Образец для измерения параметров наклонного ультразвукового преобразователя Советский патент 1992 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к ультразвуковой дефектоскопии и позволяет производить проверку волновых параметров ультразвуковых преобразователей дефектоскопов в процессе промышленного контроля качества материалов и изделий.

Известен образец для измерения п.эраметров наклонного ультразвукового преобразоватбля, выполненный в виде имеющего плоские грани твердого тела с расположенными в нем отражателями, выходящими на одну из плоских граней.

Известный образец сложен в изготовлении и метрологической аттестации, что уве личивает погрешность измерения. Кроме того, для каждого преобразователя необходимо использовать индивидуальные образцы, что ограничивает их технологические возможности.

Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение технологических возможностей образца.

Для достижения указанной цели в образце для измерения параметров наклонного ультразвукового преобразователя, выполненном в виде имеющего плоские грани твердого тела с расположенными в нем отражателями, выходящими на одну из плоских граней, твердое тело имеет форму тела вращения, состоящего из сопряженных между собой основаниями соосных усеченного конуса и цилиндра, плоской гранью, на которую выходят отражатели, служит малое основание усеченного конуса, отражатели выполнены в виде цилиндрических каналов

равного диаметра, каждый из которых параллелен оси вращения усеченного койуса, и расположенных симметрично указанной оси, а рабочими поверхностями слуЖат коническая и цилиндрическая поверхности.

При этом тело вр1ащения, состоящее из сопряженных между собой усеченного конуса и цилиндра, может быть дополнено еще одним усеченным конусом, сопряжённым большим основанием со свободным основакием цилиндра. Угол наклона образующей одного из усеченных конусов к его основанию может быть равен углу ввода колебаний преобразователя.

Ни фиг. 1 изображен предлагаемый образец: на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

образец выполнен в виде имеющего плоские грани 1 и 2 твердого тела 3 с расположенными в нем отражателями 4 и5 (в виде цилиндрических каналов), выходящими на одну из плоских граней 1. Твердое тело 3 состоит из сопряжённых между со|5ой основаниями усеченного конуса б и цил|йн1дра 7 и имеющего с ними общую ось 8 дополнительного усеченного конуса 9, сопряженного большим основанием со свободным основанием JL илиндpa 7.

Нб фиг. 1 показано возможное расположение преобразователей 10-13 на боковых йЬверхноСтях образца при перемещении их по окружности вокруг оси 8 и направления распространения лучей 14-17 ультразвуко вой волны для преобразователей в соответствующих позициях.

На фиг. 2 обозначены: преобразователь 18, рабочая поверхность 19 преобр азователя (показано для притертого преобразова.теля), боковая поверхность 20 образца, точка 21 механического контакта рабочей поверхности 19 с боковой поверхностью 20, мениск 22 акустического контакта преобразователя с образцом, образованный, например, жидкой пленкой или зластичным легкодеформируемым, резинопбдобным материалом, способным к взаимодействию типа адгезии (прилипания) к рабочей поверхности преобразователя и образца. Кромеtoro, на фиг. 2 обозначены: X-ширина преобразователя 18 (поперек плоскости ввода ультразвука), Y - ширина мениска 22. Продольная ось мениска 22 контактного материала проходит через точку 21 перпендикулярно плоскости фиг. 2.

Через а, «i и as обозначены углы ввода ультразвука (углы преломления) для преобразователей 10-12 соответствен но, у - у/ол скольжения ультразвукового луча 15 преобразователя 13 по отношению к основанию 1 Сугол падения, отсчитываемый от нормали.

равен ), - угол между проекцией 23 луча 15 на основание 1 и базовой линией 24, лежащей в плоскости основания и проходящей через ось 8 симметрии перпендикулярно линии 25 симметрии, проходящей через центры отражателей на основании 1 (расстояние между центрами равно 2а).

Измерение длины волны ультразвукового сигнала основывается на интерференции отражений, формирующих суммарный сигнал и распространяющихся по разным путям от места ввода волны (из преобразователя в образец) до отражения (отверстия в образце) и обратно. Разность полных путей примерно равна удвоенной разности длины двух лучей от места ввода до места отражения, соответствующего одной и другой поверхностям отражателей.

Из геометрического построения на фиг. 1 и теоремы косинусов-следует, что Я1(большеё из расстояний от преобразователя 13. До углового отражателя, образованного каналом 4 и основанием 1, показано пунктиром) определяется формулой

cosyRi VR2 +3 -h2aR sln . (1)

где R - расстояние отпреобразователя 12 до трчки пересечения оси 8 и основания 1. Аналогично меньшее из расстояний (до канала 5 вдоль пунктира) Определяется формулой

cos у R2 V R2 + а -2aR sin -(2)

Разность хода ультразвука (туда и обратно), согласно изложенному, равна (для R а) в первом приближении

4aR stn у

A 2(Rt-R:z)i

cos у cosy

UUO /I.UO t

(3)

при перемещении (бкан-ировании) преобразователя 13 по окружности, лежащей на поверхности конуса б и охватывающей ось 3, меняются угол и, соответственно, разность хода А.Когда она составляет половину длины волны А/2, амплитуда суммарного сигнала минимальна.

