Способ измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны и устройство для его реализации

Изобретение относится к акустике. Способ измерения скорости распространения головной ультразвуковой волны предполагает возбуждение и прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов, оцифровку импульсов, запись в компьютер и определение временных интервалов между этими импульсами. Головную акустическую волну возбуждают лазерным излучением, формируют лазерное пятно и соответствующий ему возбуждаемый акустический пучок, сформированный акустический пучок из генератора направляют под углом β, близким к первому критическому, через звукопровод к поверхности изделия, а затем принимают под углом - β двумя звукопроводами, разнесенными между собой и генератором на расстояние L. Звукопроводы выполняют в виде призм, изготовленных из синтетического полимера метилметакрилата. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит генератор лазерных импульсов, оптико-акустический преобразователь, изделие, точки съема ультразвуковых импульсов первого и второго пьезоприемника, первый блок АЦП, компьютер, второй блок АЦП, тонкий иммерсионный слой контактной жидкости, звукопроводы. Технический результат - повышение разрешающей способности и точности измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны (УЗВ) и могут найти применение в машиностроительной, металлургической и других областях, где необходимо осуществлять измерение скорости распространения акустических волн в изделиях, при определении остаточных напряжений.

Известны способы и устройства измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны (авт. свид. СССР №№392.357, 1.010.541, 1.206.618, 1.247.659, 1.453.178, 1.490.501; патенты РФ №№2.014.567, 2.027.149, 2.101.681, 2.129.703, 2.169.350, 2.310.165, 2.358.243, 2.389.981, 2.490.606, 2.544.310; патенты США №№4.467.653, 4.603.589, 4.930.358, 6.516.665; патент Великобритании №2.282.447; патент Германии №4.114.233; патент Франции №2.551.204; патенты Японии №№62-280.827, 9.178.488, 10.332.380; патенты ЕР №№0.806.635, 0.913.670; патенты WO №№97/09591, 98/48.247; Владимиров А.П., Горкунов Э.С., Еремин П.С. и др. Спекл-интерферометрическая установка для бесконтактного измерения скорости распространения ультразвуковой волны Релея. Приборы и техника эксперимента. 2010, №1, с. 128-131 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны» и устройство для его реализации (патент РФ №2.490.606, G01H 5/00, 2012), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Сущность известных способа и устройства заключается в том, что возбуждают пьезопреобразователем поверхностную ультразвуковую волну, осуществляют прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов и определяют временные интервалы между этими импульсами, причем при прохождении волны по изделию регистрацию ультразвуковых импульсов осуществляют, по крайней мере, в трех точках, затем импульсы проходят на цифровой осциллограф и в оцифрованном виде ультразвуковые импульсы вводят в компьютер для определения зависимости амплитуд ультразвуковых импульсов от пройденного волной расстояния, далее нормируют амплитуды ультразвуковых импульсов, начиная со второго, до амплитуды первого, а после выравнивания определяют временные интервалы между этими импульсами.

Поверхностная ультразвуковая волна чувствительна к поверхностным дефектам изделия, что снижает разрешающую способность и точность измерения скорости распространения ультразвуковой волны, и не чувствительна к напряженно-деформированному состоянию материала, что делает ее неприменимой для контроля механических напряжений.

Технической задачей изобретения является повышение разрешающей способности и точности измерения изменения скорости распространения головной волны в среде образца путем применения двух пьезоприемников, разнесенных между собой и источником ультразвуковых волн на расстояние L, и использования лазерного излучения для возбуждения ультразвуковых волн.

Поставленная задача решается тем, что способ измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны, включающий, в соответствии с ближайшим аналогом, определение временного интервала между ультразвуковыми импульсами, при котором возбуждают оптоакустическим способом головную ультразвуковую волну, осуществляют прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов и определяют временные интервалы между этими импульсами, при этом при прохождении волны по изделию регистрацию ультразвуковых импульсов осуществляют, по крайней мере, в двух точках, затем импульсы проходят на блок аналого-цифрового преобразования (АЦП) и в оцифрованном виде ультразвуковые импульсы вводят в компьютер и определяют временные интервалы между этими импульсами, отличается от ближайшего аналога тем, что головную акустическую волну возбуждают лазерным излучением, которое направляют в излучающий тракт с помощью оптического волокна и через оптически прозрачный волновод на поверхность специального оптико-акустического генератора, представляющего собой плоскопараллельную пластину из поглощающего свет пластика, формируют лазерное пятно и соответствующий ему возбуждаемый акустический пучок радиусом α, сформированный акустический пучок из генератора направляют под углом β через звукопровод к поверхности изделия, а затем принимают под углом - β двумя звукопроводами, разнесенными на расстояния L, где L - измерительная база, при прохождении волны по изделию регистрацию ультразвуковых импульсов во втором приемнике осуществляют также, как и в первом приемнике, причем звукопроводы выполняют в виде призм, изготовленных из синтетического полимера метилметакрилата, прикрепляют и удерживают их на поверхности контролируемого изделия тонким иммерсионным слоем контактной жидкости, что обеспечивает независимость измеренных отношений скорости распространения ультразвуковых волн двумя приемниками от параметров шероховатости изделия, температуры, химического и фазового состава и др.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг. 1. Вид ультразвуковых импульсов с поверхности изделия показана на фиг. 2.

