20-80%, а кпд преобразования лазерного импульса в акустический не более 0,1%, получим необходимую мощность лазерного импульса порядка 1-10 ГВт. При такой мощности лазерного воздействия исследуемый объект будет термически разрушаться. Это основной недостаток указанного метода.

Наиболее близким техническим решением к предложенному, принятым за прототип, является способ [3] неконтактной ультразвуковой диагностики, использующий для возбуждения ультразвуковой волны в исследуемом объекте мощный объемный импульсный электрический разряд, синхронизованный по времени с импульсным источником света системы регистрации ультразвуковых волн в объекте. Это дает возможность значительно увеличить мощность ультразвуковой волны в исследуемом объекте и, как следствие, позволяет при оптической регистрации падающей и отраженных ультразвуковых волн увеличить глубину контроля и разрешение дефектов в объекте. Вместе с тем, при разрешающей способности групп нитевидных и объемных дефектов с поперечным сечением 30-40 мкм в стальных объектах необходимо ультразвуковое облучение с длинной волны 15-20 мкм. При длительности объемного разряда t=4 нс это соответствует частоте ультразвуковой волны f=1/t=250 МГц. Акустические волны в этом частотном диапазоне эффективно поглощаются объектом (см. фиг.2). Поэтому для диагностики таких микродефектов, к примеру, в стальных объектах на глубине 4 см импульсная мощность ультразвуковой волны на поверхности объекта должна достигать не менее 10 МВт. Увеличение глубины регистрации дефектов в объекте с 4 см до 5 см (на 20%) потребует повышения мощности до 170 МВт, т.е. в семнадцать раз. При длительности объемного разряда t=0,8 нс (частота ультразвуковой волны f=1/t=1250 МГц) достигается разрешение нитевидных и объемных дефектов поперечным размером до 5 микрон. Но в этом случае достигнутая глубина регистрации не превышает уже 1 см. Таким образом, данный способ неконтактной ультразвуковой диагностики, основанный на возбуждении ультразвуковой волны в исследуемом объекте мощным объемным импульсным электрическим разрядом, имеет ограничение регистрации микродефектов по глубине, которое обусловлено сильным поглощением в объекте высокочастотных ультразвуковых волн. Это является недостатком данного метода.

Целью данного изобретения является создание способа, позволяющего увеличить глубину контроля дефектов при неконтактной ультразвуковой диагностике объектов.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».

Заявителю неизвестно из уровня техники о наличии следующих признаков:

1. Фронт ультразвукового импульса объемного газового разряда соответствует частоте с длиной волны меньше размеров дефектов.

2. Длительность ультразвукового импульса объемного газового разряда соответствует частоте ультразвуковой волны, проникающей на всю глубину объекта.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». Кроме того, при взаимодействии признаков получается новый технический результат - существенно увеличивается глубина контроля объектов.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для реализации данного способа. На фиг.2 отображена зависимость коэффициента затухания ультразвуковой волны от частоты в стали.

Способ осуществляется следующим образом.

Поверхность контролируемого объекта (0) облучают наносекундным ультразвуковым импульсом, формируемым мощным генератором (1) объемного электрического разряда на воздухе. Генератор имеет устройство (2) регулировки длительности фронта и импульса объемного разряда. Падающий и отраженный от дефектов ультразвуковые импульсы регистрируются информационной оптической системой, которая состоит из импульсного источника света (3), объектива (4) фотоприемника (5). Оптический импульс посредством зеркал (6) подается под углом (фиг.1) на зашлифованную поверхность исследуемого объекта, отражается и регистрируется быстродействующим фотоприемником (5). Сигнал с фотоприемника (5) поступает на цифровой осциллограф (7). Работа мощного импульсного генератора объемного электрического разряда (плазменного генератора) (1) и импульсного источника света (3) синхронизованы во времени так, что генератор объемной плазмы (1) запускается после выхода импульсного источника света (3) на рабочий режим. При этом оптический импульс имеет длительность не менее времени двойного прохода ультразвуковой волны по глубине сварного шва объекта. Цифровой осциллограф (6) запускается по переднему фронту оптического импульса.

Пример 1. Контролируемый стальной объект толщиной 6 см облучают в деформированной области неконтактно на расстоянии 1 см посредством объемного газового разряда с фронтом 4 нс и длительностью 10 нс. Регистрацию наведенной мощной (10 МВт/см²) ультразвуковой волны до и после прохождения деформированной части объекта производят фотоприемником с временным разрешением 1 нс, на который подается отраженный оптический импульс длительностью 30 мкс от зашлифованной поверхности в области синхронно действующего объемного плазменного удара. В прямом эксперименте зарегистрированы нитевидные и объемные дефекты поперечным сечением 30-40 микрон на глубине их регистрации до 4 см. Данное разрешение обусловлено действием ультразвуковой волны с частотой f=250 МГц, которая соответствует фронту импульса объемного газового разряда t_ф=1/f=4 нс. С глубины 4 см и далее на глубину проникновения ультразвуковой волны на всю толщину объекта зарегистрированы дефекты диаметром 90-100 микрон. Данное разрешение обусловлено действием ультразвуковой волны с частотой f=100 МГц, которая соответствует длительности импульса объемного газового разряда t=1/f=10 нс. Таким образом, по сравнению с прототипом глубина регистрации микродефектов увеличена в 1,2 раза.

