УЛЬТРАЗВУКОВОЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ULTRASONIC LOW-FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к электромеханическим преобразователям звука и может быть использовано при дефектоскопии и структуроскопии линейно-протяженных объектов в низкочастотной области.
Из уровня техники известен ультразвуковой низкочастотный преобразователь (RU 2584063C1, МПК H04R 17/00, опубл. 20.05.2016), содержащий корпус, четыре пьезоэлемента, установленные внутри корпуса и электрически соединенные попарно один с другим противофазно, причем все пьезоэлементы расположены симметрично относительно акустической оси преобразователя и равноудалены друг от друга, и протектор, сопряженный с корпусом со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов и выполненный с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого изделия в точке.
Недостатком известного преобразователя является возможность использования преобразователя только в совмещенном режиме, что приводит к образованию большой мертвой зоны. Кроме того техническое решение обладает низкой эффективностью передачи упругих колебаний из преобразователя на поверхность объекта контроля и обратно, причиной которого является точечный контакт.
Наиболее близким к заявленному изобретению техническим решением, выбранным в качестве прототипа, признан ультразвуковой низкочастотный преобразователь с переключением типа волн (RU 2224250C2, МПК G01N 29/24, В06В 1/06, опубл. 20.02.2004). Преобразователь содержит пьезоэлемент, коммутатор, герметичный корпус с демпфирующей жидкостью и протектором в виде конуса или пирамиды, основание которых является одной из стенок корпуса, причем вершина конуса или пирамиды контактирует с объектом контроля, а высота протектора много меньше длины акустической волны, распространяющейся в его материале. Пьезоэлемент закреплен внутри корпуса на протекторе, непосредственно сопряжен с основанием протектора и состоит их двух электрически изолированных друг от друга частей, монолитно соединенных между собой граничащими поверхностями, ориентированными перпендикулярно основанию протектора, коммутатор обеспечивает синфазное и противофазное включение частей пьезоэлемента, причем при противофазном включении частей пьезоэлемент совершает изгибные колебания. Вход коммутатора является входом преобразователя, а выходы коммутатора подключены к соответствующим выводам частей пьезоэлемента.
Известный преобразователь обладает следующими недостатками:
- большая мертвая зона вследствие работы в совмещенном режиме;
- низкая эффективность передачи упругих колебаний из преобразователя в объект контроля и обратно;
- возбуждение и прием наряду с основным типом волны мешающих типов волн.
Техническим результатом, ожидаемым от применения заявленного изобретения, является расширение функциональных возможностей ультразвукового низкочастотного преобразователя, заключающееся в обеспечение возможности работы устройства в совмещенном, раздельно-совмещенном или раздельном режимах работы за счет применения электроакустической перегородки и двух пьезоэлементов.
Указанный технический результат достигается тем, что ультразвуковой низкочастотный преобразователь содержит корпус, внутри которого установлены протектор, два пьезоэлемента и демпфер, при этом корпус снабжен верхней и нижней герметичными крышками. Дополнительно в корпусе преобразователя установлена электроакустическая перегородка, разделяющая демпфер и протектор на две части, при этом на первой и второй частях протектора выполнены перпендикулярно ориентированные к основанию выступы заданной длины, имеющие акустический контакт с контролируемым изделием, на которых закреплены пьезоэлементы.
Упомянутые выступы могут быть выполнены плоскими или криволинейными, при этом в последнем случае форма выступов повторяет форму контролируемого изделия. Упомянутая особенность конструкции преобразователя позволяет достичь дополнительного положительного результата, заключающегося в увеличении коэффициента передачи упругих колебаний из преобразователя в объект и обратно, а за счет выполнения выступов заданной длины достигается избирательность возбуждаемого и принимаемого типа волны на заданной частоте.
При использовании преобразователя в раздельно-совмещенном режиме путем дифференциального включения пьезоэлементов можно увеличить отношение сигнал-шум, а электроакустическая перегородка позволяет уменьшить электрическую наводку от зондирующего импульса и передачу упругих колебаний внутри преобразователя, что приводит к уменьшению протяженности мертвой зоны.
Конструкция устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан ультразвуковой низкочастотный преобразователь в разрезе; на фиг. 2 показан вид А-А по фиг. 1 (сечение по середине преобразователя горизонтальной плоскостью); на фиг. 3 представлен вид снизу на преобразователь с окрашенной поверхностью контакта прибора с объектом контроля; на фиг. 4 и 5 представлены эхограммы, полученные с помощью преобразователя.
Ультразвуковой низкочастотный преобразователь имеет следующую конструкцию.
Устройство содержит корпус 1, протектор, состоящий из первой 2 и второй 3 частей, на выступах на которых закреплены первый и второй пьезоэлементы 4 и 5, при этом второй пьезоэлемент закреплен симметрично первому относительно акустической оси преобразователя, а выступы протектора обеспечивают надежный контакт с поверхностью контролируемого изделия в точке, по линии или по поверхности. Между первым 4 и вторым 5 пьезоэлементом в слое 6 демпфирующего материала установлена электроакустическая перегородка 7. Выводы первого 4 пьезоэлемента соединены раздельно от второго 5 пьезоэлемента с коаксиальными кабелями 8. Корпус 1 закрывается верхней герметичной крышкой 9. Первая 2 и вторая 3 части протектора объединены с корпусом 1 нижней герметичной крышкой 10.
