Первинний акустичний перетворювач для безконтактного неруйнівного контролю покриттів

1. Первинний акустичний перетворювач для безконтактного неруйнівного контролю покриттів, який містить корпус, закріплений на обоймі з роликами, у якому розташовані ударник для збудження звукових коливань та зрізана порожниста піраміда, що основою закріплена на обоймі і на верхньому зрізі якої встановлена приймальна п'єзопластина, яка за розмірами рівна площі у місці верхнього зрізу піраміди, який відрізняється тим, що зрізана порожниста піраміда виконана з багатоступеневими гранями та має всередині другу подібну пірамі 3 32541 поверхні покриття, яке контролюється, але лишило недоторканною контактну систему неруйнівного контролю, як таку, що являється головним недоліком цього пристрою. Відомий пристрій первинного акустичного перетворювача неруйнівного ультразвукового контролю, який називається ультразвуковим об'єктивом [3]. Цей пристрій виключає ударний спосіб збудження коливань у покритті, яке контролюється, і у своєму складі має корпус, на одному із торців якого розташований п'єзовипромінювач (п'єзоприймач), а на протилежному - концентратор, який має акустичний контакт із зразком, який досліджується, через імерсійну рідину. При цьому п'єзовипромінювач суміщений з п'єзоприймачем і розташовується в центрі основи конічного концентратора та може мати електроди конічної форми для підводу і відводу електричної енергії. З них один є верхньою стінкою корпусу, а др угий -вн утрішньою, а електроди розділяються між собою діелектриком. Але конічний концентратор акустично поєднується зі зразком, який досліджується, за допомогою імерсійної рідини, що є головним недоліком пристрою. Окрім того, відомий пристрій [3] працює в області надвисоких ультразвукових частот в якості акустичного мікроскопу для аналізу мікрооб'єктів і не може працювати на макрооб'єктах - покриттях. Відомий пристрій для виводу енергій в безконтактному варіанті у вигляді піраміди біологічної [4], яка має бічні грані без основи, а в ній додатково розміщений концентратор енергії у вигляді зрізаної піраміди з розташуванням основи концентратора в перерізі основної піраміди з максимальною енергією, та з гранями, спрямованими вниз. Недоліком використання такої пірамідної конструкції в первинному перетворювачеві енергії є вибір та застосування авторами в якості концентраторів енергії тригранних пірамід, які не використовують всіх переваг класичних пірамід (пірамід Хеопса), а тому також дають недостатню концентрацію енергії в місці розташування п'єзоелементу. Окрім того, не обумовлені розміри концентратора: при співвідношеннях об'ємів піраміди і концентратора, як показано на фігурі корисної моделі, вилучення енергії з піраміди буде вкрай незначним. Найбільш близьким за суттю та за отриманим технічним результатом є первинний акустичний перетворювач у заявці на пристрій для неруйнівного контролю діелектричних покриттів [5], який містить електромеханічний вібратор з ударником для збудження звукових коливань в покритті, що контролюється, зрізану піраміду з розташованою в її вершині, на зрізі, прийомною п'єзопластиною, ролики для сканування первинного акустичного перетворювача по поверхні покриття, яке контролюється. Недоліком у використанні такого первинного акустичного перетворювача є контактний спосіб збудження звукових коливань в покритті, що контролюється, який створює шум в процесі проведення неруйнівного контролю та шкідливо діє на покриття та вібраційно на руху оператора, який сканує цим перетворювачем по поверхні покриття, що контролюється. Окрім того, шум від роботи 4 акустичного перетворювача передається безпосередньо на приймач, тобто прийомну п'єзоелектричну пластину, створюючи додатковий сигнал перешкоди. В основу корисної моделі, що заявляється, поставлена задача удосконалення пристрою первинного акустичного перетворювача шляхом оптимізації роботи перетворювача через використання пірамідних конструкцій для збільшення накопичення енергії, яка підводиться до прийомної та збуджуючої коливання п'єзопластин, і, дякуючи цьому, реалізувати повністю безконтактно як прийом коливань, так і їх збудження в покритті, яке контролюється. Поставлена задача вирішується таким чином, що первинний акустичний перетворювач для безконтактного неруйнівного контролю покриттів, який містить корпус, закріплений на обоймі з роликами, у якому розташовані ударник для збудження звукових коливань та зрізана порожиста піраміда, яка основою закріплена на обоймі, а на верхньому зрізі якої встановлена прийомна п'єзопластина, яка за розмірами рівна площі у місці верхнього зрізу піраміди, який відрізняється тим, що зрізана порожниста піраміда виконана з багатоступінчатими гранями та має всередині другу подібну піраміду, яка розташована за віссю з першою, але у перевернутому стані, при цьому на її основі вгорі закріплено ударник, виконаний у вигляді збуджуючої п'єзопластини, яка за площею, рівна площі основи цієї піраміди; розміри пірамід співвідносяться як 10:1, а зрізи піраміди та концентратору робляться за висотою рівними 0,882 від висоти відносно основи, та одночасно пропорційні l / 2 , де l довжина звукової хвилі в повітряному осередку; в свою чергу, висота ступенів піраміди та концентратору від основи до зрізу є величиною різною за значенням висоти своїх щаблів і змінюється згідно ряду Фібоначчі від основи до зрізу як n=1, 1, 2, 3, 5, 8, 13..., і при цьому піраміда і концентратор виконується із органопластику і мають товщину стінки, яка вибирається одним із значень низхідної "гілки" золотого перерізу: 1,000; 0,618; 0,382; 0,236; 0,146; 0,090; 0,056... Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак корисної моделі, яка заявляється, та те хнічним результатом, що досягається, спостерігається на основі конструктивних особливостей збірної пірамідної конструкції первинного акустичного перетворювача, застосування пірамід в якому є перевагою над іншими їх аналогами. Справа в тому, що, як відомо [6], піраміда є аналог діелектричній антені типу „бігуча хвиля" [11]. Якщо в пірамідах, наприклад, єгипетській, функцію активного вібратора діелектричної антени виконує базальтова скеля, яка була створена в свій час породами магми, які застигли, піднімаючись з великих глибин в тріщині в земній корі і яка є енергоємним природним витвором, що випромінює потужний потік енергії, то в запропонованій нами піраміді активним вібратором буде збуджена п'єзопластиною концентратора вібрація покриття, яке контролюється, а рефлектором (відбивачем) коливань буде металічна підкладка. 5 32541 В концентраторі активним вібратором буде сама п'єзопластина, яка збуджується від генератора як окремої електронної схеми. Відомо також, що максимальне випромінювання буде мати місце, коли в тілі антени створюється режим "бігучої хвилі". Збуджені в покритті хвилі рухаються вздовж піраміди догори, відбиваючись від її стінок, створюють в тілі піраміди на шляху до її вершини спіральну траєкторію, перетинаючись на осі та роблять там енергетичні вузли, яких, як правило, сім. Піраміда, як і діелектрична антена, повинна мати зрізану верхівку, через який і повинен виходити основний потік випромінювання енергії: якраз в цьому місці в конструкції піраміди корисної моделі, яка заявляється, передбачено розташування прийомної п'єзопластини. В концентраторі цей переріз знаходиться на рівні дна прийомної піраміди і через нього, як через елементарне джерело звукових коливань, створюване горлом резонатора перевернутої піраміди, передається безконтактно енергія збудження покриття, що контролюється. Щодо значення висоти, на яку робляться зрізи в обох пірамідах, то тут треба звернутись до факту, який розкриває резонансне узгодження відомих архітектурних рішень в пірамідах, яке вказує на наявність в піраміді точок, настроєних на резонансну частоту поля еталонного сигналу, узгодженого з частотою звука "ля" (частотою 441Гц), а саме: відповідають числу 0,882, як здвоєння "ля", тобто 0,441, що є функцією "золотого перерізу" [10]. Саме на висоті 0,882 і розташовується прийомна п'єзопластина, а також робиться зріз для випромінювання коливань концентратора п'єзопластиною, яка розташовується в площині основи та рівна її площі. Окрім того, в конструкції піраміди на рівні енергетичних вузлів робляться ступені піраміди по числу ци х енергетичних вузлів (їх, як правило, сім [5]). Відомо також [10], що якщо зовнішня сила (а у нас це сила збудження покриття) здійснює гармонійні коливання, то хвилі, які визиваються ними, називаються гармонічними, які в нашому усталеному стані визвуть гармонічні коливання в усій пірамідній системі з частотою зовнішнього діяння. Для діапазону звукових хвиль (а якраз такий діапазон частот в діапазоні одиниць кілогерц визначений нами експериментально для покриттів на основі водного розчину синтетичного латексу зі спеціальними добавками) величина потоку енергії буде обернено пропорційною імпедансу переходу з широкого переходу в більш вузький, та перемноженому на силу, яка діє від покриття на одиницю площі повітря піраміди в напрямку збільшення висоти від основи. Оскільки коефіцієнт відбиття хвилі звукового тиску від перехідного перерізу рівняється різниці площі переходу, поділеному на їх суму [9], то, вважаючи, що перерізи не дуже суттєво відрізняються за площею (особливо у основі), можна вважати затухання в ступінчатій піраміді при русі гармонійної хвилі знизу догори, теж незначним. Зате побудова піраміди ступінчатою зблизить її з діелектричною антеною за діянням та концентрацією енергії при такому русі звукової 6 хвилі знизу догори в зв'язку із звуженням перерізу [6]. При цьому для того, щоб звуковий шлях між п'єзопластиною та покриттям, яке контролюється, був резонансним, як відомо [9], максимуму зв'язку можна чекати, коли довжина шляху між ними буде l задовольняти вимозі: h = , де h - вказано довжи2 на шляху, l - довжина хвилі звуку в повітрі, тобто вивіреній в акустичній дефектоскопії тезі щодо напівхвильового хвилеводу ступінчатої форми, яка забезпечує ефективну передачу енергії звукових коливань від джерела випромінювання