ГИБКИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
FLEXIBLE ELECTROMAGNETIC ACOUSTIC TRANSDUCER

Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию электромагнитных акустических преобразователей (ЭАП), содержащих гибкие магниты, которые согласованы с поверхностью объекта, на который их накладывают, за счет чего достигаются лучшие характеристики, при сниженной стоимости изготовления, по сравнению с обычными конструкциями ЭАП, которые содержат жесткие и дорогие компоненты.
Предпосылки к созданию изобретения
Электромагнитные акустические преобразователи (ЭАП) представляют собой электрические устройства, которые могут передавать звуковые волны в проводящие материалы и принимать звуковые волны из них, не требуя контакта с материалом. Так как звуковые волны отражаются от дефектов, таких как трещины и пустоты, то ЭАП обычно используют в качестве контрольно-измерительных устройств. Характеристики звуковых волн, которые передают и принимают при помощи ЭАП, в том числе частота, интенсивность, мода и форма пучка, определяются в первую очередь конструкцией ЭАП и видом электрического возбуждения компонентов ЭАП.
ЭАП имеют множество преимуществ по сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями. ЭАП не требуют никакого флюидного согласования, в отличие от пьезоэлектрических преобразователей, в которых звук создается в зонде и передается в материал через согласующую среду, такую как масло или вода. ЭАП позволяют производить осмотр (инспекцию) при более высоких скоростях и поэтому обеспечивать более высокую производительность, когда их используют в автоматизированных системах проверки. Так как ЭАП возбуждают звуковые волны непосредственно под поверхностью проверяемого материала, они позволяют обеспечить более высокую точность, надежность и воспроизводимость результатов, в тех применениях, в которых материал является зараженным, грубым, нагретым до высокой температуры или движущимся с высокой скоростью. Так как компоненты ЭАП могут быть изготовлены с очень высокой точностью, замена ЭАП или его компонентов может быть произведена с минимальными вариациями характеристик или эксплуатационных качеств. Простая конструкция ЭАП создает практически неограниченное разнообразие конструктивных исполнений, что позволяет облегчить формообразование, управление и фокусировку пучков и достичь желательных акустических эффектов.
ЭАП типично содержат два основных компонента: магниты и обмотки из изолированных электрических проводов (проводников). Постоянные магниты или электромагниты используют для создания магнитных полей, которые проникают через поверхность исследуемого материального объекта. Обмотки из электрических проводов, которые обычно называют РЧ обмотками, помещают между магнитами и проверяемым материалом. Эти РЧ обмотки используют для возбуждения высокочастотных магнитных полей в проверяемом материале. Взаимодействие между полями от магнита и полями от РЧ обмоток создает силы внутри атомной или молекулярной решетки проверяемого материала. Эти силы изменяются со временем по интенсивности и направлению на частотах, равных частотам тока в РЧ обмотках. Колебательные силы создают акустические или звуковые волны, которые нормально распространяются в проверяемом материале и выходят из ЭАП в двух противоположных направлениях.
На фиг.1 показана конфигурация ЭАП, которую используют для возбуждения вертикально поляризованных сдвиговых волн (поперечных упругих волн), волн Лэмба и поверхностных волн, которые называют также волнами Рэлея. Магнит 1 создает магнитное поле 2, перпендикулярное к испытуемой металлической детали или к испытуемому материалу 3. Показана радиочастотная (РЧ) обмотка 4 в виде меандра, однако следует иметь в виду, что она не обязательно должна иметь вид меандра. Обмотка 4 образована из изолированных электрических проводов, получающих питание от источника 5 переменного тока, так что переменный ток 6 протекает через РЧ обмотку 4 между ее клеммами. Переменный ток 6 создает переменные поля 7, которые окружают вихревые токи 8 и проникают через поверхность испытуемого материала 3. Проникающие переменные поля 7 возбуждают переменные вихревые токи 8 и вблизи от поверхности испытуемого материала 3. В испытуемом материале 3 возбуждаются также переменные магнитные поля 9, которые окружают вихревые токи 8. Переменные поля 7 от вихревых токов 8 взаимодействуют с переменными магнитными полями 9 от магнита 1 и создают силы Лоренца 10 в испытуемом материале 3 и под каждой РЧ обмоткой 4. Эти силы Лоренца 10 создают звуковые волны, такие как горизонтально поляризованные сдвиговые волны, которые представляют собой ультразвуковые акустические или звуковые волны 11 и которые распространяются от ЭАП в противоположных направлениях в испытуемом материале 3.
