Формирователь акустического поля в твердом теле
GENERATOR OF ACOUSTIC FIELD IN SOLID BODY

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве генератора последовательных дозированных акустических импульсов при тестировании высокочастотной датчиковой аппаратуры.
Все существующие средства технической диагностики не являются абсолютно надежными. Поэтому предусматривают, как правило, системы их контроля, как в процессе монтажа, пуско-наладочных работ, так и на стадии планово-профилактических работ, межрегламентных проверок (см. Коллакот Р. Диагностика повреждений, пер. с англ. под ред. П.Г. Бабаевского. - М.: Мир, 1989).
Для акустических диагностических систем, например, работающих в режиме регистрации пассивного ультразвука (акустической эмиссии), актуальным является наличие системы контроля, формирующей тестовый акустический сигнал в диагностируемом объекте для оценки функционирования установленного на нем приемника акустического сигнала. При этом существенно, чтобы тестовый сигнал соответствовал природе акустической эмиссии (АЭ) - импульсному возмущению (скачку давления), образующемуся в материале объекта вследствие развития дефекта, роста трещины и т.п.
Известны электрические методы формирования периодических и импульсных механических возмущений в объекте: пьезоэлектрический, магнитострикционный, электроискровой, лазерный и др. Однако такое оборудование является достаточно сложным, требующим собственной проверки и настройки, а также не является достаточно безопасным для работы во взрыво- и пожароопасных средах.
Из неэлектрических способов формирования дозированного воздействия на объект известен способ Су-Нильсена (см. Неразрушающий контроль. Под ред. В.В. Клюева, том 7. - М. : Машиностроение, 2005), заключающийся в предварительном нажатии объекта грифелем цангового карандаша и его последующем изломе. При этом сила механического возмущения предполагаемой ступенчатой функции величиной 1…10Н зависит от диаметра грифеля.
Такой способ и устройство используют в основном для оценки электрофизических характеристик преобразователей АЭ в лабораторных условиях.
Для диагностируемого промышленного оборудования такой способ и устройство не используются из-за низкой производительности и возможного влияния на человека факторов окружающей среды (например, высокой температуры, высоких электромагнитных полей и т.п.).
Из механических методов формирования акустического поля известен патент РФ №2021857 «Устройство для получения акустических колебаний», опубликован 30.10.1994 г/, которое содержит шары, закрепленные на упругих стенках, являющихся излучателями акустических колебаний, и привод шаров. Устройство за счет столкновения шаров генерирует в рабочую среду акустические колебания упругих стенок и составных частей шаров. Устройство позволяет получать спектр акустических колебаний от нескольких тысяч герц до 3000 кГц, отличается простотой конструкции и не требует специальных элементов преобразования, используемых в устройствах для получения ультразвуковых колебаний электрическими методами.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и поэтому выбрано в качестве прототипа. Недостатком этого устройства является то, что оно не может функционировать без привода и подвода к нему необходимой энергии для соударения шаров, а также не обеспечивает в достаточной степени дозированных импульсных воздействий (по амплитуде и длительности).
Решаемой технической задачей является создание формирователя акустического поля в материале объекта с импульсным воздействием дозированной амплитуды и длительности, обеспечивающего возможность функционирования как в нормальных, так и в пожаро-взрывоопасных условиях.
Достигаемым техническим результатом является возможность формирования в исследуемом объекте акустических импульсов дозированной амплитуды и длительности без устройств с приводом для соударения шаров и без подвода к нему каких-либо источников энергии.
Для достижения технического результата в формирователе акустического поля, содержащем шары, имеющих возможность соударения с поверхностью излучателя для возбуждения упругих волн, новым является то, что введены сообщающиеся между собой камеры, в одной из которых находятся металлические шары одинакового диаметра с возможностью пересыпания их в другую камеру под действием силы тяжести и воздействием на один из торцов излучателя в виде цилиндрического волновода, который установлен в каждой камере со стороны ее основания с возможностью перемещения вдоль ее оси, при этом другой торец волновода сопряжен с исследуемым объектом, а камеры образованы в корпусе, между которым и исследуемым объектом установлен элемент регулирования высоты смещения волновода в камере, причем отношение длины волновода к его диаметру более пяти.
Новая совокупность существенных признаков в заявляемом устройстве позволяет за счет высыпания шаров через отверстие между камерами формировать последовательность дозированных импульсов давления в излучателе в течение времени, необходимого для проведения контрольно-технологических операций на объекте, не требует собственного контроля и калибровки, устойчиво к внешним дестабилизирующим факторам (различного рода излучениям, полям) и взрыво-пожаробезопасно.
Устройство не содержит привода для обеспечения соударения шаров, не требует подвода к нему какого-либо источника энергии.
