УЛУЧШЕННЫЕ СИСТЕМЫ ТЕРМОГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ НА ОСНОВЕ НАПРАВЛЕННЫХ ВОЛН И СПОСОБЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01N25/72 G01N29/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее раскрытие относится в общем к области систем неразрушающего контроля, и в частности к системам термографического контроля на основе направленных (волноводных) волн для контроля расположенных в структуре структурных дефектов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Получение изображения термографическим методом оказалось в общем эффективной технологией для выявления структурных аномалий. Например, при возбуждении структуры с дефектами, используя относительно высокую ультразвуковую мощность, может быть создан фрикционный нагрев на дефектах. Затем дефекты можно обнаружить с помощью тепловой инфракрасной камеры. Однако структурно слабые области, которые могут быть частью структуры, могут быть уязвимы при воздействии такой высокой ультразвуковой мощности, что может привести к разрушению контролируемой структуры. Таким образом, существует необходимость в дальнейших улучшениях в отношении систем и способов контроля структуры.

[0003] Таким образом, сохраняется необходимость в дальнейших улучшениях в отношении систем и способов контроля структуры.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Следует отметить, что настоящий автор изобретения признал вышеуказанные ограничения и теперь раскрывает новый способ сварки в твердом состоянии, например, магнитно-импульсную сварку, для аддитивного производства суперсплавов.

[0005] В одном варианте выполнения обеспечена система для контроля структуры. Система может включать в себя по меньшей мере один контроллер, функционально связанный с по меньшей мере одним преобразовательным элементом и по меньшей мере одним тепловизионным датчиком. Преобразовательный элемент может быть выполнен с возможностью преимущественно генерировать сдвиговые направленные звуковые или ультразвуковые волны горизонтального типа по всей структуре, которые могут быть эффективными для вызова теплового отклика при столкновении со структурным дефектом. Следует отметить, что дефект может быть расположен в структуре. Тепловизионный датчик может быть установлен и выполнен с возможностью обнаруживать тепловой отклик, указывающий на дефект, а контроллер может быть функционально выполнен с возможностью управлять обнаружением теплового отклика тепловизионным датчиком и фазированием, а также управлять параметрами подаваемого или передаваемого на преобразовательный элемент сигнала.

[0006] В еще одном примерном варианте выполнения система может включать в себя множество передающих преобразовательных элементов для передачи направленных звуковых или ультразвуковых волн по всей структуре, причем их энергия эффективна для вызова теплового отклика при столкновении со структурным дефектом. Система может также включать в себя средство для одновременной подачи множества сигналов на множество преобразовательных элементов. Сигналы могут включать в себя независимую относительную фазу, так что может быть реализовано множество заданных векторов фазирования. Система может также включать в себя по меньшей мере один тепловизионный датчик, установленный для обнаружения теплового отклика, указывающего на дефект, и контроллер, функционально связанный с элементами преобразователя и датчиками для, например, управления обнаружением теплового отклика посредсвом тепловизионного датчика и фазирования, и для управления множеством заданных векторов фазирования, чтобы обеспечить улучшенное покрытие ультразвуковой энергии по структуре посредством изменения отклика на ультразвуковую вибрацию.

[0007] В еще одном примерном варианте выполнения обеспечен способ контроля структуры. Способ может включать в себя этап, на котором передают направленные звуковые или ультразвуковые волны в структуре путем подачи множества сигналов на множество передающих преобразовательных элементов. Способ также включает в себя этап, на котором управляют относительной фазой одного или нескольких из множества сигналов в соответствии с первым заданным вектором фазирования. Способ включает в себя этап, на котором обнаруживают тепловой отклик, указывающий на дефект в структуре, где энергия вблизи дефекта достаточна, чтобы вызывать тепловой отклик. Кроме того, способ включает в себя этап, на котором повторяют процесс для заданного множества векторов фазирования, при этом целью является обеспечение улучшенного покрытия ультразвуковой энергии по всей структуре путем изменения отклика на ультразвуковую вибрацию.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Фиг. 1 представляет собой схематичное представление примерного варианта выполнения системы термографии на основе направленных волн в соответствии с раскрытием, обеспеченным в настоящем документе;

[0009] фиг. 2 представляет собой изометрический вид примерного варианта выполнения многоэлементного передающего преобразователя, который может быть использован для передачи ультразвуковых направленных волн через контролируемую структуру и в соответствии с раскрытием, обеспеченным в настоящем документе;

[0010] фиг. 3 представляет собой изометрический вид другого примерного варианта выполнения многоэлементного передающего преобразователя;

[0011] фиг. 4 представляет собой схематичное представление примерного варианта выполнения задержек фазирования сигналов возбуждения, подаваемых на передающие преобразователи для генерации ультразвуковых направленных волн в соответствии с раскрытием, обеспеченным в настоящем документе;

[0012] фигуры 5 и 6 иллюстрируют сравнение результирующих ультразвуковых энергетических полей, индуцированных на идентичной структуре без фазирования на фиг. 5 и с фазированием на фиг. 6;

[0013] фиг. 7 иллюстрирует график экспериментальных результатов, демонстрирующих покрытие ультразвуковой энергии выше порогового уровня с использованием одночастотного возбуждения, качания частоты и качания частоты с фазированием;

