УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ, УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ
ULTRASOUND FAULT DETECTOR, ULTRASOUND CONVERTER AND ULTRASOUND FAULT DETECTION TECHNIQUE

Перекрестная ссылка на родственную заявку
В связи с указанием государства - Соединенные Штаты, данная международная патентная заявка, согласно U.S.С. 35 119 (а), испрашивает приоритет заявки на патент Японии №2010-237649, поданной 22 октября 2010 года, полное содержание которой включено в материалы настоящей заявки посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к ультразвуковому устройству обнаружения дефектов для обнаружения внутреннего дефектного состояния на изгибе слоистой части, выполненной из композиционных материалов, ультразвуковому преобразователю, который представляет собой основной компонент ультразвукового устройства обнаружения дефектов, и т.п.
Уровень техники
Для обнаружения внутреннего дефектного состояния на изгибе слоистой части, выполненной из композиционных материалов, таких как пластик, армированный волокном (FRP), обычно используется ультразвуковой преобразователь, который передает и принимает ультразвуковые волны.
Ультразвуковой преобразователь имеет главный корпус преобразователя, который имеет на своем переднем торце осциллирующую плоскость, имеющую на виде сбоку изогнутую форму и соответствующую изогнутой с большим или меньшим диаметром поверхности, образованной на изгибе слоистой части.
Осциллирующая плоскость главного корпуса преобразователя имеет множество генераторов, расположенных в направлении изгиба осциллирующей плоскости главного корпуса преобразователя. Каждый генератор передает ультразвуковую волну к изгибу слоистой части и принимает отраженную волну от изгиба слоистой части. Генераторы электрически соединены с блоком управления.
Для обнаружения внутреннего дефектного состояния на изгибе слоистой части ультразвуковой преобразователь перемещается относительно слоистой части таким образом, чтобы осциллирующая плоскость главного корпуса преобразователя была обращена к изогнутой с большим или меньшим диаметром поверхности, образованной на изгибе слоистой части. Множество генераторов передает ультразвуковые волны по направлению к изгибу слоистой части и принимает отраженные волны от изгиба слоистой части. Согласно принятым сигналам от множества генераторов (сигналам обнаружения дефектов от ультразвукового преобразователя) блок управления без разрушений выявляет внутреннее дефектное состояние на изгибе слоистой части.
Предшествующий уровень техники, имеющий отношение к настоящему изобретению, раскрыт, например, в нерассмотренных публикациях заявок на патент Японии №2003-90829 и №Н06-18488.
Раскрытие изобретения
Задачи, решаемые изобретением
Если количество слоев слоистой части увеличивается, изгиб слоистой части становится толще. В этом случае интенсивность отраженных ультразвуковых волн становится слабее таким образом, что ультразвуковой преобразователь может в недостаточной мере обнаруживать отраженные волны от внутреннего дефекта на изгибе слоистой части. Чтобы справиться с этим, чувствительность обнаружения отраженной волны генераторами может быть увеличена. Однако это приводит к увеличению шумовых эхо-сигналов, что ухудшает отношение сигнал/шум (отношение эхо-сигнала обнаружения к шумовому эхо-сигналу) сигналов обнаружения дефектов от ультразвукового преобразователя (сигналов, принятых от генераторов).
Поэтому проблема заключается в том, что точность обнаружения внутреннего дефектного состояния на изгибе слоистой части не будет улучшена, если количество слоев слоистой части увеличивается для утолщения изгиба слоистой части.
Настоящее изобретение обеспечивает ультразвуковое устройство обнаружения дефектов, ультразвуковой преобразователь и т.п., способные реализовать высокое отношение сигнал/шум, и повысить точность обнаружения дефекта.