Устройство измерения скорости распространения головной ультразвуковой волны содержит генератор лазерных импульсов 1, оптико-акустический преобразователь 2, изделие 3, точки съема 4 и 5 ультразвуковых импульсов первого 6 и второго 7 пьезоприемника, первый блок АЦП 8, компьютер 9, второй блок АЦП 10, тонкий иммерсионный слой контактной жидкости 11, звукопроводы 12, 13 и 14.

Устройство измерения скорости распространения головной ультразвуковой волны, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Генератор 1 излучает оптический импульс, который через излучающий тракт с помощью оптического волокна попадает на лицевую поверхность оптико-акустического преобразователя 2, представляющего собой плоскопараллельную пластину из поглощающего свет пластика. Из преобразователя 2 акустический пучок через звукопровод 12 попадает на поверхность изделия 3 и передается по нему в виде головной ультразвуковой волны. Звукопровод 12 представляет собой призму, выполненную из синтетического полимера метилметакрилата, размещается на поверхности изделия 3 таким образом, что акустическое излучение заводится в него под углом β, близким к первому критическому, обеспечивающему распространение в изделии 3 головной ультразвуковой волны.

Звукопроводы 13 и 14 установок 6 и 7 размещаются на поверхности изделия 3 таким образом, что акустическое излучение выводится из него под углом - β. Звукопроводы 12, 13 и 14 размещаются на поверхности изделия 3 на расстоянии L друг от друга, где L - измерительная база. Звукопроводы 12, 13 и 14 прикрепляются к поверхности изделия 3 через тонкий иммерсионный слой контактной жидкости 11, обеспечивающей постоянный акустический контакт. Оцифрованные импульсы с блоков аналого-цифрового преобразования 8 и 10 поступают в компьютер 9 для последующей обработки. Скорость распространения головной волны определяется из соотношения

,

где L - расстояние между точками генерации и съема ультразвуковых импульсов;

Δt - временной интервал между полуволнами с максимальной амплитудой (Δt₄ и Δt₅ на фиг 2).

Таким образом, временные интервалы

Δt₄=t₂-t₁ и Δt₅=t₃-t₂, где t₁ - время генерации УЗВ импульса на преобразователе 2, t₂ - время прихода УЗВ импульса на первый пьезоприемник, t₃ - время прихода УЗВ импульса на второй пьезоприемник.

Расчет скорости и ее изменения по зарегистрированному времени прихода волны осуществляется в компьютере 9 автоматически.

Так как на измерение скорости могут влиять множество факторов (параметры шероховатости поверхности изделия, температура изделия и преобразователей, химический и фазовый состав материала изделия), предложенная схема обеспечивает одинаковые условия для двух приемников расположенных на различных участках изделия, и отношение измеренных скоростей позволяет оценить изменение скорости распространения УЗВ на соседних участках изделия, например на различном удалении от сварного шва или узлов усиления.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение разрешающей способности и точности измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны. Это достигается за счет применения двух пьезоприемников, разнесенных между собой и источником ультразвуковых волн на расстояние L, и использования лазерного излучения для возбуждения ультразвуковых волн.

Ультразвуковые колебания, возбуждаемые лазером, имеют гораздо более короткий по длительности импульс, что повышает разрешающую способность измерений и их точность. А использование двух приемных пьезоэлементов, позволяет уйти от влияния толщины контактной жидкости и шероховатости поверхности изделия, температуры изделия преобразователей, химического и фазового состава материала изделия.

1. Способ измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны, включающий определение временного интервала между ультразвуковыми импульсами, при котором возбуждают головную ультразвуковую волну, осуществляют прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов, затем импульсы передают на блок АЦП и в оцифрованном виде ультразвуковые импульсы вводят в компьютер и определяют временные интервалы между этими импульсами, отличающийся тем, что головную акустическую волну возбуждают лазерным излучением, которое направляют в излучающий тракт с помощью оптического волокна и через прозрачную для него тыльную нагрузку на лицевую поверхность специального оптико-акустического генератора, представляющего собой плоскопараллельную пластину из поглощающего свет пластика, формируют лазерное пятно и соответствующий ему возбуждаемый акустический пучок, сформированный акустический пучок из генератора направляют под углом β, близким к первому критическому, через звукопровод к поверхности изделия, а затем принимают под углом - β двумя звукопроводами, разнесенными между собой и генератором на расстояние L, где L - измерительная база, при прохождении волны по изделию регистрацию ультразвуковых импульсов во втором приемнике осуществляют также, как и в первом приемнике, причем звукопроводы выполняют в виде призм, изготовленных из синтетического полимера метилметакрилата, прикрепляют и удерживают их на поверхности контролируемого изделия тонким иммерсионным слоем контактной жидкости, а изменение скорости определяют по отношению измеренных с помощью каждого приемника скоростей головной ультразвуковой волны.

2. Устройство измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны, содержащее изделие, оптико-акустический преобразователь, точки съема ультразвуковых импульсов первого и второго пьезоприемника, звукопроводы от точек съема до пьезопреобразователей, два блока АЦП и компьютер, обрабатывающий данные и определяющий изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны, отличающееся генератором лазерных импульсов, излучающим оптический импульс, который через излучающий тракт с помощью оптического волокна попадает на лицевую поверхность оптикоакустического преобразователя и формирует акустический пучок, который передают по изделию в виде головной ультразвуковой волны, при этом звукопроводы представляют собой призмы, выполненные таким образом, что акустическое излучение заводится в изделие под углом β, близким к первому критическому, обеспечивающему распространение в изделии головной ультразвуковой волны, а точки съема ультразвуковых импульсов и оптикоакустический преобразователь разнесены между собой и на расстояние L.