Ультразвуковой преобразователь для исследования материалов с неплоской поверхностью

Использование: для ультразвукового исследования твердых материалов с плоской или неплоской поверхностью. Сущность: заключается в том, что ультразвуковой преобразователь, содержащий пьезопреобразователь и линию задержки в виде тела вращения, один торец которой является плоским и акустически связан с пьезопреобразователем, а другой торец является свободным и выполнен в форме выпуклого осесимметричного конуса с усеченной вершиной и сопряженного по диаметру его вершины цилиндрического углубления, причем больший диаметр конуса совпадает с диаметром линии задержки, в линии задержки выполнено отверстие, соединяющее боковую поверхность цилиндрического углубления на уровне его дна с боковой поверхностью линии задержки, а в области сопряжения вершины конуса и цилиндрического углубления выполнены одна или несколько канавок, перпендикулярных оси линии задержки. Технический результат: повышение точности измерения акустических характеристик твердого материала с неплоской поверхностью при сохранении ее целостности.

Полезная модель относится к физической акустике и может найти применение в медицинской биофизике, криминалистике и других областях, где проводятся исследования твердых материалов с натурной поверхностью.

Известен ультразвуковой преобразователь для исследования жидкостей и твердых материалов, содержащий пьезопреобразователь и акустически связанную с ним одним торцом цилиндрическую линию задержки, другой торец линии задержки является свободным, ограниченным поверхностью в виде выпуклого конуса с усеченной вершиной, причем больший диаметр конуса совпадает с диаметром линии задержки (Физическая акустика /Под ред. У. Мэзона. T.1, Ч.А // М.: Мир, 1966. - С.371-383).Указанный преобразователь не позволяет исследовать твердые материалы с неплоской поверхностью.

Известен ультразвуковой преобразователь для исследования жидкостей, отличие которого от предыдущего состоит в том, что в нем свободный торец линии задержки, предназначенный для размещения исследуемого материала, ограничен вогнутой поверхностью в виде конуса с усеченной вершиной и сопряженного по диаметру его вершины цилиндрического углубления, а больший диаметр конуса совпадает с диаметром линии задержки (SU 1188643А, опубл. 30.10.85. Бюл. 40). Недостатком этого преобразователя является узкая область применения, ограниченная возможностью акустического исследования только жидкостей.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому преобразователю является ультразвуковой преобразователь для комплексного акустического исследования материалов, содержащий пьезопреобразователь и акустически связанную с ним торцом линию задержки в виде тела вращения с ребристой боковой поверхностью, другой торец линии задержки является свободным, выполненным в форме выпуклого конуса с усеченной вершиной и сопряженного по диаметру его вершины цилиндрического углубления, причем линия сопряжения указанных поверхностей лежит в плоскости, перпендикулярной оси линии задержки, а больший диаметр конуса совпадает с диаметром линии задержки; кроме того в состав преобразователя введен осесимметричный колпачок с резьбой на внутренней части для сочленения с линией задержки со свободного торца, при этом колпачок снабжен осесимметричным цилиндрическим выступом на его внутренней части и шкалой кругового нониуса на его внешней части (RU 108847, опуб. 27.09.2011. Бюл. 27). Указанный преобразователь позволяет исследовать как жидкости, так и твердые материалы с плоской поверхностью. Однако он не позволяет исследовать твердые материалы с неплоской натурной поверхностью, в том числе - материалы, не допускающие механической обработки.

Целью заявляемой полезной модели является расширение области применения известного преобразователя - прототипа за счет обеспечения возможности исследования не только жидкостей, но и твердых материалов, причем не только с плоской, но и с неплоской поверхностью.

Техническим результатом для заявленной полезной модели выступает повышение точности измерения отражательных характеристик (коэффициента отражения ультразвуковых колебаний и акустического сопротивления) твердых материалов при сохранении у последних натурной поверхности, как плоской, так и неплоской.

Поставленная цель достигается за счет того, что предлагаемый ультразвуковой преобразователь для исследования материалов с неплоской поверхностью содержит пьезопреобразователь и линию задержки в виде тела вращения, один торец которой является плоским и акустически связан с пьезопреобразователем, а другой торец является свободным и выполнен в форме выпуклого осесимметричного конуса с усеченной вершиной и сопряженного по диаметру его вершины цилиндрического углубления, а больший диаметр усеченного конуса совпадает с диаметром линии задержки, причем в линии задержки выполнено отверстие, соединяющее боковую поверхность цилиндрического углубления на уровне его дна с боковой поверхностью линии задержки, а в области сопряжения вершины конуса и цилиндрического углубления выполнены одна или несколько канавок, перпендикулярных оси линии задержки.

