СЕЛЕКТИВНЫЙ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УПРУГИХ ВОЛН
SELECTIVE ACOUSTIC EMISSION CONVERTER OF ELASTIC WAVES

Изобретение относится к акустико-эмиссионной (АЭ) диагностике состояния объектов контроля (ОК) типа сварных металлоконструкций и касается вопросов создания избирательных приемников АЭ сигналов для выделения наиболее информативных мод колебаний и волн, возникающих в ОК при локальной дискретной перестройке его напряженно-деформированного состояния в связи с возникновением и подрастанием дефектов.
Основным типом диагностируемых промышленных ОК являются листовые сварные конструкции плоской, цилиндрической, сферической и прочих конфигураций со стенками различной толщины, как правило, с параллельными поверхностями. К ним относятся различного рода сосуды давления, хранилища опасных химических сред, сжиженных газов, испытательные камеры высокого давления, корпуса транспортных объектов, летательных и подводных аппаратов; магистральных, холодильных, корабельных и прочих видов трубопроводов, а также строительные конструкции.
Известны различные акустико-эмиссионные пьезопреобразователи (ПАЭ) - резонансные, полосовые. и широкополосные - на основе применения пьезоэлементов (ПЭ) с круговой диаграммой направленности излучения и приема сигналов на плоскости или развертке криволинейной листовой конструкции как основного технического требования к ПАЭ для возможности определения координат источников АЭ и оценки степени их опасности (В.В. Клюев Неразрушающий контроль. Справочник, Т.7, кн.1, В.И. Иванов, И.Э. Власов Метод акустической эмиссии, М. Машиностроение, 2005 г.).
В существующих ПАЭ в основном используют схемы прямых пьезопреобразователей ультразвуковой дефектоскопии, состоящие из ПЭ в виде цилиндров, усеченных конусов или колец, с электродами, поляризованных по толщине, с рабочей поверхностью, защищенной твердым протектором, недемпфированных с тыльной поверхности и принимающих АЭ сигналы через тонкий жидкостной контактный слой (ЖКС), распространяющиеся под поверхностью ОК.
Такие пьезопреобразователи неэффективно выделяют высокоамплитудные моды нормальных волн в твердых слоях (И.А. Викторов, Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М., Наука, 1966 г.), так как плоскопараллельная структура слоев в ПАЭ под различными углами преломляет приходящие на рабочую поверхность ПЭ пучки возможных мод нормальных волн, создавая условия их некогерентной интерференции, и неоптимального углового выделения высокоамплитудных составляющих суммарного сигнала.
В ультразвуковой дефектоскопии известны селективные призматические пьезопреобразователи продольных волн состоящие из ПЭ с нанесенными на него электродами на которых создается электрическое напряжение U АЭ сигнала, возникающее за счет пьезоэффекта под действием преломленных упругих волн объемного или поверхностного типа, и призмой из оргстекла (или других пластмасс) с постоянным или переменным углом ввода при излучении поверхностных волн Рэлея или поперечных волн в ОК под углом, большим первого критического угла (Н.П. Алешин Методы акустического контроля металлов, М., Машиностроение, 1989 г.). Например, угол преломления продольной объемной волны в призму при приеме из ОК поверхностной волны Рэлея рассчитывают по формуле:
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>V</mi><mi>R</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
пр
где с - скорость продольных волн в призме;
R
V- скорость волн Рэлея в ОК.
R
N
Этот угол аналогично определяют и при приеме отдельных симметричных и антисимметричных мод нормальных волн Лэмба на определенной частоте при замене V в формуле 1 на фазовую скорость V распространения моды с индексом N (0,1,2,…∞):
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>V</mi><mi>N</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Указанные пьезопреобразователи ультразвукового контроля (УЗК) обладают узкой угловой апертурой излучения и приема сигналов и их нельзя применять для ненаправленного приема АЭ сигналов в плоскости или на развертке в плоскость криволинейных листовых конструкций, поскольку для АЭ локации дефектов необходима круговая диаграмма направленности приема в этих плоскостях.
Известен также ПЭ для полосовых приемных преобразователей, в котором реализуется круговая диаграмма направленности (Патент РФ №2152140, МПК H04R 17/00, В06В 1/06, G01N 29/04, 2000 г.), принятый за прототип. Данный преобразователь состоит из кругового ПЭ, поверхности которого образованы вращением плоской фигуры в виде выпуклого многоугольника с числом сторон не менее четырех вокруг оси, перпендикулярной основанию ПЭ.
Основные недостатки прототипа:
- электрод его рабочей поверхности расположен параллельно поверхности ОК, что позволяет принимать через ЖКС только часть упругого смещения поверхности - нормальную составляющую;
- использование протектора только для защиты электрода (посеребрение) рабочей поверхности ПЭ прямого преобразователя от повреждения и акустического согласования материалов протектора и пьезокерамики для максимальной передачи нормального смещения на ПЭ;
- в условиях отсутствия угловой избирательности приема селектируемой моды лучевые пучки отдельных мод поступают на рабочую поверхность кольцевого ПЭ прототипа разновременно и под разными углами, создают в структуре "протектор-пьезоэлемент" некогерентную интерференцию различных мод волн (реверберационный фон) и уменьшают, таким образом, соотношение "сигнал/шум";
- неэффективен по амплитуде излучаемого сигнала при использовании в качестве имитатора АЭ сигналов при проведении калибровки и проверки качества (стабильности) акустического контакта отдельных ПАЭ с поверхностью ОК в общей антенне АЭ, поскольку является излучателем прямого, а не наклонного типа.
