Ультразвуковой наклонный преобразователь для измерения скорости распространения акустических волн в стальных прокатных изделиях при определении параметров механических свойств, характеризующих хладостойкость
ULTRASONIC INCLINED TRANSDUCER FOR MEASURING SPEED OF PROPAGATION OF ACOUSTIC WAVES IN STEEL ROLLING PRODUCTS WHEN DETERMINING PARAMETERS OF MECHANICAL PROPERTIES, WHICH CHARACTERIZE COLD RESISTANCE

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля, а именно к пьезоэлектрическим ультразвуковым наклонным преобразователям, применяющимся для определения скорости распространения акустических волн в различных твердых материалах, таких как газопроводы, нефтепроводы, резервуары и других ответственных металлоконструкций без прерывания их работоспособности. Применяется для оперативного определении параметров механических свойств, характеризующих хладостойкость, например, ударной вязкости стального изделия, которая рассчитывается скоростью распространения акустических волн в материале, изменение которого является основным показателем надежности в процессе эксплуатации изделия в низкотемпературных условиях. При этом, местная анизотропия в изделии, существенно влияет на скорость распространения акустических волн.
Известны наиболее близкие к предлагаемому патенту аналоги:
- пьезоэлектрические наклонные преобразователи, содержащие пьезоэлемент и преломляющее тело в виде призмы, осуществляющие контроль путем ввода ультразвуковых колебаний под заданным углом в заданную среду (авторские свидетельства СССР №1755177, 1992 г. и №1777073, 1992 г., а также патент Российской Федерации №2024012, 1994 г., МПК G01N 29/04). Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является ультразвуковой наклонный преобразователь по авторскому свидетельству СССР №1099274, G01N 29/04, 1984. Указанный преобразователь содержит корпус, на внутреннюю поверхность которого нанесен демпфирующий слой, призму с наружной поверхностью по форме усеченной гиперболы, пьезоэлемент, размещенный в части призмы, предназначенной для установки на контролируемое изделие.
К недостаткам данных предложений относятся их ограниченное фокусное расстояние и большая стрела преобразователя, что значительно уменьшает полезную область базы датчика для определения скорости распространения акустических волн в материалах.
Известно, что для контроля качества структуры твердых материалов, например, сталей, используют скорость распространения акустических волн и как правило, основное внимание уделяется на определение прочностных параметров материала - предела прочности и выносливости материала. Для определения прочностных параметров сталей, наиболее точным способом измерения скорости распространения акустических волн является метод расчета автоциркуляционных акустических импульсов. При этом, чем больше площадь одноразового прохождения акустических волн через материал, тем выше точность определения прочностных характеристик. Соответственно, расширение диаграммы направленности акустического поля наклонного преобразователя, путем использования прямоугольной формы пьезоэлемента наклонного широкозахватного преобразователя, является преимуществом для определения общей прочностной характеристики как пределы выносливости и прочности.
Недостатком широкозахватных и стандартных с дисковыми пьезоэлементами наклонных преобразователей, используемых для измерения скорости распространения акустических волн, это повышенная чувствительность к технологической анизотропии в материалах, обусловленная широкой диаграммой направленности акустического поля. Данная особенность, является преимуществом для определения общей прочностной характеристики, но недостатком для определения ударной вязкости - одного из основных показателей хладостойкости твердых материалов. Таким образом, к общим недостаткам пьезопреобразователей для измерения скорости распространения акустической волны в сталях является их конструктивная особенность, предназначенная для поиска несплошностей.
Целью изобретения является повышение достоверности определения параметров механических свойств в стальных прокатных изделиях, характеризующих хладостойкость, путем сужения диаграммы направленности акустического поля ультразвукового наклонного преобразователя, снижающий вероятность прохождения акустического поля через возникающие в процессе прокатки стального изделия участки с повышенной анизотропией, с минимальным падением энергии акустического давления.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков аналогов, а именно обеспечение преобразователей, конструктивными средствами, которые позволят значительно увеличить точность определения скорости распространения акустических волн за счет сужения диаграммы направленности акустического поля без прерывания работоспособности контролируемого объекта, расширение диапазона контролируемых изделий:
- возможность проведения измерения в стесненных условиях с ограниченным доступом;
- возможность выбора участка в изделии с низкой анизотропией материала, как следствие повысить точность определения скорости акустических волн при расчете ударной вязкости материала изделия.