Для измерений достаточно определить углы ( соответствующие, например, смещению преобразователя 13 по часовой и против часовой стрелки от положения р Ч), соответсгвующего максимуму сигнала (синфазность). Согласно формуле (3) при этом

sitr(

).(4) Эта формула пригодна для всех положений преобразователей 10-13, если под R понимать среднее расстояние от соответствующей точки ввода ультразвука на боковой поверхности образца до места отражения ультразвука от цилиндрических поверхностей. Например, если преобразователь 12 расположен на цилиндрической поверхности 7 таким образом, что луч перпендикулярен оси 8, то в записанной формуле , Основная погрешность в определении длины волны таким способом вносится изза неопределенности расстояния R, вмзываемого неопределенностью точки ввода ультразвука на поверхности контакта преобразователя и образца, так как эта точка зависит от многих факторов, в том числе.от случайных неоднородностей на площадке контакта. Уменьшению указанной погрешности служит обеспечение механического соприкосновения рабочей поверхности 19 преобразователя с боковой поверхностью 20 образца в точке 21 (для сферической поверхности) или по линии касания рабочей плоской или цилиндрической (притертой) поверхности преобразователя цилиндрической или конической поверхности образца. Минимальная величина площадки акустического контакта может быть весьма малой, но не равной нулю, что связано с необходимостью иметь достаточную амплитуду волн в образце. Ввиду неточности контакта образца и преобразователя для каждого положения последнего имеется неопределенность дли ны пути ультразвука-до каждого отрёжателя. Она ориентировочно определяется согласно теореме Пифагора как разность гипотенузы и катета двух сторон треугольника. соответствующих максимальной и минимальной длинам лучей ультразвука (фиг. 1и2): R4«J1 (Лм имеется принципиальная возможность фиксации экстремумов с погрешностью Е (относительно длины волны), если указанная неопределенность ориентировочно (в относительных единицах) меньше Е: ; Например, для , длины волнЛ 2 мм. R SO/MM получаем ограничение размера X: XrVBERA . Обычно ширина серийных преобразователей Х-10-20 мм. позтому для получения погрешности измерений 10-20%, установленной ГОСТ, необходимо сужать площадку акустического контакта не менее чем в два раза(Е 50 -2 -0,). Практически достаточно, чтобы ширина (Y) площадки акустического контакта, создаваемого мениском 22. была больше 0.5 мм (0,2 длины волны) для ввода в стальной образец достаточной мощности упругих колебаний на частотах 1 МГц. Для обеспечения точности измерений волны ширина Y площадки должна быть ограничена условием Y 0,5Х. где X - ширина преобразователя. Практически приемлема для серийных преобразователей в диапазоне 1-5 МГц. например, ширина Y 0,5-3 мм, что достигается для преобразователей с плоской рабочей, а также скругленной (притертой) рабочей гранью с радиусом скругления более 50 мм при использовании стальных образцов с максимальным диаметром боковой поверх ности 100 мм (используется для преобразователей минимального радиуса скругления коническая боковая поверхность). Ширина Y площадки может быть ограничена, например, уменьшением количества жидкости, которую применяют для создания мениска 22 (дозируют размер капли, наносимой на образец), или использованием латексной п(эокладки заданного размера для создания мениска 22. или диафрагмированием с помощью непрозрачного экрана с отверстием, заполняемым контактным материалом. Повышение точности определения фактической частоты (и длины волны), излучаемой в контролируемый материал преобразователем, позволит уменьшить ошибки первого и второго рода, свойственные ультразвуковой дефектоскопии. Это повысит воспроизводимость данных, в частности, эксп;Г1уатационного периодического контроля металла и, соответственно, надежность и безопасность эксплуатации ответственного оборудования. Формула изобретения 1. Образец для измерения параметров наклонного ультразвукового преобразователя, выполненный в виде имеющего плоскме грани твердого тела с расположенными в нем отражателями, выходящими на одну из плоских граней, о т личающийс я тем. что, с целью повышения точности измерений и расширения технологических возможностей, твердое тело имеет форму тела вращения, состоящего из сопряженных между собой основаниями соосных усеченного конуса и цилиндра, .плоской гранью, на которую выходят отражатели, служит малое бснование ус рчанного ко нуса. отражатели выполнены в виде цилиндрических каналов равного диаметра, каждый из которых параллелен оси вращения усеченного конуса и расположенных симметрично указанной оси, а рабочими поверхностями служат коническая и 14илиндр ическая поверхности.

2. Образецпоп.1.отпи чающийся тем, что тело вращения, состоящее из сопряженных между собой усеченного конуса и цилиндра, дополнено еще одним усеченным конусом, сопряженным большим основанием со свободные основанием цилиндра.

3. Образец по п.2, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что угол наклона образующей одного из усеченных конусов к его основанию ра вен углу ввода колебаний преобразовате ля.

Изобретение относится к иеразрушаю- щему контролю и может быть использовано для измерения параметров наклонных преобразователей при ультразвуковой дефектоскопии. Целью изобретения является• , , '• , ?;.повышение точности измерений и расширение технологических возможностей образца. Для зтого в образце для измерения параметров наклонного ультразвукового преобразователя, выполненным в виде тела с плоскими гранями и отражателями, выходящими на одну из плоских граней, твердое тело выполнено в виде тела вращения, состоящего из сопряженных между собой основаниями соосных одного или Двух усеченных конусов и цилиндра, отражатели выходят на малое основание усеченного конуса, представляют собой цилиндрические каналы равного диаметра, каждый из которых параллелен оси -вращения усеченного конуса, и расположены симметрично указанной оси, а рабочими поверхностями служат конические и цилиндрическая поверхности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.СО

7

22 20

Фае. 2