RU2335038C1

RU2335038C1 - Ultrasonic antenna array

Info

Publication number: RU2335038C1
Application number: RU2007115574/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Самокрутов (RU); Андрей Анатольевич Самокрутов; Виктор Гавриилович Шевалдыкин (RU); Виктор Гавриилович Шевалдыкин; Владимир Николаевич Козлов (RU); Владимир Николаевич Козлов
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2008-09-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention is intended for ultrasonic nondestructive control. Ultrasonic antenna array contains prism and piezoelectric cells installed thereon at preset angle of its acoustic axes to working surface of array. Prism is arranged in the form of periodical stepped structure, every piezoelectric cell is installed on separate step of prism, distances along acoustic axes of piezoelectric cells from them to working surface of array being equal.

EFFECT: increase in equipment resolution at the account of improvement of ratio signal/noise.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к средствам дефектоскопии трубопроводов, сварных соединений, корпусов реакторов, железнодорожных рельсов, уложенных в пути, конструкций и сооружений из черных и цветных металлов и сплавов в широком диапазоне толщин при одностороннем доступе, и предназначено для применения в машиностроении, металлургии, в авиастроении, автомобилестроении, энергетике и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of non-destructive testing, namely to means of flaw detection of pipelines, welded joints, reactor vessels, railway rails laid along the way, structures and structures made of ferrous and non-ferrous metals and alloys in a wide range of thicknesses with one-way access, and is intended for use in mechanical engineering, metallurgy, in the aircraft industry, automotive, energy and other industries.

Известны ультразвуковые (УЗ) антенные решетки, используемые в УЗ-томографической аппаратуре, содержащие набор пьезоэлементов, расположенных на протекторе или преломляющей призме [Неразрушающий контроль: Справочник в 7 т. Под общ. ред. В.В.Клюева. Т.3: Ультразвуковой контроль / И.Н.Ермолов, Ю.В.Ланге. - М.: Машиностроение, 2006. - 864 с.: ил.]. Эти технические решения в составе ультразвуковых томографов позволяют визуализировать внутреннюю структуру объекта контроля, обнаруживать дефекты, оценивать их конфигурацию, размеры и координаты залегания. Однако эти решения имеют существенные недостатки.Known ultrasonic (ultrasound) antenna arrays used in ultrasound imaging equipment containing a set of piezoelectric elements located on the tread or refracting prism [Non-destructive testing: Handbook of 7 tons. Under the general. ed. V.V. Klyueva. T.3: Ultrasonic control / I.N. Ermolov, Yu.V. Lange. - M.: Mechanical Engineering, 2006. - 864 p.: Ill.]. These technical solutions as part of ultrasound tomographs allow you to visualize the internal structure of the control object, detect defects, evaluate their configuration, dimensions and location coordinates. However, these solutions have significant drawbacks.

Известна антенная решетка [Люткевич A.M. Выбор параметров системы ручного томографического контроля сварных швов. /Контроль. Диагностика, 2004, №5, с.23-30. (Рис.2 на стр.25)], которая содержит протектор и пьезоэлементы, расположенные на нем так, что их акустические оси нормальны к рабочей поверхности решетки. В ней пьезоэлементы находятся на одинаковых расстояниях от рабочей поверхности решетки, то есть находятся в одинаковых условиях по отношению к объекту контроля. Указанная антенная решетка работает преимущественно на продольных волнах, что ограничивает область ее применения. Излучение и прием поперечных волн этой решеткой возможны лишь за счет малости волновых размеров апертуры пьезоэлементов в плоскости, перпендикулярной длине пьезоэлементов. Малоапертурные пьезоэлементы в такой решетке обладают широко направленным акустическим полем в режимах излучения и приема. Максимумы диаграмм направленности этих элементов для продольных и поперечных волн направлены соответственно по нормали к поверхности объекта контроля и под углом, приблизительно равным 40 градусам, а ширина лепестков диаграмм направленности достигает 90-100 градусов, то есть данная антенная решетка обладает весьма рассеянным акустическим полем, что предъявляет высокие требования к аппаратуре, в которой она используется, и не обеспечивает регистрацию дефектов, например, сварных швов, для обнаружения которых требуется излучение и прием поперечных УЗ-волн в диапазоне углов 30-60 градусов относительно нормали к поверхности объекта контроля.Known antenna array [Lyutkevich A.M. Choice of parameters of a manual tomographic control system for welds. /The control. Diagnostics, 2004, No. 5, pp. 23-30. (Fig. 2 on page 25)], which contains the tread and piezoelectric elements located on it so that their acoustic axes are normal to the working surface of the grating. In it, the piezoelectric elements are at equal distances from the working surface of the grating, that is, they are in the same conditions with respect to the object of control. The specified antenna array operates mainly on longitudinal waves, which limits the scope of its application. Radiation and reception of transverse waves by this grating are possible only due to the smallness of the wave dimensions of the aperture of the piezoelectric elements in a plane perpendicular to the length of the piezoelectric elements. Small aperture piezoelectric elements in such a lattice have a broadly directed acoustic field in the radiation and reception modes. The maxima of the directivity patterns of these elements for longitudinal and transverse waves are directed respectively normal to the surface of the test object and at an angle of approximately 40 degrees, and the width of the lobes of the directivity patterns reaches 90-100 degrees, that is, this antenna array has a very scattered acoustic field, which makes high demands on the equipment in which it is used, and does not provide registration of defects, for example, welds, the detection of which requires radiation and reception by erechnyh ultrasonic waves in the angular range 30-60 degrees relative to the normal to the surface control facility.

