УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА Российский патент 2021 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к устройству для неразрушающего определения характеристик материала и способу неразрушающего определения характеристик, выполняемому этим устройством.

Способы неразрушающего контроля (NDT) и определения характеристик имеют большую важность, в частности, в автомобилестроении, здравоохранении или даже в авиации. Эти способы могут использоваться для определения состояния целостности деталей (например, крыльев самолета, деталей двигателя), структур (например, поликристаллических структур, многослойных структур) и, в более общем смысле, материалов в любой момент их срока службы, например, во время изготовления, использования или технического обслуживания. Использование этих способов имеет особую важность в области авиации, поскольку рассматриваемые конструкции, как монолитные, так и сборные, должны иметь характеристики, соответствующие очень строгим стандартам.

Различные известные способы включают в себя применение ультразвукового возбуждения в качестве излучения от преобразователя в материал, характеристики которого должны быть определены, и последующее определение характеристик сигнала материала с помощью одного или более принимающих элементов преобразователя, причем сигнал создается за счет ультразвукового возбуждения.

В качестве примера в документе EP 2 440 140 описан ультразвуковой преобразователь в виде одномерной полосы, характеристики материала которой определяют путем распространения ультразвуковых волн через материал. Тем не менее, такой преобразователь не подходит для определения характеристик материала во всех направлениях трехмерного пространства. Однако определение таких характеристик имеет важное значение, в частности, для определения характеристик анизотропных материалов. Таким образом, решение, которое может быть предложено для этой проблемы, может заключаться в перемещении преобразователя вручную или даже в обеспечении механического узла для перемещения преобразователя, чтобы он мог принимать различные трехмерные или угловые конфигурации. Тем не менее, считается, что такое решение имеет ограничение, поскольку оно включает в себя создание сложных механических узлов, примерное и не очень точное размещение преобразователя при выполнении измерений, а также длительное определение характеристик материала, поскольку такой преобразователь необходимо перемещать вручную или механически для каждого направления измерения.

В уровне техники также известно использование ультразвуковых преобразователей, выполненных в виде массива излучающих/принимающих элементов. В качестве примера в документе WO 2015/011383 описан преобразователь в виде массива излучающих/принимающих элементов, которые могут выборочно активироваться для образования поверхности обнаружения, имеющей перекрестный рисунок. Такой преобразователь может использоваться, в частности, для контроля зоны сварки путем анализа ультразвуковых волн, отражающихся от зоны сварки. Из-за формата массива такое решение требует большого количества излучающих/принимающих элементов. Тем не менее, некоторые из этих элементов не всегда используются для образования поверхности обнаружения преобразователя. Такой преобразователь является довольно дорогостоящим с точки зрения затрат на изготовление с учетом большого количества элементов, из которого он состоит. Кроме того, большое количество принимающих элементов в таком преобразователе влечет за собой получение большого объема данных, что может замедлять проверку материала, характеристики которого должны быть определены, в частности, при передаче этих данных в блок последующей обработки.

В существующем виде современные решения для определения характеристик материала не предлагают ультразвуковой преобразователь, который будет одновременно надежным, точным, быстрым и недорогим.

ЗАДАЧА И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения заключается в устранении вышеуказанных недостатков.

Для этого изобретение предлагает устройство для неразрушающего определения характеристик материала, причем устройство содержит излучающие/принимающие ячейки, причем каждая ячейка выполнена с возможностью излучения ультразвуковых волн в направлении материала, характеристики которого должны быть определены, в режиме излучения и приема ультразвуковых волн, прошедших через указанный материал, в режиме приема, причем устройство для неразрушающего определения характеристик содержит кольцо, состоящее из множества смежных угловых секторов, причем каждый угловой сектор содержит ультразвуковые ячейки, уложенные в радиальном направлении кольца, причем устройство дополнительно содержит средство управления, содержащее:

первый модуль выбора, выполненный с возможностью выбора углового сектора в качестве излучающего углового сектора;

второй модуль выбора, выполненный с возможностью выбора набора смежных угловых секторов в качестве принимающих угловых секторов, причем второй модуль выполнен с возможностью выбора указанного набора в угловом диапазоне, диаметрально противоположном излучающему угловому сектору;

первый модуль переключения, выполненный с возможностью переключения всех ячеек принимающих угловых секторов в режим приема; и

второй модуль переключения, выполненный с возможностью поочередного переключения одной ячейки излучающего углового сектора в режим излучения за раз;

причем средство управления выполнено с возможностью приведения в действие модулей для разных угловых секторов.

