Электромагнитно-акустический преобразователь с фазированной антенной решеткой

Полезная модель относится к области ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля изделий, а именно к ультразвуковым преобразователям, которые используются для проведения диагностики в объекте контроля с целью обнаружения дефектов.
Известна «Ультразвуковая антенная решетка» (Патент РФ №137900, МПК H01L 41/08, дата приоритета 19.11.2013, опубликовано: 27.02.2014), относящаяся к пьезоэлектрическим приборам для ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля металлических объектов. Ультразвуковая антенная решетка содержит призму с пьезоэлементами, где призма выполнена в виде периодической ступенчатой структуры и разделена на две части, расположенные под углом 0<α≤38° друг к другу. При перемещении устройства относительно объекта контроля, на контакты пьезоэлементов подают электрические сигналы, преобразуемые в упругие колебания, которые отражаясь от внутренних дефектов объекта контроля регистрируются для дальнейшей обработки. На основании полученных данных выявляют дефекты.
Использование антенной решетки на пьезоэлементах, в качестве ультразвукового преобразователя, снижает скорость диагностирования, так как необходима предварительная подготовка поверхности объекта контроля и наличие контактной жидкости.
Известен «Ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь» (Патент РФ №2697024, МПК H04R 17/00, дата приоритета 21.11.2018, опубликовано: 08.08.2019), который содержит корпус и помещенные в него две звукопроводящих призмы (ПНИ) из материала с относительно низким акустическим импедансом, на одну ПНИ наклеен излучающий пьезоэлемент, а на другую – приемный. ПНИ с приемным пьезоэлементом отделена от ПНИ с излучающим элементом электрическим и/или акустическим экраном. В качестве излучающих и приемных пьезоэлементов использованы линейные или фазированные решетки.
Недостатком устройства является чувствительность к зазору между преобразователем и поверхностью объекта контроля, что требует применения специальной контактной жидкости. Проведение диагностирования рабочей поверхности объекта контроля, имеющей широкий температурный диапазон, невозможно без риска повреждения преобразователя.
Известен «Электромагнитно-акустический преобразователь» (Патент РФ №2656134, МПК G01B 7/06, дата приоритета 22.11.2016, опубликовано: 31.05.2018), выбранный в качестве прототипа предлагаемой полезной модели. Электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП) содержит корпус, в котором размещен слой из диэлектрика, источник постоянного магнитного поля и блок катушек индуктивности. Источник постоянного магнитного поля и блок катушек индуктивности расположены в корпусе с возможностью взаимодействия. Блок катушек индуктивности содержит генераторную катушку и по меньшей мере одну приемную катушку. При этом катушки индуктивности выполнены в виде раздельных плоских спиральных катушек индуктивности, которые расположены на одной стороне слоя из диэлектрика и витки которых имеют общий центр.
К недостаткам прототипа следует отнести: низкую чувствительность к обнаружению дефектов в объекте контроля, по сравнению с пьезопреобразователями, а также отсутствие возможности использования электронной фокусировки, что существенно снижает производительность УЗ-контроля.
Под электронной фокусировкой в ультразвуковой диагностике подразумевается управление вводом УЗ волны в поверхность объекта контроля с помощью временных задержек сигналов, подаваемых на элементы преобразователя, которые выступают в роли генераторов.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении достоверности обнаружения дефектов и увеличении скорости диагностирования в металлических изделиях, одними из которых являются трубы малого и большого диаметра, а также объекты сложной формы.
Поставленная задача решается достижением технического результата, заключающегося в увеличении амплитуды формируемой волны и повышении чувствительности при ее приеме, возможности управления направлением излучаемой волны без изменения пространственного расположения самого преобразователя.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что электромагнитно-акустический преобразователь с фазированной антенной решеткой, содержащий подложку (корпус), на которой расположены излучающая и приемная фазированные антенные решетки, магнитная система, отличается тем, что фазированные антенные решетки (ФАР) имеют многослойную конструкцию, состоящую из 8 элементов для каждого слоя, магнитная система представлена двумя постоянными магнитами, расположенными под углом друг к другу для разделения приемной и передающей ФАР, с целью исключения влияния перекрестных помех.
Использование многослойной конструкции ФАР приводит к увеличению эффективной площади излучения, что способствует повышению амплитуды сигнала, а увеличенное количество элементов ФАР, позволяет управлять вводом УЗ-волны.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид электромагнитно-акустического преобразователя с фазированной антенной решеткой, на фиг.2 показана схема намотки многослойной фазированной антенной решетки,  на фиг.3 показан уровень амплитуды принятого сигнала, полученного от контрольного образца при использовании однослойной ФАР с 8 элементами, на фиг.4 показан уровень амплитуды принятого сигнала, полученного от контрольного образца при использовании одноэлементного ЭМАП.
