УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ Российский патент 2018 года по МПК G01N29/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к ультразвуковым системам и способам для обследования объектов и конструкций, а еще конкретнее к ультразвуковым системам и способам для неразрушающего испытания или контроля с использованием ультразвуковых волн и преобразователей с воздушной связью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ультразвуковой контроль является видом неразрушающего контроля и включает распространение ультразвуковых волн в испытуемом объекте или материале. Пример ультразвуковой системы может содержать ультразвуковой преобразователь, который генерирует ультразвуковые волны, передаваемые в объект по мере перемещения ультразвукового преобразователя поверх поверхности этого объекта или рядом с его поверхностью. В конфигурации отражения (или эхо-импульсной конфигурации) ультразвуковой преобразователь может также принимать ультразвуковые волны, отраженные от поверхностей раздела и дефектов в объекте, а затем может выдавать принятые ультразвуковые волны на вычислительное устройство для их анализа. С другой стороны, в конфигурации затухания (или конфигурации акустического прохождения) приемник, отделенный от преобразователя (например, расположен на противоположной стороне объекта), может принимать ультразвуковые волны после их прохождения через объект, а затем может выдавать принятые ультразвуковые волны на вычислительное устройство для их анализа.

В рамках ультразвукового контроля ультразвуковые системы могут быть классифицированы как системы с жидкостной связью или системы с воздушной связью. В системах с жидкостной связью в качестве наполнителя между преобразователем и поверхностью объекта используют воду или другую жидкость. И наоборот, в системах с воздушной связью в качестве наполнителя используют воздух или другой газ. Таким образом, системы с воздушной связью можно рассматривать в качестве бесконтактных систем, поскольку требуется наличие физического контакта между преобразователем и объектом.

В системах с воздушной связью существенное количество энергии ультразвуковых волн может быть потеряно вследствие затухания в воздухе. Величина затухания в воздухе пропорциональна частоте ультразвуковых волн. Таким образом, по мере увеличения частоты ультразвуковых волн вследствие затухания теряется больше энергии. Кроме того, в некоторых примерах между воздухом и поверхностным материалом объекта может иметься большая разница в акустических сопротивлениях. Эта разница в акустических сопротивлениях также может вызывать существенные потери энергии. Например, при столкновении ультразвуковой волны, проходящей в воздухе, с границей твердого материала, более 99,9% энергии ультразвуковой волны может быть отражено обратно вследствие несоответствия акустических сопротивлений. Таким образом, необходима реализация улучшений.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном из примеров предложена ультразвуковая система для неразрушающего контроля. Ультразвуковая система содержит по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью, выполненный с возможностью излучения первичных ультразвуковых волн, которые интерферируют друг с другом. Первичные ультразвуковые волны содержат по меньшей мере две компоненты основной частоты, которые кратны друг другу и излучены одновременно в закрытой фазе. Кроме того, интерференция первичных ультразвуковых волн генерирует множество частотных гармоник в воздухе. Ультразвуковая система также содержит по меньшей мере один приемник, выполненный с возможностью приема ультразвуковых волн, излученных от испытываемого объекта.

Еще в одном примере предложен способ неразрушающего контроля. Способ включает генерацию, с использованием по меньшей мере одного ультразвукового преобразователя с воздушной связью, множества частотных гармоник в области интерференции в воздухе. Способ также включает прием ультразвуковых волн, отраженных от испытуемого объекта и сгенерированных в нем. Ультразвуковые волны могут быть отражены от объекта и сгенерированы в нем вследствие генерации множества частотных гармоник. Кроме того, способ включает анализ, с использованием вычислительного устройства, сигналов, указывающих на ультразвуковые волны во временной области и/или частотной области, для определения по меньшей мере одного свойства объекта.

Еще в одном примере предложен еще один способ. Способ включает генерацию, с использованием по меньшей мере одного ультразвукового преобразователя с воздушной связью, множества частотных гармоник в области интерференции в воздухе. По меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью расположен на заданном расстоянии от воздуховода. Способ также включает прием ультразвуковых волн, сгенерированных в воздуховоде. Ультразвуковые волны могут быть сгенерированы в воздуховоде вследствие генерации множества частотных гармоник. Кроме того, способ включает анализ, с использованием вычислительного устройства, сигналов, указывающих на ультразвуковые волны, для определения расхода текучей среды через воздуховод.

Признаки, функции и преимущества, которые были описаны в данном документе, могут быть достигнуты независимо друг от друга в различных вариантах реализации или могут быть объединены друг с другом еще в одних вариантах реализации, дополнительные сведения о которых можно найти по ссылке на приведенные далее описание и чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В прилагаемой формуле изобретения заданы новые признаки, считаемые характеристиками иллюстративных вариантов реализации. Однако, иллюстративные варианты реализации, а также предпочтительный режим использования, дополнительные задачи и их описания будут наилучшим образом понятны по ссылке на приведенное далее подробное описание иллюстративного варианта реализации настоящего изобретения после его прочтения в сочетании с прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 показана структурная схема примера системы согласно примеру варианта реализации.

На фиг. 2 показана структурная схема примера поля помех согласно примеру варианта реализации.

На фиг. 3-6 показаны примеры результатов измерения частоты, полученных с использованием примера системы, показанной на фиг. 1.

На фиг. 7 показан пример интерференционных колонн согласно примеру варианта реализации.

На фиг. 8 показаны примеры результатов измерения частоты, указывающих на множество частотных гармоник, согласно примеру варианта реализации.

На фиг. 9 показаны примеры осциллограмм области интерференции согласно примеру варианта реализации.

