EA015437B1

EA015437B1 - Ультразвуковой неразрушающий контроль

Info

Publication number: EA015437B1
Application number: EA200801146A
Authority: EA
Inventors: Питер Коули; Фредерик Берт Сегла
Original assignee: Империал Инновейшнз Лимитед
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2011-08-30
Also published as: ES2592517T3; US9274090B2; GB2431991A; HUE036223T2; NO20082233L; DK1954413T3; PL1954413T3; JP2011007813A; JP5266057B2; EA201001397A1; EA018762B1; US20130098158A1; NO20101483L; AU2006310344A1; NO340902B1; LT1954413T; ES2639841T3; EA200801146A1; US20140260633A1; AU2006310344B2

Abstract

Устройство и способ ультразвукового неразрушающего контроля предусматривает удлиненную ленту из проводящего ультразвук материала, присоединенную проксимальным концом к испытуемому объекту. Удлиненная лента имеет поперечное сечение с соотношением ширины и толщины больше единицы, согласованное с ультразвуковым преобразователем, возбуждение которого создает, по существу, не подверженный дисперсии ультразвуковой сигнал для распространения вдоль удлиненной ленты к проксимальному концу и вхождения в испытуемый объект. Эти не подверженные дисперсии импульсы в особенности пригодны для измерений времени пролета, измерений толщины, измерения трещин и т.п. Удлиненная лента помогает отделить преобразователь от возможной агрессивной среды, в которой находится испытуемый объект. Удлиненная лента также имеет большую площадь контакта с испытуемым объектом, создавая возможность эффективной передачи энергии в испытуемый объект.

Description

Настоящее изобретение относится к прибору и способу ультразвукового неразрушающего контроля.

Описание уровня техники

Использование ультразвуковых сигналов в неразрушающем контроле материалов известно. Измерения толщины могут быть выполнены путем посылки ультразвуковых сигналов в испытуемый материал и измерением времени их пролета через материал. Непрерывный контроль наличия дефектов может быть произведен путем посылки ультразвуковых сигналов в испытуемый материал и наблюдением их отражений от структуры дефекта. Обычно ультразвуковой преобразователь размещен в непосредственном контакте с испытуемым объектом. Затем излученные ультразвуковые сигналы принимаются передающим преобразователем, также работающим как приемный преобразователь, или же может быть использован второй приемный преобразователь. Такие методы довольно просты в неагрессивной среде, но значительные технические препятствия должны быть преодолены для того, чтобы такие преобразователи работали в агрессивной среде (например, при высокой температуре).

Усовершенствование ультразвуковых преобразователей и их вспомогательных элементов, способных выдерживать высокие температуры в течение продолжительных периодов времени, является весьма сложным. Высокие температуры неблагоприятно воздействуют на большинство материалов преобразователей, и, более того, буферные усилители упругих колебаний должны преобразовать сигналы для передачи по коаксиальным кабелям, которые сами должны противостоять окружающим воздействиям. Также должны быть обеспечены подходящие соединители и источники питания.

Привлекательной альтернативой является использование акустического волновода, выполненного из материала, способного противостоять агрессивной среде, для передачи ультразвукового сигнала в испытуемый объект от преобразователя, и вспомогательных элементов, расположенных в области, находящейся за пределами агрессивной среды. Конец волновода в этом случае прикреплен непосредственно к представляющей интерес области испытуемого образца. Использование промежуточного волновода однако не является тривиальной задачей. При ультразвуковом контроле обычно используют высокую частоту (> 1 МГц) в форме импульсов, которые не просто передавать вдоль протяженного волновода с высокой точностью из-за дисперсии, наличия нескольких мод и затухания. Кроме этого, как преобразователи, так и испытуемый образец должны быть прикреплены к волноводу таким образом, чтобы обеспечить высокий коэффициент полезного действия для избежания недопустимо высоких потерь энергии.

Основной проблемой, которая должна быть решена, является дисперсия и наличие нескольких мод. На фиг. 1 прилагаемых чертежей изображены графики дисперсии для волновода, выполненного в виде цилиндрического стержня. Некоторое рассеивание энергии передаваемого сигнала неустранимо, так, например, сигнал, генерируемый на частоте 2 МГц, обычно будет обладать энергией между 1 и 3 МГц. Следовательно, поскольку точная идентификация и определение времени прихода ультразвуковых сигналов, пришедших из испытуемого образца, являются первостепенными для описанных выше методов неразрушающего контроля, то очень желательно передавать сигнал, который в значительной степени не обладает дисперсией, т.е. его скорость почти не зависит от частоты, и в котором преобладает единственная мода.

Дисперсия в волноводе и возможные моды в значительной степени зависят от произведения частоты сигнала и наименьшего измерения волновода. Кроме того, для достижения хорошей точности в ультразвуковых измерениях толщины обычно необходимо работать на частотах выше 1 МГц. Однако при повышенных значениях произведения частота-измерение могут распространяться моды более высокого порядка и поэтому необходимо ограничить наименьшее измерение волновода. Соответственно в уровне техники известно использование волноводов в виде тонкого стержня. Такие устройства не лишены своих собственных трудностей, например через тонкий стержень трудно передать значительную энергию для создания сильного сигнала. Также, когда тонкий волновод присоединен к более крупной конструкции, существует сильное поверхностное отражение и в испытуемую структуру входит относительно небольшая энергия. В дополнение к сказанному, волновод в виде тонкого стержня, присоединенный к испытуемой конструкции, эффективно действует как точечный источник, от которого энергия распространяется в виде сферической волны, что означает, что к приемному волноводу возвращается малая доля энергии, даже от сильного отражателя, такого как поверхность основания конструкции.

