УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИММЕРСИОННЫЙ МНОГОСЕКЦИОННЫЙ СОВМЕЩЕННЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ULTRASONIC IMMERSION MULTI-SECTIONAL COMBINED PIEZOELECTRIC CONVERTER

Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям и может быть использовано при дефектоскопии и толщинометрии при исследовании различного рода материалов, в частности труб, металлического проката, пластиков и неоднородных материалов, таких например, как сварные конструкции.
Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус с протектором в виде усеченного конуса, пьезоэлемент и демпфер, размещенный в корпусе (см. заявку GB №2091520, кл. G01N 29/00, 28.07.1982).
Данный преобразователь создает в исследуемом материале только продольную волну и может быть использован только в области высоких частот, что сужает область его использования. Кроме того, для установки преобразователя на исследуемое изделие необходима смачивающаяся жидкость.
Известен раздельно-совмещенный преобразователь, в корпусе которого установлены под углом 45 градусов излучатель поперечной волны и приемный элемент (см. патент FR №2499248, кл. G01N 29/00, 06.08.1982).
Данный преобразователь работает в высокочастотной области и требует значительных усилий для обеспечения хорошего акустического контакта, что сужает область его использования.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ультразвуковой многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линза, сопряженная с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов (см. патент RU №2082163, кл. G01N 29/24,20.06.1997).
Данный преобразователь выполнен с возможностью использования преобразователя на шероховатой неподготовленной поверхности без использования клея и смачивающей жидкости при контактировании с поверхностью контролируемого изделия в точке или по линии и имеет малые волновые размеры. Однако данный преобразователь не может быть использован в качестве иммерсионного преобразователя, что сужает область использования преобразователя.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение длины рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя и расширение его диаграммы направленности.
Технический результат заключается в том, что достигается повышение достоверности контроля целостности контролируемого материала.
Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь содержит герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, сопряженную с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, при этом пьезоэлементы расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя, акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, причем пьезоэлементы имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, электроды пьезоэлементов расположенные с одной стороны последовательно электрически соединены между собой, акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось преобразователя, а линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом.
Линза, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, может иметь толщину S напротив каждого из пьезоэлементов, равную
<mrow><mfrac><mtext>λ</mtext><mtext>4</mtext></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mtext>c</mtext><mrow><mtext>4f</mtext></mrow></mfrac></mrow>
, где
λ - длина волны ультразвука в материале линзы;
c - скорость звука в материале линзы;
f - рабочая частота пьезоэлемента.
<mrow><mfrac><mtext>λ</mtext><mtext>4</mtext></mfrac></mrow>
Линза может иметь клиновидную форму напротив каждого пьезоэлемента в плоскости продольного сечения проходящей через акустические оси пьезоэлементов, а толщина линзы в месте прохождения через нее акустической оси пьезоэлемента равна
.
Линза может быть выполнена с цилиндрической наружной поверхностью обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов, причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси пьезоэлементов, линза имеет наименьшую толщину, равную λ/4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины цилиндрической поверхности пересекается с акустической осью соответствующего пьезоэлемента с увеличением толщины линзы в направлении от этой акустической оси.
<mrow><mfrac><mi>λ</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow>
Выполнение толщины линзы равной
позволяет добиться максимальной чувствительности пьезоэлектрического преобразователя за счет эффекта просветления.
Выполнение линзы с описанными выше клиновидными поверхностями позволяет сократить длительность эхоимпульса и увеличить соотношение сигнал/шум.
Выполнение линзы с цилиндрическими поверхностями позволяет, помимо приведенных выше качеств, обеспечить концентрацию энергии акустического поля в заданной области.
На фиг.1 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя с двумя пьезоэлементами и линзой с цилиндрическими поверхностями.
На фиг.2 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя с пьезоэлементами и линзой с клиновидной формой напротив каждого пьезоэлемента.
Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь содержит герметичный корпус 1 с демпфирующим веществом 2, пьезоэлементы 3, установленные внутри корпуса 1 и расположенные в корпусе 1 симметрично относительно акустической оси 4 преобразователя, и линзу 5, сопряженную с пьезоэлементами 3 со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов 3.
Пьезоэлементы 3 расположены под острым углом к акустической оси 4 пьезоэлектрического преобразователя и имеют относительно продольной оси (совпадающей с акустической осью 4) преобразователя попарно одинаковую форму, с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему 6. Акустические оси 7 пьезоэлементов 3 пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя.
Вектор поляризации всех пьезоэлементов 3 направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества 2. Электроды пьезоэлементов 3 расположенные с одной стороны последовательно электрически соединены между собой. Акустические оси 7 всех пьезоэлементов 3 расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось 4 преобразователя. Линза 5 выполнена общей для всех пьезоэлементов 3 (см. фиг.1) или состоит из отдельных секций 8, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом (см. фиг.2).
Линза 5, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, может иметь толщину S напротив каждого из пьезоэлементов 3, равную
<mrow><mfrac><mtext>λ</mtext><mtext>4</mtext></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mtext>c</mtext><mrow><mtext>4f</mtext></mrow></mfrac></mrow>
, где
λ - длина волны ультразвука в материале линзы 5;
c - скорость звука в материале линзы 5;
f - рабочая частота пьезоэлемента 3.
<mrow><mfrac><mtext>λ</mtext><mtext>4</mtext></mfrac></mrow>
Линза может иметь клиновидную форму (см. фиг.2) напротив каждого пьезоэлемента 3 в плоскости продольного сечения проходящей через акустические оси 7 пьезоэлементов 3, а толщина линзы 5 в месте прохождения через нее акустической оси 7 пьезоэлемента 3 равна
.
Линза 5 может быть выполнена с цилиндрической наружной поверхностью (см. фиг.1) обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов 3, причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси 7 пьезоэлементов 3, линза 5 имеет наименьшую толщину, равную λ/4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины линзы с цилиндрической поверхностью пересекается с акустической осью 7 соответствующего пьезоэлемента 3 с увеличением толщины линзы 5 в направлении от этой акустической оси 7.
Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.
После установки преобразователя в жидкости линзой 5 над поверхностью контролируемого материала к выводам электрического герметичного разъема 6 подводят возбуждающее напряжение или в случае приема ультразвуковых колебаний снимают с этих выводов принятый сигнал. В режиме излучения, благодаря последовательному подключению одноименных электродов пьезоэлементов 3 к соответствующим выводом разъема 6, пьезоэлементы 3 колеблются синфазно, излучая в жидкость продольные волны. Волновой фронт достигает поверхности контролируемого объекта и, в зависимости от угла падения, формирует в нем фронт продольных или поперечных волн. При встрече этого фронта с неоднородностью материала или дефектом, формируется отраженный эхоимпульс.
В режиме приема отраженные волны принимаются всеми пьезоэлементами 3 или их частью и, благодаря последовательному соединению одноименных электродов, образуют выходной электрический сигнал на выводах разъема 6.
Размещениие пьезоэлементов 3 описанным выше способом в сочетании с выполнением их с попарно одинаковой формой позволяет увеличить длину рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя и расширить его диаграмму направленности, что в конечном итоге позволяет добиться повышения достоверности контроля целостности контролируемого материала.
Иммерсионный тип контакта преобразователя с контролируемым объектом дает возможность контролировать материалы с шероховатой поверхностью (например, отливки) и длинномерные изделия, а также увеличить срок службы преобразователя.
Возможность концентрации энергии акустического поля в заранее определенной рабочей зоне обеспечивает повышение достоверности контроля в массивных изделиях.
Расширение диаграммы направленности обеспечивает возможность обнаружения произвольно ориентированных дефектов.
Настоящее изобретение может быть использовано для дефектоскопии и толщинометрии материала конструкций в машиностроении, трубопроводном и железнодорожном транспорте.