Визуализатор ультразвука Советский патент 1984 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к средствам визуализации колебательных про цессов и ультразвуковых полей в га зах и может быть использовано при неразрушающих испытаниях материалов и изделий. По основному авт.св. № 1032408, известен визуализатор ультразвука, содержащий температурочувствительную жидкокристаллическую пленку и установленный на одной стороне ее светопрозначный термостабильный буфер 1. Однако данный визуализатор обладает неоптимальным значением чувствительности по интенсивности ультра звука и небольшой разрешаюшей способностью, так как в нем тепловое поле, соответствующее исследуемому ультразвукому полю, и воздействующее на температурочувствительную жидкокристаллическую пленку, создается во всем слое газа между жидкокристаллической пленкой и излучающей ультразвук поверхностью, т.е. основным поглотителем исследуемого ультразвука является весь этот слой газа., Газ же, заполняющий пространство в котором распространяется исследуе мое ультразвуковое поле (обычно воз дух) , обладает малым коэффициентом поглацения ультразвука и поэтому поглощение в нем энергии ультразвука, а значит, и нагрев газа, малы. Кроме того, неоптимальность чувствительности по интенсивности ульт развука вызвана еще тем, что в визу ализаторе не предусмотрена настройка на резонансное поглощение ультра звука в слое газа, нагреваемом поглощаемой энергией ультразвука. Это эквивалентно отсутствию.настройки на оптимальное изображение ультразвукового поля, так как чувствитель ность по интенсивности ультразвука связана с разуешаюшей способностью визуализатора. Кроме того, поскольку основное поглощение энергии ультразвука происходит в слое газа между жидкокрис таллической пластинкой и излучающей ультразвук поверхностью, и жйдкокри таллическая пленка визуализатора фиксирует тепловое поле, создаваемое поглощенной энергией ультразвука именно в этом слое газа, то действие визуализатора связано с его расположением и расстоянием от излучающей ультразвук поверхности. При сравнительно больших расстояниях жидкокристаллической пленкой ви-. зуализатора от излучающей ультразвук поверхности соответствие струк туры фиксируемого жидкокристалличес кой пленкой теплового поля ст15уктуре создающего его ультразвукового поля нарушается. Целью изобретения является повышение чувствительности. Указанная цель достигается тем, что визуализатор ультразвука, содержащий температурочувстви ельную жидкокристаллическую пленку и установленный на ней светопрозрачный термостабильный буфер, снабжен расположенным с другой стороны жидкокристаллической пленки слоем поглотителя ультразвука, выполненным из материала с коэффициентом поглощении ультразвука большим, чем у газа, в котором распространяется ультразвук, и головным сопротивлением, близким к волновому сопротивлению газа„ Кроме того, слой поглотителя ультразвука представляет собой заполненную газом кювету ,дно которой выполнено из звукопрозргё1чной пленки. Кювета может быть выполнена с возможностью изменения ее высоты, а слой поглотителя ультразвука i oжет быть выполнен из ткани типа сукна. На фиг. 1 изображена схема конструкции визуализатора со слоем поглотителя ультразвука; на фиг. 2 схема визуализатора со слоем поглотителя ультразвука, выполненным в виде заполненной газом кюветы; на Фиг. 3 - схема визуализатора ультразвука со слоем поглотителя ультразвука, в виде заполненной газом кюветы, выполненной с возможностью изменения ее высоты. Визуализатор ультразвука содержит температурочувствительную жидкокристаллическую nJieHKy 1, установленный на одну ее поверхность светопрозрачный термостабильный буфер 2 и установленный на другую ее поверхность слой 3 поглотителя ультразвука, а также размещенный со стороны буфера 2 источник 4 света. С этой же стороны находится регистратор 5 изобра кения. Слой 3 поглотителя ультразвука может быть выполнен в виде ккветы б (фиг. 2), дно 7 которой выполнено в виде звукопрозрачной пленки. Кювета б при этом заполнена газом 8. Кроме того, кювета 6 (фиг. 3) может быть выполнена с возможностью изменения ее высоты, например, в виде телескопически соединенных дна 7 и обечайки 9, в которой есть штуцер 10 для подключения к пневмомагистрали (не показана). Снабжение визуализатора слоем 3 поглотителя ультразвука обеспечивает возможность работы визуализатора вне связи его с излучающей ультразвук поверхностью, независимость от газа, в котором распространяется ультразвук, и возможность