СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
METHOD AND APPARATUS FOR ULTRASONIC FLAW DETECTION

С помощью ультразвука могут быть обнаружены дефекты или отсутствие целостности в объемах и на поверхностях элементов конструкции или технических компонентов. Преимуществом используемой в предпочтительном варианте при ультразвуковой дефектоскопии ультразвуколокационной техники является способность к высокой степени обнаружения плоскостных расслоений, к примеру, трещин. Предпосылкой надежного обнаружения является то, что имеющиеся в исследуемом объекте дефекты соответствующим образом резонируют. Ультразвуковая дефектоскопия используется как в процессе изготовления, в качестве встроенной функции контроля с целью обеспечения качества, так и в качестве периодического контроля в рамках технического обслуживания, с целью обеспечения последующей пригодности исследуемого объекта.
В принципе, при ультразвуковой дефектоскопии при использовании импульсного эхо-метода обнаруживаются лишь те ошибки, ультразвуковое эхо которых воспринимается. Вопрос о том, определяется или нет такое отраженное от дефекта ультразвуковое эхо посредством используемого контрольного оборудования, зависит, таким образом, в значительной степени, от геометрического расположения сенсора, приемника и имеющегося в исследуемом объекте дефекта, а также от отражающих свойств данного дефекта.
Чтобы получить максимально полное изображение повреждений подвергаемой контролю детали или исследуемого объекта, используемое для контроля звуковое поле вводится в исследуемый объем в большом количестве различных точек множества различных резонансных направлений.
Таким образом, обследуемые области объема и поверхностей могут быть охвачены в полной мере. Обычно для этой цели поверхность контролируемого объекта обследуется посредством щупа, так что может быть пройдено большое количество различных точек введения звукового поля. Чтобы, кроме того, перекрыть максимально большее количество различных резонансных направлений, такой щуп имеет, как правило, несколько ориентированных в различных направлениях ультразвуковых преобразователей. Так, используемое для контроля ультразвуковое поле вводится в них обычно перпендикулярно, а также под углом в 45°, к поверхности исследуемого объекта.
Описанный способ растрового сканирования. предусматривает, однако, сравнительно продолжительное время произведения контрольных мероприятий. Если контроль должен быть произведен автоматически, то для реализации такого движения растрового сканирования необходимо использование дорогостоящих манипуляторов. Наконец, по-прежнему, имеет место определенная погрешность при оценке результатов контроля, так как невозможно покрыть или пройти ни все возможные точки введения звукового поля, ни все возможные резонансные направления, так чтобы всегда достоверно представить тип дефекта и геометрию дефекта. Такая погрешность в оценке контрольных данных может приводить к дополнительному браку в процессе изготовления или негативно воздействовать на техническую надежность.
В принципе, тип и количество используемых в системе контроля ультразвуковых сенсоров оптимизируется на основании поставленной контрольной задачи. При этом следует рассматривать как доступность подвергаемой контролю поверхности, так и достоверность результатов контроля применительно к потенциальной конфигурации дефекта.
Известный вариант технического усовершенствования ультразвуковой техники представляет собой так называемая техника группового излучения. При работе с этой техникой щуп группового излучателя берет на себя функцию нескольких ультразвуковых сенсоров. С помощью щупа группового излучателя может быть электронным образом настроен как угол введения звука, так и фокусирование звукового поля. Однако использование техники группового излучения влечет за собой достаточно высокие требования в отношении электроники для произведения контроля при таких продолжительных сроках испытаний. Время проведения испытаний остается продолжительным, так как за счет использования техники группового излучения можно уменьшить лишь количество необходимых единичных сенсоров за счет использования группового излучателя; количество контрольных тактов остается, однако, в принципе неизменным.
Целью современной ультразвуковой дефектоскопии является, наряду с качественным, зачастую и количественное содержание изображения повреждений исследуемого объекта. Так, наряду с местоположением дефекта интерес представляет и тип дефекта, а также его протяженность. На основании данных количественного контроля с большой степенью, надежности может быть дана оценка возможности дальнейшего использования исследуемого объекта. В зависимости от того, насколько существенен обнаруженный дефект, в качестве меры недопущения к дальнейшему использованию может рассматриваться ремонт исследуемого объекта или разрешение на дальнейшую работу.
В рамках количественного контроля без разрушения исследуемого объекта стремятся, кроме того, к 3D-визуализации контрольного изображения. С помощью техники группового излучения данные контроля уже визуализируются в этой форме, причем полученные контрольные изображения посредством известных томографических техник, как правило, визуализируются как B- или C-изображения в поперечном сечении или на виде сверху. Однако получение истинного 3D-изображения в настоящее время еще пока невозможно. Вместо этого производится лишь сложение 2D-изображений и 3D-изображений, причем ввиду ограниченного количества устройств для введения звукового поля приходится считаться с тем недостатком, что система невосприимчива к плоскостным расслоениям любой ориентации с наклоном к плоскости измерения.