На фиг. 10 показано инфракрасное изображение матрицы ультразвуковых преобразователей и ее фокусная точка согласно примеру варианта реализации.

На фиг. 11 показана структурная схема обследования объекта согласно примеру варианта реализации.

На фиг. 12 и 13 показаны структурные схемы обследования еще одного объекта согласно примеру варианта реализации.

На фиг. 14 показана блок-схема примера способа неразрушающего контроля согласно примеру варианта реализации.

На фиг. 15 показана блок-схема еще одного примера способа неразрушающего контроля согласно примеру варианта реализации.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее будут более подробно описаны варианты реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны некоторые варианты реализации, но не все они. Фактически, может быть реализовано несколько различных вариантов реализации, при этом не следует считать, что они ограничены вариантами реализации, описанными в настоящем документе. Скорее эти варианты реализации приведены с тем, чтобы описание было законченным и полным, а также с тем, чтобы оно полностью передавало объем настоящего изобретения для специалистов в данной области техники.

В рамках примеров предложены ультразвуковые системы и способы для неразрушающего контроля. В некоторых примерах системы и способы могут облегчать бесконтактное неразрушающее испытание и получение характеристик материалов и конструкций с использованием ультразвуковых волн и преобразователей с воздушной связью. Например, системы и способы, описанные в настоящем документе, могут обеспечивать наличие обследующего устройства для оценки объекта и получения характеристик любых дефектов, таких как отверстия или отслоения, в этом объекте. В альтернативном варианте системы и способы, описанные в настоящем документе, могут обеспечивать возможность измерения обследующим устройством расхода текучей среды через конструкцию, такую как воздуховод или водопровод.

Как описано выше, в системах с воздушной связью из уровня техники существенное количество энергии ультразвуковых волн может быть потеряно вследствие затухания в воздухе и вследствие несоответствий акустического сопротивления между воздухом и поверхностью испытываемого объекта. Предпочтительно, если системы и способы, описанные в настоящем документе, могут существенно уменьшать потери вследствие затухания в воздухе и вследствие несоответствий акустического сопротивления.

Кроме того, как описано в настоящем документе, примеры систем и способов могут быть использованы для получения характеристик множества различных свойств сложных объемных форм с более лучшим пространственным разрешением и/или более лучшим соотношением сигнал-шум по сравнению с системами из уровня техники. Примеры систем и способов могут быть использованы для генерирования одновременно хорошо структурированного профиля четных и нечетных гармоник во всем звуковом диапазоне и/или ультразвуковом диапазоне (например, от нескольких Гц по меньшей мере до 20 МГц). Этот признак может обеспечить возможность обследования объектов за короткий период времени по сравнению с обследованием объектов с использованием существующих систем. Таким образом, примеры систем и способов могут быть работать быстрее и могут быть более экономически эффективными по сравнению с существующими системами.

В соответствии с вариантами реализации, раскрытыми в настоящей заявке, пример системы содержит по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью и по меньшей мере один приемник. По меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью может быть выполнен с возможностью излучения первичных ультразвуковых волн, которые интерферируют друг с другом. В одном из примеров по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью может излучать низкочастотные ультразвуковые волны высокой мощности, которые вызывают образование высокочастотных гармоник. Например, по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью может одновременно излучать ультразвуковые волны на двух или более частотах, которые кратны друг другу (например, первую ультразвуковую волну на частоте 40 кГц и вторую ультразвуковую волну на частоте 80 кГц). Передаваемые ультразвуковые волны могут интерферировать друг с другом в воздухе и могут вызывать образование частотных гармоник (например, третьей гармоники на частоте 120 кГц, четвертой гармоники на частоте 160 кГц и т.д.). Таким образом, излучение первичных ультразвуковых волн может создать виртуальный преобразователь на расстоянии от ультразвукового преобразователя, который излучает первичные ультразвуковые волны, а также множество частотных гармоник.

Когда первичные ультразвуковые волны и множество частотных гармоник достигают испытываемого объекта, первичные ультразвуковые волны и частотные гармоники могут возбуждать вторичные ультразвуковые и акустические волны, отражаемые от объекта и генерируемые в нем. Эти вторичные волны могут иметь характеристики, которые зависят от свойств объекта или указывают на них. Вторичные волны могут быть обнаружены по меньшей мере одним приемником. В некоторых примерах по меньшей мере один приемник может затем выдавать сигналы, указывающие на вторичные волны, на управляющее устройство, которое выполнено с возможностью анализа сигналов во временной области и/или частотной области. Управляющее устройство может затем определить одно или более свойств объекта с использованием принятых сигналов.

В некоторых примерах первичные ультразвуковые волны, сгенерированные по меньшей мере одним ультразвуковым преобразователем, могут образовывать область интерференции, в котором сгенерированы множество частотных гармоник. Кроме того, область интерференции может содержать интерференционные колонны с профилями стоячих волн.

В одном из вариантов реализации по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь может представлять собой матрицу ультразвуковых преобразователей. Аналогичным образом в некоторых вариантах реализации по меньшей мере один приемник может содержать совокупность приемников. Например, система может содержать первый приемник, расположенный на первой стороне объекта, на которой расположен по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, и второй приемник, расположенный на противоположной стороне объекта.

Различные другие признаки примеров вышеописанных систем, а также способов оценки поверхности объекта с использованием этих систем, также описаны далее со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Согласно чертежам на фиг. 1 показана структурная схема примера системы 100. Как показано на фиг. 1, пример системы 100 содержит матрицу 102 ультразвуковых преобразователей с воздушной связью, множество приемников 104, 106, 108, 110 и управляющее устройство 112, которые могут быть соединены вместе системной шиной, сетью или другим соединительных механизмом (не показан).

