Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой



Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой
Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой
Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой
Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой
Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой
Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой
Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой
Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой
Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой
Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой

 

G01N29/00 - Исследование или анализ материалов с помощью ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн; визуализация внутреннего строения объектов путем пропускания через них ультразвуковых или звуковых волн через предметы (G01N 3/00-G01N 27/00 имеют преимущество; измерение или индикация ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн вообще G01H; системы с использованием эффектов отражения или переизлучения акустических волн, например акустическое изображение G01S 15/00; получение записей с помощью способов и устройств, аналогичных используемым в фотографии, но с использованием ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн G03B 42/06)

Владельцы патента RU 2561778:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") (RU)

Использование: для акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют формирование между пьезоэлементом и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента демпфера, при этом толщину пьезоэлемента и толщину протектора определяют исходя из резонансной частоты пьезоэлемента fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2), где f - эффективная частота эхо-импульса, а материалы протектора и демпфера выбирают с акустическими сопротивлениями из диапазонов, удовлетворяющих определенным соотношениям. Технический результат: улучшение акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой. 2 табл., 14 ил.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковом контроле, в акустике и в медицинской технике.

Акустическое согласование пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя (далее по тексту - ПЭП) с контролируемой средой [Меркулов Л.Г., Яблоник Л.М. Теория акустически согласованного многослойного пьезопреобразователя. - Дефектоскопия, 1966, №5, с. 3-11] основывается на соотношениях, полученных теорией волн в слоистых средах [Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973. - 344 с.]. С помощью этой теории для монохроматической волны определяются: акустические сопротивления (далее по тексту - АС) материалов согласуемых сред и значение толщины протектора, который формируют между пьезоэлементом преобразователя и контролируемой средой. При этом вопросы, связанные с временной разрешающей способностью (разрешением), не рассматриваются, так как для монохроматической волны такое понятие не имеет физического смысла.

Под согласованием понимается передача наибольшей амплитуды монохроматической волны в согласуемую среду, что эффективно для близких по акустическому сопротивлению пассивных сред, не являющихся источником дополнительных ультразвуковых импульсов, вырабатываемых самой средой. Пассивный полуволновой слой в акустически близких и пассивных средах является акустически прозрачным и, как следствие, не влияющим на согласование. Таким образом, при согласовании его можно не учитывать [Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973. - 344 с., стр. 93].

Однако при ультразвуковом контроле, в акустике и в медицинской технике условия, принятые в теории волн и описанные выше, не выполняются, а именно:

1. Используется импульсное возбуждение пьезоэлемента длительностью в половину длины волны в материале пьезоэлемента или меньше.

2. Полуволновой слой не может быть акустически прозрачным, так как:

- согласуемые среды (контролируемая среда и пьезоэлемент ПЭП) существенно отличаются по акустическому сопротивлению;

- полуволновой слой в виде пластины из пьезокерамического материала является активным, а это значит, что поверхности пьезоэлемента, несущие электроды, преобразуют один возбуждающий электрический импульс сразу в два акустических, которые распространяются в обе стороны от электродов (или границ разделов сред), поэтому акустических импульсов становится уже четыре. При этом амплитуды импульсов пропорциональны коэффициентам прохождения в соответствующие среды [Газарян Ю.Л. О создании звукового импульса пьезоэлектрической пластинкой. - Акуст. журнал, 1958, №1, с. 33-36, стр. 35].

3. Значение эффективной частоты эхо-импульса f (далее по тексту - частота f) [ГОСТ 23702-90, стр. 4] может меняться в зависимости от его длительности.

Задачей согласования (при импульсном возбуждении) является передача/прием от пьезоэлемента ПЭП в контролируемую среду импульса с максимальной амплитудой и минимальной длительностью. Амплитуду (как чувствительность) импульса определим по [ГОСТ 23702-90, стр. 4] как импульсный коэффициент преобразования kuu. Для определения длительности этого импульса t20дБ (как разрешение) воспользуемся определением по ГОСТ 26266-90 и методом измерения по ГОСТ 23702-90 длительности эхо-импульса tN, как длительности эхо-импульса на уровне NдБ от максимального значения, где N составляет 20 дБ (10 раз). Если ввести время для измерения длительности импульса, имеющее в качестве единицы измерения один полупериод, то это даст возможность измерять и сравнивать разрешение в виде числа полупериодов колебаний на любой собственной частоте пьезоэлемента ПЭП [Коновалов С.И., Кузьменко А.Г. Исследование возможности излучения и приема коротких импульсов при использовании механического демпфирования или согласующих слоев. - Дефектоскопия, 1998, №8, с. 3-12, стр. 8].

