Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь

Полезная модель относится к ультразвуковой измерительной технике, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям и может быть использована при дефектоскопии и толщинометрии при исследовании различного рода материалов, в частности труб, металлического проката, пластиков и неоднородных материалов, таких например, как сварные конструкции. Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь содержит герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, сопряженную с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, последние выполнены в виде круглых, сегментных или прямоугольных пластин, имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя и акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, причем пьезоэлементы выполнены с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, электроды пьезоэлементов расположенные с одной стороны последовательно электрически соединены между собой, акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось преобразователя, а линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом. В результате достигается повышение достоверности контроля целостности контролируемого материала.

Полезная модель относится к ультразвуковой измерительной технике, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям и может быть использована при дефектоскопии и толщинометрии при исследовании различного рода материалов, в частности труб, металлического проката, пластиков и неоднородных материалов, таких например, как сварные конструкции.

Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус с протектором в виде усеченного конуса, пьезоэлемент и демпфер, размещенный в корпусе (см. заявку GB 2091520, кл. G01N 29/00, 28.07.1982).

Данный преобразователь создает в исследуемом материале только продольную волну и может быть использован только в области высоких частот, что сужает область его использования. Кроме того, для установки преобразователя на исследуемое изделие необходима смачивающаяся жидкость.

Известен раздельно-совмещенный преобразователь, в корпусе которого установлены под углом 45 градусов излучатель поперечной волны и приемный элемент (см. патент FR 2499248, кл. G01N 29/00, 06.08.1982)

Данный преобразователь работает в высокочастотной области и требует значительных усилий для обеспечения хорошего акустического контакта, что сужает область его использования.

Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является ультразвуковой многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, сопряженную с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов (см. патент RU 2082163, кл. G01N 29/24, 20.06.1997).

Данный преобразователь выполнен с возможностью использования преобразователя на шероховатой неподготовленной поверхности без использования клея и смачивающей жидкости при контактировании с поверхностью контролируемого изделия в точке или по линии и имеет малые волновые размеры. Однако данный преобразователь не может быть использован в качестве иммерсионного преобразователя, что сужает область использования преобразователя.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение длины рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя и расширение его диаграммы направленности.

Технический результат заключается в том, что достигается повышение достоверности контроля целостности контролируемого материала.

Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь содержит герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, сопряженную с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, последние выполнены в виде круглых, сегментных или прямоугольных пластин, имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя и акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, причем пьезоэлементы выполнены с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, электроды пьезоэлементов расположенные с одной стороны последовательно электрически соединены между собой, акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось преобразователя, а линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом.

Линза, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, может иметь толщину S напротив каждого из пьезоэлементов, равную

, где

- длина волны ультразвука в материале линзы;

с - скорость звука в материале линзы;

f - рабочая частота пьезоэлемента.

Линза может иметь клиновидную форму напротив каждого пьезоэлемента в плоскости продольного сечения проходящей через акустические оси пьезоэлементов, а толщина линзы в месте прохождения через нее акустической оси пьезоэлемента равна .

Линза может быть 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, линза имеет наименьшую толщину, равную /4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины цилиндрической поверхности пересекается с акустической осью соответствующего пьезоэлемента с увеличением толщины линзы в направлении от этой акустической оси.

Пьезоэлементы, выполненные в виде сегментных пластин, предпочтительно обращены хордами к продольной оси преобразователя.

Расположенные симметрично пьезоэлементы, предпочтительно, имеют попарно одинаковые электрофизические параметры, в частности резонансную частоту, скорость звука и коэффициент электромеханической связи, при этом они изготовлены из одного материала, предпочтительно, из одной пластины.

Корпус преобразователя может быть выполнен цилиндрическим, при этом на корпусе преобразователя, в частности в месте выполнения электрического разъема, выполнены две симметричные лыски под гаечный ключ для контроля положения пьезоэлементов преобразователя относительно контролируемого материала или изделия.

Электрический герметичный разъем образован вилкой и розеткой, при этом на части корпуса в месте расположения электрического герметичного разъема выполнена наружная резьба для герметизации фиксации вилки относительно розетки при подключении к преобразователю электрического кабеля.

