SE527074C2 - Icke-förstörande materialprovning - Google Patents

Description

C77 074 2 användas vid icke linjära metoder, varvid den stående vågen utgör högfrekvensen it. ex. Nonlinear Wave Moduiation Spectroscopy, där den stående vågen blandas med en lågfrekvent signal som ger sidband, eller tillsammans med Slow Dynamics, dvs. förändringar i ett föremåls eller objekts materialegenskaper vid yttre påverkan, såsom t. ex. temperaturändringar, slagpåkänningar, tryckändringar eller ultraljudspåverkan, se WO 02/079775.

Enligt en fördelaktig utföringsforrn av anordningen enligt uppfinningen innefattar sändaren ett konkavt sändarelement. Härigenom kan man koncentrera den stående vågen, så att man får ett ljudfält med en amplitud som är flera gånger högre än vid ett plant sändarelement.

Enligt en annan fördelaktig utföringsforrn av anordningen enligt uppfin- ningen innefattar sändaren ett flertal sändarelement. Även på detta sätt kan den stående vågen koncentreras och genom fasstyrning kan man även styra ljudfältet åt olika håll.

Enligt andra fördelaktiga utföringsformer av anordningen enligt uppfinnin- gen innefattar mottagaren ett flertal mottagarelement, alternativt minst en piezo- elektrisk sensor eller en lasersensor. Med flera mottagarelement förbättras mot- tagningen och bättre lokalisering av detekterade skador uppnås. Med separata sensorer, såsom piezoelektriska eller lasersensorer, kan ljudfältet avläsas också "vid sidan av sändarelementet eller på andra ytor av föremålet, exempelvis på en plattas motsatta sida.

Enligt ännu en fördelaktig utföringsform av anordningen enligt uppfin- ningen är sändare och mottagare förflyttbara över föremålet eller materialet och signalkällan innefattar automatiskt frekvensstyrning för att ändra frekvensen för bibehållande av resonans vid sändarens och mottagarens förflyttning. Om man t.ex. flyttar sändare och mettagare över ytan hos ett föremål eller material kan föremålets eller materialets tjocklek ändras så att resonansfrekvensen för den valda moden ändras. Härvid måste sändarfrekvensen ändras motsvarande.

För att begränsa den stående vågen till ett litet område är det väsentligt att signalens stràlvinkel blir så liten som möjligt, vilket betyder att energispridningen är liten. Enligt ytterligare en fördelaktig utföringsform av anordningen enligt uppfinnin- gen är därför sändarens radie och signalkällans frekvens avpassade för att ge liten strålvinkel hos signalen från sändaren. 20 30 527 074 c ø Q a ; g Q o n g g; 3 Vid många tillämpningar av akustiska icke-förstörande provningsmetoder, som t.ex. linjära och ickelinjära ultraljudämetoder, är det önskvärt eller nödvändigt med kontaktlös teknik. Enligt ytterliga fördelaktiga utföringsformer av anordningen enligt uppfinningen innefattar mottagaren därför minst en lasersensor eller mikrofon för kontaktlös mottagning av mätsignalen från föremålet eller materialet.

För kontaktlös överföring av den lågfrekventa signaldelen kan t.ex. en luft- pistol utnyttjas medan överföring av den högfrekventa signaldelen är svårare på grund av den stora impedansskillnaden mellan sändare och luft och mellan luft och sändare. Enligt ännu en fördelaktig utföringsform av anordningen enligt uppfinningen är sändaren för den skull, för kontaktlös överföring av ljudenergi till föremålet eller materialet, anpassad till föremålet eller materialet så att en öppen resonator skapas mellan sändare och föremål eller material. En sådan resonator tar tillvara energin i svängningarna och samlar den genom att utnyttja existerande moder i föremålet eller materialet. Luften mellan föremålet som ljudenergin skall överföras till och sändaren har således också moder. Genom att utnyttja stående vågor i luft fås också en flerfaldig ökning av vågamplituden vid den passiva sidan i resonatorn. Om man därför låter föremålet utgöra den passiva sidan kommer många gånger mer energi att överföras till föremålet än om resonans inte används. Denna teknik är användbar såväl vid linjära som ickelinjära metoder.