Преимущественно, кольцо устройства для неразрушающего определения характеристик является полым в центре, т.е. без каких-либо излучающих/принимающих ячеек. Таким образом, можно разместить кольцо в контакте с материалом, характеристики которого должны быть определены, или вокруг него. В дополнение, излучающие/принимающие ячейки такого устройства могут выбираться по отдельности и управляться для переключения в режим излучения или в режим приема. Таким образом, можно использовать кольцо устройства для выполнения как радиального сканирования, так и сканирования путем поворота вокруг материала, характеристики которого должны быть определены, либо последовательно, либо в сочетании. Таким образом, характеристики материала могут быть определены в любом угловом направлении без перемещения материала или устройства определения характеристик после каждого углового измерения, причем это возможно за счет переключения излучающих/принимающих ячеек. Таким образом, устройство позволяет исключить использование сложных механических узлов для определения характеристик материала в разных направлениях, а также обеспечивает гораздо большую точность измерений, чем это возможно при использовании механических узлов. Такое устройство имеет меньший общий размер, а также обеспечивает возможность уменьшения количества излучающих/принимающих ячеек, когда исследуемый материал имеет структурные симметрии. В связи с этим такое устройство может иметь меньший вес, меньший объем данных для обработки и более высокую точность измерений при меньших затратах на изготовление. В дополнение, такое устройство позволяет существенно экономить время, затрачиваемое на проведение измерений для определения характеристик материала, поскольку переход между двумя измерениями выполняется просто путем переключения излучающих/принимающих ячеек.

В другом аспекте в устройстве для определения характеристик каждый угловой сектор имеет одинаковое количество ячеек.

В другом аспекте в устройстве для определения характеристик кольцо содержит первый угловой диапазон и второй угловой диапазон, причем количество ячеек в каждом угловом секторе первого углового диапазона меньше, чем количество ячеек в угловых секторах второго углового диапазона.

В другом аспекте в устройстве для определения характеристик угловые секторы первого углового диапазона и второго углового диапазона продолжаются от одного внутреннего периферийного края кольца.

В другом аспекте в устройстве для определения характеристик угловые секторы первого углового диапазона и второго углового диапазона продолжаются от одного внешнего периферийного края кольца.

В другом аспекте в устройстве для определения характеристик первый угловой диапазон меньше или равен 180°.

В другом аспекте в устройстве для определения характеристик первый угловой диапазон строго больше 180°.

Изобретение также обеспечивает способ определения характеристик для неразрушающего определения характеристик материала, причем способ выполняется устройством для неразрушающего определения характеристик, как описано выше, причем способ содержит:

a) этап, на котором размещают устройство в контакте с указанным материалом или вокруг него;

b) этап, на котором выбирают угловой сектор в качестве излучающего углового сектора;

c) этап, на котором выбирают набор смежных угловых секторов в качестве принимающих угловых секторов, причем указанный набор выбирают в угловом диапазоне, диаметрально противоположном излучающему угловому сектору;

d) этап, на котором переключают все ячейки принимающих угловых секторов в режим приема;

e) этап, на котором ячейка в режиме излучения излучает ультразвуковые волны в направлении указанного материала, тем самым создавая ультразвуковые волны, проходящие через указанный материал;

f) этап, на котором ячейки в режиме приема принимают ультразвуковые волны, проходящие через указанный материал; и

g) этап, на котором обрабатывают ультразвуковые волны, проходящие через указанный материал, после этапа приема.

В другом аспекте способ определения характеристик дополнительно содержит:

h) этап, на котором поочередно переключают одну ячейку излучающего углового сектора в режим излучения.

В другом аспекте в этом способе переключают только одну ячейку излучающего углового сектора в режим излучения за раз.