[0014] фигуры 8 и 9 иллюстрируют сравнительные примеры тепловых откликов в структуре, имеющей два структурных дефекта, расположенных вблизи отверстия в структуре, где отклик, проиллюстрированный на фиг. 8, приводился в действие с соответствующей комбинацией фазирования частоты возбуждения и показывает оба структурных дефекта, в то время как отклик, проиллюстрированный на фиг. 9, обеспечивает лучшее представление о первом дефекте, но пропускает второй из дефектов;

[0015] фиг. 10 иллюстрирует неограничивающий пример дисперсионных кривых сдвиговых горизонтальных волн, иллюстрирующих соответствующую зависимость между фазовой скоростью и модой и частотой направленной волны для данной структуры;

[0016] фигуры 11-13 иллюстрируют неограничивающие примеры направленных волн, содержащих различные вибрационные характеристики, включая волны А-типа на фиг. 11, волны S-типа на фиг. 12 и волны SH-типа на фиг. 13;

[0017] фиг. 14 иллюстрирует трещину, генерирующую тепло из-за трения сдвига;

[0018] фиг. 15 иллюстрирует неограничивающий пример латерально-поляризованного пьезоэлектрического сдвигового стержневого элемента;

[0019] фиг. 16 иллюстрирует возможный вид деформации латерально-поляризованного пьезоэлектрического сдвигового стержневого элемента;

[0020] фиг. 17 иллюстрирует примерный вариант выполнения периферийно-поляризованного пьезоэлектрического сдвигового кольцевого элемента с ;

[0021] фиг. 18 иллюстрирует возможный вид деформации периферийно-поляризованного пьезоэлектрического сдвигового кольцевого элемента;

[0022] фигуры 19 и 20 иллюстрируют примерные варианты выполнения сдвигового преобразователя как одной из частей системы термографии на основе направленных волн в соответствии с представленным здесь описанием; и

[0023] фигуры 21-23 иллюстрируют тепловые изображения трещинных дефектов в структуре лопатки турбины, которые были созданы с помощью примерного варианта выполнения системы термографии на основе направленных волн в соответствии с раскрытием, обеспеченным в настоящем документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0024] Следует отметить, что раскрытые в настоящем документе аспекты предлагаемой в изобретении примерной системы термографии на основе направленных волн могут быть реализованы любой соответствующей процессорной системой с использованием любого соответствующего языка программирования или технологии программирования. Система может принимать форму любой соответствующей схемы, например, может включать аппаратный вариант выполнения, программный вариант выполнения или вариант выполнения, содержащий как аппаратные, так и программные элементы. В одном варианте выполнения система может быть реализована путем программного и аппаратного обеспечения (например, процессора, датчиков и т.д.), которое может включать в себя, но не ограничивается указанными, микропрограммное обеспечение, резидентное программное обеспечение, микрокод и т.д.

[0025] Кроме того, части процессорной системы могут принимать форму компьютерного программного продукта, доступного с используемых процессором или считываемых процессором носителей, обеспечивающих программный код для использования процессором или любой системой выполнения команд или в связи с ними. Примеры считываемых процессором носителей могут включать в себя непереходные материальные считываемые процессором носители, такие как полупроводниковая или твердотельная память, магнитная лента, съемная компьютерная дискета, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), жесткий магнитный диск и оптический диск. Современные примеры оптических дисков включают в себя компакт-дисковое запоминающее устройство (CD-ROM), перезаписываемый компакт-диск (CD-R/W) и DVD.

[0026] Авторы настоящего изобретения определили ограничения существующих акустических/ультразвуковых систем термографии и признали необходимость систем и способов, которые могут быть избирательно оптимизированы для того, чтобы эффективно вызывать тепловые отклики на структурных дефектах с относительно низкой мощностью возбуждения.

[0027] Авторы настоящего изобретения предлагают инновационное использование звуковых или ультразвуковых направленных волн для проведения термографического контроля на различных структурах, которые в одном неограничивающем применении могут содержать компоненты турбинного двигателя внутреннего сгорания, такие как лопатки, лопасти и т.д. Ультразвуковые направленные волны содержат многомодовые структурные резонансы, распространяющиеся в ограниченной структуре, которая эффективно функционирует как волновод.

[0028] Объекты настоящего изобретения используют по меньшей мере один актюатор для подачи акустической звуковой или ультразвуковой энергии по всей структуре, которая может вызывать тепловой отклик (например, нагрев) при столкновении со структурным дефектом, который может быть расположен в структуре. Как подробно описано ниже, тепловой отклик, индуцированный звуковой или ультразвуковой энергией, может быть обнаружен с помощью тепловизионной системы, которая может быть эффективной для высокой чувствительности дефектоскопии при использовании по меньшей мере одного из качания частоты, фазирования актюатора и возбуждения энергии сдвига для минимизации ультразвуковой энергии, вводимой в испытуемую структуру.

[0029] Для общей справочной информации, сделана ссылка на патент США 9 410 853, который включен во всей своей полноте в настоящее описание посредством ссылки.

[0030] Чертежи показаны только для иллюстрации вариантов выполнения рассматриваемого здесь предмета обсуждения, а не для его ограничения, фиг. 1 иллюстрирует схематичное представление системы 10 термографии на основе направленных волн, которая может быть использована для применения на практике аспектов настоящего раскрытия.

