АКУСТИЧЕСКИЙ БЛОК ДЕФЕКТОСКОПА
ACOUSTIC UNIT OF FLAW DETECTOR

Заявляемое изобретение - акустический блок дефектоскопа относится к устройствам и материалам, обеспечивающим акустическую связь между источником и(или) приемником ультразвуковых (УЗ) колебаний и объектом исследований для решения задач дефектоскопии, толщинометрии и т.п. Заявляемый акустический блок может быть преимущественно использован при исследованиях протяженных объектов сложной формы, в частности железнодорожных рельсов.
При УЗ исследовании объектов с целью обнаружения в них дефектов или определения их размеров между источником/приемником электрических зондирующих сигналов устанавливают акустические блоки, которые обеспечивают:
1. преобразование электрического сигнала в акустический и наоборот;
2. получение требуемого угла ввода (приема) УЗ колебаний в (из) объекта;
3. достижение акустического контакта ЭАП с поверхностью объекта.
Первая задача решается за счет использования электроакустических преобразователей (ЭАП), способных решать прямую и обратную задачи.
Для решения второй задачи между ЭАП и объектом обычно устанавливают ультразвуководы - акустические призмы, в которые с одной стороны вводятся, а с другой выводятся УЗ колебания. Если плоскости ввода и вывода не параллельны, то образующийся угол, обеспечивает излучение (прием) УЗ колебаний под заданным углом. Акустические призмы обычно выполняются из оргстекла, полиэфирэфиркетона [1] и других твердых материалов. Трение о поверхность объекта приводит к быстрому износу и выходу призм из строя.
Неровная поверхность объекта исследований приводит к плохому прилеганию к ним твердых призм, а воздушная прослойка становится препятствием для высокочастотных УЗ волн, поэтому для решения третьей задачи, как правило, применяют различные смазки - воду, машинное масло, УЗ гели и т.п. Количество такой смазки оказывается значительным, поскольку твердые поверхности призмы и объекта при взаимном перемещении выдавливают ее из зазора.
Использование в качестве призм упругих материалов, в том числе гидрогелей [2], позволяет решить эту проблему, но при ограниченной длительности измерений. Более принципиально проблему прилегания призмы ЭАП решает переход от ее скольжения к качению по исследуемому объекту.
Известен акустический блок [3], выполненный в виде упругой ленты, которая прижата наружной стороной к исследуемому объекту, а внутренней стороной к ЭАП, лента перемещается вдоль объекта на колесах, установленных на платформе. Гладкая поверхность призмы ЭАП хорошо прилегает к внутренней поверхности упругой ленты, а внешняя поверхность ленты компенсирует неровности и шероховатости объекта. При этом расходуется меньшее количество контактирующей жидкости.
Недостатками данного акустического блока является его высокая сложность и подверженность воздействию внешних факторов: снег, дождь, грязь.
Наиболее близким к заявляемому является акустический блок [4] или [5], последний принят за прототип, содержащий платформу с возможностью ее перемещения по исследуемому объекту, электроакустические преобразователи и проводник акустических колебаний, выполненный в виде тела вращения с упругой внешней поверхностью, ось вращения проводника акустических колебаний закреплена в платформе с обеспечением постоянного пятна контакта по образующей его внешней поверхности с исследуемым объектом. В данном случае акустический блок выполнен в виде колеса с упругой поверхностью. Внутри колеса располагаются ЭАП, а само колесо заполнено жидкостью. УЗ колебания под требуемым углом проходят через пятно контакта колеса с исследуемым объектом.
Недостатком такого акустического блока является его высокая сложность при изготовлении и эксплуатации, в частности, установка ЭАП внутри колеса сложна и делает их недоступными для обслуживания, заполнение колеса жидкостью требует отсутствия пузырьков воздуха, которые при вращении колеса существенно влияют на качество измерений. Кроме того, акустический блок [5] пригоден для перемещения только по плоским поверхностям, например, поверхности катании рельса.
Задачей, решаемой заявляемым изобретением является создание простого акустического блока способного создавать надежный контакт с протяженными объектами исследования сложной формы.
Для решения поставленной задачи акустический блок дефектоскопа, содержащий платформу с возможностью ее перемещения вдоль исследуемого объекта, электроакустические преобразователи и проводник акустических колебаний, выполненный в виде тела вращения с упругой внешней поверхностью, ось вращения которого закреплена в платформе с обеспечением постоянного пятна контакта образующей его внешней поверхности с исследуемым объектом, направления излучения/приема электроакустических преобразователей проходят через указанное пятно контакта и имеют заданные углы излучения/приема, при этом форма образующей внешней поверхности проводника акустических колебаний соответствует форме сканируемой поверхности исследуемого объекта, а электроакустические преобразователи закреплены на платформе так, чтобы иметь постоянный контакт с внешней поверхностью проводника акустических колебаний.
Существенными отличиями заявляемого акустического блока по сравнению с прототипом являются:
Форма образующей внешней поверхности проводника акустических колебаний соответствует форме поперечного сечения исследуемого объекта в направлении перемещения. Такая форма позволяет обеспечить акустический контакт акустического блока со сложными поверхностями, например, с радиусными переходами головки рельса.
В прототипе используется колесо с образующей в виде отрезка прямой линии.
