[1]Изобретение относится к области неразрушающих испытаний ультразвуковыми методами и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для толщинометрии образцов материалов и изделий, преимущественно крупногабаритных и с большим затуханием ультразвука.
[2]Известен способ резонансной ультразвуковой толщинометрии с использованием вынужденных колебаний, принимаемый в качестве прототипа и описанный в [Неразрушающий контроль: Справочник: в 7 т. Под общей ред. В.В. Клюева. Т. 3 Ультразвуковой контроль/И.Н. Еромолов, Ю.В. Ланге. - М.: Машиностроение, 2004, с. 292-293]. Способ заключается в том, что в объекте контроля возбуждают вынужденные колебания непрерывно меняющейся частоты, определяют амплитудно-частотную характеристику объекта контроля, измеряют значения частот, соответствующих максимуму амплитудно-частотной характеристики, на которых по толщине объекта контроля укладывается четное число полуволн, а значение толщины Н объекта контроля вычисляют по следующей формуле:
[3]
[4]где n - номер гармоники;
[5]С - скорость ультразвука;
[6]ƒn - резонансная частота, соответствующая гармоники n.
[7]По максимуму резонансной частоты определяют толщину объекта контроля.
[8]Недостатком такого способа являются низкие точность и достоверность контроля, т.к. при сложной конфигурации контролируемых изделий в них в узком диапазоне частот может возбуждаться несколько частотных резонансов, значения которых определяются геометрическими размерами уступов, выступов, приливов, ступеней, опорных площадок и пр. и которые не позволяют идентифицировать искомый резонанс, связанный с измеряемым размером, и точно измерить значение частоты, соответствующей его максимуму.
[9]Известен резонансной способ ультразвуковой толщинометрии с использованием вынужденных колебаний, принимаемый в качестве прототипа и описанный в [патент РФ №2354932, МПК G01В 17/02, опубл. 10.05.2009]. Способ заключается в том, что в объекте контроля в одной точке излучающим электроакустическим преобразователем возбуждают непрерывные гармонические колебания меняющейся частоты. Приемным электроакустическим преобразователем принимают эхо-сигнал, регистрируют возбужденные в этой точке объекта контроля колебания и измеряют основную резонансную амплитудно-частотную характеристику объекта контроля. Далее в другой точке возбуждают, излучая гармонические колебания непрерывно меняющейся частоты, или принимают эхо-сигнал в новом положении. Таким образом, для нескольких точек излучения или приема электроакустического сигнала на поверхности объекта контроля производят измерения N дополнительных амплитудно-частотных характеристик. Все N амплитудно-частотные характеристики взаимно перемножаются, образуя итоговую резонансную амплитудно-частотную характеристику, по максимуму которой на резонансной частоте определяют толщину объекта контроля.
[10]Недостатком известного способа является низкая производительность способа ультразвуковой толщинометрии, связанная с необходимость регистрации N+1 основной и дополнительных амплитудно-частотных характеристик, а также N раз выполнения операций взаимного перемножения амплитудно-частотных характеристик.
[11]Техническая задача предлагаемого способа заключается в повышении производительности способа ультразвуковой толщинометрии.
[12]Технический результат способа заключается в том, что подавляются помеховые резонансы, что значительно повышает достоверность УЗ контроля при одновременном повышении точности.
[13]Эта задача достигается тем, что в известном способе ультразвукового контроля, заключающемся в том, что в основной точке излучения на поверхности объекта контроля располагают излучающий преобразователь, а в основной точке приема на поверхности объекта контроля располагают приемный преобразователь, зондирующий сигнал с непрерывно меняющейся несущей частотой подают на излучающий преобразователь, которым в объекте контроля возбуждают акустические колебания, приемным преобразователем принимают и регистрируют основной эхо-сигнал, N раз изменяют положение излучающего и (или) приемного преобразователей на поверхности объекта контроля, в каждом дополнительном положении возбуждают акустические колебания и регистрируют дополнительные эхо-сигналы, определяют амплитудно-частотную характеристику объекта контроля и измеряют значение частоты, соответствующей максимуму амплитудно-частотной резонансной характеристики объекта контроля, а толщину объекта определяют по значению частоты максимума резонанса амплитудно-частотной характеристики, в качестве зондирующего сигнала, возбуждающего вынужденные колебания в основной точке излучения, используют линейно-частотно модулированный сигнал с большой базой В, в качестве зондирующего сигнала в каждом следующем дополнительном положении излучающего и (или) приемного преобразователей на поверхности объекта контроля используют эхо-сигнал, зарегистрированный в предварительном дополнительном положении излучающего и (или) приемного преобразователей, значение N выбирают равным или большим 1, а амплитудно-частотную характеристику контролируемого объекта определяют по эхо-сигналу, зарегистрированному в N-й дополнительной точке контроля.
