ультразвуковой низкочастотный композиционный преобразователь с переключением типа волн

Формула изобретения

1. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь с переключением типа волн, содержащий пьезоэлемент, коммутатор, герметичный корпус с демпфирующей жидкостью и протектором в виде конуса или пирамиды, основание которых является одной из стенок корпуса, причем вершина конуса или пирамиды контактирует с объектом контроля, а высота протектора много меньше длины акустической волны, распространяющейся в его материале, отличающийся тем, что пьезоэлемент закреплен внутри корпуса на протекторе, непосредственно сопряжен с основанием проектора и состоит из двух электрически изолированных друг от друга частей, монолитно соединенных между собой граничащими поверхностями, ориентированными перпендикулярно основанию проектора, коммутатор обеспечивает синфазное или противофазное включение частей пьезоэлемента, причем при противофазном включении частей пьезоэлемент совершает изгибные колебания, вход коммутатора является входом преобразователя, а выходы коммутатора подключены к соответствующим выводам частей пьезоэлемента.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что вершина протектора, контактирующая с объектом контроля, выполнена из материала повышенной твердости.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что вершина протектора, контактирующая с объектом контроля, выполнена из эластичного материала, при этом протектор совершает колебания как жесткое тело и позволяет излучать и принимать поперечные ультразвуковые волны через сухой акустический контакт.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при дефектоскопии, структуроскопии и толщинометрии, в частности, при исследовании крупноструктурных и неоднородных материалов, таких как бетоны, пластики и горные породы на частотах от 20 до 200 кГц.

Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус с протектором в виде усеченного конуса, пьезоэлемент и демпфер, размещенный в корпусе [1].

Однако данный преобразователь создает в исследуемом материале только продольную волну и может использоваться только в области высоких частот, что существенно ограничивает сферу его применения. Кроме того, для установки преобразователя на контролируемое изделие необходим клей или смачивающая жидкость.

Известен раздельно-совмещенный преобразователь, в корпусе которого установлены под углом 45^o излучатель поперечной волны и приемный элемент [2].

Этот преобразователь также имеет ограниченную область применения, так как может работать только в высокочастотной области и требует значительных усилий для обеспечения хорошего акустического контакта даже с гладкой поверхностью.

Известен пьезоэлектрический преобразователь, содержащий биморфную пьезопластину с мембраной [3]. Но этот преобразователь может работать только на частотах менее 5-10 кГц, а не в области ультразвуковых колебаний.

Известен также ультразвуковой низкочастотный преобразователь [4], который может использоваться в низкочастотной области ультразвукового диапазона благодаря наличию жидкого демпфера с высоким затуханием ультразвука (около 3000 дБ/м) на низких частотах. Однако его функциональные возможности и сфера использования также ограничены из-за того, что он может излучать и принимать только продольную акустическую волну, в то время как для многих применений в низкочастотной области, наряду с продольной, необходима поперечная волна. Кроме того, и этот преобразователь требует применения контактных жидкостей.

Наиболее близким к предложенному является ультразвуковой низкочастотный преобразователь, описанный в патенте РФ 2082163, C1 G 01 N 29/24 от 20.06.97 [4] , содержащий герметичный корпус с протектором, заполненный демпфирующей жидкостью, в котором размещены два пьезоэлемента. Каждый из пьезоэлементов совершает колебания растяжения-сжатия. Источниками колебаний для внешней среды являются торцы пьезоэлементов, которыми они закреплены на протекторе.

Недостатком известного изобретения является технологическая сложность преобразователя и относительно большие размеры протектора в плане, которые трудно согласовать с требованием малых волновых размеров его высоты.

Указанный недостаток устранен в заявленном устройстве, которое содержит композиционный пьезоэлемент, закрепленный внутри корпуса на протекторе, непосредственно сопряженный с основанием протектора и состоящий из двух электрически изолированных друг от друга частей, монолитно соединенных между собой граничащими поверхностями, ориентированными перпендикулярно протектору. Благодаря такому расположению частей пьезоэлемента размеры его могут быть выбраны только исходя из заданной рабочей частоты и быть малыми в сравнении с длиной волны. Благодаря такой конструкции композиционный пьезоэлемент заявленного преобразователя в режиме излучения и приема поперечных волн совершает изгибные колебания. Это является принципиальным отличием функционирования заявленной конструкции от функционирования ближайшего аналога [5]. Изгибные колебания пьезоэлемента лучше демпфируются жидким демпфером, то есть собственные колебания пьезоэлемента быстрее затухают после воздействия на пьезоэлемент импульса электрического возбуждения или пришедшего акустического сигнала. Лучшее демпфирование снижает уровень собственного реверберационного шума преобразователя и обеспечивает более широкую полосу его рабочих частот. Кроме того, технологически преобразователь с таким композиционным пьезоэлементом выполнить проще, чем преобразователь с двумя отдельными пьезоэлементами.

