Селективный акустико-эмиссионный пьезопреобразователь упругих волн

Использование: для акустико-эмиссионной (АЭ) диагностики состояния объектов контроля. Сущность: заключается в том, что селективный акустико-эмиссионный пьезопреобразователь упругих волн с круговой диаграммой направленности на плоской или развертке криволинейной листовой конструкции включает круговой пьезоэлемент, поверхности которого образованы вращением плоской фигуры в виде выпуклого многоугольника с числом сторон не менее четырех вокруг оси, перпендикулярной основанию пьезоэлемента, с нанесенным на нем рабочим электродом, при этом в его состав введен акустический блок, включающий упомянутый круговой пьезоэлемент, выполненный в виде конечного цилиндра или усеченного конуса, с углом наклона боковой поверхности к основанию не более 90°, и призму-протектор, вставленную в круговой пьезоэлемент и сопрягающуюся по форме с его внутренней рабочей поверхностью, материал которой имеет скорость продольных волн меньше скорости распространения селектируемой моды нормальных волн, причем рабочий электрод нанесен на внутреннюю поверхность кругового пьезоэлемента. Технический результат: обеспечение возможности создания селективного ультразвукового пьезопреобразователя сигналов АЭ с круговой диаграммой направленности в плоскости развертки поверхности объекта контроля, обеспечивающего избирательное излучение и прием наиболее информативных высокоамплитудных мод нормальных волн с целью увеличения точности локации растущих дефектов и повышения надежности оценки степени их опасности. 1 ил.

 

Изобретение относится к акустико-эмиссионной (АЭ) диагностике состояния объектов контроля (ОК) типа сварных металлоконструкций и касается вопросов создания избирательных приемников АЭ сигналов для выделения наиболее информативных мод колебаний и волн, возникающих в ОК при локальной дискретной перестройке его напряженно-деформированного состояния в связи с возникновением и подрастанием дефектов.

Основным типом диагностируемых промышленных ОК являются листовые сварные конструкции плоской, цилиндрической, сферической и прочих конфигураций со стенками различной толщины, как правило, с параллельными поверхностями. К ним относятся различного рода сосуды давления, хранилища опасных химических сред, сжиженных газов, испытательные камеры высокого давления, корпуса транспортных объектов, летательных и подводных аппаратов; магистральных, холодильных, корабельных и прочих видов трубопроводов, а также строительные конструкции.

Известны различные акустико-эмиссионные пьезопреобразователи (ПАЭ) - резонансные, полосовые. и широкополосные - на основе применения пьезоэлементов (ПЭ) с круговой диаграммой направленности излучения и приема сигналов на плоскости или развертке криволинейной листовой конструкции как основного технического требования к ПАЭ для возможности определения координат источников АЭ и оценки степени их опасности (В.В. Клюев Неразрушающий контроль. Справочник, Т.7, кн.1, В.И. Иванов, И.Э. Власов Метод акустической эмиссии, М. Машиностроение, 2005 г.).

В существующих ПАЭ в основном используют схемы прямых пьезопреобразователей ультразвуковой дефектоскопии, состоящие из ПЭ в виде цилиндров, усеченных конусов или колец, с электродами, поляризованных по толщине, с рабочей поверхностью, защищенной твердым протектором, недемпфированных с тыльной поверхности и принимающих АЭ сигналы через тонкий жидкостной контактный слой (ЖКС), распространяющиеся под поверхностью ОК.

Такие пьезопреобразователи неэффективно выделяют высокоамплитудные моды нормальных волн в твердых слоях (И.А. Викторов, Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М., Наука, 1966 г.), так как плоскопараллельная структура слоев в ПАЭ под различными углами преломляет приходящие на рабочую поверхность ПЭ пучки возможных мод нормальных волн, создавая условия их некогерентной интерференции, и неоптимального углового выделения высокоамплитудных составляющих суммарного сигнала.