На фиг.2 показан ЭАП, в котором использована магнитная решетка 12, такая как решетка из постоянных магнитов и из охватывающей РЧ обмотки 4, позволяющая возбуждать сдвиговые волны 11. Часть РЧ обмотки 4 находится под магнитной решеткой 12, в непосредственной близости от испытуемого материала 3. Когда источник 5 переменного тока подключают к РЧ обмотке 4, в испытуемом материале 3 возбуждаются вихревые токи 8 и связанные с ними переменные магнитные поля 9. Взаимодействие магнитных полей 2 от магнитной решетки 12 и переменных полей 7 от вихревых токов 8 создает силы Лоренца 10 в испытуемом материале 3, которые действуют вблизи от поверхности и являются также параллельными поверхности испытуемого материала 3. Эти силы Лоренца 10 создают сдвиговые волны 11, которые распространяются в противоположных направлениях в испытуемом материале 3.
На фиг.3 показан ЭАП, в котором использован магнит 1, содержащий электромагнит и РЧ обмотку 4, предназначенные для создания сдвиговых волн 11 в ферромагнитных материалах 14, которые обладают свойствами магнитострикции. Катушка 13 электромагнита состоит из изолированных электрических проводов, намотанных вокруг сердечника 14 из ферромагнитного материала. Когда катушка 13 электромагнита возбуждается от источника 15 электропитания, переходный ток 16 протекает между клеммами катушки 13 электромагнита. Переходный ток 16 в свою очередь возбуждает тангенциальное магнитное поле 17, часть которого проникает через поверхность испытуемого материала 3. Тангенциальное магнитное поле 17 наводит переходные вихревые токи 18, которые протекают под полюсами магнита 1 и вокруг них.
РЧ обмотка 4 возбуждается переменным током 6 на частотах, которые превышают компонент частот переходного тока 16 катушки 13 электромагнита. Переменный ток 6 в РЧ обмотке 4 наводит переменные вихревые токи 8 и связанные с ними магнитные поля 9 в испытуемом материале 3. Если испытуемый материал 3 обладает физическим свойством магнитострикции, то векторное суммирование результирующих магнитных полей 9, возбужденных при помощи РЧ обмотки 4, и тангенциальных магнитных полей 17, возбужденных при помощи магнита 1, вызывает расширение и сжатие испытуемого материала 3. Чередующееся расширение и сжатие испытуемого материала 3 приводит к распространению сдвиговых волн 11 от ЭАП в двух направлениях.
Краткое изложение изобретения
Форма решетки магнитов, изготовленной из гибких компонентов и материалов, легко может быть изменена для соответствия контуру различных искривленных поверхностей и структур. ЭАП, которые содержат такие магниты, в дополнение к тому, что они являются гибкими, могут иметь меньший объем, чем обычные магниты ЭАП, и поэтому они могут быть легче установлены на сложных конструкциях, имеющих ограниченный доступ. Кроме того, гибким магнитным решеткам при изготовлении могут быть проще и дешевле приданы различные формы и конфигурации, в результате чего повышается их универсальность, гибкость в применении и рентабельность с точки зрения стоимости, по сравнению с обычными жесткими конструкциями магнитов.
Предлагается электромагнитный акустический преобразователь, который выполнен с возможностью согласования с поверхностью неплоской испытуемой подложки.
В некоторых вариантах, электромагнитный акустический преобразователь содержит решетку магнитов, согласуемую с поверхностью неплоской испытуемой подложки, причем магниты содержат магнитные полюса и соединительные сегменты.
В соответствии с одним из вариантов, решетка магнитов содержит гибкий компаунд, содержащий частицы ферромагнитного материала, причем электрические проводники расположены между магнитными полюсами и способны возбуждать магнитные поля, перпендикулярные к передним поверхностям (лицевым сторонам) каждого магнитного полюса, когда по проводникам протекает ток.
В соответствии с другим вариантом, решетка магнитов содержит гибкий компаунд, содержащий частицы постоянного магнитного материала, причем магнитные полюса при необходимости намагничивают, чтобы создать статические магнитные поля, перпендикулярные к передней поверхности каждого магнитного полюса.
