Многоканальный ультразвуковой преобразователь

Многоканальный ультразвуковой преобразователь содержит корпус, как минимум одну акустическую призму и приемоизлучающие пьезоэлектрические элементы. Внутри призмы, в пространстве между пьезоэлектрическими элементами и поверхностью призмы, примыкающей к объекту контроля, дополнительно размещен или сформирован по крайней мере один отражатель ультразвуковых импульсов, причем расстояние R между пьезоэлектрическими элементами и отражателем выбирается из условия R>CTo/2, где C - скорость упругой волны в материале призмы, То - длительность переходных процессов в электронно-акустическом тракте после воздействия зондирующего импульса. Отражатель/отражатели выполнен(ы) в виде, например, цилиндра/цилиндров, ось которого/которых перпендикулярна акустической оси пьезоэлектрических элементов, акустическая призма может быть выполнена, например, из жидкости, отделенной от объекта контроля звуко-прозрачной мембраной. В призму могут быть внедрены проволочные отражатели (иглы), позволяющие отразить некоторую небольшую часть излученной в призму энергии в направлении пьезоэлектрических элементов, и сформировать дополнительные опорные сигналы, по амплитуде которых можно судить об исправности и/или идентичности каналов электронно-акустического тракта. Отражатель/отражатели могут быть выполнены, например, в виде струн, из материала, акустический импеданс которого существенно отличается от импеданса жидкости, образующей призму.

Полезная модель относится к области ультразвукового контроля и может быть использована для автоматизированного или автоматического ультразвукового контроля труб, листового и сортового проката.

Известен ультразвуковой преобразователь, так называемый, «раздельно-совмещенный преобразователь» (PC), содержащий в одном корпусе две призмы, разделенные экраном, и с наклеенными на призмы активными элементами. На одну из призм обычно наклеивают только излучающие элементы (один или более), на другую - только приемные (один или более) [1].

Такая конструкция, а именно, наличие двух призм, разделенных электромагнитным и/или акустическим экраном, позволяет максимальным образом избавиться от так называемых реверберационных шумов, характерных для совмещенного преобразователя, и минимизировать «мертвую зону» вдоль направления излучения/приема. Как правило, такие преобразователи возбуждают и принимают ультразвук по направлению нормали к поверхности объекта контроля, и используются в основном для обнаружения дефектов, а так же при толщинометрии стенок труб, листов, а так же изделий, имеющих приблизительно параллельные друг другу поверхности. Эти поверхности отражают упругие волны в направлении излучения, которые регистрируются приемными элементами преобразователя, формируя информационные сигналы, по которым определяют исправность акустических и электронных каналов, наличие или отсутствие дефектов, толщину стенки, а так же состояние акустического контакта преобразователя с поверхностью объекта контроля.

Недостатком такого преобразователя является невозможность его использования для обнаружения дефектов, в общем случае непараллельных поверхности ввода ультразвука.

Известен ультразвуковой преобразователь, так называемый, «наклонный призматический преобразователь» (НП), содержащий корпус и находящуюся в нем призму с наклеенными на нее одним или несколькими активными приемо-излучающими элементами, возбуждающий и принимающий упругие колебания, как правило, под некоторым углом к поверхности объекта контроля. Такие преобразователи широко применяются в промышленности, например, при контроле труб, стенок сосудов, котлов, сварных соединений. Недостатком такого преобразователя является то, что в большинстве практических случаев конструкция такого преобразователя не обеспечивает наличие «опорных» сигналов, а значит, возникает сложность в определении исправности преобразователя и состоянии его акустического контакта с изделием [2, 3].

Особенно неприятной является ситуация, когда диагностика качества и целостности изделий осуществляется с помощью многоканальных систем автоматического ультразвукового контроля. Достоверность и техническая корректность контроля при отсутствии надежной информации о качестве акустического контакта, часто вызывает возражения со стороны инспектирующих организаций.

