Ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь
DUAL ELEMENT ULTRASOUND TRANSDUCER

Изобретение относится к конструкциям ультразвуковых раздельно-совмещенных преобразователей, предназначенных для неразрушающего контроля таких изделий, как трубы, листовой или сортовой прокат.
Типовой ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь (см., например, публикацию в книге: Неразрушающий контроль. Книга 2. Акустические методы контроля. Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высшая школа, 1991, с. 102-103) имеет излучающий и приёмный пьезоэлементы, установленные в одном корпусе и разделённые электрическим и/или акустическим экраном. Благодаря разделению электрический и акустический зондирующие импульсы, и сопровождающие их помехи практически не попадают на приёмник. В результате уменьшается минимальная глубина прозвучивания (мёртвая зона). Пьезоэлементы раздельно-совмещенных преобразователей обычно располагают на призмах из оргстекла с небольшими углами наклона (0 … 10°), при которых в изделие излучаются продольные волны, а поперечные имеют небольшую амплитуду. Варьируя углы призм, их высоту, расстояние между ними и размеры пьезоэлементов, можно изменять положение максимума чувствительности (фокуса), минимальную и максимальную глубину прозвучивания.
Ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь, по сравнению с другими типами ультразвуковых преобразователей позволяет существенно уменьшить неконтролируемую зону вблизи поверхности контролируемого объекта за счёт того, что его излучающая часть (призма с закреплённым на ней, по меньшей мере, одним излучающим пьезоэлементом) и его приёмная часть (призма с закреплённым на ней, по меньшей мере, одним приёмным пьезоэлементом) электрически (за счёт применения электромагнитного экрана) и акустически (за счёт применения изолирующего слоя) изолированы друг от друга, при этом, для получения высоких дефектоскопических характеристик ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя его призмы, как правило, изготавливают из оргстекла, то есть из относительно мягкого материала.
Однако, в процессе эксплуатации ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя, степень акустической изоляции между призмами снижается, что приводит к постепенной деградации его дефектоскопических характеристик, в частности, к снижению его чувствительности и увеличению мёртвой зоны.
Одним из основных факторов, приводящих к деградации дефектоскопических характеристик преобразователя, является постепенное насыщение изолирующего слоя контактной жидкостью, например, водой, что приводит к усилению акустической связи между излучающей и приёмной частями преобразователя, и, как следствие, к возрастанию уровня акустических помех и увеличению мёртвой зоны.
Другим фактором, определяющим деградацию дефектоскопических характеристик преобразователя, является разрушение его рабочей поверхности, происходящее за счёт механического и эрозионного износа призм и разделяющего их изолирующего слоя. Этот износ происходит, как правило, неравномерно. При этом, наиболее подвержена физическому износу самая важная, с точки зрения сохранения дефектоскопических свойств преобразователя, центральная часть его рабочей поверхности. Ремонт рабочей поверхности преобразователя очень дорог и имеет ограниченную эффективность, а после нескольких восстановлений преобразователь, как правило, в значительной степени теряет свои дефектоскопические характеристики и приходит в негодность.
Также известны ультразвуковые преобразователи, в которых призмы выполнены из более износостойких материалов, например, из стекла или керамики. Например, известны износостойкие преобразователи SENDAST, производства ООО «3Т» (публикация в сети Интернет по ссылке: https://ndt-innovation.ru/ultrazvukovyie-iznosostojkie-preobrazovateli-(pep)-sendast/).
Такие преобразователи обладают высокой устойчивостью к износу, но в ряде случаев они не обеспечивают необходимых дефектоскопических характеристик. Это связано с тем, что механически твердые материалы обладают высоким акустическим импедансом и плохо согласуются с акустическим импедансом воды или иной жидкости, обеспечивающей акустический контакт преобразователя с контролируемым объектом. Это приводит к высокой чувствительности преобразователя к рабочему зазору и искажению спектра ультразвуковых сигналов. Последнее приводит к реверберационным шумам преобразователя, повышению его мертвой зоны и снижению фронтальной разрешающей способности. Нестабильность дефектоскопических характеристик таких преобразователей, как правило, не позволяет использовать их в составе систем высокочувствительного многоканального автоматического ультразвукового контроля. Кроме того, разрушение целостности изолирующего слоя, который, как правило, также изготавливают из физически мягких материалов, приводит к деградации дефектоскопических характеристик преобразователей.