Важным участком ультразвуковой дефектоскопии является контроль сверлений (engl: Boresonic Inspection). Такой контроль применяется, наряду с прочим, в высверленных валах турбин или на осях колесных пар железнодорожного подвижного состава. Ультразвуковые системы контроля сверлений отверстий известны.
При использовании таких известных ультразвуковых систем вращающийся щуп вводится в имеющуюся в исследуемом объекте полость, обычно в расположенное по центру исследуемого объекта сверления. В альтернативном варианте, вместо вращения щупа может быть использовано вращение обследуемой детали вокруг данного щупа. Такие ультразвуковые системы работают по принципу ультразвуковой многоканальной техники. Множество имеющихся в системе щупа ультразвуковых сенсоров вводят используемые для контроля ультразвуковые поля под различными углами с внешней стороны детали, то есть со стороны сверления, в материал исследуемого объекта. Как правило, наряду с сенсорами, ультразвуковое поле которых ориентировано перпендикулярно продольной оси исследуемого объекта, используются также сенсоры дискретного действия, ультразвуковое поле которых расположено с наклоном в 45° к продольной оси. С помощью последних сенсоров посредством так называемого «эффекта зеркального экера» могут быть обнаружены проходящие, прежде всего, в направлении по периферии исследуемого объекта внешние трещины. Способ, посредством которого могут быть обнаружены проходящие в продольном направлении детали внешние трещины, очевидны, к примеру, из документа DE 19952407 A1.
Обнаруженные дефекты, на основании известного местоположения в детали соответствующих отражателей, пространственно упорядочиваются, а также производится их оценка по величине и протяженности. В качестве основных или компенсационных отражателей используются, к примеру, имеющиеся на внешней стороне аналогичного по типу с исследуемым объектом тестового образца пазы или заделанные в него дисковые рефлекторы, которые идеальным образом сориентированы по соответствующему направлению введения звукового поля. Недостатком данных известных способов контроля является сравнительно продолжительное время контроля, так как осуществляется, к примеру, винтообразное обследование поверхности сверленого отверстия. Кроме того, определение состояния посредством компенсационных отражателей приводит к тому, что реальные дефекты лишь слабо или вообще не определяются посредством других отражательных свойств. Количественная оценка данных осмотра, касательно их типа и протяженности, также возможна лишь очень условно.
Задачей предложенного на рассмотрение изобретения является предоставление сведений о способе, а также об устройстве для ультразвуковой дефектоскопии, который / которое улучшено в отношении необходимого времени проведения контроля, а также в отношении обнаружения дефекта и анализа дефекта по сравнению с известными из уровня техники способами или устройствами.
Задача решается в соответствии с изобретением посредством способа согласно пункту 1 формулы изобретении и устройства с признаками пункта 13 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом последующих зависимых пунктов формулы изобретения.
При осуществлении способа ультразвуковой дефектоскопии в соответствии с изобретением на первом этапе щуп располагают внутри имеющегося в исследуемом объекте, проходящего в аксиальном направлении отверстия. Щуп располагают в аксиальном направлении и он имеет множество расположенных в этом аксиальном направлении следом друг за другом и на расстоянии друг от друга сенсорных колец. Они располагаются, соответственно, в плоскости перпендикулярно аксиальному направлению и имеют, соответственно, множество расположенных на расстоянии друг от друга ультразвуковых преобразователей. Ультразвуковые преобразователи расположены в сегменте соответствующего сенсорного кольца, который в направлении по периферии соответствующего сенсорного кольца располагается, по меньшей мере, на одном участке периферии соответствующего сенсорного кольца. Ультразвуковые преобразователи различных сенсорных колец могут располагаться при этом - в аксиальном направлении -как друг за другом, так и с небольшим смещением относительно друг друга. На следующем этапе способа исходящий от сегмента сенсорного кольца ультразвуковой контрольный импульс вводится в исследуемый объект. При этом ультразвуковые преобразователи синхронно или последовательно активизируются для испускания однотипных одиночных импульсов. Синхронно означает при этом, что одновременно активизируются несколько, в частности, все расположенные в сегменте сенсорного кольца ультразвуковые преобразователи. Наложение этих отдельных импульсов выявляет ультразвуковой контрольный импульс. На следующем этапе способа первый эхо-сигнал принимается первым ультразвуковым преобразователем, а второй эхо-сигнал вторым ультразвуковым преобразователем. Это относится к любому первому или второму ультразвуковому преобразователю щупа. Как первый, так и второй эхо-сигналы обусловлены отражением введенного ультразвукового контрольного импульса от одного и того же имеющегося в исследуемом объекте дефекта. Первый и второй ультразвуковые преобразователи пространственно отстоят друг от друга. Используемые в данном случае ультразвуковые преобразователи рассчитаны в предпочтительном варианте таким образом, что в аксиальном направлении они имеют угол открытия звукового поля до 120°, который, таким образом, существенно превышает имеющийся у используемых в традиционных ультразвуковых способах измерения ультразвуковых преобразователей угол открытия звукового поля, равный примерно 20°. За счет такого варианта осуществления ультразвуковых преобразователей добиваются того, что вырабатываемый ультразвуковым преобразователем ультразвуковой импульс облучает ультразвуком большую область, причем имеющийся в детали дефект регистрируется при большей зоне конфигурации угла. Кроме того, посредством другого угла открытия звукового поля возможно одновременное генерирование продольных и поперечных волн.