Как описано выше, в некоторых примерах матрица 102 ультразвуковых преобразователей с воздушной связью может быть заменена одиночным ультразвуковым преобразователем. Таким образом, несмотря на то что система 100, показанная на фиг. 1, описана как система, содержащая матрицу преобразователей, данный пример не означает введение ограничения.

В одном из примеров матрица 102 преобразователей может содержать 300 преобразователей, расположенных для излучения акустических и/или ультразвуковых волн. В одном из вариантов реализации матрица 102 преобразователей может быть выполнен с возможностью излучения первичных ультразвуковых волн, которые интерферируют друг с другом. В одном из примеров каждый из преобразователей из матрицы может быть выполнен с возможностью излучения одного из двух или более компонентов основной частоты, которые кратны друг другу (например, 40 кГц и 80 кГц; 50 кГц и 100 кГц и т.д.).

Кроме того, каждый из компонентов основной частоты может быть излучен одновременно в фазе фиксации, так что интерференция между первичными ультразвуковыми волнами генерирует множество частотных гармоник в воздухе. Множество частотных гармоник могут располагаться в частоте от нескольких герц до многих мегагерц. Генерирование этих частотных гармоник может быть объяснено некоторыми из имеющихся нелинейных эффектов.

Изначально известно, что по мере распространения звуковой волны с высокой интенсивностью в воздухе изменяется форма звуковой волны. Искажение формы волны вызвано нелинейностью воздуха, в результате чего генерируются дополнительные частоты. Звук в воздухе представляет собой продольные упругие волны, которые представляют собой колебания сжатия и разрежения воздуха. Что касается звука относительно низкой интенсивности (обычно ниже уровня звукового давления (SPL), составляющего 70 дБ), воздух ведет себя как линейная среда с равными скоростями сжатия и разрежения. При увеличении уровня звукового давления (SPL) воздух становится нелинейным, а скорости сжатия и разрежения изменяются таким образом, что они уже больше не имеют равные значения. В частности, участок сжатия начинает проходить быстрее участка разрежения. Это приводит к непрерывному искажению формы волны по мере распространения волны в воздухе и, в результате, к генерации новых более высоких частот. В одном из примеров синусоидальная волна становится больше похожей на сигнал пилообразной формы. Сигнал пилообразной формы содержит четные и нечетные гармоники, причем вторая гармоника составляет, например, две частоты и половину длины волны первой гармоники.

Во-вторых, когда по меньшей мере две ультразвуковые волны высокой интенсивности с разностными частотами интерферируют друг с другом, их суммарные частоты и разностные частоты могут быть сгенерированы вследствие нелинейности воздуха. Этот эффект известен как процесс акустического наложения. Вне зависимости от того, сгенерированы ли различные частоты от двух преобразователей или от одиночного преобразователя, эффект будет тем же самым. В одном из примеров, если первичные ультразвуковые волны имеют частоту 40 кГц и 80 кГц, интерференция волн может в результате привести к образованию разностной частоты, составляющей 40 кГц, а также суммарной частоты, составляющей 120 кГц, которая представляет собой третью гармонику. По мере увеличения мощности первичных ультразвуковых волн могут быть сгенерированы четвертая, пятая, шестая и более высокие гармоники.

Генерирование частотных гармоник с использованием низкочастотной (например, килогерц) первичной ультразвуковой волны также вносит вклад в уменьшение потерь вследствие затухания в воздухе. Частотные гармоники сгенерированы в области интерференции в воздухе в месте, в котором первичные ультразвуковые волны сфокусированы, а не излучены преобразователем. По этой причине высокочастотные гармоники не обязательно должны проходить через такое же большое количество воздуха, как и в случае, в котором преобразователь излучает высокочастотные волны. В итоге, высокочастотные гармоники не страдают от настолько же большого затухания в воздухе, как если бы они были излучены непосредственно самим преобразователем.

В одном из примеров первичные ультразвуковые волны могут образовывать область интерференции, которая содержит интерференционные колонны с профилями стоячих волн. Эта интерференция может быть измерена приемником 104, расположенным между матрицей 102 преобразователей и испытываемым объектом 114. Как описано ниже, в некоторых примерах профиль стоячих волн может содержать переменные области сжатия и разрежения воздуха, при этом в областях сжатия образуются ультразвуковые ударные волны.

На практике первичные ультразвуковые волны, излученные матрицей 102 преобразователей, а также множество гармоник, сгенерированных за счет интерференции первичных ультразвуковых волн, могут распространяться через весь объект 114 множеством различных способов, например продольным, поперечным, поверхностным и другими способами. Распространение через весь объект 114 может, в свою очередь, генерировать вторичные ультразвуковые и/или акустические волны. Множество приемников 104, 106, 108, 110 могут быть выполнены с возможностью приема вторичных ультразвуковых и/или акустических волн, излученных от объекта 114 в различных местах вокруг объекта 114. В некоторых примерах один или более из множества приемников 104, 106, 108, 110 могут представлять собой приемники с воздушной связью. Множество приемников могут в свою очередь выдавать принятые сигналы на управляющее устройство 112.

