ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

Формула изобретения

1. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, содержащий многогранный звукопровод, представляющий собой прямоугольный параллелепипед, в теле которого со стороны одной из его боковых граней выполнено углубление, в котором под углом друг к другу образованы по крайней мере две грани, одна из которых с установленным на ней пьезоэлементом является измерительной гранью, которая образует острый угол, больший или равный 45^o, с установочной гранью звукопровода, служащей для установки на исследуемый объект и которая вместе с тремя отражающими гранями звукопровода образует канал прохождения ультразвуковой волны в звукопроводе, при этом первая и вторая отражающие грани являются гранями параллелепипеда, а третья отражающая грань является второй гранью, выполненной в углублении, а так же две боковых грани звукопровода, при этом ребро, образованное пересечением установочной и боковой граней, является длиной звукопровода К, и определяется из выражения



ребро, образованное пересечением первой отражающей и боковой граней, является высотой звукопровода Н и определяется из выражения



ребро, образованное пересечением установочной и первой отражающей граней, является шириной звукопровода S и определяется из соотношения



ребро, образованное пересечением измерительной и боковой граней, является длиной измерительной грани а и определяется из соотношения:



где с - расстояние по нормали, восстановленной от стороны измерительной грани, ближайшей к установочной грани, до середины пьезоэлемента;

d - размер пьезоэлемента вдоль нормали, восстановленной от стороны измерительной грани, ближайшей к установочной грани;

- угол между измерительной и установочной гранями;

- угол расхождения ультразвуковой волны в звукопроводе, определяемый размером d пьезоэлемента;

h - расстояние по нормали, восстановленной от установочной грани до начала углубления;

- угол расхождения ультразвуковой волны, определяемый размером пьезоэлемента, расположенным вдоль ширины звукопровода S;

₁ - угол расхождения ультразвуковой волны в звукопроводе, зависящий от доли энергии, пришедшей после отражения от первой отражающей грани на измерительную грань.

2. Пьезопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что углубление имеет форму прямоугольной призмы, при этом одна из боковых граней призмы лежит в плоскости грани звукопровода, а двумя другими гранями призмы являются измерительная и третья отражающая грани.

3. Пьезопреобразователь по п. 2, отличающийся тем, что углубление выполнено так, что основания призмы лежат в плоскостях боковых граней звукопровода.

4. Пьезопреобразователь по п.2, отличающийся тем, что одна из боковых граней призмы полностью совпадает с боковой гранью звукопровода, а основания призмы лежат в плоскостях боковых граней звукопровода.

5. Пьезопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в углублении образована третья грань, параллельная установочной грани и образующая тупой угол с измерительной гранью, при этом длина звукопровода определяется из выражения



где b - расстояние от начала углубления до измерительной грани.

6. Пьезопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что профиль установочной грани соответствует профилю исследуемого объекта в месте установки ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости потока и расхода вещества ультразвуковым методом, а также в устройствах ультразвуковой дефектоскопии.

Известны ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи, содержащие пьезоэлемент и звукопровод, выполненный в виде прямой призмы, изготовленной из материала, скорость звука в котором меньше скорости звука в металлах, например из пластмасс, а пьезоэлемент расположен на одной из граней звукопровода, а другие грани звукопровода расположены так, что ультразвуковые лучи, излученные краями пьезоэлемента и распространяющиеся перпендикулярно к нему, после отражения от граней звукопровода на пьезоэлемент не попадают (Ермолов И. Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981 г. - 240 с.).

Такие преобразователи наряду с достоинствами, связанными с возможностью их установки на исследуемый объект без его демонтажа и остановки техпроцесса, например на трубопровод при исследовании скорости потока и объемного расхода вещества, имеют и недостатки.

К ним относятся значительные реверберационные помехи, приводящие к понижению точности измерения, связанные с попаданием на пьезоэлемент части энергии излученной им волны после отражения ее от границы раздела "звукопровод - исследуемый объект" и затем от отражающих граней звукопровода. В таком пьезопреобразователе, как следует из его описания, расстояние от верхнего края пьезоэлемента до места пересечения измерительной грани с ультразвуковым лучом, распространяющимся вдоль акустической оси пьезоэлемента, составляет лишь половину линейного размера пьезоэлемента. Ширина же основного лепестка диаграммы направленности превосходит эти размеры, поэтому на пьезоэлемент попадает значительная часть ультразвуковой энергии неосновного сигнала, что создает высокий уровень реверберационных помех.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к предлагаемому ультразвуковому пьезоэлектрическому преобразователю является акустический пьезопреобразователь ультразвукового расходомера (Свидетельство на полезную модель РФ 0007742, G 01 F 1/00, 1998 г.), содержащий звукопровод, на одной грани которого - измерительной установлен пьезоэлемент, а вторая и третья отражающие грани которого выполнены под острым углом друг к другу.