Средство для решения задачи
Согласно первому аспекту настоящего изобретения ультразвуковое устройство обнаружения дефектов для обнаружения внутреннего дефектного состояния на изгибе (изогнутом участке) слоистой части, выполненной из композиционных материалов, включает в себя: ультразвуковой преобразователь, который передает и принимает ультразвуковые волны, и блок управления, который согласно сигналам обнаружения дефектов (принятым сигналам) от ультразвукового преобразователя обнаруживает и обрабатывает внутреннее дефектное состояние на изгибе слоистой части. Более подробно, ультразвуковой преобразователь включает в себя главный корпус преобразователя, который на своем переднем торце имеет осциллирующую плоскость, имеющую на виде сбоку изогнутую форму и соответствующую изогнутой с большим или меньшим диаметром поверхности, образованной на изгибе слоистой части, и множество генераторов, распределенных по осциллирующей плоскости в виде матрицы в направлении изгиба (направлении кривой) осциллирующей плоскости главного корпуса преобразователя и в направлении ширины главного корпуса преобразователя (т.е. направлении, перпендикулярном боковой поверхности главного корпуса преобразователя) для передачи ультразвуковых волн в направлении изгиба слоистой части и для приема отраженных волн от изгиба слоистой части. Блок управления для каждой группы генераторов, образованной в виде ряда в направлении ширины из множества генераторов, последовательно выполняет переключение генераторов в группе генераторов на передающие и принимающие генераторы по очереди в направлении ширины согласно заранее установленной модели передачи/приема и обрабатывает принятый сигнал от принимающего генератора согласно методу апертурного синтеза.
В подробном описании и формуле изобретения этого документа "внутреннее дефектное состояние" означает наличие или отсутствие внутреннего дефекта, размер и расположение внутреннего дефекта и т.п. "На виде сбоку изогнутая форма, соответствующая изогнутой поверхности" означает форму, которая проходит вдоль изогнутой поверхности и изгибается, если смотреть со стороны, или форму, которая проходит по обратному отображению изогнутой поверхности. "Передающий генератор" представляет собой генератор, выбранный из генераторов, для передачи ультразвуковой волны, а "принимающий генератор" представляет собой генератор, выбранный из генераторов, для приема отраженной волны.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения ультразвуковой преобразователь, используемый для обнаружения внутреннего дефектного состояния на изгибе (изогнутом участке) слоистой части, выполненной из композиционных материалов, за счет передачи и приема ультразвуковых волн включает в себя: главный корпус преобразователя, который на своем переднем торце имеет осциллирующую плоскость, имеющую на виде сбоку изогнутую форму и соответствующую изогнутой с большим или меньшим диаметром поверхности, образованной на изгибе слоистой части, и множество генераторов, распределенных по осциллирующей плоскости в виде матрицы в направлении изгиба осциллирующей плоскости главного корпуса преобразователя и в направлении ширины главного корпуса преобразователя, т.е. в направлении, ортогональном боковой поверхности главного корпуса преобразователя, для передачи ультразвуковых волн в направлении к изгибу слоистой части и для приема отраженных волн от изгиба слоистой части.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, ультразвуковой способ обнаружения дефектов для обнаружения с использованием ультразвукового преобразователя согласно второму аспекту внутреннего дефектного состояния на изгибе (изогнутом участке) слоистой части, выполненной из композиционных материалов, включает в себя: перемещение ультразвукового преобразователя относительно слоистой части таким образом, чтобы осциллирующая плоскость главного корпуса преобразователя была обращена к изогнутой с большим или меньшим диаметром поверхности, образованной на изгибе слоистой части, размещение акустической среды между изгибом слоистой части и ультразвуковым преобразователем, группирование каждого ряда в направлении ширины из множества генераторов в группу генераторов, переключение генераторов в заданной одной из групп генераторов на передающие и принимающие генераторы по очереди в направлении ширины согласно заранее установленной модели передачи/приема, передачу ультразвуковой волны от передающего генератора в изгиб слоистой части, прием отраженной волны от изгиба слоистой части принимающим генератором, обработку принятого сигнала от принимающего генератора согласно методу апертурного синтеза, последовательное выполнение для каждой из оставшихся групп генераторов переключения передающих и принимающих генераторов от одного к другому в направлении ширины среди генераторов в группе генераторов и обработку принятого сигнала от принимающего генератора согласно методу апертурного синтеза, тем самым обнаруживая внутреннее дефектное состояние на изгибе слоистой части.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой блок-схему управления ультразвукового устройства обнаружения дефектов согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 - увеличенный вид сбоку ультразвукового преобразователя согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3(a) - вид в разрезе, взятый вдоль линии IIIB-IIIB Фиг. 4(b), а Фиг. 3(b) - развернутый вид в плане осциллирующей плоскости главного корпуса ультразвукового преобразователя согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4(a) - вид спереди ультразвукового преобразователя согласно варианту осуществления настоящего изобретения, а Фиг. 4(b) - вид сбоку ультразвукового преобразователя согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 - вид, разъясняющий переключение пьезоэлектрических генераторов на пьезоэлектрические передающие и принимающие генераторы согласно первой модели передачи/приема.