Угол между акустическими осями расположенных симметрично пьезоэлементов, предпочтительно, составляет от одного до десяти градусов.

Выполнение толщины линзы равной позволяет добиться максимальной чувствительности пьезоэлектрического преобразователя за счет эффекта просветления.

Выполнение линзы с описанными выше клиновидными поверхностями позволяет сократить длительность эхоимпульса и увеличить соотношение сигнал/шум.

Выполнение линзы с цилиндрическими поверхностями, выполнения угла между акустическими осями расположенных симметрично пьезоэлементов, составляющим от одного до десяти градусов, и выполнение расположенных симметрично пьезоэлементов с попарно одинаковыми электрофизическими параметрами, в частности резонансной частотой, скоростью звука и коэффициентом электромеханической связи, а также изготовление их из одного материала, предпочтительно, из одной пластины, помимо приведенных выше качеств, позволяет обеспечить концентрацию энергии акустического поля в заданной области и, как следствие, добиться повышения достоверности контроля целостности контролируемого материала

На фиг.1 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя с двумя пьезоэлементами и линзой с цилиндрическими поверхностями.

На фиг.2 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя с пьезоэлементами и линзой с клиновидной формой напротив каждого пьезоэлемента.

Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь содержит герметичный корпус 1 с демпфирующим веществом 2, пьезоэлементы 3, установленные внутри корпуса 1 и расположенные в корпусе 1 симметрично относительно акустической оси 4 преобразователя, и линзу 5, сопряженную с пьезоэлементами 3 со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов 3.

Пьезоэлементы 3 выполнены в виде круглых, сегментных или прямоугольных пластин и расположены под острым углом к акустической оси 4 пьезоэлектрического преобразователя, при этом пьезоэлементы 3 имеют относительно продольной оси (совпадающей с акустической осью 4) преобразователя попарно одинаковую форму и выполнены с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему 6. Акустические оси 7 пьезоэлементов 3 пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя.

Вектор поляризации всех пьезоэлементов 3 направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества 2. Электроды пьезоэлементов 3 расположенные с одной стороны последовательно электрически соединены между собой. Акустические оси 7 всех пьезоэлементов 3 расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось 4 преобразователя. Линза 5 выполнена общей для всех пьезоэлементов 3 (см. фиг.1) или состоит из отдельных секций 8, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом (см. фиг.2).

Линза 5, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, может иметь толщину S напротив каждого из пьезоэлементов 3, равную

, где

- длина волны ультразвука в материале линзы 5;

с - скорость звука в материале линзы 5;

f - рабочая частота пьезоэлемента 3.

Линза может иметь клиновидную форму (см. фиг.2) напротив каждого пьезоэлемента 3 в плоскости продольного сечения проходящей через акустические оси 7 пьезоэлементов 3, а толщина линзы 5 в месте прохождения через нее акустической оси 7 пьезоэлемента 3 равна .

Линза 5 может быть выполнена с цилиндрической наружной поверхностью (см. фиг.1) обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов 3, причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси 7 пьезоэлементов 3, линза 5 имеет наименьшую толщину, равную /4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины линзы с цилиндрической поверхностью пересекается с акустической осью 7 соответствующего пьезоэлемента 3 с увеличением толщины линзы 5 в направлении от этой акустической оси 7.

Пьезоэлементы 3, выполненные в виде сегментных пластин, обращены хордами к продольной оси преобразователя.

Расположенные симметрично пьезоэлементы 3 имеют попарно одинаковые электрофизические параметры, в частности резонансную частоту, скорость звука и коэффициент электромеханической связи, при этом они изготовлены из одного материала, предпочтительно, из одной пластины.

Корпус 1 преобразователя выполнен цилиндрическим, при этом на корпусе 1 преобразователя, в частности в месте выполнения электрического разъема 6, выполнены две симметричные лыски (не показаны на чертежах) под гаечный ключ для контроля положения пьезоэлементов 3 преобразователя относительно контролируемого материала или изделия.

Электрический герметичный разъем 6 образован вилкой и розеткой, при этом на части корпуса 1 в месте расположения электрического герметичного разъема 6 выполнена наружная резьба для герметизации фиксации вилки относительно розетки при подключении к преобразователю электрического кабеля.