Enligt ytterligare 'en fördelaktig utföringsform av anordningen enligt upp- finningen innefattar sändaren en parametrisk sändare med försvinnande ljud. Häri- genom förbättras ytterligare möjligheten att excitera enbart ett visst område i före- målet eller materialet, se svenska patentansökningen nr 0104201-9.

För att närmare förklara uppfinningen kommer nu såsom exempel valda utföringsformer av uppfinningen att beskrivas mera i detalj med hänvisning till bi- fogade ritningar, på vilka fig. 1 visar en första utföringsforrn av anordningen enligt uppfinningen, fig. 2 illustrerar effekten av olika utformningar av sändarelementet, fig. 3 visar resultaten av experiment utförda på en plexiglasplatta, fig. 4 visar exempel på strålvinkelns variation som funktion av frekvens och sändarradie, fig. 5 illustrerar användningen av uppfinningen vid ett föremål av speciell struktur, fig. 6 visar tryckfördelningen vid olika typer av resonatorer, fig. 7 visar en andra utföringsform av anordningen enligt uppfinningen, fig. 8 ger ett exempel på frekvensernas relativa positioner med konceptuella amplituder vid användningen 10 20 25 30 ø o o a Q g . . , , .. o av tekniken med försvinnande ljud och fig. 9 illustrerar ytterligare förhållanden vid s k försvinnande ljud. lfigur 1 visas en första utföringsforrn av anordningen enligt uppfinningen med en signalkälla i forrn av en signalgenerator 2 för skapande av en signal som överförs till sändaren 4. Sändaren 4 skapar en vibration på objektet 6 av frekvens och diameter, avpassade till objektets geometri och materialegenskaper så att en stående våg bildas inuti objektet mellan vibrationsytan, dvs. sändaren 4, och mot- stående yta 8 hos objektet 6. Vid utföringsformen i figur 1 är sändare och mottagare anordnade i en och samma enhet 4 och mottagarelementet är anslutet till ett oscilloskop 10 för signaldetektering. _ Vid rätt val av parametrar blir den stående vågen, illustrerad med böjda kurvdelar 12 inuti objektet 6 i figur 1, i huvudsak begränsad till ett litet område, nämligen området mellan sändaren 4 och motstående vägg 8 i objektet. Genom den stående vågens geometriska begränsning ger endast skador, såsom sprickan 12, utslag av betydelse vid mätningen.

Sändar- och mottagarelementet är med fördel förflyttbart över objektets 6 yta. Signalgeneratorn 2 är härvid med fördel utrustad med automatisk frekvensstyrning så att man hela tiden ligger i resonans även om förutsättningarna ändras vid sändar- och mottagarelementets 4 förflyttning över ytan, t.ex. till följd av att tjockleken på objektet ändras så att resonansfrekvensen för den valda moden ändras. i Sändar- och mottagarelementet 4 kan ha olika utformningar. Sändaren kan bestå av ett plan eller ett konkavt sändarelement eller av flera små element.

Med en konkav sändare koncentreras den stående vågen mera till objektets mitt.

Detta illustreras i fig. 2 där tryckförhållandena vid en plan sändare i öppen resona- tor jämförs med en konkav. Överst i fig. 2 visas sålunda trycket som funktion av radien i en öppen resonator med två plana plattor och nederst i figuren visas trycket med en plan och en konkav platta. Det framgår av figuren att med det konkava sändarelementet är ljudfältet mera koncentrerat och amplituden i mitten av objektet ligger ungefär fem gånger högre än för det plana fallet. Detta beror, förutom på den geometriska koncentrationen av energi, också på att den konkava reflektionen gör att vågen blir mjukare i tidsplanet, utan stötar, så att mindre energi försvinneri den s.k. ickelinjära dämpningen. 20 30 F37 074 5 Med en sändare med flera små element kan den stående vågen också fås mera koncentrerad mot objektets mitt, och man kan även styra ljudfältet åt olika håll.

Mottagaren kan innefatta ett enda element eller flera element för bättre mottagning och för bättre lokalisering. Man kan också avläsa ljudfältet vid sidan av sändarelementet med t.ex. separata sensorer, exempelvis piezoelektriska eller lasersen- sorer, eller på andra ytor av objektet, exempelvis på ett plattformigt objekts motsatta sida.