В другом аспекте после каждого этапа обработки проходящих ультразвуковых волн способ определения характеристик содержит этап, на котором повторяют этапы b)-f) для последовательных угловых секторов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего далее описания конкретных вариантов выполнения изобретения, приведенных в качестве неограничивающих примеров и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

Фигура 1 представляет собой схему, иллюстрирующую устройство для неразрушающего определения характеристик материала;

Фигуры 2A-2E иллюстрируют различные этапы первого сканирования, выполняемого преобразователем устройства для неразрушающего определения характеристик с целью определения характеристик материала;

Фигуры 3A-3E иллюстрируют различные этапы второго сканирования, выполняемого преобразователем устройства для неразрушающего определения характеристик с целью определения характеристик материала; и

Фигуры 4A-4D иллюстрируют различные варианты выполнения преобразователя устройства для неразрушающего определения характеристик.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ

Фигура 1 иллюстрирует устройство 100 для неразрушающего определения характеристик с использованием ультразвуковых волн для определения характеристик материала 2. Устройство 100 включает в себя ультразвуковой преобразователь 1, т.е. зонд, имеющий множество излучающих/принимающих ячеек 10. Каждая излучающая/принимающая ячейка 10 может переключаться в режим излучения для излучения ультразвуковых волн в направлении материала 2, характеристики которого должны быть определены, или в режим приема для приема ультразвуковых волн, передаваемых и/или направляемых через указанный материал 2. Преобразователь 1 связан со средством 3 управления, выполненным с возможностью выбора и переключения любой ячейки 10 ультразвукового преобразователя 1 в режим излучения, в режим приема или даже оставления ячейки 10 неактивной. В показанном примере, как описано более подробно ниже, средство 3 управления переключило одну ячейку 10-1 (ячейка, закрашенная черным цветом) в режим излучения и набор 20 ячеек 10, в частности, одиннадцать ячеек, в режим приема (ячейки, закрашенные серым цветом), тогда как другие ячейки 10 остались неактивными (ячейки, закрашенные белым цветом).

Таким образом, преобразователь 1 образует поверхность излучения/приема ультразвуковых волн, состоящую из ячеек 10, причем эта поверхность имеет плоскую форму и может непосредственно контактировать с материалом 2, характеристики которого должны быть определены. В других примерах преобразователь 1 может опосредованно контактировать с материалом 2 через среду (например, плексиглас) или может окружать исследуемый материала 2 для облегчения распространения ультразвуковых волн.

Как известно, излучающие/принимающие ячейки 10 представляют собой пьезоэлектрические вибраторы. Каждая излучающая ячейка преобразователя 1 преобразует электрический сигнал, принимаемый от средства 3 управления, в ультразвуковой сигнал, который передается (стрелка 200) в материал 2. Каждая принимающая ячейка преобразователя 1 преобразует ультразвуковой сигнал, принимаемый (стрелки 201) от материала 2, в электрический сигнал, который затем передается в блок 4 обработки, причем электрический сигнал передается в этот блок, например, по проводному соединению 5. Блок 4 обработки включает в себя средства для обработки сигнала, приходящего от ячеек в режиме приема. В качестве примера блок 4 обработки может получать изменения фазовой скорости в зависимости от частоты ультразвуковых волн, проходящих через материал 2, может сопоставлять их с излучающими/принимающими ячейками 10, может создавать данные трехмерного изображения, может определять размеры и/или положения любого дефекта исследуемого материала 2 и может отображать результаты определения, например, в виде карты. Волны, проходящие через материал 2, представляют собой направляемые волны, например, волны Лэмба. Преимущественно, эти волны имеют длины волн, сопоставимые с размерами исследуемого материала 2, и, таким образом, они направляются в материал 2. Прием этих волн позволяет определять характеристики материала 2. В качестве примера с помощью блока 4 обработки можно разложить сигнал, принимаемый каждой принимающей ячейкой, на единичные значения и на их основе вывести дисперсионные кривые для принимаемых сигналов. В общем устройство 100 для неразрушающего определения характеристик может использоваться для определения характеристик любого материала 2 и, в частности, анизотропных материалов. В качестве примера материалы 2, характеристики которых должны быть определены, могут иметь монолитную структуру, поликристаллическую структуру (например, титан) или сборную структуру. В качестве примера характеристики материала 2 могут относиться к толщине слоев многослойного материала, константам упругости, свойствам упругости, потерям толщины из-за коррозии или даже матрице жесткости.

