УЛЬТРАЗВУКОВОД

Полезная модель - ультразвуковод относится к устройствам и материалам, обеспечивающим акустическую связь между источником или приемником ультразвуковых (УЗ) колебаний и объектом контроля и может быть использована, в частности, в приборах для измерения толщин и в дефектоскопии.
При УЗ исследовании объектов с целью определения их размеров или обнаружения в них дефектов (фиг.1) между пьезоэлементом 1 и поверхностью объекта 2 обычно устанавливают ультразвуководы 3 - акустические призмы или цилиндры (в зарубежных источниках wedge - клины). Ультразвуководы решают следующие задачи:
1. Защищают пьезоэлемент от механических, температурных и других воздействий.
2. Обеспечивают требуемый угол ввода УЗ колебаний 4 в объект (наклонные ультразвуководы).
Ультразвуководы вносят ряд проблем в проведение измерений, поскольку обладают значительной температурной зависимостью затухания проводимых колебаний и скорости передачи УЗ колебаний.
Известно, что скорость распространения УЗ сигналов зависит от материала объекта.
Различие в скоростях распространения УЗ колебаний ультразвуковода и объекта контроля приводит к преломлению 5 и отражению 6 зондирующих УЗ сигналов на границе ультразвуковода 3 и объекта 2. [1] стр.39-42. Углы отражения и преломления подчиняются известному закону Снелиуса.
0
Известно [2], что с изменением температуры меняется скорость распространения УЗ сигналов в материалах. Для ее расчета обычно используется соотношение C=C(1+μΔt), где:
С - скорость распространения ультразвука при температуре t, м/сек;
0
С - скорость распространения ультразвука при начальной температуре, м/сек;
Δt - разность температур, °С;
μ - температурный градиент, который зачастую оказывается нелинейной функцией температуры.
При измерениях толщины знание скорости распространения УЗ колебаний в определяющей степени влияет на точность результата.
В дефектоскопии изменение скорости распространения УЗ колебаний меняет углы преломления УЗ сигналов, так, что схемы прозвучивания объектов [1], стр.51 оказываются нарушенными. Это приводит к тому, что зондирующий УЗ сигнал 4 меняет траекторию, фиг.1 и не попадает в приемник 7. При больших углах ввода УЗ колебаний (около 70°) [3], фиг.2 зондирующий сигнал 4 в результате преломления может трансформироваться в поверхностную волну 11 и перестать выполнять возложенную на него функцию.
Известно, что в металлах зависимость скорости распространения УЗ колебаний от температуры относительно невелика, а наибольшее влияние на результаты измерений оказывает разница температурной зависимости скорости распространения УЗ колебаний материала ультразвуковода и объекта контроля.
В [4] показаны пути получения ультразвуководов с малой температурной зависимостью скорости распространения УЗ сигналов. Простейшим путем является поиск материала с малым значением температурного градиента μ.
Отражение УЗ сигналов пьезоэлемента 1 от границы объект исследования 2 - ультразвуковод 3, приводит к тому, что в призме возникает реверберация - наложение излученных УЗ сигналов на отраженные 6, как от указанной границы, так и боковых поверхностей призмы 9. Такие отражения могут приводить к искажениям формы зондирующих импульсов,
накладываться на сигналы, отраженные от дефектов 12 (фиг.2) и существенно затруднять УЗ измерения в ближней зоне объекта исследования - зоне Френеля. Для борьбы с отражениями обычно используются различные конструктивные решения ультразвукопроводов: демпферы [5], [6], срезы на боковых гранях [7], жидкие демпферы и пористые гранулы [8], обеспечивающие, кроме того, температурную компенсацию, специальные формы призм с ловушками и многие другие приемы.
Известно [9], [10], что в качестве ультразвуковода часто используется оргстекло.
Оргстекло - материал, имеющий высокое затухание ультразвука, сильную зависимость скорости распространения УЗ колебаний от температуры и низкие механические свойства.
Известен ультразвуковод [11], где в качестве материала звукопровода используется полимерный материал - полиимид. Полиимид имеет в 3,5-3,7 раз меньшее затухание УЗ колебаний по сравнению с оргстеклом, имеет высокие механические свойства, хорошую смачиваемость, стабильные размеры в широком диапазоне температур.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является [12], в котором в качестве ультразвуковода используется полиэфирэфиркетон (polyetheretherketone или PEEK). Этот материал отличает широкий диапазон рабочих температур, высокая механическая прочность, жесткость и твердость, хорошие характеристики по износу и трению, стабильность размеров.
Недостатком чистого полиэфирэфиркетона является существенная зависимость характеристик передачи УЗ колебаний от температуры.
Кроме того, все перечисленные материалы ультразвуководов обладают изотропными свойствами, что не позволяет снизить интенсивность реверберационных шумов.
Таким образом, задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является подбор материала ультразвуковода, обладающего
термостабильными параметрами в части затухания и скорости звука, а также имеющего собственные демпфирующие свойства по отношению к реверберационным взаимодействиям.
Для решения поставленной задачи в ультразвуковод, выполненный из полиэфирэфиркетона (PEEK), введен наполнитель из минеральных волокон, ориентированных в направлении передачи ультразвуковых колебаний. В качестве такого материала может использоваться, например, PEEK GF-30 [13].
Существенными отличиями заявляемой полезной модели являются:
Использование наполнителя из минеральных волокон повышает температурную стабильность параметров ультразвуковода.