В патенте США № 5962790 (например, см. [1-3], а также [4]) раскрыта система, в которой для минимизации дисперсии использована тонкая проволока, а для преодоления некоторых проблем единственной тонкой проволоки использован пучок тонких проволок. Каждая проволока работает с соответствующим низким значением произведения частота-диаметр, тогда как через большое количество параллельных проволок в пучке может быть передана значительно большая энергия, чем через одну проволоку. Однако пучки проволоки сравнительно дороги в производстве, а с увеличением диаметра пучков они становятся заметно менее гибкими, ограничивая геометрии, в которых они могут быть использованы. Кроме этого, перекрестная связь между отдельными проволоками может затруднить анализ сигнала и существуют практические затруднения, связанные или с прикреплением каждой отдельной проволоки к испытуемой конструкции, или с созданием концевой заделки пучка, которая не вносит дисперсионных проблем при соединении с пластиной. Что касается возбуждаемой моды колебаний, то в отдельной про

- 1 015437 волоке могут быть возбуждены или продольные моды, или крутильные моды, т.е. моды крутильных колебаний. Крутильная мода обычно возбуждается преобразователем, соединенным с боковой поверхностью проволоки, или с помощью окружающей электромагнитной катушки. Такие методы не находят применения для пучков проволок, в которых реально могут быть использованы только продольные моды.

В патенте США № 6400648 [5] раскрыт волновод из фольги, свернутой в спираль, как альтернатива пучку стержней. Толщина фольги выбрана такой, чтобы быть намного меньше, чем наименьшая длина волны распространяющегося сигнала, удовлетворяя наименьшему значению произведения частотаразмер для передачи без дисперсии. Фольга свернута в спираль вокруг оси, параллельной направлению распространения сигнала, так что, будучи развернута, становится очень длинной в направлении, перпендикулярном распространения сигнала. Однако при увеличении диаметра спирали волновод становится жестким и снижающим амплитуду колебаний вследствие того, что может возникнуть механическое взаимодействие между слоями. Так же как и пучок проволок свернутая в спираль фольга лучше подходит для продольных волн, чем для крутильных волн.

В патенте США № 5828274 [6] раскрыт полосочный ультразвуковой волновод с наружным слоем из поглощающего покрытия. Покрытие путем ослабления и ограничения поверхности отражений устраняет влияние границ волновода. Это приводит к устранению почти всех запаздывающих эхо-сигналов, однако эффекты дисперсии устраняются не полностью и сигнал оказывается несколько задержанным, немного искаженным и значительно ослабленным. Последний недостаток ограничивает длину такого волновода и делает его довольно негибким. Это является улучшением по сравнению с предыдущими предложениями, использующими в качестве волноводов металлические бруски неодинаковой формы с резьбой [7 и 8].

В патенте США № 6047602 раскрыт ультразвуковой волновод для измерения потока текучей среды, представляющий собой прямоугольный брусок с поперечным сечением с наклонно срезанной оконечной частью. Поверхность скошенной части отражает энергию, проходящую вдоль бруска, в узкий направленный луч для входа в испытуемую текучую среду. Волновод разработан для максимизации энергии, передаваемой поперек трубопровода. Это устройство имеет существенные недостатки в области измерения толщины или непрерывного контроля наличия дефектов, поскольку не обладает гибкостью и распространение волны не оптимизировано для чистой неискаженной формы сигнала, которая имеет наибольшее значение для временных измерений в неразрушающем контроле образцов.

Техническая проблема состоит в обеспечении практического устройства для ультразвукового неразрушающего контроля, способного работать в агрессивной среде, и в котором решены указанные выше проблемы.

Сущность изобретения

В соответствии с представленным изобретением предусмотрено устройство для ультразвукового неразрушающего контроля испытуемого объекта, содержащее удлиненную полосу из материала, пропускающего ультразвук, которая имеет проксимальный конец для присоединения к указанному испытуемому объекту и дистальный конец; и ультразвуковой преобразователь, присоединенный к указанной удлиненной полосе; в котором указанная удлиненная полоса имеет поперечное сечение с соотношением ширины и толщины больше единицы, согласованное с указанным ультразвуковым преобразователем таким образом, что возбуждение указанного ультразвукового преобразователя наводит, по существу, не подверженные дисперсии ультразвуковые сигналы для распространения вдоль указанной удлиненной полосы к указанному проксимальному концу и вхождения в указанный испытуемый объект.

Настоящее изобретение исходит из того, что существует потребность в ультразвуковых сигналах для целей неразрушающего контроля, которые должны быть излучены так, чтобы, по существу, не испытывать дисперсии, так чтобы могли быть произведены точные синхронные измерения. Настоящее изобретение также исходит из того, что имеется потребность в элементах, составляющих ультразвуковую линию передачи, которые должны быть гибкими, с тем, чтобы устройство могло быть размещено в неудобных местах. Соответственно при передаче ультразвуковых сигналов по удлиненной полосе с соотношением ширины и толщины больше единицы и при возбуждении сигналов, которые, по существу, не подвержены дисперсии, ультразвуковой неразрушающий контроль испытуемого объекта может быть выполнен в окружающей среде, агрессивной для традиционных ультразвуковых преобразователей и в конфигурациях, которые требуют от передающих составных частей гибко обойти мешающие предметы.

Удлиненная полоса выполнена из материала, имеющего скорость С'./ сдвиговых колебаний и длину /__В волны сдвига, где /._В=С\/Е. а Р - частота, соответствующая /_В, при этом указанные, по существу, не подверженные дисперсии ультразвуковые сигналы сформированы из составляющих с разными частотами, имеющих длины волн сдвига, лежащие в пределах от λ_8ΒθΓΐ до λ[_οη6. Некоторые моды ультразвуковых сдвиговых волн обладают тем преимуществом, что не обнаруживают дисперсии и имеют наиболее короткие длины волн. Более короткие волны обеспечивают более высокое пространственное разрешение для целей контроля.

Таким же образом указанная удлиненная полоса изготовлена из материала, имеющего скорость Сь_агволн давления и длину /_Ьаг волны давления, где /_Ьаг=Сь_аг/Р, а Р - частота, соответствующая /_Ьаг, при этом

- 2 015437 указанные, по существу, не подверженные дисперсии ультразвуковые сигналы сформированы из составляющих с различными частотами, имеющих длины волн давления, лежащие в интервале от λ^οι-ι до λ[_οη8. В некоторых ситуациях более подходящими могут быть волны сжатия.

Тогда как размеры удлиненной полосы могут значительно изменяться, в предпочтительных вариантах выполнения толщина удлиненной полосы должна быть в 2,5 раза меньше чем λ_?,|_ιοι1. В особенно предпочтительных вариантах выполнения толщина удлиненной полосы меньше чем λ^ή. Такие ограничения размеров помогают избежать возбуждения нежелательных мод высшего порядка.

