Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь для неразрушающего контроля торцов керамических изделий

Полезная модель относится к ультразвуковой измерительной технике, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям, и может быть использована при ультразвуковой дефектоскопии торцов изделий из керамических материалов.
Ультразвуковые преобразователи используются приборами неразрушающего контроля в качестве источников и приемников акустических волн с последующим их преобразованием в электрическую энергию. В основе действия преобразователей лежит пьезоэлектрический эффект.
Известен ультразвуковой наклонный преобразователь (SU 1325354 А1, G01N 29/04, 23.07.1987), обеспечивающий повышение чувствительности контроля путем уменьшения собственных шумов преобразователя. На противоположной грани призмы по ее высоте выполнен паз, ширина которого не превышает половины длины волны, а глубина составляет не менее четырех длин волн ультразвуковых колебаний в материале призмы, причем плоскость одной из боковых стенок паза совпадает с плоскостью, проходящей через акустическую ось преобразователя. Недостатком данного ультразвукового наклонного преобразователя является то, что его конструкция не позволяет эффективно контролировать трещины и прочие дефекты на торцах (кромках) изделий из керамических материалов ввиду наличия ложных сигналов от самих торцов. Один из таких сигналов может возникать в результате дифракционного рассеяния на ребре двухгранного угла и может быть принят за полезный (отражения от дефекта) или наложиться на полезный сигнал и в результате интерференции изменить его информативные характеристики.
Известен многоканальный ультразвуковой преобразователь (RU 136582 U1, G01N 29/00, 10.01.2014), содержащий корпус, находящиеся в нем как минимум две акустические призмы, разделенные электрическим и/или акустическим экраном, и наклеенные на призмы излучающие, приемные пьезоэлектрические элементы, организованные, как минимум, в две функциональные группы, расположенные на разных, не параллельных друг другу поверхностях призм. Указанная выше конфигурация позволяет осуществлять одновременное обнаружение дефектов с двух противоположных направлений как по нормали к поверхности, так и под углом к ней. Недостатком данного многоканального ультразвукового преобразователя является неэффективность его использования для обнаружения дефектов, расположенных на торцах (кромках) изделии из керамических материалов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь (RU 114786 U1, G01N 29/00, 10.04.2012), содержащий герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу. Линза выполнена с цилиндрической наружной поверхностью, обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов, причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси пьезоэлементов. Пьезоэлементы выполнены в виде сегментных пластин, обращены хордами к продольной оси преобразователя.
Недостатком указанного иммерсионного многосекционного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя, является невозможность его использования для контроля плоских торцов изделий, обусловленная не подходящей геометрической формой линзы.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение эффективности проводимого преобразователем контроля плоских торцов керамических изделий на наличие трещин и прочих дефектов.
Указанный технический результат достигается тем, что предложен ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь для неразрушающего контроля торцов керамических изделий, содержащий линзу и пьезоэлементы с демпфирующим покрытием со стороны неизлучающей поверхности, при этом акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, отличающийся тем, что линза выполнена из оргстекла и имеет две взаимно ортогональные контактные поверхности, в которые установлены три пьезоэлемента, каждый из которых имеет отдельный электрический разъем и расположен на расстоянии не менее величины ближней зоны преобразователя от поверхностей линзы в направлении своего излучения, при этом два пьезоэлемента установлены вдоль одной акустической оси напротив друг друга под углом 35-50 градусов к ортогональным поверхностям линзы, а третий пьезоэлемент расположен таким образом, чтобы акустическая ось была направлена под углом 90 градусов к линии пересечения ортогональных поверхностей.
Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь отличается тем, что величина ближней зоны прямо пропорциональна размеру пьезоэлемента и его рабочей частоте и определяется по формуле:
где N - длина ближней зоны; S - площадь пьезоэлемента;  - длина волны.
Заявленное техническое решение иллюстрируют фиг. 1-5, описанные далее.
На фиг. 1 и 2 представлены схемы контроля, при которой каждый пьезоэлемент 3 выступает в качестве источника и приемника (эхо-режим), где 1 - торец контролируемого изделия, 2 - линза, 3 - пьезоэлемент, 4 - демпфирующее вещество.
На фиг. 3 и 4 представлены схемы контроля, при которой, один из пьезоэлементов 3 выступает в качестве источника, а другой в качестве приемника (теневой режим).
На фиг. 5 представлен внешний вид ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, разработанного и изготовленного авторами, где а) - фронтальный вид; б) - вид снизу; в) - общий вид.