В соответствии с изобретением ультразвуковой преобразователь 1 выполнен в виде кольца 500, вариант выполнения которого показан на Фигурах 2A-3E. В этом примере кольцо 500 образовано относительно осевого направления D_A и состоит из множества угловых секторов 501, смежных в окружном направлении. В радиальном направлении D_R кольца 500 каждый угловой сектор 501 содержит набор излучающих/принимающих ячеек 10. В качестве примера на Фигуре 1 набор 20 ячеек 10 в режиме приема образует угловой сектор 501-1, диаметрально противоположный угловому сектору 501-2, включающему в себя ячейку 10-1 в режиме излучения. Диаметрально противоположные угловые секторы, 501, например, угловые секторы 501-1 и 501-2, опционально могут быть разделены барьером 6, которые предотвращает прямую ультразвуковую передачу между излучающим участком, в данном примере образованным ячейкой 10-1 в режиме излучения, и принимающим участком, в данном примере образованным набором 20 ячеек в режиме приема. В более общем смысле, преобразователь 1 не содержит излучающих/принимающих ячеек 10 в центральном участке 7, который является полым, как показано на всех фигурах.

Фигуры 2A-3E иллюстрируют различные этапы исследования материала 2, в данном примере поликристаллической структуры 2-1.

На начальном этапе устройство 100 размещают в непосредственном или опосредованном контакте с материалом 2, характеристики которого должны быть определены, в частности, поликристаллической структурой 2-1. Альтернативно устройство размещают вокруг материала 2, характеристики которого должны быть определены. Размеры кольца 500 и излучающих/принимающих ячеек 10 определяют заранее таким образом, чтобы центральный участок 7 имел большие размеры, чем материал 2, характеристики которого должны быть определены, причем материал размещают в контакте с центральным участком 7 или обращенным к нему. Подобным образом частоты, используемые излучающими/принимающими ячейками 10, выбирают в зависимости от параметров исследуемого материала 2 и в зависимости от масштаба определения характеристик. В качестве примера для поликристаллической структуры 2-1 можно выполнить определение характеристик в масштабе одного зерна или в масштабе группы зерен в зависимости от выбранных ультразвуковых частот. Тем не менее, ультразвуковые частоты выбирают таким образом, чтобы получить длины волн, имеющие размеры, сопоставимые с материалом 2, характеристики которого должны быть определены, для обеспечения направляемых волн (например, поверхностных волн и/или структурных волн) через материал 2.

После размещения устройства 100 материал 2 подвергают двойному сканированию для определения его характеристик.

Первое сканирование радиального типа показано на Фигурах 2A-2E. Во время этого сканирования для заданного углового сектора 501-3 поочередно выбирают только одну ячейку 10-2, 10-3, 10-4, 10-5 или 10-6 и затем переключают в режим излучения. Затем выбирают набор 502, содержащий множество смежных секторов 501, и все ячейки 10 набора 502 переключают в режим приема. Набор 502 всегда выбирают в угловом диапазоне, диаметрально противоположном угловому сектору 501-3, включающему в себя ячейку 10-2, 10-3, 10-4, 10-5 или 10-6, переключенную в режим излучения. Кроме того, как будет описано ниже, следует учитывать, что набор 502 всегда должен состоять из по меньшей мере двух смежных угловых секторов 501.

Таким образом, первое сканирование для определения характеристик материала 2 включает в себя поочередное переключение каждой ячейки 10-2, 10-3, 10-4, 10-5 и 10-6 в режим излучения для излучения ультразвуковых волн в направлении указанного материала 2, что приводит к созданию волн, передаваемых и/или направляемых через указанный материал 2. Затем эти направляемые волны, передаваемые и/или направляемые через материал 2, принимаются различными ячейками 10 из набора 502, причем эти ячейки переключены в режим приема. Затем блок 4 обработки выполняет этап обработки ультразвуковых волн, принятых ячейками 10.