Если для ручного одноканального дефектоскопа указанный выше недостаток применения твердых призм может быть в значительной степени компенсирован оператором (от него требуется лишь внимание и аккуратность, в крайнем случае, он может вернуться назад и проконтролировать сомнительный участок повторно), то в системах многоканального ультразвукового контроля, содержащих десятки, сотни, или даже тысячи каналов ультразвукового контроля это становится просто невозможным. Таким образом, твердые призмы делают ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь малопригодным к использованию в системах многоканального ультразвукового контроля.
В качестве прототипа выбран ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь по патенту на изобретение РФ № 2697024, опубл. 08.08.2019, МПК H04R17/00, содержащий корпус и помещенные в него как минимум две звукопроводящих призмы (ПНИ) из материала с относительно низким акустическим импедансом, причем на одну ПНИ наклеен излучающий пьезоэлемент, а на другую – приемный. ПНИ с приемным пьезоэлементом отделена от ПНИ с излучающим элементом электрическим и/или акустическим экраном, содержит как минимум одну дополнительную звукопроводящую призму, обладающую более высоким акустическим импедансом (ПВИ), чем ПНИ, и размещенную либо между ПНИ и приемным пьезоэлементом, либо между ПНИ и излучающим пьезоэлементом, либо и то, и другое, причем толщина Т ПВИ удовлетворяет условию: Т>(2…3)L, где L - длина ультразвуковой волны в материале ПВИ, причем между ПНИ и ПВИ осуществлен акустический контакт, обеспечивающий прохождение акустической энергии через границу ПНИ-ПВИ, дополнительно содержит как минимум один согласующий слой и как минимум два тонких клеевых слоя, расположенных между ПНИ и ПВИ и служащих для увеличения акустической прозрачности границы между ПНИ и ПВИ, в качестве излучающих и/или приемных пьезоэлементов использованы линейные и/или фазированные решетки.
Недостатком известной конструкции ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя является то, что призмы, контактирующие с контролируемым объектом, а также электрический и/или акустический экран подвержены деградации и интенсивному износу, а значит, не обеспечивают стабильности дефектоскопических характеристик преобразователя.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение является износ рабочей поверхности ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя в случае применения в нём призм и электрического и/или акустического экрана, выполненных из физически мягких материалов.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение срока службы и эффективности работы ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя.
Указанный технический результат достигается тем, что ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь, содержит корпус, излучающую призму с закреплённым на ней излучающим пьезоэлементом, приёмную призму с закреплённым на ней приёмным пьезоэлементом, и установленный между призмами электроакустический экран, включающий, по меньшей мере один изолирующий слой, при этом электроакустический экран также дополнительно содержит отражающий экран, установленный параллельно изолирующему слою непосредственно после него по ходу движения ультразвуковых волн, и который предназначен для возвращения акустической энергии обратно в изолирующий слой и, далее, в излучающую призму. В качестве варианта реализации изобретения, отражающий экран также может быть установлен между двумя изолирующими слоями.
При этом, отражающий экран выполнен из износостойкого материала, например, из диэлектрика (керамики, ферритов) или металла, обладающего твердостью, превосходящей твердость материала призм и/или изолирующего слоя, и удовлетворяющего условию:
ОЭ
ИС
(РС) > (РС), где:
ОЭ
(РС) - произведение удельного веса материала отражающего экрана и скорости продольной упругой волны в этом материале;
ИС
(РС)- произведение удельного веса материала изолирующего слоя и скорости продольной упругой волны в этом материале.
В случае, если отражающий экран выполнен в виде металлической пластины, то он также выполняет функцию электрического экрана (единственного или дополнительного), при этом, в случае выполнения отражающего экрана из диэлектрика, например, из керамики или ферритов, также целесообразно на отражающий элемент дополнительно нанести электропроводящий слой для обеспечения электрического экранирования между излучающей и приёмной призмами.
При этом, толщина h отражающего экрана должна находиться в диапазоне 0,3 мм ≤ h ≤ 3 мм. Выполнение этого условия позволяет, с одной стороны, обеспечить эффективное отражение энергии упругой волны на пути: излучающая призма– изолирующий слой – приёмная призма, а с другой стороны обеспечить достаточно высокую прочность отражающего экрана. Указанный диапазон является оптимальным, так как при толщине отражающего экрана более 3 мм недопустимо снижается чувствительность преобразователя к дефектам, близко расположенным к поверхности контролируемого объекта, а при толщине менее 0,3 мм снижается прочность отражающего экрана, и это также приводит к уменьшению его отражающих свойств.
