Ультразвуковое устройство с отражателем поверхностных волн

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное учреждение высшего профессионального образования Белорусско-Российский университет(72) Авторы Баев Алексей Романович Сергеева Ольга Сергеевна Асадчая Мария Вадимовна Тищенко Михаил Александрович(73) Патентообладатель Государственное учреждение высшего профессионального образования Белорусско-Российский университет(57) Устройство ультразвуковое с отражателем поверхностных волн, содержащее наклонный пьезоэлектрический преобразователь, имеющий возможность излучения ультразвуковых волн в исследуемый объект по направлению к установленному оппозитно пьезоэлектрического преобразователя отражателю поверхностных волн, расположенному в крепежном устройстве симметрично плоскости падения волны и контактирующего с исследуемым объектом через слой контактной жидкости, отличающееся тем, что отражатель поверхностных волн выполнен в виде прямоугольной призмы, установленной контактной поверхностью на исследуемый объект таким образом, что задняя грань отражателя поверхностных волн перпендикулярна акустической оси устройства, а две передние грани отражателя поверхностных волн образуют уголс вершинойна акустической оси,определяемый из условия, исключающего попадание отраженных от передних граней отражателя поверхностных волн обратно в пьезоэлектрический преобразователь 2 0,5(1/ 2 )0,5 ,где- расстояние от вершиныдо передней грани призмы пьезоэлектрического преобразователя,- поперечный размер призмы пьезоэлектрического преобразователя, а контактная поверхность призмы отражателя поверхностных волн параллельна акустической оси.(56) 1. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. - М. Изд-во Стандартов, 1970. - С. 8081, 114-115. 2. Патент 14725, МПК (2006.01)01 29/04, 2011. Полезная модель относится к средствам неразрушающего ультразвукового контроля материалов и изделий и может быть использована для оценки физико-механических свойств поверхностного слоя твердого тела по данным скорости. Известна схема измерения скорости распространения ультразвуковых волн, состоящая из пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП), помещенного в иммерсионную ванну и излучающего плоские ультразвуковые волны в двух противоположных направлениях, и двух плоских отражателей, расположенных с двух сторон ПЭП на фиксированном расстоянии. При этом измерения проводят методом двух различных расстояний 1 и 2 от преобразователя до отражателей. Эхо сигналы поступают на ПЭП с задержкой,преобразуются в электрические сигналы, усиливаются, и по разности времени их прихода определяют скорость распространения ультразвуковых волн. 1. Однако возможности такой схемы измерений ограничены, так как требуется тщательная взаимная юстировка всех элементов измерительного тракта, требуется наличие иммерсионной ванны. Кроме того, на результаты измерений существенно влияет нестабильность свойств иммерсионной жидкости от температуры. Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство, предназначенное для контроля физико-механических свойств изделий и содержащее корпус с установленным в нем отражателем поверхностных волн, отражающая поверхность которого плоская, наклонный пьезоэлектрический преобразователь, контактирующий с объектом исследования через слой контактной жидкости, обладающей магнитными свойствами и удерживаемой источником магнитного поля 2. Несмотря на высокую стабильность акустического контакта и создание локальной иммерсионной ванны, удерживаемой магнитным полем, ограниченность в использовании такого устройства обусловлена необходимостью создания для обеспечения акустического контакта между ПЭП и отражателем поверхностных волн с объектом локальной иммерсионной ванны, что далеко не всегда возможно. Кроме того, в реальных условиях при автономной работе отражателя поверхностных волн с плоской отражающей поверхностью возможно нарушение стабильности опорного сигнала вследствие случайного качания отражателя поверхностных волн, а также других факторов, включая температурный и другие. Задачей предлагаемого технического решения является расширение технических возможностей, а также повышение точности и надежности ультразвуковых измерений при определении физико-механических свойств изделий или при выявлении поверхностных дефектов в них. Задача достигается тем, что в устройстве ультразвуковом с отражателем поверхностных волн, содержащем наклонный пьезоэлектрический преобразователь, имеющий возможность излучения ультразвуковых волн в исследуемый объект по направлению к установленному оппозитно пьезоэлектрического преобразователя отражателю поверхностных волн, расположенному в крепежном устройстве симметрично плоскости падения волны и контактирующего с объектом через слой контактной жидкости, согласно полезной модели,отражатель поверхностных волн выполнен в виде прямоугольной призмы, установленной контактной поверхностью на исследуемый объект таким образом, что задняя грань отражателя поверхностных волн перпендикулярна акустической оси устройства, а две передние грани отражателя поверхностных волн образуют уголс вершинойна акустической оси,определяемый из условия, исключающего попадание отраженных от передних граней отражателя поверхностных волн обратно в пьезоэлектрический преобразователь(1)2 0,5(1/ 2 )0,5 ,где- расстояние от вершиныдо передней грани призмы пьезоэлектрического преобразователя,- поперечный размер призмы пьезоэлектрического преобразователя, а контактная поверхность призмы отражателя поверхностных волн параллельна акустической оси. Были проведены сравнительные испытания заявляемого устройства с прототипом на предмет измерения скорости поверхностных волн согласно представленным на фиг. 1 и 2 схемам, где в качестве ПЭП используется наклонный пьезоэлектрический преобразователь поверхностных волн с рабочей частотой 2,5 МГц. В качестве отражателя поверхностных волн использована стальная призма приведенной на фиг. 1 конфигурации, уголкоторой определялся согласно соотношению (1) при учете, что 15 мм,20 мм, а расстояние между вершинойи