На практике выбор и переключение ячеек в режим излучения или режим приема осуществляется средством 3 управления.

В качестве примера средство 3 управления может включать в себя:

первый модуль 300 выбора, выполненный с возможностью выбора углового сектора 501 в качестве излучающего углового сектора (например, угловой сектор 501-3 на Фигурах 2A-2E);

второй модуль 301 выбора, выполненный с возможностью выбора набора 502 смежных угловых секторов 501 в качестве принимающих угловых секторов, причем набор 502 выбирают в угловом диапазоне, диаметрально противоположном излучающему угловому сектору;

первый модуль 302 переключения, выполненный с возможностью переключения набора 502, т.е. всех ячеек в принимающих угловых секторах, в режим приема; и

второй модуль 303 переключения, выполненный с возможностью поочередного переключения ячеек в излучающем угловом секторе в режим излучения. В частности, второй модуль 303 переключения может быть выполнен с возможностью переключения только одной ячейки в режим излучения за раз.

Модули 300, 301, 302 и 303 реализованы с помощью электронных или программных средств, причем средство 3 управления выполнено с возможностью приведения в действие некоторых или всех этих модулей для каждого углового сектора 501 кольца 500.

Преимущественно, для первого сканирования выбор набора 502 принимающих ячеек в угловом диапазоне, диаметрально противоположном ячейке в режиме излучения, позволяет исследовать распространение ультразвуковых волн через материал 2 вдоль двух взаимно перпендикулярных волновых векторов в отличие от существующих одномерных преобразователей. Определение характеристик вдоль двух перпендикулярных волновых векторов связано с тем, что набор 502 состоит из множества смежных угловых секторов 501.

Кроме того, выбор и поочередное переключение одной излучающей ячейки в заданном угловом секторе 501 во время первого сканирования после обработки принятых сигналов (например, путем разложения на единичные значения) позволяет получить дисперсионные кривые для мод, направляемых через материал 2, характеристики которого должны быть определены.

Второе сканирование показано на Фигурах 3A-3E. Как видно на фигурах, второе сканирование представляет собой угловое сканирование, которое включает в себя выполнение вышеописанного первого сканирования для разных угловых секторов 501 кольца 500. Разные угловые секторы 501-3, 501-4, 501-5, 501-6 и 501-7 последовательно выбирают для излучения, и по меньшей мере одну ячейку 10-2, 10-7, 10-8, 10-9 10-10 в этих секторах переключают в режим излучения. Затем выбирают наборы 502, 502-1, 502-2, 502-3 и 502-4 угловых секторов, диаметрально противоположных угловым секторам 501-3, 501-4, 501-5, 501-6 и 501-7 для излучения, в качестве принимающих наборов, и все их ячейки переключают в режим приема. Таким образом, второе сканирование выполняют путем поворота первого сканирования вокруг осевого направления D_A кольца. Это поворотное второе сканирование выполняют для заданного углового диапазона сканирования, причем этот диапазон может быть выбран, например, в зависимости от материала 2, характеристики которого должны быть определены. Следует отметить, что в этом примере каждый набор 502, 502-1, 502-2, 502-3 и 502-4 состоит из четырех последовательных угловых секторов. Тем не менее, это количество выбрано исключительно в качестве иллюстрации, и наборы могут состоять из большего или меньшего количества угловых секторов 501. Тем не менее, следует учитывать, что для первого и второго сканирований всегда необходимо создавать набор 502, содержащий множество угловых секторов 501, для исследования распространения ультразвуковых волн через материал 2 вдоль двух взаимно перпендикулярных волновых векторов.

Как указано выше, материал 2, характеристики которого должны быть определены, подвергают двойному сканированию. Таким образом, для определения характеристик материала 2 средство 3 управления может выполнять первое и второе сканирования последовательно или в сочетании. В качестве примера все ячейки заданного излучающего сектора (например, сектора 501-3) могут переключаться поочередно, а затем при втором сканировании излучающий сектор меняется путем последовательного выбора другого углового сектора 501, например, смежного сектора. В другом примере ячейка первого углового сектора используется в режиме излучения, а затем при втором сканировании ячейка в другом втором угловом секторе переключается в режим излучения, без необходимости переключения всех ячеек первого углового сектора в режим излучения. Этот пример показан на Фигурах 3A-3E, где видно, что на каждом этапе выбирают только одну ячейку 10-2, 10-7, 10-8, 10-9 или 10-10 в угловом секторе 501-3, 501-4 501-, 501-6 или 501-7, отличном от предыдущего сектора, и поочередно переключают в режим излучения.