[0031] В одном примерном варианте выполнения система 10 может включать в себя один или несколько передающих преобразователей, соединенных со структурой 15 (объектом контроля) для передачи ультразвуковых направленных волн через структуру. Передающие преобразователи могут быть выполнены в виде распределенной матрицы одноэлементных передающих преобразователей 12; или могут содержать многоэлементные передающие преобразователи, такие как кольцевой матричный преобразователь 14, содержащий множество индивидуально приводимых в действие передающих элементов 17 (что может быть лучше показано на фиг. 2); или круговой матричный преобразователь 16, содержащий множество индивидуально приводимых в действие передающих элементов 19 (что может быть лучше показано на фиг. 3). В число передающих преобразователей могут входить, но не ограничиваются ими, пьезостековые преобразователи, пьезокерамические стержни, диски, кольца или цилиндры, магнитострикционные преобразователи, электромагнитно-акустические преобразователи (EMAT), управляемые механические ударные устройства, пьезокомпозиты и т.д. Следует иметь в виду, что аспекты настоящего раскрытия не ограничиваются какой-либо конкретной конфигурацией передающих преобразователей или какой-либо конкретной формой структуры 15. Соответственно, конфигурацию передающих преобразователей или форму структуры 15, как показано на фигурах, следует рассматривать как пример, а не как ограничение.

[0032] Система 10 может дополнительно включать в себя формирователь 20 сигнала, который в одном неограничивающем варианте выполнения может быть выполнен с возможностью обеспечивать соответствующее усиление сигнала посредством одной или нескольких усилительных схем 22 и согласования импеданса посредством одной или нескольких сетей 24 согласования импеданса с электрическими сигналами, которые могут соответственно подаваться на передающие преобразователи 12, 14, 16 от генератора 25 сигналов (например, многоканального генератора сигналов). Контроллер 28 системы может включать в себя контроллер 30 направленных волн (обозначенное как GW controller), который может быть выполнен с возможностью управлять генератором 25 сигналов, например, может быть выполнен с возможностью управлять одним или несколькими параметрами сигнала одного или нескольких сигналов, которые могут быть поданы на один или несколько передающих преобразователей для генерирования ультразвуковых направленных волн, передаваемых через структуру 15. Неограничивающие примеры параметров сигнала, которые могут контролироваться для определения характеристик сигнала для сигналов, которые могут быть поданы на один или несколько передающих преобразователей, могут содержать фазовую задержку, частоту и комбинацию фазовых задержек и частот, например, могут включать качание фазовой задержки, качание частоты или и то, и другое. Контроллер 28 системы может дополнительно включать в себя тепловизионную систему, содержащую тепловизионный контроллер 32 для управления тепловизионным датчиком 33 (например, инфракрасной (ИК) камерой), выполненным с возможностью обнаруживать тепловой отклик, указывающий на дефект.

[0033] Следует иметь в виду, что для термографии, чтобы эффективно обнаруживать структурные дефекты, величина некоторых переменных вибрации (например, плоскостное смещение, напряжение сдвига и т.д.), соответствующих геометрии и/или пространственной ориентации данного структурного дефекта, должна быть установлена достаточно высокой в непосредственной близости от данного дефекта, чтобы обеспечить индуцирование достаточного теплового отклика (например, нагрева).

[0034] Как будет замечено специалистом в данной области техники, при ультразвуковой вибрации пластинчатых или других волноводоподобных структур величина генерируемых вибрационных полей может изменяться во всех таких структурах. Например, такие изменения могут происходить как по толщине структуры, так и в зависимости от распределения относительно других размеров структуры. Соответственно, изменение вибрационных полей может приводить к возникновению областей относительно высокого напряжения, смещения и т. д., а также к возникновению областей практически без напряжения, смещения и т. д. Для того чтобы структурный дефект, расположенный в данной области структуры, был надлежащим образом акустотермически возбужден, соответствующие переменные вибрации вибрационного поля, подаваемого в такую область, должны иметь достаточно высокую амплитуду. Как было предложено выше, соответствующие переменные вибрации могут изменяться в зависимости от геометрии структурного дефекта и/или пространственной ориентации дефекта.

[0035] В одном неограничивающем варианте выполнения управление фазовой задержкой и/или частотой (например, качание фазовой задержки и/или частоты) может осуществляться на сигналах (например, непрерывных сигналах), подаваемых на один или несколько передающих преобразователей, соединенных со структурой 15. Эта операция фазирования при выполнении на передающих преобразователях может способствовать повышению пространственной избирательности для местоположений низкой или высокой звуковой или ультразвуковой энергии во всех таких структурах (например, повышенная пространственная избирательность для местоположения узлов для повышения интенсивности звуковой или ультразвуковой энергии, подаваемой в данную область структуры, и местоположения антиузлов для ослабления интенсивности звуковой или ультразвуковой энергии, подаваемой в другие области структуры). В одном неограничивающем варианте выполнения фазирование может быть выполнено в сочетании с качанием частоты для обеспечения максимальной пространственной избирательности к изменению интенсивности по всей структуре генерируемых вибрационных полей.

[0036] Комбинация фазирования сигнала и качания частоты эффективно позволяет охватить многомерное фазочастотное пространство. Это позволяет образовывать относительно больший диапазон состояний вибрации, которые, например, могут быть избирательно образованы по всей контролируемой структуре, чем это было бы возможно при работе на одной частоте или просто выполнении качания частоты. Эти состояния вибрации обеспечивают значительную универсальность в отношении избирательности различных вибрационных полей по всей толщине структуры, таких как волновая структура смещения, волновая структура напряжения, форма моды вибрации и т. д. Это способствует увеличению вероятности обнаружения широкого спектра структурных дефектов независимо от геометрии структурных дефектов, глубины и других характеристик дефектов.