Наиболее близкой к предложенной решетке является ультразвуковая антенная решетка [Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications: R/D Tech Guideline. R/D Tech inc. 2004. 368 p. (Фиг.3-35 на стр.124)], содержащая призму и пьезоэлементы, расположенные на ней под заданным углом своих акустических осей к рабочей поверхности решетки. Угол наклона призмы выбран исходя из требуемого направления максимума акустического поля излучения - приема в объекте контроля. В этой решетке пьезоэлементы расположены на разных расстояниях от рабочей поверхности призмы, вследствие чего пути распространения ультразвука в призме у каждого пьезоэлемента различаются, причем для крайних пьезоэлементов это различие может достигать 3-5 раз. В результате у всех пьезоэлементов различны времена задержек УЗ-сигналов в призме, различны величины ослаблений сигналов в призме и, самое главное, разные степени расхождения ультразвука при распространении в призме. Последнее означает, что ультразвуковые пучки от каждого пьезоэлемента имеют разные площади поперечного сечения в зоне их преломления на границе призма - объект контроля. Эти недостатки антенной решетки достаточно трудно скомпенсировать программно-аппаратными средствами в аппаратуре.Closest to the proposed array is an ultrasonic antenna array [Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications: R / D Tech Guideline. R / D Tech inc. 2004.368 p. (Fig.3-35 on p.124)], containing a prism and piezoelectric elements located on it at a given angle of their acoustic axes to the working surface of the grating. The tilt angle of the prism is selected based on the required direction of the maximum acoustic radiation field - reception in the test object. In this lattice, the piezoelectric elements are located at different distances from the working surface of the prism, as a result of which the ultrasound propagation paths in the prism of each piezoelectric element are different, and for extreme piezoelectric elements this difference can reach 3-5 times. As a result, all piezoelectric elements have different delay times for ultrasonic signals in the prism, different attenuation values of the signals in the prism and, most importantly, different degrees of ultrasound divergence during propagation in the prism. The latter means that the ultrasonic beams from each piezoelectric element have different cross-sectional areas in the area of their refraction at the prism – control object boundary. These shortcomings of the antenna array are difficult to compensate for by software and hardware in the equipment.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в предложенной ультразвуковой антенной решетке, содержащей призму и пьезоэлементы, расположенные на ней под заданным углом своих акустических осей к рабочей поверхности решетки, призма выполнена в виде периодической ступенчатой структуры, каждый пьезоэлемент расположен на отдельной ступеньке призмы и расстояния вдоль акустических осей пьезоэлементов от них до рабочей поверхности решетки равны.The essence of the invention is that in the proposed ultrasonic antenna array containing a prism and piezoelectric elements located on it at a given angle of its acoustic axes to the working surface of the array, the prism is made in the form of a periodic step structure, each piezoelectric element is located on a separate step of the prism and distance along the acoustic axes of the piezoelectric elements from them to the working surface of the lattice are equal.

Техническим результатом применения предложенной ультразвуковой антенной решетки является то, что она позволяет расширить функциональные возможности и области применения томографической аппаратуры, работающей совместно с предложенной антенной решеткой, за счет улучшения отношения сигнал/шум и разрешающей способности аппаратуры.The technical result of the application of the proposed ultrasonic antenna array is that it allows you to expand the functionality and scope of tomographic equipment that works in conjunction with the proposed antenna array, by improving the signal-to-noise ratio and the resolution of the equipment.