Известен способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой, включающий формирование между пьезоэлементом преобразователя и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента демпфера [Данилов В.Н. К вопросу об использовании четвертьволновых согласующих протекторов в прямых преобразователях. - Дефектоскопия, 2008, №5, с. 66-78, стр. 66]. При этом толщину пьезоэлемента и толщину протектора выбирают исходя из заданной эффективной частоты эхо-импульса f, которая является одной из важных характеристик ПЭП [ГОСТ 26266-90, стр. 7] и которая в данном способе предполагается равной резонансной частоте пьезоэлемента fпэ (далее по тексту - частота fпэ).

При данных условиях считают толщину протектора h1 равной четверти длины волны ультразвука на частоте пьезоэлемента в его материале, имеющем акустическое сопротивление равное среднегеометрическому значению АС среды и демпфера.

Недостатком известного способа является плохое акустическое согласование пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой, что обусловлено низким значением чувствительности и разрешения из-за ошибок в определении:

- толщины протектора для коротких по длительности эхо-импульсов;

- Zпр, определяемой по формуле (1);

- неопределенность значения, для прозрачного полуволнового слоя пьезоэлемента Zпэ исходя из формулы (1), хотя на это значение для обеспечения синфазного суммирования импульсов в протекторе должно быть наложено ограничение, т.е. Zпэ>Zд.

Повышение чувствительности путем уменьшения демпфирования (или Zд) приводит к ухудшению разрешения. Улучшение разрешения путем повышения демпфирования приводит к понижению чувствительности. Согласование по формуле (1) по данным работы [Данилов В.Н. К вопросу об использовании четвертьволновых согласующих протекторов в прямых преобразователях. - Дефектоскопия, 2008, №5, с. 66-78, стр. 74] приводит к росту длительности и к уменьшению амплитуды в максимуме огибающей принятого импульса, то есть не обеспечивает улучшение чувствительности и разрешения.

Известен способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового преобразователя с контролируемой средой, принятый за прототип, включающий формирование между пьезоэлементом преобразователя и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента демпфера. При этом, толщину пьезоэлемента и толщину протектора выбирают исходя из заданной эффективной частоты эхо-импульса f, которая, как и в аналоге, предполагается равной резонансной частоте пьезоэлемента fпэ. При данных условиях считают толщину протектора h1 равной четверти длины волны ультразвука на частоте пьезоэлемента в его материале, имеющем акустическое сопротивление равное среднегеометрическому значению АС согласуемых сред, то есть среды и пьезоэлемента [Данилов В.Н. К вопросу об использовании четвертьволновых согласующих протекторов в прямых преобразователях. - Дефектоскопия, 2008, №5, с. 66-78, стр. 66].

Однако данное техническое решение также не обеспечивает требуемое акустическое согласование пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой (см. таблицу 2), что обусловлено низкими значениями чувствительности и разрешения из-за ошибок в определении:

- толщины протектора для коротких по длительности эхо-импульсов;

- Zпр, определяемой по формуле (2);

- неопределенность значения для Zд из формулы (2), хотя на это значение для обеспечения синфазного суммирования импульсов в протекторе должна быть наложено ограничение, т.е. Zпэ>Zд

Данные выводы подтверждаются в работе [Данилов В.Н. К вопросу об использовании четвертьволновых согласующих протекторов в прямых преобразователях. - Дефектоскопия, 2008, №5, с. 66-78, стр. 68, 77].

Задача и достигаемый при использовании изобретения технический результат - улучшение акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ПЭП с контролируемой средой за счет повышения его чувствительности и разрешения.

Это достигается тем, что в способе акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой, включающем формирование между пьезоэлементом преобразователя и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента преобразователя демпфера, согласно изобретению толщину пьезоэлемента и толщину протектора определяют исходя из резонансной частоты пьезоэлемента fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2), где f - эффективная частота эхо-импульса, а материалы протектора и демпфера выбирают с акустическими сопротивлениями из диапазонов, удовлетворяющих соотношениям

где Zсреды, Zпр, Zпэ, Zд - акустические сопротивления среды, протектора, пьезоэлемента и демпфера соответственно.