Недостатком такого преобразователя является недостаточная точность измерений из-за искажения полезного сигнала большим уровнем помех. В таком преобразователе несмотря на принятые меры, обеспечивающие непопадание на пьезоэлемент сигналов, отраженных от граней звукопровода, за счет поглощения их в акустических ловушках, не устранены ложные сигналы, возникающие за счет расхождения ультразвука и приводящие к снижению точности измерений. В таком преобразователе реверберационные помехи возникают потому, что при распространении ультразвукового сигнала происходит его расхождение и часть энергии, сосредоточенной в основном лепестке диаграммы направленности, после отражения сигнала от измерительной грани приходит на пьезоэлемент.

Заявляемый ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь решает задачу повышения точности измерений.

Техническим результатом изобретения является уменьшение уровня реверберационных помех и снижение искажения сигнала.

Для решения поставленной задачи предлагается ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, содержащий многогранный звукопровод, представляющий собой прямоугольный параллелепипед, в теле которого со стороны одной из его боковых граней выполнено углубление, в котором по углом друг к другу образованы по крайней мере две грани, одна из которых с установленным на ней пьезоэлементом является измерительной гранью, которая образует острый угол, больший или равный 45^o, с установочной гранью звукопровода, служащей для установки на исследуемый объект и которая вместе с тремя отражающими гранями звукопровода образует канал прохождения ультразвуковой волны в звукопроводе, при этом первая и вторая отражающие грани являются гранями параллелепипеда, а третья отражающая грань является второй гранью, выполненной в углублении, а также две боковые грани звукопровода, при этом ребро, образованное пересечением установочной и боковой граней, является длиной звукопровода К и определяется из выражения:



ребро, образованное пересечением первой отражающей и боковой граней, является высотой звукопровода H и определяется из выражения:



ребро, образованное пересечением установочной и первой отражающей граней, является шириной звукопровода S и определяется из соотношения:



ребро, образованное пересечением измерительной и боковой граней, является длиной измерительной грани а, и определяется из соотношения:



где с - расстояние по нормали, восстановленной от стороны измерительной грани, ближайшей к установочной грани, до середины пьезоэлемента,

d - размер пьезоэлемента вдоль нормали, восстановленной от стороны измерительной грани, ближайшей к установочной грани,

- угол между измерительной и установочной гранями,

- угол расхождения ультразвуковой волны в звукопроводе, определяемый размером d пьезоэлемента,

h - расстояние по нормали, восстановленной от установочной грани до начала углубления,

- угол расхождения ультразвуковой волны, определяемый размером пьезоэлемента, расположенным вдоль ширины звукопровода S,

₁ - угол расхождения ультразвуковой волны в звукопроводе, зависящий от доли энергии, пришедшей после отражения от первой отражающей грани на измерительную грань.

Поставленная задача решается также тем, что углубление имеет форму прямоугольной призмы, при этом одна из боковых граней призмы лежит в плоскости грани звукопровода, а двумя другими гранями призмы являются измерительная и третья отражающая грани.

Поставленная задача решается также тем, что углубление выполнено так, что основания призмы лежат в плоскостях боковых граней звукопровода.

Поставленная задача решается также тем, что одна из боковых граней призмы полностью совпадает с боковой гранью звукопровода, а основания призмы лежат в плоскостях боковых граней звукопровода.

Поставленная задача решается также тем, что в углублении образована третья грань, параллельная установочной грани и образующая тупой угол с измерительной гранью, при этом длина звукопровода определяется из выражения:



где b - расстояние от начала углубления до измерительной грани.

Поставленная задача решается также тем, что профиль установочной грани соответствует профилю исследуемого объекта в месте установки ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя.