В предпочтительных вариантах выполнения указанная ширина больше чем 3,5λ[_οη6. В еще более предпочтительных вариантах выполнения указанная ширина больше чем 5λ[_οη6. Такие ограничения размеров помогают достичь того, что распространение ультразвуковых волн, по существу, не обнаруживает дисперсии, имеет малую амплитуду на краях волновода и форма колебания сохраняется приблизительно неизменной.

Тогда как различающиеся ультразвуковые моды могут быть использованы в предпочтительных вариантах выполнения, указанные не обнаруживающие дисперсии ультразвуковые сигналы содержат низшие порядки сдвиговых мод колебаний с поляризацией, перпендикулярной направлению распространения и параллельной указанной ширине. Такие сигналы могут быть переданы по волноводу с низкими искажениями и высоким коэффициентом полезного действия, как это было описано выше.

В других вариантах выполнения указанные не подверженные дисперсии ультразвуковые сигналы содержат моды сжатия колебаний низшего порядка с поляризацией, параллельной направлению распространения. Такие волны выгодно использовать в таких применениях, когда имеется затухание сдвиговых волн высокого порядка в испытуемом объекте или когда использование волн сжатия в испытуемом объекте дает определенные преимущества.

В связи с тем, что возможно одновременное возбуждение многих мод подходящего типа, в предпочтительных вариантах выполнения указанный ультразвуковой преобразователь возбуждает, по существу, только единственную моду распространяющейся направленной волны. В других вариантах выполнения указанный ультразвуковой преобразователь аподизирован возбуждать, по существу, только указанную единственную моду распространяющейся направленной волны для наведения указанных, по существу, не подверженных дисперсии ультразвуковых сигналов. Ограничение единственной моды выгодно в тех применениях, которые требуют точной информации о последовательности событий во времени, так как отдельно принятые сигналы легче могут быть идентифицированы как приходящие от отдельных особенностей испытуемого объекта, чем те, которые являются результатом различных мод.

Что касается требуемых расстояний в испытуемом объекте в предпочтительных вариантах выполнения, то указанные, по существу, не испытывающие влияния дисперсии ультразвуковые сигналы распространяются, по существу, цилиндрической волной от указанного проксимального конца в указанный испытуемый объект. Скорость ослабления амплитуды цилиндрически распространяющейся волны обратно пропорциональна квадратному корню расстояния от источника, тогда как амплитуда сферической распространяющейся волны обратно пропорциональна расстоянию от источника. Следовательно, первый из названных видов распространения теряет меньше энергии.

Хотя преобразователь может быть прикреплен к удлиненной полосе в различных местах, в предпочтительных вариантах выполнения указанный ультразвуковой преобразователь может быть удобно присоединен к указанному дистальному концу. В этой ситуации указанный ультразвуковой преобразователь присоединен к указанному дистальному концу одним из следующих способов:

(ί) связующим соединением;

(ίί) механическим скреплением и связующим веществом, проводящим ультразвук;

(ΐϊϊ) механическим скреплением и изменяемой силой.

Такие соединения между ультразвуковым преобразователем и дистальным концом волновода способствуют эффективной передаче энергии между ними. Связующее соединение включает сварку и пайку твердым припоем, также как и другие приемы соединения.

Присоединение преобразователя к удлиненной полосе может быть достигнуто многими различными путями. В одном предпочтительном варианте выполнения указанный ультразвуковой преобразователь содержит преобразователь, присоединенный по меньшей мере к одной продольной стороне указанной удлиненной полосы. В другом предпочтительном варианте выполнения указанный ультразвуковой преобразователь содержит катушку, действующую с возможностью обеспечения электромагнитного ультразвукового преобразования. Такие устройства делают возможными альтернативные эффективные способы возбуждения ультразвуковых сигналов в волноводе.

В одном варианте выполнения настоящего изобретения указанная удлиненная полоса обернута вокруг оси, которая, по существу, параллельна указанной ширине указанной удлиненной полосы и, по существу, перпендикулярна направлению распространения волны. Это, в частности, позволяет облегчить выполнение разводки ультразвуковых сигналов в стесненных реальных жизненных обстоятельствах.

Прием ультразвукового сигнала может быть произведен множеством различных способов. В одном предпочтительном варианте выполнения указанный прибор содержит ультразвуковой приемник, выпол

- 3 015437 ненный с возможностью работы для приема ультразвука, отраженного от указанного испытуемого объекта и полученного в результате входа в указанный испытуемый объект, по существу, не подверженных дисперсии ультразвуковых сигналов. В этом случае указанный ультразвуковой приемник содержит одну или несколько дополнительных удлиненных полос, каждая из которых присоединена к указанному испытуемому объекту в соответствующем положении для того, чтобы принимать указанный отраженный ультразвук, а также иметь приемный ультразвуковой преобразователь для обнаружения указанного отраженного ультразвука. В другом предпочтительном варианте выполнения указанная удлиненная полоса и указанный ультразвуковой преобразователь также образуют указанный ультразвуковой приемник.

Тогда как вместе с представленными техническими приемами может быть использовано большое количество методов ультразвукового контроля, в предпочтительном варианте выполнения указанный отраженный ультразвук содержит по меньшей мере единожды отраженные сигналы, а указанный ультразвуковой приемник измеряет разность времени между указанными отраженными сигналами. Такие измерения разности времени дают информацию о структуре испытуемого объекта.

Представленное изобретение исходит из того, что тогда как присоединение указанной удлиненной полосы к указанному испытуемому объекту может быть достигнуто многими разными путями, это важно для характеристик указанного устройства, и в предпочтительном варианте выполнения указанный проксимальный конец прикреплен к указанному испытуемому объекту одним из следующих способов:

(ί) сваркой;

(ίί) пайкой твердым припоем;

(ίϊϊ) припаиванием и (ίν) склеиванием.

В другом предпочтительном варианте выполнения указанный проксимальный конец прижат к указанному испытуемому объекту. В этом случае соединение может быть улучшено с помощью проводящего ультразвук связующего вещества, размещаемого между указанным проксимальным концом и указанным испытуемым объектом. Кроме этого, улучшенное соединение может быть достигнуто в варианте выполнения, в котором зажим прижимает указанную удлиненную полосу к указанному испытуемому объекту с регулируемой силой. В предпочтительных вариантах выполнения указанный зажим присоединен к указанному испытуемому объекту шпильками, приваренными к указанному испытуемому объекту. Другой предпочтительной формой зажима является та, в которой полоса обернута вокруг испытуемого объекта, например вокруг трубы.