Известен ультразвуковой преобразователь, призма которого содержит по крайней мере одну дополнительную пьезо-пластину для излучения в металл продольных волн приблизительно в том же месте, где вводится основная поперечная волна. Эта дополнительная пластина предназначена для оценки акустического контакта призмы с объектом контроля, имеющего, параллельные или квази-параллельные участки поверхности, позволяющие сформировать с помощью продольных волн опорные сигналы. К таким объектам контроля могут быть отнесены трубы, конструкции из листового или сортового проката [4].

К недостаткам такого технического решения относится невозможность его применения для оценки исправности и идентичности основных каналов электронно-акустического тракта.

Известен ультразвуковой преобразователь, принятый нами за прототип, содержащий корпус, электрический кабель с разъемом, призму, выполненную, например, из органического стекла, смонтированный на ней набор акустически изолированных друг от друга пьезоэлектрических элементов, в котором набор пьезоэлектрических элементов сформирован на цельной пластине из пьезоэлектрического материала с низким значением взаимной акустической связи между соседними областями в направлении плоскости пластины, причем пластина имеет металлическое покрытие на обеих ее сторонах, а металлическое покрытие на одной из сторон пластины представляет собой, как правило, единственный, электрически цельный элемент, выполняющий функцию общего электрода, а металлическое покрытие на другой стороне пластины образует параллельные, электрически изолированные друг от друга элементы, длина которых приблизительно равна размеру пластины в месте расположения элемента, а ширина удовлетворяет условию: 10 ммH0,2 мм, причем количество элементов N, сформированных на пластине удовлетворяет условию: N=264. [5].

В известной полезной модели достигается усовершенствование конструкции преобразователя для повышения его эффективности и получения высоких направленных свойств за счет согласования формы ультразвуковой решетки преобразователя с геометрической формой призмы.

В известной полезной модели достигается повышение качества и достоверности автоматизированного ультразвукового контроля, снижение влияния «человеческого фактора», упрощение конфигурации, сокращение времени на настройку системы.

Однако, известный преобразователь не в состоянии с достаточной степенью надежности обнаруживать разнообразно ориентированные несплошности, поскольку количество эффективных направлений возбуждения и приема ультразвука в нем ограничено.

Целью настоящего изобретения - полезной модели является создание многоканального преобразователя, не только обладающего всеми характеристиками и положительными свойствами прототипа, но и позволяющего осуществлять проверку исправности и идентичности всех каналов электронно-акустического тракта.

Указанная цель достигается тем, что в многоканальном ультразвуковом преобразователе, содержащем корпус, как минимум одну акустическую призму, и приемоизлучающие пьезоэлектрические элементы, внутри призмы, в пространстве между пьезоэлектрическими элементами и поверхностью призмы, примыкающей к объекту контроля, дополнительно размещен или сформирован, по крайней мере, один отражатель ультразвуковых импульсов, причем расстояние R между пьезоэлектрическими элементами и отражателем выбирается из условия R>CTo/2, где C - скорость упругой волны в материале призмы, То - длительность переходных процессов в электронно-акустическом тракте после воздействия зондирующего импульса.

Цель достигается и тем, что отражатель/отражатели выполнен(ы) в виде цилиндра/цилиндров, ось которого/которых перпендикулярна акустической оси пьезоэлектрических элементов.

Достижению цели способствует так же то, что акустическая призма выполнена, например, из жидкости, отделенной от объекта контроля звуко-прозрачной мембраной, а отражатель/отражатели выполнены в виде, например, игл, из материала, акустический импеданс которого существенно отличается от импеданса жидкости, образующей призму. К таким материалам относится, например, стальная или медная проволока.

Полезный результат: ультразвуковой преобразователь, будучи подключенным к соответствующей генераторной/приемной электронной аппаратуре, позволяет в любой момент времени проверить исправность и идентичность любых каналов электронно-акустического тракта. Тем самым повышается надежность ультразвукового контроля, улучшается воспроизводимость его результатов.

