Нелинейный ультразвуковой способ обнаружения трещин и их местоположений в твердом теле и устройство для его реализации

Нелинейный ультразвуковой способ обнаружения трещин и их местоположений в твердом теле и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к неразрушающему контролю качества материалов и конструкций нелинейными акустическими методами и может быть использовано для обнаружения трещин в твердом теле, в частности в толстостенных конструкциях, листовых материалах, трубах, колесных парах и других объектах и конструкциях в различных отраслях промышленности: машиностроении, авиастроении, автомобилестроении, судостроении.

Способ направлен на решение актуальной задачи обнаружения трещин на ранней стадии их развития, прогнозирования их поведения и роста, оперативного решения о возможности дальнейшей эксплуатации дорогостоящих и опасных твердых тел, имеющих трещины. Обычно твердое тело содержит множество дефектов: трещины, полости, свищи, вкрапления и др. Наиболее опасными из них являются трещины, так как они имеют тенденцию роста с течением времени и приводят к необратимым последствиям: расслоению поверхностей, разрушению конструкции, разрыву трубопровода. Появившаяся трещина развивается с течением времени тем быстрее, чем она больше. В отличие от трещин полости (каверны, отверстия, свищи и т.п. дефекты) являются типом дефекта, который хотя и может увеличивать свои размеры, но эти изменения происходят медленно, не приводя к быстрым катастрофическим изменениям свойств твердого тела. Именно поэтому возникает необходимость в разработке новых способов раннего обнаружения трещин (микротрещин, колоний трещин) как при выходном контроле твердого тела при его производстве, так и при периодическом контроле за их возникновением и развитием в процессе эксплуатации твердого тела. Эта информация о наличии и размере трещин позволяет определять и оценивать ресурс твердого тела, при котором он не изменит своих физико-механических свойств, снизить риск разрушений и увеличить безопасность его обслуживания и эксплуатации. Большинство известных способов обнаружения трещин используют для ультразвуковой локации принципы линейной акустики, при которых дефект обнаруживается по изменению амплитуды принятой ультразвуковой волны, и имеют существенный недостаток - они не позволяют определить тип дефекта (трещина или полость) и не обнаруживают закрытые (статически поджатые) трещины, не дающие отражения ультразвуковой волны при ее естественном состоянии.