Фиг. 6 - вид, разъясняющий переключение пьезоэлектрических генераторов на передающие и принимающие пьезоэлектрические генераторы согласно второй модели передачи/приема.
Фиг. 7 - вид в перспективе, в целом иллюстрирующий ультразвуковое устройство обнаружения дефектов согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Варианты осуществления настоящего изобретения будут разъяснены со ссылкой на Фиг. 1-7.
Как показано на Фиг. 7, ультразвуковое устройство 1 обнаружения дефектов согласно варианту осуществления настоящего изобретения обнаруживает внутреннее дефектное состояние на изгибе (изогнутом участке) Wc слоистой части W, выполненной из композиционных материалов, и включает в себя ультразвуковой преобразователь 3, который передает и принимает ультразвуковые волны S (см. Фиг. 2) через акустическую среду М, и блок 5 управления, который согласно сигналам обнаружения дефектов от ультразвукового преобразователя 3 обнаруживает и обрабатывает внутреннее дефектное состояние на изгибе Wc слоистой части W. Слоистая часть W варианта осуществления настоящего изобретения представляет собой часть самолета, такую как обшивка, выполненная из пластика, армированного волокном (FRP), при этом изгиб Wc слоистой части W является основанием загиба обшивки, а акустическая среда М представляет собой жидкость, такую как вода, или твердое вещество.
Будут разъяснены подробности конфигурации ультразвукового преобразователя 3 согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Как показано на Фиг. 1-4, ультразвуковой преобразователь 3 имеет главный корпус 7 преобразователя. Главный корпус 7 преобразователя имеет на своем переднем торце осциллирующую плоскость 9, которая на виде сбоку имеет изогнутую форму, чтобы следовать изогнутой с большим диаметром поверхности, образованной на изгибе Wc слоистой части W. Вместо этой осциллирующей плоскости 9, имеющей на виде сбоку изогнутую форму, чтобы следовать изогнутой с большим диаметром поверхности, образованной на изгибе Wc слоистой части W, главный корпус 7 преобразователя может иметь осциллирующую плоскость, имеющую такую форму, чтобы следовать изогнутой с меньшим диаметром поверхности, образованной на изгибе Wc слоистой части W.
На осциллирующей плоскости 9 главного корпуса 7 преобразователя в виде матрицы в направлении AD изгиба осциллирующей поверхности 9 главного корпуса 7 преобразователя и в направлении ширины главного корпуса 7 преобразователя, т.е. в направлении BD, ортогональном боковой лицевой стороне главного корпуса 7 преобразователя, распределено множество (8×8 элементов согласно варианту осуществления настоящего изобретения) пьезоэлектрических генераторов 11. Каждый из пьезоэлектрических генераторов 11 передает ультразвуковую волну S к изгибу Wc слоистой части W и принимает отраженную волну S от изгиба Wc слоистой части W. Каждый пьезоэлектрический генератор 11 выполнен из композиционных материалов или керамики и соединен с блоком 5 управления. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения восемь пьезоэлектрических генераторов 11, расположенных в направлении BD ширины, образуют группу 11G пьезоэлектрических генераторов и поэтому существует восемь групп 11G пьезоэлектрических генераторов.
