УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к ультразвуковому неразрушающему контролю материалов и изделий и может быть, в частности, использована в прокатном и трубном производстве при дефектоскопии стального проката и труб.
Известна решетка ультразвукового преобразователя, которая выполнена из множества пьезоэлементов, полностью изолированных друг от друга и имеющих одинаковые размеры, основание выполнено в виде односторонней или двухсторонней призмы из органического стекла, поверхности призмы выполнены в виде ступенек, каждый пьезоэлемент наклеен на ступеньку параллельно другой с частичным перекрытием, нерабочие части пьезоэлементов деполяризованы, при этом решетка ультразвукового преобразователя залита компаундом, а установочные и габаритные размеры пьезоэлементов удовлетворяют соотношениям: a=1,2b-100b, где а - длина пьезоэлемента; b - толщина пьезоэлемента; d>(1-10)·p, d - расстояние между осями рабочих частей пьезоэлементов, р - длина рабочей части пьезоэлемента, причем d=0,2-10 мм. [1].
К недостатку известной решетки ультразвукового преобразователя относится сложность конструкции и значительные трудозатраты на ее изготовление.
Известен монолитный корпус решетки преобразователя и технология его изготовления, состоящий из стенки основания с двумя боковыми поверхностями, изготовленные из неметаллического материала, в котором имеется нижний слой для выравнивания акустического сопротивления, изготовленный из электропроводного материала, электрическое сопротивление которого меньше акустического сопротивления пьезокерамики. Преобразователь содержит блок преобразователя с множеством элементов, изготовленных из пьезоэлектрической керамики, защитный слой изготовлен из акустического виброизоляционного материала. Блок преобразователя помещен внутрь корпуса решетки так, чтобы он касался со стенкой преобразователя. [2].
К недостатку решетки следует отнести большое количество деталей преобразователя, высокая стоимость и сложность изготовления решетки.
Известна ультразвуковая решетка преобразователя, в которой расстояния между элементами решетки увеличиваются в направлении строк и в направлении столбцов от центра симметрии наружу [3].
К недостатку решетки следует отнести постепенное ухудшение лучевых характеристик решетки преобразователя, так как плотность излучения и сила отраженного от дефекта сигнала постепенно убывают от центра к периферии и неодинаковы по периметру преобразователя.
Целью полезной модели является усовершенствование конструкции ультразвукового преобразователя для повышения его эффективности и получения высоких направленных свойств за счет согласования формы ультразвуковой решетки преобразователя с геометрической формой призмы.
Указанная цель достигается тем, что в ультразвуковом преобразователе, содержащем корпус, электрический кабель с разъемом, призму, выполненную, например, из органического стекла, смонтированный на ней набор акустически изолированных друг от друга пьезоэлектрических элементов, металлический корпус имеет цилиндрическую форму с внешним диаметром 10-60 мм, согласованную с ним крышку с отверстием для выхода электрического кабеля, акустический экран, расположенный между корпусом ультразвукового преобразователя и призмой, а набор пьезоэлектрических элементов сформирован на цельной пластине из пьезоэлектрического материала с низким значением взаимной акустической связи между соседними областями в направлении плоскости пластины, причем пластина имеет металлическое покрытие на обеих ее сторонах, металлическое покрытие на одной из сторон пластины представляет собой, как правило, единственный, электрически цельный элемент, выполняющий функцию общего электрода, металлическое покрытие на другой стороне пластины образует параллельные, электрически изолированные друг от друга элементы, длина которых приблизительно равна размеру пластины в месте расположения элемента, а ширина удовлетворяет условию:
10 мм≥b≥0,2 мм,
причем количество элементов N, сформированных на пластине удовлетворяет условию:
N=2……64,
причем элементы имеют, в общем случае, непрямоугольную форму и неодинаковую среднюю длину, максимальную в центральных частях пластины и минимальную на ее периферии, при этом каждый элемент с помощью электрического кабеля, электрически независимо, соединен с соответствующим контактом разъема, а свободное пространство между корпусом и призмой, а также под крышкой заполнено диэлектрическим компаундом, обеспечивающим демпфирование пьезоэлектрической пластины и/или фиксацию и защиту деталей и элементов ультразвукового преобразователя. Кроме того, в ультразвуковом преобразователе произведение ширины b каждого элемента на его длину L является одинаковым для всех элементов, сформированных на пластине.
При N≥2 ультразвуковой преобразователь (далее УП) может работать как пьезоэлектрическая фазированная решетка, то есть принимать и излучать ультразвук под различными углами, если эти режимы поддерживает подключаемая к разъему электроника.