Управляющее устройство 112 может выполнять функцию по управлению матрицей 102 преобразователей. Например, управляющее устройство 112 может содержать преобразователи матрицы для излучения ультразвуковых волн. Еще в одном примере управляющее устройство 112 может направлять и/или фокусировать преобразователи из матрицы преобразователей для регулировки положения области интерференции. Управляющее устройство 112 может также выполнять функцию по управлению множеством приемников 104, 106, 108, 110 и функцию по обработке сигналов, принятых от множества приемников. Множество приемников 104, 106, 108, 110 могут одновременно работать на множестве частот. Таким образом, управляющее устройство 106 может быть выполнено с возможностью обработки сигналов, принятых от множества приемников 104, 106, 108, 110, во временной области и/или частотной области.

В одном из примеров управляющее устройство 112 может содержать один или более процессоров, а также одно или более запоминающих устройств. Например, управляющее устройство 112 может представлять собой вычислительное устройство, такое как вычислительное устройство в виде планшета, портативное вычислительное устройство или настольное вычислительное устройство.

Как описано выше, матрица 102 преобразователей может излучать первичные ультразвуковые волны, которые интерферируют друг с другом в области интерференции. На фиг. 2 показана структурная схема примера поля помех. В частности, на фиг. 2 показаны нелинейные эффекты, которые могут возникать вследствие интерференции между первичными ультразвуковыми волнами, излученными матрицей 102 преобразователей, показанных на фиг. 1.

Как показано на фиг. 2, в одном из вариантов реализации первичные ультразвуковые волны могут интерферировать в области 202 интерференции. В области 202 интерференции уровень звукового давления (SPL) может превышать 130 дБ. Заявители обнаружили, что путем наложения ультразвуковых волн высокой мощности, имеющих по меньшей мере две компоненты основной частоты, которые кратны друг другу, прямо в атмосферном воздухе (то есть, поле без акустических волн) могут быть образованы структуры, аналогичные столбам атмосферного воздуха со стоячими волнами с множеством частот. На фиг. 2 показано образование таких структур в области 202 интерференции. Структуры, называемые в данном документе как интерференционные колонны, аналогичны колоннам атмосферного воздуха, имеющим профиль стоячих волн с переменными областями сжатия и разрежения воздуха.

Как показано на фиг. 2, в некоторых примерах интерференция первичных ультразвуковых волн в области 202 интерференции может генерировать определенный и стабильный поток воздуха, направленный наружу от преобразователя. Такие потоки воздуха представляют собой феномен, известный как акустический поток. Акустический поток в воздухе объясняется потоком воздуха в виде завихрений, вызванных звуковыми волнами высокой интенсивности.

На фиг. 2 также показано наличие ультразвуковых ударных волн в области 202 интерференции. Как более подробно описано далее, наличие ультразвуковых ударных волн может вносить вклад в образование высокочастотных гармоник в областях сжатия в интерференционных колоннах.

На фиг. 3-6 показан пример результатов измерения частоты, полученных с использованием примера системы 100, показанной на фиг. 1, в примере эксперимента. В частности, на фиг. 3-6 показан пример результатов измерения частоты, полученных с использованием приемников 104, 106, 108, 110, показанных соответственно на фиг. 1. В эксперименте матрица 102 преобразователей, содержавшая 300 преобразователей с воздушной связью и частотой преобразования в 40 кГц, провела измерения для создания уровня звукового давления (SPL), составляющего приблизительно 145 дБ. Матрица 102 преобразователей была сфокусирована на центральной части панели из углепластика, при этом фокусное расстояние составляло шесть дюймов (15,24 см). Размеры панели из углепластика составляли приблизительно 5 футов (152,4 см) на 5 футов (152,4 см). Приемники 104, 106, 108, 110 были размещены вокруг панели из композита на основе углеродного волокна. В частности, приемник 104 был расположен в области интерференции и направлен в сторону панели на расстоянии в два дюйма (5,08 см) от панели; приемник 106 был расположен на обратной стороне панели; приемник 108 был расположен на лицевой стороне панели приблизительно в одном футе (30,48 см) от области интерференции; а приемник 110 был размещен на задней стороне панели в верхнем углу. Результаты измерения частоты, показанные на фиг. 3, например, указывают на наличие четных и нечетных гармоник с максимальными частотами порядка нескольких мегагерц.

На фиг. 7 показан пример интерференционных колонн. В частности, на фиг. 7 показано изображение 700 интерференционных колонн, визуализированное во время эксперимента с использованием жидкого азота. В эксперименте в фокусе матрицы преобразователей, содержащей 300 преобразователей (не показаны), был размещен кусок мыла 702, разбавленный жидким азотом. Измеренная основная частота матрицы преобразователей составляла приблизительно 42,363 кГц. В пределах фокуса уровень звукового давления (SPL) составлял приблизительно 130 дБ. При данном уровне звукового давления (SPL) матрица преобразователей сгенерировала поток воздуха, направленный наружу от матрицы передатчиков и имеющий форму завихрений. Измеренная скорость потока воздуха составляет приблизительно 1,3 метра в секунду.

Как показано на изображении 700, во время эксперимента жидкий азот охлаждал воздух, обеспечивая тем самым создание тумана 704. Туман образуется при наличии разницы между температурой воздуха и температурой конденсации, составляющей менее 4°F (-15,6°С). Во время эксперимента комнатная температура воздуха составляла приблизительно 73°F (22,8°С), а относительная влажность составляла приблизительно 45%. Эти условия соответствуют температуре конденсации, составляющей 50°F (10°С), и температуре образования тумана, составляющей приблизительно 54°F (12,2°С).