Поставленная задача решается за счет применения в конструкции датчика для измерения скорости распространения акустических волн, наклонных преобразователей, содержащих призмы особой конфигурации. Конфигурация призмы наклонного преобразователя состоит из четырех основных рабочих элементов: двух оснований выполненных в виде параболоидных зеркал; одного волновода; пьезоэлемента в форме кольца с центральным отверстием и установленным на плоской поверхности одного из оснований, пьезоэлемент в форме кольца обеспечивает максимальную концентрацию акустической энергии. На одном из оснований призмы выполнено малое параболоидное зеркало и поверх него установлен пьезоэлемент в форме кольца, диаметр центрального отверстия которого равен диаметру малого параболоидного зеркала. Второе основание призмы имеет форму большого параболоидного зеркала, центральная часть которого имеет форму вытянутого волновода. Суть работы заключается: сгенерированные пьезоэлементом акустические волны направляются в большое параболоидное зеркало, где получают фокусированное направление в сторону малого параболоидного зеркала, при этом фокальные пятна обоих зеркал совмещены в одну точку, за счет чего акустические волны выравниваются и получают равномерное направление в сторону волновода диаметром, равном диаметру центрального отверстия пьезоэлемента.
Получаемый технический результат заключается:
- значительно снижается вероятность прохождения акустического поля через возникающие в процессе прокатки стального изделия участки с повышенной анизотропией, при этом падение энергии акустического давления минимальна.
Конструкция пьезопреобразователя поясняется изображением его разреза (Фиг. 1). Преобразователь состоит из корпуса 1 (фиг. 1), внутри которого наклонно установлена особой формы призма 2 (фиг. 1), имеющая два основания и боковую поверхность, выполненная из звукопроводящего материала, например, оргстекла. Внутренняя полость корпуса заполнена демпфирующим материалом 3 (фиг. 1). Одно из оснований призмы выполнено с внешней стороны плоским по периферии, и на плоской внешней части основания установлен пьезоэлемент 4 (фиг. 1) в форме кольца с центральным отверстием. Второе основание призмы представляет собой большое параболоидное зеркало 5 (фиг. 1). Малое параболоидное зеркало 6 (фиг. 1), расположено в центральном отверстии пьезоэлемента 4 (фиг. 1). Зеркальная поверхность малого параболоидного зеркала направлена навстречу зеркальной поверхности большого параболоидного зеркала, а фокальные пятна 7 (фиг. 1) обоих зеркал сходятся в одной точке. В середине большого параболоидного зеркала имеется волновод, имеющий диаметр равный внутреннему диаметру центрального отверстия в пьезоэлемента в виде кольца 4 (фиг. 1), контактирующий с объектом контроля. При создании пьезоэлементом 4 (фиг. 1) акустической волны, отражаясь от зеркальной поверхности большого параболоидного зеркала 5 (фиг. 1), акустическая волна фокусируется в совмещенном фокусном пятне 7 (фиг. 1) малого 6 (фиг. 1) и большого 5 (фиг. 1) зеркал. Далее, отражаясь от зеркальной поверхности малого параболоидного зеркала 6 (фиг. 1), распространяется по волноводу 8 (фиг. 1) и далее, преломляясь, вводится в контролируемое изделие, сообщая ему ультразвуковые колебания. В результате применения преобразователя с призмой данной конструкции достигается сужение диаграммы направленности акустического поля в объекте контроля 9 (фиг. 1) без потери концентрации его энергии и значительно снижается вероятность прохождения акустического поля через возникающие в процессе прокатки стального изделия участки с повышенной анизотропией, при этом падение энергии акустического давления минимальна.