На фиг.1 показан общий вид ультразвуковой антенной решетки для возбуждения и приема продольных и поперечных ультразвуковых волн в материале объектов контроля; на фиг.2 - вид ультразвуковой антенной решетки сверху.Figure 1 shows a General view of an ultrasonic antenna array for exciting and receiving longitudinal and transverse ultrasonic waves in the material of the objects of control; figure 2 is a top view of an ultrasonic antenna array.

Ультразвуковая антенная решетка содержит призму 1 в виде периодической ступенчатой структуры и n пьезоэлементов 2, каждый пьезоэлемент расположен на отдельной ступеньке призмы, а расстояния вдоль акустических осей пьезоэлементов r до рабочей поверхности 3 решетки равны. Призма 1 выполнена многоступенчатой по числу пьезоэлементов 2, угол наклона каждой ступеньки призмы α выбирается в зависимости от решаемой задачи и типа возбуждаемых ультразвуковых волн (продольных, сдвиговых или их сочетания). В зависимости от задачи контроля количество пьезоэлементов n выбирается в диапазоне от 10 до 250 шт.The ultrasonic antenna array contains a prism 1 in the form of a periodic step structure and n piezoelectric elements 2, each piezoelectric element is located on a separate step of the prism, and the distances along the acoustic axes of the piezoelectric elements r to the working surface 3 of the array are equal. Prism 1 is multi-stage in the number of piezoelectric elements 2, the angle of inclination of each step of the prism α is selected depending on the problem being solved and the type of ultrasonic waves excited (longitudinal, shear, or a combination thereof). Depending on the control task, the number of piezoelectric elements n is selected in the range from 10 to 250 pieces.

Работа ультразвуковой антенной решеткиOperation of the ultrasonic antenna array

Поочередно на каждый пьезоэлемент подают возбуждающие электрические импульсы, под действием которых пьезоэлементы излучают в призму УЗ-импульсы, которые затем через слой контактной жидкости или смазки излучаются в объект контроля.In turn, exciting electric pulses are supplied to each piezoelectric element, under the action of which the piezoelectric elements emit ultrasonic pulses into the prism, which are then transmitted through the layer of contact liquid or lubricant to the control object.

Вернувшиеся из объекта контроля УЗ-импульсы, отраженные от неоднородностей внутренней структуры объекта, проходят по ступенькам призмы и преобразуются пьезоэлементами в электрические сигналы.Ultrasound pulses returned from the control object, reflected from the inhomogeneities of the internal structure of the object, pass along the steps of the prism and are transformed by piezoelectric elements into electrical signals.

Путем совместной пространственно-временной обработки этих сигналов в аппаратуре реконструируют изображения срезов внутреннего объема контролируемого объекта либо формируют другие типы изображений, удобных для анализа оператором, и определяют по ним параметры обнаруженных в объекте контроля неоднородностей (дефектов, границ материала и др.)By joint spatio-temporal processing of these signals in the apparatus, images of slices of the internal volume of the controlled object are reconstructed or other types of images convenient for analysis by the operator are formed and the parameters of inhomogeneities detected in the monitoring object (defects, material boundaries, etc.) are determined from them

Поскольку все пьезоэлементы расположены по отношению к объекту контроля одинаково, параметры этого расположения (время задержки УЗ-сигналов, коэффициент передачи, форма диаграммы направленности пьезоэлемента и др.) однозначно, достаточно просто и одинаково для всех пьезоэлементов можно учесть в алгоритме пространственно-временной обработки принятых УЗ-сигналов. В результате качество реконструкции томограмм получается более высоким, чем в аппаратуре с использованием обычных призматических антенных решеток.Since all piezoelectric elements are located with respect to the control object, the parameters of this location (delay time of ultrasonic signals, transmission coefficient, shape of the piezoelectric beam pattern, etc.) are unambiguous, quite simple and the same for all piezoelectric elements can be taken into account in the spatial-temporal processing algorithm adopted Ultrasound signals. As a result, the quality of tomogram reconstruction is higher than in equipment using conventional prismatic antenna arrays.

Claims

An ultrasonic antenna array containing a prism and piezoelectric elements located on it at a given angle of its acoustic axes to the working surface of the array, characterized in that the prism is made in the form of a periodic step structure, each piezoelectric element is located on a separate step of the prism, and the distance along the acoustic axes of the piezoelectric elements from them to the working surface of the grating are equal.