Ультразвуковой преобразователь
Владельцы патента RU 2341917:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт полимерных материалов" (RU)
Использование: для неразрушающего ультразвукового контроля изделий, Сущность заключается в том, что ультразвуковой преобразователь содержит последовательно установленные пьезоактивный элемент, четвертьволновый слой и тонкий слой толщиной значительно меньшей длины волны ультразвуковых колебаний в материале этого слоя, удовлетворяющем наряду с материалами пьезоэлемента и четвертьволнового слоя условию Z1>Z2>Z3>Z4, где Z1 - волновое сопротивление материала пьезоактивного элемента, Z2 - волновое сопротивление материала тонкого слоя, Z3 - волновое сопротивление материала четвертьволнового слоя, Z4 - волновое сопротивление воздуха, и пластиной со сквозными отверстиями, диаметр которых, расстояния между ними и толщина пластины находятся в диапазоне соотношений 0,1-0,01 от длины волны ультразвуковых колебаний в материале пластины, волновое сопротивление которого больше волнового сопротивления материала тонкого слоя, которые вместе с четвертьволновым слоем последовательно установлены в трубе, длина которой на участке от пластины с отверстиями до свободного конца трубы удовлетворяет соотношению l=nλ/2, где l - длина трубы; n - количество колебаний в ультразвуковом импульсе; λ - длина волны ультразвуковых колебаний в воздухе, при этом тонкий слой скреплен с четвертьволновым слоем, а пластина со сквозными отверстиями установлена перед тонким слоем и может перемещаться относительно него в осевом направлении на расстояние, находящееся в интервале величин от нуля до величины, равной длине волны ультразвуковых колебаний в воздухе. Технический результат: повышение чувствительности до уровня, достаточного для проведения бесконтактного ультразвукового контроля изделий. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего ультразвукового контроля изделий, например цилиндрической формы, в том числе зарядов твердого ракетного топлива и ракетных двигателей на твердом топливе, и может быть использовано в области ультразвукового приборостроения.
Известны ультразвуковые преобразователи, состоящие из пьезоактивного элемента, протектора, демпфера (см., например, приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. - М., «Машиностроение», 1976, стр.179, а также а.с. СССР №№119740, 120248, 167663, 168933, 188117). В ряде конструкций (см., например, Шрейбер Д.С. Ультразвуковая дефектоскопия. - М., «Металлургия», 1965, стр.203) демпферы отсутствуют. Недостатком известных преобразователей является низкая чувствительность при работе в жидких и газообразных средах.
В качестве прототипа взят приемный электроакустический преобразователь, а.с. №463240 МПК H04R 17/00, включающий пьезоактивный элемент и два согласующих слоя (четвертьволновый и полуволновый). Согласующие слои данного преобразователя выполнены из материалов, волновые сопротивления которых удовлетворяют следующему условию
0,3Z0<Z1<Z0-<Z2<2Z0,
где Z1, Z2, Z0 - соответственно волновые сопротивления материалов полуволнового и четвертьволнового слоев и жидкой среды. Применение данных преобразователей для жидких сред позволяет существенно повысить чувствительность в заданной полосе частот.
Недостатком известного электроакустического преобразователя является то, что чувствительность его снижается при применении для бесконтактного ультразвукового контроля изделий, когда рабочей средой является воздух. Это видно из приведенного выше соотношения волновых сопротивлений, если учесть, что волновое сопротивление воздушной среды, которая в этом случае является рабочей средой, на несколько порядков меньше волновых сопротивлений жидких и твердых сред.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности до уровня, достаточного для проведения бесконтактного ультразвукового контроля изделий.
Технический результат достигается тем, что ультразвуковой преобразователь, содержащий последовательно установленные пьезоактивный элемент и четвертьволновый слой, снабжен тонким слоем толщиной значительно меньшей длины волны ультразвуковых колебаний в материале этого слоя, удовлетворяющем наряду с материалами пьезоэлемента и четвертьволнового слоя условию
Z1>Z2>Z3>Z4,
где Z1 - волновое сопротивление материала пьезоактивного элемента,
Z2 - волновое сопротивление материала тонкого слоя,
Z3 - волновое сопротивление материала четвертьволнового слоя,
Z4 - волновое сопротивление воздуха,
и пластиной со сквозными отверстиями, диаметр которых, расстояния между ними и толщина пластины находятся в диапазоне соотношений 0,01-0,1 от длины волны ультразвуковых колебания в материале пластины, волновое сопротивление которого больше волнового сопротивления материала тонкого слоя, которые вместе с четвертьволновым слоем последовательно установлены в трубе, длина которой на участке от пластины с отверстиями до свободного конца трубы удовлетворяет соотношению
l=nλ/2,
где l - длина трубы;
n - количество колебаний в ультразвуковом импульсе;
λ - длина волны ультразвуковых колебаний в воздухе,
при этом тонкий слой скреплен с четвертьволновым слоем, а пластина со сквозными отверстиями установлена перед тонким слоем и может перемещаться относительно него в осевом направлении на расстояние, находящееся в интервале величин от нуля до величины, равной длине волны ультразвуковых колебаний в воздухе, а на свободном конце трубы с ее внешней стороны установлен перпендикулярно трубе слой из материала с большим затуханием ультразвуковых колебаний.
Сущность изобретения представлена на чертеже, где показано схематичное изображение конструкции предлагаемого ультразвукового преобразователя, установленного над изделием 1 с дефектом 2 в нем. Пьезоактивный элемент 3 склеен с согласующим четвертьволновым слоем 4 из пенопласта, который в свою очередь скреплен с тонким слоем 5 из полиэтилена или более плотного чем в четвертьволновом слое пенопласта и помещен вместе с пластиной 6 из органического стекла в полую цилиндрическую трубу 7. Тонкий слой выполняет роль связующего элемента комбинации согласующих элементов предлагаемого ультразвукового преобразователя, а именно четвертьволнового слоя и пластины со сквозными отверстиями. Толщина пластины, диаметр отверстий в ней и расстояния между отверстиями выбраны в диапазоне соотношений 0,01-0,1 от длины волны ультразвуковых колебания в материале пластины. Внутренняя часть трубы и внешняя часть пластины (по периметру) имеют резьбовое соединение, что позволяет пластине перемещаться относительно тонкого слоя в осевом направлении в интервале расстояний от нуля до длины волны ультразвуковых колебаний в воздухе. Длина участка трубы с резьбой для обеспечения настройки преобразователя на максимальную чувствительность выполняется равной сумме толщины пластины и длины волны ультразвуковых колебаний в воздухе. На свободном конце трубы с ее внешней стороны установлен перпендикулярно трубе слой 8 из материала с большим затуханием ультразвуковых колебаний.
В таблицах ниже приведены кратности увеличения сигнала, принимаемого предлагаемым ультразвуковым преобразователем, в зависимости от толщины пластины со сквозными отверстиями (таблица 1), диаметра сквозных отверстий (таблица 2), расстояния между сквозными отверстиями (таблица 3) по сравнению с преобразователем, состоящим только из пьезоактивного элемента, полученные экспериментальным путем с использованием пластин из органического стекла. Аналогичные показатели были зафиксированы при использовании пластин из алюминия толщиной 1 мм, с расстояниями между отверстиями диаметром 1 мм, равными 1 мм (кратность увеличения равна 23) и 2 мм (кратность увеличения равна 17). Идентичный эффект достигается при использовании пластин из других материалов (гетинакс, текстолит и др.). Таблицы наглядно иллюстрируют достаточный практический диапазон реализации конструкции предлагаемого преобразователя.
Как видно из приведенных таблиц, комбинация пьезоактивный слой - четвертьволновый слой - тонкий слой - слой воздуха - пластина со сквозными отверстиями позволяет повысить отношение сигнал/шум аппаратуры в 15-30 раз при использовании предлагаемого ультразвукового преобразователя как в режиме приема, так и излучения.
На фиг.2 приведены экспериментальные зависимости отношения амплитуды сигнала к его максимальной величине (А/Aм) от величины воздушного зазора (L) между поверхностью тонкого слоя и пластиной со сквозными отверстиями на частотах, равных 50 кГц (кривая 1) и 100 кГц (кривая 2), которая показывают наличие выраженных максимумов при точной настройке на резонанс.
Предлагаемый преобразователь апробирован в условиях лаборатории на макетных образцах и в условиях производства на натурных изделиях. В качестве аппаратуры использовались ультразвуковые дефектоскопы типа ДУК-8, ЗТА-1П, УД22КБ и другие. Рабочие частоты выбирались в диапазоне 40-70 кГц, частоты следования импульсов ультразвуковых колебаний выбирались в диапазоне 25-50 Гц. Длительность развертки электронного луча выбиралась в диапазоне 1500-7500 мксек. С целью увеличения отношения сигнал/шум аппаратуры к дефектоскопу подключался дополнительный предварительный полосовой усилитель с коэффициентом усиления порядка 100.
В результате проведенных работ подтверждена эффективность применения предложенного ультразвукового преобразователя по сравнению с известными для бесконтактного ультразвукового контроля изделий. Как на образцах, так и на натурных изделиях постоянно имели место четкая регистрация ультразвуковых колебаний, стабильные форма и уровень сигнала, адекватность реакции на искусственные дефекты типа расслоений, хорошая чувствительность к выявлению нарушений сплошности изделий. Таким образом, предложенный ультразвуковой преобразователь обеспечивает надежный, качественный бесконтактный ультразвуковой контроль большой номенклатуры изделий различных конструкций и типоразмеров.
| Таблица 1 Зависимость кратности увеличения сигнала от толщины пластины | ||||
| Диаметр отверстий, мм | Расстояние между отверстиями, мм | Кратность увеличения сигнала для пластин толщиной | ||
| 1 мм | 3 мм | 5 мм | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1 | 1 | 30 | 15 | 16,3 |
| 1 | 2 | 8,2 | 15 | 11 |
| 1 | 3 | 5,5 | 11 | 8,2 |
| 2 | 1 | 23 | 16,3 | 22 |
| 2 | 2 | 17,5 | 22 | 19 |
| 2 | 3 | 8,2 | 17,7 | 15 |
| 3 | 1 | 23,5 | 15 | 22 |
| 3 | 2 | 22 | 20 | 20 |
| 3 | 3 | 16,3 | 5,5 | 15 |
| Таблица 2 Зависимость кратности увеличения сигнала от диаметра отверстий в пластине | ||||
| Толщина пластины, мм | Расстояние между отверстиями, мм | Кратности увеличения сигналов для диаметров отверстий: | ||
| 1 мм | 2 мм | 3 мм | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1 | 1 | 30 | 23 | 23,5 |
| 1 | 2 | 8,2 | 17,5 | 22 |
| 1 | 3 | 5,5 | 8,2 | 16,3 |
| 3 | 1 | 15 | 16,3 | 15 |
| 3 | 2 | 15 | 22 | 20 |
| 3 | 3 | 11 | 17,7 | 5,5 |
| 5 | 1 | 16,3 | 22 | 22 |
| 5 | 2 | 11 | 19 | 20 |
| 5 | 3 | 8,2 | 15 | 20 |
| Таблица 3 Зависимость кратности увеличения сигнала от расстояний между отверстиями в пластине | ||||
| Диаметр отверстий, мм | Толщина пластины, мм | Кратность увеличения сигнала при расстояниях, равных: | ||
| 1 мм | 2 мм | 3 мм | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1 | 1 | 30 | 15 | 15 |
| 1 | 3 | 15 | 15 | 8,2 |
| 2 | 1 | 23 | 17,5 | 8,2 |
| 2 | 3 | 16,3 | 22 | 17,7 |
| 2 | 5 | 22 | 19 | 15 |
| 3 | 1 | 23,5 | 22 | 16,5 |
| 3 | 3 | 15 | 20 | 5,5 |
| 3 | 5 | 22 | 20 | 15 |
1. Ультразвуковой преобразователь, содержащий последовательно установленные пьезоактивный элемент и четвертьволновый слой, отличающийся тем, что он снабжен тонким слоем толщиной значительно меньшей длины волны ультразвуковых колебаний в материале этого слоя, удовлетворяющем наряду с материалами пьезоэлемента и четвертьволнового слоя условию
Z1>Z2>Z3>Z4,
где Z1 - волновое сопротивление материала пьезоактивного элемента;
Z2 - волновое сопротивление материала тонкого слоя;
Z3 - волновое сопротивление материала четвертьволнового слоя;
Z4 - волновое сопротивление воздуха,
и пластиной со сквозными отверстиями, диаметр которых, расстояния между ними и толщина пластины находятся в диапазоне соотношений 0,1-0,01 от длины волны ультразвуковых колебаний в материале пластины, волновое сопротивление которого больше волнового сопротивления материала тонкого слоя, которые вместе с четвертьволновым слоем последовательно установлены в трубе, длина которой на участке от пластины с отверстиями до свободного конца трубы удовлетворяет соотношению
l=nλ/2,
где l - длина трубы;
n - количество колебаний в ультразвуковом импульсе;
λ - длина волны ультразвуковых колебаний в воздухе,
при этом тонкий слой скреплен с четвертьволновым слоем, а пластина со сквозными отверстиями установлена перед тонким слоем и может перемещаться относительно него в осевом направлении на расстояние, находящееся в интервале величин от нуля до величины, равной длине волны ультразвуковых колебаний в воздухе.
2. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на свободном конце трубы с ее внешней стороны установлен перпендикулярно трубе слой из материала с большим затуханием ультразвуковых колебаний.