Представленные приемы используются, в частности, когда указанный ультразвуковой неразрушающий контроль представляет собой измерения толщины или текущий контроль наличия дефектов.

Представленные технические приемы в особенности хорошо подходят к ситуациям, в которых указанными испытуемыми объектами являются:

(ί) объекты при температуре выше чем 200°С и (й) предметы с уровнем ионизирующего излучения выше уровней естественного фона.

Таким образом, во втором аспекте настоящее изобретение предлагает способ ультразвукового неразрушающего контроля испытуемого объекта, который включает присоединение проксимального конца удлиненной полосы к испытуемому объекту;

возбуждение, по существу, не подверженных дисперсии ультразвуковых сигналов в указанной удлиненной полосе для передачи вдоль указанной удлиненной полосы и вхождения в указанный испытуемый объект.

Теперь будут описаны варианты выполнения изобретения, исключительно в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 изображает графики дисперсии фазовой скорости для различных ультразвуковых мод в стальном стержне;

фиг. 2 изображает графики дисперсии фазовой скорости для различных ультразвуковых мод в стальной пластине;

фиг. 3 упрощенно изображает измерение толщины с использованием волноводного измерительного преобразователя;

фиг. 4 упрощенно изображает времяпролетную дифракцию с использованием волноводного измерительного преобразователя;

фиг. 5 упрощенно изображает некоторый пример размеров удлиненной полосы, составляющей часть измерительного преобразователя в соответствии с представленными техническими приемами;

фиг. 6 изображает пример развертки во времени отражений, полученных при использовании полосы с сечением 1 на 15 мм длиной 300 мм, от пластины (50 на 50 мм) толщиной 6 мм при использовании сигнала с центральной частотой 2 МГ ц;

фиг. 7 изображает графики дисперсии фазовой скорости для ультразвуковых мод в удлиненной стальной полосе размером 1 на 30 мм с выделенной сдвиговой горизонтальной модой низшего порядка 8Н*;

фиг. 8 упрощенно изображает поперечное сечение полосы (1 на 15 мм) и форму 8Η*(Χ,Υ,Ζ) моды смещения на частоте 2 МГц;

- 4 015437 фиг. 9 упрощенно изображает изменение формы 8Н* Υ-моды смещения с изменением частоты;

фиг. 10 упрощенно изображает фазовую скорость для 8Н* моды сдвиговых колебаний низшего порядка, дисперсионная кривая которой выделена на фиг. 7, при распространении этой моды в полосах с поперечным сечением соответственно 1 на 30 мм и 1 на 15 мм;

фиг. 11 упрощенно изображает форму 8Η*(Χ,Υ,Ζ) моды смещения (поперечное сечение 1 на 15 мм) около частоты отсечки 0,14 МГц и на частоте 0,5 МГц вблизи перегиба асимптоты;

фиг. 12 изображает сигнал из волновода, приваренного к стальной пластине (толщиной 6 мм);

фиг. 13 и 14 упрощенно изображают прижимающие конструкции для прикрепления волновода к испытуемому образцу.

Настоящие технические приемы используют волновод из тонкой полосы (удлиненную полосу). Графики дисперсии фазовой скорости в зависимости от произведения частота-толщина для пластины изображены на фиг. 2. Ниже частоты 1,4 МГц-мм могут распространяться только три моды: 80 (волна сжатия низшего порядка с поляризацией, параллельной направлению распространения), А0 (волна изгиба на низких частотах) и 8Н0 (сдвиговая мода низшего порядка с поляризацией, перпендикулярной направлению распространения и параллельной ширине полосы). Эти волны аналогичны соответственно модам Ь(0,1), Р(1,1) и Т(0,1) в стержне. Мода А0 обнаруживает сильную дисперсию и не привлекательна для целей контроля, но мода 80 обладает минимальной дисперсией на низких частотах, тогда как 8Н0 вообще не обладает дисперсией на всех частотах. На фиг. 2 показано, что в диапазоне ниже 1,4 МГц-мм фазовая скорость моды 8Н0 значительно меньше моды 80. Поскольку длина волны равна фазовой скорости, деленной на частоту, то из этого следует, что на заданной частоте мода 8Н0 имеет меньшую длину волны, чем мода 80. Зачастую это делает моду 8Н0 более чувствительной в применениях для контроля. Поэтому предпочтительные варианты выполнения представленных технических приемов используют сдвиговые горизонтальные моды, но могут быть обстоятельства, в которых моды сжатия, подобные моде 80, оказываются предпочтительными (например, в случаях, когда затухание сдвиговых волн значительно больше, чем продольных волн, так что сигналы от сдвиговых волн оказываются слишком слабыми для того, чтобы они могли быть использованы).

По сравнению с предложенными ранее решениями конструкции волновода в виде одной проволоки, пучка проволок и проволок, свернутых в спираль, волновод в виде полосы имеет следующие преимущества.

Так как площадь поперечного сечения значительно больше, чем у одной проволоки, то легче получить сильные сигналы; также меньше отражение от границы раздела между волноводом и испытуемой конструкцией, так что в испытуемую конструкцию входит большее количество энергии.

Когда волна из полосы входит в испытуемую конструкцию, она имеет тенденцию распространяться цилиндрической волной. Это означает, что амплитуда волны в структуре вследствие расширения луча убывает пропорционально где г - расстояние от точки прикрепления. Это можно сравнить с ослаблением, пропорциональным 1/г для проволочных систем, в которых распространение происходит сферической волной.

Область рассеяния цилиндрического луча очень подходит одновременно как для простых измерений толщины, так и для определения размеров дефектов, основанного на времяпролетной дифракции (ВППД) (см. фиг. 3 и 4).

В полосе путем прикрепления преобразователя к концу полосы легко возбудить сдвиговые волны или продольные волны; также возможно возбуждать иные типы волн путем прикрепления соответствующих преобразователей к боковым поверхностям полосы, если это более удобно.