В заявляемом устройстве происходит формирование упругих волн сжатия за счет соударения металлических (стальных) шаров с металлическим (стальным) телом излучателя. Такое соударение представляется в виде симметричного полукосинусоидального импульса, параметры которого (амплитуда и длительность) зависят от скорости соударения и массы шара (см. Глаговский Б.А., Козачок А.Г., Пеллинец B.C., Солодкин Ю.Н. Расчеты реакции линейных систем на импульсное возбуждение. - Новосибирск: Наука, 1971).
Известна зависимость скорости падающего тела от высоты:
где V - скорость соударения (м/с);
2
g - ускорение свободного падения (м/с);
h - высота падения шара.
В свою очередь, длительность удара (τ) и максимальное значение осевой силы (Р), развивающейся во время соударения стального шара со стальным телом, можно оценить (см. Дейвис P.M. Волны напряжений в твердых телах, М. ИИЛ, 1981) в зависимости от скорости соударения (с учетом физико-механических характеристик стали), по следующим зависимостям:
где R - радиус шара
ш
В таблице 1 представлены вычисленные значения длительности удара и силы для различной высоты падения стального шара различного диаметра (d). Там же представлены максимальные значения давления (σ) для импульса, реализуемые в стальном стержне диаметром 5 мм.
Из таблицы видно, что при соударении со стальным телом стальных шариков диаметром 0,5…1,5 мм, падающих с высоты 10…50 мм, реализуется формирующий в теле волну сжатия ударный импульс длительностью ≈ 1,8…6,2 мкс.
Для сравнения на фиг. 1 представлены экспериментально зарегистрированные формы импульсов АЭ от скачка трещины в стали, взятые из различных источников (см. Kline R.A., Green R.E., Palmer С.Н. Acoustic Emission Wave Forms From Cracking Steel: Experiment and Theory // Journal of Applied Physics. 1981. V. 52. N 1.P. 141-146. Wadley H.N.G., Scruby C.B. Elastic Wave Radiation from Cleavage Crack Extension // Intern. Journal of Fracture. 1983. V. 23. N 2. P. 111-128). В частности, на фиг. 1 в) представлен импульс АЭ от скачка трещины, зарегистрированный оптическим методом.
Из сравнения видно, что при вышеуказанных соударениях шариков реализуются длительности импульсов, достаточно близкие к регистрируемым импульсам АЭ.
На фиг. 2 представлен общий вид устройства формирователя акустического поля в твердом теле.
Формирователь акустического поля в твердом теле содержит шары 5, имеющие возможность соударения с торцом излучателя 3, в результате чего в последнем формируются упругие волны сжатия, перемещающиеся вдоль оси и воздействующие на исследуемый объект 8, а также камеры 1 и 2, сообщающиеся между собой, в одной из которых изначально расположены металлические шары одинакового диаметра с возможностью пересыпания их в другую камеру под действием силы тяжести и воздействия на торец излучателя в виде цилиндрического волновода 3 (4), который установлен в каждой камере 1 (2) со стороны ее основания и имеет возможность перемещения вдоль ее оси. Другим торцом волновод 3 сопрягается с исследуемым объектом 8, при этом камеры образованы в корпусе 7, между которым и исследуемым объектом установлен элемент регулирования высоты 6 смещения волновода в камере, причем длина волновода к его диаметру выполнена в соотношении более пяти.
Формирователь акустического поля в твердом теле работает следующим образом. При установке его на объект 8 из верхней камеры 2 начинают высыпаться стальные шарики 5 в нижнюю камеру 1 и производить соударение с торцом стального волновода 3, опирающегося другим торцом на диагностируемый объект. В волноводе формируется волна давления с дозированными значениями амплитуды и длительности, т.к. диаметр и высота падения шариков остаются постоянными.
Волноводы в обеих камерах имеют возможность свободно смещаться вдоль оси в направляющей втулке 9, акустически экранирующей волновод от основания камеры. При закончившемся процессе высыпания шариков из камеры 2 достаточно повернуть корпус на 180° и установить его на элемент регулирования высоты 6 камерой 2 к объекту.
В предложенном устройстве волновод, имея возможность смещаться вдоль оси камеры, регулирует высоту падения шариков до соударения, обеспечивая, тем самым, изменение интенсивности импульсного воздействия (силы Р, длительности τ) и, соответственно, формируемого поля звуковых давлений в исследуемом объекте.
Волноводное исполнение передачи импульсного воздействия от падающих шариков к объекту при соотношении длины волновода к его диаметру более пяти выбрано для обеспечения равномерного распределения по поперечному сечению волновода напряжений и смещений в волне сжатия на его конце, сопрягаемом с объектом, и, как следствие, повышения равномерности формируемого акустического поля в объекте.
Был изготовлен образец, проведены испытания, которые подтвердили осуществимость заявляемого устройства.