Таким образом, у заявленной модели имеются совпадающие с прототипом существенные признаки: линия задержки в виде тела вращения, один торец которой является плоским и акустически связан с пьезопреобразователем, а другой конец торец является свободным, выполненным в форме выпуклого осесимметричного конуса с усеченной вершиной и сопряженного по диаметру его вершины цилиндрического углубления, а больший диаметр усеченного конуса совпадает с диаметром линии задержки. При этом у заявленной полезной модели в отличие от прототипа из состава исключен осесимметричный колпачок с выступом на его внутренней части и шкалой кругового нониуса на внешней части. Необходимость в колпачке отпадает, поскольку заявляемая модель не предназначена для акустического исследования жидкостей или твердых образцов с плоскопараллельными поверхностями, как это предусмотрено у прототипа. Также признак прототипа, касающийся ребристой (резьбовой) поверхности линии задержки, у заявленной полезной модели не является существенным, поскольку сочленение линии задержки с колпачком у нее отсутствует. При этом прототип не может обеспечить акустическое исследование твердых материалов с неплоской поверхностью, т.к. для этого необходимо скомпенсировать и исключить в расчетах влияние неровностей поверхности исследуемого материала на коэффициент отражения ультразвука от образца. Это можно сделать, повторив измерения с жидкостью, имеющей отличающиеся акустические характеристики, при сохранении неизменными других акустических условий, в первую очередь - позиции образца на ультразвуковом преобразователе. Для достижения этой цели и тем самым - обеспечения возможности акустического исследования твердого материала с неплоской поверхностью нами предложено производить замену иммерсионной жидкости с помощью, во-первых, отверстия, соединяющего боковую (наружную) поверхность линии задержки и внутреннее цилиндрическое углубление ее свободного торца, и, во-вторых, с помощью канавки (канавок), выполненных в области сопряжения вершины конуса и цилиндрического углубления на свободном торце линии задержки.

Таким образом, отличия заявляемого преобразователя от прототипа, состоят, во-первых, в том, что в линии задержки выполнено отверстие, соединяющее боковую поверхность цилиндрического углубления на уровне его дна с боковой поверхностью линии задержки; и, в-третьих, в том, что в области сопряжения вершины конуса и цилиндрического углубления выполнены одна или несколько канавок, перпендикулярных оси линии задержки. Перечисленные отличия обеспечивают расширение возможностей акустического исследования при помощи заявляемого преобразователя не только твердых плоскопараллельных образцов, как у прототипа, когда достаточно измерения с единственной жидкостью, но и твердых материалов с неплоской поверхностью: волнистой, шероховатой, ребристой, гофрированной и т.д. Кроме того, проведение у заявляемой полезной модели повторных акустических измерений при сохранении в неизменности геометрических условий опыта позволяет исключить существенный признак прототипа, состоящий в том, что линия сопряжения поверхностей конуса и цилиндра лежит в плоскости, перпендикулярной оси линии задержки.

На чертеже фиг. 1 схематически показана конструкция заявляемого ультразвукового преобразователя (вид в разрезе вдоль оси симметрии), на чертеже фиг. 2 показана конфигурация канавок на свободном торце линии задержки (вид сверху, выносной разрез), на чертежах фиг. 3-6 отражены последовательные этапы измерения акустических характеристик твердого материала с неплоской поверхностью (фиг. 3 - первый этап, фиг. 6 - последний).

Заявляемый ультразвуковой преобразователь (см. фиг. 1) состоит из пьезопреобразователя 1 и линии 2 задержки, которая своим плоским торцом 3 акустически связана (например, путем склейки) с пьезопреобразователем 1. Рекомендуется линию 2 задержки выполнять из прозрачного материала, например, оргстекла. Свободный торец линии 2 задержки ограничен выпуклой усечено-конической поверхностью 4, сопряженной по своему меньшему основанию с цилиндрическим углублением 5, а по своему большему основанию - с боковой поверхностью линии 2 задержки. Оптимальный для эффективной работы ультразвукового преобразователя угол между образующей конуса 4 и осью линии 2 задержки должен иметь величину 60±5°. Диаметр пьезопреобразователя 1 целесообразно устанавливать большим диаметра основания цилиндрического углубления 5, но меньшим диаметра линии 2 задержки. Между цилиндрическим углублением 5 и боковой поверхностью линии 2 задержки имеется отверстие 6, которое одним концом открывается в боковую поверхность углубления 5 на уровне его дна, а другим концом выходит на боковую поверхность линии 2 задержки. Удобно отверстие 6 выполнять горизонтальным, но оно может быть сделано и с небольшим наклоном вверх. Диаметр отверстия рекомендуется обеспечивать в пределах от 0,5 до 2 мм. В области сопряжения вершины конуса 4 и цилиндрического углубления 5 линии 2 задержки имеется канавка 7, ориентированная перпендикулярно оси симметрии линии 2 задержки и всего преобразователя в целом. Поперечный размер канавки и ее глубину рекомендуется задавать в пределах 1-2 мм. Проще всего канавку выполнить путем пропила по ребру области сопряжения конуса 4 и углубления 5. Таких канавок может быть несколько с равномерным распределением по периметру области сопряжения (например, четыре, как показано на фиг. 2).