Проблема обнаружения трещин в твердых телах может быть решена на основе использования нелинейных акустических способов (см., напр., Казаков В.В., Сутин А.М. Использование эффекта модуляции ультразвука вибрациями для импульсной локации трещин // Акустический журнал. т.47, N 3, 2001, с.364-369; D. Donskoy, A. Sutin, A. Ekimov Nonlinear acoustic interaction on contact interfaces and its use for nondestructive testing // NDT&E International Vol.34, 2001, p.231-238), поскольку трещины (колонии трещин) приводят к резкому возрастанию нелинейных акустических эффектов. Для реализации одного из возможных способов диагностики используется когерентная импульсная ультразвуковая локация при одновременном внешнем механическом воздействии (ударе, вибрации) на исследуемое твердое тело. При этом, благодаря импульсному режиму локации удается надежно определить местоположение дефекта, а по наличию или отсутствию модуляции принимаемых ультразвуковых импульсов возможно надежно отличить друг от друга дефекты разного типа: полости (модуляции нет) или открытые и закрытые трещины (модуляция есть). Модуляцию трещин в твердом теле можно осуществить различными способами: низкочастотной вибрацией (например, размещением на поверхности твердого тела вибростенда, возбуждающего твердое тело на резонансной частоте), ударом по поверхности (например, с помощью молотка), использованием вибрации внешних устройств, соединенных с твердым телом (например, вибрацией двигателя или компрессора, размещенного на твердом теле). Все эти способы модуляции приводят к возбуждению твердого тела на собственных модах, как правило, изгибных колебаний. В то же время существуют различные объекты, в которых возбудить изгибные колебания затруднительно (например, это объекты, имеющие значительную толщину: трубопроводы с толщиной стенки более сантиметра, рельс) или неэффективно из-за наличия на них ребер жесткости, специально установленных для того, чтобы объект не изгибался (например, колесные пары, фланцевые соединения трубопроводов). Кроме этого, существует ряд объектов с трудно доступными для возбуждения участками, например, - трубы, которые имеют изоляционное или другое покрытие, подавляющее выделение шума или тепла, снимать которое не рекомендуется в силу технических или экономических причин, но под такими покрытиями могут образовываться трещины и их нужно дистанционно обнаруживать. Объектами исследования могут быть твердые тела значительной толщины (в диапазоне единицы - десятки сантиметров), например, корпуса прочных объектов, стены, железобетонные блоки и другие объекты, трещины в которых могут находиться на значительной глубине. Очевидно, что больший уровень возбуждения позволяет сильнее модулировать акустические характеристики трещин и, следовательно, более достоверно их обнаруживать. Однако увеличение уровня возбуждения вибрационных колебаний приводит к возникновению проблемы, связанной с модуляцией контакта между ультразвуковым преобразователем, излучающим и принимающим ультразвуковую волну, и поверхностью твердого тела. Модуляция контакта приводит к модуляции ультразвуковой волны как в момент ее излучения, так и приема. Это приводит к тому, что излучаемая и принимаемая ультразвуковые волны будут иметь дополнительную модуляцию на частотах, соответствующих возбуждаемым низкочастотным колебаниям. Уровень дополнительной модуляции может существенно превышать уровень модуляции, создаваемый трещинами, что делает обнаружение трещин невозможным. Этот эффект появления дополнительной модуляции снижает достоверность проведения измерений и в ряде случаев, например при обнаружении трещин в толстостенных твердых телах, для возбуждения которых требуется использовать значительные уровни вибраций, делает использование нелинейного способа неэффективным. Для уменьшения влияния этого эффекта используют различные методы. При использовании модуляции с помощью вибростендов ультразвуковые преобразователи приклеивают к поверхности. Однако это технологически не эффективно, так как при массовом контроле твердых тел или для обнаружении трещин во всем объеме твердого тела требуется использование большого числа ультразвуковых преобразователей и затрат времени на их приклеивание и последующее отклеивание. Часть преобразователей неизбежно повреждается при отклеивании, что приводит к дополнительным финансовым затратам. При возбуждении поверхности твердого тела с помощью удара вводят для анализа сигнала временные окна, которые исключают из рассмотрения сигнал с ультразвуковых преобразователей, соответствующих моменту удара и колебаниям преобразователей, вызванных ударом, и оставляют для анализа время, соответствующее установившимся собственным колебаниям твердого тела. Однако в момент удара возбуждается большое число акустических (продольных, поперечных) и вибрационных (изгибных) волн, часть которых вызывает дополнительную модуляцию достаточно длительное время, уменьшает этим время анализа и создает неопределенность, связанную с выбором времени начала формирования окна для анализа, поскольку практика показывает, что от удара к удару характеристики возбуждаемых акустических волн (амплитуды, длительности) не являются стабильными. Таким образом, существует проблема, связанная с обнаружением трещин и их местоположения в твердых телах, имеющих значительную толщину или такую форму, для которых использование в качестве модуляции вибрационных колебаний (изгибных, продольных) неэффективно или приводит к снижению достоверности измерений.