Волновод к структуре можно приварить, припаять, припаять твердым припоем или обернуть вокруг нее. Также можно просто использовать клейкий ультразвуковой гель - связующее вещество для низких температур - и/или плотно прижать волновод к конструкции (например, с помощью приваренных к ней имеющих резьбу шпилек, создающих регулируемую прижимающую силу, которые работают при высоких и низких температурах). Так как волновод тонкий, то сравнительно просто обеспечить присоединение всей поверхности основания волновода к конструкции, улучшая тем самым передачу сигнала. Прижим волновода к конструкции может быть выгодным, поскольку он устраняет недостатки, связанные с нежелательными геометрическими искажениями, которые неизбежно вносятся при неразъемных технических приемах соединения. При прижиме может быть достигнута адекватная передача сигнала.

Волновод из полосы значительно более гибок в одном направлении по сравнению с обычным пучком проволоки, так что становится проще получить доступ к конструкциям за углами.

На фиг. 5 изображен один из примеров варианта выполнения изобретения. На фиг. 6 изображены сигналы, полученные при измерении толщины, показанной на фиг. 3, при котором толщина может быть получена, зная скорость звука, из времени между отражениями от верхней поверхности и нижней поверхности или времени между следующими один за другим отражениями от задней стенки. Образец при этом может находиться при высокой температуре, например большей 200°С, и/или быть подверженным уровню ионизирующего излучения выше естественного.

Толщину полосы обычно выбирают такой, чтобы произведение толщины и максимальной возбуж

- 5 015437 даемой частоты было бы меньше чем 3 МГц-мм для волн типа 8Н и 1,4 МГц-мм для волн продольного типа для того, чтобы избежать возбуждения мод высшего порядка в направлении поперек толщины. Если используют продольные волны, то также часто требуется использовать пониженное значение произведения частота-толщина для того, чтобы свести к минимуму дисперсию, хотя это может быть использовано для выравнивания дисперсии (см. [10]). Ширина полосы также является важным параметром.

Когда удлиненная полоса выполнена из материала, имеющего скорость С₈ сдвига и длину Х_В волны сдвига, где Х_В=С₃/Р, а Е - частота, соответствующая Х_В, и указанные, по существу, не обнаруживающие дисперсии ультразвуковые сигналы сформированы из составляющих с разными частотами, имеющих длины волн сдвига, лежащие в пределах от λ_ΛθΓΐ до λ_1οη6, желательно, но не существенно, чтобы толщина была меньше 2,5λ_811ΟΓΐ и, в частности, предпочтительно, чтобы она была меньше λ_811ΟΓΐ. Точно также предпочтительно, чтобы ширина была больше чем 3,5λ_1οηβ, и, в частности, предпочтительно, чтобы она была больше чем 5λ_1οηβ.

Точно таким же образом те же самые диапазоны применяют, когда удлиненная полоса выполнена из материала, имеющего скорость С_|аг упругих колебаний и длину λ_Ιωι. волны упругих колебаний, где λι,^^^/Ε, а Е - частота, соответствующая λ_|αΓ, и указанные, по существу, не обнаруживающие дисперсии ультразвуковые сигналы сформированы из составляющих с различными частотами, имеющих длины волн упругих колебаний, лежащие в интервале от λ,_Ηοι1 до λ_1οη6.

Графики дисперсии, изображенные на фиг. 2, моделируют распространение волны в пластине бесконечной ширины. Структуры с очень большим отношением ширины к толщине будут моделированы исключительно точно этим допущением бесконечной ширины. Однако чем ближе друг к другу сдвигаются боковые поверхности для создания полосы с прямоугольным поперечным сечением, тем больше будет влияние присутствия границ полосы на распространение волны. Миндлин и Фокс [11] были первыми в описании распространения мод в стержне с прямоугольным поперечным сечением. Их решение было получено в виде суперпозиции нескольких изгибающих, продольных и сдвиговых мод, которые распространяются в бесконечной пластине, соответственно, с шириной и толщиной стержня. Решения для бесконечной пластины были наложены для выполнения граничных условий в виде нулевых напряжений по всему периметру поперечного сечения. Этот способ дал им возможность определить характеристики дисперсии стержня для отдельных частот и вид соотношений размеров стержня. Решение для всех частот и видов соотношения было, однако, невозможным. Однако более современные непрерывные построения дисперсионных кривых для распространения волны в структурах с произвольным поперечным сечением стали возможными благодаря использованию программ решений собственных значений в методе конечных элементов (КЭ). Уилкокс и др. [12], Мукдади и др. [13] и Хаяши и др. [14] сообщили способы построения дисперсионных кривых для Ь-образных секций, головок рельсов и полос.

Способ Уилкокса и др. был применен здесь для анализа распространяющихся мод в стальной полосе толщиной 1 мм и шириной 30 мм. На фиг. 7 изображены графики дисперсии фазовой скорости. Мода, выделенная более толстой линией, была обозначена как первая горизонтальная мода 8Н* волны сдвиговых колебаний в этой полосе. По контрасту со случаем бесконечной пластины распространение моды 8Н0 не существует в конечной полосе. Это является следствием граничных условий в виде нулевых напряжений на боковых сторонах полосы, которые могут быть удовлетворены только при перемещении тела как целого или 8Н* модами и модами высшего порядка. Как следствие, в полосе конечной ширины не существует распространяющейся моды колебаний сдвига, не подверженной дисперсии. Однако чем толще полоса, тем ниже становится частота отсечки моды 8Н*. Так как мода 8Н* является асимптотой для скорости сдвиговых волн в объемном материале, то она становится фактически бездисперсионной на высоких частотах. В этом изобретении использование фактически чистых, не обнаруживающих дисперсии в полосе мод, имеющих в своей основе сжатие или сдвиг, используется для передачи ультразвуковой энергии по волноводу или акустическому кабелю к образцу, который должен быть исследован. Чистота моды устраняет появление нескольких сигналов, которые могут быть ошибочно приняты за указание на дефект или особенность в исследуемой структуре, а отсутствие дисперсии моды помогает концентрировать энергию волны в узком временном окне, что увеличивает дальность распространения сигнала в волноводе и определяет объемное разрешение, с которым может быть проведен мониторинг структуры (см. [15]). В дальнейшем будет рассматриваться пример, основанный на 8Н* моде, хотя также возможно использование аналогичных мод, основанных на сжатии.