Для управления ультразвуковым низкочастотным преобразователем используют подключенный к нему измерительный модуль, выполненный на основе микроконтроллера (на фигурах условно не показан), построенного, например, на основе высокопроизводительной архитектуры STM8, снабженного микропроцессорным ядром, соединенным с помощью восьмиразрядной системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, многоканальным аналого-цифровым преобразователем и универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода.
Линии многоканального аналого-цифрового преобразователя снабжены операционными усилителями, обеспечивающими усиление измеряемых аналоговых сигналов, а к каждой из линий двунаправленных портов ввода-вывода подключены транзисторные ключи, обеспечивающие возможность подключения к портам ввода-вывода мощной нагрузки. В зависимости от выбранного режима работы преобразователя коаксиальные кабели 8 коммутируют с линиями аналого-цифрового преобразователя или линиями портов ввода-вывода микроконтроллера.
Работу ультразвукового низкочастотного преобразователя рассмотрим на трех примерах.
Преобразователь работает в режиме «излучение-прием». После установки преобразователя выступами первой 2 и второй 3 частей протектора на исследуемую поверхность контролируемого изделия к выводам первого пьезоэлемента 4 подводят возбуждающее напряжение, при этом первый пьезоэлемент 4 начинает совершать упругие колебания растяжения-сжатия. Поскольку первый пьезоэлемент 4 соединен боковой поверхностью с первой 2 частью протектора, то он совершает изгибные колебания, вследствие чего нижний конец первого пьезоэлемента 4 колеблется в направлении, перпендикулярном продольной оси преобразователя. Вместе с ним такие же поперечные колебания совершает и первая 2 часть протектора. Таким образом, поперечные колебания передаются с нижней поверхности первой 2 части протектора на поверхность контролируемого изделия.
При приеме поперечные колебания на поверхности изделия передаются на нижнюю поверхность второй 3 части протектора, который заставляет изгибаться второй пьезоэлемент 5. Эти изгибные колебания преобразуются в электрический сигнал, который поступает на выводы второго пьезоэлемента 5.
Преобразователь работает в режиме «только на излучение». В этом режиме оба пьезоэлемента 4 и 5 коммутируются параллельно, при этом один из выводов первого пьезоэлемента 4 соединен с выводом второго пьезоэлемента 5, другой вывод первого пьезоэлемента 4 соединен с другим выводом второго пьезоэлемента 5 таким образом, что с учетом поляризации обоих пьезоэлементов 4, 5 обеспечивается их синфазное колебание. После установки преобразователя вершиной первой 2 и второй 3 части протектора на исследуемую поверхность изделия к выводам подводят возбуждающее напряжение, при этом оба пьезоэлемента 4, 5 начинают совершать упругие колебания растяжения-сжатия синфазно. Поскольку оба пьезоэлемента 4, 5 соединены боковой поверхностью с первой 2 и второй 3 частью корпуса, то они совершают изгибные колебания, вследствие чего нижние концы пьезоэлементов 4 и 5 колеблются в направлении, перпендикулярном продольной оси преобразователя. Вместе с ними такие же поперечные колебания совершает первая 2 и вторая 3 часть протектора. Поскольку оба пьезоэлемента 4 и 5 колеблются синфазно, то колебания первого пьезоэлемента 4 складываются с колебаниями второго пьезоэлемента 5, тем самым увеличивая амплитуду поперечных колебаний. Таким образом, поперечные колебания передаются с нижней поверхности первой 2 и второй 3 части протектора на поверхность изделия.
Преобразователь работает в режиме «только на прием». В этом режиме оба пьезоэлемента 4 и 5 коммутируются последовательно, при этом один из выводов первого 4 пьезоэлемента соединен с одним из выводов второго 5 пьезоэлемента, другие выводы обоих пьезоэлементов 4 и 5 соединены с коаксиальным кабелем 8. После установки преобразователя вершиной первой 2 и второй 3 части протектора на исследуемую поверхность контролируемого изделия колебания с его поверхности передаются на нижние 2 и 3 части протектора. Поскольку колебания совершаются перпендикулярно относительно продольной оси преобразователя, то на нижние концы присоединенных пьезоэлементов 4 и 5 к нижним частям 2 и 3 протектора передаются поперечные колебания (относительно продольной оси преобразователя), что приводит к изгибным колебаниям пьезоэлементов 4 и 5. Так как оба пьезоэлемента 4 и 5 равноудалены от продольной оси преобразователя и точки контакта с поверхностью контролируемого изделия, то пьезоэлементы 4 и 5 совершают синфазные колебания, поэтому преобразованный в электрический сигнал колебаний первого пьезоэлемента 4 складывается с электрическим сигналом второго пьезоэлемента 5, тем самым увеличивая амплитуду результирующего электрического сигнала.
На фиг. 4 и 5 приведены эхограммы, полученные с помощью разработанного преобразователя на прутке длиной L = 2622 мм и диаметром D = 17 мм. В совмещенном режиме (фиг. 4) длительность зондирующего импульса с реверберациями внутри преобразователя составила 0,65 мс, что соответствует мертвой зоне 2100 мм. При использовании преобразователя в раздельно-совмещенном режиме (фиг. 5) длительность того же импульса составила 0,15 мс, что соответствует мертвой зоне 480 мм.
Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке ультразвуковой низкочастотный преобразователь может быть использован для проведения дефектоскопии линейно-протяженных объектов, например труб или прутков в трех режимах работы.