За счет протекания в интерференционные колонны туман 704 выделил и обнаружил интерференционные колонны. За счет разных температур конденсации в соседних областях на изображении 700 видны пики и минимумы интерференционных колонн. На основании результата анализа изображения 700 обнаружили, что расстояния между пиками и минимумами тумана 704 были равными и составляли 4 мм. Расстояние в 4 мм составляет приблизительно одну половину длины волны ультразвука с частотой 40 кГц в воздухе. В частности, расстояние в 4 мм соответствует ультразвуковой частоте в 42,368 кГц, которая хорошо согласуется с измеренной частотой первой гармоники матрицы преобразователей во время эксперимента, то есть 42,363 кГц. Кроме того, наблюдалось затягивание тумана 704 в интерференционные колонны, что указывает на наличие областей отрицательного давления, а также направленных вниз по потоку и направленных вверх по потоку завихрений в потоке воздуха, созданных матрицей преобразователей.

На фиг. 8 показан пример результатов измерения частоты, указывающих на множество частотных гармоник. В частности, на фиг. 8 показаны частотные гармоники, измеренные в другом эксперименте. Во время эксперимента матрица преобразователей, содержащая 300 преобразователей, излучала первичные ультразвуковые волны. Первичные ультразвуковые волны имели частоты, составляющие приблизительно 40 кГц или 80 кГц. Результаты измерения частоты были получены с использованием приемника с частотой 300 кГц, первоначально размещенного в фокусе матрицы преобразователей и в дальнейшем перемещенного далее от матрицы преобразователей с приращением в 0,1 дюйм (0,25 см).

Как показано на фиг. 8, приемник обнаружил различное количество гармоник в областях сжатия и разрежения воздуха. В частности, в областях разрежения (то есть, 0,3 дюйма (0,76 см) и 0,5 дюймов (1,27 см) на фиг. 8), приняты обнаруженные гармоники вплоть до 1 МГц. С другой стороны, в областях сжатия (то есть, 0,2 дюйма (0,5 см) и 0,4 дюйма (1,01 см) на фиг. 8), приемник обнаружил гармоники вплоть до 1 МГц, а также гармоники более 1 МГц. Было обнаружено, что среднее расстояние между областями сжатия и разрежения находится в диапазоне от 0,16 дюйма (0,41 см) до 0,20 дюйма (0,5 см). То же самое расстояние было измерено и визуализировано с использованием жидкого азота в вышеописанном эксперименте согласно фиг. 7.

Как описано выше, считается, что генерирование более высокой гармоники с мегагерцовой частотой в областях сжатия воздуха вызвано образованием ударных волн. На фиг. 9 показаны примеры осциллограмм 902, 904 области интерференции, полученных приемником, размещенным в фокусе матрицы преобразователей, содержащей 300 преобразователей.

На левой осциллограмме 902 показан ультразвуковой волновой сигнал, когда на матрицу преобразователей (маломощных) подают 9 Ватт. При данной мощности матрица преобразователей может генерировать гармоники ниже 500 кГц без генерирования любых более высоких гармоник.

На правой осциллограмме 904 показан ультразвуковой волновой сигнал, когда на матрицу преобразователей (высокомощных) подают 82 Ватт. На правой осциллограмме 904 показана последовательность из одного полупериода разрежения, далее одного полупериода сжатия, а затем еще одного полупериода разрежения. При низкой мощности форма волны симметрична с суммой общего времени, равной 25 микросекунд, что соответствует частоте, равной 40 кГц. При этом, при более высокой мощности последовательность становится ассиметричной с крутым фронтом 906 формы волны в 2 микросекунды и более длинным и постепенным спадом 908 формы волны в 2 микросекунды. Такое преобразование формы волны между низкой мощностью и высокой мощностью указывает на образование ударных волн.

На фиг. 10 показано инфракрасное изображение 1000 матрицы ультразвуковых преобразователей 1002 и ее фокусная точка 1004 во время примера эксперимента. Как описано выше, область интерференции, сгенерированная преобразователем 1002, может создавать температурный градиент. В иллюстративном эксперименте ультразвуковой преобразователь 1002 представлял собой матрицу преобразователей, содержащую 300 преобразователей. Инфракрасное изображение 1000 было получено с использованием в качестве заднего фона черного куска мыла. Как показано на фиг. 10, результат измерения температуры в фокусной точке составил приблизительно 56°С. Увеличение температуры в фокусной точке указывает на образование ультразвуковых ударных волн в областях сжатия в области интерференции.

Предпочтительно, если образование ультразвуковых ударных волн вносит вклад в уменьшение потерь за счет того, что акустическое сопротивление не согласовано между воздухом и поверхностью объекта. Ударные волны резко изменяют свойства воздуха, при этом в местах, в которых образованы ударные волны, воздух по существу становится квазижидким. Эта квазижидкость может находиться в контакте с поверхностью испытываемого объекта и может иметь акустическое сопротивление, которое больше акустического сопротивления воздуха. Другими словами, несогласованность акустического сопротивления между квазижидкостью и твердым веществом может быть меньше акустического сопротивления между воздухом и твердым веществом. В итоге, когда представлены ударные волны, ультразвуковые волны, направленные к испытуемому объекту, пересекают квазижидкость до границы твердого вещества, но не пересекают воздух до границы твердого вещества, при этом обратно к преобразователю отражается меньшее количество ультразвуковых волн.