Задачей предлагаемого изобретения является создание селективного ультразвукового пьезопреобразователя сигналов АЭ с круговой диаграммой направленности в плоскости развертки поверхности ОК, обеспечивающего избирательное излучение и прием наиболее информативных высокоамплитудных мод нормальных волн с целью увеличения точности локации растущих дефектов и повышения надежности оценки степени их опасности.
Указанный технический результат достигается тем, что в состав селективного ПАЭ упругих волн введен акустический блок, включающий в себя круговой ПЭ, выполненный в виде конечного цилиндра или усеченного конуса, с углом наклона боковой поверхности к основанию не более 90°, и призму-протектор, вставленную в круговой ПЭ, сопрягающуюся по форме с его внутренней рабочей поверхностью. Причем материал призмы-протектора имеет скорость продольных волн меньше скорости распространения селектируемой моды нормальных волн, а рабочий электрод нанесен на внутреннюю поверхность кругового ПЭ.
Введение в состав селективного ПАЭ упругих волн призмы-протектора позволяет не только защитить ПЭ от повреждений, но и использовать его одновременно в качестве преломляющей призмы, подающей полное смещение частиц протектора нормально к рабочей поверхности ПЭ для обеспечения условий угловой избирательности приема и излучения выбранной моды нормальных волн.
Нанесение рабочего электрода на внутреннюю поверхность кругового ПЭ позволяет осуществлять прием полного смещения поверхности ОК за счет нормального падения преломленного пучка лучей селектируемой моды на рабочую поверхность ПЭ, то есть создания условия угловой избирательности приема. Это так же позволяет эффективно использовать пьезопреобразователь в режиме излучения АЭ сигналов при калибровке на ОК и проверке качества (стабильности) акустического контакта отдельных ПАЭ с поверхностью ОК в общей антенне АЭ.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунком, где на фигуре представлена принципиальная схема одного из вариантов селективного ПАЭ упругих волн с параллельными друг к другу электродами и с внутренней полостью в виде цилиндра.
<mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover>
Селективный ПАЭ упругих волн с круговой диаграммой направленности, состоит из кругового ПЭ 1, поверхности которого образованы вращением плоской фигуры в виде выпуклого многоугольника с числом сторон не менее четырех вокругоси, перпендекулярной основанию ПЭ, с нанесенными на его боковые поверхности электродами 2 с вектором поляризации
, на которых создается электрическое напряжение U АЭ сигнала, возникающее за счет пьезоэффекта под действием преломленных упругих волн из ОК 3, и точно сопрягающейся по форме с ПЭ, например, путем вклеивания призмы-протектора 4. Между ОК и ПАЭ нанесен ЖКС 5, предназначенный для создания акустического контакта между ними. Стрелками на фигуре условно обозначены акустические волны, распространяющиеся в ОК и ПАЭ.
Предложенное устройство селективного ПАЭ упругих волн работает следующим образом.
При выполнении калибровки на ОК или проверки стабильности жидкостного акустического контакта предлагаемые селективные ПАЭ эффективно излучают поверхностные волны в ОК по закону взаимности излучения и приема как излучатели наклонного типа с круговой диаграммой направленности, трансформирующие продольные объемные волны, распространяющиеся в призме-протекторе в поверхностные волны в ОК. В случае, когда селективный ПАЭ используется в качестве приемника АЭ сигналов при любом угле падения поверхностных или поверхностно-объемных волн Лэмба из ОК на поверхность призмы-протектора, преломленная волна в ней будет поверхностной с глубиной проникновения не более 1,5-2 длин волн, так как призма-протектор изготовлена из материала, в котором скорость распространения поперечных волн больше скорости поперечных волн в ОК. Это позволяет добиться необходимой чувствительности и минимизировать общие габариты пьезопреобразователя при соответствующей минимизации физической емкости кольцевого ПЭ за счет уменьшения его ширины до двух длин волн. Кроме того, упрощает технологию изготовления из пьезокерамики и поляризации ПЭ, а также его экранирование в корпусе ПАЭ, что существенно удешевляет производство идентичных ПАЭ, используемых в многоканальных системах АЭ диагностики.
Таким образом, применение принципов работы узконаправленных призматических ультразвуковых преобразователей и использование специальной конфигурации круговых ПЭ-приемников АЭ сигналов, посредством ввода в структуру ПАЭ призмы-протектора, преломляющей лучи селектируемой моды нормальных волн под углом нормального падения на рабочий электрод ПЭ в направлении распространения, создаются, по сравнению с прототипом, необходимые условия получения основных технических характеристик селективных ПАЭ упругих волн - круговой диаграммы направленности и повышенной избирательной чувствительности приема высокоамплитудных мод нормальных волн, распространяющихся в листовых конструкциях.