Так как отражающий экран выполнен из материала, обладающего твердостью, существенно превосходящей твердость материала изолирующего слоя, то это приводит к значительному отражению акустической энергии от отражающего экрана, которая далее частично затухает в изолирующем слое, а частично возвращается в излучающую призму и там затухает и/или рассеивается. Кроме того, твёрдый отражающий экран служит для физического предохранения призм, контактирующих с контролируемыми объектами от их износа.
Таким образом, за счёт применения отражающего экрана повышается износостойкость рабочей поверхности преобразователя, а также повышается эффективность акустического разделения его излучающей и приёмной призм.
Пример реализации заявляемого изобретения изображён на фиг. 1, на которой показаны:
1 – корпус преобразователя;
2 – излучающая призма;
3 – излучающий пьезоэлемент;
4 – приёмная призма;
5 – приёмный пьезоэлемент;
6 – первый изолирующий слой;
7 – второй изолирующий слой;
8 – отражающий экран;
9 – контролируемый объект;
10 – дефект в контролируемом объекте.
Ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь содержит корпус 1, в котором установлены две призмы – излучающая призма 2 с закреплённым на ней излучающим пьезоэлементом 3 и приёмная призма 4 с закреплённым на ней приёмным пьезоэлементом 5, при этом между призмами 2 и 4 расположен электроакустический экран, включающий два изолирующих слоя 6 и 7, поглощающие акустическую энергию, между которыми установлен отражающий экран 8.
Устройство работает следующим образом (фиг. 1): излучающий пьезоэлемент 3 излучает импульс ультразвуковой волны в излучающую призму 2, и далее волна передаётся в тело контролируемого объекта 9. При наличии дефекта 10 в контролируемом объекте 9, ультразвуковая волна отражается в приёмную призму 4 и далее попадает на приёмный пьезоэлемент 5.
В то же время, электроакустический экран не позволяет ультразвуковой волне напрямую попадать в приёмную призму, при этом первый изолирующий слой 6 обеспечивает основное затухание энергии ультразвуковой волны, а оставшаяся часть энергии, которая всё же преодолевает изолирующий слой 6, отражается от отражающего экрана 8, и, с большими потерями в изолирующем слое 6, возвращается в излучающую призму 2. Отражение акустической энергии ультразвуковой волны происходит ввиду того, что акустический импеданс отражающего экрана 8 существенно больше акустического импеданса изолирующего слоя 6. Изолирующий слой 7 служит для окончательного гашения энергии ультразвуковой волны.
Таким образом, установленный на пути ультразвуковой волны электроакустический экран, включающий три слоя: изолирующий слой 6 – отражающий экран 8 – изолирующий слой 7 способствует её практически полному ослаблению, и тем самым кардинально повышает качество ультразвукового преобразователя в целом. Даже при существенном ухудшении поглощающей способности изолирующих слоев 6 и 7, например, вследствие их намокания или механического разрушения, отражающий экран 8 будет продолжать выполнять функцию барьера на пути ультразвуковой волны.
Кроме того, высокая механическая прочность и сопротивление износу отражающего экрана 5 обеспечивает высокую износостойкость рабочей поверхности преобразователя, несмотря на то, что призмы могут быть выполнены из относительно мягкого материала, например, такого как оргстекло. За счёт такой конструкции механический износ рабочей поверхности ультразвукового преобразователя происходит сравнительно медленно, и он дольше сохраняет свои дефектоскопические характеристики. При этом отражающий экран 8 может быть выполнен из любого твердого материала: например, из металла или керамики. В случае, если отражающий экран выполнен из металла, он дополнительно выполняет функцию электромагнитного экрана.
На фиг. 2 показаны результаты испытаний ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя. На фотографии виден износ призм после нескольких месяцев эксплуатации преобразователя. Также видно, что отражающий экран износился значительно меньше, чем призмы, при этом он продолжает выполнять свои функции: отражения акустической энергии и физической защиты призм от дальнейшего износа.
Настоящее изобретение было использовано при создании оборудования для многоканального автоматического ультразвукового контроля «NORDISCAN» производства компании Нординкрафт для ряда заводов в Европе, США и Южной Корее. За время опытной эксплуатации установок подтверждена эффективность работы заявляемого устройства. Значительно повысился срок службы и эффективности работы ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя, при этом статистическая стойкость ультразвуковых преобразователей, по сравнению с ранее применявшимися аналогами, возросла, как минимум в пять раз.