СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛА ИСПЫТЫВАЕМОГО ОБЪЕКТА С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН Российский патент 2012 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к способу для неразрушающего контроля материала согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к соответствующему устройству согласно родовому понятию пункта 11 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к устройству для исследования объекта внутри тела человека или животного согласно родовому понятию пункта 15 формулы изобретения.

В случае многочисленных массивных и частично массивных деталей и промежуточных продуктов требуется, чтобы их внутренняя структура исследовалась на наличие дефектов материала. Для этого требуются неразрушающие способы контроля, которые предоставляют информацию о внутренней невидимой структуре. Это особенно необходимо в случае механически сильно нагруженных деталей.

Например, детали из стали после отливки подвергаются ковке, чтобы затем посредством обтачивания на токарном станке придать им окончательную форму. При этом контроль на наличие внутренних дефектов материала может осуществляться уже после ковки.

Обычно такие металлические детали проверяются с помощью ультразвука. При этом регистрируются ультразвуковые волны, которые отражаются от граничных поверхностей внутри материала. С помощью времени распространения отраженной звуковой волны можно определить длину пути, пройденного ею. Путем зондирования с различных направлений можно получить дополнительную информацию о дефекте или дефектах материала. Отсюда можно, например, определить местоположение дефекта материала. Например, таким образом можно определить геометрическую ориентацию дефекта материала. Из формы отраженных звуковых волн можно сделать выводы о типе дефекта материала.

Путем сканирования поверхности испытываемого объекта ультразвуковым детектором и индикации зарегистрированных данных можно полностью исследовать объем, доступный для ультразвука. Из зарегистрированных данных можно также генерировать изображение, которое может применяться при экспертизе объекта.

Для определения величины дефекта материала имеется множество возможностей. Например, при сканировании можно непосредственно считывать протяженность дефекта материала. Однако для этого необходимо, чтобы разрешение по местоположению было меньше, чем пространственная протяженность дефекта материала. Разрешение по местоположению ограничено применяемой длиной волны и величиной апертуры и, тем самым, дифракцией звуковых волн.

Величина дефекта материала может также определяться амплитудой отраженного сигнала. Тем самым можно также определить величину таких дефектов материала, которые меньше, чем разрешение по местоположению способа. Амплитуда отраженного сигнала зависит, однако, также от других параметров, например, от ориентации дефекта материала или от отражательных свойств на граничной поверхности.

С уменьшением величины дефекта материала уменьшается амплитуда отраженного сигнала. При этом расстояние до помеховых сигналов слишком мало, чтобы из единственной диаграммы зависимости амплитуды от времени распространения идентифицировать дефект материала. Целесообразно, чтобы расстояние между измеренным сигналом и помеховым сигналом составляло +6 дБ.

Разрешение по местоположению можно оптимизировать посредством фокусировки звуковых волн с помощью соответствующих щупов. При этом фокусировка может быть тем уже, чем шире щуп по сравнению с длиной волны. Фокусировка обуславливает повышенное звуковое давление.

Отсюда можно определять положение дефекта материала и при протяженном дефекте материала также определять их величину в рамках разрешения. Точность примерно сравнима с точностью в сканируемом диапазоне при вышеназванном способе, который применяет сфокусированные звуковые волны.

Способ фокусирования синтезированной апертуры (SAFT) является способом, который механическому двумерному сканированию испытываемого объекта сопоставляет трехмерное представление. При этом испытываемый объект сканируется двумерным способом. Это осуществляется, например, вдоль меандрового пути. Данные сохраняются вместе с данными положения испытываемого объекта для дальнейшей оценки. Испытываемый объект подразделяется на малые объемные элементы, например на кубики. Объемные элементы заполняются суммами эхо-сигналов, которые поступают из различных позиций щупа при двумерном сканировании.

В способе SAFT в каждой точке изображения в диапазоне ожидаемых дефектов все принимаемые в расчет отраженные сигнальные составляющие суммируются с временным смещением, которое сигнальные составляющие имели бы, если бы точка изображения была источником отраженной волны. Временное смещение, которое соответствует фазовому положению, получается из геометрических соотношений между щупом и точкой изображения, в частности из расстояния между щупом и точкой изображения. Если точка изображения теперь действительно является источником отраженной волны, то амплитуда на этом месте возрастает с увеличением числа различных позиций щупа, из которых был зарегистрирован дефект материала. Для всех других точек изображения фазы не совпадают, так что сумма в идеальном случае стремится к нулю, но, по меньшей мере, очень мала.