При этом высоту протектора выбирают из соотношения

h</10,

где h - высота протектора; - длина акустической волны в материале протектора.

Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является расширение функциональных возможностей и области применения преобразователя за счет излучения и приема поперечных ультразвуковых волн и работы в режимах продольных или поперечных волн по выбору. Причем это достигается при относительной технологической простоте изготовления преобразователя. Поочередная работа преобразователя на продольных и поперечных ультразвуковых волнах и последующая совместная обработка принятых сигналов обоих типов волн по специальным алгоритмам позволяет добиться улучшения характеристик измерительной и дефектоскопической аппаратуры, а также в некоторых случаях достичь принципиально новых качественных показателей приборов.

Преобразователь в режиме излучения и приема поперечных волн имеет более широкую полосу рабочих частот и поэтому меньше искажает преобразуемые сигналы. У него меньший уровень собственного реверберационного шума, вследствие лучшего демпфирования колебаний изгиба пьезоэлемента, по сравнению с колебаниями растяжения-сжатия. Эти свойства также являются положительными результатами заявленного изобретения.

На фиг.1 изображена функциональная схема ультразвукового низкочастотного композиционного преобразователя с переключением типа волн, который содержит корпус 1, демпфирующую жидкость 2, герметичную крышку 3, первую и вторую составляющие части пьезоэлемента 4, 5, протектор 6, выполненный в виде конуса или пирамиды, и коммутатор 7 частей пьезоэлемента.

Выводы электрически изолированных друг от друга частей пьезоэлемента 4, 5 соединены с выходами коммутатора 7, который позволяет подключать их к выводам 8 преобразователя, соединяя их между собой как синфазно, так и противофазно для излучения продольных и поперечных ультразвуковых волн соответственно, а также для приема этих типов волн.

Вершина протектора, выполненного в виде конуса или пирамиды, имеет наконечник из материала, более твердого, чем материал остальной части протектора, или из эластичного материала. То есть проектор является составным. При этом необходимо подбирать материал наконечника с возможно более высокой скоростью ультразвука и способ крепления наконечника так, чтобы не увеличивать чрезмерно волновые размеры проектора. Его общая высота не должна превышать одну десятую от длины волны. Способ крепления не должен также препятствовать передаче сдвиговых напряжений от основной части проектора к его наконечнику и обратно, так как преобразователь кроме нормальной к поверхности контролируемого изделия силы должен создавать и касательную силу. Кроме того, общая масса составного проектора должна быть как можно меньше, так как она может заметно снизить рабочую частоту преобразователя и сузить ширину его полосы пропускания.

При использовании наконечника из эластичного материала дополнительно нужно соблюсти три условия. Первое: размеры пятна контакта должны оставаться много меньшими (более чем на порядок) длины волны ультразвука в материале изделия. Тогда акустический контакт можно считать точечным. Второе: толщина эластичного материала наконечника и скорость ультразвука в нем должны быть таковы, чтобы общая высота проектора была на порядок меньше длины волны. Третье ограничение: эластичный материал должен обладать сдвиговой упругостью, иначе коэффициент передачи поперечных колебаний от преобразователя в контролируемый материал и обратно будет очень мал. То есть преобразователь не будет выполнять роли излучателя и приемника поперечных волн.

Преобразователь работает следующим образом.

После установки преобразователя вершиной протектора 6 на исследуемую поверхность изделия к выводам 8 преобразователя подводят возбуждающее напряжение или в случае приема ультразвуковых колебаний снимают с этих выводов принятый сигнал. Поскольку части пьезоэлемента электрически изолированы друг от друга и имеют независимые выводы, то благодаря коммутатору их можно соединять друг с другом как синфазно, так и противофазно.

При синфазном включении частей пьезоэлемента 4, 5 они колеблются синфазно, то есть обе одновременно растягиваются или сжимаются и в результате весь композиционный пьезоэлемент также растягивается или сжимается, совершая продольные колебания. Поэтому вершина протектора 6, контактирующая с изделием, совершает колебания вдоль продольной оси преобразователя, излучая продольные волны по нормали к поверхности изделия. Во время приема продольные колебания вершины протектора 6 передаются на обе части пьезоэлемента 4, 5 в фазе, поэтому на их выводах возникают синфазные сигналы. Поскольку части пьезоэлемента 4, 5 включены синфазно, эти сигналы складываются, образуя выходной сигнал преобразователя, являющийся результатом приема продольных волн.

При противофазном соединении частей пьезоэлемента 4, 5 в режиме излучения эти части пьезоэлемента колеблются противофазно, то есть когда одна из них сжимается, то другая растягивается. Поскольку части пьезоэлемента 4, 5 своими боковыми поверхностями соединены монолитно, то весь композиционный пьезоэлемент изгибается, то есть совершает изгибные колебания. Вследствие этого нижний по чертежу конец пьезоэлемента колеблется в направлении, перпендикулярном продольной оси преобразователя. Вместе с ним такие же поперечные колебания совершает и основание протектора 6, непосредственно сопряженное с композиционными пьезоэлементами 4, 5. Таким образом происходит излучение поперечных ультразвуковых волн по нормали к поверхности изделия.

В режиме приема, наоборот, поперечные колебания вершины протектора 6 передаются на нижний по чертежу конец композиционного пьезоэлемента, заставляя его изгибаться. В результате эти изгибные колебания пьезоэлемента преобразуются в противофазные колебания его частей 4, 5, электрические сигналы с которых также противофазны. Поскольку части пьезоэлемента 4, 5 коммутатором 7 соединены противофазно, сигналы с них суммируются и на выводах 8 преобразователя образуется принятый сигнал поперечной волны.

Пьезоэлемент закреплен на протекторе одним своим концом, другой же конец не связан ни с какими элементами преобразователя, кроме демпфирующей жидкости. При колебаниях пьезоэлемента (растяжения-сжатия или изгибных) закрепленный конец пьезоэлемента перемещает основание проектора по отношению к телу пьезоэмента вследствие инерционных свойств тела, которые ярко проявляются на ультразвуковых частотах. То есть тело пьезоэлемента является как бы опорой.

Соблюдение соотношения между высотой h протектора и длиной ультразвуковой волны обеспечивает малое волновое расстояние между нижним по чертежу концом композиционного пьезоэлемента и вершиной протектора, то есть точкой акустического контакта протектора с контролируемым изделием. В результате протектор совершает колебания как жесткое тело. Это наряду с описанным соединением частей пьезоэлементов 4, 5 позволяет излучать и принимать поперечные ультразвуковые волны.

В результате излучения в объект контроля и последующего приема из него ультразвуковых сигналов продольных и поперечных волн, осуществляемых с помощью данного преобразователя, возможны измерения скоростей распространения этих типов волн в материалах, обнаружение трещин и других дефектов в материалах, а также получение изображений внутренней структуры материала объекта контроля.

Таким образом, предлагаемый преобразователь может выступать в роли преобразователя продольных или поперечных ультразвуковых волн по выбору в зависимости от состояния коммутатора. Кроме того, преобразователь не требует применения контактных жидкостей и подготовки поверхности изделия для контроля. Передача акустической энергии от преобразователя к изделию и обратно происходит через сухой контакт острого протектора в точке с поверхностью изделия.

Наконечник из более твердого материала, чем материал протектора, необходим для того, чтобы повысить износостойкость протектора преобразователя, так как он при работе контактирует с абразивными материалами, например с бетоном.

Наконечник из эластичного материала, прикрепленного к протектору, может использоваться при контроле преобразователем неабразивных материалов, например пластиков. Благодаря тому, что при прижиме преобразователя к поверхности контролируемого изделия наконечник деформируется и эластичный материал облегает неровности поверхности, площадь акустического контакта протектора с изделием оказывается существенно больше, чем при контакте протектора из твердого материала с поверхностью изделия. Поэтому акустическая связь преобразователя с изделием в этом случае оказывается более сильной и энергия колебаний через акустический контакт передается более эффективно.

Заявленный преобразователь может быть широко применен для дефектоскопии и толщинометрии крупноструктурных материалов и материалов с большим затуханием ультразвука, а также для оценки их физико-механических свойств, прочности, трещиноватости.

Кроме того, преобразователь может использоваться для контроля изделий из металлов с сильно шероховатой поверхностью, например отливок или поковок, для поиска внутренних дефектов. Для этого из таких преобразователей нужно составить матричную антенную решетку и, используя специальные алгоритмы обработки сигналов, получать томографические изображения внутренней структуры отливок или поковок.

Поскольку преобразователь чаще используют на поперечных волнах, то его более широкая полоса рабочих частот и меньший уровень собственного шума, по сравнению с ближайшим аналогом, расширяют область применения преобразователя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Заявка ФРГ 3200762, G 01 N 29/00, 1982.

2. Европейский патент ЕПВ 0057432, G 01 N 29/00, 1982.

3. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Гав. ред. И.П. Голямина. - М.: "Советская энциклопедия", 1979. - 400 с. (283 с.).

4. В.Г. Шевалдыкин, Н.Н. Яковлев и др. Новые ультразвуковые низкочастотные пьезопреобразователи. - Дефектоскопия, 6, 1990, с. 44 - 50.

5. Патент 2082163. - Б.И. 1997, 17.