Устройство для ультразвукового контроля Советский патент 1992 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано в дефектоскопии и медицинской диагностике.

Известен приемный зонд для ультразвукового контроля 1. Зонд содержит источник ультразвуковой энергии и соосную с ним линзу, а также электрически связанную с источником электронную систему управления генерированием и фокусированием ультразвуковых сигналов. Источник выполнен в виде соосно расположенных на разномрасстоянии от линзы преобразователей, путем электронной коммутации которых в процессе ультразвукового контроля осуществляется фокусирование зонда на разную глубину. Однако устройство содержит сложную систему коммутации, запоминания и детектирования сигнала. Кроме того, с помощью этого устройства осуществляется дискретное перемещение точки фокуса, что ведет к некоторой потере информации, а также позволяет осуществлять фокусирование только вдоль оси линзы.

Самым близким к заявляемому устройству является устройство, реализующее способ управления фокусным расстоянием

XI 00

со

4

Ј

линзы 2. Устройство содержит: источник ультразвуковой энергии, электрически связанный с ним ультразвуковой генератор, акустическую линзу, образованную тонкостенной жесткой оболочкой, заполненную жидким кристаллом и помещенную внутрь магнитной катушки, являющейся источником регулируемого магнитного поля; а также блок управления. Акустическая линза, магнитная катушка и блок управления взаи- мосвязаны между собой и представляют за- кончёнкый функциональный узел, предназначенный для формирования фокусного расстояния, а также перемещения точки фокуса за счет изменения скорости звука в линзе с помощью регулируемого магнитного поля. Однако акустическая линза с жестко заданной кривизной поверхностей имеет точки фокусов, расположенные только вдоль оптической оси.Наряду с этим описываемое устройство при достижении даже больших величин магнитного поля в линзе (до-1 кЭ) не осуществляет перемещение точки фокуса более чем на 3 см. Кроме того, при расположении акустической лин- зы, как это указано в прототипе, внутри незамкнутого магнитопровода наблюдается сильная неравномерность распределения линий магнитного поля внутри объема линзы. Это значительно усложняет определе- ние характеристик акустического поля и, как следствие, затрудняет точное определение места фокуса.

Цель изобретения - повышение качества контроля и формирование различной зо- ны фокусировки.

Поставленная цель достигается, тем, что устройство для ультразвукового контроля снабжено контактной акустичесой призмой в виде цилиндра со скошенными плоскостями, расположенными под углом к его оси оппозитно друг к другу, формирователь фокусного расстояния выполнен в виде не менее одной пары магнитострикционных волноводов с намотанными на них катушка- ми, электрически связанных с источником магнитного поля и установленных на скошенных плоскостях контактной акустической призмы, источник акустического излучения выполнен в виде не менее одной пары преобразователей по числу волноводов, установленных на соответствующих волноводах через контактные втулки, контроль положения точки фокуса осуществляют с помощью магнитометров по числу магни- тострикционных волноводов, установленных на соответствующих волноводах на границах раздела магнитопровод - контактная призма.

На чертеже представлена схема устройства,

Устройство состоит из источников ультразвуковой энергии 1,2с контактными втулками 3, 4; электрически связанного с источниками ультразвукового генератора 5; формирователя фокусного расстояния, включающего: контактную цилиндрическую призму б, волноводы 7, 8, выполненные из магнитострикционного материала, с намотанными на них катушками 9.10, источника регулируемого постоянного магнитного поля 11, электронный блок 12 и блок управления 13; магнитометров 14, 15.

Чтобы уменьшить размагничивающий, фактор, магнитострикционные волноводы 7, 8 имеют замкнутую форму. Величина магнитного поля рассчитывается по формуле:

Н

NI

где N - число витков обмотки, охватывающих сердечник волновода;

I - ток;

L - длина средней линии сердечника.

В качестве магнитострикционного материала для волноводов целесообразно применять магнитомягкие мятериалы, обладающие большим ДЕ- эффектом. Такими материалами могут быть: пермендюр (сплав 50-КФ), аморфные металлические сплавы (величина АЕ- эффекта достигает сотен процентов) и др.