На фиг. 11 показана структурная схема обследования объекта согласно примеру варианта реализации. В частности, на фиг. 11 показаны результаты изменения частот, полученные приемником 1102, когда пластмассовый конус 1104 размещен в непосредственной близости от фокусной точки матрицы 1106 преобразователей. Без пластмассового конуса 1104 рядом с фокусной точкой матрицы 1106 преобразователей, приемник 1102 обнаруживает множество частотных гармоник, включая частотные гармоники в мегагерцовом диапазоне. Когда пластмассовый конус 1104 расположен рядом с фокусной точкой матрицы 1106 преобразователей, этот пластмассовый конус 1104 изменяет характеристики множества частотных гармоник. Например, принятая энергия некоторых частотных гармоник уменьшена вследствие наличия пластмассового конуса 1104. В некоторых примерах приемник 1102 может быть выполнен с возможностью выдачи сигналов, принятых с использованием пластмассового конуса 1104 и без него, на управляющее устройство (не показано). Таким образом, управляющее устройство может определить одно или более свойств пластмассового конуса путем анализа принятых сигналов.

На фиг. 12 и 13 показаны структурные схемы обследования еще одного объекта согласно примеру варианта реализации. В частности, на фиг. 12 и 13 показаны результаты изменения частот, которые получены соответственно приемниками 1202 и 1204 и которые указывают на наличие отверстия в образце полисульфидного уплотнителя 1206. Для получения результатов измерения частоты, представленных на фиг. 12 и 13, приемники 1202 и 1204 сначала измеряли ультразвуковые сигналы, излученные от образца полисульфидного уплотнителя 1206 без отверстия в этом образце по мере того, как матрица 1208 преобразователей излучала первичные ультразвуковые волны. Впоследствии в образце полисульфидного уплотнителя 1206 было выполнено отверстие, а дополнительные результаты измерения частоты были получены с использованием приемников 1202 и 1204.

На фиг. 12, в частности на графике 1210 показана разница (то есть, различие) между результатами измерения частоты, полученными приемником 1202 при наличии отверстия в образце полисульфидного уплотнителя 1206 и без него. Как показано на графике 1210, имеются заметные изменения результатов измерения частоты, полученных приемником 1202 при наличии отверстия в образце полисульфидного уплотнителя 1206 и без него. Результаты, показанные на графике 1210, демонстрируют, что управляющее устройство или оператор могут анализировать результаты измерения частоты, полученные с использованием приемника 1202, для определения наличия в образце отверстия.

Аналогичным образом на графике 1310, показанном на фиг. 13, показана разница (то есть, различие) между результатами измерения частоты, полученными приемником 1204 при наличии отверстия в образце полисульфидного уплотнителя 1206 и без него. Как показано на графике 1310, имеются заметные изменения результатов измерения частоты, полученных приемником 1202 при наличии отверстия в образце полисульфидного уплотнителя 1206 и без него. Результаты, показанные на графике 1310 демонстрируют, что управляющее устройство или оператор могут анализировать результаты измерения частоты, полученные с использованием приемника 1204, для определения наличия в образце отверстия.

На фиг. 14 показана блок-схема примера способа неразрушающего контроля согласно примеру варианта реализации. Способ 1400, показанный на фиг. 14, представляет вариант реализации способа, который может быть использован, например, системой, показанной на фиг. 1, или любой из систем, раскрытых в настоящей заявке. Примеры устройств или систем могут быть использованы или выполнены с возможностью выполнения логических функций, представленных на фиг. 14. В некоторых примерах компоненты устройств и/или систем могут быть выполнены с возможностью выполнения функций таким образом, что эти компоненты в действительности выполнены и сконструированы (с использованием аппаратных средств и/или программных средств) для обеспечения таких характеристик. В других примерах компоненты устройств и/или систем могут быть расположены таким образом, что они адаптированы, выполнены с возможностью или подходят для выполнения этих функций. Способ 1400 может включать одну или более операций, функций или действий, показанных посредством одного или более из блоков 1402-1406. Несмотря на то что эти блоки показаны последовательно, они также могут быть выполнены параллельно и/или в порядке, отличном от порядка, описанного в данном документе. Кроме того, различные блоки могут быть объединены с образованием меньшего количества блоков, разделены на дополнительные блоки и/или удалены в зависимости от необходимой реализации.

Следует понимать, что для этого и других процессов и способов, раскрытых в настоящем документе, блок-схемы показывают функциональные возможности и работу одной из возможных реализаций настоящих вариантов реализации. Таким образом, каждый блок может представлять модуль, сегмент или часть программного кода, который содержит одну или более инструкций, исполняемых процессором для реализации конкретных логических функций или этапов в процессе. Программный код может храниться на машиночитаемом носителе любого типа или на запоминающем устройстве, например на запоминающем устройстве, содержащем диск или жесткий диск. Машиночитаемая среда может содержать машиночитаемый носитель для длительного хранения данных или память, например машиночитаемый носитель данных, такой как память регистра, кэш-память процессора и оперативная память (RAM), хранящий данные в течение коротких периодов времени. Машиночитаемый носитель данных также может представлять собой любую другую энергозависимую или энергонезависимую систему для хранения данных. Машиночитаемую среду можно рассматривать как, например, физический машиночитаемый носитель данных.

Кроме того, каждый блок на фиг. 14 может представлять схему, монтированную для осуществления конкретных логических функций в процессе. Альтернативные реализации не выходят за пределы объема примеров вариантов реализации настоящего изобретения, в которых функции могут быть исполнены в порядке, отличном от показанного или описанного порядка, включая по существу одновременное исполнения или исполнение в обратном порядке, в зависимости от закладываемых функциональных возможностей, что понятно специалистам в данной области техники.