Resultat av experiment gjorda på en stor plexiglasplatta med en sändare som är 30 mm i diameter visas i fig. 3, som visar uppmätta tryckamplituder som funktion av radien för de tre första transversellt stående vågorna. lflexiglasplattans tjocklek är 5 mm. Som synes är ljudfältet begränsat till mindre än 10 cm från sän- daren med den helt dominerande delen av energin koncentrerad till en radie av 2 cm för den högsta frekvensen.

Detta begränsade ljudfältet möjliggör användning av tekniken vid de nya mycket känsliga ickelinjära metoderna för detektering av mikro- eller makro-spric- kor, t.ex. för detektering av begynnande utmattning i behovsbaserat underhåll eller vid kontroll av komponenter inom tillverkningsindustrin. Detta begränsade ljudfält kan då utgöra den resonanta signalen vid användning av olika tillämpningar av Sïbw Dynamics för icke förstörande provning, jfr. Wlïl079775.

Detkan noteras att vid de ickelinjära metodema används avsevärt lägre frekvenser än vid denvanliga linjära metoden eftersom de bygger på att material- parametrarna förändras och kan därmed användas på större objekt eller på objekt med stor dämpning -ju högre frekvens desto högre dämpning. Linjära metoder använder ofta så små våglängder att ljudvàgorna "ser" sprickorna. Detta gör att användningen av det lokaliserade ljudfältet inte är lika fördelaktigt för alla linjära akustiska metoder för materialprovning, men principen är naturligtvis användbar för olika linjära mätningar också.

Det är svårt att allmänt ange exakta storleken på alla parametrar som måste beaktas för varje enskilt fall, eftersom de är ganska många och beror exem- pelvis på materialegenskaper, objekststorlek, objektgeometri, sändarstorlek, sändareffekt och ytjämnhet. w 20 25 30 I 0 O 0 o: c o 5 'B 7 Û 7 4 513:-? ="= "Ii 6 lflg. 4a visas signalens strålvinkel som funktion av frekvensen för en plan sändare med radien 15 mm och lfig. 4b strålvinkeln som funktion av radien på sändaren för en fast frekvens av 200 kHz. Liten strålvinkel är fördelaktig eftersom energin då inte sprids utan hålls samlad nära sändaren. lfig. 5 visas ett exempel på ett föremål i form av en struktur med vägg 14 och bakomliggande balk 16. Härvid kommer också området framför den bakomliggande strukturen att exciteras om ljudkällans 18 exciterande område ligger utanför strukturen till stor del. Resonansen kommer då vid de platta delarna, utanför balkens 16 område. att också excitera området innanför, liknande som området vid sidan av en öppen resonator får ett betydande ljudfält. Det blir naturligtvis inte lika stort som om balken 16 inte funnits.

Vid många tillämpningar av akustiska icke-förstörande provningsmetoder är det önskvärt och nödvändigt att använda kontaktlösa metoder. För att förbättra energiöverföringen, av högfrekventa signaldelar kan begreppet öppen resonator användas.

Q-faktom är en resonators kvalitetsstal; ju högre Q-faktor desto bättre. I B. Enflo och C. Hedberg, "Theory of nonliner acoustics in fluids" Kluwer Academic Publishers, 2002, ISBN 1-4020-0572-5, bild 8.4 sid 429, ges ett exempel på en resonators förmåga att öka amplituden på en våg. I detta exempel exciteras en resonator med en amplitud av 0.002 och ett vågfält med en amplitud på ungefär 1 uppnås. Q-faktorn blir då 1/0.002 = 500.

En resonator tar tillvara energin i svängningar och samlar dem genom att utnyttja existerande moder i strukturer. Luften mellan det objekt, som ljudenergin skall överföras till, och sändaren har också moder. Detta är allmänt känt och stående vågor används bland annat för att levitera små objekt i luft. Med detta .koncept erhålls en flerfaldig ökning av vågamplituden vid den passiva sidan i resonatom, såsom illustreras i fig. 6a som visar tryckfördelningen för den första moden för en resonator med hårda ytor. Om man låter den passiva sidan vara vårt objekt kommer många gånger mer energi in i objekt än om resonans inte används.

Detta är användbart både i linjära och ickelinjära metoder. Första resonansmoden inuti objektet skulle kunna ha den lfig. 6b visade formen, eftersom objektet är "hårt”, omgivet av "mjuk" luft eller annan fluid. 20 30 5:2? 0 o nu e 7 Resonans uppstår då avståndet mellan sändare och objekt, ljudhastig- heten i mediet mellan objekt och sändare. t.ex. luft, och sändarens frekvens och diameter uppfyller de villkor som gäller för en öppen resonator.