На следующем этапе способа проводится анализ измеренных значений первого и второго эхо-сигналов для определения места и/или положения дефекта в исследуемом объекте относительно первого и второго ультразвуковых преобразователей. Определение места или положения тем точнее, чем большее количество первых и вторых ультразвуковых преобразователей будут использованы в щупе.
Под щупом в предложенном на рассмотрение варианте осуществления изобретения понимается не обычный щуп лишь с одним ультразвуковым преобразователем, который эмитирует в определенном направлении излучения. Более того, в качестве щупа рассматривается система щупа, включающая в себя большое количество ультразвуковых преобразователей. Однако, с точки зрения удобочитаемости, следует оставить термин «щуп».
В основе способа ультразвуковой дефектоскопии в соответствии с изобретением лежит следующий тезис.
Так как при наложении ультразвуковых полей в детали речь, в принципе, идет о линейной задаче, то не является существенным тот факт, вводится ли рассматриваемый ультразвуковой контрольный импульс в исследуемый объект посредством синхронного или последовательного приведения в действие ультразвуковых преобразователей. Если ультразвуковые преобразователи приводятся в действие последовательно, по принятые сигналы дополнительно - чисто математически - накладываются друг на друга.
То же самое действительно для случая, когда размещенные в сегменте соответствующего сенсорного кольца ультразвуковые преобразователи используются для введения ультразвукового контрольного импульса в исследуемый объект. Веденный в исследуемый объект с определенным величиной сегмента углом раскрытия ультразвуковой контрольный импульс может быть - чисто математически - наложен на другой контрольный импульс, который посылается от соответствующего сегмента после поворота щупа.
Поэтому в соответствии с первым вариантом осуществления щуп между введением двух следующих друг за другом ультразвуковых контрольных импульсов поворачивается вокруг аксиального направления. В соответствии с вариантом усовершенствования изобретения множество контрольных импульсов для считывания исследуемого объекта вводятся в него, и щуп перемещается вдоль ориентированного в аксиальном направлении контрольного участка. В предпочтительном варианте щуп поворачивается или перемещается таким образом, что первое звуковое поле первого контрольного импульса и второе звуковое поле второго контрольного импульса частично перекрывают друг друга.
Так как при наложении ультразвуковых полей речь, в принципе, идет о линейной задаче, то используемые для контроля ультразвуковые поля дополнительно могут быть математически наложены друг на друга. Особо предпочтительно, когда отдельные, посланные во время поворота искателя вокруг аксиального направления контрольные импульсы - чисто математически - накладываются друг на друга таким образом, что предусмотренное для осуществления контроля ультразвуковое поле выдает кольцевую волну.
В предпочтительном варианте ультразвуковая дефектоскопия осуществляется таким образом, что сначала ультразвуковой шуп перемещается вдоль аксиального направления отверстия, причем обследуется лишь один сегмент исследуемого объекта. К примеру, в аксиальном направлении обследуется лишь четверть-сегмент исследуемого объекта. Затем щуп поворачивается на соответствующий угол, и происходит повторное обследование исследуемого объекта, на этот раз в смежном сегменте. После соответствующего количества проходов щупа данные измерений посредством наложения, соответственно, следующих друг за другом ультразвуковых контрольных импульсов суммируются в кольцевую волну, и эхо-сигналы подвергаются анализу.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления способа ультразвуковой щуп после подачи контрольного импульса поворачивается на соответствующий угол, к примеру, на 45°, затем посылается следующий контрольный импульс. После полного поворота на основании посланных ультразвуковых контрольных импульсов можно опять же чисто математически реконструировать кольцевую волну.
В соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения щуп поворачивается таким образом, что измеренный в плоскости перпендикулярно аксиальному направлению между первым положением, в котором подается первый ультразвуковой контрольный импульс, и вторым положением, в котором подается второй ультразвуковой контрольный импульс, угол поворота меньше, чем измеренный также в плоскости перпендикулярно аксиальному направлению угол раскрытия первого звукового поля первого или второго ультразвукового контрольного импульса. Другими словами, образующийся между отправкой первого и второго ультразвуковых контрольных импульсов угол поворота выбирается именно таким образом, что посланные в соответствующих положениях ультразвуковые контрольные импульсы перекрывают друг друга. Вследствие этого перекрытия может быть обеспечено математическое наложение ультразвуковых контрольных импульсов.
