Многоканальный ультразвуковой преобразователь

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля и может быть использована в системах автоматизированного ультразвукового контроля листового или сортового проката, заготовок и труб.
Описание полезной модели
Полезная модель относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано в системах автоматизированного ультразвукового контроля листового или сортового проката, заготовок и труб.
Известен многоканальный ультразвуковой преобразователь, принятый нами за прототип, который содержит корпус, как минимум одну акустическую призму и приемоизлучающие пьезоэлектрические элементы. Внутри призмы, в пространстве между пьезоэлектрическими элементами и поверхностью призмы, примыкающей к объекту контроля, дополнительно размещен или сформирован по крайней мере один отражатель ультразвуковых импульсов, причем расстояние R между пьезоэлектрическими элементами и отражателем выбирается из условия R>C×То/2, где С - скорость упругой волны в материале призмы, То - длительность переходных процессов в электронно-акустическом тракте после воздействия зондирующего импульса. Отражатель/отражатели выполнен(ы) в виде, например, цилиндра/цилиндров, ось которого/которых перпендикулярна акустической оси пьезоэлектрических элементов, акустическая призма может быть выполнена из жидкости, в том числе, отделенной от объекта контроля звуко-прозрачной мембраной.
Отражатели могут быть выполнены в виде проволочных игл, позволяющих отразить некоторую небольшую часть излученной в призму энергии в направлении пьезоэлектрических элементов, и таким образом сформировать дополнительные опорные сигналы, по амплитуде которых можно судить об исправности и/или идентичности каналов электронно-акустического тракта.
Отражатель/отражатели могут быть выполнены и в виде струн, из материала, акустический импеданс которого существенно отличается от импеданса жидкости, образующей призму.
Как результат, ультразвуковой преобразователь, будучи подключенным к соответствующей генераторной/приемной электронной аппаратуре, позволяет в любой момент времени проверить исправность и идентичность любых каналов электронно-акустического тракта. Тем самым повышается надежность ультразвукового контроля, улучшается воспроизводимость его результатов.
Основным недостаткам прототипа является низкая стабильность акустических каналов, особенно проявляющаяся при нижнем, или, наоборот, верхнем расположении ультразвукового преобразователя по отношению к объекту контроля.
При использовании жидкости в качестве материала призмы пьезоэлектрические элементы и/или рабочая поверхность призмы и/или мембрана, неизбежно будут расположены параллельно поверхности ОК или под небольшим углом к ней. Если контроль листа, заготовки или трубы осуществляется снизу, то даже наличие мембраны не гарантирует, что частицы окалины или ржавчины не заблокируют один или несколько акустических каналов. В этом случае, даже при наличии опорных сигналов от отражателей, контроль может оказаться недостаточно достоверным.
В случае, если ультразвуковой преобразователь расположен над объектом контроля, то заблокировать ультразвуковые каналы могут, например, пузырьки воздуха, поднимающиеся в верх со стороны объекта контроля под действием подъемной силы. При определенных условиях мембрана может несколько улучшить ситуацию, но она не устраняет вредное влияние пузырьков воздуха полностью.
К недостаткам прототипа относится так же низкая механическая прочность призм (обычно это пластик) и мембраны в случае использования жидкой призмы. При массовом контроле металлопродукции вероятность повреждения этих элементов, снижения их рабочих свойств, является весьма высокой.
При использовании жидкости в качестве призм, но без мембраны (локально-иммерсионный контакт) легко повреждаются и/или блокируются загрязнениями/пузырьками сами пьезоэлектрические элементы [1].
Целью настоящей полезно модели является создание надежного, сравнительно недорогого многоканального ультразвукового преобразователя, устойчивого к мешающим факторам, возникающим в процессе массового, высокопроизводительного ультразвукового контроля металлургической продукции и труб.
Указанная цель достигается тем, что в многоканальном ультразвуковом преобразователе, содержащем корпус, как минимум одну жидкую акустическую призму, как минимум одну линейку приемных и/или излучающих пьезоэлектрических элементов (ЛПЭ) и размещенный в пространстве (на акустическом пути) между пьезоэлектрическими элементами и объектом контроля, по крайней мере, один отражатель ультразвуковых импульсов, отражатель выполнен в виде отклоняющего или поворачивающего основной пучок акустической энергии акустического зеркала с совокупностью из одной или более отражающих поверхностей (СОП), причем геометрическая форма и пространственное положение каждой отражающей поверхности выбираются в соответствии с требуемыми типом упругих волн и совокупностью направлений их излучения и/или приема, а опорные сигналы формируются либо за счет геометрической формы совокупности отражающих поверхностей, либо за счет специального сформированного на ней рельефа.
Достижению цели способствует и то, что источник опорных сигналов сформирован на рабочей поверхности зеркала.
Цель достигается так же тем, что источником опорных сигналов является как минимум одна проточка (царапина), выполненная на гладкой поверхности зеркала.
Цель достигают и тем, что источником опорных сигналов является шероховатый рельеф, сформированный на совокупности поверхностей зеркала при их обработке.
Достижению цели способствует то, что источником опорных сигналов является край рабочей поверхностей зеркала, создающий опорные сигналы, обусловленные дифракцией.
Цель достигается и за счет ступенек на рабочей поверхности зеркала; они представляют собой совокупность отражателей, отклоняющих лучи в заданных направлениях, в том числе не перпендикулярных оси зеркала и/или оси ЛПЭ, и, при необходимости, одновременно формирующие опорные сигналы.
