Акустическая антенна и способ ее работы
ACOUSTIC ANTENNA AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретения относятся к области неразрушающего контроля и могут быть использованы для исследования технического состояния трубопроводов, контейнеров, емкостей, рельсов, бетонных стен и других изделий акустическим способом.
Известна акустическая антенна того же назначения, содержащая подложку, выполненную с возможностью закрепления на поверхности контролируемого объекта, прижимное устройство пьезопреобразователей для обеспечения сухого контакта пьезопреобразователей с поверхностью объекта и программно-аппаратный комплекс, электрически соединенный с пьезопреобразователями антенны. / Патент Китая 201322742, кл. G01N 29/14, 2009/.
Данное техническое решение принято за прототип антенны.
В прототипе для увеличения дальности зондирования контролируемого объекта акустическими волнами пьезопреобразователи выполнены только приемными, а передающий преобразователь выполнен магнитострикционным.
Недостатком прототипа является его сложность из-за наличия двух типов преобразователей (магнитострикционный и пьезоэлектрический) и недостаточная зона зондирования контролируемого объекта из-за отсутствия возможности использования свойств фазированной акустической решетки при работе в прототипе одного магнитострикционного передающего преобразователя.
Известен способ аналогичного назначения, заключающийся в закреплении на поверхности контролируемого объекта гибкой подложки и пьезопреобразователей с последующим формированием и электронным сканированием зондирующих лучей путем подачи на пьезопреобразователи антенны с программно-аппаратного комплекса электрических импульсов с модулированной во времени фазой, приеме отраженных от дефектов контролируемого объекта акустических импульсов той же акустической антенной с последующей обработкой принятых сигналов в программно-аппаратном комплексе, в результате которой определяют координаты и форму дефектов / Патент Франции №2796153, кл. G01N 29/26, G01N 29/34, G01N 29/38, 2001/.
Данный способ принят за прототип способа работы акустической антенны.
Недостатком прототипа способа является недостаточно большая зона зондирования контролируемого объекта из-за отсутствия высококачественного сухого контакта пьезопреобразователей с поверхностью объекта.
Техническим эффектом от применения акустической антенны является упрощение антенны за счет использования в ней одного типа пьезопреобразователей как для передачи, так и для приема зондирующих акустических волн, и увеличение зоны зондирования за счет повышения качества сухого контакта пьезопреобразователей с поверхностью объекта и возможности быстрого смещения антенны по поверхности объекта на новое место зондирования.
Техническим эффектом от применения способа является увеличение зоны зондирования контролируемого объекта за счет возможности фазирования пьезопреобразователей антенны как линейных и матричных акустических решеток.
В части акустической антенны данные технические результаты достигаются за счет того, что в акустической антенне с сухим точечным контактом пьезообразователей с поверхностью контролируемого объекта, содержащей подложку, выполненную с возможностью закрепления на поверхности контролируемого объекта, прижимное устройство пьезопреобразователей для обеспечения сухого контакта пьезопреобразователей с поверхностью объекта и программно-аппаратный комплекс, электрически соединенный с пьезопреобразователями антенны, подложка выполнена гибкой с параллельными пазами, а преобразователи объединены в несколько съемных модулей, установленных в эти пазы, и выполнены приемо-передающими, при этом прижимное устройство выполнено в виде магнитопроводов, установленных в съемных модулях пьезопреобразователей.
Пьезоэлектрические преобразователи в съемных модулях установлены в шахматном порядке.
Магнитопроводы установлены в съемных модулях между преобразователями в шахматном порядке.
Вокруг каждого преобразователя антенных решеток установлены защитные манжеты.
Для усиления сухого акустического контакта пьезоэлектрических преобразователей с наружной поверхностью трубопровода каждый из преобразователей антенных решеток выполнен подпружиненным.
Гибкая подложка с продольными пазами выполнена из винипласта, закрепляемого на трубопроводе с помощью магнитов.
В части способа данные технические результаты достигаются за счет того, что в известном способе работы акустической антенны, заключающемся в закреплении на поверхности контролируемого объекта гибкой подложки и пьезопреобразователей с последующим формированием и электронным сканированием зондирующих лучей путем подачи на пьезопреобразователи антенны с программно-аппаратного комплекса электрических импульсов с модулированной во времени фазой, приеме отраженных от дефектов контролируемого объекта акустических импульсов той же акустической антенной с последующей обработкой принятых сигналов в программно-аппаратном комплексе, в результате которой определяют координаты и форму дефектов, гибкую подложку выполняют с параллельным пазами, а пьезопреобразователи объединяют в съемные модули, установленные в пазы подложки и закрепляемые на поверхности контролируемого объекта, при этом пьезопреобразователи в съемных модулях фазируют как линейные и (или матричные) акустические решетки.
Аналогичные акустические исследования проводят в другом месте контролируемого объекта путем перемещения акустической антенны по поверхности объекта.
Изобретения поясняются чертежами. На фиг. 1 представлена общая схема антенны; на фиг. 2 - схема расположения антенны на поверхности объекта для исследования трубопровода; на фиг. 3 и 4 - схемы съемных модулей (виды сверху и сбоку); на фиг. 5 показаны временные диаграммы, поясняющие работу антенны, изображенной на фиг. 3.