В качестве альтернативы варианту осуществления сенсорных колец с ультразвуковыми преобразователями в форме сегментов, в соответствии со следующим вариантом осуществления щуп может быть выполнен таким образом, что ультразвуковые преобразователи, по меньшей мере, одного сенсорного кольца расположены вдоль полной периферии на соответствующем сенсорном кольце. В особо предпочтительном варианте ультразвуковые преобразователи равномерно распределены вдоль периферии соответствующего сенсорного кольца. Ультразвуковые преобразователи щупа настраиваются, в предпочтительном варианте, синхронно или последовательно таким образом, что ультразвуковой контрольный импульс принимает форму распространяющейся перпендикулярно аксиальному направлению кольцевой волны. При последовательном приведении в действие кольцевая волна выявляется опять же на основании математического наложения отдельных импульсов.
Под многократно используемым термином «кольцевая волна» следует понимать исходящую от поверхности отверстия, распространяющуюся перпендикулярно аксиальному направлению внутрь исследуемого объекта ультразвуковую волну. В аксиальном направлении кольцевая волна является расходящейся. Если рассматривать крайний случай отверстия с любым малым сечением, то источник звука такой кольцевой волны ослабевает до распространяющегося вдоль аксиального направления источника с линейной апертурой, которая соответствует апертуре сенсорного элемента в направлении оси. Физически не идеальные волны также должны быть обозначены как кольцевые волны. Такая не идеальная кольцевая волна возникает, к примеру, тогда, когда для ее образования используется некоторое количество ультразвуковых преобразователей, апертуры которых и расстояние между которыми в направлении по периферии больше, чем задано теоремой о квантовании сигналов.
В предпочтительном варианте с помощью предусмотренной кольцевой волны объем исследуемого объекта может быть равномерно прозвучен. Вероятность обнаружения имеющегося в объеме или на поверхности исследуемого объекта дефекта, может быть, таким образом, повышена. Так как, кроме того, для приема исходящих от дефекта эхо-сигналов предусмотрено несколько ультразвуковых приемников, по известным правилам ультразвуковой томографии может быть произведена трехмерная реконструкция положения или величины отражения в объеме исследуемого объекта. Этой трехмерной реконструкцией может являться также фазочувствительный способ, который выдает особенно точные изображения касательно структуры или геометрии имеющегося дефекта.
В соответствии с вариантом усовершенствования изобретения для подачи кольцевой волны настраиваются ультразвуковые преобразователи одного отдельного сенсорного кольца, в то время как для приема эхо-сигнала предусмотрены ультразвуковые преобразователи нескольких сенсорных колец. Так как в данном случае множество ультразвуковых преобразователей готовы принять эхо-сигналы, вероятность того, что при определенном наложении также фактически возможно принять соответствующий эхо-сигнал посредством, по меньшей мере, одного из ультразвуковых преобразователей, повышается.
В соответствии с вариантом усовершенствования изобретения для ультразвуковой дефектоскопии исследуемого объекта используется большое количество ультразвуковых контрольных импульсов, причем щуп в промежутке времени между подачей двух ультразвуковых контрольных импульсов перемещается вдоль аксиального направления. При этом предпочтительном варианте щуп смещается на такую ширину шага, которая соответствует половине длины волны используемого для контроля ультразвукового контрольного импульса - измеренного в материале исследуемого объекта. Посредством перемещения щупа на половину длины волны может быть чисто математически увеличена эффективная апертура ультразвуковых преобразователей.
В соответствии со следующим вариантом способа предназначенные для испускания кольцевой волны сенсорные кольца настраиваются в аксиальном направлении друг за другом. При этом, соответственно, только одно из сенсорных колец предусмотрено для испускания кольцевой волны, в то время как ультразвуковые преобразователи всех сенсорных колец, то есть, в случае необходимости, и того сенсорного кольца, которое предусмотрено для испускания кольцевой волны, предусмотрены для приема эхо-сигналов. Другими словами, сенсорные кольца щупа как бегущий свет активируются друг за другом. Прием отражающего сигнала всегда происходит при помощи всех сенсорных колец, причем синхронный прием всех ультразвуковых преобразователей всех сенсорных колец влечет за собой особые преимущества касательно скорости произведения контроля.
Особо предпочтительным описанный вариант способа является тогда, когда, кроме того, расстояние между сенсорными кольцами - измеренное в аксиальном направлении - соответствует двойной длине волны. После того как одно или несколько сенсорных колец, в экстремальном варианте все сенсорные кольца щупа, были однократно активизированы на испускание, щуп перемещается в аксиальном направлении на половину длины волны. После того как щуп переместился на некоторое количество шагов, соответствующее расстоянию между сенсорными кольцами, апертура в соответствии с теоремой о квантовании сигналов продолжает увеличиваться и искусственная апертура набора данных измерений возрастает на сегмент кольца, то есть на протяженность сенсорного кольца в аксиальном направлении. На следующем этапе возрастания может быть образована практически любая по величине искусственная апертура, которая содержит достаточное количество измеренных значений для трехмерной, с высокой разрешающей способностью, реконструкции изображения. В предпочтительном варианте, таким образом, с высокой разрешающей способностью могут быть измерены и сильно удаленные от поверхности измерения дефекты, так как звуковое поле в силу большой искусственной апертуры может быть искусственно сфокусировано и на больших удалениях.