Рисунки

Фиг.1, фиг.2 Возможный вариант преобразователя- полезной модели. В призмы внедрены проволочные отражатели (иглы), позволяющие отразить некоторую небольшую часть излученной в призму энергии в направлении пьезоэлектрических элементов, и сформировать дополнительные опорные сигналы, по амплитуде которых можно судить об исправности и/или идентичности каналов электронно-акустического тракта. Возможный вариант преобразователя - полезной модели. Отражатели выполнены в виде цилиндрических сверлений, материал заполнения которых существенно отличается по своему импедансу от материала призмы. В простейшем случае таким материалом может стать газ или воздух.

Фиг 3, фиг.4. Возможный вариант преобразователя - полезной модели. Призма выполнена из жидкости или геля. Отражатели выполнены в виде струн из материала, акустический импеданс которого существенно отличается от импеданса призмы.

Описание вариантов конструкции преобразователя.

Многоканальный ультразвуковой преобразователь содержит корпус 1, как минимум одну акустическую призму 2, и приемоизлучающие пьезоэлектрические элементы 3. Внутри призмы 2, в пространстве между пьезоэлектрическими элементами 3 и поверхностью П призмы 2, примыкающей к объекту контроля, дополнительно размещен или сформирован по крайней мере один отражатель 4 ультразвуковых импульсов, причем расстояние R между пьезоэлектрическими элементами и отражателем выбирается из условия R>CTo/2, где C - скорость упругой волны в материале призмы, То - длительность переходных процессов в электронно-акустическом тракте после воздействия зондирующего импульса.

Отражатель/отражатели 4 выполнен(ы), может (могут быть) в виде цилиндрических сверлений - пустот (условно не показаны) 5, ось которого/которых перпендикулярна акустической оси пьезоэлектрических элементов 3.

Акустическая призма 2 может быть выполнена, например, из жидкости, отделенной от объекта контроля звуко-прозрачной мембраной 6.

Отражатель/отражатели 4 могут быть выполнены, например, в виде цилиндров (игл) 7, из материала, акустический импеданс которого существенно отличается от импеданса жидкости, образующей призму.

Отражатель/отражатели 4 могут быть выполнены, например, в виде струн 8, из материала, акустический импеданс которого существенно отличается от импеданса жидкости, образующей призму.

Для установки игл 7 предусмотрены кронштейны 8. Для установки струн 9 предусмотрены кронштейны 10.

Источники информации

1. А.С. СССР 1534388

2. А.С. СССР 603896

3. Патент США 2,667,780

4. А.С. СССР 415572

5. Патент РФ 113585

1. Многоканальный ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус, как минимум одну акустическую призму и приемоизлучающие пьезоэлектрические элементы, отличающийся тем, что внутри призмы, в пространстве между пьезоэлектрическими элементами и поверхностью призмы, примыкающей к объекту контроля, дополнительно размещен или сформирован по крайней мере один отражатель ультразвуковых импульсов, причем расстояние R между пьезоэлектрическими элементами и отражателем выбирается из условия R>C·То/2, где C - скорость упругой волны в материале призмы, То - длительность переходных процессов в электронно-акустическом тракте после воздействия зондирующего импульса.

2. Многоканальный ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что отражатель/отражатели выполнен(ы) в виде, например, цилиндра/цилиндров, ось которого/которых перпендикулярна акустической оси пьезоэлектрических элементов.

3. Многоканальный ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что акустическая призма может быть выполнена, например, из жидкости, отделенной от объекта контроля звуко-прозрачной мембраной.

4. Многоканальный ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в призму внедрены проволочные отражатели (иглы), позволяющие отразить некоторую небольшую часть излученной в призму энергии в направлении пьезоэлектрических элементов, и сформировать дополнительные опорные сигналы, по амплитуде которых можно судить об исправности и/или идентичности каналов электронно-акустического тракта.

5. Многоканальный ультразвуковой преобразователь по п.3, отличающийся тем, что отражатель/отражатели могут быть выполнены, например, в виде струн, из материала, акустический импеданс которого существенно отличается от импеданса жидкости, образующей призму.