Поясним сущность заявляемого изобретения. Для решения поставленной задачи по повышению точности измерений посредством уменьшения реверберационных помех звукопровод 1 ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя (фиг. 1, 2, 3, 4) выполняется так, чтобы на пьезоэлемент 2 ультразвуковая волна, отраженная от установочной грани 4, а затем от первой отражающей грани 5, не попала, а уровень попавшей после отражений на измерительную грань 3 ультразвуковой энергии должен быть минимальным, что достигается строго определенными размерами звукопровода и определенным методом расположения пьезоэлемента.

Как видно из фиг.5, 6, 7, излученная в звукопровод 1 пьезоэлементом 2 ультразвуковая волна приходит на установочную грань 4 под углом скольжения (90^o-). Угол - угол между нормалью к фронту ультразвуковой волны, пришедшей от пьезоэлемента и нормалью к установочной грани, равен углу между установочной 4 и измерительной 5 гранями.

После отражения от установочной грани 4 под углом скольжения , волна попадает на первую отражающую грань 5, отражается от нее и падает на вторую отражающую грань 6, отражается от нее и падает на третью отражающую грань 7 и т.д. При этом по мере распространения ультразвуковой волны за счет ее рассеивания при отражениях, потерь энергии на расхождение и поглощение в материале звукопровода происходит ее ослабление. Уровень ложного сигнала, возбуждаемого такой волной в случае попадания ее на пьезоэлемент, будет значительно ослаблен. В то же время пьезоэлемент может возбуждать значительный ложный сигнал, если часть энергии ультразвуковой волны, отраженной от первой отражающей грани, попадет на пьезоэлемент. Это может произойти в том случае, если на пьезоэлемент попадет энергия ультразвуковой волны, сосредоточенная в основном лепестке его диаграммы направленности. Для того чтобы этого не произошло, пьезоэлемент должен отстоять от места падения на измерительную грань или ее продолжение отраженного от первой отражающей грани ультразвукового луча, распространяющегося вдоль акустической оси пьезоэлемента, на расстояние, по крайней мере равное половине диаметра основного лепестка диаграммы направленности пьезоэлемента, как это показано на фиг.5, 6, 7. Это условие определяет размеры звукопровода.

Диаметр основного лепестка диаграммы направленности пьезоэлемента зависит от длины пути, пройденного ультразвуковым сигналом, размера пьезоэлемента, частоты сигнала, скорости звука в материале звукопровода и определяется из выражения (Мэзон У. Методы и приборы ультразвуковых исследований. М.: Мир, т. 1, ч. А, 1966 г. - 574 с.):

D=2ltg (1)



где D - диаметр основного лепестка диаграммы направленности пьезоэлемента,

l - длина пути, пройденного ультразвуком,

v - скорость звука в материале звукопровода,

f - частота ультразвукового сигнала.

Длина пути ультразвукового луча, распространяющегося вдоль акустической оси пьезоэлемента, до попадания его после отражения на измерительную грань или ее продолжение складывается из трех участков:

l₁ - длина пути от пьезоэлемента до установочной грани; l₂ - длина пути от установочной до первой отражающей грани; l₃ - длина пути от первой отражающей до измерительной грани или ее продолжения.

l=l₁+l₂+l₃; (3)

Как видно, например, из фиг.6:



Для определения l₂ из точки падения ультразвукового луча на установочную грань восстановим перпендикуляр на направление луча, отраженного от первой отражающей грани. Этот перпендикуляр параллелен излучающей грани и длина его, как видно из фиг.6, будет:

х=d/2+D/2; (5)

где х - длина перпендикуляра.

Рассмотрев треугольник, образованный этим перпендикуляром, ультразвуковым лучом, отраженным от установочной грани, и лучом, отраженным от первой отражающей грани, получим:



Подставив в это уравнение значение х из уравнения (5), получим:



Длина пути от первой отражающей грани до продолжения измерительной грани согласно фиг.6 определяется из следующих соотношений:



H₃=H₁-H₂; (9)



H₂=l₂cos; (11)







Тогда из (3, 4, 6, 14) получим:



Решив совместно уравнения (1 и 15), получим:





Используя эти выражения, определим длину и высоту звукопровода:

K=K₁+K₂; (18)



K₂=l₂sin; (20)

Из выражений (7, 18, 19, 20) получим:



Для уменьшения уровня реверберации ультразвуковая волна, отраженная от первой отражающей грани 4, должна полностью попасть в акустическую ловушку. При этом, чтобы отраженная от второй отражающей грани 6 ультразвуковая волна не попала на пьезоэлемент и излучающую грань 3, необходимо обеспечить падение ультразвуковой волны на вторую отражающую грань 6 за пересечением продолжения измерительной грани 3 и второй отражающей грани 6. Это условие обеспечивается тогда, когда расстояние от точки пересечения луча, распространяющегося вдоль акустической оси пьезоэлемента и продолжения измерительной грани 3, до второй отражающей грани 6 будет равно половине диаметра основного лепестка диаграммы направленности пьезоэлемента. Тогда, согласно фиг.6 высота звукопровода будет:



И с учетом выражения (16) получим:



Ширина звукопровода определяется из условия обеспечения низкого уровня реверберационных помех, создаваемых расходящимся в направлении ширины звукопровода ультразвуковым сигналом. Для обеспечения низкого уровня реверберационных помех ультразвуковой сигнал до попадания в акустическую ловушку, то есть до пересечения среднего луча диаграммы направленности с продолжением измерительной грани 3, не должен попадать на боковые грани звукопровода:

S2ltg; (24)



где - размер пьезоэлемента, расположенного вдоль ширины звукопровода.

Из уравнений (17, 24) получим:



Размер измерительной грани 3 должен обеспечить установку на ней пьезоэлемента 2, то есть ее размер должен быть равен или больше суммы расстояния от начала измерительной грани до середины пьезоэлемента и половины размера пьезоэлемента:



В то же время, как отмечено выше, основной лепесток диаграммы направленности пьезоэлемента после отражения от первой отражающей грани 5 не должен попадать на пьезоэлемент 2, а основная энергия, содержащаяся в нем, не должна попасть на измерительную грань 3, а должна пройти в акустическую ловушку, образованную второй 6 и третьей 7 отражающими гранями, где и поглотиться. При этом согласно фиг.6 должно выполняться условие:



где D₁ - диаметр ультразвукового пучка, проходящего в акустическую ловушку, в котором сосредоточена основная энергия ультразвукового сигнала.

D₁ = 21tg₁; (29)



где ₁ - угол конуса, в котором сосредоточена основная энергия ультразвукового сигнала;

m - коэффициент, определяющий уровень сигнала на границе ультразвукового пучка по отношению к уровню сигнала на луче, совпадающем с акустической осью пьезоэлемента.

Для 3, 6, 10, 20 дБ и уровней значения этого коэффициента соответственно будут 0,5, 0,7, 0,85, 1,08, 1,22 Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. Клюева В.В. M.: Машиностроение, т. 2, 1986 г. - 215 с.). Доля энергии, содержащаяся в пучках 3, 6, 10, 20 дБ и уровней по отношению ко всей энергии пучка, соответственно равна 55, 80,5, 94,1, 99,7 и 100%. Так как излучающая грань перекрывает по площади лишь часть пучка, то доля энергии, проходящей в акустическую ловушку при размере измерительной грани, обеспечивающей попадание на нее ультразвукового луча, ослабленного на 3, 6, 10, 20 дБ и , составляет соответственно 87, 95, 98,9, 99,97 и 100%, а доля энергии, отраженная от измерительной грани, соответственно равна 13, 5, 1,1, 0,03 и 0%. Величину коэффициента m выбирают из допустимой доли энергии, отражающейся от измерительной грани, и конструктивных соображений, связанных с размещением тыльной нагрузки, защитных и крепежных элементов. Исходя из изложенного и согласно уравнений (16, 27, 28, 29) получим:



Аналогично выводятся соотношения для определения основных размеров и для звукопроводов, изображенных на фиг.5 и 7. Так для звукопровода, изображенного на фиг.5, получим:









Для звукопровода, изображенного на фиг. 7, выражения для определения высоты и ширины звукопровода и размера измерительной грани такие же, как и для звукопровода, изображенного на фиг.6, и определяются уравнениями (23, 26 и 31), а длина звукопровода определяется из выражения:



При минимальном уровне реверберационных помех отраженный от первой отражающей грани 5 ультразвуковой сигнал не должен попадать на измерительную грань 3. При этом угол ₁ равен углу , который соответствует направлению с нулевым уровнем энергии.

