Резонансный способ ультразвуковой толщинометрии
RESONANCE METHOD FOR ULTRASONIC THICKNESS MEASUREMENT

Изобретение относится к области неразрушающих испытаний ультразвуковыми методами и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для толщинометрии компактных образцов материалов и изделий, имеющих пространственную форму куба или параллелепипеда.
Известен способ ультразвуковой эхо-импульсной толщинометрии (Королев М.В. Эхо-импульсные толщиномеры. М: Машиностроение, 1980, 111 с), заключающийся в том, что в материал изделия излучают ультразвуковой импульс, принимают затем импульсы, многократно отраженные от противоположных поверхностей материала, и измеряют время распространения импульсов от одной поверхности изделия до другой и обратно. Толщину же вычисляют как произведение половины этого времени на скорость С распространения ультразвуковых импульсов в материале.
Недостатком настоящего технического решения является невысокая достоверность и точность результатов измерений при толщинометрии крупногабаритных изделий, выполненных из бетона, характеризующегося высоким частотно-зависимым затуханием ультразвука. Сильное ослабление амплитуды эхо-сигналов и искажение их формы приводит к появлению высокой погрешности и низкой достоверности результатов измерений.
max
max
Известен импакт эхо-способ ультразвуковой толщинометрии с использованием свободных колебаний (ASTM С 1383, "Test Method for Measuring the P-Wave Speed and the Thickness of Concrete Plates, using the Impact-Echo Method," 2000 Annual Book of ASTM Standards (Copyright ASTM) American society for testing and materials, Vol.04.02, ASTM, West Conshohocken, PA 19428). Указанный способ резонансной ультразвуковой толщинометрии заключается в том, что на поверхности контролируемого объекта типа плита в произвольно расположенной точке регистрации устанавливают приемный преобразователь, в точке возбуждения, находящейся на этой же поверхности и отстоящей от точки регистрации на расстояние не более 0,4 измеряемой толщины Н, импактором осуществляют короткий удар. Многократные переотражения сигнала продольной волны от верхней и нижней поверхностей контролируемой плиты порождают затухающий во времени колебательный процесс, частота которого обратно пропорциональна толщине плиты. Приемный преобразователь, расположенный рядом с точкой удара, регистрирует эти резонансные колебания и преобразует их в электрический радиоимпульсный сигнал. После преобразования Фурье амплитудная характеристика частотного спектра этого сигнала представляет собой резонансную амплитудно-частотную характеристику контролируемого объекта. Основной, доминантный, явно выраженный резонансный пик на резонансной амплитудно-частотной характеристике контролируемого объекта появляется вследствие существования толщинного механического резонанса продольных акустических колебаний. По значению частоты ƒ, доминантного резонансного пика в соответствии с формулой Н=С/2ƒ определяют значение толщины Н контролируемого объекта.
Недостатком такого способа являются низкие точность и достоверность контроля компактных объектов, имеющих форму куба, цилиндра или параллелепипеда, т.к. в компактных объектах, при соизмеримости величины толщины и поперечных размеров, в узком диапазоне частот, соответствующих частоте толщинного резонанса, может возбуждаться несколько мод резонансных колебаний с частотами, значения которых определяются соотношениями геометрических размеров и совокупность которых не позволяют идентифицировать толщинный
резонанс, соответствующий измеряемому размеру, и, значит, точно измерить соответствующее его максимуму значение частоты.
