ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Полезная модель относится к области ультразвукового неразрушающего контроля, а именно к средствам определения текстурной анизотропии и напряженно-деформированного состояния листового проката.
Известен электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП) для измерения текстурной анизотропии и напряженно-деформированного состояния в толстостенных металлоконструкциях из ферромагнитных материалов, содержащий магнитную систему с Ш-образным поперечным сечением, катушки, выполненные в виде двух симметричных овальных лепестков с примыкающими друг к другу линейными участками, расположенными под центральным полюсом магнитной системы (патент RU 134658, МПК G01N 29/04, опубл. 20.11.2013). Это устройство позволяет измерять время распространения ультразвуковых колебаний и расчетным путем определять величину текстурной анизотропии, толщины и напряженно-деформированного состояния конструкций с использованием сдвиговых волн, горизонтально-поляризованных вдоль или поперек направления прокатки или приложенного усилия.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ЭМАП, содержащий магнитную систему с двумя компланарными разноименными полюсами, и плоскую, расположенную в параллельной полюсам плоскости на минимальном от них расстоянии катушку прямоугольной формы, в пределах площади удлиненной части витков которой лежат проекции полюсов на плоскость катушки, введена вторая плоская катушка прямоугольной формы, также расположенная в параллельной полюсам плоскости на минимальном от них и от первой катушки расстоянии. При этом часть площади удлиненных витков второй катушки расположена в пределах проекции одного из полюсов магнитной системы на плоскость катушки, другая часть площади витков второй катушки находится в пространстве между проекциями полюсов на плоскость второй катушки, а витки первой и второй катушек в пределах площади их удлиненной части взаимно перпендикулярны (RU 2334981, МПК G01N 29/24, опубл. 27.09.2008). Такое устройство позволяет одновременно определять напряженно-деформированное состояние и толщину конструкций и проката из черных и цветных металлов и сплавов за счет возбуждения и приема продольных и сдвиговых ультразвуковых колебаний с линейной поляризацией в локальной области объекта контроля.
Общим недостатком известных ЭМАП являются: сложность контроля проката малой толщины ввиду существенной мертвой зоны ЭМАП при работе в совмещенном режиме при прозвучивании в направлении толщины проката; недостаточная точность измерений на малой базе прозвучивания и при отклонениях по толщине листа; невысокая эффективность ЭМАП ввиду наличия технологических зазоров между магнитопроводом и объектом контроля, обусловленных введением в зазор нескольких катушек, а также недостаточным полем подмагничивания; невысокая чувствительность используемого типа волн к анизотропии упругих свойств, обусловленная чувствительностью только к модулю сдвига. Кроме того, на результат контроля оказывает влияние качество отражающей поверхности. Известные ЭМАП не позволяют оценить угловое распределение степени анизотропии в плоскости проката.
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эффективности ЭМАП, увеличение чувствительности, расширение функциональных возможностей устройства, повышение точности и достоверности результатов измерений, выполненных с его помощью.
Указанный технический результат достигается тем, что в электромагнитно-акустическом преобразователе, содержащем магнитную систему в виде электромагнита с расположенными у его полюсов плоских катушек, согласно предложению, магнитопровод электромагнита выполнен крестообразной формы, причем излучающие и приемные катушки расположены на разных полюсах магнитопровода и разделены электрически.
Катушки могут быть выполнены в виде меандра с шагом, определяемым типом излучаемой волны и условием максимальной чувствительности к анизотропии проката заданной толщины.
Полюсы электромагнита могут быть выполнены сужающимися в направлении рабочей поверхности либо дополнительно снабжены концентраторами магнитного потока.
Кроме того, устройство может быть дополнительно снабжено механизмом регулировки угла поворота в плоскости полюсов электромагнита.
Выполнение магнитопровода крестообразной формы позволяет разделить функции излучения и приема УЗ волн и разместить ультразвуковые излучатели и приемники на фиксированных базах, что позволяет: расширить функциональные возможности ЭМАП за счет контроля проката любой толщины за счет исключения мертвой зоны ЭМАП; повысить точность и достоверность контроля за счет введения фиксированной базы прозвучивания, существенно большей толщины проката и отстройки от отклонений по толщине листа и от качества противоположной поверхности.
Выполнение катушек в виде меандра с шагом, определяемым типом излучаемой волны и условием максимальной чувствительности к анизотропии проката заданной толщины, повышает чувствительность к анизотропии упругих свойств за счет выбора симметричных или антисимметричных типов волны Лэмба, скорость которых определяется упругими модулями сдвига и Юнга, и имеет максимальную чувствительность к анизотропии свойств проката заданной толщины.