[14]Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего способ ультразвуковой толщинометрии; на фиг. 2.а представлен основной эхо-сигнал и основная амплитудно-частотная характеристика контролируемого объекта (фиг. 2.б.); на фиг. 3.а, фиг. 3.б и фиг. 3.в изображены последовательно зарегистрированные дополнительные эхо-сигналы трех дополнительных циклов измерения, а на фиг. 4 изображена итоговая амплитудно-частотная характеристика контролируемого объекта.
[15]Резонансный способ ультразвуковой толщинометрии заключается в том, что на поверхности объекта контроля в основной точке излучения устанавливают излучающий преобразователь, а в основной точке приема устанавливают приемный преобразователь. Далее в объекте контроля возбуждают зондирующий сигнал, излучая гармонические колебания непрерывно меняющейся частоты. Принимают основной эхо-сигнал Uосн(t)=Kок.осн ⋅ Uзонд(t), где Kок.осн=Kок.осн(ƒ) и регистрируют присутствующие в этой точке объекта контроля колебания, амплитуда которых зависит от резонансных свойств объекта контроля и которые, в свою очередь, определяются конфигурацией и свойствами материала изделия (см. фиг. 2). Далее изменяют положение излучающего и (или) приемного преобразователей на поверхности объекта контроля, позиционируя комбинацию преобразователей в первую дополнительную позицию (N=1). Вновь возбуждают механические колебания в объекте контроля, излучая зондирующий сигнал непрерывно меняющейся частоты, и принимают эхо-сигнал U1(t)=Kок.осн ⋅ Kок.осн ⋅ Kок.1 ⋅ Uзонд(t) в новом дополнительной позиции преобразователей. Аналогичным образом процедуру "перепозиционирование преобразователей + регистрация эхо-сигнала" производят N раз. При этом в каждом новом положении излучающего и (или) приемного преобразователей на поверхности объекта контроля, кроме основного положения, зондирующим сигналом служит зарегистрированный на предшествующим этапе эхо-сигнал, а перемещение преобразователей осуществляют вдоль плоскости, ограничивающей измеряемую толщину. Таким образом, в N позиции излучения и приема электроакустического сигнала на поверхности объекта контроля зарегистрированным оказывается сигнал UN(t)=Kок.осн ⋅ Kок.1 ⋅ Kок.2 ⋅ Kок.3 .... ⋅ Kок.N ⋅ Uзонд(t) (см. фиг. 3). В результате все зарегистрированные эхо-сигналы, а значит и амплитудно-частотные характеристики объекта контроля, характерные для выбранных точек контроля, взаимно перемножаются Kок.осн ⋅ Kок.1 ⋅ Kок.2 ⋅ Kок.3 .... ⋅ Kок.N, образуя итоговую резонансную амплитудно-частотную характеристику (см. фиг. 4), на которой практически полностью отсутствуют помеховые резонансы, связанные со сложной формой объекта контроля. Далее по максимуму резонансной частоты определяют толщину объекта контроля.
[16]Устройство, реализующее резонансный способ ультразвуковой толщинометрии, содержит электроакустически последовательно соединенные генератор 1 линейно-частотно-модулированного сигнала, коммутатор 2, излучающий электроакустический преобразователь 3, приемный электроакустический преобразователь 4, входной усилитель 5, полосовой фильтр 6, блок 7 памяти, блок 8 амплитудного детектора и индикатор 9. Второй выход блока памяти 7 соединен со вторым входом коммутатора 2. Излучающий электроакустический преобразователь 3 и приемный электроакустический преобразователь 4 располагают и акустически фиксируют их на поверхности объекта 10 контроля в области контролируемого размера.
[17]Устройство резонансной ультразвуковой толщинометрии работает следующим образом.