Угол между акустическими осями 7 расположенных симметрично пьезоэлементов 3 составляет от одного до десяти градусов, причем именно в данном диапазоне углов удалось добиться совпадения амплитуд колебаний продольной волны и, как следствие, концентрации энергии акустического поля в заданной области, что и позволило добиться повышения достоверности контроля целостности контролируемого материала.

Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

После установки преобразователя в жидкости линзой 5 над поверхностью контролируемого материала к выводам электрического герметичного разъема 6 подводят возбуждающее напряжение или в случае приема ультразвуковых колебаний снимают с этих выводов принятый сигнал. В режиме излучения, благодаря последовательному подключению одноименных электродов пьезоэлементов 3 к соответствующим выводом разъема 6, пьезоэлементы 3 колеблются синфазно, излучая в жидкость продольные волны. Волновой фронт достигает поверхности контролируемого объекта и, в зависимости от угла падения, формирует в нем фронт продольных или поперечных волн. При встрече этого фронта с неоднородностью материала или дефектом, формируется отраженный эхоимпульс.

В режиме приема отраженные волны принимаются всеми пьезоэлементами 3 или их частью и, благодаря последовательному соединению одноименных электродов образуют выходной электрический сигнал на выводах разъема 6.

Размещение пьезоэлементов 3 описанным выше способом в сочетании с выполнением их в виде круглых, сегментных или прямоугольных пластин с попарно одинаковой формой позволяет увеличить длину рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя и расширить его диаграмму направленности, что в конечном итоге позволяет добиться повышения достоверности контроля целостности контролируемого материала.

Иммерсионный тип контакта преобразователя с контролируемым объектом дает возможность контролировать материалы с шероховатой поверхностью (например, отливки) и длинномерные изделия, а также увеличить срок службы преобразователя.

Возможность концентрации энергии акустического поля в заранее определенной рабочей зоне обеспечивает повышение достоверности контроля в массивных изделиях.

Расширение диаграммы направленности обеспечивает возможность обнаружения произвольно ориентированных дефектов.

Настоящая полезная модель может быть использована для дефектоскопии и толщинометрии материала конструкций в машиностроении, трубопроводном и железнодорожном транспорте.

1. Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, сопряженную с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, отличающийся тем, что пьезоэлементы выполнены в виде круглых, сегментных или прямоугольных пластин, имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя, и акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, причем пьезоэлементы выполнены с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, электроды пьезоэлементов, расположенные с одной стороны последовательно, электрически соединены между собой, акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось преобразователя, а линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например, клеем или полимерным компаундом.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что линза, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, имеет толщину S напротив каждого из пьезоэлементов, равную

,

где - длина волны ультразвука в материале линзы;

с - скорость звука в материале линзы;

f - рабочая частота пьезоэлемента.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что линза имеет клиновидную форму в плоскости продольного сечения, проходящей через акустические оси пьезоэлементов, а толщина линзы в месте прохождения через нее акустической оси пьезоэлемента равна .

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что 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, линза имеет наименьшую толщину, равную /4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины линзы с цилиндрической поверхностью пересекается с акустической осью соответствующего пьезоэлемента с увеличением толщины линзы в направлении от этой акустической оси.

5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлементы, выполненные в виде сегментных пластин, обращены хордами к продольной оси преобразователя.

6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что расположенные симметрично пьезоэлементы имеют попарно одинаковые электрофизические параметры, в частности резонансную частоту, скорость звука и коэффициент электромеханической связи, при этом они изготовлены из одного материала.

7. Преобразователь по п.6, отличающийся тем, что расположенные симметрично пьезоэлементы изготовлены из одной пластины.

8. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что корпус преобразователя выполнен цилиндрическим.

9. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электрический герметичный разъем образован вилкой и розеткой, при этом на части корпуса в месте расположения электрического герметичного разъема выполнена наружная резьба для герметизации фиксации вилки относительно розетки при подключении к преобразователю электрического кабеля.

10. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на корпусе преобразователя выполнены две симметричные лыски под гаечный ключ для контроля положения пьезоэлементов преобразователя относительно контролируемого материала или изделия.

11. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что угол между акустическими осями расположенных симметрично пьезоэлементов составляет от одного до десяти градусов.