Ультразвуковые пучки 16, 17, распространяющиеся по волноводам 7, 8, претерпе ; вают преломление на границах раздела S, S волноводы-призма б. Преломление происходит из-за разностй скоростей распространения ультразвука в волноводах 7, 8 и в контактной призме 6. Для простоты рассмотрим случай симметрично расположенных относительно оси OOi, двух одинаковых волноводов . Скошенные контактные поверхности S, S обеспечивают падение ультразвукового пучка на границу раздела под углом i к нормали от поверхности S для волновода 7 и под углом (-I) к нормали от поверхности для волновода 8, соответственно (далее будем рассматривать углы преломлений для ультразвукового пучка 16, подразумевая знак минус для симметрично распространяющегося пучка 17).

Согласно закону Снелиуса:

sin i sin «i

0)

где I - угол падения ультразвукового пучка на границу раздела сред;

а - первый угол преломления пучка;

с - скорость распространения звука в волноводе;

С1 - скорость распространения звука в контактной призме 6.

Фокальная точка В получается как результат интерференции двух синхфазных ультразвуковых пучков 19.

Формирователь фокусного расстояния работает следующим образом, На границе раздела (поверхность Si) контактной призмы 6 и исследуемой детали 18 ультразвуковой пучок 19 претерпевает второе преломление и распространяется уже под углом /5i. Для этого случае справедливо:

sin a

(2)

где «1 - угол падения ультразвукового пучка на исследуемую деталь 18;

- второй угол преломления;

с1 - скорость распространения звука в контактной призме;

с - скорость распространения звука в исследуемом материале.

«примеру, при изменении напряженности магнитного поля в пределах от ,1Э до величина модуля Юнга для сплава 50 КФ меняется до 20% 2 от первоначального значения. При этом скорость звука меняется до 10%. В этих же пределах, как это видно из выражения (3), меняются и углы преломления #1, 02, 03 и /fi/fc, /Зз.

Два симметрично распространяющиеся пучка 8 фокусируются в точке В (на фиг. 1 показан случай, когда фокальная точка находится на поверхности объекта контроля 18). При одинаковом изменении величины напряженности магнитного поля в волноводах 7,8 в пределах Н0-Нтах фокальная точка будет смещаться вдоль оси по прямой BED. Если в волноводе 7 установить поле Н0, а в волноводе 8 менять величину поля в пределах Но-Нтах, то фокальная точка будет смещаться вдоль прямой АВ. При установлении в волноводе 7 поля Н0 и при изменении величины поля в волноводе 8 в пределах Но-Нщах фокальная точка будет смещаться вдоль прямой CD. To же самое справедливо и для симметричного случая, когда в волноводе 8 сначала устанавливается поле, затем - Нтах, при этом в волноводе 7 величина поля меняется от Н0 до Нтах. Тогда фокальная точка будет сначала смещаться вдоль прямой ВС, затем - AD. Вполне ясно, что любая другая комбинация полей в пределах

Но-Нтах для волноводов 7,8 вызовет сканирование фокальной точки внутри замкнутой области ABCD. Это и есть область сканирования 20.

Устройство позволяет также автоматически контролировать формируемое фокусное расстояние. С этой целью в состав устройства включены специальные магнитометры 15, 14, блок электроники 12 и блок

0 управления 13. Магнитометры измеряют напряженность магнитного поля Н в волноводах на границе раздела волновод- контактная призма. В качестве их могут быть использованы датчики Холла. По изве5 стным значениям Н в блоке управления 13 производится вычисление скоростей звука в сердечниках волноводов 3, а по ним согласно выражениям (1) и (2) определяются углы преломления ультразвуковых пучков, а

0 далее - геометрически вычисляется место положения фокальной точки. Углы преломления определяются в электронном блоке 12, на вход которых поступают сигналы с магнитометров 15, 14, С выхода блока 12

5 напряжение, соответствующее углу преломления, подается на вход блока управления. Блок управления 13 содержит ЭВМ, с помощью которой производится вычисление координат точки фокуса. Программа ЭВМ

0 включает задание матричного пространства, определяющего зависимость скорости звука в волноводе от напряженности магнитного поля. Блок управления 13 позволяет также:

5 - программно или с помощью команд управления оператора изменять скорость изменения углов путем регулировки скорости нарастания величины напряженности магнитного поля;

0 - менять пределы области сканирования путем изменения ограничения пределов регулирования магнитного поля;

- изменять параметры ультразвуковых пучков 16, 17 (амплитуду, частоту).