подбора требуемых свойств поглотителя ультразвука, обеспечивающих оптимальную работу визуализатора. Слой 3 поглотителя ультразвука должен быть одинаковой толщины и расположен на жидкокристаллической пленке 2 параллельно ей с облучаемой ультразву ком стороны, что обеспечивает соответствие структуры теплового поля в поглотителе, фиксируемого поля в поглотителе, фиксируемого жидкокрис таллической пленкой 2, структуре ультразвукового поля, создающего это тепловое поле. Выполнение слоя поглотителя ультразвука из материала с коэффици ентом поглощения ультразвука большим, чем у газа, в котором распрост раняется ультразвук, обеспечивает большее поглощение ультразвука поглотителем, чем газом, в котором распространяется ультразвук, а значит, и больший нагрев поглотителя, что приводит к повышению чувствител ности и разрешающей способности визуализатора . Выполнение слоя 3 поглотителя из материала с волновым сопротивлением, близким к волновому сопротивлению газа, в котором распространяется ультразвук, обеспечивает вхождение ультраз-вука в поглотитель. Выполнение слоя поглотителя ульт развука в виде кюветы 6 позволяет, заполняя кювету газом, осуществлять газовый слой поглотителя с волновым сопротивлением, близким к волновом сопротивлению газа, в котором распространяется ультразвук, а также изменять характеристики слоя поглотителя, меняя газ, заполняющий кюве ту . Выполнение дна 7 кюветы 6 в виде тонкой звукопрозрачной пленки обеспечивает прохождение ультразвука в газ кюветы, так как пленка для ультразвука акустически прозрачна. Жидкокристаллические пленки визу ализатора при этом обеспечивают фик сирование теплового поля в поглотителе, создаваемого ультразвуком. Параллельность облучаемой ультра звуком стенки кюветы жидкокристаллической пленке визуализатора обеспечивает одинаковость толщины слоя поглотителя ультразвука. Выполнение кюветы Ь с возиожносхью изменения ее высоты обеспечивает возможность изменения толщины слоя поглотителя. Обечайка 9 кюветы б пневматическим приводом перемещает дно 7 кюветы с сохранением его параллельности жидкокристаллической пленке 1, при этом изменяете и расстояние между ними, что обеспечивает изменение толщины слоя погло тителя ультразвука, а это, в свою очередь, обеспечивает возможность настройки визуализатора на резонансное поглощение ультразвука в слое поглотителя. Последнее обстоятельст-., во увеличивает чувствительность визуализатора, улучшает качество изображения ультразвукового поля, увеличивает разрешающую способность вследствие уменьшения времени срабатывания и возможность настройки визуализатора на оптимальное изображение ультразвукового поля. Выполнение слоя поглотителя ультразвука из ткани типа сукна обеспечивает п1Ьи простоте конструкции вхождение ультразвука в слой поглотителя и большее поглощение ультразвука в нем, а значит, и больший нагрев этого слоя, чем слоя г-аза, в котором распространяется ультразвук. Такой слой поглотителя ультразвука целесообразно использовать, когда не требуется изменение характеристик слоя поглотителя. В варианте конкретного исполнения визуализатора температурочувствительной жидкокристаллической пленкой 1 служит пленка толщиной 160 мкм, состоящая из внутреннего слоя холесте.рического жидкого кристалла, смешанного с поливиниловым спиртом. Для лучшего наблюдения изображения теплового поля на поверхности жидкокристаллической пленки 1 в отраженном свете ее облучаемая ультразвуком поверхность выполнена светонепрозрачной (черной). Рабочий температурный диапазон жидкокристаллической пленки 1 находится в интервале 25,5 30,5 С, в котором цвет на наблюдаемой поверхности в отраженном белом свете н зависимости от температуры измеряется от красного до фиолетового, проходя все цвета видимого спектра. При температуре ниже 25, и выше 30,5с цвет наблюдаемой поверхности пленки черный. Светопрозрачный термостабильный буфер 2 выполнен в виде кюветы, наполненной жидкостью, например водой, температура которой устанавливается и поддерживается постоянной посредством соединенного с кюветой термостата (не показан), через который протекает заполняющая кювету (не п6каназа) светопрозрачного термостабйльного буфера 2 жидкость. Источником 4 света, освещающим наблюдаемую поверхность температурочувствительной жидкокрис-таллической пленки 1, служит или окружающий свет, или специальный осветитель, например лампа накаливания. Регистратором 5 изображения картины ультразвукового поля- на поверхности жидкокристаллической пленки

