Ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь
ULTRASOUND SEPARATELY-COMBINED CONVERTER

Изобретение относится к области неразрушающего, а конкретно ультразвукового контроля материалов и изделий из металлов.
Широко известен раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус, и помещенные в него как минимум две звукопроводящих призмы из материала с относительно низким акустическим импедансом (ПНИ), и наклеенные на них пьезоэлементы (ПЭ). Сравнительно-низкий акустический импеданс призм (широко применяется, например, оргстекло) необходим для согласования призмы с контактной жидкостью и снижению негативного влияния зазора между преобразователем и объектом контроля (1; 2).
Поскольку материал пьезоэлемента, как правило, обладает достаточно высоким импедансом, по сравнению с материалом призмы, то преобразователи получаются достаточно узкополосными. То есть, фронтальная разрешающая способность дефектоскопической системы во многих случаях может оказаться не достаточной. Например, при ультразвуковом контроле листового проката можно пропустить расслоение, находящееся достаточно близко к противоположной поверхности.
Демпфирование позволяет частично решить проблему, и повысить разрешающую способность, однако при сильном демпфировании существенно снижается чувствительность преобразователя, поскольку большая часть излучаемой и принимаемой энергии упругих колебаний гасится демпфером.
Кроме того, сильное демпфирование является очень сложной и, порой, дорогостоящей технологической операцией.
Известно устройство для автоматизированного ультразвукового контроля листового проката и труб, принятое за прототип, с использованием ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя, на призму которого со стороны объекта контроля и/или со стороны пьезоэлемента, наклеиваются согласующие слои из материалов, с промежуточным значением акустических импедансов, которые могут, в определенной степени, повысить широкополосность преобразователя. Толщина слоев Тс обычно удовлетворяет условию Тс<L, где L в данном случае - длина ультразвуковой волны в материале слоя.
Устройство для автоматизированного ультразвукового контроля листового проката и труб, включает комплект генераторов зондирующих импульсов (ГЗИ), управляемых с помощью синхронизирующего устройства (СУ), комплект приемных устройств (ПУ) и как минимум одну группу раздельно-совмещенных ультразвуковых преобразователей (УП), размещенных в одном корпусе либо в разных корпусах, причем генераторные пьезоэлементы (ГП) всех УП соединены с соответствующими им генераторами зондирующих импульсов (ГЗИ), управляемых независимо с помощью синхронизирующего устройства, а приемные пьезоэлементы (ПП) соединены с соответствующими им приемными устройствами, причем в пределах одного ультразвукового преобразователя все ГП и оппозитные им ПП расположены на разных акустических призмах, разделенных между собой акустическим экраном (АЭ), в котором вся совокупность УП, входящая в состав устройства разбита на группы из двух и более УП, причем ГП, находящиеся внутри каждого УП, физически разделены на как минимум две электрически и акустически независимые зоны, параллельные друг другу и АЭ и расположенные на разном удалении от АЭ, причем зоны с одинаковыми номерами, находящиеся в разных УП, но на равном расстоянии от АЭ, образуют группы, соединенные электрически между собой, причем каждая такая группа соединена с общим соответствующим ей ГЗИ.
Конструкция раздельно-совмещенного классического преобразователя и пояснение принципа его действия.
1 - электрический разъем,
2 - проводники,
3 - излучающий пьезоэлемент,
4 - ПНИ - призма, имеющая сравнительно низкий акустический импеданс.
5 - короткий (непродолжительный по времени) электрический импульс,
6 - акустический импульс,
7 - ПНИ - призма, обладающая сравнительно низким акустическим импедансом,
8 - объект ультразвукового контроля,
9 - дефект,
10 - ПНИ-призма приемной части преобразователя,
11 - приемный пьезоэлемент,
12 - вырабатываемый пьезоэлементом электрический импульс,
13 - слой контактной жидкости,
14 - акустический/электрический экран. фиг. 3, [3].
Недостатком такого решения является принципиальные ограничения в возможности достижения требуемой широкополосности ультразвукового преобразователя и снижении неконтролируемых зон, особенно при наличии мешающих сигналов, например, отражений от противоположной поверхности объекта контроля. Кроме того, согласующий слой преобразователя со стороны объекта контроля может быть легко поврежден, а, следовательно, эффективность согласования может со временем ухудшаться. Еще одним недостатком таких преобразователей является технологическая сложность их изготовления и обусловленные этим сравнительно высокие трудозатраты, а следовательно - их высокая стоимость.
Целью изобретения является повышение широкополосности раздельно-совмещенных ультразвуковых преобразователей, увеличение его разрешающей способности, уменьшения неконтролируемых зон, повышение стабильности их эксплуатационных характеристик, долговечности, упрощения конструкции и снижение стоимости.
Указанная цель достигается тем, что ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь, содержащий корпус, и помещенные в него как минимум две звукопроводящих призмы (ПНИ) из материала с относительно низким акустическим импедансом (ПНИ), причем, ПНИ и приемный пьезоэлемент отделены от ПНИ и излучающего пьезоэлемента электрическим и/или акустическим экраном, содержит как минимум одну дополнительную звукопроводящую призму (ПВИ), обладающую более высоким акустическим импедансом, чем ПНИ, и размещенную либо между ПНИ и приемным пьезоэлементом, либо между ПНИ и излучающим пьезоэлементом, либо и то, и другое, причем толщина Т как ПВИ, так и ПНИ удовлетворяет условию: Т>(2…3)L, где L - длина ультразвуковой волны соответственно в материале ПВИ и ПНИ, причем граница ПНИ и ПВИ содержит как минимум один слой материала, обеспечивающий прохождение акустической энергии через границу ПНИ-ПВИ.
Указанная цель достигается так же тем, что ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь дополнительно содержит как минимум один согласующий слой, и как минимум два тонких клеевых слоя расположенные между ПНИ и ПВИ, и служащие для увеличения акустической прозрачности границы между ПНИ и ПВИ.
Достижению цели способствует так же то, что в качестве излучающих и/или приемных пьезоэлементов использованы линейные и/или фазированные решетки.
Конструкция ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя и пояснение принципа его действия, фиг. 1.
1 - электрический разъем, 2 - проводники, 3 - излучающий пьезоэлемент, 4 - ПВИ - призма, имеющая импеданс, близкий к импедансу излучающего пьезоэлемента 3, 5 - короткий (непродолжительный по времени) электрический импульс, 6 - акустический импульс, 7 - ПНИ - призма, обладающая сравнительно низким акустическим импедансом, 8 - объект ультразвукового контроля, 9 - дефект, 10 - ПНИ-призма приемной части преобразователя, 11 - ПВИ-призма приемной части преобразователя, 12 - приемный пьезоэлемент, 13 - вырабатываемый пьезоэлементом электрический импульс, 14 - слой контактной жидкости, 15 -акустический/электрический экран, 16 и 17 - согласующие слои.
Устройство работает следующим образом. Через электрический разъем 1, посредством проводника 2, на излучающий пьезоэлемент 3 (ИП), акустически нагруженный на призму 4, имеющую импеданс, близкий к импедансу излучающего пьезоэлемента 3, подается короткий (непродолжительный по времени) электрический импульс 5, трансформируемый ИП 3 в акустический импульс 6. Ввиду близости акустических импедансов материалов ИП 3 и призмы 4, длительность акустического импульса 6 будет невелика, в значительной степени соизмеримой с длительностью электрического импульса 5. Далее акустический импульс 6 через систему клеевой слой-согласующий слой 16 - клеевой слой (клеевые слои на рисунке не показаны) проходит в призму 7, обладающую более низким акустическим импедансом, чем призма 4, частично отразившись от границы между призмами 4 и 7, но не исказившись с точки зрения длительности.
Далее импульс 6 проходит в изделие 8, отражается от дефекта 9, и входит в призму 10 приемной части преобразователя, проходит через клеевые слои (на рисунке не показаны) и согласующий слой 17 в призму 11, через которую попадает на приемный пьезоэлемент 12, вырабатывающий электрический импульс 13, который, с точки зрения длительности, как правило, существенно не отличается от импульса 5. Этому способствует так же близость акустических импедансов материалов призмы 11 и пьезоэлемента 12.
Прохождение акустических сигналов 6 из призмы 7 в объект контроля 8 и далее, после отражения от дефекта 9 в призму 10 осуществляется посредством контактной жидкости 14.
Экран 15 служит для акустической изоляции призм 6 и 7 излучающей части преобразователя от призм 10 и 11 его приемной части. Корпус 16 обеспечивает целостность и прочность конструкции ультразвукового преобразователя.
Для того, чтобы получить максимально возможную широкополосность ультразвукового преобразователя, ПВИ-призмы 4 и 11 могут быть выполнены, например, из бронзы, или титана, или алюминия, которые очень хорошо согласуются с пьезо-керамикой и могут, кроме этого, выполнять роль электрического экрана, как элемента зашиты от электромагнитных помех. Призма может быть выполнена и из керамики, или даже пьезо-керамики, и иметь, тем самым, максимальные демпфирующие свойства. В самом деле: ПВИ может рассматриваться как элемент, сочетающий в себе функции демпфера и звукопровода. Это своеобразный активный звукопроводящий демпфер.
Согласующие слои 16 и 17 повышают к.п.д. преобразователя, и несколько улучшают его реверберационно-шумовую характеристику, но не являются принципиально-обязательными элементами. В этом случае, контакт между ПНИ и ПВИ осуществляется, например, через тонкий слой клея. Таким образом, призмы 4 и 7 могут быть просто соединены друг с другом посредством, например, клеевого контакта. То же самое справедливо для пары призм 10 и 11 на приемной стороне преобразователя.
В качестве пьезоэлемента 4 может быть использована так же совокупность элементов, образующих решетку и/или фазированную решетку, позволяющую изменять направление излучения и/или фокус.
В качестве пьезоэлемента 12 может быть использована так же совокупность элементов, образующих линейную решетку и/или фазированную решетку, или даже совокупность фазированных решеток, позволяющую изменять направление приема и/или фокус.
Высота ПНИ должна составлять как минимум 2…3 длины волны, чтобы исключить эффекты слоев, когда падающие и отраженные волны конкурируют. По этой же причине, а так же для улучшения реверберационно-шумовой характеристики преобразователя, материал ПНИ должен обеспечивать достаточно высокий уровень затухания.
Были изготовлены раздельно-совмещенные преобразователи Раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь (см фиг. 2). Материал ПНИ - TORLON. Материал ПВИ - алюминий. Преобразователь не демпфирован. Акустической нагрузкой пьезоэлементов являются ПВИ.
В каждом из них ПНИ на излучающей и на приемной части были выполнены из материала TORLON, высота призм 3 мм а ПВИ - из алюминия, высотой 10 мм. В качестве излучающих пьезоэлементов использовалась композитная керамика на частоту 4 МГц, электроды которой образовали восьмиэлементную фазированную решетку. В качестве приемного пьезоэлемента использовалась композитная керамика на частоту 5 МГц, образующая восьмиэлементную линейную решетку. Резонансные частоты излучающей и приемной части несколько отличались друг от друга для еще большего увеличения широкополосности ультразвукового преобразователя. Согласующие слои между ПВИ и ПНИ были выполнены из стекла, имеющего промежуточное значение акустического импеданса (между алюминием и материалом TORLON). Все соединения в группах ПНИ-согласующий слой-ПВИ как на излучающей, так и на приемной стороне были выполнены с помощью эпоксидного клея.
На фото (фиг. 4) показаны изображения сигналов, принятые на бездефектном (а) участке стального листа, и на участке с искусственным дефектом, находящемся на расстоянии 2,8 мм от донной поверхности. 1 - сигнал, отраженный от донной поверхности; 2 - сигнал от дефекта.
Как видно на фото, несмотря на то, что преобразователь дополнительно не демпфирован (акустической нагрузкой пьезоэлементов являются ПВИ), сигнал от дефекта отлично разрешается от «донного» сигнала. Длительность сигналов по уровню 6 дБ с оставляет величину порядка 0.5 микросекунд. Таким образом, наличие демпфера не является обязательным для преобразователя, являющегося объектом предполагаемого изобретения.
Вообще, при почти идеальном согласовании акустических импедансов ПВИ и пьезоэлементов, что может быть достигнуто путем изготовления ПВИ из керамики, например, композитной, сочетаемом с применением соответствующего материала пьезоэлементов, можно добиться чрезвычайной широкополосности устройства. Дополнительным достоинством предложенного решения является высокий к.п.д. устройства. Это обусловлено тем обстоятельством, что в полезном эффекте участвует практически вся колебательная энергия излучающего пьезоэлемента, поскольку демпфер и звукопровод в данном случае обозначают, по сути, один и тот же элемент.
Как один из возможных материалов для изготовления ПНИ, TORLON обеспечивает отличное согласование с водой, поэтому чувствительность к зазору у данного преобразователя как минимум не больше, чем у традиционных раздельно-совмещенных преобразователей, призмы которых выполнены из оргстекла. При этом разрешающая способность заявляемого преобразователя существенно превосходит аналогичный параметр для преобразователя с призмами из оргстекла.
Заявляемые преобразователи были использованы в установке для автоматического контроля листового проката, успешно внедренной на одном из заводов в США (см. фото на фиг. 5).
Источники информации
1. И.Н. Ермолов.
Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. Стр. 226.
2. С.И. Коновалов. А.Г Кузьменко.
Особенности импульсных режимов работы электроакустических пьезоэлектрических преобразователей. Стр 23-94.
3. Патент РФ 172818.