max
max
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является резонансный способ ультразвуковой толщинометрии (патент РФ на изобретение «Резонансный способ ультразвуковой толщинометрии» №2664785, публ. 22.08.2018, МПК G01B 17/02), заключающийся в том, что на одной из двух противоположных, ограничивающих измеряемую толщину граней компактного объекта, в точке регистрации, положение которой выбирается в центре грани, устанавливают приемный преобразователь, а по поверхности противоположной грани в основной точке возбуждения наносят импактором короткий механический удар. Линию, соединяющую точку регистрации и основную точку возбуждения ориентируют таким образом, чтобы она была перпендикулярна ограничивающим измеряемую толщину граням объекта и проходила через центр грани расположения точки регистрации. Приемным преобразователем принимают возбуждаемые в этой точке объекта резонансные колебания, форма временного представления которых зависит от локальных резонансных свойств контролируемого объекта и которые, в свою очередь, определяются конфигурацией и свойствами материала объекта. Далее, применяя к регистрируемым резонансным колебаниям математическую операцию преобразования Фурье, определяют и регистрируют основную резонансную амплитудно-частотную характеристику контролируемого объекта. Далее, не изменяя положения точки регистрации, осуществляют N дополнительных циклов измерения, N раз помещая точку возбуждения в N дополнительных позиций возбуждения, каждая следующая из которых отстоит от любой из предыдущих позиций на расстояние не меньшее 0,2 Н. Соблюдение этого условия позволяет обеспечить взаимное различие формы резонансных амплитудно-частотных характеристик преимущественно для частот, отличающихся от частоты искомого толщинного резонанса. Затем последовательно в каждой дополнительной точке возбуждения ударяют импактором по поверхности контролируемого объекта, измеряют и регистрируют N дополнительных резонансных амплитудно-частотных характеристик. После окончания регистрации все N+1 зарегистрированные резонансные амплитудно-частотные характеристики перемножают между собой, в результате образуя итоговую резонансно-мультипликативную амплитудно-частотную характеристику контролируемого объекта. Далее определяют значение частоты ƒ, соответствующей максимуму амплитуды итоговой амплитудно-частотной характеристики, и в соответствии с формулой Н=С/2ƒ определяют значение толщины Н контролируемого объекта.
Недостатком такого способа являются низкие точность и достоверность определения значения толщины Н компактных объектов, выполненных из бетона, представляющего собой ортотропный материал, и имеющих форму куба или параллелепипеда, т.к. в компактных объектах при соизмеримости величины толщины и поперечных размеров, в узком диапазоне частот, соответствующих частоте толщинного резонанса, может возбуждаться несколько различных мод резонансных колебаний, совокупность которых не позволяют выделить соответствующий измеряемому размеру толщинный резонанс и точно определить соответствующее максимуму амплитуды значение частоты.
Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в повышении отношения амплитуды регистрируемого сигнала моды толщинного резонанса к амплитудам регистрируемых сигналов диагональных и поперечных мод помеховых резонансов.
Техническим результатом является повышение достоверности и точности результатов измерения толщины контролируемых объектов.
max
Это достигается тем, что в известном резонансном способе ультразвуковой толщинометрии, основанном на возбуждении затухающих колебаний в контролируемом объекте коротким ударом импактора по поверхности контролируемого объекта в точку возбуждения, являющуюся геометрическим центром грани возбуждения, и регистрации сигналов акустических резонансных колебаний, на основе которых вычисляют амплитудно-частотную характеристику контролируемого объекта, по которой измеряют значение частоты ƒmax, соответствующей максимуму амплитуды амплитудно-частотной характеристики, и по формуле Н=С/2ƒ, где С - это скорость распространения акустической волны в материале контролируемого объекта, определяют значение толщины Н контролируемого объекта, при этом регистрацию сигналов резонансных колебаний осуществляют посредством приема сигнала основного резонансного колебания в основной точке регистрации, расположенной в геометрическом центре грани, противоположной грани возбуждения, и сигналов дополнительных резонансных колебаний в дополнительных точках регистрации, расположенных в геометрических центрах остальных четырех граней контролируемого объекта, причем расстояние от точки возбуждения до точки приема сигнала основного резонансного колебания является измеряемой толщиной Н контролируемого объекта, сигнал основного резонансного колебания инвертируют по фазе, далее суммируют его с сигналами дополнительных резонансных колебаний, по полученному сигналу суммарного резонансного колебания определяют амплитудно-частотную характеристику контролируемого объекта.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего резонансный способ ультразвуковой толщинометрии; на фиг.2.а показан регистрируемый сигнал основного резонансного колебания и на фиг.2.б. показана основная амплитудно-частотная характеристика контролируемого объекта; на фиг.3. изображен один из регистрируемых дополнительных сигналов резонансных колебаний; на фиг.4.а изображен сигнал суммарного резонансного колебания и суммарная резонансная амплитудно-частотная характеристика контролируемого объекта (фиг.4.б).