[0037] Фиг. 4 представляет собой схематичное представление одного неограничивающего варианта выполнения соответствующей фазовой задержки на сигналах 40, соответственно поданных на одноэлементные передающие преобразователи 42, распределенные на контролируемой структуре 44. В этом варианте выполнения непрерывные волновые сигналы 40 могут соответственно подаваться на передающие преобразователи 40, каждый из которых имеет различную фазовую задержку. Не ограничивая аспекты настоящего раскрытия какой-либо конкретной теорией функционирования, полагают, что в этом случае эффект фазирования может заключаться в возбуждении различных собственных мод вибрации структуры путем изменения распределения нагрузки по ее поверхности. Любая комбинация значений фазовой задержки, подаваемых на множество передающих преобразователей 40, может называться "вектором фазирования". Для получения общей справочной информации в отношении фазирования, делается ссылка на патент US 8,217,554 и заявку на патент США 14/329, 426, оба раскрытия которых включены во всей своей полноте в настоящее описание посредством ссылки.

[0038] Значительные улучшения отклика могут быть достигнуты за счет использования концентрации энергии направленной волны через фазированную матрицу преобразователя с соответствующей частотой и фазированием. Один из примеров этого обеспечен на фигурах 5 и 6, которые сравнивают две конечно-элементные модели идентичной структуры, на которой установлены идентичные матрицы актюатора. Структура 35 (фиг. 5) показывает покрытие кумулятивного поля напряжений, достигаемого посредством качания частоты, в котором более темные области 37 указывают на более высокие напряжения, а более светлые области 38 указывают на более низкие напряжения. В качестве альтернативы, структура 36 (фиг. 6) показывает покрытие кумулятивного поля напряжений, достигаемого посредством качания частоты, в котором более темные области 37 указывают на более высокие напряжения, а более светлые области 38 указывают на более низкие напряжения. Преимущество фазирования актюатора, как показано здесь, заключается в том, что можно индуцировать гораздо большее разнообразие состояний вибрации, которые позволяют максимальным напряжениям или другой мере концентрации энергии распределяться по структуре в большей степени без увеличения ультразвуковой мощности, индуцируемой в структуре в любой заданный момент времени.

[0039] В отношении фигур 5 и 6 рассмотрим случай, в котором дефект 39 требует определенного минимального уровня концентрации локальной ультразвуковой энергии, чтобы быть обнаруженным тепловизионной системой. Традиционная акустическая система термографии может применять по меньшей мере один актюатор к структуре 35 (фиг. 5) и возбуждать по меньшей мере один актюатор в диапазоне частот. Исходя из полосы пропускания актюатора, геометрии структуры и места, в котором он соединен со структурой, максимальная концентрация ультразвуковой энергии в структуре 35, учитывая все частоты, на которых возбуждается актюатор, может быть такой, как показано на фиг. 5. В данном случае локальная концентрация ультразвуковой энергии в месте расположения дефекта 35 никогда не превышает минимального порогового значения и дефект не обнаруживается. Одним традиционным способом устранения этого ограничения является увеличение общей мощности ультразвукового входного сигнала, что в какой-то момент приведет к увеличению амплитуды энергетического поля фиг. 5, но не изменит его распределения. В результате этого увеличения общей ультразвуковой энергии более темные высокоинтенсивные области 37 будут подвергаться воздействию очень высоких уровней ультразвуковой энергии, что может привести к повреждению структуры. Во многих случаях общая ультразвуковая энергия не может быть увеличена из-за ограничений актюатора или усилительных систем, и в этом случае дефект 39 не обнаруживается.

[0040] Однако при реализации способа и системы, описанных в настоящем документе, различные комбинации фазирования актюатора могут быть применены на множестве актюаторов наряду с качанием частоты, чтобы значительно увеличить количество и разнообразие состояний ультразвуковой вибрации структуры 36 (фиг. 6), в котором покрытие результирующей ультразвуковой энергии значительно улучшено. Используя этот подход, дефект 39 становится обнаруживаемым без увеличения общего уровня мощности и без необходимости подвергать какие-либо области структуры 36 неоправданно высоким энергетическим уровням.

[0041] Улучшение покрытия ультразвуковой энергии за счет реализации одного варианта выполнения системы качания частоты и фазирования и способа, описанных в настоящем документе, количественно представлено на фиг. 7, на которой приведены экспериментальные данные сравнения покрытия ультразвуковой энергии по структуре с использованием трех способов возбуждения актюатора: "одночастотный", "качание частоты" и "фазирование и качание частоты" при различных уровнях мощности входного сигнала. Этот график демонстрирует, что при данном уровне мощности входного сигнала можно достичь гораздо большего покрытия энергии выше заданного порогового уровня, реализуя способ качания частоты и возбуждения фазирования.

[0042] Следует отметить, что соответствующее сочетание частоты и фазирования может возбуждать определенные структурные дефекты, а не другие. Один из примеров этого явления изображен на фигурах 8 и 9, на которых две трещины 46 и 48 присутствуют выше и ниже отверстия 45 соответственно. Первая комбинация частоты и фазирования, подаваемых на актюаторы на фиг. 8, дает достаточное тепловое возбуждение на обеих трещинах 46 и 48, чтобы быть обнаруженными с умеренной интенсивностью. Для сравнения, вторая комбинация частоты и фазирования, подаваемых на те же актюаторы на фиг. 9, дает недостаточное тепловое возбуждение для обнаружения трещины 46, но тепловая интенсивность на трещине 48 значительно выше, чем на фиг. 8, на которой была применена первая комбинация частоты и фазирования. Таким образом, соответствующие частоты возбуждения в сочетании с соответствующим фазированием актюатора могут быть использованы для термического возбуждения дефектов в структуре, которые в противном случае могут быть не обнаружены традиционными системами и способами акустической термографии.