Внутри главного корпуса 7 преобразователя расположен демпфер (не показан) для поглощения чрезмерного колебания пьезоэлектрических генераторов 11.
Будут разъяснены детали блока 5 управления согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Как показано на Фиг. 1, блок 5 управления имеет блок 13 генерирования сигнала, который подает сигнал возбуждения (сигнал передачи) на пьезоэлектрические генераторы 11, и приемник 15, который усиливает принятые сигналы от пьезоэлектрических генераторов 11 (сигналы обнаружения дефектов от ультразвукового преобразователя 3). Блок 13 генерирования сигнала и пьезоэлектрические генераторы 11 соединены со схемой 17 переключения. Схема 17 переключения способна переключать один из выбранных пьезоэлектрических генераторов и блок 13 генерирования сигнала в соединенное состояние и разъединенное состояние. Приемник 15 и пьезоэлектрические генераторы 11 соединены со схемой 19 обнаружения сигнала. Схема 19 обнаружения сигнала способна переключать выбранный один из пьезоэлектрических генераторов 11 и приемник 15 в соединенное состояние и разъединенное состояние.
Точнее, как показано на фиг 5, схема 17 переключения последовательно переключает пьезоэлектрические генераторы 11 в каждой группе 11G пьезоэлектрических генераторов на передающий пьезоэлектрический генератор 11 (Т) за восемь этапов в направлении BD ширины за счет использования заранее заданной первой модели передачи/приема. Аналогично схема 19 обнаружения сигнала использует первую модель передачи/приема для последовательного переключения между пьезоэлектрическими генераторами 11 в каждой группе 11G пьезоэлектрических генераторов на принимающие пьезоэлектрические генераторы 11 (R) за восемь этапов в направлении BD ширины.
Вместо первой модели передачи/приема для последовательного переключения между пьезоэлектрическими генераторами 11 в каждой группе 11G пьезоэлектрических генераторов на передающие и принимающие пьезоэлектрические генераторы 11 (передающие пьезоэлектрические генераторы 11 и принимающие пьезоэлектрические генераторы 11) может быть использована заранее установленная вторая модель передачи/приема в четыре этапа в направлении BD ширины, показанная на Фиг. 6. Когда используется вторая модель передачи/приема, передающий пьезоэлектрический генератор 11 располагается в промежуточной области в направлении BD ширины на осциллирующей плоскости 9 главного корпуса 7 преобразователя, а принимающие пьезоэлектрические генераторы 11 (R) располагаются с каждой стороны от передающего пьезоэлектрического генератора 11 (Т) в направлении BD ширины.
Приемник 15 соединен с блоком 21 обработки сигнала. Блок 21 обработки сигнала последовательно обрабатывает принятые сигналы, которые приняты принимающими пьезоэлектрическими генераторами 11 и усилены согласно методу апертурного синтеза (процесса наложения). Метод апертурного синтеза использует элементы системной информации, такие как взаимное расположение между ультразвуковым преобразователем 3 и изгибом Wc слоистой части W, частоту ультразвукового преобразователя 3 обнаружения дефектов, скорость звука в слоистой части W и акустической среде М и т.п. Блок 21 обработки сигнала соединен с блоком отображения (не показан), который объединяет результат обработки (такой как отображение апертурного синтеза) блока 21 обработки сигнала с информацией о положении преобразователя 3, а также выводит объединенный результат.
Будут разъяснены ультразвуковой способ обнаружения дефектов согласно варианту осуществления настоящего изобретения и его результат.