Устройство, реализующее предлагаемый резонансный способ ультразвуковой толщинометрии, содержит электроакустически последовательно соединенные импактор 1, основной приемный преобразователь 2, инвертор 3, выход которого соединен с первым входом сумматора 4 и блок вычисления резонансной амплитудно-частотной характеристики 5. Выходы первого 6, второго 7, третьего 8 и четвертого 9 дополнительных приемных преобразователей соединены, соответственно, со вторым, третьим, четвертым и пятым входами сумматора 4.
Основной приемный преобразователь 2 установлен в геометрическом центре основной грани приема компактного контролируемого объекта 10, которая противоположна грани возбуждения, предназначенной для нанесения удара импактором 1.
Первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 дополнительные приемные преобразователи установлены в геометрических центрах четырех дополнительных граней приема компактного контролируемого объекта 10.
Резонансный способ ультразвуковой толщинометрии осуществляется следующим образом.
На пяти гранях компактного контролируемого объекта в геометрических центрах граней устанавливают пять приемных преобразователей: один основной приемный преобразователь устанавливается на основной грани приема, противоположной грани возбуждения, по которой будет наноситься удар импактором (см. фиг.1), и четыре идентичных дополнительных преобразователя устанавливаются в центрах четырех дополнительных граней приема компактного контролируемого объекта. Импактором 1 по поверхности грани возбуждения контролируемого объекта 10 в точке возбуждения осуществляют короткий и резкий удар. В точках контроля, расположенных в геометрических центрах пяти граней контролируемого объекта 10 регистрируют импульсные сигналы резонансного колебания объекта 10, которые отображают его импульсную характеристику: основным приемным преобразователем 2 регистрируют основной сигнал резонансного колебания объекта 10 (на фиг.2.а показана основная экспериментальная импульсная характеристика компактного объекта 10 контроля), и первым 6, вторым 7, третьим 8 и четвертым 9 дополнительными преобразователями регистрируют четыре дополнительных сигнала резонансного колебания объекта 10 (дополнительные импульсные характеристики) (на фиг.3 показана одна из экспериментально зарегистрированных дополнительных импульсных характеристик компактного объекта 10 контроля). Формы сигналов резонансных колебаний подобны одна другой за исключением того, что сигнал основного резонансного колебания (фиг.2.а) противофазен сигналам дополнительных резонансных колебаний (фиг.3). Для того, чтобы все сигналы резонансных колебаний синфазно суммировать, сигнал основного резонансного колебания инвертируют по фазе посредством инвертора 3, включенного между выходом основного приемного преобразователя 2 и первым входом сумматора 4.
Таким образом, синфазное суммирование всех пяти сигналов резонансных колебаний, зарегистрированных в пяти точках контроля, расположенных в геометрических центрах пяти граней контролируемого объекта 10, позволяет получить на выходе сумматора 4 суммарный сигнал резонансных колебаний (фиг.4.а), в составе которого увеличена относительная амплитуда резонансного колебания продольной моды, и соответственно на 3 - 5 дБ увеличена относительная амплитуда гармоники, соответствующей этой моде, относительно амплитуд гармоник помеховых резонансов прочих мод колебаний, связанных с компактностью формы и ортотропностью объекта контроля 10 (фиг.4.б).
max
max
Далее измеряют значение частоты ƒ, соответствующей максимуму амплитуды итоговой амплитудно-частотной характеристики, и в соответствии с формулой H=С/2ƒ определяют значение толщины Н контролируемого объекта.
Использование изобретения позволяет увеличить амплитуду максимума суммарной амплитудно-частотной характеристики контролируемого объекта, за счет уменьшения амплитуд гармоник прочих мод колебаний, связанных с компактной формой и ортотропностью контролируемого объекта, что повышает достоверность и точность толщинометрии в 1,5-2 раза.