[0043] В другом неограничивающем варианте выполнения вместо непрерывных сигналов соответствующие потоки импульсов могут подаваться на один или несколько одноэлементных или многоэлементных передающих преобразователей, соединенных с контролируемой структурой. В этом варианте выполнения неустановившиеся направленные волны могут распространяться по всей структуре, чтобы избежать возникновения установившейся вибрации. Это может быть достигнуто путем применения относительно узких, высокомощных импульсов возбуждения. Предполагается, что аналогичный эффект (например, отсутствие установившейся вибрации) может быть достигнут в применениях, включающих большие и/или ослабленные структуры, в которых может быть недостаточное взаимодействие с границами структуры, чтобы индуцировать структурный резонанс. Эти импульсы возбуждения могут повторяться с частотой повторения, достаточной для того, чтобы вызывать накопление тепловой энергии вблизи данного структурного дефекта, чтобы позволить тепловизионной системе обнаружить структурный дефект. Как будет понятно специалисту в данной области техники, соответствующие технологии получения изображения могут быть использованы для увеличения отношения сигнал/шум и обнаружения относительно слабых тепловых градиентов.

[0044] Для наиболее эффективной реализации системы и способа фазирования полоса, по которой происходит качание частоты, должна быть скорректирована для каждой новой комбинации фазирования, поскольку спектр вынужденных вибраций сдвигается путем применения фазирования. Оптимальная полоса частот может быть выбрана с помощью качания анализатора импеданса или путем анализа прямой и отраженной мощности, измеренной между усилителями и актюаторами. Для получения более подробной информации о частотной оптимизации как части системы и способа фазирования сделана ссылка на докторскую диссертацию C.J. Borigo под названием "A Novel Actuator Phasing Method for Ultrasonic De-Icing of Aircraft Structures", доступную в Пенсильванском государственном университете (2014), диссертация которого включена во всей своей полноте в настоящее описание посредством ссылки.

[0045] В одном неограничивающем варианте выполнения предполагается, что обнаружение теплового отклика тепловизором может быть синхронизировано (например, частотной синхронизацией, фазовой синхронизацией) относительно частоты потока импульсов возбуждения, которые могут подаваться на один или несколько передающих преобразователей. Далее предполагается, что такая частота может содержать изменяющуюся во времени частоту (например, чирпирование частоты). Считается, что эта временная синхронность повышает отношение сигнал/шум в связи с определением теплового отклика тепловизором. В одном примерном варианте выполнения синхронность может быть выполнена относительно ожидаемого времени возбуждения области, возбуждаемой в ответ на направленную ультразвуковую волну.

[0046] Еще одним объектом настоящего раскрытия является использование сдвиговых актюаторов для генерирования сдвиговых направленных волн горизонтального типа в структуре, а также состояний вибрации, индуцируемых волнами в структуре, если сигнал возбуждения подается в течение достаточного периода времени. Сдвиговые направленные волны горизонтального типа - это класс мод направленных волн, которые могут существовать в пластинчатых структурах. Характеристики моды сдвиговой горизонтальной направленной волны и средства, с помощью которых она может возбуждаться для целей настоящего раскрытия, описаны ниже.

[0047] В более общем виде направленные волны можно определить как упругие волны, распространяющиеся в среде (волноводной структуре), в которой могут существовать различные моды волны, удовлетворяющие граничным условиям волноводной структуры. Направленные волны отличаются от традиционных объемных волн по меньшей мере тем фундаментальным фактом, что бесконечное количество различных мод волны может существовать с волновыми структурами (например, распределения смещения, напряжения, энергии и т. д. по толщине волновода), которые могут изменяться в зависимости от моды и/или частоты. Дисперсионные кривые, такие как те, что показаны на фиг. 10, иллюстрируют связь между фазовой (или групповой) скоростью и модой и частотой для данной структуры. Каждый волновод имеет свой собственный уникальный набор дисперсионных кривых, которые могут быть полезны для идентификации различных возможностей частоты моды в волноводе. Вариации волновой структуры могут обеспечить значительную гибкость при использовании направленных волн, так как, например, определенная волновая мода и/или комбинации частот могут быть выбраны с требуемыми свойствами по толщине структуры.

[0048] Примеры трех мод направленных волн, содержащих различные характеристики вибрации, приведены на фигурах 11-13. Деформация пластинчатой структуры с распространяющейся через нее антисимметричной (А-типа) модой направленной волны показана в поперечном сечении на фиг. 11. В качестве альтернативы деформация пластинчатой структуры с симметричной (S-типа) модой направленной волны, распространяющейся через нее, показана в поперечном сечении на фиг. 12. Обратите внимание, что вибрация на фигурах 11 и 12 происходит исключительно в плоскости x-z. Наконец, деформация пластинчатой структуры с модой сдвиговой горизонтальной (SH-типа) направленной волны, распространяющейся через нее, показана в поперечном сечении на фиг. 13; обратите внимание, что вибрация на фиг. 13 происходит исключительно в направлении y.

