МНОГОКАНАЛЬНЫЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области ультразвукового контроля и может быть использована для механизированного, автоматизированного или автоматического ультразвукового контроля труб, листового и сортового проката.
Известен ультразвуковой преобразователь, так называемый, «раздельно- совмещенный преобразователь» (РС), содержащий в одном корпусе две призмы, разделенные экраном, и с наклеенными на призмы активными элементами - пьезоэлектрическими пластинами. На одну из призм обычно наклеивают только излучающие элементы (один или более), на другую - только приемные (один или более) [1].
Такая конструкция, а именно, наличие двух призм, разделенных электромагнитным и/или акустическим экраном, позволяет максимальным образом избавиться от так называемых реверберационных шумов, характерных для совмещенного преобразователя, в котором активные элементы обладают как функцией излучения, так и функцией приема. Как следствие, раздельно-совмещенные преобразователи позволяют существенным образом минимизировать «мертвую зону» вдоль направления излучения/приема. Как правило, такие преобразователи возбуждают и принимают ультразвук по направлению нормали к поверхности объекта контроля, и используются как для обнаружения дефектов, так и для толщинометрии труб, листов, а так же изделий, имеющих приблизительно параллельные друг другу поверхности. Дефекты, в основном, параллельные поверхности ввода, а также сами поверхности и технологические элементы объекта контроля, отражают упругие волны, в том числе, в направлении излучения. Эти волны регистрируются приемными элементами преобразователя, формируя информационные сигналы, по которым определяют наличие или отсутствие дефектов, толщину стенки, а так же
состояние акустического контакта преобразователя с поверхностью объекта контроля.
Недостатком такого преобразователя является невозможность его эффективного использования для обнаружения трещин и прочих дефектов, не параллельных поверхности ввода ультразвука.
Известен ультразвуковой преобразователь, так называемый, «наклонный призматический преобразователь» (НП), содержащий корпус и находящуюся в нем призму с наклеенными на нее одним или несколькими активными приемо-излучающими элементами, возбуждающий и принимающий упругие колебания, как правило, под некоторым углом по отношению нормали к поверхности объекта контроля. Такие преобразователи широко применяются в промышленности, например, при контроле труб, стенок сосудов, котлов, сварных соединений. Недостатком такого преобразователя является то, что в большинстве практических случаев конструкция такого преобразователя не обеспечивает наличие «опорных» сигналов, а значит, возникает сложность в определении исправности преобразователя и состояния его акустического контакта с контролируемым изделием [2].
Особенно неприятной является ситуация, когда диагностика качества и целостности изделий осуществляется с помощью многоканальных систем автоматического ультразвукового контроля. Достоверность и техническая корректность контроля, при отсутствии надежной информации об исправности аппаратуры и качестве акустического контакта, часто вызывает возражения со стороны инспектирующих организаций.
Известен ультразвуковой преобразователь, призма которого содержит дополнительную пьезопластину для излучения в металл продольной волны в том же месте, где вводится основная поперечная волна. Эта дополнительная пластина предназначена для оценки акустического контакта призмы с объектом контроля. Возможность использования ее с дефектоскопическими целями весьма ограничена, из-за неизбежных реверберационных помех [3].
Недостатком этого преобразователя является так же невозможность излучать и принимать ультразвук под углом к нормали в разных направлениях одновременно. В то же время большинство норм и стандартов на автоматизированный ультразвуковой контроль предписывает необходимость «озвучивания» дефектов с двух противоположных направлений. Это требование связано с тем, что зачастую дефекты (например, трещины,
непровары) отражают ультразвук с противоположных направлений не одинаковым образом.
Поэтому значительное количество современных норм и стандартов на УЗК предписывают, чтобы схемы контроля предусматривали излучение и прием ультразвука как по нормали к поверхности объекта контроля, так и под углом к ней - как минимум в двух противоположных направлениях.
Для этих целей базовая, минимально-необходимая конфигурация оборудования автоматического ультразвукового контроля должна предусматривать, как правило, применение нескольких преобразователей - например, применительно к трубам: один РС для толщинометрии и обнаружения расслоений в стенке трубы, и два НП, «стреляющие» в противоположные стороны - для выявления трещин и непроваров.
Для целей автоматического УЗК наклонные преобразователи должны размещаться парами на таком расстоянии друг от друга, которое обеспечивает обмен сигналами, которые могут быть использованы для оценки качества акустического контакта и/или интерпретированы как «опорные».