Fig. 7 visar en andra utföringsfonn av anordningen enligt uppfinningen med öppen 20 resonatorsändare 22 för kontaktlös, icke-förstörande materialprovning. Motsvarande komponenter i utföringsforrnema enligt fig. 1 och 7 har givits samma hänvisningsbeteckningar. l utföringsforrnen enligt fig. 7 använder man således resonansen mellan sändare 22 och objekt 6. Resonans kan förstås också existera inuti objektet 6 samtidigt. Genom variation av frekvens och avstånd mellan sändare 22 och objekt 6 kan kriterierna för resonans inställas.

Enligt ett alternativ kan med användning av parametriska sändare med försvinnande ljud et visst område exciteras av en skillnadsfrekvens för lokalisering av t.ex. sprickor.

Nedan använder vi benämningen skillnadsfrekvens som exempel på den frekvens av intresse som skapas och sedan utsläcks med högre frekvenser. Det behöver inte vara en skillnadsfrekvens utan kan vara en annan frekvens vid andra sorters modulationer, t.ex. vid frekvens- eller amplitudmoduleringar av signalen. Vi benämner emellertid den lokalt förekommande frekvensen ”skillnadsfrekvens” i de följande, eftersom det i anslutning till fig. 8 beskrivna exemplet just utnyttjar skill- nadsfrekvensen, se svenska patentansökningen 01042201-9.

En första ickelinjaritet, som skapar skillnadsfrekvensen, är materialets inneboende ickelinjaritet, som antas vara ganska låg. Det betyder att styrkan på de signaler som skall skapa, f2 och f2 + A, och släcka ut, f1 och f1 + A, skillnads- frekvensen måste vara stora.

Den andra ickelinjariteten av betydelse i detta sammanhang är den som visar på förekomst av sprickor. Eftersom sprickor är mycket starkt ickelinjära så är denna ickelinjaritet oftast flera storleksordningar större än materialets naturliga ickelinjaritet, så styrkan på de signaler, A och f0, som skall bilda sidband vid sprickförekomst behöver inte vara så stor.

För detektering av sprickor sänds signaler med hög amplitud och två höga frekvenser, f2 och f2 + A, vilka samverkar ickelinjärt på grund av mediets inneboende ickelinjaritet och ger parametriskt en skillnadsfrekvens A. Denna 20 30 F, ø I . n o o o n ø n ; e.

U-Ä 0 o coon n 8 frekvens har mycket mindre amplitud än signalerna med frekvenserna f2 och f2 + A.

Vidare sänds en signal med frekvensen fO. som möjligen ligger i resonans.

Denna frekvens motsvarar den högfrekventa resonansfrekvensen medan den låg- frekventa signalen i detta fall motsvaras av frekvensen A. Den kan därför skapa ett sidband runt frekvensen fO, dvs. bl.a. sidband f0 + A och f0 - A runt fO.

Därefter utsläcks frekvensen A genom två andra signaler med hög amplitud och höga frekvenser f1 och f1 + A, som bildar motljud till den bildad av signalema med frekvensema f2 och f2 + A.

Detta innebär att sidband kan skapas inom den regionen där skillnads- ekvensen A flnns. Vi kan således lokalisera skadan till denna region. Naturligtvis kan den avläsas utanför själva regionen.

Fig. 8 illustrerar schematiskt frekvensernas relativa positioner med konceptuella amplituder angivna vid det ovan beskrivna utföringsexemplet.

Parametriskt ljud har automatiskt liten strålvinkel och är således lokaliserat i ren radiell led. Dessutom kan ljudets utbredning i longitudinell riktning begränsas, såsom illustreras i fig. 9. Överst i figuren visas en endimensionell bild av amplitu- den hos den ovan nämnda skillnadsfrekvensen hos det försvinnande ljudet som funktion av avståndet. Frekvensen skapas och utsläcks sedan. l nedre delen av fig. 9 visas en sändare 24 för utsändning av försvinnande ljud lett objekt 26, varvid den ungefärliga regionen för det försvinnande ljudet illustreras konceptuellt av det gråtonade området 28 ifiguren.

