ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области ультразвуковых средств неразрушающего контроля металлоконструкций, нефтегазопроводов, узлов и деталей транспортной техники и может быть использована для контроля напряженного состояния металлоконструкций с различными профилями, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации.
Известен электромагнитно-акустический преобразователь (патент на изобретение РФ №2350943, публ. 2009 г.), содержащий магнитную систему из постоянных магнитов в форме цилиндра с намагниченностью вдоль оси, концентратора из магнитомягкого материала, дополнительного магнита, полюсного наконечника, магнитопровода и вставки из немагнитного металла. Концентратор установлен на торцевой части магнита, дополнительный магнит выполнен с намагниченностью по нормали к боковым граням концентратора и с обеспечением одинаковой полярности всех примыкающих к концентратору полюсов, полюсный наконечник расположен на противоположном от концентратора торце магнита, а дополнительный магнитопровод расположен между дополнительным магнитом и полюсным наконечником, причем вставка установлена между полюсным наконечником и магнитопроводом. Для возбуждения сдвиговых волн магнитная система преобразователя создает магнитный поток с нормальной составляющей магнитного поля в области проекции концентратора на поверхности контролируемого изделия.
Недостатком известного устройства является большая величина тангенциальной составляющей вектора магнитной индукции, приводящая к возникновению нежелательных (продольных) типов волн при контроле изделий из ферромагнитного материала.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели техническим решением является электромагнитно-акустический преобразователь (свидетельство на полезную модель РФ №31305, публ. 2003 г. - прототип), содержащий катушку возбуждения и магнитную систему с дополнительно введенной приемной катушкой, разнесенной с катушкой возбуждения по горизонтальной оси. Магнитная система представляет собой сердечник, окруженный со всех сторон, кроме рабочей поверхности, постоянными магнитами, направленными одноименными полюсами внутрь. В результате взаимодействия вихревых токов, наводимых катушкой возбуждения, с постоянным магнитным полем возникают акустические колебания, которые распространяются по толщине контролируемого изделия в направлении, отличном от нормали.
Недостатком известного преобразователя является низкий коэффициент полезного действия, что не позволяет при контроле крупногабаритных деталей обеспечить необходимую чувствительность в связи с недостаточной величиной нормальной составляющей магнитной индукции. Широкая диаграмма направленности известного преобразователя приводит к лишним отражениям и искажению формы сигнала при контроле деталей сложной геометрической формы.
Предлагаемая полезная модель направлена на увеличение нормальной составляющей магнитной индукции в полюсах преобразователя, следствием чего является повышение его чувствительности, увеличение числа отражений и повышение точности определения времени распространения ультразвуковых волн в контролируемом объекте для оценки скорости волн, по которым рассчитываются остаточные напряжения в металлоконструкциях.
Указанный технический результат достигается тем, что электромагнитно-акустический преобразователь, содержащий индуктивную катушку, выполненную плоской с не менее чем двумя параллельными сторонами, расположенную у рабочей поверхности преобразователя, постоянные магниты с параллельной и перпендикулярной рабочей поверхности преобразователя намагниченностью, два концентратора из ферромагнитного материала, согласно полезной модели, дополнительно снабжен постоянным магнитом с перпендикулярной рабочей поверхности намагниченностью и перемычкой из ферромагнитного материала. Постоянный магнит с параллельной рабочей поверхности намагниченностью расположен между концентраторами со стороны рабочей поверхности, постоянные магниты с перпендикулярной рабочей поверхности намагниченностью расположены в торцах концентраторов со стороны, противоположной рабочей поверхности, и полюсами со стороны одноименных полюсов постоянного магнита с параллельной намагниченностью. Вторые торцы постоянных магнитов с перпендикулярной намагниченностью соединены перемычкой, а параллельные стороны индуктивной катушки расположены у соответствующих торцов концентраторов.