Первоначально в блоке 1402 способ 1400 включает генерацию, с использованием по меньшей мере одного ультразвукового преобразователя с воздушной связью, множества частотных гармоник в области интерференции в воздухе. В одном из примеров управляющее устройство может вызвать излучение матрицей преобразователей первичных ультразвуковых волн, которые интерферируют друг с другом в воздухе. Первичные ультразвуковые волны могут содержать частотные компоненты, которые кратны друг другу, а первичные ультразвуковые волны могут быть излучены одновременно. Когда первичные ультразвуковые волны интерферируют друг с другом, то они могут генерировать множество частотных гармоник.

В некоторых примерах управляющее устройство также может регулировать положение области интерференции. В одном из примеров регулировка положения области интерференции может включать направление (например, электронное или механическое управление) первичных ультразвуковых волн, излученных ультразвуковым преобразователем. В дополнительном или альтернативном варианте регулировка положения области интерференции может включать фокусировку ультразвукового преобразователя на поверхность испытываемого объекта. В некоторых примерах операторная или роботизированная система может размещать по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью на заданном расстоянии от объекта. Например, операторная или роботизированная система может перемещать преобразователь таким образом, что он сфокусирован на поверхности испытываемого объекта.

В блоке 1404 способ 1400 включает прием ультразвуковых волн, отраженных от испытуемого объекта и сгенерированных в нем. В одном из примеров неконтактный ультразвуковой приемник с воздушной связью может принимать ультразвуковые волны. Согласно приведенному выше описанию, ультразвуковые волны могут быть отражены от испытуемого объекта и сгенерированы в нем вследствие генерации множества частотных гармоник. Например, множество частотных гармоник может возбуждать ультразвуковые волны, которые отражены от объекта и сгенерированы в нем. Ультразвуковой приемник может быть расположен на той же самой стороне объекта, что и по меньшей мере один преобразователь или на противоположной стороне объекта.

В блоке 1406 способ 1400 включает анализ, с использованием вычислительного устройства, сигналов, указывающих на ультразвуковые волны во временной области и/или частотной области, для определения по меньшей мере одного свойства объекта. В одном из примеров вычислительное устройство может анализировать сигналы для определения, содержит ли объект отверстие, вмятину или внутреннюю деформацию (например, расслоение материала).

На фиг. 15 показана блок-схема еще одного примера способа неразрушающего контроля согласно примеру варианта реализации. Способ 1500, показанный на фиг. 15, представляет вариант реализации способа, который может быть использован, например, системой 100, показанной на фиг. 1, или любой из систем, раскрытых в настоящей заявке.

Способ 1500 может включать одну или более операций, функций или действий, показанных в блок-схеме посредством блоков 1502-1506. Несмотря на то что блоки показаны в последовательном порядке, эти блоки также могут быть выполнены параллельно и/или в порядке, отличном от порядка, показанного в настоящем документе. Кроме того, различные блоки могут быть объединены в меньшее количество блоков, разделены на дополнительные блоки и/или исключены из блок-схемы на основании необходимой реализации способа 1500. Каждый блок представляет модуль, сегмент или часть программного кода, который содержит одну или более инструкций, исполняемых процессором для реализации конкретных логических функций или этапов в процессе. Кроме того, каждый блок, показанный на фиг. 15, может представлять схему, которая монтирована для выполнения конкретных логических функций в процессе.

Первоначально в блоке 1502 способ 1500 включает генерацию, с использованием по меньшей мере одного ультразвукового преобразователя с воздушной связью, множества частотных гармоник в области интерференции в воздухе. По меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью может быть размещен на заданном расстоянии от воздуховода, такого как воздуховод конструкции воздушного летательного аппарата. В одном из примеров управляющее устройство может вызывать излучение матрицей преобразователей первичных ультразвуковых волн, которые интерферируют друг с другом в воздухе. Первичные ультразвуковые волны могут содержать частотные компоненты, которые кратны друг другу, а первичные ультразвуковые волны могут быть излучены одновременно. Когда первичные ультразвуковые волны интерферируют друг с другом, то они могут генерировать множество частотных гармоник.

В блоке 1504 способ 1500 включает, в ответ на генерацию, прием ультразвуковых волн, сгенерированных в воздуховоде. В одном из примеров неконтактный ультразвуковой приемник с воздушной связью может принимать ультразвуковые волны. Согласно приведенному выше описанию, ультразвуковые волны могут быть сгенерированы в воздуховоде вследствие генерации множества частотных гармоник. Ультразвуковой приемник может быть расположен на той же самой стороне объекта, что и по меньшей мере один преобразователь или на противоположной стороне объекта.

В блоке 1506 способ 1500 включает анализ, с использованием вычислительного устройства, сигналов, указывающих на ультразвуковые волны, для определения расхода текучей среды через воздуховод. В одном из примеров управляющее устройство может измерять доплеровские сдвиги многочисленных частот для определения расхода. Например, управляющее устройство может измерять доплеровские сдвиги на длинах волн отражений от частиц, перемещающихся в воздуховоде. Таким образом, расход через воздуховод может быть оценен без удаления воздуховода и установки расходомера.

Описание различных предпочтительных конструкций было приведено с целью иллюстрации и описания, и его не следует считать исчерпывающим или ограниченным раскрытыми вариантами реализации. Многочисленные модификации и изменения будут очевидны специалистам в данной области техники. Кроме того, различные предпочтительные варианты реализации могут обеспечивать различные преимущества по сравнению с другими предпочтительными вариантами реализации. Отобранный вариант реализации или отобранные варианты реализации выбраны и описаны для наилучшего пояснения вариантов реализации и их практического применения, а также для обеспечения возможности понимания другими специалистами в данной области техники сущности различных вариантов реализации с различными модификациями, приспособленными для конкретного предполагаемого использования.

