Ультразвуковой низкочастотный преобразователь
Ультразвуковой низкочастотный преобразователь. Полезная модель относится к области контрольно измерительной техники и может быть использована при дефектоскопии, структуроскопии, толщинометрии, а также для измерения плотности материалов, таких, например, как бетоны, пластики и горные породы. Перед авторами стояла задача создать ультразвуковой низкочастотный преобразователь с высокой чувствительностью более простыми конструктивными и технологическими приемами. Указанная задача и технический результат достигаются тем, что у ультразвукового низкочастотного преобразователя, содержащего корпус с расположенными внутри него вдоль акустической оси связанные между собой демпфирующее устройство и пьезоэлемент, имеющий поперечное сечение в форме круга, и акустически связанный с протектором, согласно полезной модели, протектор состоит из внутренней части, связанной с пьезоэлементом, и наружной части, имеющей конусообразную форму, акустическая ось которой смещена от акустической оси преобразователя на расстояние d/2±10%, где d - диаметр пьезоэлемента. Кроме того, высоту протектора и диаметр пьезоэлемента выбирают из соотношения 2>h/d>0,5, где h - высота наружной части протектора, а площади контактирующих поверхностей пьезоэлемента и внутренней части протектора соизмеримы.
Заявляемая полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использована при дефектоскопии, структуроскопии, толщинометрии, а также для измерения плотности материалов, таких, например, как бетоны, пластики и горные породы.
Известен ультразвуковой низкочастотный преобразователь (см. справочник «Неразрушающий контроль», т.3, «Ультразвуковой контроль» / И.Н.Ермолаев, Ю.В.Ланге. - Москва, «Машиностроение», 2004 г., стр.156-157, рис.2.14 «а»). Он содержит корпус с расположенными внутри него демпфером и пьезоэлементом. Демпфер представляет собой металлический диск, пьезоэлемент - пакет дисковой пьезокерамики. Протектор преобразователя сопряжен с корпусом со стороны излучающей поверхности пьезоэлемента и выполнен в виде металлического диска. Акустические оси преобразователя и протектора совпадают. Такое устройство может взаимодействовать с контролируемым объектом только при наличии жидкостного контакта, которым может быть, например, консистентная смазка, глицерин, технический вазелин. Грубая и пористая поверхность объекта обычно плохо смачивается контактной жидкостью, что препятствует созданию надежного акустического контакта. Необходимость обязательного жидкостного контакта создает неудобство в работе, увеличивает затраты времени на проведение испытаний, из-за дополнительных помех снижает отдачу преобразователя.
Надежную акустическую связь ультразвукового низкочастотного преобразователя с поверхностью объекта можно обеспечить без жидкостной среды, если площадь контакта сделать много меньше длины акустической волны (сухой точечный контакт). Ультразвуковые колебания от рабочей поверхности пьезоэлемента передаются к объекту контроля с помощью концентратора (протектора), плавно сужающегося в точку акустического контакта.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является ультразвуковой низкочастотный преобразователь прибора УК-14ПМ (см. Ежеквартальное журнальное обозрение «В мире неразрушающего контроля», №2 (32), июнь 2006 года, стр.43). Данное устройство содержит корпус с расположенными внутри него демпфером и пьезоэлементом. Демпфер представляет собой металлический диск, пьезоэлемент выполнен в виде пакета
пьезокерамики. Протектор преобразователя сопряжен с корпусом со стороны излучающей поверхности пьезоэлемента и выполнен в виде металлического конуса, причем образующая конуса может быть параболической. Протектор выполнен с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого изделия в точке, и имеет малые волновые размеры. Акустические оси преобразователя и протектора совпадают.
Достоинствами данного преобразователя является то, что он может работать без жидкостного контакта.
Недостатком преобразователей этого типа является то, что при их установке на объект по нормали к поверхности продольная волна практически не распространяется вдоль исследуемой поверхности. Поэтому, для формирования продольной волны преобразователи следует устанавливать под углом примерно 45°С к поверхности объекта, что приводит к существенному снижению уровня полезного сигнала и неустойчивости преобразователя. Для придания устойчивости преобразователи устанавливают на специальной ручке попарно примерно под углом 45°С навстречу друг другу. В такой конструкции конусные протекторы работают как волноводы, последние вносят при измерениях значительную аппаратную задержку сигнала (до 15-20 мкС).
Задачей создания заявляемой полезной модели является разработка более эффективного и удобного ультразвукового низкочастотного преобразователя.
Техническим результатом является повышенная отдача преобразователя, работающего в режиме излучателя, и повышенная чувствительность преобразователя, работающего в режиме приемника сигнала.
Указанная задача и технический результат достигаются тем, что у ультразвукового низкочастотного преобразователя, содержащего корпус с расположенными внутри него вдоль акустической оси связанные между собой демпфирующее устройство и пьезоэлемент, имеющий поперечное сечение в форме круга, и акустически связанный с протектором, согласно полезной модели, протектор состоит из внутренней части, связанной с пьезоэлементом, и наружной части, имеющей конусообразную форму, акустическая ось которой смещена от акустической оси преобразователя на расстояние d/2±10%, где d - диаметр пьезоэлемента.
Кроме того, высоту протектора и диаметр пьезоэлемента выбирают из соотношения 2>h/d>0,5, где h - высота наружной части протектора, а площади контактирующих поверхностей пьезоэлемента и внутренней части протектора соизмеримы.
Заявляемая полезная модель соответствует критерию «новизна», т.к. совокупность ее существенных признаков не известна из существующего уровня техники.