Разрешение по местоположению в случае способа SAFT не ограничено размерами щупа, так что возможно высокое разрешение по местоположению. В принципе речь идет о способе фокусировки, при котором граница разрешения получается из длины волны и синтезированной апертуры. Синтезированная апертура определяется угловым диапазоном, из которого регистрируется дефект материала. Апертура ограничивается движением щупа и расходимостью звукового поля.

В способе SAFT принимаются во внимание не только центральные лучи, но и все лучи расходящегося пучка. Так как данные регистрируются с высокими частотами, можно при суммировании данных также учитывать фазы. В зависимости от фазы эхо-сигналы при деструктивной интерференции могут компенсироваться, а при конструктивной интерференции усиливаться.

Согласно уровню техники все эхо-сигналы независимо от их положения в пределах расходящегося пучка учитываются в равной мере. Следствием этого является то, что эхо-сигналы краевых лучей занижают оценку отражателя на коэффициент «2» при равной отражательной способности. Коэффициент «2» соответствует расстоянию 6 дБ. Эхо-сигналы краевых лучей приводят к искажению сумм эхо-сигналов, вычисленных для отдельных объемных составляющих. Составляющие эхо-сигналов, которые не являются следствием центрального луча, являются существенными компонентами способа SAFT.

Коррекция этих составляющих была бы возможна только при точном знании звукового поля. На практике это не полностью возможно, так что результаты постоянно подвержены ошибке. Последующая оценка полученных данных по способу «расстояние-усиление-величина» (AVG) невозможна, так как способ AVG предполагает точное знание амплитуды эхо-сигнала.

В способе AVG, исходя из амплитуды, с дефектом материала соотносится величина эквивалентного отражателя, которая формировала бы перпендикулярно облучаемую свободную круговую поверхность. Если зарегистрированный сигнал заметно больше, чем помеховый сигнал или шумовой сигнал, то оценка амплитуды по способу AVG возможна без проблем. При этом отражатель должен находиться на центральном луче звукового поля щупа. Из зависимости амплитуды от расстояния до щупа зарегистрированная амплитуда соответствует величине отражателя с известной геометрией и ориентацией относительно центрального луча. Если, напротив, зарегистрированная амплитуда меньше, чем шумовой сигнал, или имеет сопоставимый порядок величины, то дефект материала не идентифицируется из диаграммы зависимости амплитуды от времени распространения.

Задачей изобретения является предоставить усовершенствованный способ и соответствующее устройство для неразрушающего контроля материала испытываемого объекта с помощью ультразвуковых волн.

Эта задача по отношению к способу решается предметом изобретения согласно пункту 1 формулы изобретения.

Согласно изобретению предусмотрено, что в каждой измерительной позиции центральный луч направлен на объемный элемент, причем центральный луч имеет максимальную интенсивность звукового поля.

Идея изобретения заключается в модифицированном способе SAFT, при котором центральный луч с максимальной интенсивностью звукового поля направляется на объемный элемент. Таким образом, составляющие эхо-сигналов, исходящие из краевых лучей, не играют никакой роли и не вносят вклад в искажения результата измерений.

Предпочтительным образом предусмотрено, что центральный луч электронным способом направляется на объемный элемент. Это обеспечивает возможность быстрого и точного проведения способа.

Предпочтительным образом направление центрального луча изменяется двумерным образом. Тем самым гарантируется, что при всех геометрических формах испытываемого объекта центральный луч может направляться на объемный элемент.

Например, для нагружения испытываемого объекта ультразвуком применяется щуп, который имеет множество источников ультразвука. Отдельные источники ультразвука могут особенно просто управляться электронным способом. В частности, щуп представляет собой групповой излучатель.

Затем просуммированные звуковые волны оцениваются по способу AVG.

Кроме того, предусмотрено, что поверхность или, по меньшей мере, участок поверхности испытываемого объекта сканируется по предварительно определенной схеме.

В частности, поверхность или, по меньшей мере, участок поверхности испытываемого объекта сканируется полностью.

Например, способ предусматривается для контроля материала испытываемого объекта из металла. В частности, но не исключительно, способ может применяться для контроля материала кованых деталей.

Кроме того, наряду с неразрушающим контролем материала, способ может соответствующим образом предусматриваться также для применений в медицине и медицинской технике. При этом могут, например, извне проводиться исследования внутренней структуры тела человека или животного. В частности, могут обнаруживаться и локализовываться новообразования или другие физические изменения внутри тела. Кроме того, способ дает возможность исследования посторонних объектов, которые должны использоваться с целями лечения в теле человека или животного. Например, описанным образом могут исследоваться такие элементы, которые были использованы для соединения обломков костей.