Устройство и работа акустической антенны представлены на примере исследования дефектов трубопровода.
Антенна для обнаружения дефектов трубопровода содержит приемо-передающую акустическую систему, выполненную в виде пьезоэлектрических преобразователей, объединенных в съемные модули 1 антенных решеток (фиг. 1, 2), прикрепляемых к открытому участку трубопровода 2 с помощью прижимного устройства, описанного ниже, для обеспечения сухого акустического контакта пьезоэлектрических преобразователей с наружной поверхностью трубопровода 2.
Имеется также устройство позиционирования модулей 1 антенных решеток на трубопроводе 2, выполненное в виде гибкой подложки (пояса) 3 с пазами 4, направленными вдоль образующих трубопровода 2.
Антенные решетки, выполненные в виде съемных модулей (фиг. 3, 4), устанавливаемые в пазы 4 гибкой подложки (пояса) 3, прижимаются к поверхности трубопровода 2 с помощью магнитопроводов 5.
Для этой же цели (обеспечение необходимого усилия прижима) внутри корпуса 6 модуля 1 каждый пьезоэлектрический приемо-передающий преобразователь 7 (фиг. 3, 4) оснащен пружинным механизмом (на чертежах не показан).
Для предотвращения попадания влаги, пыли или грязи внутрь корпуса 6 модуля 1 вокруг каждого преобразователя 7 предусмотрена защитная манжета (на рисунках не показана).
Пьезоэлектрические преобразователи 7 в каждом съемном модуле 1 (фиг. 3, 4) установлены в шахматном порядке. Магнитопроводы 5 в съемных модулях 1 между пьезоэлектрическими преобразователями 7 также установлены в шахматном порядке.
Это позволяет усилить технический эффект за счет увеличения прижимающего усилия каждого пьезоэлектрического преобразователя в модуле к поверхности трубопровода 2 (фиг. 2).
Гибкая подложка в виде пояса 3 с пазами 4 может быть выполнена из винипласта, закрепляемого на трубопроводе 2 с помощью магнитов (на чертежах не приведены).
Таким образом, прижимным устройством для обеспечения акустического контакта пьезоэлектрических приемо-передающих преобразователей 7 с поверхностью трубопровода 2 служат магнитопроводы 5 и непоказанный на чертежах пружинный механизм внутри корпуса 6 модуля 1.
На чертежах обозначения х, у, z направлений представлены в декартовой системе координат.
Антенна также содержит модуль 8 коммутации для обеспечения совместно работы модулей 1 пьезоэлектрических преобразователей (фиг. 1), который подключается к управляющему компьютеру (не показан). Совместно с компьютером модуль 8 коммутации образуют программно-аппаратный комплекс для коммутации сигналов и интерпретации полученных данных.
Модуль 8 коммутации соединен с пьезоэлектрическими преобразователями 7 модулей 1 проводами 9. Каждый из преобразователей 7 механически контактирует с трубопроводом 2 через протекторы 10 (фиг. 3).
Под позицией 11 показаны электрические контакты пьезоэлектрических преобразователей 7.
Антенна работает следующим образом.
На боковой поверхности контролируемого трубопровода 2 с помощью магнитопроводов (не показаны) закрепляют гибкую подложку 3 с пазами 4 (фиг. 1). Затем в пазы 4 подложки 3 устанавливают модули 1 и закрепляют на трубопроводе 2 с помощью магнитопроводов 5 до обеспечения сухого акустического контакта пьезоэлектрических приемо-передающих преобразователей 7 с поверхностью трубопровода 2.
С помощью модуля 8 коммутации преобразователи 7 в отдельных съемных модулях 1 фазируют как линейные акустические решетки. В направлении X образующих трубопровода 2, при этом формируются суммарные акустические волны (фиг. 5а), усиленные в данном случае в 8 раз (по количеству приемопередающих преобразователей 7 в модуле 1).
Это суммирование наблюдается потому, что каждый из преобразователей 7 возбуждается в момент прихода акустической волны от предыдущего преобразователя по ходу волны (направление X).
При исследовании плоского объекта (например, днища резервуара) акустическая антенна, например, из нижних и верхних преобразователей 7 (фиг. 3, 5) фазируется как матричная акустическая решетка.
Преобразователи 7 в фазированной решетке в данном случае состоят из множества пьезоэлектрических элементов, которые могут активироваться не только последовательно, как в предыдущем случае, но и с задержкой во времени t (фиг. 5в).
Акустические поля от нескольких элементов (на фиг. 5б - нижних) накладываются друг на друга, формируя, так называемый, виртуальный датчик.
Таким образом, полученное акустическое поле и его направление 11 (фиг. 5в) можно перемещать (линейное сканирование) или вращать (секторное сканирование).
Прибор (фиг. 1, 2, 3, 4) позволяет генерировать как продольные, так и поперечные волны, расширяя возможности антенны, в части неразрушающей дефектоскопии.
Механическое перемещение антенны на другое место позволяет неограниченно расширять зону зондирования контролируемого объекта.
Таким образом достигаются поставленные технические результаты.