Сущность данного технического решения иллюстрируется фигурами графических изображений.

На фиг. 1 представлены графики зависимости частоты fпэ от f для ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по предложенному способу и для несогласованного ПЭП (без протектора).

На фиг. 2 показана форма оптимальных теоретических импульсов.

На фиг. 3 представлено сравнение теоретических импульсов и экспериментального импульса, излученного ПЭП без протектора.

На фиг. 4 приведено сравнение экспериментального и теоретических импульсов, излученных ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по предложенному способу и несогласованного ПЭП (без протектора).

На фиг. 5 приведено сравнение теоретических и экспериментального импульса, излученных ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по способу - прототипу.

На фиг. 6 представлен эхо-импульс от ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по предложенному способу, и его спектр.

На фиг. 7 показан эхо-импульс от ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по способу-прототипу, и его спектр.

На фиг. 8 приведен внешний вид ПЭП.

Для акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой необходимо исходить из требуемой частоты f, на которой необходимо произвести согласование. Из соотношения fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2) определяют резонансную частоту пьезоэлемента, в мегагерцах. Из таблиц, предлагаемых производителями пьезокерамики, выбирают материал пьезоэлемента (Zпэ) и скорость звука в нем. Зная fпэ, скорость звука в пьезоэлементе, вычисляют толщину пьезоэлемента.

Соотношение fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2) было получено в результате аппроксимации экспериментальных данных.

На фиг. 1 приведены графики, показывающие зависимость частоты fпэ от частоты f иммерсионного ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по предлагаемому способу и для ПЭП без протектора, то есть без согласования. Для этого было изготовлено 6 экземпляров ПЭП из пьезокерамики ЦТС-19 с Zпэ=27 аком; Zпр=Zд=4,6 аком и с fпэ=(2,5; 3; 4,4; 4,6; 5,8; 6,5) МГц без протектора и с протектором толщиной h (т.е. ПЭП согласованный со средой). Зависимость t20дБ>10 (или Δf/f≤0,4, выделена треугольниками) для эхо-импульса большой длительности для пьезоэлектрических преобразователей без протектора показывает, что в этом случае f-fпэ, а после формирования протектора (см. зависимость t20дБ=7 (или 0,4≤Δf/f<1, выделена квадратами)) наблюдается понижение частоты f относительно частоты fпэ для всех ПЭП. Как показывают экспериментальные данные частота fпэ стала равной fпэ=1,1125f+0,1096 с достоверностью 0,999, что находится в границах заявленных диапазонов, присутствующих в соотношении fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2).

При изменении частоты fпэ в рамках указанных диапазонов толщина пьезоэлемента (например, для частоты f=3,9 МГц) будет изменяться в пределах ±13 мкм, а толщина протектора - в пределах ±25 мкм. При этом наблюдается минимальное отклонение частоты f от номинального значения.

Материалы протектора и демпфера выбирают с акустическими сопротивлениями из диапазонов, удовлетворяющих соотношениям

Выбрав материал протектора и зная спр - скорость продольных колебаний в нем, вычисляют толщину протектора, которая будет равна h=спр/(4×fпэ).

На основе модели для ПЭП без протектора [Redwood М. Analog of а piezoelectric transducer. - Journ. Acoust. Soc. Amer., 1964, Vol, 36, №10, p. 1872-1880, см. стр. 1875] и добавляя к пьезоэлементу ПЭП протектор (при импульсном возбуждении) рассчитаны амплитуды полупериодов излучаемого ПЭП акустического импульса в контролируемую среду в зависимости от коэффициентов отражения. Разработана программа, в которой рассчитываются относительные амплитуды полупериодов, строится теоретический (расчетный) импульс в зависимости от акустических сопротивлений: иммерсионной среды Zcp, протектора Zпр, пьезоэлемента Zпэ, демпфера Zд. При этом (для выбора диапазона) требования к используемым материалам и излучаемому импульсу предъявлялись следующие:

- минимальное демпфирование, т.е. Zд≤7,5 аком, что позволит использовать для демпфера легко доступные, технологичные материалы и достичь максимум амплитуды, наибольшей для второго полупериода А2;

- амплитуды 6 (А6) или 7 (А7) полупериода не должны превышать 0,1 от уровня максимальной амплитуды второго полупериода А2, то есть отношение А6,72≤0,1А2, или разрешение t20дБ=5.