Электромагнитно-акустический преобразователь с фазированной антенной решеткой (фиг.1) содержит подложку (корпус) 1, на которой располагается печатная плата 2 с установленными на ней излучающей и приемной фазированными антенными решетками 3 и разъемами 4 для подключения устройства к оборудованию диагностирования. На ФАР 3 установлен концентратор 5, на который установлена магнитная система, представленная двумя постоянными магнитами 6, которые разделены изолятором 7 и расположены под углом 0<α≤180° друг к другу, в плоскости, параллельной плоскости, касательной к поверхности объекта контроля для разделения приемной и передающей ФАР 3 для исключения влияния электрических и акустических перекрестных помех. Концентратор 5 представляет собой проводник магнитного поля и отделяет ФАР 3 от магнитов 6 для исключения помех, таких как волна в магните возбуждаемая ФАР 3.
Для обеспечения слежения за величиной рабочего зазора (в диапазоне от 0 до 3 мм) между поверхностью преобразователя и поверхностью объекта контроля в состав электромагнитно-акустического преобразователя с фазированной антенной решеткой может быть добавлен датчик зазора с платой предварительного усилителя датчика зазора.
На фиг.2 представлена схема намотки многослойной фазированной антенной решетки, где каждый слой ФАР имеет восьмиэлементную структуру. Возбуждение ультразвуковой волны в поверхности объекта контроля возможно каждым элементом ФАР. Использованием заданных временных задержек генераторных импульсов между элементами ФАР, обеспечивается формирование требуемого направления основного пучка излучения. Увеличение количества слоев приводит к увеличению эффективной площади излучения, что способствует повышению амплитуды формируемой волны. С увеличением количества слоев допустимый рабочий зазор между ЭМАП ФАР и объектом контроля уменьшается, в связи с чем одной из наиболее оптимальных структур ФАР является четырехслойная.
Конструктивно фазированные антенные решетки представляют собой пространственно-разделенные генераторную и приемную ФАР. Генераторная и приемная ФАР состоит из 32 элементов в виде петель.
Для увеличения чувствительности приема УЗ волн, отраженных от поверхности объекта контроля, в приемной ФАР используется намотка из тонкого медного изолированного провода, где каждый из 32-х приемных элементов представляет собой петлю, намотанную одним непрерывным проводом с максимально большим количеством витков, обусловленным реализуемостью такой конструкции.
Для увеличения амплитуды формируемой УЗ волны в генераторной ФАР используется намотка из толстого медного изолированного провода, где каждый из 32-х генераторных элементов представляет собой петлю, намотанную одним непрерывным проводом с минимальным количеством витков. Также для генераторной ФАР можно использовать разделение одной петли на восемь параллельно независимых для получения большей амплитуды излучаемой волны.
Конструктивно укладку слоев ФАР осуществляют друг под другом с шагом h, меньшим длины λ излучаемой волны. Выбранный шаг укладки слоев ФАР, равный половине длины волны, является оптимальным, сочетающим высокую величину сигнала и ширину диаграммы направленности УЗ волны.
Предлагаемый электромагнитно-акустический преобразователь с фазированной антенной решеткой работает следующим образом. Для проведения диагностирования поверхности объекта контроля на наличие дефектов преобразователь подключают через разъёмы 4 к оборудованию диагностики для передачи и получения сигналов между ними. Устройство устанавливают на контролируемую поверхность и обеспечивают бесконтактный ввод УЗ-волн с некоторым небольшим рабочим зазором. С помощью платы акустического тракта входящей в состав оборудования диагностики на каждый элемент излучающей ФАР подается зондирующий сигнал, имеющий задержку по времени в соответствии с номером элемента. Вокруг излучающей ФАР возникает переменное электромагнитное поле, на которое влияет постоянное магнитное поле магнитов 6.  Возникающие в результате взаимодействия этих полей силы Лоренца возбуждают в поверхности объекта контроля поперечные УЗ волны. Отраженные от дефектов, сплошностей и донной поверхности эхосигналы считываются всеми элементами приемной ФАР поочередно с заданной задержкой и преобразуются из электромагнитного импульса в электрический с помощью платы акустического тракта. После зондирования и приема эхосигналов образуется 1024 реализации (набор сигналов от всех возможных пар элементов (генератор-приемник)) для 32-элементной структуры ФАР 3. На основание полученных реализаций получают C-скан с расположением дефектов на участке поверхности объекта контроля. Изменение временных задержек на генераторных и приемных элементах ФАР 3 позволяет осуществлять фокусировку энергии волны в заданной точке по глубине и углу. Угол ввода УЗ волн с помощью электронной фокусировки варьируется в диапазоне от 0 до 90°.
На фиг. 3 и 4 приведены графики, иллюстрирующие сигналы, полученные на контрольном образце при использовании восьмиэлементной ФАР и одноэлементного ЭМАП, соответственно. Как видно на фиг.3 при использовании восьмиэлементной ФАР амплитуда полученного сигнала, отраженного от дефекта контрольного образца в 8 раз больше, чем амплитуда полученного сигнала, отраженного от того же дефекта при использовании одноэлементного ЭМАП.
Таким образом, благодаря выбранной топологии ФАР с многослойной структурой с общим количеством элементов равным 32, обеспечивается возможность управлять углом ввода УЗ волны в широком диапазоне путем изменения временных задержек. Увеличенное количество элементов ФАР позволяет значительно увеличить амплитуду формируемого и принимаемого сигнала.