АПЕРИОДИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

1слезная недель относится к технической акустике и может найти применение в технике приема и возбуждения упругих волн, в частности, в устройствах для регистрации акустических сигналов.
Известны аналогичные устройства по данному назначению, содержащие усеченный пьезокерамический конус и цилиндрический латунный демпфер, жестко связанные между собой по большому основанию конуса и одному из оснований цилиндрического демпфера, а свободное меньшее основание конуса непосредственно контактирует с вибрирующей поверхностью. ( K.Mobley a.o. Survey of Commercial Sensors and Systems of Acoustic Emission Testing // Nondestructive Testing Handbook. (2end ed.),
vol.5.-USA: AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING.1987.-Pp. 512-549)
Однако, они имеют низкую чувствительность, не защищены от электрических наводок, не точно воспроизводят форму акустических сигналов и неудобны в эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для регистрации акустических сигналов, например, апериодический датчик, содержащий корпус, пьезоэлектрическую пластину, конусный волновод и компаунд, причем волновод выполнен многослойным с концентрическим расположением слоев относительно его оси, а материалы его слоев взяты с акустическим сопротивлением, равным акустическому сопротивлению пьезоэлектрической пластины, и с уменьшающейся от слоя к слою по направлению оси волновода скоростью акустических волн. (Авторское свидетельство № 512602, Кл. Н 04 R 17/00/ Бюл.№16.-1976)
Основным недостатком известных устройств для регистрации акустических сигналов является то, что они не позволяют регистрировать форму акустических сигналов из-за их узкополосности, кроме того, они обладают низкой точностью за счет искажения полезного сигнала помехами электрического и акустического происхождения.
Предлагаемое изобретение дает возможность устранить указанные выше недостатки, понизить уровень синфазных помех, повысить чувствительность в более широкой области частот и расширить функциональные возможности его использования.
/ .
Это достигается тем, что датчик снабжен протектором, который как и корпус, выполнен из ферромагнитного материала с нанесенным на их внешнюю поверхность защитного изолирующего покрытия; по крайней мере, одним пьезоэлементом, который выполнен в виде стержня с нанесенными на его основания электродами; двумя изолирующими прокладками, которые выполнены из диэлектрика и размещены между протектором и пьезоэлементом, с одной стороны, и пьезоэлементом и основанием конусного волновода, с другой стороны, причем материал прокладок взят с акустическим сопротивлением равным акустическому сопротивлению материала пьезоэлемента, а диаметр прокладок меньше основания конусного волновода и больше поперечного размера пьезоэлемента; кроме того, в корпус датчика введена цилиндрическая втулка, которая выполнена из компаунда, и имеет одно коническое отверстие в центре для размещения конусного волновода с углом при его вершине, причем внешняя поверхность конусного волновода и внутренняя поверхность конического отверстия втулки соединены между собой связующим веществом, и два боковых продольных отверстия, внутри которых размещены проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с двумя токопроводящими жилами коаксиального кабеля, экранирующая оплетка которого вместе с конусным волноводом, протектором и корпусом заземлена. нанесенным на его внешнюю поверхность тонкого слоя защитного
изолирующего покрытия, например, эпоксидная смола, лак цапон и т.п., позволяет избавиться от электромагнитных помех и защитить корпус датчика и протектор от агрессивных агентов окружающей среды.
Выполнение изолирующих прокладок из диэлектрического материала, например, керамики, кварца и т.п., с акустическим сопротивлением равным акустическому сопротивлению материала пьезоэлемента, повышает чувствительность, расширяет диапазон рабочих частот апериодического датчика.
Выполнение пьезоэлемента в виде стержня с нанесенными на его поверхность электродами, позволяет повысить чувствительность, а использование группы стержней, расположенных параллельно друг другу на жестко связанной с основанием конусного волновода изолирующей прокладке, повышает чувствительность в несколько раз.
Дополнительным преимуществом предлагаемого датчика является то, что угол при вершине конусного волновода, внешняя поверхность которого соединена с внутренней поверхностью конического отверстия втулки, определен из выражения
/  - V V
ч 7 3
4
TS-
a Aarcsm -
В
V / где К- безразмерный коэффициент, установленный в пределах от 2,0 до 3,5 в
зависимости от числа концентрических слоев конусного волновода и выбранных материалов демпфирующей системы;
А и В - волновые сопротивления материалов втулки и внешнего слоя конусного волновода соответственно.
Определение угла произведено на основании известного уровня техники.
В результате такого выполнения апериодического датчика существенно расширяется диапазон регистрируемых частот, уменьшается искажение формы сигнала и повышается чувствительность, что выгодно отличает предлагаемый датчик от прототипа.
На чертеже показан апериодический датчик для регистрации акустических сигналов.
Предлагаемый датчик состоит из корпуса 1, содержащем протектор 2, пьезоэлемент 3, с нанесенными на его поверхности электродами 4, две изолирующие прокладки 5, конусный волновод 6, цилиндрическую втулку 7 с двумя боковыми отверстиями 8, внутри которых размещены проводники 9, соединяющие электроды пьезоэлемента с кабелем 10, экранирующая оплетка которого вместе с корпусом, протектором и конусным волноводом заземлена.