Ультразвуковой преобразователь 3 перемещается относительно слоистой части W таким образом, что осциллирующая плоскость 9 главного корпуса 7 преобразователя обращена к изогнутой с большим диаметром поверхности, образованной на изгибе Wc слоистой части W. При наличии акустической среды М, размещенной между изгибом Wc слоистой части W и ультразвуковым преобразователем 3, ультразвуковая волна S передается от передающего пьезоэлектрического генератора 11 и падает на изгиб Wc слоистой части W, при этом полученная отраженная волна S принимается принимающим пьезоэлектрическим генератором 11. Более подробно, схема 17 переключения и схема 19 обнаружения сигнала используются для последовательного переключения между пьезоэлектрическими генераторами 11 в заданной группе 11G пьезоэлектрических генераторов на передающие и принимающие пьезоэлектрические генераторы 11 за восемь этапов или за четыре этапа в направлении BD ширины в соответствии с первой или второй моделями передачи/приема (см. Фиг. 5 и 6). На каждом этапе ультразвуковая волна S передается от передающего пьезоэлектрического генератора 11, падает на изгиб Wc слоистой части W, при этом отраженная волна S от изгиба Wc слоистой части W принимается принимающим пьезоэлектрическим генератором 11 (см. Фиг. 2). В отношении принятых сигналов от принимающих пьезоэлектрических генераторов 11 в заданной группе 11G пьезоэлектрических генераторов блоком 21 обработки сигнала выполняется метод апертурного синтеза.
Подобным образом в каждой из оставшихся групп 11G пьезоэлектрических генераторов схема 17 переключения и схема 19 обнаружения сигнала используются для последовательного переключения между пьезоэлектрическими генераторами 11 на передающие и принимающие пьезоэлектрические генераторы 11 за восемь этапов или за четыре этапа в направлении BD ширины согласно первой или второй моделям передачи/приема. В отношении принятых сигналов от принимающих пьезоэлектрических генераторов 11 блоком 21 обработки сигнала последовательно выполняется метод апертурного синтеза. Таким образом, для периферийной местной области изгиба Wc слоистой части W блок 5 управления производит процесс обнаружения (процесс обнаружения дефектов) для обнаружения внутреннего дефектного состояния (наличия или отсутствия внутреннего дефекта, размера и расположения внутреннего дефекта и т.п.), за счет чего выявляет внутреннее дефектное состояние (осуществляет поиск дефектов).
После обнаружения внутреннего дефектного состояния в периферийной местной зоне на изгибе Wc слоистой части W ультразвуковой преобразователь 3 перемещается в направлении по окружности вдоль слоистой части W, при этом указанные выше процессы повторяются для обнаружения внутреннего дефектного состояния по всей периферии изгиба Wc слоистой части W.
Поскольку множество пьезоэлектрических генераторов 11 распределены по осциллирующей плоскости 9 главного корпуса 7 преобразователя в виде матрицы в направлении AD изгиба и в направлении BD ширины, схема 17 переключения и схема 19 обнаружения сигнала могут переключаться между пьезоэлектрическими генераторами 11 в каждой группе 11G передающих и принимающих пьезоэлектрических генераторов 11. А блок 21 обработки сигнала может выполнять метод апертурного синтеза на принятых сигналах от принимающих пьезоэлектрических генераторов 11 в каждой группе 11G пьезоэлектрических генераторов. Даже если число слоев слоистой части W повышается для утолщения изгиба Wc слоистой части W, ультразвуковой преобразователь 3 может в достаточной степени и надежным образом обнаруживать отраженные волны S, представляющие внутренний дефект на изгибе Wc слоистой части W, без увеличения чувствительности обнаружения для отраженных волн S, принятых принимающими пьезоэлектрическими генераторами 11.