Следующее преимущество состоит в возможности достижения высокой скорости произведения контроля, причем вместе с этим имеется возможность для томографической 3D-реконструкции. В предпочтительном варианте для реконструкции могут быть использованы принятые отдельными ультразвуковыми преобразователями сигналы не одинакового направления, А-изображения, которые, говоря математическим языком, образуют информационную матрицу. Эта информационная матрица описывает информацию по измерениям, которая предоставляется для проведения томографической реконструкции. Щуп с количеством «n» ультразвуковых преобразователей, которые могут как подавать, так и принимать сигналы, образует в максимальном варианте информационную матрицу «n» раз по «n» элементов, причем на основании теоремы о взаимозаменяемости элементы i, j содержат ту же информацию, что и элементы j, i. Если в предпочтительном варианте одновременно активизируются «m» ультразвуковых преобразователей сенсорного кольца и все ультразвуковые преобразователи осуществляют прием по отдельности, то матрица уменьшается на (n/m)·n элементов, которые, соответственно, содержат сумму сведений, которая аналогичным образом возникает в материале за счет наложения звуковых полей.
Система может быть далее уменьшена на тот случай, если сигнал испускает лишь одно сенсорное кольцо в одном положении щупа. В этом случае матрица содержит лишь 1·n элементов. В этом крайнем случае можно в предпочтительном варианте осуществить проверку с максимальной скоростью.
Устройство в соответствии с изобретением для ультразвуковой дефектоскопии исследуемого объекта, имеющее проходящее в аксиальном направлении отверстие, включает в себя щуп и обрабатывающее устройство для осуществления способа в соответствии с изобретением по одному из пп.1-12. Щуп располагается также как и отверстие в аксиальном направлении и имеет множество расположенных в аксиальном направлении следом друг за другом и на расстоянии друг от друга сенсорных колец. Расположенные на сенсорных кольцах ультразвуковые преобразователи могут располагаться при этом в аксиальном направлении - как друг за другом, так и с небольшим смещением относительно друг друга. Последние располагаются в плоскости перпендикулярно аксиальному направлению и имеют множество расположенных в направлении по периферии сенсорных колец ультразвуковых преобразователей.
Преимущества, указанные в связи со способом, аналогичным образом относятся и к устройству.
В соответствии с первым вариантом осуществления ультразвуковые преобразователи, по меньшей мере, одного сенсорного кольца расположены вдоль полной периферии на сенсорном кольце. В предпочтительном варианте ультразвуковые преобразователи равномерно располагаются вдоль полной периферии на сенсорном кольце. В предпочтительном варианте такое устройство позволяет излучать кольцевую волну.
В соответствии со следующим вариантом осуществления передающие элементы в направлении по периферии сенсорного кольца отстоят друг от друга на расстоянии, которое больше, чем половина длины волны посылаемого передающими элементами контрольного импульса - измеренного в материале исследуемого объекта. Другими словами, величина зазора между сенсорными элементами в направлении по периферии сенсорного кольца может быть больше, чем та же величина, определенная теоремой о квантовании сигналов. Посредством использования подходящих алгоритмов фильтрования обусловленные тем самым искажения изображения при анализе полученных измеренных данных могут быть скорректированы.
В соответствии с вариантом усовершенствования изобретения передающие элементы следующих друг за другом в аксиальном направлении сенсорных колец - в проекции в направлении оси щупа - смещены относительно друг друга в общем направлении по периферии щупа. В предпочтительном варианте передающие элементы следующих друг за другом сенсорных колец в направлении по периферии смещены относительно друг друга, соответственно, на одинаковый угол поворота.
Изобретение поясняется далее более детально со ссылкой на фигуры чертежей. Соответствующие конструктивные элементы снабжены при этом одинаковыми ссылочными позициями.
На чертежах представлено:
фиг.1 - продольный разрез фрагмента исследуемого объекта, а также щупа,
фиг.2 - поперечное сечение известного из фиг.1 исследуемого объекта и щупа,
фиг.3a-f - смоделированное распространение контрольного импульса в исследуемом объекте в различные моменты времени,
фиг.4 - 3D-реконструкция цилиндрического участка исследуемого объекта,
фиг.5-7 - соответственно, 2D-проекция представленной на фиг.4 3D-реконструкции в xy-, yz- или xz-плоскостях.