Преимущественно, второе сканирование позволяет исследовать распространение ультразвуковых волн, направляемых через материал 2, под всеми возможными углами относительно осевого направления D_A кольца. После обработки принятых сигналов это сканирование может использоваться, в частности, для определения полной матрицы жесткости исследуемого материала 2.

Угловой диапазон сканирования, используемый во время второго сканирования, зависит от материала 2, характеристики которого должны быть определены. В качестве примера для некоторых материалов 2 можно ограничить поворот во время второго сканирования угловым диапазоном, равным 180°, или даже уменьшить этот угловой диапазон до угла менее 180° для материалов 2, имеющих структурные симметрии.

Следовательно, можно уменьшить количество излучающих/принимающих ячеек 10 в устройстве 100. Такое уменьшение количества излучающих/принимающих ячеек 10 может быть предпочтительным, в частности, с точки зрения затрат на изготовление устройства 100, снижения его веса и уменьшения объема данных, передаваемых в блок 4 обработки, что приводит к ускорению анализа материала 2, характеристики которого должны быть определены.

Следует отметить, что кольцо 500 на вышеописанных фигурах соответствует конкретному варианту выполнения, в котором каждый угловой сектор 501 имеет одинаковое количество ячеек. Другие варианты выполнения колец 500-1, 500-2, 500-3 и 500-4, имеющих меньшее количество излучающих/принимающих ячеек 10, показаны на Фигурах 4A-4D. В целях иллюстрации материалы 2, характеристики которых должны быть определены, показанные на этих фигурах, представляют собой структуру 2-2, полученную путем сварки, и структуру 2-3, полученную путем склеивания, соответственно.

Фигуры 4A и 4B иллюстрируют варианты выполнения, в которых кольцо 500-1, 500-2 имеет первый угловой диапазон A1-1, A1-2, а также второй угловой диапазон A2-1, A2-2, оба из которых равны 180°. В показанном варианте выполнения количество ячеек 10 в каждом угловом секторе 501 первого углового диапазона A1-1, A1-2 меньше, чем количество ячеек в каждом угловом секторе второго углового диапазона A2-1, A2-2. Если угловые секторы первого углового диапазона A1-1, A2-2 последовательно используются для выбора и переключения ячейки 10 в режим излучения, то угловые секторы второго углового диапазона A2-1, A2-2 используются для образования наборов ячеек в режиме приема в угловом диапазоне, диаметрально противоположном ячейке в режиме излучения. В качестве примера на этих фигурах показаны ячейки 10-11 и 10-12, переключенные в режим излучения, и наборы 502-5 и 502-6 диаметрально противоположных угловых секторов, причем каждый набор 502-5 и 502-6 в этом примере состоит из трех угловых секторов, ячейки которых переключены в режим приема. Как видно на Фигуре 4A, угловые секторы первого углового диапазона A1-1 и второго углового диапазона A2-1 продолжаются от одного внутреннего периферийного края кольца 500-1. Таким образом, расстояние между ячейками в режиме излучения и ячейками в режиме приема минимизируется. В отличие от этого, на Фигуре 4B угловые секторы первого углового диапазона A1-2 и второго углового диапазона A2-2 продолжаются от одного внешнего периферийного края кольца 500-2. Таким образом, расстояние между ячейками в режиме излучения и ячейками в режиме приема максимизируется.