Апериодический датчик работает следующим образом.
- - L / /L Л у 3
5 конусный волновод 6. Материал прокладок 5 взят с акустическим
сопротивлением равным акустическому сопротивлению материала пьезоэлемента 3, а толщина прокладок 5 и протектора 2 выбраны на порядок меньшими наименьшей длины регистрируемых акустических волн для предотвращения отражений на границах раздела используемых материалов. Материал прокладок взят с наименьшим значением относительной диэлектрической проницаемости для уменьшения возникающих емкостей между электродами 4 пьезоэлемента 3 и заземленным вместе протектором 2, конусным волноводом 6, корпусом 1 и экранирующей оплеткой кабеля 10. В результате прохождения акустического импульса через пьезоэлемент 3 на его электродах 4 в силу прямого пьезоэффекта наводятся различные по знаку электрические заряды. Соответствующие им напряжения, противоположные по знаку относительно заземления, содержат как полезную информацию, так и помехи. Далее электрические сигналы снимают известными средствами с помощью электрических проводников 9 и экранированного коаксиального кабеля 10, предварительно усиливают их с помощью широкополосных усилителей и подают на входы дифференциального усилителя, с которого сигнал поступает на регистратор.
Благодаря тому что на входы дифференциального силителя поступают сигналы противоположные по знаку и одинаковые по величине, электрические сигналы на выходе дифференциального усилителя соответствуют, во-первых , состоянию компенсации синфазных помех как электромагнитного, так и акустического происхождения и , во-вторых,
-  I  v V 6/ 6усилению сигнала, по крайней мере, в два раза. В случае размещения в
апериодическом датчике п пьезоэлементов чувствительность датчика может быть увеличена в 2п раза.
В результате того, что конусный волновод 6 выполнен многослойным и акустически связан с втулкой 7, изготовленной из вязкоупругого компаунда, получается система, выполняющая роль демпфера. Она представляет собой сложную диссипативную структуру, в которой происходят многократные процессы трансформации, рассеяния и поглощения акустических волн. В целом обратный сигнал от такого демпфера практически отсутствует в ультразвуковой области частот. Однако, в низкочастотной области он остается достаточно значительным. Сведение на нет доли отраженных сигналов, попадающих на пьезоэлемент, достигается за счет подбора материалов втулки и конусного волновода, при котором наиболее эффективно происходит затухание не только продольных и поперечных волн в объеме материалов, но и поверхностных акустических волн, возникающих на границах раздела демпфирующей системыв виде втулки и многослойного конусного волновода с углом при его вершине, определяемым по формуле:
Y А
а  К arcsm
где К- безразмерный коэффициент, изменяющийся в пределах от 2.0 до 3,5 в зависимости от числа концентрических слоев конусного волновода и выбранных материалов демпфирующей системы;
- - л-  ; У ч
i
7 А и В - волновые сопротивления материалов втулки и внешнего слоя
конусного волновода соответственно.
Выбор угла по предлагаемой формуле, обеспечивающей минимальное искажение формы акустического импульса при достижении максимальной чувствительности апериодического датчика, непосредственно связан с явлением полного внутреннего отражения акустических волн, при котором наиболее интенсивно происходит подавление ревербирационных помех в диссипативной структуре датчика.
В качестве материала втулки, выполненной из компаунда, могут быть взяты , например, эпоксидная смола, эбонит, текстолит и т.д., а в качестве материалов волновода - медь, латунь, бронза, сплав Вуда и др., что соответствует материалу пьезоэлемента, выполненного из пьезокерамики типа ЦТС, либо алюминий и его сплавы типа АМГ, которые соответствуют материалу пьезоэлемента, выполненного из кварца.
Наибольшей компактности апериодический датчик достигает при выборе материалов, например, медь, латунь, бронза, сплав Вуда - для конусного волновода и эпоксидная смола - для втулки. Именно при таком подборе материалов безразмерный коэффициент К достигает максимального предельного значения, т.е. К  3,5. Он принимает промежуточные значения, когда в качестве материала втулки использован эбонит при том же наборе материалов для конусного волновода, тогда К  3,2, а также при уменьшении числа слоев конусного волновода. Наименьшее предельное значение коэффициент К достигает в однослойном волноводе при К  2,0.
-л -7  -
L, С /- V. У
8 Использование демпфирующей системы в виде втулки и
многослойного конусного волновода с углом при его вершине, определяемым по приведенной формуле, и компенсация синфазных акустических и электромагнитных помех, наводимых на электродах пьезоэлемента, позволяют регистрировать форму акустических сигналов без искажений, расширить диапазон рабочих частот практически от 1 кГц до 10 МГц, повысить чувствительность более чем в два раза. Это расширит сферу применения апериодического датчика в дефектоскопии для регистрации сигналов акустической эмиссии с последующей количественной расшифровкой, а также для регистрации малых изменений давления, например, в системах гидростатического нивелирования.
2 //Ј7Л /3
9