Выполнение магнитной системы с сужающимися полюсами в направлении рабочей поверхности либо применение концентраторов магнитного потока позволяет увеличить плотность магнитного Потока в полюсах магнитной системы, и соответственно, повысить эффективность преобразователя, а применение механизма регулировки угла поворота в плоскости полюсов электромагнита позволяет дополнительно расширить функциональные возможности преобразователя за счет возможности оценки углового распределения степени анизотропии в плоскости проката.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вид сбоку преобразователя на основе электромагнита с крестообразным магнитопроводом; на фиг. 2 - вид преобразователя снизу; на фиг. 3 - распределение магнитного поля в системе «преобразователь-объект контроля»; на фиг. 4 - чувствительность N скорости волн Лэмба к изменению упругих модулей среды.
Электромагнитно-акустический преобразователь содержит магнитную систему в виде электромагнита, состоящего из магнитопровода 1 крестообразной формы (фиг. 1, 2) и катушек 2, расположенных на каждом из четырех плеч магнитопровода. У каждого из полюсов магнитопровода расположены плоские катушки 3, 4, 5 и 6. Электромагнит работает от источника постоянного или импульсного возбуждения (на фигурах не показан). Катушки 3-6 выполнены в виде меандра прямоугольной формы, каждая из которых может возбуждать в контролируемом изделии 7 или принимать акустические импульсы. В зависимости от шага меандра могут возбуждаться (приниматься) волны Лэмба различных типов, tH-волна или волна Релея в зависимости от толщины проката, рабочей частоты и требуемой чувствительности к анизотропии упругих свойств.
Полюсы магнитопровода 1 могут быть выполнены сужающимися в направлении рабочей поверхности (фиг. 1-3) или снабжены концентраторами магнитного потока (на фигурах не показаны).
Устройство может быть дополнительно снабжено механизмом регулировки угла поворота в плоскости, параллельной поверхности контролируемого изделия (на фигурах не показан).
Электромагнитно-акустический преобразователь работает следующим образом. После установки преобразователя на объект контроля 7 (фиг. 1, 2), например, изделие после прокатки, и подачи электрического тока на катушки 2 электромагнита 1 происходит последовательное циркулярное намагничивание плеч конструкции, соответствующих продольному и поперечному направлению проката, в приповерхностном слое контролируемого изделия под полюсами магнитной системы формируется магнитное поле с преобладающей нормальной составляющей (фиг. 3). На плоские катушки 3, 5 (фиг. 2) подаются последовательно импульсы высокочастотных колебаний. В поверхностном слое изделия под всеми полюсами электромагнита формируются области с высокой линейной плотностью вихревых токов. Взаимодействие наведенных вихревых токов катушки с магнитным полем приводит к генерации ультразвуковой волны заданного типа. Импульсы упругих волн, возбужденных катушками 3, 5, распространяются вдоль листа в продольном и поперечном направлениях, и принимаются катушками 4, 6, расположенными под магнитной системой на известном фиксированном расстоянии от возбуждающих катушек вдоль оси магнитопровода. Прием происходит за счет обратного электромагнитно-акустического преобразования, т.е. преобразования акустических колебаний металла, находящегося в постоянном магнитном поле, в электрические сигналы. В зависимости от шага меандра могут возбуждаться (приниматься) волны Лэмба различных типов, tH-волна или волна Релея в зависимости от толщины проката, рабочей частоты и требуемой чувствительности к анизотропии упругих свойств.
SH0
SH0
S0
S1
A1
Фиг. 4 йллюстрирует зависимости чувствительности N к изменению упругих модулей скоростей симметричных (S0, S1) антисимметричных (А0, А1) и tH-волн первых двух порядков от произведения fh (f - частота, h - толщина пластины). Под чувствительностью понимается абсолютное изменение групповой скорости волны при изменении на 1% модулей упругости Е и G. Из фиг. 4 следует, что для волны tH нулевого порядка, традиционно используемой при оценке акустической анизотропии, наблюдается равномерная чувствительность, составляющая N=16 м/с на 1% изменения упругих свойств. В то же время для симметричных мод S0 и S1, а также для антисимметричной моды А1 имеется некоторая область значений произведения fh, при которой чувствительность скорости к изменению упругих модулей максимальна и в несколько раз превосходит N: N=78 м/с; N=82 м/с; N=42 м/с. Таким образом, грамотный выбор частотного диапазона для проката данной толщины позволяет обеспечить максимальную чувствительность выбранной моды волны Лэмба к анизотропии акустических свойств и повысить точность оценки фактора анизотропии.
Далее фиксируют время распространения акустических сигналов двух волн, прошедших фиксированное расстояние вдоль и поперек направления прокатки, по соотношению которых оценивают коэффициент анизотропии проката, а по известным корреляционным зависимостям между коэффициентом анизотропии и пределом прочности и текучести оценивают механические характеристики листа.
По измеренному времени распространения акустических сигналов при известной базе прозвучивания могут быть определены абсолютные значения скоростей распространения волн различных типов и при помощи известных методик получена информация о напряжениях, текстуре, пределе прочности и пределе текучести, других механических характеристиках материала.
Изменение угла поворота устройства позволяет оценить угловое распределения степени анизотропии в плоскости проката.