Как видно из рисунка (Фиг.5), для эффективного обмена сигналами оптимальное расстояние между ними зависит, при прочих условиях, от толщины объекта контроля. То есть, оборудование должно содержать специальный, достаточно сложный и громоздкий механизм, позволяющий регулировать расстояние между преобразователями и их взаимную ориентацию. Эти регулировки требуют времени, усложняют эксплуатацию оборудования.
Другим недостатком таких систем является неизбежное снижение плотности ультразвукового контроля: при пропадании акустического контакта в одном из преобразователей, опорный сигнал теряется, и факт нарушения акустического контакта приходится фиксировать для обоих преобразователей.
Очень часто, состояние акустического контакта РС-преобразователя может оцениваться гораздо проще: по амплитуде принимаемых «донных» сигналов.
Таким образом, известная конфигурация, широко применяемая на практике, весьма громоздка и неудобна для практического использования, особенно при контроле труб и прочих изделий с криволинейными поверхностями. В этом случае неизбежно усложняется механика: все три модуля приходится
устанавливать в разных плоскостях, независимо друг от друга, на вполне определенной дистанции. Выбор этих параметров зависит от геометрических параметров объекта контроля, в частности, для труб - от диаметра и толщины стенки.
В таких условиях оператор может легко ошибиться: «человеческий фактор» принципиально оказывает существенное, притом негативное влияние на достоверность ультразвукового контроля.
Кроме того, настройка взаимного расположения преобразователей, их юстировка, занимают значительное время.
В известной конструкции преобразователя [4] пьезоэлектрические элементы расположены на разных, не параллельных друг другу поверхностях призм (призма, поз.2 и призма, поз.3). На каждой из призм имеются, как минимум, две функциональные группы, расположенные на разных, в общем случае не параллельных друг другу поверхностях, призм.
Согласно [4] техническим результатом изобретения является уменьшение количества пропущенных дефектов: например, раньше оставалось не замеченными 25 дефектов из 100, теперь - только 10.
То есть, задачи упрощения конфигурации дефектоскопического оборудования, создания условий для эффективного контроля исправности аппаратуры и состояния акустического контакта, увеличения количества направлений «прозвучивания» объекта контроля, снижения влияния «человеческого фактора» на результаты ультразвукового контроля, данное известное изобретение не ставит, не решает, и на их решение не претендует.
Известен ультразвуковой преобразователь, принятый нами за прототип, содержащий корпус, электрический кабель с разъемом, призму, выполненную, например, из органического стекла, смонтированный на ней набор акустически изолированных друг от друга пьезоэлектрических элементов, в котором набор пьезоэлектрических элементов сформирован на цельной пластине из пьезоэлектрического материала с низким значением взаимной акустической связи между соседними областями в направлении плоскости пластины, причем пластина имеет металлическое покрытие на обеих ее сторонах, а металлическое покрытие на одной из сторон пластины представляет собой, как правило, единственный, электрически цельный элемент, выполняющий функцию общего электрода, а металлическое покрытие на другой стороне пластины образует параллельные, электрически изолированные друг от друга элементы, длина которых приблизительно
равна размеру пластины в месте расположения элемента, а ширина удовлетворяет условию: 10 мм ≥ Н ≥ 0,2 мм, причем количество элементов N, сформированных на пластине удовлетворяет условию: N = 2…….64 [5].
В известной полезной модели достигается усовершенствование конструкции преобразователя для повышения его эффективности и получения высоких направленных свойств за счет согласования формы ультразвуковой решетки преобразователя с геометрической формой призмы.
Однако, известный преобразователь не в состоянии с достаточной степенью надежности обнаруживать разнообразно ультразвука в нем ограничено, ориентированные несплошности, поскольку количество эффективных направлений возбуждения и приема.
Предлагаемый многоканальный многофункциональный ультразвуковой преобразователь сохраняет все полезные свойства прототипа и, кроме того, позволяет эффективно обнаруживать разнообразно ориентированные несплошности.
Указанное свойство преобразователя и является основной целью предполагаемого изобретения - полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в многоканальньном многофункциональном ультразвуковом преобразователе, содержащем корпус, акустические призмы, как минимум две группы излучающих и/или приемных, и/или приемоизлучающих пьезоэлектрических элементов, электрический и/или акустический экран, электроды всех или части пьезоэлектрических элементов - пьезопластин, входящих в состав как минимум одной группы, разделены на совокупность из электрически изолированных друг от друга полосок в количестве не менее двух штук, имеющих независимые электрические выводы, причем все, или, как минимум, две полоски из совокупности являются «узкими», ширина d которых удовлетворяет условию:
d=(0.1÷3)·λ,
-
где λ  длина упругой волны, излучаемой в материал призмы, при этом, группа «узких» полосок в рамках одного пьезоэлемента образует как минимум одну - либо приемную, либо излучающую, либо приемо-излучающую фазированную решетку, целенаправленное управление временными сдвигами в работе которой, осуществляемое с помощью внешних генераторов и/или приемников, позволяет формировать различные направления излучения и/или приема упругих колебаний.