Известен способ обнаружения трещин в твердом теле, использующий нелинейный акустический эффект (пат. RU 2219538, публ. 20.12.2003, МПК⁷ G 01 N 29/04). Данный способ позволяет обнаруживать наличие трещин в твердом теле. Способ заключается в том, что в твердом теле возбуждают первичные акустические волны различных частот, которые, взаимодействуя на трещинах, генерируют вторичные акустические волны на комбинационных частотах, измеряют амплитуды первичных и вторичных волн, на основании которых определяют коэффициент наличия трещин, по превышению которым порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о наличии трещин. Первичные акустические волны производят путем последовательного возбуждения ультразвуковых волн на ряде частот с одновременным с каждой из частот ультразвуковых волн возбуждением упругих колебаний на собственных частотах посредством ударного воздействия по твердому телу. При этом измеряют собственные частоты, комбинационные частоты определяют как сумму и разность каждой частоты ультразвуковых волн с каждой из собственных частот упругих колебаний, а коэффициент наличия трещин рассчитывают по определенной формуле, учитывающей амплитуды возбужденных комбинационных частот, амплитуды возбуждаемых ультразвуковых волн и амплитуды возбуждаемых упругих колебаний. Основным недостатком данного нелинейного акустического способа является то, что он не позволяет обнаруживать местоположение трещин и, следовательно, определять их распределение в твердом теле и количество, а определяет только их наличие. Это связано с тем, что для реализации способа используется непрерывный режим излучения ультразвуковой волны, который принципиально не позволяет обнаруживать положение трещин. Способ может использоваться только для разбраковки твердых тел по принципу: есть трещины или нет трещин. Существенным недостатком способа является ограниченный круг твердых тел, доступных для исследования. Это связано с тем, что для возбуждения твердого тела на собственных низкочастотных модах колебаний используется ударное возбуждение, которое может привести к повреждению его поверхности или покрытия. Поэтому объектами исследования могут быть только твердые тела, допускающие использование многочисленных механических ударов. Недостатком способа также является снижение достоверности обнаружения из-за модуляции излучаемой и принимаемой ультразвуковых волн в момент возбуждения в твердом теле упругих колебаний, которое в данном способе не контролируется и не учитывается. В момент удара по поверхности твердого тела в нем возбуждается большое количество быстро затухающих акустических волн. В том числе возбуждается и сильная поверхностная акустическая волна, которая и приводит к модуляции излучаемых и принимаемых ультразвуковых волн. Только спустя некоторое время после удара твердое тело начинает колебаться на собственных резонансных частотах, используемых в способе для модуляции характеристик трещин. Кроме этого к недостаткам способа следует отнести низкую повторяемость результатов одиночных измерений. Это связано с тем, что технически достаточно сложно реализовать механический удар с неизменяемой от удара к удару амплитудой возбуждаемых волн. Это обусловлено различными причинами. Во-первых, поскольку наконечник ударного устройства и поверхность могут изменить свои механические характеристики в процессе многократных ударов, изменится и их взаимодействие и, следовательно, сила удара. Во-вторых, от удара к удару может изменяться геометрия возбуждения, так как твердое тело и ударное устройство отталкиваются друг от друга, проявляя при этом инерционные свойства и смещаясь друг относительно друга. В-третьих, механические ударные устройства после произведенного удара, для приведения их в начальное состояние требуют значительного времени, что снижает производительность измерений. Нестабильность параметров удара приводит к необходимости усреднения результата измерений за большое число ударов, что также приводит к увеличению общего времени проведения измерений. К недостаткам способа можно отнести и сложность технической реализации, заключающуюся в необходимости проведения последовательных измерений на различных частотах ультразвуковых волн и низкочастотных вибраций.