Лежащая в основе изобретения задача в части устройства решается предметом изобретения по пункту 11 формулы изобретения.

В соответствии с изобретением предусмотрено, что исходящий от щупа центральный луч ориентируется на объемный элемент, причем центральный луч имеет максимальную интенсивность звукового поля.

Так как центральный луч с максимальной интенсивностью звукового поля направлен на объемный элемент, составляющие эхо-сигналов, которые исходят из краевых лучей, не играют никакой роли и не приводят к искажениям результата измерения.

Предпочтительным образом центральный луч электронным способом может направляться на объемный элемент. Это обеспечивает возможность быстрого и точного проведения способа.

В качестве примера щуп имеет множество источников ультразвука. Отдельные источники ультразвука могут особенно просто управляться электронным способом. В частности, щуп представляет собой групповой излучатель.

Лежащая в основе изобретения задача в части устройства для исследования объекта внутри тела человека или животного решается предметом изобретения по пункту 15 формулы изобретения.

В соответствии с изобретением предусмотрено, что исходящий от щупа центральный луч ориентируется на объемный элемент, причем центральный луч имеет максимальную интенсивность звукового поля.

Так как центральный луч с максимальной интенсивностью звукового поля направлен на объемный элемент, составляющие эхо-сигналов, которые исходят из краевых лучей, и при этом применении и не играют никакой роли, и не приводят к искажениям результата измерения.

Предпочтительным образом центральный луч электронным способом может направляться на объемный элемент. Это обеспечивает возможность быстрого и точного исследования.

Предпочтительным образом щуп имеет множество источников ультразвука. Отдельные источники ультразвука могут особенно просто управляться электронным способом. В частности, щуп представляет собой групповой излучатель.

Другие признаки, преимущества и особые формы выполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов.

Далее способ, соответствующий изобретению, более подробно поясняется в описании чертежей на основе предпочтительных форм выполнения и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее:

Фиг.1 - схематичный вид сбоку в разрезе испытываемого объекта и щупа согласно предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению способа;

Фиг.2 - схематичный вид сбоку в разрезе испытываемого объекта и трех позиций щупа в неориентированном состоянии согласно предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению способа и

Фиг.3 - схематичный вид сбоку в разрезе испытываемого объекта и трех позиций щупа в ориентированном состоянии согласно предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению способа.

На фиг.1 показан схематичный вид сбоку в разрезе испытываемого объекта 10 и щупа 12. От щупа 12 исходит конусообразное звуковое поле 14, которое проникает в испытываемый объект 10. Звуковое поле 14 включает в себя центральный луч 16 и множество краевых лучей 18. Краевые лучи 18 определены посредством ослабления на -6 дБ. Кроме того, звуковое поле 14 содержит между центральным лучом 16 и краевыми лучами 18 другие лучи.

Звуковое поле 14 имеет, кроме того, волновой фронт 20, который имеет форму фрагмента конической поверхности. Звуковое поле 14 образует расходящийся пучок.

Контроль материала осуществляется тем, что щуп 16 перемещается по внешней поверхности испытываемого объекта 10. На фиг.1 видно, что радиальная звуковая волна 22 на тангенциальном дефекте 18 материала особенно сильно отражается, так как тангенциальный дефект 18 материала ориентирован, по существу, параллельно поверхности испытываемого объекта 10. Также видно, что тангенциальная звуковая волна 24 особенно интенсивно отражается на радиальном дефекте 18 материала.

На фиг.2 показан схематичный вид сбоку в разрезе испытываемого объекта 10 и нескольких позиций щупа 12 в неориентированном состоянии согласно предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению способа.

Щуп 12 представлен на первой позиции 22 щупа, второй позиции 24 щупа и третьей позиции 26 щупа на испытываемом объекте 10. Во всех трех позициях 22, 24 и 26 щупа щуп 12 находится на поверхности испытываемого объекта 10. В этом примере испытываемый объект 10 имеет изогнутую поверхность. В каждой позиции 22, 24 и 26 щупа щуп 12 генерирует звуковое поле 14 с соответствующим центральным лучом 16 и множеством краевых лучей 18. Между центральным лучом 16 и краевыми лучами 18 находятся другие лучи.