задней гранью призмы отражателя поверхностных волн выбиралось равным 4 мм, чтобы исключить наложение на опорный сигнал (импульс) второго переотраженного импульса поверхностной волны между задней и передними гранями призмы отражателя поверхностных волн в качестве контактной жидкости использовалось минеральное масло. Общая длина акустической базы от точки выхода ПЭП до задней грани отражателя поверхностных волн и обратно составила 88 мм. Отражатель поверхностных волн и ПЭП неподвижно фиксировался с помощью специального крепежного устройства. Согласно прототипу 2, использовался отражатель поверхностных волн в виде цилиндра с отражающей плоской поверхностью, наклоненного осью под углом к вертикали(СМЖ/СПАВ), где СМЖ - скорость продольной волны в контактной жидкости с магнитными свойствами, удерживаемой у стального образца самарий-кобальтовым магнитом. Расстояние от центра отражающей поверхности до объекта по оси 1 см. Скорость звука в контактной жидкости с магнитными свойствами 1185 м/с. В качестве образцов объекта использованы плоские образцы из стали и алюминия. Сравнительные испытания были проведены на стальных и алюминиевых образцах и при изменении температуры на 3-5 С (путем воздушного обдува), что имеет место в реальных условиях контроля. Измерительная процедура выполнялась на базе блоков дефектоскопа УД 2-12 и измерителя временных интервалов И 2-26, обеспечивающего точность измерений временного интервала до 5 нс. Результаты испытаний показали преимущество заявляемого устройства перед устройством-прототипом по следующим позициям 1) изменение температуры окружающей среды всего на 3-5 С приводило к погрешности измерения скорости поверхностной волны 0,3-0,4 для устройства-прототипа, что обусловлено изменением скорости звука в жидкой задержке, в то же время для заявляемого устройства это изменение не превосходило нескольких сотых процентов 2) в устройстве-прототипе конструкция отражателя с магнитной системой удержания объема контактной жидкости существенно зависит от магнитных свойств материала объекта контроля и его радиуса кривизны , если объект цилиндрический, что требует наличия нескольких конструктивных исполнений устройства для контроля конкретного объекта. Как показали испытания, использование предложенной конструкции устройства позволяет проводить контроль металлических объектов с любыми магнитными свойствами и радиусом кривизны от(плоскость) до 10 мм практически без изменения точности измерений. Это же касается и контроля объектов на наличие поверхностных дефектов. На фиг. 1 представлена схема устройства, поясняющая его конструкцию и принцип работы, на фиг. 2 - вид сверху устройства. Устройство содержит наклонный пьезоэлектрический преобразователь 1, работающий в эхо-режиме и излучающий ультразвуковые поверхностные волны в исследуемый объект 2 через призму ПЭП вдоль акустической оси ОО в направлении оппозитно расположенного отражателя поверхностных волн 3, установленного в крепежном устройстве 7 симметрично плоскости падения волны в ПЭП 1. Отражатель поверхностных волн выполнен в виде прямоугольной призмы 3, установленной контактной поверхностью 8, параллель 3 99112014.02.28 ной акустической оси ОО, на исследуемый объект 2 через слой контактной жидкости таким образом, что задняя грань 4 призмы отражателя поверхностных волн 3 перпендикулярна акустической оси ОО, а две передние грани 5 и 6 образуют уголс вершинойна акустической оси ОО, определяемый соотношением (1). В этом случае передние грани 5 и 6 призмы отражателя поверхностных волн 3 несут функцию рассеивателя части потока падающих волн, исключая попадание волн в ПЭП, которые могут создать шум в измерительном тракте. Отраженные же волны от грани 4, контактирующей с исследуемым объектом через тонкий слой контактной жидкости, служат в качестве опорного сигнала,несущего информацию (время распространение , амплитуду сигналаи др.) о состоянии контактной поверхности и ее дефектности. Устройство работает следующим образом, реализуя (в зависимости от поставленной цели) два основных принципа ультразвуковых измерений, классифицируемых по таким измеряемым параметрам, как скорость распространения поверхностной волны СПАВ, амплитуда волны , спектр сигнала, коррелирующим с физико-механическими свойствами поверхности объекта и его дефектностью. Устройство, состоящее из наклонного ПЭП 1 и оппозитно расположенного ему отражателя поверхностных волн 3, помещают основанием на исследуемый объект 2 через тонкую прослойку контактной жидкости толщинойПАВ. Поверхностные волны, возбуждаемые ПЭП 1, распространяются вдоль акустической оси ОО и последовательно отражаются от двух передних граней призмы 5,6 и задней грани 4 отражателя 3. Причем волны, отраженные от задней грани призмы 4 отражателя 3, возвращаются в обратном направлении на ПЭП 1 и служат в качестве опорного сигнала, несущего информацию о физико-механических свойствах поверхности и ее (дефектности), определяемых по данным амплитуды поверхностных волн, спектра акустического сигнала и суммарного времени его распространения в прямом и обратном направлении. В частности, для одного из случаев оценки глубины упрочненного термообработкой 2 слоя определяют среднюю скорость поверхностной волны согласно формуле С ПАВ,0 где 0 - суммарное время распространения волн до грани 4 отражателя 3 в прямом и обратном направлениях, и по данным корреляционной зависимости определяют глубину упрочненного слоя. В случае же, когда требуется выявить поверхностный дефект со слабым отражением и изменяющейся структурой или наличием так называемых структурных отражателей, производится сравнение амплитуды опорного сигналас принятым сигналомво временном интервале 00. Таким образом, результаты сравнительных испытаний убедительно показали преимущество заявленного устройства перед известным прототипом в плане расширения технических возможностей и точности ультразвуковых измерений применительно к определению физико-механических свойств изделий, а также к выявлению поверхностных дефектов в них. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.