Кроме того, в многоканальном многофункциональном ультразвуковом преобразователе, в рамках как минимум одного пьезоэлектрического элемента, наряду с «узкими» полосками, сформированы и полоски, ширина h которых удовлетворяет условию: h>3λ, пьезоэлементы выполняют из композитной керамики или полимерной пьезопленки.
Более широкие полоски могут быть сформированы в рамках одного пьезоэлемента наряду с «узкими» в том случае, если для условий дефектоскопической задачи требуется сохранить некоторые фиксированные направления излучения и/или приема, осуществляемые пьезоэлементом.
Как уже указывалось, параллельные поверхности диэлектрических пластин - пьезоэлементов, как правило, предварительно металлизированы. Эти металлические покрытия являются электродами. Наиболее простой способ разделить пьезоэлемент на относительно независимые с электрической и акустической точек зрения части - это механически разделить один из электродов на упомянутые выше полоски. Второй электрод обычно является «общим».
Полезный результат: ультразвуковой преобразователь, будучи подключенным к соответствующей генераторной и/или приемной электронной аппаратуре, позволяет обнаруживать разнообразно ориентированные несплошности.
Рисунки
Фиг. 1 Конструкция преобразователя - объекта предлагаемой полезной модели, имеющей дополнительный подвод контактной жидкости в зону контакта.
Фиг.2 Вид А на линейку активных элементов, содержащих несколько пьезопластин.
Фиг.3 Узел I с одной пьезопластиной.
Фиг.4 Вид В на одну пьезопластину сбоку.
Фиг.5 - схема обмена акустическими сигналами.
Предлагаемая полезная модель (фиг. 1 - фиг.4) содержит корпус 1, акустические призмы 2, излучающие, приемные, приемоизлучающие пьезоэлектрические элементы - линейки 3 активных элементов - пьезопластин 4, наклеенные на призмы 2, электрический и/или акустический экран 5, опционально - каналы 6 для подвода контактной жидкости Е в рабочую зону преобразователя, опционально - заливку 7. Отраженные от дефектов сигналы показаны соответствующими стрелками,
расположенными под углами направления распространения ультразвуковых колебаний α=0-90 градусов (фиг.4 и фиг.5).
Электроды всех или части линейки 3 активных элементов - пьезопластин 4, разделены на электрически изолированные друг от друга полоски 8 шириной d=(0.1÷3)·λ, в количестве не менее двух штук, электрически независимо соединенные с контактами входного и/или выходного разъема. Совокупность полосок 8 в рамках одной пьезопластины 4 образует приемную, излучающую, или приемо-излучающую фазированную решетку. В рамках как минимум одного пьезоэлектрического элемента, наряду с «узкими» полосками, могут быть сформированы и полоски 9 (фиг.3), ширина h которых удовлетворяет условию: h>3λ.
Каждая полоска 8 при помощи разъема электрически соединена со своим генератором и/или приемником (не показаны). Целенаправленное управление временными сдвигами в работе генераторов и/или приемников позволяет формировать различные направления излучения и/или приема упругих колебаний.
Группы элементов, находящихся вблизи акустического экрана, используются в прототипе для:
- толщинометрии;
- обнаружении расслоений и прочих несплошностей, преимущественно параллельных поверхности ввода,
- контроле акустического контакта, как для своей группы, так и для групп, обозначенных на фиг.1 поз.3.
Настоящая полезная модель позволяет использовать указанные группы пьезоэлементов не только для этих целей, но и для обнаружения поперечных по отношению к оси преобразователя дефектов.
Что касается групп пьезоэлементов, обозначенных на фиг.1 поз.3, то кроме обнаружения продольных по отношению к оси преобразователя несплошностей, то настоящая полезная модель позволяет использовать их и для обнаружения произвольно ориентированных несплошностей.
Пьезопластины 4 целесообразно выполнять из композитной керамики. В этом случае достигается максимальная акустическая изоляция полосок 8 в рамках одной пьезопластины 4.
Источники информации
1. А.С. СССР №1534388
2. А.С. СССР №603896
3. Патент США №2,667,780
4. А.С. СССР №415572
5. Патент РФ №113585