Внутри испытываемого объекта 10 находится объемный элемент 30. Звуковое поле 14, которое исходит из первой позиции 22 щупа, проходит мимо объемного элемента 30. Звуковое поле 14, которое исходит из второй позиции 24 щупа, встречается своим центральным лучом 16 с объемным элементом 30 в своем центре. Звуковое поле 14, которое исходит из третьей позиции 26 щупа, встречается одним из своих краевых лучей 18 с объемным элементом 30. Только те лучи, которые попадают на объемный элемент 30, вносят соответствующий вклад.

Составляющие эхо-сигналов для различных позиций 22, 24 и 26 щупа суммируются соответственно позиции с учетом фазы. При этом составляющая эхо-сигнала, которая приходит от центрального луча 16 второй позиции 24 щупа, является корректным вкладом для суммы. Напротив, составляющая эхо-сигнала, которая приходит от краевого 18 луча третьей позиции 26 щупа, является искаженной, в частности, слишком малой. Центральный луч 16, исходящий из второй позиции 4 щупа, входил бы в вычисления корректным образом. Напротив, краевой луч 18, исходящий из третьей позиции 26 щупа, входил бы в вычисления с ошибками. Также другие лучи, которые приходят от второй позиции 24 щупа, входили бы в вычисления с искажениями.

Неориентированное состояние центрального луча 16 соответствует также ориентации и при обычном способе.

На фиг.3 показан схематичный вид сбоку в разрезе испытываемого объекта 10 и трех позиций щупа 12 по фиг.2 в ориентированном состоянии согласно предпочтительной форме выполнения соответствующего изобретению способа.

В противоположность фиг.2, на фиг.3 все три центральных луча 16 направлены на объемный элемент 30. За счет этого исчезают составляющие эхо-сигналов, которые приходят от краевых лучей 18. Таким образом, исключается источник ошибок.

Посредством способа, соответствующего изобретению, направление центрального луча 16 от щупа 12 может электронным способом изменяться таким образом, что осуществляется управление центральным лучом 16 в желательном направлении. Это происходит с помощью техники группового излучателя. При применении двумерного группового излучателя центральный луч 16 в малом растре электронным способом двумерно изменяется по своему направлению.

В способе, соответствующем изобретению, на каждый объемный элемент 30 центральный луч 16 попадает из различных позиций 22, 24 и 26 щупа. Тем самым суммирование осуществляется автоматически с корректным взвешиванием.

Полученные таким образом результаты могут также оцениваться по методу AVG. Относительно большой объем данных может без проблем регистрироваться и сохраняться.

При программировании ориентации щупа 12 принимается во внимание зависимая от направления чувствительность уже при измерении за счет того, что устанавливается коррекция угла-амплитуды (ААС).

В случае техники группового излучателя применяется щуп 12 группового излучателя, для которого угловой диапазон может устанавливаться электронным способом. С помощью щупа 12 группового излучателя может сканироваться существенно больший объем, чем в случае традиционного щупа 12.

Кроме того, способ согласно изобретению может предусматриваться не только для неразрушающего контроля материала, но и соответствующим образом для применений в медицине и медицинской технике.

При этом могут, например, извне проводиться исследования внутренней структуры тела человека или животного. В частности, могут обнаруживаться и локализовываться новообразования, или другие физические изменения, или заболевания внутри тела.

Кроме того, способ также обеспечивает возможность исследования посторонних объектов, которые в целях лечения были введены в тело человека или животного. Например, таким образом могут исследоваться такие элементы крепления, которые были использованы для соединения обломков костей.

Соответствующий изобретению способ приводит к более высокому разрешению по местоположению и обеспечивает возможность оценки с использованием способа AVG. Это приводит к улучшению оценки дефектов материала.