Ультразвуковой преобразователь для исследования материалов с неплоской поверхностью работает следующим образом. Углубление 5 на свободном торце линии 2 задержки доверху заполняют иммерсионной жидкостью (на чертеже фиг. 1 не показана). С помощью электронной аппаратуры (на чертеже не показана), связанной с пьезопреобразователем 1, в последнем создают ультразвуковые колебания, которые излучают в линию 2 задержки в направлении ее свободного торца. Колебания 8 центральной части ультразвукового пучка после их падения на дно цилиндрического углубления 5, заполненного жидкостью (на чертеже фиг. 1 не показана), частично отражаются в обратном направлении вдоль оси ультразвукового преобразователя и после их приема пьезопреобразователем 1 преобразуются в эквивалентные электрические сигналы, которые поступают в электронную измерительную аппаратуру (на чертеже фиг. 1 не показана), где обрабатываются. Другая часть ультразвуковых колебаний центральной части пучка (на чертеже фиг. 1 не показана) проходит внутрь объема жидкости, заполняющей углубление 5 (на чертеже фиг. 1 не показана), и, дойдя до ее верхней границы, отражается в обратном направлении вдоль оси ультразвукового преобразователя. Дойдя до пьезопреобразователя 1, эти принятые ультразвуковые колебания преобразуются в эквивалентные электрические сигналы и поступают в электронную измерительную аппаратуру (на чертеже фиг. 1 не показана), где обрабатываются.

Колебания 9 краевой части ультразвукового пучка, излученного пьезопреобразователем 1 в материал линии 2 задержки, попадают на усеченно-коническую поверхность 4 линии 2 задержки и после ряда переотражений от встречающихся на их пути границ раздела сред подавляются, рассеиваются и в обработке сигналов в электронной измерительной аппаратуре не участвуют. Для ускорения рассеяния указанных паразитных колебаний 9 наружная боковая поверхность линии 2 задержки может быть выполнена ребристой, например, резьбовой.

При исследовании твердых материалов с неплоской поверхностью заявляемый ультразвуковой преобразователь работает следующим образом (см. фиг. 3-6). Вначале цилиндрическое углубление 5 в линии 2 задержки полностью заполняют жидкостью 10 с априорно известным акустическим сопротивлением Z₀₁. При этом обеспечивают строгую горизонтальность ее свободной поверхности. Жидкость не может вытечь из отверстия 6 в линии 2 задержки, а также - оттечь через канавку 7 по причине действия сил ее поверхностного натяжения. При необходимости указанные отверстия могут быть перекрыты небольшими пробками (на чертежах не показаны). После этого измеряют амплитуду A₀₁ принятого сигнала, соответствующего отражению ультразвука от свободной поверхности жидкости. Затем на вершину свободного торца линии 2 задержки помещают исследуемый образец 11 твердого материала с неплоской поверхностью и фиксируют его. Между неплоской поверхностью исследуемого материала 11 и заполняющей углубление 5 жидкостью 10 не должно появиться пузырьков воздуха. Если такие пузырьки возникнут, их выдавливают через канавку 7 (см. фиг. 1) с помощью шприца, заполненного той же жидкостью и введенного наконечником в отверстие 6 (на чертеже фиг. 1 не показан). Возможно применить и всасывание пузырьков воздуха через канавку 7 с помощью упомянутого шприца. Измеряют амплитуду А₁ принятого сигнала, соответствующего отражению ультразвука от границы «жидкость - образец» в осевом направлении ультразвукового преобразователя.