[0049] Кроме того, можно показать, что для сдвиговых горизонтальных волн в изотропных однородных пластинах одинаковой толщины единственными ненулевыми напряжениями, индуцированными этими волнами, являются плоскостные сдвиговые напряжения txz и tyz. Поэтому такие волны индуцируют чистый сдвиг в структуре для случая изотропных однородных пластин одинаковой толщины. Следует иметь в виду, что в случае структур, не удовлетворяющих определению изотропных однородных пластин одинаковой толщины, компоненты напряжений сдвиговых волн горизонтального типа являются в общем преимущественно сдвиговыми, а не чисто плоскостными сдвиговыми. Для получения дополнительной информации о направленных волнах делается ссылка на учебник J.L. Rose под названием "Ультразвуковые направленные волны в твердых средах", доступный из Издательства Кембриджского университета, Нью-Йорк, NY (2014), который включен во всей своей полноте в настоящее описание посредством ссылки.

[0050] Следует иметь в виду, что для термографии, чтобы эффективно обнаруживать структурные дефекты, величина некоторых переменных вибрации (например, плоскостное смещение, напряжение сдвига и т.д.), соответствующих геометрии и/или пространственной ориентации данного структурного дефекта, должна быть установлена достаточно высокой в непосредственной близости от данного дефекта, чтобы обеспечить индуцирование достаточного теплового отклика (например, нагрева). Как показано на фиг. 14, плоскостный сдвиг 64 идеально подходит для генерации поверхностного трения на трещине 62 в структуре 60, которая, в свою очередь, генерирует обнаруживаемый уровень тепла 66. Индуцированое сдвигом трение, проиллюстрированное на фиг. 14, может приводить к появлению трещин, перпендикулярных плоскости локальной поверхности детали, а также трещин или расслоений, параллельных плоскости локальной поверхности детали. Кроме того, эффективность тепловыделения 66 на трещине 62 зависит от относительной ориентации трещины и сдвигового перемещения 64, наведенного ультразвуковой вибрацией. Фазирование и качание частоты, описанные выше, могут решить эту проблему путем изменения вибрационного поля, как проиллюстрировано на фигурах 5 и 6.

[0051] Изобретатели отмечают, что решение неустановившихся распространяющихся направленных волн для сдвиговых направленных ультразвуковых волн горизонтального типа не применимо непосредственно к решению установившейся ультразвуковой вибрациии, но эти два варианта могут быть тесно связаны.

[0052] Традиционная акустическая технология термографии использует пьезостековый актюатор с акустическим рупорным актюатором, включая производимые под торговой маркой Branson. Эти типы актюаторов генерируют преимущественно изгибные (А-типа) и продольные вибрации (S-типа), которые состоят только из смещений частиц в плоскости и вне плоскости, которые во многих случаях менее пригодны для индуцирования нагрева трещины, чем энергия сдвига мод SH-типа. Менее эффективный нагрев трещины означает, что требуется больше энергии для достижения того же уровня возможности обнаружения, и, следовательно, вероятность непреднамеренного повреждения детали становится выше. Дополнительно или альтернативно в некоторых неограничивающих вариантах выполнения настоящего раскрытия энергия сдвига горизонтального типа может быть введена в структуру посредством сдвиговых пьезоактюаторов d15.

[0053] В одном неограничивающем варианте выполнения сдвиговый пьезоактюатор d15 может представлять собой "сдвиговый стержень", в котором пьезоэлектрический коэффициент d15 используется в латерально-поляризованном пьезокерамическом блоке 70, таком как проиллюстрированный на фиг. 15. Здесь пьезокерамический элемент 70 поляризуется в направлении, указанном стрелкой 71, и электрический потенциал подается через контактные поверхности 72 и 73 электродов с использованием источника 74 переменного напряжения, присоединенного к выводам 75. Как проиллюстрировано на фиг. 16, когда напряжение подается на недеформированный элемент 76, он сдвигается в деформированное состояние 77. Различные размеры и пьезокерамический материал, выбранные для стержней, могут быть скорректированы в соответствии с конкретными требованиями применения, как это будет понятно людям с обычной квалификацией в данной области техники.

[0054] Во втором неограничивающем варианте выполнения сдвиговый пьезоактюатор d15 представляет собой "сдвиговое кольцо", в котором пьезоэлектрический коэффициент d15 используется в периферийно-поляризованном пьезокерамическом кольце 80, таком как проиллюстрированный на фиг. 17. Сдвиговый кольцевой элемент изготовлен из двух полуколец, которые имеют квазикруговую поляризацию в соответствии со стрелкой 84, и впоследствии соединены вместе, образуя полный кольцевой элемент 80, который может быть возбужден источником 86 напряжения, подаваемого на верхнюю и нижнюю контактные поверхности 87 и 88 электродов через выводы 89. Крутильная вибрация 84 элемента сдвигового кольца под напряжением, подаваемым источником 86, проиллюстрирована на фиг. 18. Эта деформация кручения эффективно возбуждает SH-направленные волны всенаправленно при соединении со структурой. Внутренний и внешний радиус, толщина и пьезокерамический материал, выбранные для колец, могут быть скорректированы в соответствии с конкретными требованиями применения, как это будет понятно людям с обычной квалификацией в данной области техники. Возможны также дополнительные вариации конструкции этого преобразователя, и конкретный вариант выполнения, подробно описанный здесь, не является ограничивающим и используется в качестве одного из примеров всенаправленного пьезоэлектрического сдвигового кольцевого элемента d15 для генерации направленной волны SH-типа в соответствии с некоторыми вариантами выполнения. Дополнительные варианты выполнения могут включать в себя сдвиговые кольца, которые изготовлены из более чем двух сегментов, сдвиговые кольца, которые имеют полюса по радиусу, а не по толщине, и сдвиговые кольца, которые являются полигональными, а не по-настоящему круглыми.

