УЛЬТРАЗВУКОВОЙ НАКЛОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ULTRASOUND INCLINED CONVERTER

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля и может быть использовано для создания ультразвуковых преобразователей поверхностных волн, которые предназначены преимущественно для контроля железнодорожного полотна.
Дефектоскопия протяженных объектов низкочастотными поверхностными волнами имеет большое преимущество перед другими видами контроля из-за дальности распространения этого вида волн. Оно измеряется десятками метров.
Известные ультразвуковые преобразователи (УЗП) поверхностных волн [например, US Патент №2,536,128] содержат наклонную призму и закрепленный на ее наклонной поверхности пьезоэлемент. Такие преобразователи обычно используются для работы в мегагерцевой области частот. Пьезоэлемент излучает в призму продольную объемную волну, которая, достигая границы раздела призма - контролируемое изделие, генерирует в последнем поверхностную волну. Призма обычно выполняется из легких материалов, имеющих более низкие скорости объемной продольной волны по сравнению со скоростью возбуждаемой в материале волны. Для возбуждения поверхностной волны с заданными характеристиками можно использовать продольную объемную волну, распространяющуюся в призме. Для того чтобы стенки призмы не влияли на процесс распространения продольной волны, ее толщина - расстояние между боковыми гранями, берется значительно больше длины соответствующей продольной волны.
Известен ультразвуковой преобразователь поверхностных волн, описанный P.Cawley и M.J.Alleyne (Practical Longe Range Guided Wave Testing: Applications to Pipes and Rail. Materials Evaluation. Vol.61, 2003). Он также содержит наклонную призму и закрепленный на ее наклонной поверхности на равных расстояниях от боковых граней пьезоэлемент. Пьезоэлемент излучает в призму продольную объемную волну. В статье исследуются свойства такого преобразователя и рассматриваются его недостатки. Основным недостатком является увеличение его размеров при расширении диаграммы направленности в сторону низких частот. Например, для получения частоты, равной 50 кГц, с длиной волны, равной 60 мм, минимальная толщина призмы должна быть равна 180 мм, а для получения более удовлетворительных результатов ее размер должен быть равен 300 мм, так как для получения заданных характеристик толщина призмы должна быть не меньше 3-5 длин волн. Такие размеры неприемлемы для практического использования.
Задачей, решаемой изобретением, является разработка ультразвукового преобразователя поверхностных волн с приемлемыми для практического использования размерами при условии расширения диаграммы направленности в область низких частот.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый ультразвуковой преобразователь поверхностных волн, как и известный, содержит наклонную призму, на наклонной поверхности которой закреплен пьезоэлемент на равных расстояниях от боковых граней призмы. Но в отличие от известного в предлагаемом преобразователе толщина призмы соизмерима с длиной объемных волн в призме, обеспечивая проявление ее волноводных свойств для нормальных волн, а угол наклона призмы выбирают из условия преобразования нормальной волны моды S0 в поверхностную.
Достигаемый технический результат - расширение частотной характеристики преобразователя в области низких частот, имеющего геометрические размеры, приемлемые для его практического использования.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагается толщину призмы выбирать такой, при которой она будет вести себя как волновод - резонатор нормальных волн. Этим предлагаемое решение принципиально отличается от известного, где призма является только звукопроводом объемных волн. В предлагаемом решении толщину выбирают соизмеримой с длиной продольной волны в материале призмы. При такой толщине в призме может распространяться только нормальная волна, в частности нормальная волна моды S0.
Совокупность признаков, сформулированных в п.2 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой наклонный преобразователь, толщину призмы в котором определяют из следующего условия:
1.3<fd≤1.56, где d - толщина призмы в мм, f - излучаемая преобразователем частота в МГц.
При выполнении этого условия призму нужно рассматривать как волновод нормальной волны.
t
t
t
t
Известно, что оптимальный обмен энергиями между волнами в призме-волноводе и исследуемом объекте имеет место при значениях фазовой скорости, близкой (но не равной) к скорости поперечной волны в материале призмы-волновода. Например, для оргстекла произведение толщины призмы-волновода d и частоты колебаний f должно удовлетворять условию: fd<fd≤1.2·fd, где fd - значение произведения частоты в МГц на толщину призмы-волновода в мм при равенстве фазовой скорости продольной волны и скорости поперечной волны, fd - текущее значение произведения. Значение fdнаходится из решения трансцендентного уравнения Рэлея-Лэмба при равенстве вышеупомянутых скоростей:
t
Для оргстекла значение fd равно 1.3 МГц*мм и выбор толщины d при известной частоте f производится из условия 1.3<fd≤1.56, где частота f берется в мегагерцах, а толщина призмы d - миллиметрах. Для неразрушающего контроля чаще всего используют призмы из оргстекла. Параметры иных иногда используемых полимерных материалов, таких как капролон, поликарбонат, близки к параметрам оргстекла, и при их использовании указанный диапазон удовлетворяет условиям оптимальной работы.
Выбор соотношения между толщиной призмы и длиной волны обоснован соответствующими физическими явлениями.