Соответственно вариант осуществления настоящего изобретения способен сократить шумовые эхо-сигналы, повысить отношение сигнал/шум сигналов обнаружения дефектов от ультразвукового преобразователя 3 (принятых сигналов от принимающих пьезоэлектрических генераторов 11), а также улучшить точность обнаружения (точность обнаружения дефектов) внутреннего дефектного состояния на изгибе Wc слоистой части W, даже если число слоев слоистой части W повышается до утолщения изгиба Wc слоистой части W.
В частности, на основе второй модели передачи/приема, проиллюстрированной на Фиг. 6, вариант осуществления способен ограничить область обнаружения (область обнаружения дефектов) ультразвукового преобразователя 3 и выполнить метод апертурного синтеза на принятых сигналах от принимающих пьезоэлектрических генераторов 11, использованных для приема отраженных волн S, тем самым улучшить точность обнаружения внутреннего дефектного состояния на изгибе Wc слоистой части W.
Как упомянуто выше, в первом и втором аспекте настоящего изобретения ультразвуковой преобразователь перемещается относительно слоистой части таким образом, чтобы осциллирующая плоскость главного корпуса преобразователя была обращена к изогнутой с большим или меньшим диаметром поверхности на изгибе слоистой части. В дальнейшем блок управления переключается между генераторами в заданной группе генераторов на передающие и принимающие генераторы в направлении ширины преобразователя согласно модели передачи/приема, передает ультразвуковую волну от передающего генератора в изгиб слоистой части и принимает отраженную волну от изгиба слоистой части принимающим генератором. После этого блок управления выполняет метод апертурного синтеза на принятом сигнале от принимающего генератора. Таким образом, блок управления доводит до конца процесс обнаружения внутреннего дефектного состояния на изгибе слоистой части, посредством чего осуществляет поиск внутреннего дефектного состояния на изгибе слоистой части.
В ультразвуковом преобразователе генераторы распределены по осциллирующей плоскости главного корпуса преобразователя в виде матрицы в направлении изгиба и ширины и поэтому блок управления может переключаться между генераторами в каждой группе генераторов на передающие и принимающие генераторы в направлении ширины согласно модели передачи/приема и последовательно обрабатывать принятые сигналы от принимающих генераторов согласно методу апертурного синтеза. Даже если число слоев слоистой части увеличивается для утолщения изгиба слоистой части, ультразвуковой преобразователь может в достаточной степени и надежным образом обнаруживать отраженные волны, представляющие внутренний дефект на изгибе слоистой части без увеличения чувствительности обнаружения для отраженных волн, принятых принимающими генераторами.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения генераторы распределены по осциллирующей плоскости главного корпуса ультразвукового преобразователя в виде матрицы в направлении изгиба и ширины. Соответственно, как упомянуто выше, блок управления может переключаться между генераторами в каждой группе генераторов на передающие и принимающие генераторы в направлении ширины согласно модели передачи/приема и последовательно обрабатывать сигналы, принятые от принимающих генераторов, согласно методу апертурного синтеза. Даже если число слоев слоистой части увеличивается для утолщения изгиба слоистой части, ультразвуковой преобразователь может в достаточной степени и надежным образом обнаруживать отраженные волны, представляющие внутренний дефект на изгибе слоистой части без увеличения чувствительности обнаружения для отраженных волн, принятых принимающими генераторами.
Согласно настоящему изобретению, даже если число слоев слоистой части увеличивается для утолщения изгиба слоистой части, ультразвуковой преобразователь может в достаточной степени и надежным образом обнаруживать отраженные волны, представляющие внутренний дефект на изгибе слоистой части, и поэтому настоящее изобретение может сократить шумовые эхо-сигналы, повысить соотношение сигнал/шум сигналов обнаружения дефектов от ультразвукового преобразователя и улучшить точность обнаружения внутреннего дефектного состояния на изгибе слоистой части.
Настоящее изобретение не ограничено вышеупомянутыми вариантами осуществления и может быть достижимым в различных формах. Объем прав, охватываемый настоящим изобретением, не ограничен указанными вариантами осуществления.