Ультразвуковая дефектоскопия, проведенная ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем по представленным схемам, с учётом контроля торца 1 изделия, позволяет осуществлять обнаружение дефектов, расположенных под произвольным углом к плоскости торца 1 и исключить влияние помех, вызванные трансформациями волн от ребра двугранного угла.
Линза изготовлена из оргстекла и выполняет роль призмы. Ортогональные поверхности корпуса обеспечивают плотное прилегание преобразователя как к плоскому прямоугольному торцу, так и к одной из образующих его сторон изделия, что позволяет осуществлять одновременный поиск дефектов с двух противоположных направлении, тем самым повысить эффективность проводимого контроля. Расположение пьезоэлементов под углом 35-50 градусов к ортогональным поверхностям корпуса необходимы для излучения и приёма ультразвуковых волн под углом к нормали в разных направлениях.
Удалённость пьезоэлементов 3 на расстояние не менее величины ближней зоны (зоны Френеля) преобразователя объясняется следующим. Оценивать дефекты, находящиеся в ближней зоне преобразователя, по амплитуде отраженных сигналов затруднительно и велика вероятность ошибиться в местоположении и числе дефектов. Это связано с неравномерным изменением амплитуды акустического поля в данной зоне, которое объясняется интерференцией сигналов. Величина ближней зоны прямо пропорционально размеру пьезоэлемента 3 и его рабочей частоте и определяется по формуле:
где N - длина ближней зоны;
S - площадь пьезоэлемента;
- длина волны.
2
Например, ближняя зона для пьезоэлемента 3 площадью 35 мм и рабочей частотой 1,25 МГц с линзой 2 из оргстекла составляет примерно 5 мм, для частоты 2,5 МГц составляет примерно 10 мм, для частоты 5 МГц составляет примерно 20 мм, для частоты 10 МГц составляет примерно 40 мм.
Осуществление полезной модели.
Преобразователь устанавливают на контролируемый торец изделия 1. С генератора дефектоскопа через электрический разъем и электроды (не показаны) подают на один из пьезоэлементов 3 электрические импульсы, которые преобразуются в импульсы упругих колебаний и распространяются в акустической призме 2. Упругие колебания через слой контактной жидкости проходят в торец контролируемого изделия 1. Часть колебаний отражается от дефектов торца 1 и принимается тем же (эхо-режим) либо другим (теневой режим) пьезоэлементом 3, как показано на фиг. 1-4 и 6. По величине принятого сигнала можно судить о размере обнаруженного дефекта.
Сущность полезной модели поясняется примерами.
2
Пример 1. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь с рабочей частотой 1,25 МГц содержит линзу 2 из оргстекла, в которую установлены три пьезоэлемента 3 площадью 35 мм, как показано на фиг. 1-4. Пьезоэлементы одной стороной присоединены к линзе с помощью эпоксидной смолы, а с другой покрыты смесью эпоксидной смолы с мелкодисперсным порошком свинца, выполняющей роль демпфирующего вещества. Пьезоэлементы 3 расположены на расстоянии 5,4 мм от поверхности линзы 2, соприкасающейся с торцом 1 изделия. Два пьезоэлемента 3 установлены под углом 45 градусов к ортогональным поверхностям линзы 2. Третий пьезоэлемент 3 расположен напротив пересечения ортогональных поверхностей линзы 2 таким образом, чтобы его акустическая ось была направлена под углом 90 градусов к линии пересечения ортогональных поверхностей линзы 2.
2
Пример 2. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь с рабочей частотой 5 МГц содержит линзу 2 из оргстекла, в которую установлены три пьезоэлемента 3 площадью 28 мм, как показано на фиг. 6. Пьезоэлементы 3 одной стороной присоединены к линзе с помощью акрил оксида, а с другой - покрыты смесью акрил оксида с мелкодисперсным порошком вольфрама, выполняющей роль демпфирующего вещества. Пьезоэлементы 3 расположены на расстоянии 17,3 мм от поверхности линзы 2, соприкасающейся с торцом 1 изделия. Один пьезоэлемент 3 установлены под углом 35 градусов, второй пьезоэлемент 3 установлен под углом 50 градусов к ортогональным поверхностям линзы 2. Третий пьезоэлемент 3 расположен напротив пересечения ортогональных поверхностей линзы 2 таким образом, чтобы его акустическая ось была направлена под углом 90 градусов к линии пересечения ортогональных поверхностей линзы 2.
Таким образом, заявленный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь может быть использован для проведения ультразвукового контроля торцов керамических изделий.