Med en fasstyrd sändare med flera sändarelement kan man styra riktnin- gen av stràlen och med olika frekvensval kan man styra var skillnadsfrekvensen skall förekomma. Således kan man med ett sådant utförande undersöka flera olika regioner, och alltså lokalisera olika områden med skador, utan att flytta sändaren.

Claims (8)

Nya Patentkrav q

1. Förfarande för att lokalisera skador i föremål eller material, varvid en stående ljudvåg alstras inuti föremålet eller materialet för att ur utslag vid mätning på den stående vågen detektera skador inom nämnda område av föremålet eller materialet, kännetecknat av att den stående vågen begränsas i huvudsak till ett litet område i föremålet eller materialet mellan en vibrationsyta och en annan yta i föremålet eller materialet samt att nämnda stående våg används för att med utnyttjande av Slow Dynamics detektera skador i föremålet eller materialet.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att två signaler med höga, något olika frekvenser sänds in i föremålet eller materialet så att en signal med lågfrekvent skillnadsfrekvens alstras till följd av föremålets eller materialets ickelinjaritet, vilken lågfrekventa signal skapar sid- band till en signal med en tredje frekvens, företrädesvis den stående vågens frekvens, som tillförs föremålet eller materialet, för att ur före- komsten av nämnda sidband detektera skador i föremålet eller materialet.

3. Anordning för att lokalisera skador i föremål eller material inne- fattande en signalkälla, ansluten till en sändare för att alstra en resonant ljudvåg inuti föremålet eller materialet, samt en mottagare för att mottaga en mätsignal från föremålet eller materialet kopplad till en apparat för behandling och analys av mätsignalen, kännetecknad av att sändaren är anordnad att alstra ljudvågen i huvudsak i ett litet område i föremålet eller materialet, samt att, för kontaktlös överföring av ljudenergi till föremålet eller materialet, är sändaren anpassad till föremålet eller materialet så att en öppen resonator skapas mellan sändare och föremål eller material.

4. Anordning enligt krav 3, kännetecknad av att sändaren innefattar ett plant sändarelement.

5. Anordning enligt krav 3 eller 4, kännetecknad av att sändaren inne- fattar ett konkavt sändarelement.

6. Anordning enligt något av kraven 3 - 5, kännetecknad av att sändaren innefattar ett flertal sändarelement.

7. Anordning enligt krav 6, kännetecknad av att sändaren med nämnda flertal av sändarelement är fasstyrd för att styra riktningen av signal- strålen.

8. Anordning enligt något av kraven 3 - 7, kännetecknad av att mottagaren innefattar ett flertal mottagarelement. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 527 Û74 Em. _:"¿a::j -:j=';:= Anordning enligt något av kraven 3 - 8, kännetecknad av att mottagaren innefattar minst en piezoelektrisk sensor. Anordning enligt något av kraven 3 - 9, kännetecknad av att sändare och mottagare är anordnade i en och samma enhet. Anordning enligt något av kraven 3 - 10, kännetecknad av att nämnda apparat för behandling och analys av mätsignalen innefattar ett oscilloskop. Anordning enligt något av kraven 3 ~ 9, kännetecknad av att nämnda signalkälla och nämnda apparat för behandling och analys av mätsignalen är realiserade med en dator. Anordning enligt något av kraven 3 - 12, kännetecknad av att nämnda sändare och mottagare är förflyttbara över föremålet eller materialet samt att signalkällan innefattar automatisk frekvensstyrning för att ändra frekvensen för bibehållande av resonans vid sändarens och mottagarens förflyttning. Anoidning enligt något av kraven 3 - 13, kännetecknad av att sändarens radie och signalkällans frekvens är avpassade för att ge liten strålvinkel hos signalen från sändaren. Anordning enligt något av kraven 3 - 8 eller 10 - 14, kännetecknad av att mottagaren innefattar minst en lasersensor för kontaktlös mottagning av mätsignalen från föremålet eller materialet. Anordning enligt något av kraven 3 - 8 eller 10 - 14, kännetecknar! av att mottagaren innefattar minst en mikrofon för kontaktlös mottag- ning av mätsignalen från föremålet eller materialet. Anordning enligt något av kraven 3 - 16, kännetecknad av att sän- daren innefattar en parametrisk sändare med försvinnande ljud.