В прототипе не используется наполнитель.
Ориентация ультразвуковода в направлении передачи ультразвуковых колебаний позволяет получить анизотропный ультразвуковод, гасящий УЗ колебания, не совпадающие с направлением излучения.
В прототипе ультразвуковод имеет изотропные характеристики.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы
Фиг.1. Схема распространения УЗ колебаний с небольшим углом ввода, где:
1. Излучающий пьезоэлемент.
2. Объект исследования.
3. Ультразвуковод.
4. УЗ зондирующий сигнал.
5. УЗ зондирующий сигнал после преломления.
6. Отраженный зондирующий сигнал.
7. Приемный пьезоэлемент.
8. УЗ сигнал искаженный по направлению.
9. УЗ сигнал, отраженный от стенок ультразвуковода.
10. Наполнитель из минеральных волокон.
Фиг.2 - Схема распространения УЗ колебаний с большим углом ввода, где
11. Поверхностная волна.
12. Дефект.
Теоретически свойства материала ультразвуковода описаны в [14]. Экспериментальные исследования полиэфирэфиркетона с наполнителем из стеклянных волокон в качестве минерального наполнителя показали, что такой материал ультразвуковода, сохраняя высокие механическую прочность, жесткость и твердость в широком диапазоне температур, очень высокие характеристики по износу и трению, стабильность размеров, имеет существенно меньшую температурную зависимость характеристик передачи УЗ колебаний.
Так изменение затухания в полиэфирэфиркетоне с наполнителем из стеклянных волокон оказалось на 8 дБ (в 2,5 раза) меньше чем в оргстекле и немного меньше, чем в чистом полиэфирэфиркетоне.
Исследование зависимости скорости распространения УЗ колебаний в диапазоне -40°С÷+50°С показало, что в полиэфирэфиркетоне с наполнителем из минеральных волокон это изменение составляет 3%, а в чистом полиэфирэфиркетоне - 5%.
Разница в затухании ультазуковода вдоль и поперек минеральных волокон составляет 4-6 дб (1,5-2 раза).
Действие ультразвуковода заключается в следующем. УЗ зондирующий сигнал 4, излученный преобразователем 1, поступает в ультразвуковод 3 в направлении, соответствующем направлению минеральных волокон и с малым затуханием доходит до границы объекта исследования 2. В этом месте возникает преломление и отражение. Преломленный УЗ сигнал 5 имеет постоянный угол ввода, благодаря стабильности характеристик ультразвуковода. Отраженные сигналы 6 и 9 направлены частично поперек волокон минерального наполнителя и демпфируются. Степень демпфирования зависит от угла ввода УЗ колебаний.
При вводе УЗ сигналов в объект 2 под большими углами, фиг.2, преломленный сигнал 5 остается в пределах объекта исследования в широком диапазоне температур, благодаря повышенным термостабильным свойствам материала звуковода. Если для УЗ зондирования используется приемо-передающий пьезоэлемент, то сигнал, зеркально отраженный от дефекта 12 и двигающейся по той же траектории 5 - 4, но в обратном направлении, может совпасть по времени с сигналом 6, отраженным от границы объекта исследования 2. Такую реверберацию удается в значительной степени устранить за счет анизотропии материала. Указанное ослабление реверберационных взаимодействий улучшает возможность проведения УЗ измерений в ближней зоне объекта исследования - зоне Френеля.
Экспериментальные исследования УЗ дефектоскопа железнодорожных рельсов с использованием ультразвуководов из полиэфирэфиркетона с наполнителем из минеральных волокон показали, что указанный материал позволяет обеспечить требования ГОСТ 26266-90 для преобразователей с большими углами ввода в температурном диапазоне от минус 40°С до плюс 50°С (в частности, для средств сплошного контроля рельсов с углом ввода УЗ колебаний 70°).
Таким образом, заявляемая полезная модель - полимерный материал для ультразвуковода - полиэфирэфиркетон с наполнителем из минеральных волокон, ориентированных в направлении передачи ультразвуковых колебаний может использоваться в УЗ измерениях и обеспечивает решение поставленной задачи.
Источники информации:
1. Марков А.А. и др. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов., СП-б.: «Образование-Культура» 2008.-283 с.
2. Гурвич А.К. и др. Справочные диаграммы направленности искателей ультразвуковых дефектоскопов. - К.: Техника, 1980.-101 с., ил.
3. Гурвич А.К. и др., Осторожно! Угол ввода луча 70 гр.? - В мире Неразрушающего Контроля, 2006, №4.
4. Гурвич А.К. Квазистабилизация угла ввода луча в металл в широком диапазоне температур - В мире Неразрушающего Контроля, 2007, декабрь, №4(38).
5. Патент MD 2507.
6. Патент RU 2209428.
7. Патент RU 2138022.
8. Патент RU 2209428.
9. Патент RU 2264618.
10. Патент RU 2284615.
11. AC СССР SU 1762227.
12. Патент GB 2355528 Ultrasonic sensor assembly for use in logging-while-drilling applications.
13. http://www.elmica.ru/catalog/plastmassy/tekapik/
14. Сясько В.А. и др. Повышение достоверности ультразвукового контроля, проводимого в широком диапазоне температур с использованием наклонных преобразователей., - В мире неразрушающего контроля №4(38) - декабрь 2007.