Известен нелинейный акустический способ обнаружения трещин, позволяющий одновременно обнаруживать местоположение и наличие трещин по трассе локации (пат. USA 3867836, публ. 25.02.1975 г., МПК G 01 N 29/04). Способ заключается в обнаружении трещин консольно закрепленного протяженного твердого тела, свободный конец которого возбуждается акустической волной на первой частоте от первого источника колебаний. В торец закрепленного конца твердого тела излучают акустическую волну от импульсного источника колебаний второй частоты, причем вторая частота существенно выше первой. Волна второй частоты распространяется в твердом теле, отражается от трещины, формирует от нее эхо, которое показывается на осциллографе и по модуляции которого определяют местоположение трещины и оценивают ее размер. Недостатком способа является то, что он имеет ограниченные возможности применения и может использоваться только для таких твердых тел, в торец которых можно ввести ультразвуковую волну и которые можно закрепить консольно, что неприемлемо для обнаружения трещин в эксплуатируемых твердых телах, например трубопроводах, рельсах, колесных парах железнодорожного транспорта, стенах, частях корпусов и т.п.. В данном способе консольное закрепление используется для исключения модуляции ультразвуковой волны в месте ее излучения и приема изгибными колебаниями образца, что и ограничивает количество твердых тел, доступных для диагностирования. К недостаткам способа можно также отнести снижение достоверности обнаружения трещин из-за непрерывного возбуждения образца ультразвуковым вибратором только на одной, достаточно высокой (10-20 кГц) частоте. С увеличением частоты увеличивается номер возбуждаемой изгибной моды колебаний и, следовательно, количество узловых линий. Если трещина попадёт в узел колебаний, она не приведёт к модуляции ультразвуковой волны и ее обнаружение не состоится, что и снижает достоверность измерений.

Известен другой способ нелинейного ультразвукового сканирования для обнаружения трещин в твердом теле (патент USA 5736642, публ. 07.04.1998 г., МПК⁷ G 01 N 29/06), основанный на модуляции трещин ультразвуком и позволяющий локально обнаруживать трещины и определять их местоположение путем перемещения датчика по поверхности твердого тела. Данный способ обнаружения трещин и их местоположений в твердом теле заключается в том, что в твердом теле возбуждают первичные акустические волны различных частот, которые взаимодействуя на трещинах, генерируют вторичные акустические волны на комбинационных частотах, измеряют амплитуды первичных и вторичных волн, на основании которых определяют коэффициент наличия трещин по формуле: где - амплитуды акустических волн на комбинационных частотах, и амплитуды первичных акустических волн, по превышению которым порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о наличии трещин.

В частном варианте реализации способа, когда в качестве излучаемых акустических волн используются ультразвуковые волны, его основным недостатком является ограничение круга твердых тел, доступных для исследования, только теми телами, у которых трещины находятся в приповерхностном слое твердого тела, непосредственно в месте ввода в твердое тело ультразвуковых волн. Способ не позволяет обнаруживать трещины, расположенные в глубине твердого тела или на определенном расстоянии от места ввода ультразвуковых волн, что ограничивает возможности его использования. Это обусловлено тем, что способ имеет низкую чувствительность измерений, поскольку для взаимодействия используются две высокочастотные ультразвуковые волны. Высокочастотные