УЛЬТРАЗВУКОВОЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ULTRASONIC LOW-FREQUENCY CONVERTER

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.
Известен раздельно-совмещенный преобразователь, в корпусе которого установлены под углом 45 градусов излучатель поперечной волны и приемный элемент [Европейский патент ЕПВ №0057432, МПК G01N 29/11, опубл. 18.08.1982].
Этот преобразователь 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 ультразвуковой низкочастотный преобразователь, содержащий герметичный корпус с протектором, заполненный демпфирующей жидкостью, в котором размещен пьезоэлемент [В.Г. Шевалдыкин, Н.Н. Яковлев и др. Новые ультразвуковые низкочастотные пьезопреобразователи. - Дефектоскопия, 6, 1990, с. 44-50].
Известный ультразвуковой низкочастотный преобразователь может использоваться в низкочастотной области 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, необходима поперечная волна. Кроме того, этот преобразователь требует применения контактных жидкостей.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является ультразвуковой низкочастотный преобразователь, содержащий корпус, первый и второй пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и подключенные противофазно, причем второй пьезоэлемент расположен в корпусе симметрично первому пьезоэлементу относительно акустической оси преобразователя, и протектор, сопряженный с корпусом со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов и выполненный с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого изделия в точке [Патент РФ на изобретение №2082163, МПК G01N 29/24, опубл. 20.06 1997].
Функциональные возможности и сфера использования известного ультразвукового низкочастотного преобразователя ограничены тем, что эффективность излучения (приема) поперечной волны в плоскости, совпадающей с направлением вектора смещения протектора, зависит от значения угла излучения, что не позволяет применять известный ультразвуковой низкочастотный преобразователь при конструировании двумерных фазированных антенных решеток.
Технической задачей изобретения является создание ультразвукового низкочастотного преобразователя с одинаковой эффективностью излучения (приема) поперечной ультразвуковой волны вне зависимости от направления излучения (приема).
Техническим результатом от использования изобретения является расширение функциональных возможностей и области применения преобразователя, например применение заявляемого технического решения при создании двумерных 2D фазированных антенных решеток.
Этот результат достигается тем, что известный ультразвуковой низкочастотный преобразователь, содержащий корпус, первый и второй пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и электрически соединенные один с другим противофазно, причем второй пьезоэлемент расположен в корпусе симметрично первому пьезоэлементу относительно акустической оси преобразователя, и протектор, сопряженный с корпусом со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов и выполненный с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого изделия в точке, снабжен третьим и четвертым пьезоэлементами, установленными внутри корпуса и электрически соединенными один с другим противофазно, четвертый пьезоэлемент расположен в корпусе симметрично третьему пьезоэлементу относительно акустической оси преобразователя, расстояние от первого пьезоэлемента до второго пьезоэлемента выбирается равным расстоянию от третьего пьезоэлемента до четвертого пьезоэлемента, а расстояние от первого пьезоэлемента до третьего пьезоэлемента выбирается равным расстоянию от первого пьезоэлемента до четвертого пьезоэлемента.
2
1
1
2
1
2
Сущность изобретения поясняется чертежами: где на фиг. 1 представлен эскиз конструкции ультразвукового низкочастотного преобразователя, на фиг. 2 изображен поперечный разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3 показана схема формирования поперечной волны ультразвуковым низкочастотным преобразователем при условии, что U(t)=0 и U(t)≠0, на фиг. 4 представлена схема формирования поперечной волны ультразвуковым низкочастотным преобразователем при условии, что U(t)=0 и U(t)≠0 и на фиг. 5 изображена схема формирования поперечной волны ультразвуковым низкочастотным преобразователем при условии, что U(t)≠U(t)≠0.