Фиг.1 демонстрирует находящийся внутри отверстия 26 щуп 2 дефектоскопа в продольном разрезе. Щуп 2 при помощи являющегося частью контрольной трубки стержня 4 вводится в отверстие 26. В альтернативном варианте щуп 2 может вводиться в отверстие 26 при помощи тягового устройства с использованием гибкого вала. Под исследуемым объектом должен пониматься, к примеру, полый вал 6, имеющий аксиально-концентричное отверстие 26. Щуп 2 включает в себя восемь расположенных в аксиальном направлении L следом друг за другом сенсорных колец 81-88. В представленном примере аксиальное направление L отверстия совпадает с центральной продольной осью щупа 2. Каждое из сенсорных колец 81-88 включает в себя восемь служащих, как в качестве ультразвуковых передатчиков, так и в качестве ультразвуковых приемников, ультразвуковых преобразователей 10. Положение ультразвуковых преобразователей 10 в направлении по периферии сенсорного кольца 81-88 изменяется от одного сенсорного кольца 81-88 к другому. Это приводит к тому, что в представленном на фиг.1 поперечном сечении видны лишь ультразвуковые преобразователи 10 сенсорных колец 82, 85 и 88. Сенсорные кольца 81-88, а точнее их ультразвуковые преобразователи 10 расположены со смещением относительно друг друга таким образом, что при повороте на 15° вокруг аксиального направления L сенсорное кольцо 81-88 переходит в следующее в аксиальном направлении L сенсорное кольцо 81-88. К примеру, сенсорное кольцо 82 после трехкратного поворота на 15° переходит в сенсорное кольцо 85.
Имеющиеся в сенсорных кольцах 81-88 ультразвуковые преобразователи 10, к примеру, посредством нагружения усилием пружины, прижимаются к внутренней стороне 12 полого вала 6. Для введения ультразвукового поля в расположенном между щупом 2 и внутренней стороной 12 полого вала 6 зазоре 14 дополнительно присутствует подходящая проводящая среда, к примеру масло.
Для контроля полого вала 6 на имеющийся, к примеру, дефект 16 в исследуемый объект, то есть в полый вал 6, вводится ультразвуковой контрольный импульс в форме кольцевой волны. Введение производится при помощи синхронно работающих ультразвуковых преобразователей 10 одного из сенсорных колец 81-88, причем, к примеру, сенсорное кольцо 85 предусмотрено для испускания вырабатываемой посредством синхронной работы ультразвуковых преобразователей 10 кольцевой волны. Также возможно приводить ультразвуковые преобразователи 10 в действие последовательно, а полученные измерительные сигналы дополнительно математически накладывать друг на друга.
В продолжение концепции последовательной настройки ультразвуковых преобразователей 10 сенсорного кольца 81-88 в альтернативном варианте к представленному на фиг.1 примеру осуществления изобретения в щуп 2 могут быть помещены такие сенсорные кольца 81-88, которые лишь вдоль определенного участка периферии соответствующих сенсорных колец 81-88 оснащены ультразвуковыми преобразователями 10. Ультразвуковые преобразователи 10 в этом случае объединены в один сегмент.
Фиг.2 демонстрирует поперечное сечение полого вала 6 и щупа 2 на высоте сенсорного кольца 85. Вдоль периферии сенсорного кольца 85 располагаются восемь ультразвуковых преобразователей 10, которые могут приводиться в действие синхронно или последовательно. В альтернативном варианте сенсорное кольцо 85 щупа 2 может быть выполнено таким образом, что оно лишь на сегменте 30 имеет три ультразвуковых преобразователя 10. В этом примере осуществления изобретения соответствующие сегменты других сенсорных колец 81-84 и 86-88 имеют такое же количество ультразвуковых преобразователей. Разумеется, возможно и другое их количество. Как свидетельствует пример осуществления изобретения, с помощью щупа 2, который лишь на соответствующих расположенных по периферии сегментах соответствующих сенсорных колец 81-88 укомплектован ультразвуковыми преобразователями 10, контроль полого вала 6 может быть произведен в соответствии с описанными ниже вариантами осуществления способа.
С помощью описанного выше щупа 2 сначала вдоль аксиального направления L обследуется лишь фрагмент, в представленном примере осуществления примерно четвертая часть полого вала 6. После такого контрольного прохода щуп 2 поворачивается, к примеру, на 90° вокруг аксиального направления L и обследуется смежный четверть-сегмент полого вала 6. После четырех контрольных проходов поданные от сегмента 30 щупа 2 в соответствующих друг другу аксиальных положениях ультразвуковые контрольные импульсы математически суммируются в кольцевую волну. Таким образом, имеет место полное обследование полого вала 6 с помощью полученных посредством математического наложения кольцевых волн.
