Фокусирующее ультразвуковое устройство Советский патент 1992 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии, например, в качестве универсальной головки дефектоскопа, предназначенного для контроля изделий, конструкций машин, имеющих фигурную форму поверхности.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия излучателя и точности) фокусировки (локальности) за счет того, что устройство снабжено протектором, обеспечивающим выход фокусируемого ультразвукового излучения без преломления и отражения при перемещении точки фокуса вдоль оси за счет механического осевого перемещения концентратора.

Устройство состоит (фиг.1) из протектора 1 с четвертьволновым слоем 4, концентратора 3, подвижного штока 12, цилиндрического баллона 7, уплотнения 8. болта 9, узла фиксации штока 11 с уплотнителем 10, контактной жидкости 6, электронного блока 13, коаксиального кабеля 14. Протектор 1 выполнен из материала с акустическим волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению контролируемого изделия 2, и изготовлен в виде мениска, при этом наружная поверхность его повторяет форму контролируемого изделия, а внутренняя покрытая четвертьволновым слоем 4, может быть конгруэнтна поверхности концентратора 3 (фиг.1 и 2) или иметь большую кривизну, чем концентратор (фиг.З). Протектор выполнен съемным и плотно устанавливается в нижней части цилиндрического баллона 7 с помощью уплотнения 8 по принципу пробки. Концентратор 3 устанавливается в нижней части подвижного штока 12 соосно с ним. Узлом фиксации штока 10 с помощью гайки 11, а также внутренними стенками баллона 7 обеспечивается соосность концентратора 3 и протектора. Гайка 11 регулирует степень подвижности штока и сальника 10, обеспечивающего герметичность баллона при движении штока. Болт 9 служит для обеспечения герметизации баллона после его заполнения контактной жидкостью 6. Это может быть вода, трансформаторное масло и т.д. Электронный блок 13 предназначен для подачи сгенерированных

колебаний ультразвуковой частоты на пластину концентратора 3 и усиления принятых отраженных сигналов, а также для анализа совокупной картины этих импульсов. Концентратор 3 выполнен, например, из пьезокерамики ЦТС-19. Он служит как для изучения, так и для приема отраженных ультразвуковых зондирующих импульсов. Концентратор подсоединяется к электронному блоку коаксиальным кабелем 14,

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем концентратор и протектор, последний выполнен съемным и в зависимости от функциональной задачи конструктивно различным, а концентратор

закреплен на подвижном штоке. Протектор съюстирован с концентратором и выполнен в виде мениска из материала с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению одного из ряда конструкционных

наиболее часто используемых в промышленности материалов: например из алюминия, титана, железа, меди. При этом поверхность протектора (мениска), обращенная к излучателю, покрыта четвертьволновым согласующим слоем и имеет кривизну поверхности, обеспечивающую перпендикулярное падение лучей (фиг.2 и 3). Акустическое волновое сопротивление четвертьволнового слоя выбираем Z, рааным

Z fzTz7,(1)

где Zi - акустическое волновое сопротивление мениска-протектора;

Za - акустическое волновое сопротивление среды между концентратором и протектором.

Согласующее покрытие мениска может быть выполнено многослойным. Для расчета многослойных просветляющих покрытий

используют известное выражение:

(Z2- Zv -Za n in.

TJT.iI2)

Z (

Zi -Z3rгде n 1,2.32(F-2h)/A

Zi , Za .... акустическое сопротивление материалов, из которых выполнены отдельные слои покрытия;

Zx - общее акустическое сопротивление всего покрытия в целом;

Z - акустическое сопротивление среды, которую нужно согласовать со слоем Zi толщина отдельных слоев покрытия должна быть при этом равна (2п + 1) А/4, где А - длина волны в слое.

Внутренняя форма поверхности протектора конгруэнтна излучающей поверхности концентратора в том случае, когда протектор находится вблизи излучателя Si 1/2F и когда протектор имеет однослойное четвертьволновое покрытие или многослойное просветляющее покрытие по всей поверхности протектора. Это обеспе- чивает практически перпендикулярное падение ультразвуковой волны на границу раздела, как это показано на фиг.1 и 2. В случае, когда реализуется вертикальное перемещение излучателя вдоль оптической оси относительно протектора (перемещение фокального пятна), на расстоянии (F - hi) Si 1/2F следует применить многослойное согласующее покрытие так, как показано на фиг.З. Многослойное четвертьволновое со- гласующее покрытие с акустическим сопротивлением Zn каждого слоя формируется таким образом, что каждьг последующий слой укладывается вдоль оптической оси в виде стопы линз с одинаковым радиусом кривизны с обеспечением акустического контакта и имеет диаметр меньше предыдущего и толщину, отличающуюся от первого слоя на величину, кратную 1 /2А. Это позволяет получить иную кривизну (с меньшим радиусом fi) поверхности покрытия, обеспечивающую перпендикулярное падение лучей (фиг.З). Радиус fi новой кривизны поверхности связан с расстоянием между излучателем и протектором: fi (F - Si), где Sr расстояние между излучателем и протектором.