Электроакустические преобразователи закреплены на платформе так, чтобы иметь постоянный контакт с внешней поверхностью проводника акустических колебаний. Такое расположение ЭАП позволяет проще производить подготовку к измерениям и оперативную регулировку при эксплуатации.
В прототипе ЭАП располагаются внутри колеса наполненного жидкостью.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг.1 - Схема акустического блока, где:
1. Электроакустический преобразователь.
2. Проводник акустических колебаний.
3. Платформа с колесами.
4. Пятно контакта.
5. Направление акустического зондирования.
6. Ось вращения проводника акустических колебаний.
7. Держатель проводника акустических колебаний.
8. Держатель ЭАП.
9. Рельс.
10. Мембрана.
Фиг.2 - Проводник акустических колебаний специальной формы.
Фиг.3. Конструкция проводника акустических колебаний 2.
Электроакустический преобразователь 1 электрических сигналов в акустические и наоборот предназначен для излучения/приема УЗ колебаний в объект исследований и может быть выполнен из пьезопластины. При измерениях может использоваться, как один ЭАП 1, переключающийся с излучения на прием, так и несколько ЭАП, в зависимости от схемы прозвучивания.
Проводник акустических колебаний 2 предназначен для обеспечения контакта ЭАП с объектом исследования. В данном случае проводник может быть выполнен, фиг.3 из двух твердых дисков, между которыми располагается упругая мембрана 10 выполненная, например, из полиуретана, имеющая форму тела вращения. В простейшем случае, для плоских объектов исследования, образующая проводника акустических колебаний, фиг.1, - отрезок прямой линии. Для сложных объектов исследования образующая внешней поверхности проводника акустических колебаний соответствует форме сканируемой поверхности исследуемого объекта, фиг.2, 3. Внутренняя часть проводника акустических колебаний может заполняться жидкостью. Упругая поверхность мембраны 10 проводника 2 обеспечивает устойчивый контакт с ЭАП 1 с одной стороны и объектом исследования с другой. При необходимости поверхность мембраны 10 может смачиваться контактирующей жидкостью, количество которой существенно меньше, чем при использовании ЭАП, размещенных непосредственно на объекте.
Платформа с колесами 3 предназначена для перемещения акустического блока вдоль объекта исследования и выполнена в виде тележки с держателями 7 и 8 проводника акустических колебаний 2 и ЭАП 1 соответственно.
Держатель 7 предназначен для удержания проводника акустических колебаний 2 на поверхности объекта исследования с обеспечением его вращения вокруг оси 6. При этом должно возникать пятно контакта 4 проводника с объектом. Подобные держатели 7 обычно выполняются в виде рычага, который может поднимать проводник акустических колебаний 2 в транспортировочное или опускать в рабочее положение. В последнем варианте проводник акустических колебаний 2 должен быть постоянно прижат к поверхности объекта пружинным, гидравлическим и т.п. устройством. Механизмы подъема/опускания и прижатия на фиг.1 не приведены с целью упрощения конструкции.
Держатель 8 ЭАП 1 предназначен для обеспечения постоянного контакта ЭАП 1 с внешней поверхностью проводника акустических колебаний 2 и также имеет механизм прижатия, который на фиг.1 не показан.
Рельс 9 является объектом исследования.
Рассмотрим работу заявляемого акустического блока при дефектоскопии рельса 9.
Перед началом измерений платформа 3 устанавливается на рельс 9 с возможностью ее перемещения на колесах. Выбираются, фиг.1, 2, направления акустического зондирования 5, которые позволят обнаружить заданные дефекты. Выбирается форма и положение проводника акустических колебаний 2, которые обеспечивают выбранные направления зондирования 5. Ось вращения 6 проводника акустических колебаний 2 размещается в держателе 8, соединенном с платформой 3. В держателе 8 устанавливается ЭАП 1. При установке ЭАП 1 снаружи проводника акустических колебаний 2 учитываются преломления УЗ зондирующих лучей 5, возникающие при переходах: ЭАП - мембрана - жидкость - мембрана - объект исследований, так, чтобы угол ввода акустических колебаний в рельс 9 соответствовал требуемому. На фиг.1, 2 приведена простейшая схема применения с использованием одного ЭАП 1. В схеме на фиг.1 зондирующий луч проходит от ЭАП 1 вертикально через головку, шейку рельса и возвращается к ЭАП 1, отразившись от подошвы. В схеме на фиг.2 используется проводник акустических колебаний 2 более сложной формы, обеспечивающий акустический контакт с радиусным переходом поверхности катания и боковой грани рельса. Более сложной оказывается и схема прозвучивания, которая, как видно из фиг.2, позволяет обнаружить дефекты в областях головки рельса, недоступных с других позиций.
Для зондирования рельса 9 излучают внешним генератором электрические сигналы, которые в ЭАП 1 преобразуются в акустические колебания, проходящие в рельс 9 через проводник акустических колебаний 2, пятно контакта 4 и при необходимости в обратном направлении.
При реализации более сложных схем прозвучивания 5 рельса 9, на платформе 3 может устанавливаться несколько аналогичных акустических блоков 2.
Таким образом, заявляемый акустический блок дефектоскопа реализуем, обеспечивает хороший акустический контакт дефектоскопа с объектом исследований сложной формы и отличается простотой изготовления и эксплуатации.
Источники информации
1. Патент RU 80957.
2. Патент RU 105742.
3. Патент US 5804731 (A).
4. Патент RU 89235.
5. Патент US 5578758.