В ультразвуковой дефектоскопии известны селективные призматические пьезопреобразователи продольных волн состоящие из ПЭ с нанесенными на него электродами на которых создается электрическое напряжение U АЭ сигнала, возникающее за счет пьезоэффекта под действием преломленных упругих волн объемного или поверхностного типа, и призмой из оргстекла (или других пластмасс) с постоянным или переменным углом ввода при излучении поверхностных волн Рэлея или поперечных волн в ОК под углом, большим первого критического угла (Н.П. Алешин Методы акустического контроля металлов, М., Машиностроение, 1989 г.). Например, угол преломления продольной объемной волны в призму при приеме из ОК поверхностной волны Рэлея рассчитывают по формуле:

Θ п р = a r c S i n ( c п р / V R ) , ( 1 )

где спр - скорость продольных волн в призме;

VR - скорость волн Рэлея в ОК.

Этот угол аналогично определяют и при приеме отдельных симметричных и антисимметричных мод нормальных волн Лэмба на определенной частоте при замене VR в формуле 1 на фазовую скорость VN распространения моды с индексом N (0,1,2,…∞):

Θ п р = a r c S i n ( c п р / V N ) . ( 2 )

Указанные пьезопреобразователи ультразвукового контроля (УЗК) обладают узкой угловой апертурой излучения и приема сигналов и их нельзя применять для ненаправленного приема АЭ сигналов в плоскости или на развертке в плоскость криволинейных листовых конструкций, поскольку для АЭ локации дефектов необходима круговая диаграмма направленности приема в этих плоскостях.

Известен также ПЭ для полосовых приемных преобразователей, в котором реализуется круговая диаграмма направленности (Патент РФ №2152140, МПК H04R 17/00, В06В 1/06, G01N 29/04, 2000 г.), принятый за прототип. Данный преобразователь состоит из кругового ПЭ, поверхности которого образованы вращением плоской фигуры в виде выпуклого многоугольника с числом сторон не менее четырех вокруг оси, перпендикулярной основанию ПЭ.

Основные недостатки прототипа:

- электрод его рабочей поверхности расположен параллельно поверхности ОК, что позволяет принимать через ЖКС только часть упругого смещения поверхности - нормальную составляющую;

- использование протектора только для защиты электрода (посеребрение) рабочей поверхности ПЭ прямого преобразователя от повреждения и акустического согласования материалов протектора и пьезокерамики для максимальной передачи нормального смещения на ПЭ;

- в условиях отсутствия угловой избирательности приема селектируемой моды лучевые пучки отдельных мод поступают на рабочую поверхность кольцевого ПЭ прототипа разновременно и под разными углами, создают в структуре "протектор-пьезоэлемент" некогерентную интерференцию различных мод волн (реверберационный фон) и уменьшают, таким образом, соотношение "сигнал/шум";

- неэффективен по амплитуде излучаемого сигнала при использовании в качестве имитатора АЭ сигналов при проведении калибровки и проверки качества (стабильности) акустического контакта отдельных ПАЭ с поверхностью ОК в общей антенне АЭ, поскольку является излучателем прямого, а не наклонного типа.

Задачей предлагаемого изобретения является создание селективного ультразвукового пьезопреобразователя сигналов АЭ с круговой диаграммой направленности в плоскости развертки поверхности ОК, обеспечивающего избирательное излучение и прием наиболее информативных высокоамплитудных мод нормальных волн с целью увеличения точности локации растущих дефектов и повышения надежности оценки степени их опасности.

Указанный технический результат достигается тем, что в состав селективного ПАЭ упругих волн введен акустический блок, включающий в себя круговой ПЭ, выполненный в виде конечного цилиндра или усеченного конуса, с углом наклона боковой поверхности к основанию не более 90°, и призму-протектор, вставленную в круговой ПЭ, сопрягающуюся по форме с его внутренней рабочей поверхностью. Причем материал призмы-протектора имеет скорость продольных волн меньше скорости распространения селектируемой моды нормальных волн, а рабочий электрод нанесен на внутреннюю поверхность кругового ПЭ.

Введение в состав селективного ПАЭ упругих волн призмы-протектора позволяет не только защитить ПЭ от повреждений, но и использовать его одновременно в качестве преломляющей призмы, подающей полное смещение частиц протектора нормально к рабочей поверхности ПЭ для обеспечения условий угловой избирательности приема и излучения выбранной моды нормальных волн.

Нанесение рабочего электрода на внутреннюю поверхность кругового ПЭ позволяет осуществлять прием полного смещения поверхности ОК за счет нормального падения преломленного пучка лучей селектируемой моды на рабочую поверхность ПЭ, то есть создания условия угловой избирательности приема. Это так же позволяет эффективно использовать пьезопреобразователь в режиме излучения АЭ сигналов при калибровке на ОК и проверке качества (стабильности) акустического контакта отдельных ПАЭ с поверхностью ОК в общей антенне АЭ.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунком, где на фигуре представлена принципиальная схема одного из вариантов селективного ПАЭ упругих волн с параллельными друг к другу электродами и с внутренней полостью в виде цилиндра.

Селективный ПАЭ упругих волн с круговой диаграммой направленности, состоит из кругового ПЭ 1, поверхности которого образованы вращением плоской фигуры в виде выпуклого многоугольника с числом сторон не менее четырех вокругоси, перпендекулярной основанию ПЭ, с нанесенными на его боковые поверхности электродами 2 с вектором поляризации E , на которых создается электрическое напряжение U АЭ сигнала, возникающее за счет пьезоэффекта под действием преломленных упругих волн из ОК 3, и точно сопрягающейся по форме с ПЭ, например, путем вклеивания призмы-протектора 4. Между ОК и ПАЭ нанесен ЖКС 5, предназначенный для создания акустического контакта между ними. Стрелками на фигуре условно обозначены акустические волны, распространяющиеся в ОК и ПАЭ.

Предложенное устройство селективного ПАЭ упругих волн работает следующим образом.

При выполнении калибровки на ОК или проверки стабильности жидкостного акустического контакта предлагаемые селективные ПАЭ эффективно излучают поверхностные волны в ОК по закону взаимности излучения и приема как излучатели наклонного типа с круговой диаграммой направленности, трансформирующие продольные объемные волны, распространяющиеся в призме-протекторе в поверхностные волны в ОК. В случае, когда селективный ПАЭ используется в качестве приемника АЭ сигналов при любом угле падения поверхностных или поверхностно-объемных волн Лэмба из ОК на поверхность призмы-протектора, преломленная волна в ней будет поверхностной с глубиной проникновения не более 1,5-2 длин волн, так как призма-протектор изготовлена из материала, в котором скорость распространения поперечных волн больше скорости поперечных волн в ОК. Это позволяет добиться необходимой чувствительности и минимизировать общие габариты пьезопреобразователя при соответствующей минимизации физической емкости кольцевого ПЭ за счет уменьшения его ширины до двух длин волн. Кроме того, упрощает технологию изготовления из пьезокерамики и поляризации ПЭ, а также его экранирование в корпусе ПАЭ, что существенно удешевляет производство идентичных ПАЭ, используемых в многоканальных системах АЭ диагностики.

Таким образом, применение принципов работы узконаправленных призматических ультразвуковых преобразователей и использование специальной конфигурации круговых ПЭ-приемников АЭ сигналов, посредством ввода в структуру ПАЭ призмы-протектора, преломляющей лучи селектируемой моды нормальных волн под углом нормального падения на рабочий электрод ПЭ в направлении распространения, создаются, по сравнению с прототипом, необходимые условия получения основных технических характеристик селективных ПАЭ упругих волн - круговой диаграммы направленности и повышенной избирательной чувствительности приема высокоамплитудных мод нормальных волн, распространяющихся в листовых конструкциях.

Селективный акустико-эмиссионный пьезопреобразователь упругих волн с круговой диаграммой направленности на плоской или развертке криволинейной листовой конструкции, включающий круговой пьезоэлемент, поверхности которого образованы вращением плоской фигуры в виде выпуклого многоугольника с числом сторон не менее четырех вокруг оси, перпендикулярной основанию пьезоэлемента, с нанесенным на нем рабочим электродом, отличающийся тем, что в его состав введен акустический блок, включающий упомянутый круговой пьезоэлемент, выполненный в виде конечного цилиндра или усеченного конуса, с углом наклона боковой поверхности к основанию не более 90°, и призму-протектор, вставленную в круговой пьезоэлемент и сопрягающуюся по форме с его внутренней рабочей поверхностью, материал которой имеет скорость продольных волн меньше скорости распространения селектируемой моды нормальных волн, причем рабочий электрод нанесен на внутреннюю поверхность кругового пьезоэлемента.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к геофизике и гидроакустике и может быть использовано в конструкциях подводных приемников и излучателей звука. .

Изобретение относится к области подводной техники и может быть использовано при проектировании и разработке доплеровских измерителей абсолютной скорости движения подводных объектов относительно дна.

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к пьезокерамическим преобразователям, и может быть использовано как при разработке новых акустических систем, так и в существующем оборудовании на базе пьезокерамических преобразователей.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано либо в качестве управляемого по направлению датчика движения, либо в качестве доказательства возникновения силы отдачи, приложенной к источнику звукового волнового поля, со стороны расположенного на траектории распространения этого волнового поля материального объекта.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в ультразвуковых диагностических приборах. .

Изобретение относится к способам и устройствам изготовления плоских пьезокерамических изделий изготовления плоских пьезокерамических изделий. .

Изобретение относится к области акустики, а именно к конструированию пьезоэлектрических приемников для различных областей. .
Использование: для ультразвуковых физиотерапевтических процедур, применяемых в медицине и косметологии. Сущность заключается в том, что ультразвуковой преобразователь для физиотерапевтических аппаратов содержит защитный слой пьезоэлемента, выполненный из износоустойчивой силикатной эмали. Технический результат: повышение износоустойчивости согласующего слоя ультразвукового сканирующего преобразователя при обеспечении допустимого акустического рассогласования ультразвукового преобразователя с тканью пациента, не требующего модернизации электронного блока терапевтического аппарата.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к акустическим датчикам. Акустический датчик содержит пьезоэлектрическую подложку, общий электрод, расположенный на одной стороне пьезоэлектрической подложки, набор первых электродных структур, расположенных на противоположной стороне пьезоэлектрической подложки относительно общего электрода, причем каждая первая электродная структура расположена радиально относительно условной центральной точки и содержит набор электродных элементов, расположенных по окружностям. При этом указанные первые электродные структуры расположены с возможностью выбора одной или более групп электродных элементов из заданной первой электродной структуры, с тем чтобы настроить указанную первую электродную структуру на заранее определенный частотный диапазон, а каждая указанная первая электродная структура размещена в заранее определенном радиальном направлении относительно указанной условной центральной точки, так чтобы настроить каждую указанную первую электродную структуру на сигналы, имеющие соответствующую направленность. Дополнительно датчик снабжен второй и третьей электродными структурами и может работать в диапазоне частот от 10 кГц до 20 МГц с использованием направленных волн Лэмба. Технический результат изобретения - повышение точности определения места повреждений. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

Использование: для измерения расстояния, оставшееся до препятствия, при парковке автомобиля. Сущность: заключается в том, что ультразвуковой датчик (100) имеет корпус (101) с круговой боковой стенкой (102) и дном (104), па котором размещен преобразовательный элемент (106) для формирования ультразвуковых колебаний, при этом боковая стенка (101) имеет нижний участок (108), на котором боковая стенка (102) в параллельной дну (104) плоскости имеет в основном вращательно-асимметричный профиль, и верхний участок (114), на котором боковая стенка (102) в направлении ее верхнего края (116) переходит в по существу вращательно-симметричный профиль. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения возбуждения побочных мод при работе ультразвуковых датчиков в режиме передачи для улучшения их способности выполнять измерения в ближней зоне. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к информационным системам и преобразователям механических воздействий в оптические сигналы. Извещатель проблесковый велосипедный содержит преобразователь механической энергии в электрическую и преобразователь электрической энергии в оптическую, соединенные между собой. В качестве преобразователя механической энергии в электрическую энергию использован пьезоэлектрический элемент с демпфирующими прокладками, установленный в корпусе. На корпусе одним концом защемлен эластичный элемент (молотовище) с бойком на свободном конце, установленным соосно с пьезоэлектрическим элементом. На ободе колеса велосипеда установлен толкатель (зацеп), периодически обеспечивающий, при вращении колеса, механический контакт со свободным концом эластичного элемента. Достигается повышение коэффициента полезного действия, расширение функциональных возможностей и повышение долговечности и надежности в работе. 1 ил.

Использование: для ультразвуковой дефектоскопии объектов. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой преобразователь поверхностных волн содержит пьезоэлементы, имеющие возможность соединения с ультразвуковым дефектоскопом, акустический изолятор, корпус, при этом пьезоэлементы преобразователя, поляризованные по толщине, установлены на одну из граней перпендикулярно рабочей поверхности, расположены на расстоянии друг от друга, большем пространственной длительности зондирующего импульса (L>τc), акустически изолированы друг от друга и электрически соединены совместно или раздельно с тактовым, или синхронным включением. Технический результат: обеспечение возможности создания преобразователя поверхностных волн, обеспечивающего контроль изделий из металлов и неметаллов, обладающего повышенной производительностью и точностью определения координат и местоположения дефектов, а также высокой разрешающей способностью, имеющего высокую чувствительность контроля, возможность адаптации при контроле изделий сложного профиля и ограниченного доступа, обеспечивающего выявление разноориентированных дефектов. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Микрофон // 2527143
Изобретение относится к области акустики и, в частности, к микрофонам. Микрофон содержит полый корпус, защитную решетку звукоснимателя, диафрагму, звуковую катушку, магнитный элемент, включатель звукоснимателя, выходной разъем. При этом в корпусе со стороны защитной решетки по окружности выполнен канал с расположенными в нем светодиодами, соединенными проводниками с блоком питания и источником постоянного электрического тока, установленными в полости корпуса. Канал имеет ∩-образное/П-образное поперечное сечение стенки и светоотражающую поверхность. С внешней стороны канала установлен светофильтр, имеющий винтовое соединение с корпусом. В корпусе выполнена ниша с крышкой для размещения в ней источника постоянного электрического тока. На корпусе размещен включатель светодиодов. Защитная решетка микрофона снабжена охватывающим ее резиновым кольцом, имеющем грани. Светофильтр снабжен светоотражающим козырьком. Технический результат - расширение функциональных возможностей микрофона за счет обеспечения светодиодной подсветки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области акустической метрологии и, в частности, к пьезоэлектрическим преобразователям. Пьезоэлектрический преобразователь состоит из двух одинаковых поперечно поляризованных пьезоэлектрических пластин, направления линейных поляризаций которых взаимно ортогональны. Толщины пластин одинаковы и равны четверти длины волны на рабочей частоте. Поверхности обеих пластин содержат электроды, подсоединенные к источнику напряжения. Электроды могут быть соединены с источником электрического сигнала так, что наружные электроды соединены с одним выходом источника, а внутренние электроды - с другим, или так, что наружный электрод одной пластины и внутренний электрод другой пластины подсоединены к одному выходу источника, а два оставшихся электрода - к другому выходу. Технический результат - создание пьезоэлектрического преобразователя, излучающего волны с круговой поляризацией. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области медицинской диагностики и направлено на создание ультразвукового нелинейного томографа, содержащего малое количество приемных и излучающих преобразователей, преимущественно для маммографии, дефектоскопии и неразрушающего контроля различных объектов. Ультразвуковой томограф включает приемно-излучающее устройство с приемоизлучающими пьезопреобразователями, к входу которого подключен канал формирования излучаемых сигналов, а к выходу - канал анализа принятых сигналов. Приемно-излучающее устройство содержит, по меньшей мере, два излучающих цилиндрических пьезопреобразователя с широкой полосой излучаемых кодированных сигналов и, по меньшей мере, один приемный цилиндрической пьезопреобразователь с широкой полосой принимаемого сигнала, продольная ось которых расположена вертикально, и систему акустических зеркал, включающую вертикально расположенные друг над другом нижнее малое акустическое зеркало и верхнее большое акустическое зеркало, которые выполнены в виде соосных усеченных конусов с одинаковыми углом конусности и высотой и различным средним радиусом. Излучающие и приемный пьезопреобразователи установлены на уровне нижнего малого акустического зеркала, а их высота составляет 0,8÷0,9 от высоты каждого из акустических зеркал. Использование изобретения позволяет повысить разрешающую способность восстановления изображения внутренних структур мягких тканей при уменьшении количества преобразователей. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области конструирования гидроакустической аппаратуры, в частности гидроакустических антенн, герметизированных полимерами. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности антенны в режимах излучения и приема. Антенна содержит стержневые электроакустические преобразователи 1, основание 2, на котором укреплены преобразователи 1, отражающие боковые акустические экраны 3. Зазоры между преобразователями 1 и между преобразователями 1 и боковыми акустическими экранами 3 заполнены эластичным полимером 4, а для герметизации антенны использован жесткий полимер 5. 2 ил.

Использование: для неразрушающего контроля изделий. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой раздельно-совмещенный широкозахватный преобразователь содержит призмы-волноводы, установленную на первой призме излучающую пьезопластину и размещенные на второй призме в ряд в одной плоскости приемные пьезопластины, состыкованные друг с другом, а между излучающей и приемными пьезопластинами размещен электроакустический экран, при этом преобразователь оснащен вторым электроакустическим экраном и третьей призмой - волноводом, на которой размещены дополнительные приемные пьезопластины, причем третья призма расположена с противоположной стороны относительно первой призмы симметрично второй призме, приемные пьезопластины призм смещены относительно друг друга на половину их длины так, что стыки пьезопластин второй призмы располагаются напротив центра пластин, установленных на третьей призме, а второй электроакустический экран размещен между первой и третьей призмами. Технический результат: повышение производительности и качества контроля за счет уменьшения неравномерности амплитудной характеристики по ширине преобразователя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для акустико-эмиссионной диагностики состояния объектов контроля. Сущность: заключается в том, что селективный акустико-эмиссионный пьезопреобразователь упругих волн с круговой диаграммой направленности на плоской или развертке криволинейной листовой конструкции включает круговой пьезоэлемент, поверхности которого образованы вращением плоской фигуры в виде выпуклого многоугольника с числом сторон не менее четырех вокруг оси, перпендикулярной основанию пьезоэлемента, с нанесенным на нем рабочим электродом, при этом в его состав введен акустический блок, включающий упомянутый круговой пьезоэлемент, выполненный в виде конечного цилиндра или усеченного конуса, с углом наклона боковой поверхности к основанию не более 90°, и призму-протектор, вставленную в круговой пьезоэлемент и сопрягающуюся по форме с его внутренней рабочей поверхностью, материал которой имеет скорость продольных волн меньше скорости распространения селектируемой моды нормальных волн, причем рабочий электрод нанесен на внутреннюю поверхность кругового пьезоэлемента. Технический результат: обеспечение возможности создания селективного ультразвукового пьезопреобразователя сигналов АЭ с круговой диаграммой направленности в плоскости развертки поверхности объекта контроля, обеспечивающего избирательное излучение и прием наиболее информативных высокоамплитудных мод нормальных волн с целью увеличения точности локации растущих дефектов и повышения надежности оценки степени их опасности. 1 ил.

Наверх