Использование: для неразрушающего испытания или контроля с использованием ультразвуковых волн и преобразователей с воздушной связью. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковая система для неразрушающего контроля содержит по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью, выполненный с возможностью излучения первичных ультразвуковых волн, интерферирующих друг с другом и содержащих по меньшей мере две компоненты основной частоты, которые кратны друг другу и излучены одновременно в закрытой фазе, причем интерференция первичных ультразвуковых волн генерирует множество частотных гармоник в воздухе, по меньшей мере один приемник, выполненный с возможностью приема ультразвуковых волн, излученных от испытываемого объекта. Технический результат: обеспечение возможности существенного уменьшения потерь вследствие затухания в воздухе и вследствие несоответствий акустического сопротивления между воздухом и поверхностью испытываемого объекта. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Ультразвуковая система для неразрушающего контроля, содержащая:

- по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью, выполненный с возможностью излучения первичных ультразвуковых волн, интерферирующих друг с другом и содержащих по меньшей мере две компоненты основной частоты, которые кратны друг другу и излучены одновременно в закрытой фазе, причем интерференция первичных ультразвуковых волн генерирует множество частотных гармоник в воздухе,

- по меньшей мере один приемник, выполненный с возможностью приема ультразвуковых волн, излученных от испытываемого объекта.

2. Ультразвуковая система по п. 1, в которой первичные ультразвуковые волны образуют область интерференции, в которой сгенерировано множество частотных гармоник.

3. Ультразвуковая система по п. 2, в которой область интерференции содержит интерференционные колонны с профилями стоячих волн, сгенерированных в воздухе.

4. Ультразвуковая система по п. 3, в которой профили стоячих волн содержат переменные области сжатия и разрежения воздуха, причем в областях сжатия образованы ультразвуковые ударные волны.

5. Ультразвуковая система по п. 1, в которой указанный по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью содержит матрицу ультразвуковых преобразователей с воздушной связью.

6. Ультразвуковая система по п. 1, в которой указанное множество частотных гармоник содержит частоты между 20 Гц и 20 МГц.

7. Ультразвуковая система по п. 1, в которой указанные по меньшей мере две компоненты основной частоты имеют значение менее 100 кГц.

8. Ультразвуковая система по п. 1, в которой указанный по меньшей мере один приемник содержит неконтактный приемник с воздушной связью.

9. Ультразвуковая система по п. 8, в которой указанный по меньшей мере один приемник выполнен с возможностью приема ультразвуковых волн, отраженных от объекта и сгенерированных в нем.

10. Ультразвуковая система по п. 1, в которой

указанный по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью расположен на первой стороне объекта, а

указанный по меньшей мере один приемник содержит первый приемник, расположенный на первой стороне объекта, и второй приемник, расположенный на второй стороне объекта, противолежащей первой стороне объекта.

11. Ультразвуковая система по п. 1, дополнительно содержащая управляющее устройство, причем

указанный по меньшей мере один приемник дополнительно выполнен с возможностью выдачи сигналов, характеризующих принятые ультразвуковые волны, на управляющее устройство, а

управляющее устройство выполнено с возможностью анализа сигналов во временной области и/или частотной области.

12. Ультразвуковая система по п. 1, в которой объект содержит воздуховод.

13. Способ неразрушающего контроля, согласно которому:

генерируют, с использованием по меньшей мере одного ультразвукового преобразователя с воздушной связью, множество частотных гармоник в области интерференции в воздухе,

принимают ультразвуковые волны, отраженные от испытуемого объекта и сгенерированные в нем вследствие генерации множества частотных гармоник, и

анализируют, с использованием вычислительного устройства, сигналы, указывающие на ультразвуковые волны во временной области и/или частотной области, для определения по меньшей мере одного свойства объекта.

14. Способ по п. 13, согласно которому генерирование указанного множества частотных гармоник в области интерференции в воздухе включает излучение первичных ультразвуковых волн, интерферирующих друг с другом и содержащих по меньшей мере две компоненты основной частоты, кратные друг другу и накладывающиеся друг на друга.

15. Способ по п. 13, согласно которому регулируют положение области интерференции.

16. Способ по п. 14, согласно которому дополнительно размещают указанный по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью на заданном расстоянии от объекта.

17. Способ по п. 13, согласно которому прием ультразвуковых волн включает прием ультразвуковых волн по меньшей мере от одного неконтактного приемника с воздушной связью, расположенного на заданном расстоянии от объекта.

18. Способ неразрушающего контроля, согласно которому:

генерируют, с использованием по меньшей мере одного ультразвукового преобразователя с воздушной связью, множество частотных гармоник в области интерференции в воздухе, причем указанный по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью расположен на заданном расстоянии от воздуховода,

принимают ультразвуковые волны, сгенерированные в воздуховоде вследствие генерации множества частотных гармоник, и

анализируют, с использованием вычислительного устройства, сигналы, указывающие на ультразвуковые волны, для определения расхода текучей среды через воздуховод.

19. Способ по п. 18, согласно которому генерирование указанного множества частотных гармоник в области интерференции в воздухе включает излучение первичных ультразвуковых волн, интерферирующих друг с другом и содержащих по меньшей мере две компоненты основной частоты, кратные друг другу и накладывающиеся друг на друга.

20. Способ по п. 18, согласно которому прием ультразвуковых волн включает прием ультразвуковых волн по меньшей мере от одного неконтактного приемника с воздушной связью.