Предлагается также способ детального исследования испытуемой подложки, имеющей неплоскую поверхность, с использованием электромагнитного акустического преобразователя, который включает в себя следующие операции:
согласование электромагнитного преобразователя с поверхностью испытуемой подложки при контроле близости к поверхности;
возбуждение звуковой волны за счет взаимодействия полей от магнита электромагнитного акустического преобразователя и электрического проводника; и
обнаружение по меньшей мере одной характеристики звуковой волны, отраженной испытуемой подложкой.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан ЭАП, который содержит решетку постоянных магнитов и РЧ обмотку, предназначенные для возбуждения и обнаружения сдвиговых волн, волн Лэмба и поверхностных волн в проводящих материалах.
На фиг.2 показан ЭАП, который содержит решетку постоянных магнитов и РЧ обмотку, предназначенные для возбуждения и обнаружения горизонтально поляризованных сдвиговых волн.
На фиг.3 показан ЭАП, который содержит электромагнит и РЧ обмотку в виде меандра, предназначенные для возбуждения горизонтально поляризованных сдвиговых волн в ферромагнитных материалах, которые обладают магнитострикцией.
На фиг.4 показан ЭАП, который приспособлен для возбуждения и обнаружения сдвиговых волн в неплоских проводящих материалах.
На фиг.5 показана гибкая многополюсная магнитная решетка, которая содержит механически и магнитно связанные детали магнитных полюсов и распределенные обмотки электрических проводов, в том числе РЧ обмотку.
На фиг.6 показана гибкая РЧ обмотка, расположенная в непосредственной близости от передних поверхностей магнитного полюса гибкой многополюсной магнитной решетки.
На фиг.6а показаны вихревые токи и магнитные поля, связанные с одной передней поверхностью решетки, показанной на фиг.6.
На фиг.7 показана гибкая РЧ обмотка, встроенная в передние поверхности решетки гибких магнитов.
На фиг.7а показан разрез проводника встроенной РЧ обмотки по линии А-А фиг.7.
Подробное описание изобретения
Электромагнитным акустическим преобразователям (ЭАП) легко может быть придана необходимая форма, во время или после изготовления, так что ЭАП легко может быть использован для детального исследования компонентов и структур, имеющих искривленные поверхности, без существенной потери (ослабления) сигнала, несущего информацию о дефектах или свойствах этих компонентов и структур, которая могла бы возникать за счет плохого согласования ЭАП с поверхностью испытуемого материала. ЭАП содержит в первую очередь два основных компонента, а именно магниты и электрические провода, которые позволяют создавать РЧ сигналы, например, при помощи РЧ обмоток. Магниты могут содержать один или несколько сердечников из ферромагнитного материала и электрические проводники.
Предлагается ЭАП, который содержит магнит или гибкую многополюсную магнитную решетку, которая содержит материалы, спроектированные, изготовленные и объединенные с электрическими проводниками, что позволяет создавать РЧ сигналы, например, при помощи РЧ обмоток. Электромагнитному акустическому преобразователю (ЭАП) легко может быть придана необходимая форма, во время или после изготовления, так что ЭАП легко может быть использован для детального исследования компонентов и структур, имеющих искривленные поверхности. Это позволяет существенно снизить потерю сигнала, несущего информацию о дефектах или свойствах этих компонентов и структур, вызванную плохим согласованием, и приблизить ЭАП к поверхности испытуемого материала или подложки.
Гибкая многополюсная магнитная решетка может быть образована в виде рядов, причем каждый ряд имеет радиус кривизны относительно точки или точек, так что обеспечивается фокусировка возбужденных сдвиговых волн в компоненте испытуемого материала. Решетка магнитов может иметь вариацию расстояния между смежными магнитными полюсами, которая является функцией радиального расстояния от фокальной точки. Эта вариация в решетке магнитов вызывает изменение вертикальной ширины сдвиговых волн. В соответствии с другими вариантами две или несколько решеток магнитов могут быть установлены последовательно, причем каждая из них имеет различное радиальное расстояние между магнитными полюсами, так что они будут иметь приблизительно один и тот же угол сдвиговой волны и одну и ту же фокальную точку, когда работают в заданном диапазоне частот. В соответствии с еще одним вариантом решетка магнитов может иметь высокочастотные (РЧ) проводники, вставленные в канавки, идущие поперек лицевых сторон магнитных полюсов и коллинеарно с радиальными выступами от фокальной точки.
Гибкая многополюсная магнитная решетка может представлять собой решетку магнитов и магнитных полюсов, изготовленных по меньшей мере частично из гибкого материала, такого как силиконовый каучук, содержащий частицы ферромагнитного материала, такого как железо, или из постоянного магнитного материала, такого как неодим железо бор.