ультразвуковые волны создают очень незначительные смещения среды в твердом теле и, следовательно, слишком малые изменения акустических характеристик трещин, что снижает эффект нелинейного взаимодействия волн и генерации акустических волн комбинационных частот. Чем дальше трещины расположены относительно места ввода ультразвуковых волн, тем эффект будет меньше вследствие их затухания, тем большего, чем выше частота ультразвуковой волны. Возникающие акустические волны на комбинационных частотах будут существенно меньше по сравнению с амплитудами модуляции, создаваемыми, например, с помощью вибростенда или удара. Недостатком способа также является ограничение чувствительности измерений, обусловленное ограничением амплитуды возбуждаемых первичных акустических волн. При практической реализации способа излучение одновременно двух ультразвуковых волн происходит через один и тот же волновод (акустическую линзу, концентратор), что может привести (особенно при увеличении амплитуды возбуждаемых волн с целью увеличения чувствительности способа) к их взаимодействию уже в волноводе вследствие появления нелинейных эффектов на границе в месте излучения первичных акустических волн, в месте клеевых соединений или границе с акустическим экраном, предназначенным для исключения взаимодействия первичных волн, поскольку он обеспечивает акустическую развязку только до определенных амплитуд и частот возбуждения. Взаимная модуляция акустических волн приведет к появлению волн комбинационных частот еще до взаимодействия первичных волн на трещине и снизит достоверность проведения измерений. Достоверность обнаружения трещин снижается также возможностью образования стоячей волны в слое согласующей среды между волноводом и поверхностью объекта. Поскольку для излучения используется цуг высокочастотных волн, состоящий из нескольких десятков периодов частот излучения, длительность которых должна быть такова, что за ее время сформируется разностная частота, то в слое согласующей среды возникнет реверберационная, переотраженная между волноводом и поверхностью твердого тела волна, создающая в нем промежуточный режим между бегущей и стоячей волнами. Такой режим обладает нелинейными свойствами и взаимодействие первичных акустических волн с образованием комбинационных частот произойдет уже в этом слое. Амплитуды возникших в этом слое комбинационных частот могут превышать значения амплитуд комбинационных частот создаваемыми трещинами, что и приводит к снижению достоверности измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является нелинейный акустический способ обнаружения трещин и их местоположений в твердых телах (пат. USA 6301967, публ. 16.10.2001 г., МПК⁷ G 01 N 29/00, G 01 H 13/00, пункт 10), основанный на модуляции трещин и позволяющий локально обнаруживать трещины и определять их местоположение, который выбран в качестве ближайшего аналога. Способ заключается в том, что в твердое тело излучают последовательность ультразвуковых импульсов и возбуждают в объекте низкочастотные вибрации, вызывающие изменение акустических характеристик дефектов и приводящие к модуляции распространяющейся в объекте последовательности ультразвуковых импульсов. Принимают отраженную от дефектов последовательность ультразвуковых импульсов, выделяют в ней области анализа, в которых будут обнаруживаться дефекты, и исследуют спектральный состав принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях, по наличию в спектре гармоник низкочастотной вибрации определяют наличие трещин, а по положению выбранных областей определяют их местоположение.