Фигуры 4C и 4D иллюстрируют другие варианты выполнения кольца 500-3 или 500-4, в которых угловые секторы первого углового диапазона A1-3 или A1-4 продолжаются от одного внешнего периферийного края кольца 500-3 или 500-4 соответственно. В другом примере, который не показан, угловые секторы первого углового диапазона могут продолжаться от одного внутреннего периферийного края кольца 500-3 или 500-4. На этих фигурах количество ячеек 10 в каждом угловом секторе первого углового диапазона A1-3, A1-4 меньше, чем количество ячеек 10 в каждом угловом секторе второго углового диапазона A2-3, A2-4. На Фигуре 4C первый угловой диапазон A1-3 меньше 180°. На Фигуре 4D первый угловой диапазон A1-4 больше 180°. Если угловые секторы первого углового диапазона A1-3, A1-4 последовательно используются для выбора и переключения одной ячейки 10 в режим излучения, то угловые секторы второго углового диапазона A2-3, A2-4 используются для образования наборов ячеек в режиме приема в угловом диапазоне, диаметрально противоположном ячейке в режиме излучения. В качестве примера на фигурах показаны ячейки 10-13 и 10-14, переключенные в режим излучения, и наборы 502-7 и 502-8 угловых секторов, каждый из которых в данном примере состоит из трех угловых секторов, ячейки которых переключены в режим приема.

Преимущественно, все вышеописанные варианты выполнения могут применяться для определения характеристик любого материала 2.

В качестве примера при определении характеристик поликристаллической структуры 2-1 эти варианты выполнения позволяют собрать с помощью принимающего участка преобразователя 1 набор данных, достаточный для определения ориентаций зерен в структуре с использованием ультразвуковой томографии. В зависимости от параметров устройства 100 (например, используемых ультразвуковых частот) обработка принимаемых сигналов блоком 4 обработки позволяет определить характеристики поликристаллической структуры 2-1 в масштабе одного зерна или группы зерен.

В другом примере в случае сборных структур, например, структуры 2-2, полученной путем сварки, или структуры 2-2, полученной путем склеивания, может потребоваться проверка качества существующих соединений (например, точек склеивания, сварки). Тогда обработка принимаемых сигналов блоком 4 обработки позволяет определить и оценить матрицу жесткости таких структур. В дополнение, поскольку распространение ультразвуковых волн через материал 2, характеристики которого должны быть определены, исследуется во всех угловых направлениях (за счет поворотного второго сканирования) и в двух взаимно перпендикулярных направлениях распространения (за счет радиального первого сканирования и множества угловых секторов, используемых для приема), предложенные варианты выполнения позволяют точно оценить наличие трещин и, в более общем смысле, определить любую информацию, связанную с материалом 2, в предпочтительном направлении.

Третий пример применения вариантов выполнения относится к использованию изображений для определения характеристик материала 2, для которого характерны потери толщины, обусловленные утончением из-за коррозии. Блок 4 обработки измеряет скорости направляемых мод ультразвуковых волн, направляемых через материал 2, и с использованием этих измерений, взятых во всех угловых направлениях, может обнаруживать моды, которые распространяются с разными скоростями, причем разные скорости свидетельствуют о потери толщины материала 2. Затем блок 4 обработки может использовать алгоритм томографической реконструкции для отображения потери толщины материала 2.

Использование: для неразрушающего определения характеристик материала. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит излучающие/принимающие ячейки, причем каждая ячейка выполнена с возможностью излучения ультразвуковых волн в направлении материала, характеристики которого должны быть определены в режиме излучения и приема ультразвуковых волн, прошедших через указанный материал, причем устройство для неразрушающего определения характеристик содержит кольцо, состоящее из множества смежных угловых секторов, причем каждый угловой сектор содержит ультразвуковые ячейки, уложенные в радиальном направлении (D_R) кольца. Технический результат: обеспечение возможности создания надежного и точного ультразвукового устройства для неразрушающего определения характеристик материала. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Устройство (100) для определения характеристик для неразрушающего определения характеристик материала (2; 2-1; 2-2; 2-3), причем устройство (100) содержит излучающие/принимающие ячейки (10), причем каждая ячейка (10) выполнена с возможностью излучения ультразвуковых волн в направлении материала (2; 2-1; 2-2; 2-3), характеристики которого должны быть определены, в режиме излучения и приема ультразвуковых волн, прошедших через указанный материал (2; 2-1; 2-2; 2-3), в режиме приема, причем устройство (100) для неразрушающего определения характеристик отличается тем, что оно содержит кольцо (500; 500-1; 500-2; 500-3; 500-4), состоящее из множества смежных угловых секторов (501), причем каждый угловой сектор (501) содержит ультразвуковые ячейки (10), уложенные в радиальном направлении (D_R) кольца (500; 500-1; 500-2; 500-3; 500-4, причем устройство (100) дополнительно содержит средство (3) управления, содержащее:

первый модуль (300) выбора, выполненный с возможностью выбора углового сектора (501) в качестве излучающего углового сектора;

второй модуль (301) выбора, выполненный с возможностью выбора набора (502) смежных угловых секторов (501) в качестве принимающих угловых секторов, причем второй модуль выполнен с возможностью выбора указанного набора (502) в угловом диапазоне, диаметрально противоположном излучающему угловому сектору;

первый модуль (302) переключения, выполненный с возможностью переключения всех ячеек принимающих угловых секторов в режим приема; и

второй модуль (303) переключения, выполненный с возможностью поочередного переключения одной ячейки (10) излучающего углового сектора в режим излучения за раз;

причем средство (3) управления выполнено с возможностью приведения в действие модулей (300, 301, 302 303) для разных угловых секторов (501).

2. Устройство (100) для определения характеристик по п. 1, в котором каждый угловой сектор (501) имеет одинаковое количество ячеек (10).

3. Устройство (100) для определения характеристик по п. 1, в котором кольцо (500-1; 500-2; 500-3; 500-4) содержит первый угловой диапазон (A1-1; A1-2; A1-3; A1-4) и второй угловой диапазон (A2-1; A2-2; A2-3; A2-4), причем количество ячеек (10) в каждом угловом секторе (501) первого углового диапазона (A1-1; A1-2; A1-3; A1-4) меньше, чем количество ячеек (10) в угловых секторах (501) второго углового диапазона (A2-1; A2-2; A2-3; A2-4).

4. Устройство (100) для определения характеристик по п. 3, в котором угловые секторы (501) первого углового диапазона (A1-1) и второго углового диапазона (A2-1) продолжаются от одного внутреннего периферийного края кольца (500-1).

5. Устройство (100) для определения характеристик по п. 3, в котором угловые секторы (501) первого углового диапазона (A1-2; A1-3; A1-4) и второго углового диапазона (A2-2; A2-3; A2-4) продолжаются от одного внешнего периферийного края кольца (500-2; 500-3; 500-4).

6. Способ определения характеристик для неразрушающего определения характеристик материала (2; 2-1; 2-2; 2-3), причем способ выполняется устройством (100) для неразрушающего определения характеристик по п. 1, причем способ содержит:

a) этап, на котором размещают устройство (100) в контакте с указанным материалом (2; 2-1; 2-2; 2-3) или вокруг него;

b) этап, на котором выбирают угловой сектор (501) в качестве излучающего углового сектора;

c) этап, на котором выбирают набор (502) смежных угловых секторов (501) в качестве принимающих угловых секторов, причем указанный набор (502) выбирают в угловом диапазоне, диаметрально противоположном излучающему угловому сектору;

d) этап, на котором переключают все ячейки (10) принимающих угловых секторов в режим приема;

e) этап, на котором ячейки (10) в режиме излучения излучают ультразвуковые волны в направлении указанного материала (2; 2-1; 2-2; 2-3), тем самым создавая ультразвуковые волны, проходящие через указанный материал (2; 2-1; 2-2; 2-3);

f) этап, на котором ячейки (10) в режиме приема принимают ультразвуковые волны, проходящие через указанный материал (2; 2-1; 2-2; 2-3); и

g) этап, на котором обрабатывают ультразвуковые волны, проходящие через указанный материал (2; 2-1; 2-2; 2-3), после этапа приема.

7. Способ определения характеристик по п. 6, дополнительно содержащий:

h) этап, на котором поочередно переключают одну ячейку (10) излучающего углового сектора в режим излучения.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что только одну ячейку (10) излучающего углового сектора переключают в режим излучения за раз.

9. Способ определения характеристик по п. 7, отличающийся тем, что после каждого этапа обработки проходящих ультразвуковых волн он содержит этап, на котором повторяют этапы b)-f) для последовательных угловых секторов (501).