На фиг. 8 изображено поперечное сечение полосы шириной 15 мм и форму моды 8Н* моды на частоте 2 МГ ц. Можно видеть, что в перемещениях по оси Υ, параллельных направлению ширины полосы, преобладает форма моды 8Н*. Однако в отличие от формы мод для 8Н мод в бесконечных пластинах, картины формы мод для 8Н моды в полосе конечной ширины изменяются с изменением частоты. На фиг. 9 изображено развитие доминантной у-составляющей перемещения 8Н* моды в некотором интервале частот. Чем выше частота, тем больше мода концентрируется в середине полосы. Таким образом, на высоких частотах мода переносит энергию почти со скоростью объемных сдвиговых волн вдоль середины полосы с малой энергией и, следовательно, чувствительностью на краях.

С помощью аподизированного преобразователя, который имитирует форму моды, может быть по- 6 015437 лучено возбуждение формы чистой моды. Также могут быть использованы преобразователи с катушками. Преобразователи могут быть размещены на концах или на боковых сторонах полосы. Так как кратковременные импульсы являются широкополосными сигналами, то картина формы моды не должна значительно изменяться во всей ширине полосы частот возбуждения импульса. На повышенных частотах (в окрестностях центральной частоты 2 МГц) - это место для моды 8Н* в полосе с увеличенной шириной. В связи с этим существуют два критерия, которые определяют допустимый диапазон с точки зрения отношения размеров полосы. Первый критерий состоит в том, что мода фактически не обнаруживает влияния дисперсии (изменение скорости менее 5%) в интересующей полосе частот, а второй критерий заключается в том, что существует относительно постоянная форма моды во всей полосе частот, представляющей интерес (изменение в приведенных амплитудах меньше чем 10%). Для моды 8Н* в настоящее время задача состоит в том, чтобы отыскать предел соотношения, для которого удовлетворяются оба критерия.

Кривые дисперсии для бесконечной пластины могут быть сделаны геометрически независимыми путем построения этих кривых как функции от произведения частоты на толщину (ЧТ). Следовательно, отсечка моды на пластине удвоенной толщины по сравнению с другой пластиной произойдет на вдвое меньшей частоте. Так как отношение ширина/толщина велико (>5), то в нашем случае система приблизительно может быть нормализована двумя произведениями: произведением ЧТ для частоты-толщины полосы и произведением ЧШ для частоты-ширины полосы. С такими рассуждениями при поддержании толщины полосы постоянной (ЧТ постоянно) ширина полосы может быть подобрана вплоть до предельного случая, при котором кривые дисперсии и формы моды не удовлетворяют ранее установленному критерию для успешного возбуждения и распространения единственной моды. На фиг. 10 изображены кривые дисперсии фазовой скорости моды 8Н* для полосы толщиной 1 мм и шириной 30 мм и для полосы толщиной 1 мм и шириной 15 мм. Отсечка моды в полосе шириной 15 мм происходит на удвоенной частоте. На фиг. 11 изображена форма моды для 8Н* моды вблизи частоты отсечки (точка 1) и на частотах вблизи точки, где фазовые скорости начинают выходить на асимптоту (точка 2) к сдвиговым объемным скоростям в полосе. При отсечке мода показывает сильное смещение на краях полосы. Смещения на краях становятся пренебрежимо малым при повышенных частотах.

Для контрольной полосы полезны частоты в интервале от 1 до 5 МГц. Однако широкополосное возбуждение импульсами обычно используется при текущем контроле наличия дефектов и контроле толщины. Это требует ширины полосы, равной половине центральной частоты ниже центральной частоты сигнала и половине центральной частоты выше центральной частоты сигнала. Таким образом, для центральной частоты импульса, равной 1 МГц, волновод должен обеспечить такое же не обнаруживающее дисперсии распространение волны в интервале от 0,5 до 1,5 МГц. Точно так же для центральной частоты сигнала, равной 2 МГц, этот интервал простирается от 1 до 3 МГц. Как можно видеть на фиг. 10, полоса толщиной 1 мм и шириной 15 мм становится неподходящей для посылки импульса на частоте 1 МГц. Фазовая скорость моды 8Н* уже не является асимптотически приближающейся к объемной сдвиговой скорости. Мода все еще обладает дисперсией в интервале частот от 500 до 800 кГц и форма моды (фиг. 11 (Ь)) не имеет пренебрежимо малых амплитуд (~25%) на краях. Из фиг. 11 (а) и (Ь) также можно видеть, что пока мода не начинает асимптотическое приближение к объемной сдвиговой скорости, в форме моды не доминируют составляющие в Υ направлении. Однако та же самая полоса подходит для посылки сигнала с центральной частотой 2 МГц. В пределах ширины полосы сигнала 2 МГц (1-3 МГц) дисперсия весьма ограничена и форма моды приблизительно постоянна (±5%). Следовательно, для успешного распространения волны (в форме моды 8Н*) по полосе произведение частота-ширина должно быть больше 15 МГц-мм. Выраженное в отношении ширины на длину волны в материале волновода колебаний с объемной сдвиговой скоростью, ширина должна быть больше чем 5 длин волн объемных сдвиговых колебаний на самой нижней частоте составляющей, содержащейся в сигнале.

Волны сжатия.

Такая же методика, что описана выше, может быть выполнена для мод типа сжатия в полосе. Их использование может быть выгодным в случаях, когда в структуре сталкиваются с большим ослаблением сдвиговой волны или когда использование волн сжатия в структуре приносит преимущества.

Прикрепление.

Также важна передача энергии через соединение акустического кабеля (волновода) в структуре, подвергаемой текущему контролю. Проблема нормальных сил точка и линия на упругом полупространстве хорошо известна как проблема Лэмба и впервые была решена Лэмбом (см. [16]). Другие исследователи представили решения для сходных проблем с разными геометриями и поляризациями источника. Миллер и Пёрси (см. [17]) рассмотрели бесконечно длинные полосы и диски, нагружающие поверхность по нормали, по касательной и путем закручивания. Ахенбах (см. [18]) представил решение для источника в виде бесконечной линии с поперечным сдвигом в упругом полупространстве, которое является упрощенным 2Ό решением для моды 8Н* в волноводе, входящем в структуру большего размера. В этом случае поперечные сдвиговые волны, возбужденные в полупространстве, излучаются цилиндрически из источника в структуру. Возбуждение поверхностной волны, которое наблюдают при всех других условиях нагрузки, не происходит при нагрузке поперечным сдвигом. Это желательно для текущего контроля наличия дефектов или измерения толщины, так как это создает меньшее количество сложных сигналов

- 7 015437 вследствие устранения преобразований моды. Миллер и Пёрси также описали примеры излучения для других источников, более сложных, и всегда содержащих поверхностную волну, которая отбирает наибольшую часть энергии. Полосочный источник для продольного волновода также является более выгодным по сравнению с точечным источником, так как он сводит сферическое распространение к цилиндрическому распространению волны от источника. Также, чем толще полоса, тем меньше энергии преобразуется в поверхностную волну.

