УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ С НЕЭКВИДИСТАНТНОЙ ЛИНЕЙНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ РЕШЕТКОЙ

Полезная модель относится к пьезоэлектрическим приборам и предназначена для использования в области ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля металлических объектов, в частности, различных изделий листового, сортового и фасонного проката, например, железнодорожных рельсов.
Одной из наиболее важных характеристик УЗ преобразователя, применяемого для целей неразрушающего контроля, является его диаграмма направленности, имеющая, как правило, лепестковую форму. Большое практическое значение имеет усиление основного (главного) лепестка и ослабление боковых лепестков, что ведет к повышению эксплуатационных характеристик устройства.
Известно (Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электрическим сканированием / Под ред. Бахраха Л.Д. - 2001. - С. 110), что фазированные антенные решетки с неравномерным расположением излучателей (то есть являющиеся эквидистантными) при ограниченном числе излучателей и управляющих устройств позволяют сформировать острый луч и тем обеспечить пространственную избирательность системы, что важно для получения высокой разрешающей способности по углу и борьбы с помехами.
Из патентного документа US 8,469,893 B2 от 25.06.2013 известен УЗ преобразователь, содержащий неэквидистантную линейную фазированную решетку, образованную из пьезоэлектрических элементов. Однако при этом отсутствуют сведения о закономерности размещения излучающих элементов в решетке известного устройства, что не позволяет признать его достаточно эффективным для неразрушающего контроля именно металлических объектов, в которых распространение УЗ волн имеет свои характерные особенности, обусловленные поликристаллической структурой применяемых на практике металлов (Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.X. и др. Методы акустического контроля металлов. - М.: Машиностроение, 1989. - С. 21-22). В частности, рассеяние УЗ волны в металле приводит к появлению структурно-реверберационных шумов, снижающих чувствительность контроля, что придает УЗ неразрушающему контролю металлических объектов определенную специфику.
Задачей является увеличение чувствительности УЗ преобразователя и снижение акустических помех при неразрушающем контроле объектов из металла.
Обеспечиваемый полезной моделью технический результат заключается в уменьшении уровня боковых лепестков диаграммы направленности и увеличении уровня основного лепестка диаграммы направленности при сужении угла раскрытия основного лепестка.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в УЗ преобразователе, содержащем неэквидистантную линейную фазированную решетку из пьезоэлектрических элементов, шаг между элементами характеризуется равномерным увеличением при удалении от центра решетки. Причем отношение двух ближайших шагов лежит в пределах от 1,01 в центральной части решетки и до 1,62 во внешней ее части.
В частном случае реализации устройства минимальное отношение двух ближайших шагов составляет 1,21, а их максимальное отношение - 1,42.
В другом частном случае минимальное отношение двух ближайших шагов составляет 1,01, а их максимальное отношение - 1,2.
В еще одном частном случае минимальное отношение двух ближайших шагов составляет 1,43, а их максимальное отношение - 1,62.
Полезная модель поясняется следующими схемами неэквидистантных линейных фазированных решеток УЗ преобразователя.
Фиг. 1: УЗ преобразователь с пьезоэлектрическими элементами равной ширины.
Фиг. 2: размещение в УЗ преобразователе пьезоэлектрических элементов при линейном увеличении их ширины (показана только центральная часть решетки).
Фиг. 3: размещение чередующихся пьезоэлектрических элементов разной ширины (центральная часть решетки).
Фиг. 4: общий вид УЗ преобразователя в сборе (фазированная решетка закрыта защитой).
Осуществление полезной модели показано на следующих примерах предпочтительной реализации устройства.
УЗ преобразователь 1 содержит в составе своей конструкции излучающе-приемную систему, частью которой является линейная фазированная решетка (линейка) 2 из пьезоэлектрических элементов 3, имеющих в случае данной реализации форму прямоугольных пластин. Излучающе-приемная система связана с фазирующей (распределительной) системой, в простейшем случае представляющей собой призму из органического стекла, а также с системой управления.
1
2
1
n
n
Пьезоэлектрические элементы 3 расположены неравномерно, что характеризует данную многоэлементную фазированную решетку 2 как неэквидистантную. Существенно, что шаг решетки 2 равномерно увеличивается при удалении от ее центра. При этом под шагом понимается расстояние между осями симметрии двух соседних пьезоэлектрических элементов 3. На фиг. 1 центральный пьезоэлектрический элемент 3 обозначен как i, соседние с ним элементы - как i. Шаг между данными элементами 3 обозначен как d. Крайними в показанной фазированной решетке 2 являются элемент i и противоположный ему элемент с другого края решетки 2, соответственно шаг между элементами 3 во внешней части решетки 2 обозначен как d-1. Причем для решетки 2 справедливы соотношения (1)-(3).
j
j
j+1
j-1
j-1
Где d - шаг между пьезоэлектрическим элементом 3 i и следующим по направлению к краю решетки 2 элементом i, а d - шаг между элементом 3 у и предшествующим по направлению к центру решетки 2 элементом i.
Где n - номер крайнего пьезоэлектрического элемента 3 по счету от центра фазированной решетки 2.
Данные соотношения получены экспериментальным путем при поиске для контроля объектов из металлов оптимальных характеристик УЗ преобразователей в широком диапазоне d/λ, где d - шаг фазированной решетки 2, а λ - длина УЗ волны.
Так как все пьезоэлектрические элементы 3 в данном случае одинаковы, то показанная на фиг. 1 фазированная решетка 2 является однородной. На фиг. 2 и 3 показаны примеры неоднородных решеток 2, в одной из которых ширина пьезоэлектрических элементов 3 линейно увеличивается по направлению от центра решетки 2 к ее краю, а во второй часть элементов 3 выполнена узкими, а другая часть - широкими, причем узкие и широкие элементы чередуются. Для данных вариантов решетки 2 соотношения (1)-(3) также выполняются.
В процессе функционирования устройства система управления задает режим работы излучающе-приемной системы и пьезоэлектрические элементы 3 излучают сдвинутые по фазе УЗ колебания, проникающие в толщу металла объекта контроля. Затем элементы 3 осуществляют прием отраженной волны. Система управления обрабатывает полученные данные с целью обнаружения скрытых в объекте контроля дефектов.
При этом диаграмма направленности фазированной решетки 2 как по мощности, так и по амплитуде оказывается существенно измененной по сравнению с известными конструкциями при контроле объектов из металла. Благодаря тому, что шаг d между пьезоэлектрическими элементами 3 характеризуется равномерным увеличением при удалении от центра решетки 2, при котором отношение двух ближайших шагов d лежит в пределах от 1,01 в центральной части решетки 2 и до 1,62 во внешней ее части, основной лепесток диаграммы направленности сужен и существенно вытянут, а уровень боковых лепестков уменьшен, что положительно сказывается на чувствительности УЗ преобразователя и ведет к снижению акустических помех при неразрушающем контроле объектов из металла.
В зависимости от конкретных задач, на практике допустимо выбирать отношение двух ближайших шагов А из диапазонов 1,21÷1,42, 1,01÷7-1,2 или 1,434÷1,62. При этом указанный технический результат также достигается, хотя может быть менее выражен, чем в случае полного диапазона 1,01÷1,62.
Данная полезная модель может быть использована для улучшения характеристик практически любых известных УЗ преобразователей с фазированными решетками, предназначенных для неразрушающего контроля металлических объектов.