При толщине d призмы меньше 1,3/f фазовая скорость Сф симметричной волны S0 близка к скорости пластинчатой волны (Сф≈(0.7-0.8)Cl). В этом случае эффективность возбуждения (приема) поверхностной волны резко снижается вследствие уменьшения волновых размеров области взаимодействия призмы-волновода и исследуемого объекта. Кроме того, из-за близости значений фазовой скорости Сф к скорости продольной волны Cl в материале призмы-волновода резко увеличивается угол наклона пьезоэлемента (до 55-60 градусов в случае возбуждения поверхностной волны).
При толщине d призмы больше 1,56/f фазовая скорость Сф симметричной волны S0 близка к скорости волны Рэлея Cr (Сф≈(0.9-0.99)Cr). Симметричная мода S0 вырождается в две волны Рэлея, распространяющиеся по соответствующим поверхностям призмы-волновода. Энергии этих волн Рэлея сосредоточены в тонких приповерхностных слоях толщиной примерно три десятых длины поперечной волны. Эффективность работы преобразователя в этом случае также существенно уменьшается. Зависимость фазовой скорости моды S0 от произведения fd показана на фиг.4.
Совокупность признаков, сформулированных в п.3 формулы изобретения, характеризует преобразователь, в котором угол наклона призмы преобразователя определяют по формуле:
, где
α - угол наклона призмы (пьезозлемента). Сгр - групповая скорость нормальной моды S0, Cr - скорость поверхностной волны (волны Рэлея) в контролируемом изделии.
Теоретически при соотношении частоты и толщины призмы, указанном в п.1 формулы изобретения, в волноводе могут распространяться следующие моды нормальных волн: две антисимметричные моды A0 и A1 и две симметричные S0 и S1.
Антисимметричные моды не возбуждаются при равной удаленности пьезоэлемента от боковых граней призмы. Именно поэтому пьезоэлемент расположен на равных расстояниях от боковых граней. Основная доля энергии колеблющегося пьезозлемента передается нормальной моде S0. В моде S1 нормальная составляющая смещения мала по сравнению с касательной и возбуждается весьма слабо. Объясняется это тем, что угол оптимального возбуждения волны Рэлея определяется по закону Снеллиуса по соотношению групповой скорости симметричной волны S0 в призме преобразователя и скорости возбужденной поверхностной волны в контролируемом изделии.
При оптимальном угле наклона пьезоэлемента мода S1, которая имеет групповую скорость, отличную от групповой скорости моды S0, в процессе возбуждения поверхностной волны практически не участвует.
Совокупность признаков, сформулированных в п.4 формулы изобретения, характеризует преобразователь, призма которого выполнена из оргстекла.
Оргстекло - это наиболее часто используемый материал призмы.
Из сравнения предлагаемого ультразвукового преобразователя и известного, принятого за прототип, видно, что в предлагаемом преобразователе толщина призмы соизмерима с длиной объемных волн в призме, а в известном толщина равна величине нескольких длин объемных волн.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1, 2 и 3 схематически изображены три проекции ультразвукового преобразователя;
на фиг.4 - кривая зависимости фазовой скорости нормальной волны от величины fd;
на фиг.5 - кривая зависимости угла наклона призмы от величины fd.
УЗП содержит наклонную призму-волновод 1, ширина излучающей поверхности которого равна d, определяемой соотношением 1.3<fd≤1.56, с приклеенным на его наклонной грани пьзоэлементом 2. Пьезоэлемент расположен на равных расстояниях от боковых граней 3 призмы для того, чтобы исключить возможность появления антисимметричных мод A0 и A1. В режиме излучения пьзоэлемент, на который воздействует электрическое напряжение, излучает в призму-волновод симметричную нормальную волну моды S0. Распространяясь в призме-волноводе, последняя достигает границы раздела призма - исследуемый объект. Угол наклона пьезоэлемента 2 выбирается таким образом, чтобы скорость следа нормальной волны S0 совпала со скоростью поверхностной волны исследуемого объекта. Нормальная мода S0 представляет собой совокупность двух пар неоднородных объемных волн - двух поперечных и двух продольных. На границе раздела наклонной призмы-волновода и контролируемого изделия каждой парой возбуждаются поверхностные волны. Вследствие того что в каждой паре имеется отличная от нуля составляющая вектора смещения объемных волн, перпендикулярная акустической оси призмы-волновода, направление распространения возбужденных поверхностных волн несколько отлично от направления, задаваемого призмой-волноводом. Одна из возбужденных поверстных волн отклоняется относительно акустической оси преобразователя в одну сторону (β), другая - в противоположную (δ) (фиг.3). За счет этого явления получаем широкую диаграмму направленности, в том числе охватывающую низкие частоты.
В зависимости от конкретных параметров результат сложения двух парциальных характеристик направленности каждой пары - суммарная характеристика направленности (фиг.3) - имеет или расширенный максимум, или небольшой минимум в направлении акустической оси.
В режиме приема поверхностная волна преобразуется в симметричную нормальную волну моды S0 в призме-волноводе. Последняя, достигая пьезоэлемента, генерирует на его обкладках электрическое напряжение.
Использование моды S0 позволяет создавать сравнительно малогабаритные преобразователи. Например, для преобразователя на 100 кГц можно использовать призму из оргстекла толщиной всего 15 мм. Угол наклона призмы равен 23,5 градуса.
При таком выборе угла наклона призмы мода имеет групповую скорость, существенно отличную от групповой скорости моды S1. Поэтому волна в полупространстве, связанная с модой S1, возбуждается очень слабо и в формировании поля поверхностный волны практически не участвует.