Ультразвуковой низкочастотный преобразователь содержит корпус 1, в котором расположены первый 2, второй 3, третий 4 и четвертый 5 пьезоэлементы. Второй пьезоэлемент 3 установлен в корпусе 1 симметрично первому пьезоэлементу 2 относительно акустической оси преобразователя, четвертый пьезоэлемент 5 расположен в корпусе симметрично третьему пьезоэлементу 4 относительно акустической оси преобразователя, расстояние от первого пьезоэлемента 2 до второго пьезоэлемента 3 выбирается равным расстоянию от третьего пьезоэлемента 4 до четвертого пьезоэлемента 5, а расстояние от первого пьезоэлемента 2 до третьего пьезоэлемента 4 выбирается равным расстоянию от первого 2 пьезоэлемента до четвертого пьезоэлемента 5. Корпус 1 снабжен протектором 6 для контактирования с поверхностью контролируемого изделия в точке. Электрический вывод первого пьезоэлемента 2 и электрический вывод второго пьезоэлемента 3 соединены между собой противофазно и образуют первый электрический вывод 7 ультразвукового низкочастотного преобразователя, электрический вывод третьего пьезоэлемента 4 и электрический вывод четвертого пьезоэлемента 5 соединены между собой противофазно и образуют второй электрический вывод 8 ультразвукового низкочастотного преобразователя, при этом его внутреннее пространство заполнено демпфером 9.
Ультразвуковой низкочастотный преобразователь работает следующим образом.
1
2
После установки ультразвукового низкочастотного преобразователя острым рабочим торцом протектора 6 на исследуемую поверхность изделия к электрическому выводу 7 подводят возбуждающее напряжение U(t) и к электрическому выводу 8, проходящим сквозь демпфер 9, подводят возбуждающее напряжение U(t) (см. фиг.1) или, в случае приема ультразвуковых колебаний, снимают с этих электрических выводов принятые сигналы для дальнейшей амплитудно-фазовой обработки в приемном тракте.
Рассмотрим комбинации амплитуд и фаз возбуждающих сигналов:
2
1
1. Напряжение возбуждающего сигнала U(t) выбирается равным 0 при U(t)≠0 в том случае, если необходимо обеспечить горизонтальное (см. фиг.3) направление вектора смещения вершины протектора.
1
2
2. Напряжение возбуждающего сигнала U(t) выбирается равным 0 U(t)≠0 в том случае, если необходимо обеспечить вертикальное (см. фиг.4) направление вектора смещения вершины протектора.
1
2
3. Напряжения возбуждающих сигналов выбираются из условия U(t)≠U(t)≠0 (см. фиг.5) в том случае, если необходимо обеспечить произвольное значение угла направления вектора смещения вершины протектора по отношению к горизонтали.
В режиме приема, наоборот, поперечные колебания вершины протектора 6 преобразуются в электрические колебания с соответствующими амплитудами и фазами, снимаемыми с вывода 7 и вывода 8 и которые суммируются в суммирующем усилителе приемного тракта с учетом их амплитуд и фаз.
2
1
1
2
Симметричное относительно акустической оси ультразвукового низкочастотного преобразователя расположение первого пьезоэлемента 2 и второго пьезоэлемента 3, а также третьего пьезоэлемента 4 и четвертого пьезоэлемента 5 обеспечивает симметрию конструкции в целом и гарантирует возбуждение только поперечной компоненты в акустической волне и отсутствие в составе продольной волны, которая может играть роль помехи, ухудшая достоверность контроля. Аналогично выбираются равными расстояния соответственно от первого пьезоэлемента 2 до второго пьезоэлемента 3 и от третьего пьезоэлемента 4 до четвертого пьезоэлемента 5. Соблюдение условия равенства расстояний от первого пьезоэлемента 2 до третьего пьезоэлемента 4 расстоянию от первого 2 пьезоэлемента до четвертого пьезоэлемента 5 гарантирует пространственную ортогональность плоскостей колебаний вершины протектора. Другими словами, при U(t)=0 и U(t)≠0 формирование строго вертикально поляризованной поперечной акустической волны или при U(t)=0 и U(t)≠0 формирование строго горизонтально поляризованной поперечной акустической волны.
Таким образом, предлагаемый ультразвуковой низкочастотный преобразователь может выступать как преобразователь поперечных ультразвуковых волн с управляемой ориентацией плоскости поляризации в зависимости от задаваемых значений параметров возбуждающих сигналов и может найти широкое применение, например, в составе 2D фазированных антенных решеток при конструировании ультразвуковых томографов, предназначенных для толщинометрии и дефектоскопии различных изделий и конструкций.
Использование изобретения обеспечивает расширение функциональных возможностей и области применения преобразователя, например применение заявляемого технического решения при создании двумерных 2D фазированных антенных решеток.