5Блок 12 является также блоком сопряжения ЭВМ с внешними устройствами (адаптер). Внешними устройствами ЭВМ являются магнитометры 14, 15 и источник регулируемого магнитного поля 11. Через

0 электронный блок 12 блок управления 13 управляет работой источника регулируемого магнитного поля 11, который с помощью катушек 9,10 меняет величину напряженности магнитного поля Н в волноводах 7, 8.

5 Это, в конечном счете, приводит к перемещению фокальной точки внутри области сканирования 20, т.е. происходит управление сканированием фокальной точки.

Контактные втулки 3,4 служат для передачи ультразвуковой энергии от пьезопластины к волноводам 7, 8, а также они служат для ослабления влияния магнитных полей в волноводах на работу пьезопластины. В качестве источников ультразвуковой энергии могут применяться и электрические обмотки, охватывающие эти же сердечники волноводов.

Контактная призма 6, а также волноводы 7, 8 имеют такую конструкцию, углы падения i и преломления ft, а также размеры и взаимное расположение и количества контактных поверхностей S, Si, чтобы получить необходимую область сканирования.

Описанное стройство изготовлено в лаборатории прикладного магнетизма ИФМ УрО АН СССР и в настоящее время проходит наработку на сканирвоание в различных материалах.

Таким орбразом, по сравнению с заявляемым прототипом, устройство имеет следующие преимущества:

1.Устройство может быть сфокусировано не только вдоль оси, но и по заданной области.

2.Формирователь фокусного расстояния имеет значительно меньшие габариты, обусловленные тем, что для реализации сканирования требуются небольшие величины магнитных полей, примерно, в 50 раз меньше, чем-в прототипе 2,

3.Устройство содержит узел контроля за положением точки фокуса. Это существенно повышает качество и точность сканирования.

4, Устройство не содержит жидких сред, что упрощает его и расширяет область его применения.

Формула изобретения

1. Устройство для ультразвукового контроля, содержащее источник ультразвуковой энергии, электрически связанный с ним ультразвуковой генератор, связанные между собой формирователь фокусного расстояния, источник регулируемого постоянного магнитного поля, блок управления, отличающееся тем, что, с целью повышения качества контроля и формирования различной зоны фокусировки, оно снабжено контактной акустической призмой в виде цилиндра со скошенными плоскостями, расположенными под углом к его оси одна оп- позитно другой, формирователь фокусного расстояния выполнен в виде не менее одной.

пары магнитострикционных волноводов с намотанными на них катушками, электрически связанных с источником магнитного поля и установленных на скошенных плоскостях контактной акустической призмы, источник ультразвуковой энергии выполнен в виде не менее одной пары преобразователей по числу волноводов, установленных на соответствующих волноводах через контактные втулки,

2. Устройство по п. 1,отличающе-е ся тем, что оно снабжено магнитомерами по числу магнитострикционных волноводов, установленными на соответствующих волноводах на границах раздела магнитолровод - контактная призма.

1L

2 Ч

/6

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано в дефектоскопии и медицинской диагностике. Цель изобретения - повышение качества контроля и формирование различной зоны фокусировки. Цель достигается за счет того, что устройство для ультразвукового контроля, содержащее источник ультразвуковой энергии, электрически связанный с ним ультразвуковой генератор, связанные между собой формирователь фокусного расстояния, источник регулируемого постоянного магнитного поля, блок управления,снабже- но контактной акустической призмой в виде цилиндра со скошенными плоскостями, расположенными под углом к его оси оппозит- но друг другу, причем формирователь фокусного расстояния выполнен в виде не менее одной пары магнитострикционных волноводов с намотанными на них катушками, электрически связанных с источником магнитного поля и установленных на скошенных плоскостях контактной акустической призмы, а источник ультразвуковой энергии выполнен в виде не менее одной пары преобразователей по числу волноводов, установленных на соответствующих волноводах через контактные втутткя: Кроме того, устройство снабжено магнитометрами по числу магнитострикционных волноводов, установленными на соответствующих волноводах на границах раздела магнитопро- вод - контактная призма. 1 с, и 1 з. п. ф-лы, 1 ил. (Л С