В альтернативном варианте после того, как ультразвуковые преобразователи 10 сегмента 30 были активизированы для испускания ультразвукового контрольного импульса, чтобы остаться в рамках указанного выше примера, щуп 2 может быть повернут на 90°, так что в смежный четверть-сегмент полого вала 6 может быть передан следующий ультразвуковой контрольный импульс. Лишь после того, как полый вал 6 был обследован с помощью полного поворота щупа 2, а это позволяет осуществить математическое сложение поданных контрольных импульсов в кольцевую волну, щуп 2 перемещается в аксиальном направлении L.
Для дальнейших пояснений снова следует сослаться на фиг.1, причем опять же речь пойдет о щупе 2, включающем в себя сенсорные кольца, которые вдоль всей своей периферии оснащены ультразвуковыми преобразователями 10. В частности, сенсорные кольца 81-88 щупа 2 вдоль всей своей периферии должны быть равномерно оснащены ультразвуковыми преобразователями 10. Далее исходят из того, что ультразвуковой контрольный импульс в форме кольцевой волны производится посредством синхронной или последовательной настройки ультразвуковых преобразователей 10 такого сенсорного кольца 81-88.
В то время, как для испускания кольцевой волны используется лишь одно из сенсорных колец 81-88, для приема эхо-сигналов предусмотрены все сенсорные кольца 81-88, включая подающее сигналы сенсорное кольцо 85. На фиг.1 представлено лишь направление Е испускания выходящего из ультразвуковых преобразователей 10 сенсорного кольца 85 контрольного импульса. Выходя из ультразвуковых преобразователей 10 сенсорного кольца 85, контрольный импульс в форме кольцевой волны распространяется в исследуемом объекте, имеющем форму полого вала. При этом данная кольцевая волна, ввиду небольших в аксиальном направлении L габаритов ультразвуковых преобразователей 10, в этом направлении является сильно расходящейся. При попадании ультразвукового контрольного импульса на дефект 16 образуются эхо-сигналы 20, которые улавливаются расположенными на расстоянии друг до друга ультразвуковыми преобразователями 10. В представленном примере осуществления изобретения речь идет об ультразвуковых преобразователях 10 сенсорных колец 82, 85 и 88. По аналогии с известными приборами импульсной эхо-дефектоскопии, с тем отличием, что в данном случае в них обрабатывается большое количество эхо-сигналов 20, вместо лишь одного эхо-сигнала, может быть определено состояние, а также местоположение дефекта 16 внутри полого вала 6 относительно ультразвуковых приемников, то есть ультразвуковых преобразователей 10 сенсорных колец 82, 85 и 88.
Настройка ультразвуковых преобразователей 10 щупа 2 осуществляется с помощью обрабатывающего устройства 28, которое через соответствующий кабель соединено с ультразвуковыми преобразователями 10. Обрабатывающее устройство 28 регулирует введение ультразвукового поля в полый вал 6 и, кроме того, обеспечивает оценку принятых ультразвуковыми преобразователями 10 эхо-сигналов 20.
Фиг.2 демонстрирует описанную в связи с фиг.1 ситуацию в поперечном сечении. Показано поперечное сечение полого вала 6, а также щупа 2 на высоте сенсорного кольца 85. В качестве примера, необходимо исходить из того, что восемь ультразвуковых преобразователей 10 сенсорного кольца 85 синхронно приводятся в действие таким образом, что испускают кольцевую волну, которая радиально в направлении Е испускания распространяется в являющийся объектом контроля полый вал 6. Два волновых фронта 18 этой кольцевой волны обозначены на фиг.2 схематично. Ультразвуковой контрольный импульс отражается от имеющегося в полом валу 6 дефекта 16, а эхо-сигналы 20 принимаются пространственно отстоящими друг от друга ультразвуковыми преобразователями 10 сенсорного кольца 85. На основании этих эхо-сигналов 20 дефект 16 может быть локализован в представленной на фиг.2 плоскости разреза, то есть в плоскости перпендикулярно аксиальному направлению L.
Так как теперь локализация дефекта 16 возможна как в плоскости, параллельной аксиальному направлению L (см. фиг.1), так и в плоскости, перпендикулярной этому аксиальному направлению L, то однозначно можно определить пространственное положение дефекта 16 относительно щупа 2.
Далее должен быть пояснен следующий конкретный пример осуществления изобретения. Для этой цели исходят, к примеру, из того, что подвергаемый контролю полый вал 6 выполнен из стали и обследуется с контрольной частотой 4 мГц. Диаметр внутреннего отверстия полого вала 6 должен также составлять, к примеру, 30 мм. Апертура представленных на фиг.1 и 2 ультразвуковых преобразователей 10 должна составлять две длины волны, в направлении по периферии сенсорного кольца 81-88. Это значение является оптимизируемым на основании конкретного технического контрольного задания параметром, который определяет количество контрольных каналов и качество контрольного изображения. Так как длина продольной волны при контрольной частоте в 4 мГц в стали составляет примерно 1,5 мм, то апертура ультразвуковых преобразователей 10 в направлении по периферии равна примерно 3 мм.