Указанные выше критерии позволяют установить заявленные диапазоны (3) и (4), в рамках которых можно достичь повышения чувствительности и разрешения.

В таблице 1 приведены наиболее оптимальные значения из указанных диапазонов. В этом случае протектор и демпфер могут изготавливаться из одного и того же материала, что является наиболее технологичным.

На фиг. 2 приведена форма оптимальных теоретических импульсов при согласовании пьезоэлемента с Zпэ=27 аком с водой при толщине протектора h и разрешении t20дБ=5, при этом Zд=Zпр=4,99 (см. таблицу 1).

Выбор указанных диапазонов подтверждается фиг. (3-7), в которых приведены результаты, подтверждающие совпадение импульсов, рассчитанных по программе и полученных экспериментально.

На фиг. 3 приведено удовлетворительное совпадение импульсов, рассчитанного по программе при Zcp=Zпр (фиг. 3а) и рассчитанного (для сравнения) по [Redwood М. Analog of a piezoelectric transducer. - Journ. Acoust. Soc. Amer., 1964, Vol, 36, №10, p. 1872-1880.] (построен на основании соотношений, выведенных Редвудом, и на фиг. 3а полностью совпадающий с расчетным импульсом) и экспериментального импульса от ПЭП (фиг. 3б) без протектора с Zд=2,2 аком, Zпэ=27 аком, Zcp=1,5 аком. Экспериментальный импульс принят широкополосным ПЭП. В литературе считается, что наибольшую амплитуду (kuu) и худшее разрешение имеет ПЭП без протектора [Меркулова В.М. Широкополосный иммерсионный пьезопреобразователь с согласующим протектором. - Дефектоскопия, 1972, №6, с. 57-62, стр. 57]. Для эхо-импульса от экспериментального ПЭП без протектора (согласование отсутствует) получены (и внесены в таблицу 2) следующие параметры:

- импульсный коэффициент двойного преобразования (или чувствительность) составляет 24,44 дБ (kuu=20log(200B/12B)),

- разрешение или длительность составляет t20дБ=35,

- относительная полоса пропускания составляет 12,5% (Δf/f=0,575 МГц/4,6 МГц=0,125 или 12,5%).

На фиг. 4 приведено сравнение экспериментальных и расчетных импульсов при согласовании по предлагаемому способу. На фиг. 4а приведен экспериментальный импульс от ПЭП с протектором толщиной h, Zпр=27 аком, Zд=Zпр=4,6 аком, Zcp=1,5 аком, принятый в воде широкополосным ПЭП. На фиг. 4б этот импульс обозначен сплошной линией. Пунктирной линией выделен теоретический импульс при тех же исходных данных и практически полностью совпадающий с экспериментальным. На фиг. 4в приведено сравнение импульсов, излучаемых пьезоэлементом ПЭП с протектором (сплошная линия) и без него (прерывистая линия), из которого видно, что импульс с протектором короче по длительности и выше по амплитуде, то есть имеет лучшие значения чувствительности и разрешения. Происходит как бы сжатие импульса с повышением амплитуды.

На фиг. 5 приведено сравнение импульсов: рассчитанного по программе (фиг. 5а) и экспериментального импульса (фиг. 5б), излученных ПЭП пьезоэлемент которого согласован по способу прототипу при На фиг. 5а приведен импульс, рассчитанный по программе при Zпэ=27 аком, Zcp=1,5 аком, Zд=4,6 аком; выделенный сплошной линией. Пунктирной линией выделен расчетный импульс для ПЭП без протектора при тех же значениях АС. Из фиг. 5а видно, что 6 и 7 полупериоды импульса не скомпенсированы до нуля и даже превышают порог в 0,1 от амплитуды 2 полупериода, т.е. t20дБ>7. На фиг. 5б приведен экспериментальный, излученный импульс, имеющий удовлетворительное совпадение с теоретическим. Из сравнения фиг. 4 и 5 видно, что согласование по предложенному способу позволяет достичь лучших характеристик по разрешению.

