Ультразвуковая антенная решетка

Полезная модель относится к области ультразвуковой измерительной техники и может быть использована при ультразвуковом контроле и толщинометрии структурно-неоднородных материалов с большим коэффициентом затухания ультразвука, преимущественно асфальтобетонов.
Известна ультразвуковая иммерсионная многосекционная совмещенная антенная решетка, содержащая установленные внутри корпуса пьезоэлементы, которые имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму и расположены под острым углом к акустической оси устройства. Акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси устройства в направлении излучения и расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось устройства (патент RU 114786, МПК G01N 29/00 (2006.01)).
Описанная выше ультразвуковая иммерсионная многосекционная совмещенная антенная решетка не может быть использована для контроля неметаллических крупноструктурных материалов, так как излучаемая мощность ультразвуковых сигналов не достаточна для прозвучивания материалов с большим коэффициентом поглощения, волны, отраженные и рассеянные от внутренних неоднородностей дополнительно снижают аплитуду полезного сигнала и соотношение сигнал/шум.
6
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является ультразвуковая антенная решетка в виде двухмерной матрицы, содержащая установленные в корпусе пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для приема и возбуждения ультразвуковых колебаний в крупноструктурных материалах. Пьезоэлектрические преобразователи подключены к измерительному блоку через коммутатор и импульсный генератор. Каждый пьезоэлектрический преобразователь выполнен с протектором, обеспечивающим точечный или линейный контакт с контролируемым объектом, и с индивидуальным прижимным механизмом, имеющим возможность возвратно-поступательного перемещения перпендикулярно рабочей поверхности антенной решетки (патент RU 2080592, МПК G01N 29/00).
К недостаткам данной ультразвуковой антенной решетки следует отнести низкую абсолютную чувствительность ультразвукового контроля и толщинометрии при контроле преимущественно таких крупноструктурных материалов, как асфальтобетонные покрытия, вследствие недостаточной для такого контроля амплитуды ультразвукового сигнала, излучаемой пьезоэлектрическим преобразователем, значительной неравномерностью амплитудо-частотной характеристики и низким коэффициентом преобразования пьезоэлектрических преобразователей, вызванным малой площадью контакта протектора и диаметром протектора много меньшим длины волны.
В связи с этим технической задачей является повышение абсолютной чувствительности ультразвукового контроля и толщинометрии за счет увеличения амплитуды ультразвукового возбуждающего сигнала.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемой ультразвуковой антенной решетке, содержащей пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для приема и возбуждения ультразвуковых колебаний в крупноструктурных материалах, установленные в корпусе и подключенные к измерительному блоку, согласно полезной модели пьезоэлектрический преобразователь, предназначенный для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в материалах с большим коэффициентом затухания ультразвука, преимущественно в асфальтобетоне, установлен в центре антенной решетки, а пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для приема ультразвуковых колебаний, установлены симметрично пьезоэлектрическому преобразователю, предназначенному для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности, с возможностью перемещения по направляющим антенной решетки относительно последнего.
Таким образом, ультразвуковая антенная решетка содержит выделенный пьезоэлектрический преобразователь для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в материалах с большим коэффициентом затухания ультразвука, а также электрически и акустически изолированные от него пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для приема ультразвуковых колебаний, причем использование выделенного пьезоэлектрического преобразователя для излучения ультразвука высокой интенсивности позволяет значительно увеличить амплитуду излучаемого сигнала, а следовательно, при неизменном коэффициенте поглощения, амплитуду полезного сигнала на пьезоэлектрическом преобразователе, предназначенном для приема ультразвуковых колебаний.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично изображен общий вид антенной решетки, на фиг. 2 - общий вид пьезоэлектрического преобразователя, предназначенного для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в материалах с большим коэффициентом затухания ультразвука, преимущественно в асфальтобетоне.
Предлагаемая ультразвуковая антенная решетка содержит пьезоэлектрический преобразователь 1, предназначенный для возбуждения ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в материалах с большим коэффициентом затухания ультразвука, преимущественно в асфальтобетоне, установленный в посадочном месте 2 в центре антенной решетки, и пьезоэлектрические преобразователи 3, предназначенные для приема ультразвуковых колебаний, установленные симметрично пьезоэлектрическому преобразователю 1 с возможностью перемещения по направляющим 4 антенной решетки относительно последнего. Рабочим положением пьезоэлектрического преобразователя 3 является то, при котором обеспечивается максимальное соотношение полезного сигнала к уровню структурных шумов.
Пьезоэлектрический преобразователь 1, подключенный к измерительному блоку, в качестве которого может быть использован генератор импульсов возбуждения (на чертеже не показан), и пьезоэлектрические преобразователи 3, подсоединенные к соответствующим каналам измерительного блока, в качестве которого может быть использован ультразвуковой дефектоскоп (на чертеже не показан), размещены в корпусе 5.
Пьезоэлектрический преобразователь 1 содержит корпус 6, в котором установлена демфирующая прокладка 7, связанная с волноводом 8, на одном конце которого расположен массивный металлический отражатель 9, а на другом конце - твердосплавная игла 10. Также на волноводе 8 составлен пакет 11 электрически связанных между собой пьезоэлектрических колец, собранных в корпусе 6 между отражателем 9 и волноводом 8. Пакет 11 выполнен из отдельных пьезоэлектрических колец с электродами и напыленными на них токопроводящими слоями на обоих поверхностях.
Для получения пакета 11 предварительно изготавливаются единичные пьезоэлектрические кольца путем припаивания к ним сплошных токосъемников. Затем производится сортировка пьезолектрических колец по электроакустическим параметрам и склеивание их через акустоэлектроизоляционный слой. Нижняя поверхность пакета 11 приклеивается к демферирующей прокладке 7, а на верхнюю поверхность пакета 11 наносится согласующий слой 12, к которому прикрепляется отражатель 9.
Волновод 8 отделен от корпуса 6 демпфирующим материалом 13, например, эпоксидной смолой с добавкой порошка вольфрама.
Работа ультразвуковой антенной решетки осуществляется следующим образом.
Перед проведением ультразвуковой толщинометрии проводится предварительная юстировка антенной решетки, включающая расстановку пьезоэлектрических преобразователей 3, обеспечивающих минимальный уровень структурных помех, после чего выполняется определение скорости распространения ультразвука в материале с большим коэффициентом затухания ультразвука, в частности, асфальтобетоне.
На пьезоэлектрический преобразователь 1, а именно, на пакет 11 пьезоэлектрических колец подается возбуждающий импульс, вызывающий продольную деформацию пьезокерамики, передающуюся на волновод 8. Общая длина пьезоэлектрического преобразователя 1 и волновода 8 подобраны таким образом, что бы обеспечить резонансные колебания. Амплитуда колебаний будет зависит от прилагаемого электрического напряжения и количества пьезокерамических колец в пакете 11.
Далее определяется временная задержка прохождения прямого и отраженного сигналов, вычисляются пути прямого и отраженного ультразвукового сигнала для каждой пары «пьезоэлектрический преобразователь 1 - пьезоэлектрический преобразователь 3», то есть для каждой пары «излучатель/приемник», после чего определяется толщина асфальтобетонного покрытия.
Таким образом, использование предлагаемой ультразвуковой антенной решетки позволяет увеличить амплитуду ультразвукового возбуждающего сигнала, что способствует повышению абсолютной чувствительности ультразвукового контроля и толщинометрии.