Элементы (полоски) имеют, в общем случае, неодинаковую длину, максимальную в центральных частях пластины и минимальную на периферии, что играет ключевую роль. Неодинаковость длин элементов позволяет лучше согласовать форму пластины с цилиндрической формой призмы и минимизировать диаметр корпуса УП (что бывает важно для некоторых практических целей). Формы пластины, приведенные на фиг.1, отличающиеся от идеально прямоугольных, позволяют разместить пьезоэлектрическую фазированную решетку на призме достаточно близко к основанию, и обеспечить тем самым широкий диапазон углов, в которых УП может возбуждать и принимать упругие колебания. Практически, этот диапазон сверху ограничен габаритами призмы: при некотором угле ультразвуковой луч начинает «упираться» в ее боковую (цилиндрическую) поверхность. Поэтому, особенно в случае небольших диаметров корпуса УП, ограничивающего и диаметр призмы, выгодно опускать пластину на призме как можно ниже. Причем, достаточно длинные полоски в центральной части пластины обеспечивают общую эффективность УП и его высокие направленные свойства. Собственно, предлагаемые формы пластины (находящиеся в условном диапазоне между прямоугольником и кругом) являются компромиссными и оптимальными с точки зрения противоречивых требований, предъявляемых применением технологии двумерной фазированной решетки и цилиндрической формой корпуса УП. Поэтому, в верхней (по отношению к рабочей поверхности призмы) части пластины имеет смысл так же делать скругление, поскольку это обеспечивает лучшее согласование формы формирующегося ультразвукового пучка с цилиндрической формой призмы.
Для того чтобы согласование с электроникой было одинаковым для всех каналов, дополнительное условие может быть применено: S1=S2=S3=…SN, где S1…SN - площади элементов (полосок). То есть, более длинные элементы являются в то же время более узкими. Это условие может быть сформулировано и таким образом: L×b=const, где L - длина элемента, b - его ширина.
Цилиндрическая форма корпуса УП позволяет эффективно использовать его в составе систем автоматического ультразвукового контроля (например, сварных швов), где требуется юстировка ультразвукового луча по направлению. Цилиндр обеспечивает возможность вращения УП и его фиксации в специальных держателях.
Прямоугольная форма пластины обеспечивает одинаковые условия для электрического согласования элементов с электронными каналами и так же возможна, если условия задачи позволяют применить УП в цилиндрическом корпусе, диаметр которого достаточно большой (начиная примерно от 16-18 мм).
Условие (1) формулы справедливо и имеет смысл, если рабочая частота УП находится в «дефектоскопическом» диапазоне, то есть 0,5-10 МГц.
Условие (2) позволяет перекрыть значительный диапазон задач практической дефектоскопии и реализовать УП с различными степенями «управляемости» диаграммы направленности: от «Неуправляемой» при N=1 до «Управляемой в высокой степени» при N=32.
Рисунки.
Фиг.1 и Фиг.2 - Типичные формы пьезоэлектрических пластин, обеспечивающих условие неодинаковости длин, но одинаковости площадей элементов.
Фиг.3 - УП в сборе, поперечный разрез.
Фиг.4 - Вид А, на фиг.3 - пьезоэлектрическая пластина, например, с 8 элементами, вид сверху.
Фиг.5 - Вид Б, на фиг.3 - призма УП, вид спереди.
Фиг.6 - Вид В на фиг.5, призма УП, вид сбоку.
Фиг.7 - Вид Г на фиг.5, призма УП, вид сверху.
Конструкция УП (фиг.1 - фиг.7)
УП содержит корпус 1 цилиндрической формы, крышку 2, призму 3, изготовленную, например, из органического стекла, пьезоэлектрическую пластину 4 длиной L и шириной b, приклеенную к призме 3 и имеющей металлическое покрытие на обеих ее сторонах, причем металлическое покрытие на одной из сторон пластины представляет собой, как правило, единственный, электрически цельный элемент 5, выполняющий функцию общего электрода, а металлическое покрытие на другой стороне пьезоэлектрической пластины 4 образует параллельные, электрически изолированные друг от друга элементы 6, длина которых приблизительно равна размеру пьезоэлектрической пластины 4 в месте расположения элемента, а ширина удовлетворяет условию:
причем количество элементов N, сформированных на пластине удовлетворяет условию:
причем элементы 6 имеют, в общем случае, непрямоугольную форму и неодинаковую среднюю длину, максимальную в центральных частях пьезоэлектрической пластины 4 и минимальную на ее периферии, при этом каждый элемент 6 с помощью электрического кабеля 7, электрически независимо, соединен с соответствующим контактом разъема (условно не показан), акустический экран 8, а свободное пространство между корпусом 1 и призмой 3, а также под крышкой 2 заполнено диэлектрическим компаундом 9, обеспечивающим демпфирование пьезоэлектрической пластины 4 и/или фиксацию и защиту деталей и элементов 6 ультразвукового преобразователя. Кроме того, произведение ширины b каждого элемента 6 на его длину L является одинаковым для всех элементов, сформированных на пьезоэлектрической пластине 4.
Источники информации
1. Патент РФ №2284615
2. Патент США №5,541,468
3. Патент США №5,488,956