Основным недостатком данного способа является ограниченная область его применения дефектоскопией только тех твердых тел, которые допускают использование для модуляции низкочастотные вибрационные колебания объекта, то есть твердых тел, имеющих небольшую толщину, допускающих колебания значительных областей твердого тела и не повреждающихся при воздействии сильных низкочастотных вибраций. Это связано с модуляцией излучаемой и принимаемой последовательности ультразвуковых импульсов в момент их излучения и приема под воздействием возбуждаемых низкочастотных вибраций. При возбуждении низкочастотных вибраций поверхность объекта непрерывно изгибается, что приводит к изменению её формы уже на характерном размере области излучения и приема последовательности ультразвуковых импульсов. Этот факт приводит к их модуляции с частотой, равной частоте возбуждаемой низкочастотной вибрации, что приводит к возникновению дополнительной модуляции последовательности ультразвуковых импульсов и, следовательно, к снижению достоверности измерений. При реализации способа ультразвуковой преобразователь закрепляется на поверхности объекта (приклеивается или прижимается с помощью магнитного крепления). В этом случае возникает колебательная система: масса ультразвукового преобразователя, масса участка поверхности, возбужденная вибрационными колебаниями, и упругость между ними, создаваемая силой прижима преобразователя к поверхности. При колебании поверхности ультразвуковой преобразователь колеблется вместе с ней как единое целое только до определенной частоты, далее, с увеличением частоты возникает резонанс этой системы и за резонансом преобразователь колеблется независимо от колебаний поверхности. То есть контакт ″ультразвуковой преобразователь - поверхность твердого тела″ будет модулироваться всегда и тем больше, чем ближе резонансная частота созданной колебательной системы к частоте низкочастотного возбуждения или выше ее. На низких частотах (до резонанса) возникновение модуляции зависит от силы прижима преобразователя к поверхности и амплитуды ее колебаний. Однако место соединения будет модулироваться тем больше, чем больше уровень возбуждения. При больших уровнях возбуждения преобразователь будет пытаться оторваться от поверхности (подпрыгивать), что также приведет к дополнительной, неконтролируемой модуляции последовательности ультразвуковых импульсов и, следовательно, к снижению достоверности обнаружения трещин. Очевидно, что значительные уровни возбуждения необходимы для исследования толстостенных изделий, для колебаний или изгиба которых необходимо приложить значительные усилия. Данный способ может применяться лишь при использовании небольших уровней возбуждения для дефектоскопии тонкостенных твердых тел, когда частоты и уровни возбуждаемых низкочастотных колебаний малы и создаваемые ими амплитуды гармоник дополнительной модуляции, возникающей в месте контакта, существенно меньше амплитуд модуляции ультразвуковых импульсов, возникающих при отражении от трещин, и ими можно пренебречь. Низкочастотный вибрационный сигнал можно возбудить различными способами: низкочастотной вибрацией, ударом инструментальным молотком и воздействием окружающей среды (работа насосов, моторов, движение транспорта и др.). Для возбуждения низкочастотных вибраций в твердых телах, имеющих значительную толщину или ребра жесткости необходимо использовать значительные силы возбуждения. При возбуждении твердого тела низкочастотной вибрацией трещины могут оказаться в узле возбуждаемой моды твердого тела, соответствующей возбуждаемой частоте колебаний. В этом случае трещины не будут модулировать последовательность ультразвуковых импульсов и их обнаружение не состоится. Эта особенность низкочастотного возбуждения так же снижает достоверность измерений. Для исключения таких условий измерения необходимо возбуждать твердое тело на нескольких частотах колебаний, что снижает производительность измерений и усложняет реализацию способа на практике, что является его дополнительным недостатком. Существенным недостатком использования мощного возбуждения является также возможность повреждения твердого тела и закрепленных на нем элементов под воздействием сильных вибраций. При возбуждении твердого тела ударом основным недостатком способа является ограниченная область применения способа исследованием только тех твердых тел, по которым можно многократно наносить удары без повреждения твердого тела или его покрытия, например, - краски или слоя изоляции. Кроме этого, удар в момент его проведения приводит к возникновению дополнительной модуляции последовательности ультразвуковых импульсов, поскольку возбуждает сильную поверхностную волну, приводящую к временному изменению условий ввода и приема ультразвуковых волн (ультразвуковой преобразователь ″подпрыгивает″), что снижает достоверность измерений. Работа внешних устройств приводит к модуляции акустических характеристик трещин достаточно эффективно только если они находятся на твердом теле. Такой способ возбуждения обладает всеми недостатками, присущими низкочастотному вибрационному возбуждению.