1 может служить или глаз наблюдателя, или специальное устройство, например фото-или кинокамера, фотоэлектронное или приемное телевизионное или специальное устройство.

Слой 3 поглотителя ультразвука в варианте виэуалиэатора со слоем поглотителя из ткани типа сукна выполнен из ткани толищной 0,5 мм, прикрепленной к облучаемой ультразвуком поверхности жидкокристаллической пленки 1.

В варианте слоя поглотителя ультразвука в виде кюветы.6, заполненной газом 8 (фиг. 2 и 3) дно 7 кюветы 6 выполнено из лавсановой пленки толщиной 5 мкм. При распространении исследуемого ультразвукового поля в воздухе, газом-поглотителем 8 ультразвука, заполняющим кювету 6, служит углекислый газ(COj), имеющий коэффициент поглощения ультразвука значительно больший, чем у во духа.

Обечайка 9 кюветы б (фиг. 2 и 3) выполнена из любого, не пропускающего газа и не реагирующего с ним материала .

В варианте кюветы Б с изменянвдейся высотой (фиг. 3) обечайка 9 выполнена, например, в виде двух входящих друг в друга цилиндров или в виде сильфона. Приводом, изменяющим частоту кюветы 6, может служить пневмомагистраль с тем же газом-поглотителем 8.

Визуализатор работает следующим образом.

Визуализатор помещают в газ, в котором распространяется исследуемо ультразвуковое поле, так что ультразвуковая волна падает нормально на слой 3 поглотителя ультразвука. Проходя через этот слой, ультразвук частично в нем поглощается и создает в нем тепловое поле, соответствующее по структуре создающему его ультразвуковому полю, т.е. распределению энергии по фронту падающей ультразвуковой волны. Тепловое поле в слое поглотителя ультразвука регистрируется температурочувствительной жидкокристаллической пленкой 1 локальным изменением ее цвета в отраженном свете в соответствии с ; ioкальной температурой каждого участка теплового поля в слое 3 поглотителя ультразвука. В результате на

наблюдаемой поверхности температурочувствительной жидкокристаллической пленки 1 возникает цветное изображение теплового поля, соответствующее распределению интенсивности ультразвука по фронту ультразвуковой волны, которое или наблюдается визуально, или регистрируется соответствующим регистратором 5.

Для обеспечения оптимального режима работы визуализатора, т,е.

его максимальной чувствительности и минимального времени срабатывания, температуру жидкокристаллической пленки 1 и слоя 3 поглотителя ультра5 звука устанавливают и поддерживают посредст вом термостабильного буфера 2 на нижней границе рабочего температурного диапазона жидкокристаллической пленки 1.

0 В варианте визуализатора со слоем 3 поглотителя ультразвука изменяющейся толщины (фиг. 3) для обеспечения максимальной чувствительности и разрезяающей способности визуали5 затора производят его настройку на резонансное поглощение ультразвука слоем поглотителя 5. Для этого изменяют толщину слоя 3 поглотителя ультразвука и настройку производят

Q или по оптимальности визуальной картины ультразвукового поля, даваемой визуализатором, или по прилагаемой к визуализатору таблице или градуировочной кривой зависимости толщины слоя 3 поглотителя ультразвука от частоты ультразвука, при которой его поглощение слоем 3 поглотителя будет резонансным.

Использование изобретения позволяет повысить чувствительность по интенсивности ультразвука, увеличить разрешающую способностью и качество изображения. Кроме того, визуализатор обеспечивает возможность

работы вне связи его с излучающей ультразвук поверхностью. Это повышает точность производимых визуализатором измерений, в частности, при применении визуализатора в неразрушающем ультразвуковом контроле, позволяет применять ультразвуковые измерители меньшей мощности, контголировать издетгая больщей толщины, обнаруживать дефекты меньших размеров,

э также повышает экспресспость контроля .

ТЕППГТ1Х1ПС х «ДПП| 1Э

./

-® ikг

f

-8 J

Фуг.

1, ВИЗУАЛИЗАТОР УЛЬТРАЗВУКА по авт.св. № 1032408, о тЛ и чающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен расположенным с другой стороны жидкокристаллической пленки слоем поглотителя ультразвука, выполненным -® Диз материала . с коэффициентом поглощения ультразвука большим, чем у газа, в котором распространяется ультразвук, и головным сопротивлением, близким к волновому сопротивлению газ а. 2.Визуализатор по п. 1, отличаю йен тем, что, слой поглотителя представляет собой заполненную газ ом кювету, дно которой выполнено из звукопрозрачной пленки. 3.Визуализатор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что кювета выполнена с возможностью изменения ее высоты, 4.Визуалиэатор по п. 1, отличающийся тем, что слой погло (g тителя ультразвука выполнен из тка-, СО ни типа сукна. CZ