Ультразвуковой контактный преобразователь
Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля. Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности и достоверности измерений за счет выбора формы и соотношения размеров преобразователя. В преобразователе осесимметричная пьезопластина установлена на контактном блоке с двумя предназначенными для контакта со средой гладкими поверхностями: первой - параллельной пьезопластине и второй - в виде боковой поверхности усеченного конуса или пирамиды под углом 135° к первой. Гладкие поверхности блока вводят в контакт со средой . Пьезопластина излучает колебания, которые отражаются от первой поверхности сразу обратно к пьезопластине. а также отражаются от одной стороны второй поверхности к другой ее стороне и только затем к пьезопластине благодаря тому, что в основании , образующей вторую поверхность пира миды, лежит выпуклый осесимметричнь.й 2п-угльник (п 2, 3, ...). Отраженные колебания принимают пьезопластиной, измеряют их параметры и с их помощью определяют свойства исследуемой среды. 1 п.з.ф-лы, 1 ил. (Л С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУбЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ пРМ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4633627/28 (22) 09.01.89 (46) 30,10.92. Бюл. ¹ 40 (71) Научно-исследовательский институт физической и органической химии при Ростовском государственном университете (72) П.О.Липовко-Половинец (56) 1, Физическая акустика, т.1, ч,А, M„ Мир. 1966, с. 371 — 386. 2. Авторское свидетельство СССР № 1073693, кл. G 01 N 29/00, 1982 (прототип). (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля. Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности и достоверности измерений за счет выбора формы и соотношения размеров преобразователя. В преобразователе осесимметричная пьезопластина Изобретение относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано при исследовании жидкостей и неразрушающем контроле твердых материалов. Известен ультразвуковой контактный преобразователь для неразрушающего контроля, содержащий пьезопластину и акустически связанную с ней линию задержки в форме цилиндра с гладкой боковой поверхностью. Известен также ультразвуковой контактный преобразователь для исследования жидкостей с линией задержки в форме цилиндра с ребристой боковой поверхностью и сопряженного с ним усеченного конуса с гладкими поверхностями. причем угол меж(БЫ, 1772721 А1 установлена на контактном блоке с двумя предназначенными для контакта со средой гладкими поверхностями: первой — параллельной пьезопластине и второй — в виде боковой поверхности усеченного конуса или пирамиды под углом 135 к первой. Гладкие поверхности блока вводят в контакт со средой, Пьезопластина излучает колебания, которые отражаются от первой поверхности сразу обратно к пьезопластине. а также отражаются от одной стороны второй поверхности к другой ее стороне и только затем к пьезопластине благодаря тому, что в основании, образующей вторую поверхность пирамиды, лежит выпуклый осесимметричнь;й 2п-угльник (п = 2, 3, ...). Отраженные колебания принимают пьезопластиной, измеряют их параметры и с их помощью определяют свойства исследуемой среды. 1 п.э,ф-лы, 1 ил. ду боковой поверхностью конуса и его меньшим основанием составляет 150, Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой контактный преобразователь для измерения акустических параметров биологических сред, содержащий две компланарные пьезопластины и акустически связанный с ними контактныи блок в форме призмы с двумя предназначенными для контакта со средой гладкими поверхностями, одна из которых параллельна пьезопластинам, а другая составляет с ней тупой угол. Недостатком указанного преобразователя является сложность конструкции, определяемая необходимостью использования двух пьезопластин, размеры которых, а так1772721 из соотношения (1) же расстояния пластин от грани призмы и между собой находятся в сложных математических соотношениях с геометрическими параметрами контактного блока. Такая конструктивная сложность известного преобразователя снижает точность измерений вследствие неизбежных погрешностей технологии и уменьшает достоверность результатов из-за несовпадения резонансных частот пьезопластин и проникновения на приемную пластину трансформированных при отражении параэитных акустических колебаний. Целью изобретения является упрощение конструкции преобразователя и повышение точности и достоверности измерений акустических параметров сред. Ожидаемый от использования изобретения положительный эффект состоит в экономии пьезоматериалов, упрощении технологии изготовления ультразвукового .преобразователя при одновременном улучшении метрологических характеристик последнего. Поставленная цель достигается эа счет того, что ультразвуковой контактный преобразователь для измерения акустических параметров сред содержит пьезопластину и акустически связанный с ней контиактный блок с двумя предназначенными для контакта со средой гладкими поверхностями, одна иэ контактных поверхностей параллельна пьезопластине, а вторая образует с ней угол 135 и выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса или пирамиды, в основании которой лежит выпуклый осесимметричный 2п-угольник (и = 2, 3, ...), пьезопластина выполнена осесимметричной и установлена на блоке так; что ее ось симметрии совпадает с осью симметрии второй контактной поверхности, а поперечные размеры D контактного блока и Г4 пьезопластины выбирают иэ условий 2Н+ d > D|2tg(д — P )+ 1) (1) Оо> 0 где Н вЂ” расстояние от пьезопластины до первой контактной поверхности, d — поперечный размер первой контактной поверхности, P = arcsin(C ICI V2), Ci и С вЂ” соответственно скорости распространения продольных и поперечных колебаний в материале контактного блока, Таким образом, отличия предлагаемого преобразователя от прототипа. состоят в том, что угол между контактными поверхностями устанавливают 135, а пьезопластину и вторую контактную поверхность выполняют осесимметричными и располагают соос10 1.5 55 но, причем последнюю выполняют в виде усеченных конуса или пирамиды с 2п боковыми гранями, а поперечные размеры контактного блока и пьезопластины выбирают Дополнительным отличием предлагаемого преобразователя от прототипа является то, что боковую поверхность контактного блока выполняют рассеивающей. Нэ чертеже представлена конструкция и ход лучей в ультрафиолетовом контактном преобразователе (продольный разрез вдоль оси симметрии), Ультразвуковой контактный преобразователь состоит из пьезопластины 1 и контактного блока 2, акустически связанных друг с другом, Контактный блок 2 включает боковую поверхность 3, выполненную рассеивающей, например ребристой, и две гладкие поверхности 4 и 5, предназначенные для контакта с исследуемой средой (на чертеже не по:;азана), Поверхность 4 параллельна пьезоп1астине 1, а поверхность 5 составляет с поверхностью 4 угол 135, В свою очередь, поверхность 5 выполнена в форме боковой поверхности усеченного конуса, сопряженного C цилиндрической частью контактного блока 2, Такал форма контактного блока наиболее технологична и проста. Возможно выполнение поверхности 5 в виде боковой поверхности усеченной пирамиды с 2п гранями. В этом случае боковую поверхность 3 контактного блока 2 также выполняют 2п-гранной. Высота H и поперечный размер D контактного блока 2, а также размеры Do пьезопластины и d контактной поверхности 4 соотносятся друг с другом согласно выражениям (1). Рационально выбирать размер 00 пьеэопластины близким к размеру D контактного блока, Ультразвуковой контактный преобразователь работает следующим образом. Пьезоплэстина 1 излучает внутрь контактного блока 2 продольные ультразвуковые колебания. При этом центральная часть б этих колебаний падает нормально на контактную поверхность 4 блока 2 и, отражаясь от нее назад, возвращается к пьеэопластине 1, принимается ей и далее в форме электрического сигнала поступает в электроизмерительную аппаратуру (на чертеже не показана), связанную с пьезопластиной 1. Краевая часть 7 излученных колебаний падает под углом 45 на контактную поверхность 5 блока 2 и после переотражения от симметричного участка последней также достигает пьезоплэстины 1, преобразуется в электрический сигнал и поступает в электроизмерительную аппара1772721 50 волн: б) Сх = С1 2 туру. Вследствие наклонного падения рассматриваемых колебаний на контактную поверхность 5 часть падающей энергии трансформируется в энергию поперечных колебаний (на чертеже показаны пунктиром), распространяющихся под углом Р отражения от контактной поверхности 5. В соответствии с установленными по соотношениям (1) размерами контактного блока эти колебания рассеиваются на его боковой поверхности 3 и достигают пьезопластины 1 пренебрежимо малыми; таким образом в дальнейшей работе устройства участия не принимают. Измерение акустических параметров сред с помощью ультразвукового контактного преобразователя осуществляют следующим образом, Вначале излучают ультразвуковые колебания в импульсном режиме внутрь блока 2, граничащего контактными поверхностями 4 и 5 с воздухом. В этом случае вся энергия падающих колебаний испытывает отражение от контактных поверхностей и, частично поглощаясь в материале контактного блока 2, принимается пьезопластиной 1. Измеряют амплитуды Ао и Во сигналов, отраженных соответственно от контактных поверхностей 4 и 5 блока 2,. Затем осуществляют акустический контакт ультразвукового преобразователя с исследуемой средой, например, жидкой (на чертеже не показана), по всей площади контактных поверхностей 4 и 5 блока 2, Повторяют процедуру измерений при сохранении остальных условий опыта и получают соответствующие значения А1 и В1 амплитуд принятых сигналов. Эти значения будут меньше значений Ао и Во вследствие частичного преломления энергии падающих колебаний внутрь исследуемой среды. Измеренные значения амплитуд Ао, Во, А1, 81, а также известные, например, из таблиц, акустические характеристики материала контактного блока 2 используют для нахождения параметров Zx, р» и С» соответственно акустического сопротивления и плотности среды и скорости звука в ней на основе следующих математических соотношений: а} Z» =Zl (2) Ао +А1 где Z — акустическое сопротивление материала контактного блока для продольных 43 45 где.С1 — скорость продольных волн в материале контактного блока, М = sin 2/3 2 2 cos cos а cos 2P; N= sin 2P+ cos 2P; cos cos а,В = агсз! п(Са/С 1Г2 );а = 45; Z и C — соответственно акустическое сопротивление материала контактного блока для поперечных волн и скорость в нем последних: в)p< = —. (4) Zx С» Расчеты по соотношениям (2) — (4) выполняются согласно указанной последовательности действий с учетом соотношения фаз зарегистрированных си.гналов, Экспериментальная апробация ультразвукового контактного преобразователя с размерами (в мм) 0 = Оо = 15, Н = 12, б = 11, с контактным блоком из органического стекла, на рабочей частоте 2,5 МГц и при длительности импульса 2 мкс позволила с помощью серийной аппаратуры (ультразвуковой дефектоскоп ДУК вЂ” 66 и электронный осциллограф С1 — 74) определить акустические параметры дистиллированной воды со следующим расхождением от табличных значений: длЯ Zx 0 ; длЯ Cx -1 7о, дл Я Р», +1, Таким образом, предложенный ультра звуковой контактный преобразователь позволяет на основе простой конструкции и минимального количества пьезоматериалов с высокой точностью определять одновременно акустическое сопротивление и плотность исследуемой среды и скорость распространения в ней ультразвука. Данный ультразвуковой контактный преобразователь может также применяться при неразрушающем контроле твердых материалов, например, в ультразвуковой дефектоскопии. В этом случае контактный блок 2 (см,рис.1) по площади контактной поверхности 4 прижимают к исследуемому изделию (на чертеже не показано) либо через тонкий слой контактной жидкости, либо (если позволяют акустические условия) без нее (сухой контакт). Как вариант, возможно полное покрытие поверхности 5 удерживаемой на ней жидкостью, например, магнитной. С помощью злектроизмерительной аппаратуры (на чертеже не показана), связанной с преобразователем, излучают через контактный блок 2 внутрь изделия акустические колебания и принимают отраженные от неоднородностей сигналы, по которым 1772721 Составитель П,Липовко Техред М.Моргентал КорректорМ,Максимишинец Редактор Заказ 3842 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 судят о наличии и размере дефектов в контролируемом изделии. При этом пьезопластиной 1 будут приниматься и сигналы от свободной (или покрытой жидкостью) контактной поверхности 5 и от поверхности 4, контактирующей с изделием, По величинам этих сигналов и их соотношению можно с высокой помехозащищенностью контролировать стабильность как акустического контакта между преобразователем и изделием, так и. режима работы радиоаппаратуры. Формула изобретения Ультразвуковой контактный преобразователь, содержащий пьезопластину и акустически связанный с ней KQHTBKTHblA блок с двумя предназначенными для контакта со средой гладкими поверхностями, одна из контактных поверхностей параллельна пьеэопластине. а вторая — образует с ней угол, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения точности и достоверности измерений, вторая контактная поверхность образует с первой угол 135О и выполнена в виде боковой поверхности усеченных конуса или пирамиды, в основании которой лежит выпуклый осесимметричный (2п)-угольник (n = 2, 3, ...), пьезопластина выполнена асесимметрич5 ной и установлена на блоке так, что ее ось симметрии совпадает с осью симметрии второй контактной поверхности, а поперечный размер О контактного блока и Оо пьезопластины выбирают из условий: 2Н+d > O(2 g(-P)+13. Do>d где Н вЂ” расстояние от пьезопластины до первой контактной поверхности, 15 d — поперечный размер первой контактной поверхности P= агсз!п(Сс/Ci V2), С>, 5 — скорости распространения.продольных и поперечных колебаний в матери20 але блока соответственно. 2, Преобразователь по и. 1, о т л и ч а юшийся .тем, что боковая поверхность контактного блока выполнена рассеивающей.