Известно устройство для нелинейного акустического обнаружения трещин и их местоположений в протяженном консольно закрепленном образце (пат. USA 3867836, публ. 25.02.1975 г., МПК G 01 N 29/04), которое позволяет обнаруживать наличие и местоположение трещин. Данное устройство содержит ультразвуковой преобразователь, выполняющий одновременно функции излучателя и приемника ультразвуковой волны, соединенный с ультразвуковым эхолокатором, а также блок возбуждения низкочастотных колебаний, содержащий генератор низкой частоты и вибратор. Выход ультразвукового эхолокатора соединен с блоком обработки информации, а вибратор приведен в контакт с поверхностью свободного конца упомянутого образца посредством сопрягающего элемента. Недостатком устройства является то, что оно имеет ограниченные возможности применения и может использоваться только для таких твердых тел, в торец которых можно излучить ультразвуковую волну и которые можно закрепить консольно, что неприемлемо для обнаружения трещин в эксплуатируемых твердых телах, например, трубопроводах, рельсов, колесных пар железнодорожного транспорта, стенах, частей корпусов.

Также известно устройство для нелинейного ультразвукового сканирования твердого тела для обнаружения в нем трещин (патент USA 5736642, публ. 07.04.1998 г., МПК⁷ G 01 N 29/06), позволяющее локально обнаруживать трещины и определять их местоположение путем перемещения датчика по поверхности твердого тела. Данное устройство содержит ультразвуковой импульсный генератор первой частоты, соединенный с первым ультразвуковым преобразователем, ультразвуковой импульсный генератор второй частоты, соединенный со вторым ультразвуковым преобразователем, третий ультразвуковой преобразователь, позволяющий принимать разностную или суммарную частоты указанных генераторов, соединенный с блоком определения амплитуды разностной или суммарной частоты, акустический элемент, на котором закреплены все указанные преобразователи, выполненный с возможностью распространения и доставки первой и второй волн в зону их взаимодействия в твердом теле и приема разностной или суммарной частоты третьим ультразвуковым преобразователем и согласующую среду между акустическим элементом и твердым телом. Главным недостатком устройства является его ограниченная область применения и возможность использования только для обнаружения трещин, находящихся в приповерхностном слое. Это обусловлено тем, что для генерации комбинационной (разностной или суммарной) частоты используются две высокочастотные ультразвуковые волны. Ультразвуковая волна создает ничтожные смещения среды и достаточно быстро затухает по мере распространения в твердом теле, что снижает эффект модуляции трещин. Следовательно, наиболее эффективно модуляции будет осуществляться только в приповерхностном слое.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для нелинейного акустического обнаружения дефектов и их положения в твердых телах (пат. USA 6301967 В1, публ. 16.10.2001 г., МПК⁷ G 01 N 29/00, G 01 H 13/00, пункт 21), которое позволяет обнаруживать трещины в твердых телах и которое выбрано в качестве ближайшего аналога. Это устройство содержит блок возбуждения низкочастотного сигнала, блок возбуждения последовательности коротких высокочастотных сигналов, блок приема сигналов, образовавшихся в результате взаимодействия низкочастотного и последовательности высокочастотных сигналов, и блок анализа выбранных областей в последовательности принятых высокочастотных сигналов, соответствующих отражению от различных областей твердого тела. С помощью блока анализа для выбранной области определяется наличие модуляции последовательности высокочастотных сигналов низкочастотным сигналом и регистрируется наличие трещин в выбранной области анализа. Недостатком устройства является снижение достоверности измерений при обнаружении трещин в твердых телах, имеющих значительную толщину или ребра жесткости. Это связано с тем, что использование непрерывных низкочастотных колебаний, вызванных низкочастотными вибрациями, ударом измерительного молотка или источниками колебаний, закрепленных на твердом теле, приводят к модуляции контакта в месте излучения и приема последовательности высокочастотных сигналов, что в свою очередь приводит к дополнительной модуляции высокочастотных сигналов. Амплитуда этой дополнительной модуляции будет увеличиваться с увеличением амплитуды низкочастотного возбуждения, что неизбежно для дефектоскопии твердых тел, имеющих большую толщину или ребра жесткости, поскольку для возбуждения в них изгибных волн необходимо прикладывать значительные усилия. Амплитуда этой дополнительной модуляции может превышать амплитуду модуляции, появляющуюся в результате взаимодействия последовательности высокочастотных и низкочастотной волн на трещинах, что создает неопределенность в результатах измерений и снижает их достоверность.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка нелинейного ультразвукового способа обнаружения трещин и их местоположений в твердом теле и устройства для его реализации, которые позволяют исследовать более широкий круг твердых тел по сравнению с прототипом при сохранении таких важных достоинств прототипа, как определение местоположения трещин и отсутствие повреждения поверхности твердого тела.

Технический результат, обеспечиваемый разработанным способом, достигается за счет того, что в заявляемом нелинейном ультразвуковом способе обнаружения трещин и их местоположений, также, как и в ближайшем аналоге, в твердое тело излучают последовательность ультразвуковых импульсов с частотой посылок F, а также возбуждают в нём низкочастотный сигнал, приводящий к модуляции распространяющейся в твердом теле последовательности ультразвуковых импульсов, в последовательности принятых ультразвуковых импульсов выделяют области анализа для обнаружения в них трещин и исследуют спектральный состав принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях, а по присутствию в спектре гармоник определяют наличие трещин.