Электрические проводники могут иметь такую форму, ширину и толщину, которые позволяют устанавливать их между магнитными полюсами и пропускать через них электрический ток, чтобы создавать чередующиеся магнитные полярности между смежными магнитными полюсами. В соответствии с другими вариантами, электрические проводники могут иметь такую форму, ширину и толщину, которые позволяют устанавливать их между магнитными полюсами во множестве слоев, соединенных последовательно и электрически запитанных так, чтобы создавать чередующиеся магнитные полярности между смежными магнитными полюсами.
На фиг.4 показана согласуемая гибкая многополюсная магнитная решетка 19, которая может быть использована совместно с другими известными электрическими компонентами для того, чтобы образовать ЭАП, который возбуждает сдвиговые волны в изогнутом металлическом компоненте, например, в таком как (но без ограничения) стальная труба 20. Магнит 1 имеет магнитные полюса 21 и соединительные связи или сегменты, причем те и другие могут быть изготовлены из ферромагнитного или неферромагнитного материала. Гибкая многополюсная магнитная решетка 19 может быть изготовлена и собрана так, чтобы соответствовать кривизне материальной конструкции, на которую ЭАП должен быть установлен для проведения испытания.
Один из способов изготовления гибкой многополюсной магнитной решетки включает в себя операцию формования согласуемого гибкого компаунда, такого как (но без ограничения) силиконовый каучук, пропитанного или наполненного частицами ферромагнитного материала 14, например (но без ограничения) частицами железа. В соответствии с этим вариантом по меньшей мере одну РЧ обмотку 4, которая содержит изолированные электрические проводники, устанавливают между полюсами 21, чтобы возбуждать магнитные поля, перпендикулярные к лицевым сторонам каждого магнитного полюса 21, когда через РЧ обмотку 4 пропускают электрический ток.
В соответствии с другим вариантом согласуемый гибкий компаунд пропитывают постоянным магнитным материалом 14, например, (но без ограничения) таким, как неодим железо бор. В соответствии с этим вариантом, магнитные полюса 21 могут быть намагничены ранее использования, чтобы создать статические магнитные поля 2, перпендикулярные к лицевым сторонам каждого магнитного полюса 21.
На фиг.5 показан вид сверху гибкой многополюсной магнитной решетки 19, которая может быть использована совместно с другими известными электрическими компонентами для того, чтобы возбуждать сдвиговые волны 11. Решетка имеет северные (N) и южные (S) магнитные полюса 21, которые соединены механически и магнитно при помощи связей из магнитного материала (не показаны). В одном таком варианте используют гибкий, содержащий углеводород материал, например (но без ограничения) эластомер, такой как силиконовый каучук, который пропитан частицами ферромагнитных материалов или частицами постоянных магнитных материалов, такими как железо или неодим железо бор, соответственно. Из этой смеси могут быть отформованы гибкие многополюсные магнитные решетки 19, каждая из которых содержит один или несколько магнитных полюсов 21 различных конфигураций, что позволяет улучшить качественные характеристики ЭАП, в том числе повысить интенсивность сдвиговой волны 11, а также управление и фокусировку сдвиговой волны 11.
Гибкая многополюсная магнитная решетка 19 может иметь слой изолированного проводника 22 и второй слой изолированного проводника 23, которые могут быть намотаны между магнитными полюсами 21, так чтобы обеспечивать намагничивание в направлении, которое содержит преобладающий компонент вектора магнитного поля, перпендикулярный к лицевой стороне магнитного полюса 21 и к поверхности испытуемого материала 3. Слой изолированного проводника 22 и второй слой изолированного проводника 23 могут быть помещены между магнитными полюсами 21 в такой конфигурации, которая позволяет создавать противоположные полярности в смежных магнитных полюсах 21, когда по слою 22 изолированного проводника и второму слою 23 изолированного проводника протекает ток от источника тока 27. Когда гибкую многополюсную магнитную решетку используют как постоянную магнитную решетку, слой 22 изолированного проводника и второй слой 23 изолированного проводника могут отсутствовать (или могут быть удалены), чтобы обеспечить повышенную гибкость и лучшее согласование с поверхностью испытуемого материала.