Цель достигается и тем, что в качестве приемо-излучающих элементов СОП использованы многоэлементные блоки фазированных решеток, позволяющих либо корректировать направление основного пучка акустической энергии, либо получать дополнительные опорные сигналы, либо и то, и другое.
Способствуют достижению цели многоэлементные блоки фазированных решеток, которые имеют в общем случае не одинаковое количество приемных и излучающих элементов.
Так же цель достигается тем, что количество только излучающих элементов в многоэлементных блоках фазированных решеток существенно превышает количество приемных или приемо-излучающих элементов.
Пример устройства приведен на Фиг. 1.
1 - объект контроля (ОК - пруток), 2 - корпус преобразователя, 3 - твердосплавные элементы, 4 - линейка приемных и/или излучающих элементов (ЛПЭ), 5 - съемное, легко заменяемое линейно фокусирующее зеркало, 6 - шероховатая рабочая поверхность зеркала, 7 - штуцер подвода воды, 8 - рычажная подвеска, 9 - пневмоцилиндр, 10 - вода, 11 - рабочий объем (призма), 12 - дефект, 13 - пузырьки воздуха, 14 - отверстие для выхода воздуха, 15 - фазированная решетка.
Полезная модель работает следующим образом.
Корпус преобразователя 2 устанавливают на объект контроля 1 с помощью пневмоцилиндра 9, воздействующего на рычажную подвеску 8. Через штуцер 7 заполняют рабочий объем 11 водой 10. С помощью электронного блока (для простоты не показан) на элементы линейки приемных и/или излучающих элементов 4 (ЛЭ) подают короткие радиоимпульсы, возбуждающие в воде 10 импульсы ультразвуковых волн. Эти волны распространяются в воде 10 в направлении зеркала 5, фокусируются его шероховатой поверхностью 6, отклоняются в направлении ОК 1, и, частично, отражаются в обратном направлении к ЛЭ 4 в виде опорных сигналов. Войдя в ОК 1, энергия ультразвукового импульса распространяется в нем, частично отражается от дефекта 12 и, пройдя границу ОК 1, поступает на зеркало 5, отклоняются его рабочей поверхностью 6 в направлении ЛЭ 4, и регистрируются приемной аппаратурой.
При этом ЛЭ-4 находится в стороне от непосредственного воздействия ОК 1. Пузырьки воздуха 13 поднимаются вверх вне зоны ЛЭ-4, и уходят из преобразователя через отверстия 14, не задерживаясь на крутом склоне зеркала 5. Таким образом, достигается высокая стабильность в работе описываемого ультразвукового преобразователя. На Фиг. 2 приведена фотография многоканального ультразвукового преобразователя описываемой конструкции, который был применен в составе установки для автоматического ультразвукового контроля листового проката. ЛПЭ этого преобразователя состоит из восьми элементарных блоков. Фотография одного такого блока приведена на Фиг. 3. Блок содержит два активных элемента. Составленные вместе, эти блоки образуют ЛПЭ длиной примерно 250 мм. Конфигурация такой ЛПЭ приведена на Фиг. 4. ЛПЭ представляет собой линию из шестнадцати пьезоэлектрических элементов 1.
Вместо отдельных элементов, ЛПЭ может быть составлена из шестнадцати блоков фазированных решеток 15, как это показано на Фиг. 5. Данная конфигурация отличается от конфигурации на Фиг. 4 тем, что каждый элемент разделен на 16 субэлементов, образующих фазированную решетку 15. Составленные вместе, эти фазированные решеток 15 позволяют корректировать положение фокуса, направление излучения и приема ультразвука в изделие, а так же формировать опорные сигналы для проверки исправности электрических и акустических каналов.
На Фиг. 5 все генераторные (излучающие) субэлементы выделены светлым тоном, а приемо-излучающие - темным.
Как видно из схемы на Фиг. 5, количество приемо-излучающих элементов может быть в семь раз меньшим, чем излучающих. Такая конструкция позволяет существенно сократить количество приемной - наиболее дорогостоящей части дефектоскопической электроники, оптимизировать стоимость и повысить эксплуатационную надежность системы в целом.
Физический базис такой оптимизации заключается в том, что два приемных элемента, разнесенные на некоторое расстояние друг от друга, образуют приемную антенну, главный лепесток диаграммы направленности которой даже несколько острее, чем у целого элемента, имеющего тот же размер. Правда, у такой антенны будет существенно более высоким уровень боковых лепестков.
Результирующая диаграмма направленности блока, составленного из двух элементов на прием, и сплошного элемента на излучение будет представлять собой произведение диаграмм направленности излучателя и приемника, обладающую острым основным лепестком, и приемлемым для значительной части практических задач уровнем боковых лепестков.
Разумеется, увеличение количества приемных или приемо-передающих элементов до 4, 6, или 8 приведет к еще более существенному снижению боковых лепестков результирующей диаграммы направленности ультразвукового преобразователя.
На Фиг. 6 показан еще один вариант реализации описываемого устройства. В отличие от предыдущего варианта, приведенного на Фиг. 1, в качестве активных элементов здесь применены фазированные решетки 15, позволяющие корректировать направление излучения и приема упругих волн, а так же положение их фокуса.
Реализация полезной модели позволила создать семейство оборудования автоматического контроля листового проката и круглой заготовки, и внедрить это оборудование на двух европейских предприятиях.
Источники информации
1. Патент РФ №145759.