Способ согласования, принятый за аналог, позволяет сжимать импульс, то есть достичь разрешения, равного 5, только при Zд≥9 аком, при этом При таких значениях Zд будет сказываться сильное демпфирование и чувствительность не превысит уровень (35-40)дБ, что неприемлемо.

Для сравнения способов по чувствительности и разрешению проведено измерение коэффициента двойного преобразования kuu и длительности t20дБ в соответствии с требованиями ГОСТ 23702-90 для ПЭП, пьезоэлементы которых согласованы со средой (вода) с помощью предлагаемого способа и способа прототипа.

На фиг. 6 представлен эхо-импульс от пьезоэлемента ПЭП, согласованного по предложенному способу, и его спектр. На фиг. 6а приведен эхо-импульс, а на фиг. 6б - его спектр с f=3,9 МГц. Zcp=1,5 аком, Zпр=Zд=4,6 аком, Zпэ=27 аком. Толщина протектора при спр=2,3 км/с составила: h=cпр/(4,5f+0,438)≈0,128 мм [2,3 км/с /(4,5×3,9+0,438) МГц=0,128 мм], fпэ=1,1125f+0,1096=4,45 МГц.

На фиг. 7 приведен эхо-импульс (см. фиг. 7а) от пьезоэлемента ПЭП, согласованного по способу прототипу и его спектр (фиг. 7б). Zcp=1,5 аком, Zд=4, баком, Zпр=6,4 аком, Zпэ=27 аком. Толщина протектора h1≈0,147 мм (2,3/4×3,9=0,147 мм), fпэ=4,45 МГц.

Для удобства сравнения способов данные по чувствительности и разрешению сведены в таблицу 2.

Из сказанного выше следует, что предлагаемый способ позволяет улучшить согласование за счет повышения чувствительности (kuu) и разрешения (t20дБ).

Пример осуществления способа.

Для акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ПЭП с контролируемой средой (вода) задавались необходимой частотой эхо-импульса f, например: 3,9 МГц (обычно эта частота задается в техническом задании) и материалом керамики пьезоэлемента: ЦТС-19 с Zпэ=27 аком при скорости звука в нем спэ=4,36 км/с. Из соотношения fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2) определили резонансную частоту пьезоэлемента, равную 4,45 МГц, и толщину пьезоэлемента из известного соотношения d=спэ/2fпэ=0,49 мм. Из диапазонов, удовлетворяющих соотношениям и Zсреды≤Zпр≤Zд<Zпэ, подбирали необходимые материалы для протектора и демпфера. При этом, используя таблицу 1 для воды, выбрали один материал с Z=4,99 аком для демпфера и для протектора. Как наиболее близким материалом по акустическому сопротивлению к этому была выбрана «холодная сварка» или супер шпатлевка фирмы «Mannol» с Zпр=Zд=4,6 аком, со скоростью ультразвука в ней спр=2,3 км/с. Из соотношения h=спр/4fпэ определили толщину протектора, равную 0,128 мм. После выбора материалов и определения конструктивных параметров был изготовлен ПЭП. Качество акустического согласования проверялось в воде с Zcp=1,5 аком и представлено на фиг. 6. Электрическое согласование (добавление внешних электрических элементов) не использовалось. Определение коэффициента двойного преобразования (Kuu), длительности эхо-импульса t20дБ, эффективной частоты эхо-импульса (f) и полосы частот (Δf) осуществлялось по ГОСТ 23702-90. Полученные числовые значения приведены в табл. 2. Использовался дефектоскоп USD-60 производства фирмы «Кропус», осциллограф АСК2206 фирмы «Актаком». С помощью дефектоскопа были выведены на компьютер и сохранены временные и частотные характеристики эхо-импульсов.

Как видно из табл. 2 по чувствительности (kuu) и по разрешению (t20дБ) известный способ согласования уступает предлагаемому.

По предлагаемому способу проверялось согласование пьезоэлементов из пьезокерамики с разными АС: марки ЦТС-19, ПКР-1, ПКР-7, ТС-1 на разных частотах (от 2 МГц до 6 МГц) с контролируемой средой (вода, глицерин). Все указанные ПЭП (внешний вид некоторых из них приведен на фиг. 8) показали согласование, не хуже описанного выше.

Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой, включающий формирование между пьезоэлементом и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента демпфера, отличающийся тем, что толщину пьезоэлемента и толщину протектора определяют исходя из резонансной частоты пьезоэлемента fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2), где f - эффективная частота эхо-импульса, а материалы протектора и демпфера выбирают с акустическими сопротивлениями из диапазонов, удовлетворяющих соотношениям:


где Zсреды, Zпр, Zпэ, Zд - акустические сопротивления среды, протектора, пьезоэлемента и демпфера соответственно.



 

Похожие патенты:

Использование: для ультразвуковой дефектоскопии. Сущность изобретения заключается в том, что разбивают пьезоэлементы антенной решеткой на несколько подрешеток, присваивают каждому излучающему элементу подрешетки свой зондирующий сигнал из набора псевдоортогональных сигналов, выполняют одновременное излучение в объект контроля всеми элементами подрешетки и принимают из него ультразвуковые сигналы с помощью любой подрешетки с последующим декодированием принятых эхо-сигналов для формирования набора эхо-сигналов, который можно было бы получить при излучении и приеме всеми парами элементов антенной решетки, при этом для каждой из пар подрешеток и для каждого положения антенной решетки используется свой набор псевдоортогональных сигналов, например кодов Касами или линейно-частотно-модулированных сигналов, а декодирование для формирования набора эхо-сигналов для восстановления изображения отражателей методом C-SAFT производится методом максимальной энтропии.

Изобретение относится к перинатологии и предназначено для снижения перинатальной заболеваемости при поздних преждевременных родах. Сущность способа: в сроках 34-36 недель беременности при угрозе преждевременных родов проводят ультразвуковую фетометрию.

Изобретение относится к технике горного дела, добыче полезных ископаемых, в частности к устройствам для изучения физико-механических свойств горных пород, и может быть использовано в геологии, горной, газовой и нефтяной промышленности для расчета предельной величины давления гидроразрыва пласта.
Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам для измерения звукопоглощающих свойств жидкостей. Устройство содержит тональный аудиометр, к которому подключен костный телефон-вибратор с ремешком для его фиксации в заданном положении.

Использование: для определения коэффициента акустоупругой связи. Сущность изобретения заключается в том, что образец нагружают до заданного значения напряжения в материале и измеряют время распространения акустической волны в направлении, перпендикулярном направлению нагружения, при этом растягивают или сжимают образец до напряжения σ, меньшего предела пропорциональности материала, измеряют время t1 распространения акустической волны между двумя параллельными поверхностями образца, разгружают образец, соответственно сжимают или растягивают образец до напряжения σ, измеряют время t2 распространения акустической волны между указанными поверхностями образца и определяют коэффициент акустоупругой связи по заданному математическому выражению.

Использование: для относительной калибровки преобразователей акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что размещают на калибровочном блоке калибруемый преобразователь акустической эмиссии, возбуждают в калибровочном блоке импульсы смещения, регистрируют полученные сигналы и выполняют их сравнение, при этом возбуждение импульсов смещения осуществляют с помощью источника акустической эмиссии трения, полученные при этом сигналы акустической эмиссии трения регистрируют, затем по ним определяют их автокорреляцию, производя, таким образом, относительную калибровку калибруемого преобразователя акустической эмиссии.

Изобретение относится к системе для выполнения калибровочных отражателей на трубе. Переносная система электроэрозионной обработки для выполнения калибровочных отражателей на трубе содержит основание, монтируемое на трубу, режущий инструмент, электродвигатель, функционально соединенный с режущим инструментом для перемещения режущего инструмента в соответствии предварительно выбранной схемой, электрод, функционально соединенный с режущим инструментом, источник питания, функционально соединенный с электродом и функционально соединяемый с трубой, при этом источник питания выполнен с возможностью электрической подачи напряжения от электрода на трубу для удаления материала с трубы, источник диэлектрической текучей среды, находящийся во взаимодействии по текучей среде с трубой для удаления материала, удаляемого с трубы, при этом электродвигатель и источник питания и/или источник диэлектрической текучей среды установлены на основании.

Изобретение относится к области сейсмоакустических исследований и касается устройства контроля динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей.

