Пьезоэлектрический преобразователь для приема сигналов акустической эмиссии

 

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРА ЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ АКУСТИ ЧЕСКОЙ ЭМИССИИ, содержащий пьезоэле мент с электродами на противоположных поверхностях и демпфер, отли чающийся тем, что, с целью повышения равномерности амплитудночастотной характеристики преобразователя , поверхность пьезоэлемента, прилегающая к демпферу, выполнена ременной кривизной, определяемой ношением OE U) - круговая частота; . ьо) - частотная характеристика преобразователя; а - амплитуда акустических колебаний; коэффициент пьезочувствительности; -скорость звука в.пьезоэлементе; -элемент площади основания пьезоэлемента; S« - площадь основания; Е - модуль Юнга; ( S) - функция, определяющая кривизну поверхности, прилегающей к демпферу.

СОЮЗ СОаЕТСНИХ сОЦИАлистичесних

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1196761 А (51) 4 госудАРстжнный комитет сссР

Г1О делАм изОБРетений и ОткРытий

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ с переменной кривизной, определяемой соотношением

К((и) =4E где ь

K(a ) с î

E (9) (21) 3764313/25-28 (22) 03.07.84 (46) 07.12.85. Бюл. В 45 (72) В.П. Стариков и В.И. Харитонов (53) 620.179.16(088.8) (56) Королев М.В., Карлинский Ю.А.

Расчет амплитудно-частотной и переходкой характеристик толстого апериодического пьезодатчика в режиме излучения. - Дефектоскопия, 1975, В 5. (54) (57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ПРИЕМА СИГНАЛОВ АКУСТИ

ЧЕСКОЙ ЭМИССИИ, содержащий пьезоэле.мент с электродами на противоположных поверхностях и демпфер, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения равномерности амплитудночастотной характеристики преобразонателя, поверхность пьезоэлемента, прилегающая к демпферу, выполнена круговая частота; частотная характеристика преобразователя; амплитуда акустических колебаний; коэффициент пьеSo%JJBcTBH тельности; скорость звука в.пьезоэлементе; элемент площади основания пьезоэлемента; площадь основания; модуль Юнга; функция, определяющая кри визну поверхности, прилегающей к демпферу.

1196761

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, качества изделий и может быть использовано для контроля методом акустической эмиссии, Цель изобретения — повышение равномерности амплитудно-частотной характеристики).

Ка фиг. 1 изображен пьезодатчик 1 у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции Ъ(9) (произвольная форма основания) с параметрами кривизны h 0,C на фиг. 2 — пьезопреобразователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции

) (г) (в форме тела вращения) с параметром кривизны n=-0;6 ; на фиг. 3 — график амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 1 и 2; на фиг. 4 — пьезопреобраэователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции $(S) (произвольная форма основания) с параметром кривизны ) =-6 ; на фиг. 5 — то же, профиль пьеэоэлемента задан в виде функции h() (в форме тела вращения) с параметром кривизны n=-6; на фиг. 6 — график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг ° 4 и 5; на фиг. 7 — пьезопреобразователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции .5(S), (произвольная форма основания) с параметром .кривизны п6 ; на фиг. 8 — то же, профиль пьезоэлемента задан в ви" де функции 1 ()(в форме тела вращения) с параметром кривизны .n=6 на фиг. 9 — график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 7 и 8; на фиг. 10 — график зависимости критерия равномерности АЧХ д" от параметра кривизны профиля пьезоэлемента tl и отмечены точки, соответствукнцие примерам конкретного исполнения (т. 5 соответствует параметру . кривизны п=-б,f и минимальному значению критерия равномерности т, 6 — пьезопреобразователю, изображенному на фиг. 4 и 5, с параметром кривизны,) -6 ; т. 7 — пьезопреобразователю, изображенному на фиг. 7 и 8, с параметром кривизны n=6 т. 8 — наиболее технопогичному в изготовлении пьезопреобразователю, изображенному на фиг. 11 и 12, с параметром кривизны . й=-1 ); на фиг..11 - пьезопреобразователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции 1 (5) (произвольная форма основания) с параметром кривизны n=-1; на фиг. 12 — то же, про5 филь пьезоэлемента задан в виде функции 1 (г) (в форме тела вращения) с параметром кривизны n -s на фиг. 13 — график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 11 и 12; на фиг. 14 — пьезопреобразователь, у которого пьезрэлемент состоит из двух ступеней 4=2,5 мм и Н=5 мм, а профиль задан в виде функции (произвольная форма основания); на

15 фиг. 15 - то же, профиль. задан в форме вращения в виде функций 1 ;(Ъ;); на фиг. 16 — график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 14 и

15 (для двухступенчатого пьезопреоб20 разователя в интервале частот сигнала акустической эмиссии эта частотная характеристика является оптимальной); на фиг. 17 — пьезопреобраэователь, у которого пьезоэлемент состоит из двух

25 ступеней с малым перепадом высот h=11 мм и Н=12 мм,а профиль задан в вйде функции % (S; ) (c произвольной формой основайия); на фиг. 18 — то же, профиль задан в виде функции

30 1 ; (г;) (в форме тела вращения); на фиг. 19 — график АЧХ пьезопреобраэо-, вателей, изображеннык на фиг. 17 и

18; на фиг. 20 - пьеэопреобраэователь, у которого пьезоэлемент состоит из двух ступеней с большим перепадом высот 4 1 мм и Н,= 20 мм, а профиль задан в виде функции 1 ;(51) (с произвольной формой основания); на фиг. 21 — то же, профиль задан в

4О виде функции Ъ; (>i ) (в форме тела вращения); на фиг. 22 — график АЧХ пьезопреобразователей, изображеннык на фиг. 20 и 21.

Пьезоэлектрический преобраэова45 тель сигналов акустической эмиссии содержит пьезоэлемент 1 с двумя активными поверхностями, электрод 2 на поверхности основания, принимающий ультразвуковые колебания, и

5О "электрод 3 на тыльной поверхности,, к которой прикреплен демпфер 4.

Пьезопреобразователь работает следюущим образом.

Акустические колебания от объекта контроля распространяются через основание пьезоэлемента 1, затем через тыльную поверхность и электрод 3 проходят без отражения в демпфер 4, 1196761

b(5)-f(t.) = где затухают. Знак и величина а максимальную тоящину H выбирают электрического заряда на электроде 2 иэ условия в каждый момент времени опреде )яются Нзнаком и величиной относительного сум- Я мин марного смещения поверхности основания пьезоэлемента. стороне пьезоэлемента няя границы рабочего диапазона частот. положительные и отрицательные полуволны акустических колебаний на раз-, В примерах 1-4 минимальная высота

Ь1 мм, максимальная высота Н=20 мм ных участках профилированной поверх- 10 мм, ности создают смещения разного зна- что соответствует диапазону сигнала акустической эмиссии 0,1-1,5 мГц. ф

3 образуются электрические заряды п -0,6. противоположного знака, а их суммарный заряд равен или бли к к

Профиль пьезоэлемента в виде функво всем рабочем диапазоне частот ультразвуковых колебаний. Это достигается выбором профиля пьезоэлемен- h(S)(- — (+20 ) =(1+ttt05 — ) мм. та.

В качестве примеров конкретного 20

Исполнения были изготовлены пьезоПьеэопреобразователь с таким профипреобразователи с различи форма- лем пьезоэлемента изобРажен на фиг.1 ° пьезоэлемента. Рассмотрим пьезоэлемент, у которого основа" ние плоское, а профиль тыльной по- 25 шется в виде верхности задан в виде функции о,ь

h(t )= 1+ 5,05- — - мм. )

1 о

S(1 Пьеэопреобразователь с таким профи„,. лем пьезоэлемента изображен на фиг.2. в ЗО

После подстановки этих выражений а также пьезоэлемент в форме тела

У в формулу K (ur) получают график вращения, профиль тыльной поверхнос- АЧХ, изображенный нв фиг. 3. ти которого задан в виде функции Пьезопреобразоввтель с пьезоэле1 ментами таких профилей с.параметром

З5 кривизны и — 0,6 имеет наиболее равног 4 мерную характеристику (cM. т. 5 на о фиг. 10).

Пример 2. h=1 мм, Н 20 мм, где 1 — минимальная толщина пьезоэлемента

40 Профиль пьезоэлемента квк функция

Н вЂ” максимальная толщина пьезоэлемента;

n — параметр, который задает (5) = 1 - — (1 ->o ) = ь 5 Ь

tt tl

S кривизну профиля пьезоэле-45 о мента, - ев 4 и 4+ив

При этом АЧХ для обоих пьезоэлементов одинакова. Изменяя параметр в широких пределах от нэ до -ев 50 можно получить пьезоэлемент различного профиля от плоского тонкого толщиной Ь до плоского толстого толщиной Н . Минимальную толщину Ъ пьезоэлемента выбирают из условия ,55 Ь=

С

2 макс

1+20 — = 1мЬНо— S1à ь5ь

Пьеэопреобразователь с таким профилем изображен нв фиг. 4.

Профиль пьезоэлемента в форме тела вращения как функция 6() saпишется в виде

),2 ь

5 (г) 1 64 1о мм.

1196761

6(}-, мм, . (,.)

Пьезопреобразователь с таким профилем пьезоэлемента изображен на фиг. 7.

Функция Ь(Г)профиля пьезоэлемента в форме тела вращения запишется

6(Г}=, 25

Пьезопреобразователь с таким профилем изображен на фиг. 8. АЧХ указанных пьезопреобразователей изображена на фиг. 9. Эти пьезопреобразо- 5О ватели с параметром кривизны,профилей п 6 имеют неравномерную АЧХ (см. т. 7 на фиг. 10).

Пример 4.h 1мм, Н =20мм, п -- -1. 35 функция профиля пьезоэлемента запишется в виде

Ъ®i%+ — (Н-Ъ } МЭ мм.

S S

s, а

Пьезопреобразователь с таким профилем пьезоэлемента изображен на фиг. 11 и имеет вид.клина.

Для пьезоэлемента в форме, тела вращения, имеющего вид двойного конуса (фиг. 12), справедлива„зависимость

5.. ХН1 ОФ. 7

50 о. имеем

1.

5в " о ° где 04Г4 g .. При -"0 . При r â Г 2 имеем1

Тогда

)1(}@1 ф — (Д-1 }в1 +

«(Н- Ъ) =1< 35 мм

"о

04Г 4

Z (Н-Ъ) = 6 в о

Пьезопреобразователь с таким профилем пьезоэлемента изображен на . фиг. 5.

На фиг. 6 приведена АЧХ укаэанных пьезопреобразователей; Эти пьезопреобразователи .с параметром кривизны профилей h =-6 ; имеют неравномерную АЧХ (eM. т. 6 на фиг. 10).

Пример 3. h = 1мм, Н = 20 мм 10

n=6.

Функция $(5 ) профиля пьезоэлеменга запишется s виде

h () имеет

r

" о

H-K — (H-Ц О Г- — го 2

Функция профиля вид

1 ()=

Г

r 2 — - (Нb) — «СГ4

) 2, О

Технология изготовления пьезоэлементов, указанных в этом примере, наиболее проста, а АЧХ,представленная на фиг. 13, незначйтельно отличается от оптимальной, что видно иэ сравнения т. 8 и 5 (фиг. 10).

В примерах 5 — 7 рассматриваются двухступенчатые датчики, у которых активные площади ступеней равны.

51=5i

H p и м е р 5. h = 2,5мм, Н 5мм.

На фиг. 14 изображен пьезопреобразователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции $(S),, на фиг. 15 - пьезоэлемент в форме тела вращения; на фиг. 16 — график

АЧХ пьезопреобразователей (фиг. 14 и 15). Пьезопреобразователи, изображенные на фиг. 14 и 15, имеют наиболее равномерную АЧХ в диапазоне частот сигнала акустической эмиссии.

Пример 6. h =11 мм, Н=12мм.

Высоты ступеней различаются незначительно. На фиг. 17 изображен датчик, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции h(5) . На фиг. 18 изображен тот же датчик, у которого профиль пьезоэлемента выполнен в форме тела вращения. На фиг.19 изображен график АЧХ указанных пьезопреобразователей. Их АЧХ неравномерна в диапазоне частот сигнала акустической эмиссии.

Пример 7. Ь = 1 мм,, Н = 20 мм.

Высоты различаются значительно. На фиг. 20 изображен преобразователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции h($) . На фиг. 21 изображен тот же преобразователь, у которого профиль пьезоэлемента выполнен в форме тела вращения.

На фиг. 22 изображен график АЧХ указанных пьеэопреобразователей. Их АЧХ не- . равномерна в диапазоне частот сигнала акустической эмиссии.

Предлагаемый пьезоэлектрический преобразователь позволяет улучшить равномерность АЧХ путем выбора оптимальной формы поверхности, прилегающей к демпферу.

11967б)

f, 4

Ф, ! ) 9676I

119б76!

/,Ф

4 вельда j; ееГц

Фас. Ф

> ice>6> р ° у ЮЮУВФФФФ fy И

Oat. u

Фю. Ю

3а

Фм. Ю..1196761

Составитель В. Риевкин

Техред С.Мигунова Корректор С. Шекмар

Редактор А. Шишкина

Филиал ППП "Патент", r. Уигород, ул. Проектная, 4

Заказ 7558/42 Тираа 896 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5