Наряду с этим, с целью расширения номенклатуры контролируемых или подвергающихся воздействию объектов протектор может быть выполнен из материала, характеризующегося переменной величиной акустического волнового сопротивления, например, из материала, обладающего АЕ- эффектом при помещении его в регулируе- мое постоянное магнитное поле; при этом, при выполнении условия (1) и (2), меняют акустическое волновое сопротивление контактной жидкости, например, путем изменения ее концентрации. На фиг 4 показан пример реализации устройства содержащего протектор, выполненный из материала, обладающего ДЕ-эффектом. Известно, что при помещении в регулируемое магнитное поле магнитострикционных материалов меняется их величина модуля Юнга, происходит уменьшение или увеличение этой величины. Это явление носит название ДЕ-эффекта. Величина модуля Юнга Е и скорость звука в материале С связаны соотношением . Из всего этого следует, что при изменении напряженности магнитного поля внутри протектора 1 при помощи катушки 16 происходит изменение величины акустического сопротивления Zi p С. В настоящее время известны материалы, обладающие величиной ДЕ-эффекта, достигающего сотен процентов.

На фиг.5 показан пример реализации протектора, выполненного жидкостным. Как согласующее четвертьволновое покрытие 4, так и тело мениска 1 выполнено в виде полостей, стенками которых могут служить тонкие акустопрозрачные пленки 17, 18 из полиэтилена. Полости заполняются жидкостью с тем, чтобы выполнялось условие (1), В качестве рабочей жидкости, заполняющей тело мениска 1, могут быть использованы концентрированные водные растворы некоторых солей, величина акустического волнового сопротивления которых достигает Zi 5,44 106 кг/м2«с. Это означает, что такие протекторы можно использовать при вводе сфокусированного ультразвукового пучка в пластмассы, а также биологические объекты. Тонкая пленка 18 (рис.5) нижней поверхностью мениска при этом позволяет обволакивать неровности объекта контроля, обеспечивая хороший акустический контакт.

Таким образом, показано, что использование в фокусирующем ультразвуковом устройстве вышеописанного съемного протектора позволяет значительно повысить качество фокусировки при вертикальном перемещении фокуса, максимально сконцентрировать ультразвуковой в фиксированной точке без потери энергии; перемещать фокус внутри исследуемого или подвергаемого воздействию объекта в несколько раз повысить КПД устройства резко повысить чувствитр ьногть и помехозащищенность устройства Ппагода- ря узкой концентрации энергии ;вольно просто и точно определить bv,r,ui i ты фокальной области в контрогчм),.1ртяли

Формула изобретения 1. Фокусирующее ультразвуковое устройство, содержащее ультразвуковой цилиндрический корпус и установленные в нем ультразвуковой концентратор, протектор и контактную жидкость,о тличающе- е с я тем, что, с целью повышения КПД устройства, поверхность протектора, обращенная к концентратору, выполнена конгруэнтной, а другая - заданной формы, на поверхности протектора, обращенной к концентратору, выполнено согласующее покрытие, толщина которого равна одной

6

Фиг

0

четверти длины волны ультразвука в материале протектора.

2.Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что ультразвуковой концентратор, выполнен с возможностью перемещения вдоль оси корпуса.

3.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что протектор выполнен жидкостным.

4.Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что протектор выполнен из материала с переменной величиной волнового сопротивления.

«7

Изобретение относится к области нараз- рушающего контроля и может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии для контроля конструкций, имеющих фигурную форму поверхности. Целью изобретения является повышение КПД устройства за счет улучшения фокусировки. Указанная цель осуществляется тем,что в известном фокусирующем устройстве, содержащем ультразвуковой цилиндрический корпус 7, установленные в нем ультразвуковой (у.з.) концентратор 3, протектор 1 и контактную