[0055] Элементы пьезоэлектрического сдвигового преобразователя, описанные выше, могут быть одним или более компонентами в модуле преобразователя, как в неограничивающем примере, показанном в поперечном сечении на фигурах 19 и 20. В варианте выполнения, показанном на фиг. 19, модуль 90 преобразователя содержит корпус 92, который включает в себя по меньшей мере один пьезоэлектрический сдвиговый стержневой элемент 70, соединенный с по меньшей мере одной лицевой панелью 91, которая содержит металлический или керамический материал и позволяет ультразвуковой энергии сдвига эффективно передаваться от элемента 70 к испытываемой структуре посредством взаимодействия механического давления. Модуль 90 дополнительно содержит полость 97, через которую соединитель 95 электрически соединен с верхней и нижней контактными поверхностями 72 и 73 электродов посредством гибкой схемы 96 или перемычек. В некоторых вариантах выполнения модуль 90 может дополнительно содержать магниты 93, которые помогают удерживать зажимное устройство в кармане 94 для взаимодействия модуля с испытуемой структурой. Фиг. 20 представляет собой другой вид модуля 90, показанного в поперечном сечении на фиг. 21. Здесь лицевая панель 91 показана с прямоугольной взаимодействующей поверхностью 98. В дополнительных неограничивающих вариантах выполнения аналогичная конструкция модуля может быть приспособлена для размещения сдвигового кольцевого преобразователя, и в этом случае взаимодействующая поверхность 98 и лицевая панель 91 будут круглыми, а не прямоугольными.

[0056] Следует отметить, что еще одним преимуществом использования одного или нескольких пьезоэлектрических сдвиговых элементов в составе системы термографии на основе направленных волн является то, что они значительно меньше пьезостековых преобразователей, используемых в составе традиционных акустических систем термографии. Это дает возможность проводить контроль на месте или выполнять контроль с меньшими ограничениями из-за проблем с доступом.

[0057] Дополнительные варианты выполнения могут включать в себя возбуждение сдвига горизонтального типа с помощью магнитострикционных или EMAT (электромагнитно-акустических преобразователей) устройств, как это будет понятно тем, кто обладает обычной квалификацией в данной области техники.

[0058] Фигуры 21-23 обеспечивают примеры тепловых изображений, полученных с использованием одного варианта выполнения изобретения. На снимках изображены лопатки турбины с трещиноподобными дефектами вдоль задней кромки. На всех трех изображениях трещины 54 указаны темными областями более высокой температуры, обозначенными стрелками. Прямоугольные области 56 представляют собой калибровочные полосы.

[0059]

[0060] Хотя конкретные варианты выполнения были подробно описаны, специалисты обычной квалификацией в данной области техники, оценят, что различные модификации и альтернативы этим подробностям могут быть разработаны в свете общих учений данного раскрытия. В настоящем документе описаны способы и системы, базирующиеся на термографии на основе направленных волн для неразрушающего контроля структурных дефектов, которые могут присутствовать в структуре. Такие системы могут включать в себя возможность качания частотно-фазового пространства с целью максимизации распределения ультразвуковой энергии по структуре при минимизации входной энергии с помощью множества актюаторов. Кроме того, такие системы могут включать в себя элементы преобразователя, выполненные с возможностью преимущественно генерировать сдвиговые направленные волны горизонтального типа в структуре, чтобы максимизировать тепловой отклик от дефектов. В приведенном выше подробном описании излагаются различные конкретные подробности, чтобы обеспечить полное понимание таких вариантов выполнения.

[0061] Однако специалисты в данной области техники поймут, что варианты выполнения настоящего раскрытия могут быть практически осуществлены без этих конкретных подробностей, что настоящее раскрытие не ограничивается изображенными вариантами выполнения, и что настоящее раскрытие может быть практически осуществлено в различных альтернативных вариантах выполнения. В других примерах способы, процедуры и компоненты, которые были бы хорошо поняты специалисту в данной области техники, не были подробно описаны, чтобы избежать ненужных и обременительных объяснений. Кроме того, различные операции могут быть описаны как несколько дискретных этапов, выполняемых способом, который полезен для понимания вариантов выполнения настоящего изобретения.

[0062] Однако порядок описания не должен толковаться как подразумевающий, что эти операции должны выполняться в том порядке, в котором они представлены, или что они даже зависят от порядка, если не описано иное. Более того, повторное использование фразы "в одном варианте выполнения" не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения, хотя и может. Наконец, термины "содержащий", "включающий в себя", "имеющий" и т.п., используемые в настоящей заявке, используются как синонимы, если не указано иное.

Использование: для термографического контроля на основе направленных волн. Сущность изобретения заключается в том, что передают направленную звуковую или ультразвуковую энергию от одного или нескольких элементов преобразователя к структуре и в ответ на один или несколько сигналов, подаваемых на по меньшей мере один из элементов преобразователя; управляют относительной фазой подаваемых сигналов на основе первого заданного вектора фазирования; выполняют столкновение со структурным дефектом при передаче направленной звуковой или ультразвуковой энергии; обнаруживают тепловой отклик, указывающий на дефект и возникающий в результате столкновения направленной звуковой или ультразвуковой энергии вблизи дефекта, и изменяют центральную частоту подаваемых сигналов в заданном диапазоне частот путем подачи серии импульсов, имеющих различные центральные частоты. Технический результат: обеспечение повышенного покрытия ультразвуковой энергии по структуре, а также обеспечение максимизации отклика на вибрацию. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 23 ил.