Способ присоединения волновода к структуре очень важен. Возможны способы типа сварки, пайки или пайки твердым припоем, так же как и прижимание сухого контакта под большим усилием, действующим по нормали. Прикрепление сваркой или пайкой твердым припоем часто изменяет геометрию входа волновода в структуру. Возможно, что при прижимании волновода к структуре вдоль его краев создаются утолщения, налет или металлические наполнители и заусеницы. Трудно удалить утолщения и налет, так как они очень близки от структуры и волновода. Большая разница в толщине между тонким волноводом и структурой также делает очень трудным приваривание или припайку твердым припоем полосы к структуре без повреждения полосы. Изменения в геометрии, внесенные техническими приемами присоединения, почти всегда имеют порядок толщины волновода и порядка длины волны (на данных частотах) волны в материале. Они вызывают реверберацию сигнала в соединении и ухудшают сигнал, который возвращается к преобразователю. На фиг. 12 изображен один из таких сигналов волновода, приваренного к задней плоскости размером 6 мм. Отчетливо видны отражение на входе и эхо-сигнал от задней стенки, однако сигнал покрыт большим количеством шума, что является следствием реверберации в соединении. Это может маскировать более слабые сигналы от особенностей структуры. Первоначально считалось, что сварка, пайка твердым припоем, припаивание или оборачивание волновода на структуре являются наилучшими решениями для прикрепления к волноводу. Несомненно, что это решение, которое передает много энергии в структуру и это хороший выбор для системы типа импульс-эхо (посланный принят на тот же самый преобразователь). Недостатками способов неразъемных соединений являются засорение сигнала большим шумом вследствие реверберации в соединении. Эти недостатки трудно устранить, поэтому в тех случаях, когда важна чистота сигнала, предпочтительным является способ прижатия к структуре. Способ прижатия работает в режиме бросил-поймал (сигнал послан одним преобразователем, принят на другой). Сигнал вводится в структуру через один волновод и принимается волноводом, размещенным прямо рядом с посылающим волноводом. Сигнал в посылающей полосе в системе импульс-эхо едва ли изменяется по сравнению с прижатым или свободным волноводом. Это потому, что волновод и субструктура не находятся в очень хорошем контакте, когда они скреплены и прижаты вместе. Большое отражение на входе, звон и присутствие других мод (30 дБ ниже уровня сигнала) полностью маскируют низкие амплитуды сигналов от структуры. Эта проблема преодолена при работе в режиме бросил-поймал и при использовании другого волновода в качестве приемника сигнала, который был передан в структуру. Результат виден на фиг. 6. Конфигурация бросил-поймал имеет преимущество в приеме только энергии, которая была передана в структуру и поэтому снижает зависимость от отношения переданной амплитуды к отраженной в соединении волновода со структурой.

На фиг. 13 и 14 изображены эскизы возможных конструкций прижима к структуре типа пластины и к трубе. В случае структуры типа пластины деталь должна быть прикреплена к структуре, которая дает возможность прикрепляемому волноводу быть прижатому к поверхности структуры. Если это возможно, на основную пластину могут быть приварены шпильки, а зажим волновода может быть привинчен на эти шпильки. Есть еще много больше возможных вариантов. На фиг. 14 изображено полностью съемное решение, где прижимаемый волновод прикреплен к трубе с помощью двух трубных зажимов. Важно иметь зажим, который касается только краев волновода, так что он не оказывает влияния на распространение волны по середине полосы. Также зажим вблизи от конца волновода устраняет прогиб тонкого волновода, когда он прижат к поверхности.

Ссылки.

1. Линнворт Л.С. Критически дисперсионные ультразвуковые волноводы. Патент США № 5159838, 1992.

2. Линнворт Л.С. Пучки траекторий ультразвука и системы. Патент США № 5962790, 1999.

3. Линнворт Л.С., Йи Лю, Унима Дж. А. Техника протяженных волноводов в виде пучков для измерения течения горячих текучих сред. ΙΕΕΕ Тгапк ИЕЕС, 52, с. 538-544, 2005.

4. Уинстон Т.Р. и Бранк Дж. А. Способ и прибор для ультразвукового обследования недоступных зон. Патент США № 6230568, 2001.

5. Хейджинсдийк А.М. и ван Клустер Дж. М. Ультразвуковой волновод. Патент США № 6400648, 2002.

6. Джен С.К. и Легу Дж. Г. Покрытые ультразвуковые волноводы с уменьшенными запаздывающими эхо-сигналами. Патент США № 5828274, 1998.

7. Араки А. и Матсунага Й. Ультразвуковой измеритель потока. Патент США № 4014211, 1977.

8. Сатер А. Ультразвуковая техника буферного стержня для высокотемпературных измерений упругих модулей из коротких образцов, 1. Асоик. 8ос. Ат. 43(6), с. 1291-1294, 1968.

9. Линнворт Л.С. Ультразвуковой буфер/волновод. Патент США № 6047602, 2000.

- 8 015437

10. Уилкокс П.Д. Технические приемы обработки сигнала для устранения влияния дисперсии из сигналов направленной волны, ΙΕΕΕ Тгаик, оп ИНгакои. Ееггое1ее. Апб Егсс.|.Соп1. 50(4), с. 419-427, 2003.

11. Миндлин Р.Д. и Фокс Е.А. Колебания и волны в упругих брусках прямоугольного поперечного сечения, 1. Арр. Месй., с. 152-158, 1960.