После этого полностью удаляют жидкость из цилиндрического углубления 5. Сделать это можно путем отсасывания этой жидкости через отверстие 6 вышеупомянутым шприцем. Затем, не меняя позиции исследуемого образца материала 11, заполняют цилиндрическое углубление 5 жидкостью 12 с априорно известным значением акустического сопротивления Z₀₂, отличающимся по величине от Z₀₁. Удобно это сделать с помощью другого шприца с новой жидкостью (на чертежах не показан), соблюдая все ранее описанные процедуры. Измеряют амплитуду А₂ принятого сигнала, соответствующего отражению ультразвуковых колебаний от границы раздела «образец - новая жидкость». После этого удаляют образец со свободного торца линии 2 задержки и, добавляя или убирая часть объема второй жидкости из углубления 5, формируют плоскую границу свободной поверхности второй жидкости. Измеряют амплитуду А₀₂ принятого сигнала, отраженного от указанной границы в осевом направлении ультразвукового преобразователя. После описанных процедур проводят расчет акустического сопротивления образца материала 11 согласно нижеприведенным разъяснениям.

Из общих акустических соображений очевидно, что

где R₁' и R₂ ' - парциальные амплитудные коэффициенты отражения ультразвуковых колебаний от границы «жидкость - исследуемый образец» в осевом направлении линии задержки для случаев жидкостей с акустическими сопротивлениями Z₀₁ и Z₀₂ соответственно,

остальные обозначения прежние. Знаки «минус» в выражения (1) введены для учета изменения фазы ультразвуковых колебаний на те при отражении от границы «жидкость - воздух». При этом положительные парциальные амплитудные коэффициенты отражения R₁' и R₂' связаны с идеальными физическими коэффициентами отражения R₁ и R₂ , обусловленными различиями акустических сопротивлений жидкостей и материала исследуемого образца, через коэффициенты К₁ и К₂ соответственно:

На величины коэффициентов К₁ и К₂ влияют два фактора, оба они обусловлены неплоским профилем поверхности исследуемого образца в границах падающего на него пучка ультразвуковых колебаний. Первый фактор - рассеяние части падающей энергии колебаний в неосевом направлении преобразователя. Второй фактор - различие акустических расстояний, проходимых ультразвуковыми колебаниями в объемах жидкостей при осевом направлении отраженных сигналов для случаев отсутствия и присутствия исследуемого материала.

Влияние первого из перечисленных факторов легко может быть исключено при учете, что конфигурация поверхности исследуемого материала остается идентичной при втором и третьем измерениях (см. фиг. 4 и 5), т.е. К₁=К₂ в этой части. Тогда, деля в выражении (1) первое равенство на второе, с учетом выражения (2), получим (обозначения прежние):

Влияние второго из перечисленных факторов не может быть исключено и остается методической ошибкой. Для ее уменьшения до пренебрежимо малой величины целесообразно подбирать жидкости с возможно большим различием акустических сопротивлений, но с возможно меньшим различием в них коэффициентов затухания ультразвуковых волн. Примером может служить пара ацетон - нитробензол, у которых акустическое сопротивление отличается округленно в два раза, а коэффициент затухания - на 12%.

Учитывая, что по формулам Френеля:

где Z_x - акустическое сопротивление исследуемого материала (остальные обозначения прежние), и деля в последнем выражении первое равенство на второе, при условии известности отношения R₁/R₂ из (3), получим одно квадратное уравнение с одним неизвестным. Решая его относительно Z_x, найдем

Знак перед радикалом выбран из физических соображений (Z_x>0).

Если же по условиям опыта необходимо провести акустическое исследование только твердого материала с плоской поверхностью или только жидкости, то, как очевидно, измерительные процедуры упрощаются по сравнению с выше описанными. Точность результатов измерений может быть повышена и при использовании эталонных образцов твердых материалов с плоской поверхностью с известным значением акустического сопротивления.

Заявляемый ультразвуковой преобразователь удовлетворяет требованию промышленной применимости, т.к. для его изготовления достаточно использовать стандартные технологические процессы точения, склейки, шлифования и т.п., а также известные технические материалы: металлы, пластмассы, пьезокерамику и т.д.

Ультразвуковой преобразователь для исследования материалов с неплоской поверхностью, содержащий пьезопреобразователь и линию задержки в виде тела вращения, один торец которой является плоским и акустически связан с пьезопреобразователем, а другой торец является свободным и выполнен в форме выпуклого осесимметричного конуса с усеченной вершиной и сопряженного по диаметру его вершины цилиндрического углубления, а больший диаметр конуса совпадает с диаметром линии задержки, отличающийся тем, что в линии задержки выполнено отверстие, соединяющее боковую поверхность цилиндрического углубления на уровне его дна с боковой поверхностью линии задержки, а в области сопряжения вершины конуса и цилиндрического углубления выполнены одна или несколько канавок, перпендикулярных оси линии задержки.