1. Система (10) термографического контроля на основе направленных волн, содержащая:

контроллер (20), функционально связанный с элементом (12, 14, 16, 17) преобразователя и тепловизионным датчиком (33); причем элемент преобразователя выполнен с возможностью принимать по меньшей мере один сигнал для генерирования сдвиговых направленных звуковых или ультразвуковых волн горизонтального типа по всей структуре (15), чтобы вызывать тепловой отклик при столкновении со структурным дефектом; причем тепловизионный датчик выполнен с возможностью обнаруживать тепловой отклик, указывающий на структурный дефект; и причем контроллер выполнен с возможностью управлять одним или несколькими параметрами по меньшей мере одного сигнала и его фазированием, а также управлять обнаружением теплового отклика.

2. Система по п. 1, в которой элемент преобразователя представляет собой латерально-поляризованный пьезоэлектрический сдвиговый стержень d15.

3. Система по п. 1, в которой элемент преобразователя представляет собой периферийно-поляризованное пьезоэлектрическое сдвиговое кольцо d15.

4. Система по п. 1, в которой элемент преобразователя представляет собой один из магнитострикционного преобразователя или электромагнитно-акустического преобразователя.

5. Система по п. 1, в которой элемент преобразователя содержит:

лицевую панель для взаимодействия сдвиговых направленных звуковых или ультразвуковых волн горизонтального типа со структурой посредством механического давления.

6. Система по п. 1, дополнительно содержащая:

множество элементов преобразователя, функционально связанных с контроллером и выполненных в виде многоэлементного матричного преобразователя.

7. Система термографического контроля на основе направленных волн, содержащая:

контроллер, функционально связанный с одним или несколькими из множества элементов преобразователя, средство подачи сигналов на элементы (30) преобразователя и по меньшей мере один тепловизионный датчик; причем каждый из множества элементов преобразователя функционально выполнен с возможностью передавать направленные звуковые или ультразвуковые волны по всей структуре, чтобы вызывать тепловой отклик при столкновении с дефектом структуры; причем тепловизионный датчик функционально расположен с возможностью обнаруживать тепловой отклик, указывающий на дефект; причем один или несколько сигналов, подаваемых через средство подачи множества сигналов, включают в себя независимую относительную фазу, так что может быть реализовано множество заданных векторов фазирования; и

причем контроллер выполнен с возможностью управлять обнаружением теплового отклика и фазированием, а также с возможностью управлять множеством заданных векторов фазирования с целью обеспечения повышенного покрытия ультразвуковой энергией по структуре, причем повышенная ультразвуковая энергия обеспечивается посредством изменения отклика на ультразвуковую вибрацию.

8. Система по п. 7, в которой множество сигналов подается одновременно на множество элементов преобразователя.

9. Система по п. 7, дополнительно содержащая средство для определения электромеханического импеданса множества элементов преобразователя.

10. Система по п. 7, дополнительно содержащая средство для контроля мощности прямой волны и мощности отраженной волны между по меньшей мере одним источником сигнала и множеством элементов преобразователя.

11. Система по п. 7, в которой относительная фаза сигналов ограничена целым числом, кратным 180°, а количество источников сигнала ограничено двумя.

12. Система по п. 7, в которой один или несколько из множества элементов преобразователя выполнены с возможностью преимущественно генерировать сдвиговые направленные волны горизонтального типа в структуре.

13. Система по п. 7, в которой множество элементов преобразователя выполнены в виде многоэлементного матричного преобразователя.

14. Способ термографического контроля на основе направленных волн, содержащий этапы, на которых:

А) передают направленную звуковую или ультразвуковую энергию от одного или нескольких элементов преобразователя к структуре и в ответ на один или несколько сигналов, подаваемых на по меньшей мере один из элементов преобразователя;

В) управляют относительной фазой подаваемых сигналов на основе первого заданного вектора фазирования;

С) выполняют столкновение со структурным дефектом при передаче направленной звуковой или ультразвуковой энергии;

D) обнаруживают тепловой отклик, указывающий на дефект и возникающий в результате столкновения направленной звуковой или ультразвуковой энергии вблизи дефекта, и

E) изменяют центральную частоту подаваемых сигналов в заданном диапазоне частот путем подачи серии импульсов, имеющих различные центральные частоты, для обеспечения повышенного покрытия ультразвуковой энергии по структуре путем изменения отклика на вибрацию элементов преобразователя и структуры и максимизации отклика на вибрацию.

15. Способ по п. 14, в котором относительная фаза подаваемых сигналов ограничена целым числом, кратным 180°.

16. Способ по п. 14, дополнительно содержащий этапы, на которых:

контролируют мощность прямой волны и мощность отраженной волны между по меньшей мере одним источником сигнала и множеством элементов преобразователя; и

определяют по меньшей мере одну центральную частоту сигналов на основе мощности прямой и отраженной волны.

17. Способ по п. 14, дополнительно содержащий этапы, на которых:

определяют электромеханический импеданс одного или нескольких элементов преобразователя; и определяют по меньшей мере одну центральную частоту сигналов на основе импеданса.

18. Способ по п. 14, дополнительно содержащий этапы, на которых:

обнаруживают множество тепловых откликов; и

объединяют множество обнаруженных тепловых откликов в соответствии с вектором фазирования для генерирования комбинированного теплового изображения структуры.