Использование: для измерения объемной концентрации водорода. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют измерение температуры и скорости ультразвука в измеряемом газе, при этом определяют скорость в чистом водороде при той же температуре, а концентрацию водорода в газовой смеси вычисляют из математического выражения, учитывающего отношение квадрата скорости ультразвука в чистом водороде к квадрату скорости ультразвука в измеряемой смеси газов и отношение молярной массы примесей в водороде к молярной массе чистого водорода.

Изобретение относится к способам испытаний и эксплуатационного ультразвукового контроля изделий. Для повышения достоверности ультразвукового неразрушающего контроля перед проведением контроля изделие нагружают нагрузкой, достаточной для раскрытия гипотетического дефекта типа трещины в месте контроля до величины, которая обеспечила бы отражение ультразвуковой волны от дефекта и сделала его выявляемым.

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для измерения скорости звука в естественных водоемах. Предложен способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающийся в формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, которой включает измерение скорости распространения звука, температуры и давления в образцовой зоне водоема на фиксированных горизонтах, свободной от загрязнений техногенного характера, при этом полученные значения измеренной скорости распространения звука являются эталонными значениями для данного водоема и заносятся в память вычислительного устройства средства акустического мониторинга, при формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, измерения скорости распространения звука выполняют при температуре и давлении, соответствующих температуре и давлению полученных эталонных значений скорости распространения звука на фиксированных горизонтах акватории исследуемого водоема. Технический результат заключается в повышении достоверности способа акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, а также расширении функциональных возможностей. 1 ил.

Использование: для измерения акустического сопротивления однородных сред. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемой и контрольной средами соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, суммирующий каскад, входы которого подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, связанный с выходом делителя, при этом в состав устройства введены дифференциальный усилитель и блок возведения в степень, причем первый вход дифференциального усилителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а второй вход этого усилителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, первый вход делителя подключен к выходу дифференциального усилителя, а второй его вход подключен к выходу суммирующего каскада, выход делителя подключен к входу блока возведения в степень, а выход последнего подключен к входу блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует заданную функциональную зависимость. Технический результат: повышение чувствительности к акустическому сопротивлению исследуемой среды. 1 ил.

