УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Уровень техники
Акусто-эмиссионные датчики (ультразвуковые пьезопреобразователи) предназначены для обеспечения эффективного комплексного неразрушающего контроля объектов и оборудования, (топливно-энергетический комплекс, химическая и обрабатывающая промышленность, атомная энергетика и т.д.).
На волне общего развития микроэлектроники, наблюдается повышенный спрос на первичные преобразователи (датчики) акустических и вибрационных сигналов в электрические, транслируемые в «интеллектуальную» часть регистрирующей и анализирующей аппаратуры систем акусто-эмиссионной (АЭ) диагностики.
Наиболее широкий спектр имеющихся на рынке акусто-эмиссионных датчиков занимают пьезокерамические резонансные преобразователи, отличающиеся друг от друга собственными частотами, чувствительностью и размерами.
Известен патент №2150109 от 25.03.1998 г. «Ультразвуковой преобразователь», опубликованный в БИ №15 2000 г., патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «РИСОН». Вышеуказанный ультразвуковой преобразователь содержит корпус с закрепленной на одном из его торцов
пьезопластиной с прилегающим к ней демпфером. Демпфер выполнен из двух акустически связанных частей. Часть, прилегающая к пьезопластине, выполнена из эпоксидоподобного материала с наполнителем из порошка тяжелого металла или его окисла, а другая часть демпфера выполнена из резиноподобного материала с наполнителем из порошка тяжелого металла или его окисла с соблюдением условия согласования импедансов двух частей вблизи границы их раздела. Это устройство является наиболее близким по технической сущности к разработанному датчику и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются низкая надежность, обусловленная необходимостью использования клеевых соединений.
Решаемой технической задачей является упрощение конструкции, повышение надежности и снижение резонансных свойств.
Технический результат заключается в расширении амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ультразвукового пьезопреобразователя.
Технический результат достигается тем, что ультразвуковой пьезопреобразователь состоит из корпуса, на внутренней торцовой поверхности которого расположен пьезоэлемент с прилегающим к нему демпфером, новым является то, что демпфер выполнен из металлорезины и установлен с возможностью поджатия к пьезоэлементу.
Металлорезина относится к волокновым материалам. Лабиринтоподобная структура пористых материалов из волокон способствует хорошему звуко- и вибропоглощению, особенно при высоких значениях пористости /1/. Испытания материала, изготовленного из волокон нержавеющей стали, показали, что по своей демпфирующей способности он может успешно конкурировать с несвязанным стекловолокном. Так, при комнатной температуре в области частот до 1000 Гц коэффициент абсорбции звука для материала из волокон нержавеющей стали примерно на 8-10% больше, чем для стекловолокна.
При более высоких частотах эти материалы имеют равные эксплуатационные свойства и обеспечивают поглощение более 90% звуковой энергии.
Механические вибрации также хорошо поглощаются волокновыми материалами. Например, материал из волокон нержавеющей стали пористостью 76-80% имел в 2-6 раз более высокую демпфирующую способность, чем алюминий при равном с ним отношении массы к площади.
Благодаря высоким антивибрационным и звукопоглощающим свойствам волокновые материалы используются для прокладок при монтировании точных приборов и электронной аппаратуры, станков и турбин.
Следует отметить, что благодаря большому числу металлических контактов, образующихся в пористом волокновом теле уже после прессования до спекания, спрессованные материалы из волокон имеют сравнительно высокую электропроводность, которая в зависимости от диаметра волокон и пористости может достичь 50% от теоретически возможной.
Использование волокновых материалов (металлорезины) в ультразвуковых преобразователях в качестве демпфера, упругого элемента и электрода позволяет снизить резонансные свойства датчика, упростить конструкцию, повысить его надежность.
В заявляемом ультразвуковом преобразователе пьезоэлемент не закрепляется к торцевой поверхности корпуса (как правило с помощью клеевого соединения), а механически поджимается к ней через электропроводящий упругий демпфирующий элемент - слой волокнового материала - металлорезины.
На Фиг.1 представлена конструкция заявляемого ультразвукового пьезопреобразователя. На ней обозначено: 1 - пьезоэлемент; 2 - металлорезина; 3, 4, - изоляторы; 5 - корпус; 6 - токосъемник; 7 - кабель.
На Фиг.2. представлена АЧХ заявляемого ультразвукового пьезопреобразователя.
Устройство работает следующим образом. Пьезоэлемент 1 устанавливается на внутреннюю торцевую поверхность корпуса 5 и при сборке поджимается к этой поверхности слоем металлорезины 2, обеспечивая плотный акустический контакт между корпусом и пьезоэлементом. Изоляторы 3 и 4 предотвращают утечку полезного сигнала на корпус пьезопреобразователя. Изолятор 4, кроме того, обеспечивает создание требуемого усилия поджатия пьезоэлемента к корпусу через слой металлорезины. При установке устройства на контролируемый объект акустические волны попадают через торцевую поверхность корпуса на пьезоэлемент и генерируют в нем электрический сигнал, который через слой металлорезины, токосъемник 6 и кабель 7 поступают на регистрирующее устройство. Далее акустические волны рассеиваются в слое металлорезины, снижая резонансные свойства датчика и повышая, тем самым, его широкополосность.
Как следует из Фиг.1, ультразвуковой пьезопреобразователь, в котором не используются клеевые соединения, достаточно технологичен в изготовлении. Следует отметить, что разрушение клеевых соединений является одной из основных причин отказа акустоэмиссионных датчиков. Соответственно отсутствие таких соединений в конструкции пьезопреобразователя, положительно сказывается на его надежности.
Исследования АЧХ заявляемого ультразвукового пьезопреобразователя показало, что использование металлорезины в качестве демпфера, упругого поджимающего элемента и электрода, позволяет изготавливать весьма широкополосные ультразвуковые пьезопреобразователи. На Фиг.2 приведена АЧХ заявляемого пьезопреобразователя, полученная на калибровочном стенде PFAP-P-2.
Таким образом, на основе заявляемого использования металлорезины в качестве демпфера, возможна разработка широкополосных, промышленно-применимых ультразвуковых пьезопреобразователей.
Цитированные источники
1. А.Г.Косторнов. Проницаемые металлические волокновые материалы. Киев, «Техника», 1983. Лабиринтоподобная структура пористых материалов.