в повітряне середовище. Для створення режиму підсилення звукових хвиль, які рухаються до вершини піраміди, розміри виступів піраміди будуються за допомогою ряду чисел Фібоначчі 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13 ..., які завдяки цьому грають роль пасивних вібраторів. З метою оптимального перебігу процесу розповсюдження хвиль вздовж піраміди, товщина стінки за розміром вибирається одним із значень низхідної „гілки" ряду золотого перерізу 1,000; 0,618; 0,382; 0,236; 0,146; 0,090; 0,056...., але таким чином, щоб вона при цьому була набагато менша довжини звукових хвиль X в матеріалі піраміди. Велике значення в виборі матеріалу, з якого виготовляються піраміди, має сенс ще й виходячи з другої причини. Відомо, що природним джерелом енергії є органічна речовина, наприклад, дерево, яке само по собі дає достатньо чистий та великий потік енергії. Те ж саме можна сказати і про вироби з органічних речовин або з їх замінників. Але оскільки органічні речовини мають біологічні та енергетичні ритми [10], то найбільш стабільним та оптимальним матеріалом може бути композиційний матеріал-замінник, зокрема - органопластик. Не менш важливим є вибір типу та розмірів піраміди та концентратору. Як на думку науковців та їх досліджень пірамід, які засекречені в США [12], самою потужною з накопичення енергії є класична піраміда Хеопса, в зв'язку з чим вона вибрана нами в якості основної в пірамідній конструкції пристрою первинного перетворювача, який заявляється як корисна модель. Загальновідомим є також факт, що чотиригранна піраміда як така дає більший ефект, ніж тригранна. Окрім того, дослідники прийшли до думки, що предмети, об'єкти, суб'єкти та т.і., які піддаються діянню в піраміді, не повинні займати об'єм більший, ніж 10 відсотків від об'єму піраміди: інакше вони не "зарядяться" [12]. Сутність корисної моделі пояснюється пристроєм первинного акустичного перетворювача, показаного на Фіг., де 1 - металічний корпус вузла, деталі; 2 - покриття, яке нанесене напилюванням на металічну підкладку, корпус, вузол, деталь; 3 дефект типу неприклеювання покриття до металу, 4 - багатоступінчата піраміда; 5 - прийомна п'єзопластина, 6 - п'єзопластина збудження звукових коливань в покритті, 7 - концентратор, 8 - ролик для сканування первинного акустичного перетворювача по поверхні покриття (ще 2 ролики не показані). В п'єзопластині 5 та 6 не показанах також демпфери, розташовані на зовнішніх їх поверхнях. При проведенні неруйнівного контролю покриття 2 за допомогою пристрою первинного акус 7 32541 тичного перетворювача, показаного на Фіг., корисна модель підключається за допомогою кабелю до акустичного дефектоскопу відповідно: п'єзопластина 6 - до електронного звукового генератора, п'єзопластина 5 - до електронного високочутливого приймача (на Фіг. кабель, генератор та приймач - не показані). Первинний акустичний перетворювач установлюється на покриття 3, яке контролюється, таким чином за допомогою роликової системи 8, щоб між ними та покриттям З був мінімальний проміжок і щоб система пірамід була суворо перпендикулярною своєю віссю 00 до поверхні покриття. Акустичний дефектоскоп підключається до мережі змінного струму (або до акумуляторної батареї). На бездефектному місці зразка з покриттям, яке контролюється, дефектоскоп настроюється таким чином, щоб показання його вимірювального приладу були близькі до нуля. При наїзді на дефект 3, як показано станом на Фіг., показання вимірювального приладу повинні різко вирости за рахунок отримання максимуму спектра на відповідних часто тах. Як показали наші дослідження, для багатофункціональних діелектричних покриттів на основі водного розчину синтетичного латексу зі спеціальними добавками, а саме: покриттів ТТП-БСС(Л) та ТТП-БС(Л) чітка фіксація максимуму спектру отримується на частотах 1,8...2,7кГц. Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 8 Джерела інформації: 1. Ю.В. Ланге, Е.Г. Устинов. Низькочастотний акустичний дефектоскоп АД-60С / Дефектоскопия, 1982, №1, с.12-15); 2. Патент Російської Федерації №2164023, МПК7 G01N29/04, 2001. 3. Патент Російської Федерації №2260860, МПК7 G01К11/30, G01N29/04, 2005. 4. Деклараційний патент України №55190, МПК7 G01Н7/00, 2003. 5. Пристрій для неруйнівного контролю діелектричних покриттів // Заявка на деклараційний патент України №200711058, G01N29/04, 2007. 6. В. Бабанин. Пирамиды земные и внеземные // Международный клуб Ученых http://www.shaping.m.mku/babanin 10.asp. 7. Ю. Брамер, В. Малинский "Радиотехника", М., Госэнергоиздат, 1961. 8. С.Н. Ржевкин. Курс лекций по теории звука. М., Издательство Московского университета, 1960, 336с. 9. А. Партис. Физическая лаборатория. М., Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1978, 320с. 10. В.М. Уваров. Жезлы Гора - СПб. "ДИЛЯ", 2001 - 208с. 11. Ф. Кроуфорд. Волны. М., Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1976, 528с. 12. Е. Востокова. Сила и мистика пирамид. Ростов - Д: "Феникс", 2005. - 256с. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601