Заявленная совокупность признаков позволяет увеличить нормальную составляющую магнитной индукции и, соответственно, повысить чувствительность электромагнитно-акустического преобразователя.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид электромагнитно-акустического преобразователя; на фиг.2 - топография магнитного поля в системе «преобразователь-контролируемое изделие».
Электромагнитно-акустический преобразователь (см. фиг.1) содержит два концентратора 1 из ферромагнитного материала, постоянный магнит 2 с параллельной рабочей поверхности преобразователя намагниченностью, расположенный между концентраторами со стороны рабочей поверхности, и постоянные магниты 3 с перпендикулярной рабочей поверхности намагниченностью, расположенных в торцах концентраторов 1 со стороны, противоположной рабочей поверхности, и полюсами со стороны одноименных полюсов постоянного магнита 2. Вторые торцы постоянных магнитов 3 соединены перемычкой 4 из ферромагнитного материала. Преобразователь снабжен также плоской индуктивной катушкой 5 с двумя параллельными сторонами, каждая из которых расположена у соответствующих торцов (полюсов) концентраторов 1 (со стороны поверхности контролируемого изделия 6).
Электромагнитно-акустический преобразователь работает следующим образом. Преобразователь устанавливается в непосредственной близости от поверхности контролируемого изделия 6, после чего с помощью высокочастотного генератора (на фигуре не показан) в катушку 5 индуктивности подается короткий импульс тока, наводящий в поверхностном слое изделия 6 вихревые токи. Последние взаимодействуют с постоянным магнитным полем, создаваемым магнитной системой, состоящей из постоянных магнитов 2, 3 и ферромагнитных элементов (двух концентраторов 1 и перемычки 4). Магнитная система создает два противоположных по знаку магнитных потока, с нормальными составляющими магнитного поля в месте расположения витков катушки 5. В результате, при протекании тока под действием силы Лоренца в изделии 6 возбуждается сдвиговая акустическая волна, направление распространения которой соответствует нормали к поверхности изделия.
Наличие магнита 2 между концентраторами приводит к вытеснению магнитных силовых линий из межполюсного пространства, что существенно увеличивает нормальную составляющую магнитной индукции (плотность магнитного потока, фиг.2) под полюсами концентраторов 1 и способствует дополнительному усилению возбуждения сдвиговых акустических волн. Прием импульсов ультразвуковых колебаний и их преобразование в электрические сигналы обеспечивает тот же электромагнитно-акустический преобразователь. По времени распространения акустических сигналов сдвиговой волны, многократно отразившейся от стенок изделия, оценивают толщину изделия. По времени и амплитуде акустических сигналов сдвиговой волны, отраженной от дефекта, судят о размерах и координатах дефектов.
Описанный вариант электромагнитно-акустического преобразователя эффективно работает при измерении текстурной анизотропии и напряженно-деформированного состояния. Для этого электромагнитно-акустический преобразователь ориентируют вдоль и поперек направления прокатки металла или приложенных механических напряжений. Преобразователь устанавливают таким образом, чтобы направление поляризации ультразвуковой волны преобразователя было параллельно плоскости главных механических напряжений, а затем поворачивают на 90°. После этого измеряют временные задержки отраженных от противоположной поверхности стенки объекта контроля импульсы ультразвуковых волн, излученных от преобразователя. По измеренным задержкам, при помощи известных методик и уравнений акустоупругости, определяют напряжения в контролируемой зоне. При использовании комбинированной катушки индуктивности возможно одновременное возбуждение двух сдвиговых волн, ориентированных под углом 90° друг к другу. Помимо этого, данная конструкция электромагнитно-акустического преобразователя может быть использована для определения наличия дефектов в материале контролируемого изделия классическим эхо-методом (по наличию в зоне контроля эхо-импульса от дефекта).
Предложенный электромагнитно-акустический преобразователь отличается повышенной чувствительностью, что позволяет эффективно использовать его для контроля напряженного состояния металлоконструкций из ферромагнитного материала с различными профилями, в том числе при контроле крупногабаритных деталей.