Зазор А между двумя ультразвуковыми преобразователями 10 в направлении по периферии сенсорного кольца 81-88 составляет примерно 9 мм (см. фиг.2). Сенсорное кольцо 81-88 включает в себя соответственно восемь ультразвуковых преобразователей 10, которые равномерно распределены по периферии соответствующего сенсорного кольца 81-88. Величина зазора A в сочетании с апертурой осциллятора в две длины волны нарушает теорему о квантовании сигналов. Вызванные этим искусственные явления, за счет использования подходящих фильтрующих алгоритмов, могут быть, однако, в полной мере исключены из результатов измерения.
Ультразвуковые преобразователи 10 следующих друг за другом в аксиальном направлении L сенсорных колец 81-88 в направлении по периферии смещены относительно друг друга соответственно на 1,5 мм; это (в отличие от представленного на фиг.1, 2 примера осуществления изобретения) соответствует повороту соответствующего сенсорного кольца 81-88 примерно на 5, 6°. Другими словами, сенсорные кольца 81-88 смещены относительно друг друга так, что у девятого по порядку сенсорного кольца его ультразвуковые преобразователи 10 снова находятся в том же положении, что и у первого сенсорного кольца 81. Так как апертура ультразвуковых преобразователей составляет 3 мм, а зазор А между ультразвуковыми преобразователями составляет 9 мм, то через 12 мм следует следующий осциллятор. Таким образом, сенсорные кольца 81-88 повернуты относительно друг друга соответственно на 1,5 мм (1,5 мм×8=12 мм).
Зазор AS между сенсорными кольцами 81-88 (см. фиг.1) составляет три с половиной длины волны при апертуре в аксиальном направлении в половину длины волны, то есть на всех шести миллиметрах находится сенсорное кольцо 81-88.
Для ультразвукового обследования полого вала 6 следом друг за другом все сенсорные кольца 81-88 активизируются к излучению кольцевой волны, причем исходящие от дефекта 16 эхо-сигналы 20 воспринимаются, соответственно, всеми сенсорным кольцами 81-88. После того как контакты сенсорных колец 81-88 щупа 2 последовательно перемкнуты, а такое действие именуется также контрольным циклом, щуп 2 смещается в аксиальном направлении L на половину длины волны. После восьми таких контрольных циклов получают полноценную апертуру приема по всей длине щупа 2, в котором располагаются сенсорные кольца 81-88.
Если ультразвуковая система работает с частотой следования импульсов в 1 кГц, и щуп 2 уже после одного передающего действия смещается в аксиальном направлении L, то это соответствует контрольной скорости в 750 мм в секунду. Если все восемь сенсорных колец 81-88 используются для передачи, то контрольная скорость уменьшается в восемь раз и составляет, таким образом, примерно 100 мм в секунду. При такой контрольной скорости проверка полого вала 6 длиной 2 м могла бы быть произведена примерно за 20 с. При меньших контрольных скоростях могут восприниматься стабилизирующие избыточные данные при перекрытии положений сенсоров.
Фиг.3a-f демонстрирует расчет по модели на базе обычного упруго-динамического кода для распространения кольцевой волны в акустически изотропном твердом теле. Выходя от источника 24 звука, кольцевая волна 22 распространяется внутрь твердого тела (см. фиг.3a и b). Когда она достигает дефекта 16, образуются эхо-сигналы 20 (см. фиг.3c). Кольцевая волна 22 проходит мимо дефекта 16, в то время как рассеянные эхо-сигналы 20, в зависимости от геометрии дефекта 16, распространяются в твердом теле более или менее в противоположных направлениях. Вокруг места расположения источника 24 звука, который с целью упрощения изображен лишь в виде точки, находятся также ультразвуковые приемники для приема эхо-сигналов 20, так что на основании времени распространения эхо-сигналов и с помощью нескольких находящихся на расстоянии друг от друга приемников можно определять положение дефекта 16 внутри твердого тела (см. фиг.3d-f).
Местоположение и форма установленного дефекта 16 при использовании обычных топографических алгоритмов реконструкции представляются в истинном 3D-изображении исследуемого объекта. В распоряжении пользователя имеется, таким образом, трехмерная наглядная схема повреждений, как показано, к примеру, на фиг.4.
Фиг.4 демонстрирует схематичный вид в перспективе цилиндрического участка полого вала 6 в качестве исследуемого объекта. Рядом с центральным отверстием 26 в виде полости видны имеющиеся в объеме вала дефекты 161-165.
Наряду с представленным 3D-изображением дефектов могут быть показаны различные проекции, которые представлены, к примеру, на фиг.5-7.
Так, фиг.5 демонстрирует проекцию известной из фиг.4 трехмерной реконструкции в плоскости xy. Фиг.6 и 7 демонстрируют другие проекции этой трехмерной реконструкции в плоскостях yz или xz.