12. Уилкокс П., Ивенс М., Дилиджент О., Лоув М., Коули П. Дисперсия и возможность возбуждения направленных акустических волн в изотропных брусках с произвольным поперечным сечением. Ие\зе\\· о£ Ргодгекк ίη ОиапШабхе ΝΏΕ 21, Ώ.Θ. Тйотркои апб Ώ.Ε. СЫтеий, ΑΙΡ.

13. Мукдади О.М., Десаи Й.М., Датта С., Ша А.Х., Никлассон А. Дж. Упругие направленные волны в слоистой пластине с прямоугольным поперечным сечением, 1. Асоик. 8ос. Ат. 112, с. 1766-1779, 2002.

14. Хаяши Т., Сонг У., Роуз Дж. Л. Графики дисперсии направленной волны для бруска с произвольным поперечным сечением, пример стержня и рельса, ИЙгакошск 41, с. 175-183, 2003.

15. Уилкокс П., Лоув М., Коули П. Влияние дисперсии на широкодиапазонный контроль, использующий ультразвуковые направленные волны, ΝΏΤ&Ε т1егиа1юиа1 34, с. 1-9, 2001.

16. Лэмб X., О распространении толчков через поверхность упругого твердого тела, Рйй. Тгаик. В. 8ос. А203, с. 1-42, 1904.

17. Миллер Г.Ф., Пёрси X. Поле и импеданс излучения механических излучателей на свободной поверхности полубесконечного твердого тела, Ргос. В. 8ос. 223, с. 521-541, 1954.

18. Ахенбах Дж. Д. Распространение волны в упругих твердых телах, №г111-Но11аг1б РиЬйкЫид Сотраиу, с. 283-289, 1975.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для ультразвукового неразрушающего контроля твердого испытуемого объекта, содержащее полосу из материала, пропускающего ультразвук, которая имеет поперечное сечение с соотношением ширины и толщины больше единицы, проксимальный конец и дистальный конец;

ультразвуковой преобразователь, присоединенный к указанной полосе и согласованный с ней таким образом, что возбуждение указанного ультразвукового преобразователя наводит не подверженные дисперсии ультразвуковые сигналы для распространения вдоль указанной полосы к указанному проксимальному концу; причем указанные сигналы сформированы из составляющих с разными частотами, имеющих длины волн, лежащие в пределах от А_кЬог1 до Х_1оид;

средство присоединения для присоединения указанного проксимального конца к поверхности указанного твердого объекта, выполненное с возможностью введения указанных не подверженных дисперсии сигналов в указанный твердый объект;

при этом указанная толщина меньше чем 2,5А_кйоГ1, а указанная ширина больше чем 3,5А_1ои8.
2. Устройство по п.1, в котором указанная толщина меньше чем А_кйоГ1.
3. Устройство по п.1, в котором указанная ширина больше чем 5Х_1оид.
4. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором указанные не подверженные дисперсии ультразвуковые сигналы содержат моду низшего порядка колебаний сдвига с поляризацией, перпендикулярной направлению распространения и параллельной указанной ширине.
5. Устройство по п.1, в котором указанные не подверженные дисперсии ультразвуковые сигналы содержат моды колебаний сжатия низшего порядка с поляризацией, параллельной направлению распространения.
6. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором указанный ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью возбуждения только одной моды распространяющейся направленной волны.
7. Устройство по любому из предшествующих пунктов, выполненное с возможностью распространения указанных не подверженных дисперсии ультразвуковых сигналов цилиндрической волной от указанного проксимального конца в указанный испытуемый объект.
8. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором указанный ультразвуковой преобразователь присоединен к указанному дистальному концу.
9. Устройство по п.8, в котором ультразвуковой преобразователь присоединен к дистальному концу одним из следующих способов:

(ί) связующим соединением;

(ίί) механическим скреплением и связующим веществом, проводящим ультразвук;

(ΐϊϊ) механическим скреплением и регулируемой силой.
10. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором ультразвуковой преобразователь присоединен по меньшей мере к одной продольной стороне указанной полосы.
11. Устройство по любому из пп.1-9, в котором ультразвуковой преобразователь содержит катушку электромагнитного ультразвукового преобразователя.
12. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором указанная полоса обернута во

- 9 015437 круг оси, которая параллельна ширине полосы и перпендикулярна направлению распространения.
13. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором полоса обернута вокруг оси, которая параллельна направлению распространения.
14. Устройство по любому из предшествующих пунктов, содержащее ультразвуковой приемник для приема ультразвука, отраженного от указанного испытуемого объекта.
15. Устройство по п.14, в котором ультразвуковой приемник содержит одну или несколько дополнительных полос, каждая из которых содержит приемный ультразвуковой преобразователь для обнаружения отраженного ультразвука.
16. Устройство по п.14, в котором ультразвуковой приемник содержит полосу, а ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью обнаружения отраженного ультразвука.
17. Устройство по любому из пп.14-16, в котором ультразвуковой приемник выполнен с возможностью измерения разности времени между отраженными сигналами.
18. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором указанный проксимальный конец выполнен с возможностью прикрепления к твердому испытуемому объекту одним из следующих способов:

(ΐ) сваркой;

(ίί) пайкой твердым припоем;

(Ш) припаиванием и (ΐν) склеиванием.
19. Устройство по любому из пп.1-17, в котором указанный проксимальный конец выполнен с возможностью прижатия к указанному твердому объекту.
20. Устройство по п.19, в котором проводящее ультразвук связывающее вещество расположено между указанным проксимальным концом и указанным твердым объектом.
21. Устройство по любому из пп.19, 20, в котором зажим выполнен с возможностью прижатия указанной полосы к указанному твердому объекту с регулируемым усилием.
22. Устройство по п.21, в котором зажим выполнен с возможностью прикрепления к указанному испытуемому объекту с помощью шпилек, приваренных к указанному твердому объекту.
23. Устройство по любому из пп.18 или 19, выполненное с возможностью ультразвукового неразрушающего контроля твердого испытуемого объекта:

(1) находящегося при температуре выше 200°С и (ίί) имеющего повышенный относительно естественного фона уровень ионизирующего излучения.
24. Применение устройства, выполненного по любому из пп.1-23, в качестве устройства для измерения толщины.
25. Применение устройства, выполненного по любому из пп.1-23, в качестве устройства для мониторинга дефектов.