Тогда:

tg₁ = tg; (37)

и из уравнений (31) и (34) получим:



откуда следует, что в этом случае:



Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1, 2, 3 изображены три частные формы заявляемого изобретения. На фиг.4 изображено расположение пьезопреобразователей на исследуемом объекте, например трубопроводе, и распространение основного ультразвукового сигнала. На фиг.5, 6, 7 изображено прохождение ультразвуковых сигналов в звукопроводе трех частных форм заявляемого пьезопреобразователя.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь (фиг.1-7) состоит из звукопровода 1 и пьезоэлемента 2. Звукопровод включает в себя измерительную грань 3, установочную грань 4, первую отражающую грань 5, вторую отражающую грань 6, третью отражающую грань 7. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, изображенный на фиг.2, 3, 6, 7, дополнительно имеет четвертую отражающую грань 8, а изображенный на фиг.3, 7, имеет пятую отражающую грань 9. Изображенные на фиг.1, 2, 3 ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи имеют две боковые грани 10. Изображенные на фиг.4 ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи нагружены на исследуемый объект, в качестве которого использован трубопровод. Стенки трубопровода обозначены цифрой 11.

На практике, например, при изготовлении звукопроводов из полиамида (v= 2450 м/с) с исходными размерами: =50^o; с=15 мм, h=10 мм, b=10 мм, с использованием пьезоэлемента диаметром d=10 мм с частотой f=1 МГц, при условии попадания на измерительную грань не более 0,03% энергии сигнала, распространяющегося в звукопроводе, в соответствии с формулами (21, 23, 26, 31, 32, 33, 34, 35, 36) звукопроводы имеют следующие размеры:

- звукопровод с тремя отражающими гранями (фиг.1, 5) - К=43,5 мм, Н=46,4 мм, S28,6 мм, 20 мм а 22,7 мм;

- звукопровод с четырьмя отражающими гранями (фиг.2, 6) - К=67,3 мм, Н= 80,3 мм, S54,2 мм, 20 мм а 24,7 мм;

- звукопровод с пятью отражающими гранями (фиг.3, 7) - К=77,3 мм, Н=80,3 мм, S54,2 мм, 20 мм а 24,7 мм.

Уровень реверберационных помех в таких звукопроводах составлял соответственно 35, 38 и 39 дБ.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

На исследуемый объект, например на трубопровод с движущимся потоком вещества, устанавливают два идентичных ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователя (фиг. 4), которые зондируют исследуемый поток ультразвуковыми импульсами со скоростью распространения с, направленными под углом относительно вектора скорости потока v. Зондирование производится по направлению и навстречу потоку. Ультразвуковой сигнал, излучаемый пьезоэлементом 2 первого преобразователя, через звукопровод 1 и стенку трубопровода 11 проходит в исследуемый поток. Время прохождения сигналом потока зависит от длины пути в потоке, в данном случае им является внутренний диаметр трубопровода, угла ввода ультразвука в поток 90^o-, скорости ультразвука в веществе потока с и скорости потока v. Ультразвуковой сигнал, пройдя поток, приобретает информацию о его скорости и, пройдя через противоположную стенку трубопровода 11, звукопровод второго преобразователя 1, принимается пьезоэлементом 2 второго преобразователя. Аналогично распространяются сигналы, излученные другим преобразователем. Пьезоэлементы преобразователей обратимы, то есть работают как в режиме излучения, так и в режиме приема ультразвуковых сигналов.

Время распространения сигнала по потоку t₁ согласно фиг.4 определяется из выражения:



где - диаметр потока.

Время распространения сигнала против потока t₂ согласно фиг.4 определяется из выражения:



Из выражений (40) и (41) по временам t₁ и t₂ определяется скорость потока v:



а затем и расход вещества Q:

Q=Sv; (43)

где S - площадь сечения потока.

При использовании ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя в дефектоскопии он устанавливается на исследуемый объект и зондирует его ультразвуковыми импульсами, работая сначала в режиме излучения, а затем приема. При приеме импульса, отраженного от дефекта, расположенного в изделии, по скорости распространения ультразвука в материале изделия, по углу ввода ультразвука в изделие и по разности времен между излученным и принятым сигналами определяют расстояние до дефекта и его место расположения в изделии.

Предложенный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь по сравнению с известными техническими решениями позволяет существенно снизить уровень реверберационных помех, уменьшить искажения полезного сигнала, а следовательно, повысить точность измерений.

Изготовлены экспериментальные образцы заявляемого ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя и проведены их испытания.