Использование: для неразрушающего контроля материала испытываемого объекта с помощью ультразвуковых волн. Сущность: заключается в том, что выполняют следующие этапы: подразделение при компьютерной поддержке испытываемого объекта (10) на предварительно определенное число объемных элементов (30); нагружение испытываемого объекта (10) звуковым полем (14) во время сканирования поверхности или, по меньшей мере, участка поверхности испытываемого объекта (10); регистрацию отраженных на объемных элементах звуковых волн во время сканирования поверхности или, по меньшей мере, участка поверхности испытываемого объекта (10); суммирование с учетом фазы звуковых волн, отраженных на одних и тех же объемных элементах (30) и зарегистрированных на различных измерительных позициях (22, 24, 26) на поверхности испытываемого объекта (10), при этом в каждой измерительной позиции (22, 24, 26) центральный луч (16) направляется на объемный элемент (30), а центральный луч (16) имеет максимальную интенсивность звукового поля (14), и множество краевых лучей (18) имеют, соответственно, половину от максимальной интенсивности звукового поля (14), и причем при программировании ориентации щупа (12) зависимая от направления чувствительность учитывается уже при измерении за счет того, что устанавливается коррекция угла-амплитуды (ААС). Технический результат: повышение степени достоверности неразрушающего контроля объекта. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ неразрушающего контроля материала, по меньшей мере, на участках массивного испытываемого объекта (10) посредством нагружения испытываемого объекта (10) ультразвуковыми волнами (20) и регистрации отраженных внутри испытываемого объекта (10) ультразвуковых волн, причем способ содержит следующие этапы:
a) подразделение при компьютерной поддержке испытываемого объекта (10) на предварительно определенное число объемных элементов (30),
b) нагружение испытываемого объекта (10) звуковым полем (14) во время сканирования поверхности или, по меньшей мере, участка поверхности испытываемого объекта (10),
c) регистрацию отраженных на объемных элементах звуковых волн во время сканирования поверхности или, по меньшей мере, участка поверхности испытываемого объекта (10) и
d) суммирование с учетом фазы звуковых волн, отраженных на одних и тех же объемных элементах (30) и зарегистрированных на различных измерительных позициях (22, 24, 26) на поверхности испытываемого объекта (10),
отличающийся тем, что в каждой измерительной позиции (22, 24, 26) центральный луч (16) направляется на объемный элемент (30), причем центральный луч (16) имеет максимальную интенсивность звукового поля (14), и множество краевых лучей (18) имеют, соответственно, половину от максимальной интенсивности звукового поля (14), и причем при программировании ориентации щупа (12) зависимая от направления чувствительность учитывается уже при измерении за счет того, что устанавливается коррекция угла-амплитуды (ААС).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что центральный луч (16) электронным способом направляется на объемный элемент (30).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что направление центрального луча (16) изменяется двумерным образом.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нагружения испытываемого объекта (10) ультразвуком применяется щуп (12), который имеет множество источников ультразвука.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что щуп (12) представляет собой групповой излучатель.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что просуммированные звуковые волны оцениваются по способу расстояния-усиления-величины (AVG).

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность или, по меньшей мере, участок поверхности испытываемого объекта (10) сканируется по предварительно определенной схеме.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность или, по меньшей мере, участок поверхности испытываемого объекта (10) сканируется полностью.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ предусматривается для контроля материала испытываемого объекта (10) из металла.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ может применяться для контроля материала кованых деталей (10).

11. Устройство для неразрушающего контроля материала, по меньшей мере, на участках массивного испытываемого объекта (10), который при компьютерной поддержке подразделен на предварительно определенное число объемных элементов (30), причем устройство содержит, по меньшей мере, один щуп (12) для нагружения испытываемого объекта (10) звуковым полем (14) во время сканирования поверхности или, по меньшей мере, участка поверхности испытываемого объекта (10), и для регистрации звуковых волн, отраженных на объемных элементах (30) во время сканирования поверхности или, по меньшей мере, участка поверхности испытываемого объекта (10),
отличающееся тем, что исходящий от щупа (12) центральный луч (16) может ориентироваться на объемный элемент (30), причем центральный луч (16) имеет максимальную интенсивность звукового поля (14), и множество краевых лучей (18) имеют, соответственно, половину максимальной интенсивности звукового поля, причем ориентация щупа (12) запрограммирована так, что зависимая от направления чувствительность учитывается уже при измерении за счет того, что устанавливается коррекция угла-амплитуды (ААС).

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что центральный луч (16) электронным способом может направляться на объемный элемент (30).

13. Устройство по п.11 или 12, отличающееся тем, что щуп (12) представляет собой групповой излучатель.

14. Устройство по п.11, отличающееся тем, что щуп (12) имеет множество источников ультразвука.

15. Устройство по п.11, отличающееся тем, что в качестве испытываемого объекта (10) предусмотрен объект внутри тела человека или животного, причем тело при компьютерной поддержке подразделяется на предварительно определенное число объемных элементов (30), и щуп (12) предусмотрен для нагружения тела или, по меньшей мере, участка тела звуковым полем (14) во время сканирования поверхности или, по меньшей мере, участка поверхности тела, а также для регистрации отраженных на объемных элементах (30) звуковых волн во время сканирования поверхности или, по меньшей мере, участка поверхности тела.