[18]Вся процедура измерения состоит из N+1 циклов (основного и N дополнительных), соответствующих N+1 положению электроакустических преобразователей 3 и 4 на поверхности измеряемого объекта 10 (N≥1). В основном цикле измерения излучающий электроакустический преобразователь 3 однократно возбуждают протяженным импульсным линейно- частотно-модулированным (ЛЧМ) сигналом. Характер частотной зависимости модуля спектральной плотности прямоугольного ЛЧМ-импульса полностью зависит от безразмерного числа В, равного произведению девиации частоты Δƒc на длительность Тс импульса и называемого базой ЛЧМ-сигнала. Спектр ЛЧМ-сигналов с базой В>>1 имеет ряд специфических особенностей. Во-первых, модуль спектральной плотности здесь практически постоянен в пределах полосы частот шириной Δƒс. Во-вторых, наблюдается постепенное исчезновение осцилляций модуля спектральной плотности с увеличением базы В сигнала. Это означает, что при больших В (значение В не менее 104) модуль спектральной плотности постоянен в полосе частот Δƒс и обращается в нуль вне этой полосы, т.е. является наилучшим из известных сигналов, пригодным для использования в качестве тестового сигнала при исследовании амплитудно-частотных характеристик. В объекте 10 контроля излучающим преобразователем 3 в основной точке контроля возбуждают основной зондирующий (ЛЧМ)-сигнал. Длительность Тз.с. линейно-частотно-модулированного сигнала, использованного в качестве зондирующего при экспериментальной апробации заявляемого технического решения, составляла Тз.с.=3,4 с, а девиация частоты Δƒс=5,3 кГц, что соответствует значению базы В=1,8⋅104. Приемным электроакустическим преобразователем 4 принимают основной эхо-сигнал (см. фиг. 2.а), представляющий собой возбужденные в объекте 10 контроля колебания, которые после усиления в усилителе 5 и полосой фильтрации в полосовом фильтре 6 поступают в блок 7 памяти. Таким образом, в конце основного цикла измерения в блоке 7 памяти записывается основной эхо-сигнал, несущий информацию об основной резонансной амплитудно-частотной характеристике объекта 10 контроля (см. фиг. 2.б). Далее перемещают излучающий электроакустический 3 или (и) приемный электроакустический преобразователь 4 в другое положение на поверхности объекта 10 контроля и вновь их фиксируют. По команде оператора коммутатор 2 отключает вход излучающего преобразователя 3 от выхода генератора 1 линейно-частотно-модулированного сигнала и подключает его к выходу блока 7 памяти, в котором к данному моменту времени оказывается зарегистрированным основной эхо-сигнал.
[19]В объекте 10 контроля во время первого дополнительного цикла измерения на излучающий электроакустический преобразователь 3 подается зондирующий сигнал с 2-го выхода блока 7 памяти и в объекте контроля вновь возбуждают гармонические колебания переменной частоты, амплитуда которых оказывается промодулированной в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой объекта 10 контроля в основной точке контроля. Приемным электроакустическим преобразователем 4 регистрируют колебания, усиливают их в усилителе 5, фильтруют в полосовом фильтре 6 и первый дополнительный сигнал, несущий информацию о произведении основной и первой дополнительной амплитудно-частотной характеристик (см. фиг. 3.а), подают на вход блока 7 памяти, в котором он запоминается. В результате реализации первого дополнительного цикла измерения в блоке 7 памяти сохраняется сигнал, соответствующий перемноженным основной и дополнительной амплитудно-частотным характеристикам объекта контроля, измеренным в основной и первой дополнительной точках контроля. Далее аналогично реализуют второй и третий дополнительные циклы измерения, запоминая второй и третий дополнительные сигналы (см. фиг. 3.б и фиг. 3.в). Таким образом, последовательно меняя на поверхности объекта контроля положение излучающего 3 и (или) приемного 4 преобразователей на N-м этапе измерения, фиксируют N-й дополнительный сигнал, несущий информацию об итоговой резонансно-мультипликативной амплитудно-частотной характеристике, на которой практически полностью отсутствуют помеховые резонансы, связанные со сложной формой объекта контроля. Сигнал, зарегистрированный в процессе N-го дополнительного цикла контроля, считывают с выхода блока 7 памяти и после амплитудного детектирования в блоке 6 амплитудного детектора (см. фиг. 4) подают на вход индикатора 9.
[20]Использование изобретения позволяет практически полностью подавить помеховые резонансы, что значительно повышает достоверность УЗ контроля при одновременном повышении точности толщинометрии в 3-5 раз.