Новым в заявляемом способе является то, что модуляцию трещин осуществляют периодической последовательностью одиночных акустических импульсов, создающих в твердом теле изменяющуюся по определенному закону с периодом Т последовательность распространяющихся акустических импульсов сжатия и разрежения, устанавливают задержку излучения акустических импульсов, обеспечивающую совпадение выделенной области исследования с нахождением в ней максимальных значений амплитуд акустических импульсов, определяют в спектральном составе принятых ультразвуковых импульсов в выделенных областях гармонику, соответствующую заданному периоду последовательности акустических импульсов, по амплитуде которой определяют коэффициент k наличия трещин по формуле: где A_f - амплитуда излучаемой ультразвуковой волны. А_i - максимальное значение амплитуды акустического импульса, A _Ω - амплитуда гармоники, соответствующая периоду последовательности акустических импульсов , Ω - частота модуляции, F - частота посылок ультразвуковых импульсов, n - число акустических импульсов в периоде последовательности, и при превышении коэффициентом k порогового значения, определяемого на основе измерений бездефектного твердого тела, судят о размере трещин.

В первом частном случае реализации способа взаимодействие ультразвуковых импульсов и акустических импульсов осуществляют для угла взаимодействия, выбранного в диапазоне 0-360 градусов.

Во втором частном случае реализации способа излучение и прием ультразвуковых импульсов или излучение акустических импульсов осуществляют бесконтактно, или излучение и прием ультразвуковых импульсов и акустических импульсов осуществляют бесконтактно.

В третьем частном случае реализации способа фиксируют место ввода последовательности акустических импульсов и обеспечивают облучение ими значительного объема твердого тела, а место излучения и приема ультразвуковых импульсов последовательно изменяют.

Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением в части устройства, достигается за счет того, что заявляемое устройство для нелинейного ультразвукового способа обнаружения трещин и их местоположений в твердом теле, также как и ближайший аналог, содержит блок обработки информации, соединенный с ультразвуковым эхолокатором, который соединен с ультразвуковым преобразователем, причем синхронизирующий выход ультразвукового эхолокатора также соединен с блоком обработки информации.

Новым в заявляемом устройстве является то, что в нем установлены последовательно соединенные блок задержки, блок изменения фазы и амплитуды, усилитель мощности и преобразователь акустических импульсов, при этом блок обработки информации соединен с блоком задержки, к которому подключен также синхронизирующий выход ультразвукового эхолокатора.

В первом частном случае изготовления устройства блок обработки информации выполнен в виде последовательно соединенных детектора, аналого-цифрового преобразователя и компьютера.

Во втором частном случае изготовления устройства ультразвуковой преобразователь и преобразователь акустических импульсов объединены посредством согласующего элемента и установлены в общем корпусе, при этом блок обработки информации выполнен в виде последовательно соединенных детектора, устройства выборки-хранения, усилителя, синхронного детектора и индикатора, причем вход детектора подключен к выходу ультразвукового эхолокатора, и введены также регулятор задержки и регулятор задержки строба, входы которых объединены и подключены к синхронизирующему выходу ультразвукового эхолокатора, а выход регулятора задержки подключен к блоку задержки, выход регулятора задержки строба подключен к устройству выборки-хранения, при этом блок изменения фазы и амплитуды соединен с синхронным детектором.

Технический результат разработанного способа обеспечивается за счет того, что для модуляции трещин используется периодическая последовательность акустических импульсов, создающих при распространении в твердом теле волны сжатия или разрежения. Излучение каждого акустического импульса синхронизовано с посылкой ультразвуковых импульсов. За счет направленного излучения акустических импульсов в определенную область твердого тела при наличии там трещин происходит периодическое взаимодействие ультразвуковых импульсов с акустическими импульсами сжатия и разрежения. Для увеличения амплитуды модуляции и избежания неоднозначности измерений каждый акустический импульс имеет ярко выраженный максимум (экстремум). Модуляция последовательности ультразвуковых импульсов определяется только в моменты времени, соответствующие максимальным значениям амплитуд акустических импульсов. Изменение параметров акустических импульсов происходит с определенной частотой , где n - число акустических импульсов за период повторения Т, F - частота посылок ультразвуковых импульсов. В данном способ