Она соответствует также критерию «промышленная применимость», т.к. возможно ее использование в экономике или любой другой сфере деятельности человека.
В сравнении с известными устройствами эффект акустического согласования обеспечивается более простыми конструктивными и технологическими приемами.
Выполнение протектора с внутренней частью, акустически связанной с пьезоэлементом, и наружной частью, имеющей конусообразную форму, акустическая ось которой смещена от акустической оси преобразователя на расстояние d/2±10%, где d - диаметр пьезоэлемента, и выбор высоты протектора и диаметра пьезоэлемента из соотношения 2>h/d>0,5, где h -высота наружной части протектора, позволяет выполнить преобразователь так, что протектор совершает поперечные колебания как жесткое тело, а не продольные, как волновод. В результате увеличивается мощность излучаемого сигнала, а уровень полезного сигнала при поверхностном прозвучивании повышается в более чем 3 раза. При этом излучающий и приемный преобразователи располагаются по нормали к поверхности.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен общий вид ультразвукового низкочастотного преобразователя.
Ультразвуковой низкочастотный преобразователь содержит металлический корпус 1, в который вмонтированы, например, вклеены соединенные, например, склеенные между собой демпфирующее устройство 2, пьезоэлемент 3 и внутренняя часть 4 протектора 5. Демпфирующее устройство 2 представляет собой металлический диск. Пьезоэлемент 3 выполнен из пакета 6 пластин пьезокерамики, имеющих в сечении форму круга, с диаметром - d. Внутренняя часть 4 протектора 5 представляет собой металлический диск. Демпфирующее устройство 2, пьезоэлемент 3 и внутренняя часть 4 протектора 5 расположены вдоль акустической оси 7 преобразователя. Площади контактирующих поверхностей пьезоэлемента 3 и внутренней части 4 протектора 5 соизмеримы. На расстоянии d/2±10% от акустической оси 7 преобразователя проходит акустическая ось 8 наружной части 9 протектора 5, которая выполнена конусообразной формы с вершиной 10. Наружная часть 9 и внутренняя часть 4 протектора 5 образуют единое целое или могут выполняться в виде склеенных друг с другом отдельных элементов. Высота
наружной части 9 протектора 5 - h. Размеры d и h выбирают из соотношения 2>h/d>0,5. Пространство между корпусом 1, демпфирующим устройством 2, пьезоэлементом 3 и внутренней частью 4 протектора 5 заполнено компаундом 11, представляющим собой, например, эпоксидную композицию. От пакета 6 пьезокерамики пьезоэлемента 3 отходят выводы преобразователя, которые соединены с выводами высоковольтного источника питания (на чертеже не показаны). Крышка корпуса 1 обозначена позицией 12.
Работа ультразвукового низкочастотного преобразователя осуществляется следующим образом.
Пара преобразователей (излучатель и приемник) устанавливают на контролируемый участок по нормали к поверхности с конусами, расположенными навстречу друг другу. После установки преобразователя, работающего как излучатель, вершиной 10 наружной части 9 протектора 5 на исследуемую поверхность изделия, к выводам преобразователя подводят импульс возбуждающего напряжения величиной от 100 до 1000 В. При этом, в пьезоэлементе 3 начинается генерация ультразвуковых сигналов на резонансной частоте от 20 до 150 кГц. Вершина 10 наружной части 9 протектора 5, контактирующая с исследуемым изделием, совершает колебания поперек продольной оси (на чертеже не показана) преобразователя, излучая продольные волны, которые проходят через исследуемый материал вдоль поверхности и поступают на ультразвуковой низкочастотный преобразователь, работающий как приемник продольных волн. Во время приема поперечные колебания вершины 10 наружной части 9 протектора 5 передаются на пакет 6 пластин пьезокерамики пьезоэлемента 3, образуя выходной сигнал преобразователя, являющийся результатом приема продольных волн, который снимается с выводов преобразователя. Излучатель и приемник ультразвуковых сигналов могут быть (для удобства в работе) связаны рукояткой с фиксированной базой 100-200 мм, или их удерживают на таком расстоянии руками. Приемник связан с прибором, который усиливает сигнал, фиксирует время прохождения сигнала и определяет скорость распространения сигнала. По величине скорости распространения сигнала судят о характеристиках исследуемого материала - прочности, плотности, модуле упругости.
Таким образом, предлагаемый ультразвуковой низкочастотный преобразователь является излучателем и приемником продольных ультразвуковых волн. Его протектор совершает поперечные колебания, преобразующиеся в продольные колебания пакета 6 пластин пьезокерамики, что позволяет
значительно повысить уровень полезного сигнала. При этом чувствительность устройства, выполненного из пары таких преобразователей, повышается в более чем 3 раза.
1. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь, содержащий корпус с расположенными внутри него вдоль акустической оси связанные между собой демпфирующее устройство и пьезоэлемент, имеющий поперечное сечение в форме круга, и акустически связанный с протектором, отличающийся тем, что протектор состоит из внутренней части, связанной с пьезоэлементом, и наружной части, имеющей конусообразную форму, акустическая ось которой смещена от акустической оси преобразователя на расстояние d/2±10%, где d - диаметр пьезоэлемента.
2. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что высоту протектора и диаметр пьезоэлемента выбирают из соотношения 2>h/d>0,5, где h - высота наружной части протектора.
3. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что площади контактирующих поверхностей пьезоэлемента и внутренней части протектора соизмеримы.