Пример 2. Контролируемый стальной объект толщиной 12 см облучают неконтактно на расстоянии 1 см в области сварного шва посредством объемного газового разряда с фронтом 2 нс и длительностью 20 нс. Регистрацию наведенной мощной (10 МВт/см²) ультразвуковой волны до и после прохождения сварного шва в объекте производят фотоприемником с временным разрешением 1 нс, на который подается отраженный оптический импульс длительностью 50 мкс от зашлифованной поверхности сварного шва в области синхронно действующего объемного плазменного удара. В результате по сравнению с примером 1, не разрушая объект, зарегистрированы нитевидные и объемные дефекты поперечным сечением 12-15 микрон на глубине объекта до 2 см. Данное разрешение обусловлено действием ультразвуковой волны с частотой f=500 МГц, которая соответствует фронту импульса объемного газового разряда t_ф=1/f=2 нс. С глубины от 2 см и далее на глубину проникновения ультразвуковой волны на всю толщину объекта зарегистрированы дефекты диаметром 200 микрон. Данное разрешение обусловлено действием ультразвуковой волны с частотой f=50 МГц, которая соответствует длительности импульса объемного газового разряда t=1/f=20 нс. Таким образом, по сравнению с прототипом глубина регистрации микродефектов увеличена в 3 раза.

Пример 3. Контролируемый стальной объект толщиной 20 см облучают неконтактно на расстоянии 1 см в области сварного шва посредством объемного газового разряда с фронтом 0,8 нс и длительностью 40 нс. Регистрацию наведенной мощной (10 МВт/см²) ультразвуковой волны до и после прохождения сварного шва в объекте производят фотоприемником с временным разрешением 0,5 нс, на который подается отраженный оптический импульс длительностью 80 мкс от зашлифованной поверхности сварного шва в области синхронно действующего объемного плазменного удара. В результате по сравнению с примером 2, не разрушая объект, зарегистрированы нитевидные и объемные дефекты поперечным сечением 5 микрон на глубине объекта до 1 см. Данное разрешение обусловлено действием ультразвуковой волны с частотой f=1250 МГц, которая соответствует фронту импульса объемного газового разряда t_ф=1/f=0,8 нс. С глубины от 1 см и далее на глубину проникновения ультразвуковой волны на всю толщину объекта зарегистрированы дефекты диаметром 400-500 микрон. Данное разрешение обусловлено действием ультразвуковой волны с частотой f=25 МГц, которая соответствует длительности импульса объемного газового разряда t=1/f=40 нс. Таким образом, по сравнению с прототипом глубина регистрации микродефектов увеличена в 5 раз.

Таким образом, достижение цели изобретения подтверждено экспериментально. Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известным изобретением дает следующее преимущества:

- увеличение глубины контроля объектов.

Источники информации

1. Патент США №5457997, кл. 73/643, от 17 октября 1995 г.

2. Авторское свидетельство №95109005. Способ бесконтактной ультразвуковой дефектоскопии и акустическое устройство дистанционной диагностики. От 10.01.1997 г. Кл. G01N 29/04. Братухин А.Б., Градов О.М. и др.

3. Положительное решение на выдачу патента на изобретение. Способ неконтактной ультразвуковой диагностики сварных соединений. Заявка №2006147080/28 (051429) на изобретение, приоритет от 27.12.2006 г. В.И.Барышников. Т.А.Колесникова, А.П.Хоменко (прототип).

Использование: для ультразвукового неразрушающего контроля объектов. Сущность заключается в том, что осуществляют неконтактное возбуждение мощным объемным импульсным электрическим разрядом в объекте ультразвуковой волны и ее регистрацию синхронизованным по времени в режиме отражения или прохождения света импульсным источником системы регистрации ультразвуковых волн в объекте, при этом для возбуждения ультразвуковой волны в объекте используется мощный объемный импульсный электрический разряд, у которого фронт ультразвукового импульса соответствует частоте с длиной волны меньше размеров дефектов и длительность ультразвукового импульса соответствует частоте ультразвуковой волны, проникающей на всю глубину объекта. Технический результат: увеличение глубины контроля дефектов при неконтактной ультразвуковой диагностике объектов. 2 ил.

Способ неконтактной импульсной ультразвуковой диагностики, включающий неконтактное возбуждение мощным объемным импульсным электрическим разрядом в объекте ультразвуковой волны и ее регистрацию синхронизованным по времени в режиме отражения или прохождения света импульсным источником системы регистрации ультразвуковых волн в объекте, отличающийся тем, что для возбуждения ультразвуковой волны в объекте используется мощный объемный импульсный электрический разряд, у которого фронт ультразвукового импульса соответствует частоте с длиной волны меньше размеров дефектов и длительность ультразвукового импульса соответствует частоте ультразвуковой волны, проникающей на всю глубину объекта.