Сборка магнита может предусматривать введение слоя 22 изолированного проводника между полюсами, а затем введение второго слоя 23 изолированного проводника, часть которого перекрывает слой 22 изолированного проводника. Когда слой 22 изолированного проводника и второй слой 23 изолированного проводника соединены электрически в точке соединения 24, тогда расположенные внутри магнитные полюса 21 гибкой многополюсной магнитной решетки 19 будут эффективно охвачены при помощи двух сплетенных изолированных проводников (слоя 22 изолированного проводника и второго слоя 23 изолированного проводника), по которым протекает ток в одном и том же направлении, когда клеммы 25 и 26 подключены к источнику 27 тока, который в соответствии с этим вариантом представляет собой источник постоянного тока. Дополнительные пары слоев проводников, аналогичные слою 22 изолированного проводника и второму слою 23 изолированного проводника, могут быть установлены поверх слоя 22 изолированного проводника и второго слоя 23 изолированного проводника, и соединены последовательно или параллельно с указанными слоями, чтобы создать повышенный ток намагничивания и усиленное магнитное поле, нормальное к лицевой стороне каждого магнитного полюса 21.
Решетке магнитных полюсов 21 может быть придана такая форма и такое расположение, что они коллективно обеспечивают фокусировку сдвиговой волны 11 на соответствующем радиальном расстоянии 28, как это показано на фиг.5. Ширина 29 каждого магнитного полюса 21 может быть функцией его радиального расстояния 28 от фокальной точки 32 и может увеличиваться в пропорции радиального расстояния 28 от центра магнита 1. Расстояние 30 между магнитными полюсами 21, в сочетании с частотой возбуждения РЧ обмотки 4, определяет угол сдвиговой волны 11 относительно нормального направления к поверхности испытуемого материала 3. Уменьшение расстояния 30 или снижение частоты возбуждения РЧ обмотки 4 в функциональном диапазоне приводит к увеличению угла сдвиговой волны 11 относительно нормального направления к поверхности испытуемого материала 3, то есть к испытуемой подложке.
Вариация расстояния 30 между смежными магнитными полюсами 21 в функции радиального расстояния 28 вызывает изменение вертикальной ширины сдвиговой волны 11. Например, уменьшение расстояния между двумя магнитными полюсами 21, которое пропорционально радиальному расстоянию 28 до пары магнитных полюсов 21, может приводить к уменьшению вертикальной ширины сдвиговой волны 11 и к лучшей разрешающей способности при обнаружении дефектов. Аналогичным образом, две или несколько гибких многополюсных магнитных решеток 19, каждая из которых имеет различное радиальное расстояние 28 между магнитными полюсами 21, могут быть установлены последовательно, так что они будут аппроксимировать одну и ту же фокальную точку 32 при работе в предписанном диапазоне частот.
РЧ обмотки 4, показанные на фиг.6, содержат электрические проводники, прикрепленные к гибкой подложке 31 из изоляционного материала. РЧ обмотки 4 прикреплены к передним поверхностям магнитного полюса 21, так что они находятся в непосредственной близости от испытуемого материала 3. Когда переменное напряжение подано на РЧ обмотки 4, или когда они подключены к источнику переменного тока 5, возбуждаются силы Лоренца, приложенные к испытуемому материалу 3, когда напряжение является положительным в направлениях, показанных на фиг.6 и на фиг.6а. Силы Лоренца имеют диаметрально противоположные направления между верхним и нижним смежными магнитными полюсами 21 в каждой колонке магнитных полюсов 21, что может быть обусловлено противоположными полярностями смежных магнитных полюсов 21. Так как возбужденные вихревые токи 8, вместе со связанными магнитными полями 9, изменят направление под смежными колонками магнитных полюсов 21, то силы Лоренца 10 имеют одно и то же направление в данном ряду магнитных полюсов 21. Эти чередующиеся силы способствуют созданию сдвиговой волны 11, движущейся в направлении фокальной точки 32.
Магнитные полюса 21 многополюсной электромагнитной решетки 19 могут обеспечивать увеличение электромагнитной связи РЧ проводников 33 с испытуемым материалом. Эта электромагнитная связь может быть дополнительно увеличена путем заделки РЧ проводников 33 в магнитные полюса 21 из ферромагнитного материала 14, как это показано на фиг.7. Как это показано на фиг.7А, встроенные РЧ проводники 33 и магнитные полюса 21 могут быть расположены ближе к испытуемому материалу 3, в результате чего увеличивается доля переменного магнитного поля 9, которая проникает в испытуемый материал 3. Амплитуда наведенных вихревых токов 8, которые возбуждаются переменными полями 7, увеличивается, что в свою очередь приводит к увеличению интенсивности сил Лоренца 10 и интенсивности результирующей сдвиговой волны 11 в испытуемом материале.
Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что они являются примерными и в изобретение специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения. Следует также иметь в виду, что описанные выше изолированные варианты могут быть использованы в сочетании.