Использование: для измерения акустического сопротивления материалов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, при этом второй вход делителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а выход делителя связан с блоком функционального преобразования, при этом первый вход делителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, между выходом делителя и входом блока функционального преобразования введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины и экспоненциального преобразования, а блок функционального преобразования реализует заданную функциональную зависимость или в устройство введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, аналогового инвертирования и экспоненциального преобразования, причем блок функционального преобразования в этом случае реализует другую заданную функциональную зависимость. Технический результат: повышение чувствительности к акустическому сопротивлению исследуемого материала. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для тестирования жидкости, используемой как восстановитель, в связи с очисткой выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания. Устройство содержит датчик (6) температуры и модуль (8) измерения скорости звука. Датчик температуры выполнен с возможностью определения первой температуры T1 для жидкости и подачи на ее основе сигнала (12) температуры в вычислительный модуль (10). Модуль (8) измерения скорости звука выполнен с возможностью определения первой скорости v1 звука для жидкости при температуре T1 и подачи на ее основе сигнала (14) скорости звука в вычислительный модуль (10). Датчик (6) температуры дополнительно выполнен с возможностью определения второй температуры T2 для жидкости. Вычислительный модуль (10) выполнен с возможностью вычисления абсолютного значения разности ΔT температур между T1 и T2 и сравнения ΔT с заданным пороговым значением TTH. Если ΔT превышает TTH , то определяют вторую скорость звука v2 для жидкости при температуре T2. Вычислительный модуль (10) выполнен с возможностью сравнения v1 и v2 с соответствующими первым и вторым эталонными значениями vrefl и vref2 скорости для эталонной жидкости при соответствующих температурах T1 и T2. На основе результата сравнения генерируют индикаторный сигнал. Технический результат - повышение точности и достоверности получаемых данных. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое устройство относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано в приборах контроля расхода высокотемпературных жидких и газовых потоков. Волноводный ультразвуковой преобразователь расходомера содержит пьезоэлектрический преобразователь, волноводную пластину, имеющую поверхности для контактирования с пьезоэлектрическим преобразователем и поверхностью трубы с контролируемой средой, и устройства прижима волноводной пластины к трубе и преобразователю. В нем волноводная пластина выполнена в форме удлиненного параллелограмма, один конец которого прижимается к поверхности трубы, а на втором установлен преобразователь сдвиговых волн, при этом угол острого угла параллелограмма выбирается преимущественно в диапазоне 20-50°. Технический результат − улучшение эксплуатационных характеристик устройства, а именно снижение количества тепла, поступающего по волноводу к преобразователю, а также возможность выровнять температурное поле в волноводной пластине. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для определения эрозионной стойкости твердых микро- и нанообъектов при воздействии кавитации. Сущность изобретения заключается в том, что одну грань исследуемого объекта упрочняют, после чего проводят кавитационное воздействие в герметичной камере с жидкостью при избыточном гидростатическом давлении, обработку исследуемого объекта ведут гидроакустическим потоком при плотности мощности ультразвукового излучения, достаточной для нахождения исследуемого образца во взвешенном состоянии, оценивают эрозионную стойкость по состоянию рельефа поверхности, его геометрическим и объемным параметрам по сравнению с первоначальным состоянием объекта. Технический результат: обеспечение возможности полной и объективной оценки эрозионной стойкости твердых микро- и нанообъектов. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для сбора данных при помощи акустических волн, в частности к фотоакустической томографии. Устройство содержит детектор, включающий множество регистрирующих элементов для приема на соответствующих приемных поверхностях акустических волн от области измерения объекта, причем приемные поверхности, по меньшей мере, некоторых из регистрирующих элементов, ориентированных под различными углами, зафиксированы относительно друг друга, блок сканирования для перемещения, по меньшей мере, одного из объекта и детектора, блок управления для управления блоком сканирования так, что регистрирующие элементы принимают акустические волны от области измерения и относительное положение объекта и области с самой высокой разрешающей способностью области измерения изменяется, причем область с самой высокой разрешающей способностью определена в зависимости от размещения регистрирующих элементов. Использование изобретения позволяет повысить равномерность разрешающей способности. 17 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к строительству, а именно к способам контроля качества укладки бетонной смеси, и может быть использовано при операционном контроле качества выполнения строительно-монтажных работ при бетонировании бетонных и железобетонных конструкций. Технический результат - упрощение процедуры контроля укладки бетонной смеси и обеспечение возможности оперативного устранения выявленных дефектов непосредственно в процессе бетонирования. Способ включает использование несъемной опалубки и выявление наличия дефектов укладки на основе регистрации скорости распространения ультразвукового импульса. В качестве несъемной опалубки используют опалубку из фибробетона. Наличие дефектов укладки выявляют в неотвержденной бетонной смеси путем измерения разности скоростей распространения ультразвукового импульса при сквозном прозвучивании до укладки бетонной смеси в опалубку и по нескольким различным трассам после укладки, но до начала отвержения бетонной смеси. При этом используют ультразвуковой импульс частотой 20-100 кГц. 2 з.п. ф-лы.

Использование: для анализа экологического состояния морской среды. Сущность изобретения заключается в том, что оптоакустический анализатор экологического состояния среды содержит импульсно-модулированный лазер, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца, и регистрирующие акустические сигналы акустические пьезоприемники, при этом он снабжен оптоакустической ячейкой, состоящей из входной и выходной призм, между которыми образована кювета для исследуемого образца среды, а на внешней поверхности выходной призмы установлены два акустических пьезоприемника, один из которых расположен на оси линии, проведенной через центр облучаемой области перпендикулярно к оси лазера, а второй расположен под углом 50-80 градусов к этой оси. Технический результат: обеспечение возможности обнаруживать неоднородные включения в жидкости за счет разных теплофизических характеристик их микронеоднородностей. 1 ил.

Изобретение относится к области акустического анализа пористых материалов и может быть использовано для исследования образцов керна. Согласно предложенному способу определения скорости распространения акустических волн в пористой среде облучают по меньшей мере два образца пористой среды, имеющих разную длину, акустическими волнами, возбуждаемыми источником. Для каждого образца регистрируют время прихода волны от источника акустических волн к приемнику и определяют скорость распространения акустических волн на основе анализа изменений времени прихода волны по отношению к изменению длины образцов. Технический результат - повышение точности определения скорости распространения волн. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх