Низкочастотный раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь

 

Союз Советских

Социалистичесних

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (1 1) 538247 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено06.06.75 (21) 2143902/28 с присоединением заявки № (23) Приоритет (51) М. Кл." 01 1Ч 29/04

Государственный комитет

Сонета Министроа СССР по делам изобретений и открытий (43) Опубликовано 30.09.76.Бюллетень ¹ 86 (53) УДК 620.179. .16 (088.8) (45) Дата опубликования описания 26.11.76 (72) Авторы изобретения

В. Е. Поляков, С. П. Илларионов и О. О. Карапетян

Ленинградский ордена Трудового Kpaczo;o Знамени (71) Заявитель инженерно-строительный институт (54) НИЗКОЧАСТОТНЫЙ РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЕННЫЙ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ о К а в 8) = О. (4) Изобретение относится к ультразвуковому неразрушающему контролю качества материалов и изделий.

Известен раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий две (излучающую и приемную) пьезопласти— ны, разделенные воздушным промежутком, и акустический экран, который выступает за пределы рабочих поверхностей излучающей и приемной пьезопластин и имеет две степени свободы в этом направлении.

Однако это устройство может быть использовано только через участок жидкости и исключает осуществление непосредственно- 1к го контакта между преобразователем и контролируемым изделием. При этом сигнал с излучающей пластины поступает на приемную и перегружает усилитель.

Известен низкочастотный раздельно-сов- gp мещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий корпус с мембраной, размещенные на ней излучатель, состоящий из отдельных прямоугольных пьезопластин, расположенных дискретно на круговой базе, соотношение сторон котооых выбраны из условия кратности частот мод колебаний, и приемник.

Диаметр круговой базы выбран из услоРп вия обеспечивающего требуемую направленность пьезопреобразователя, причем чувствительность в режиме излучения в плоскости мембоаны оказывается много меньше, чем в плоскости, перпендикулярной плоскости мембраны. Обеспечивается это тем, что указанное соотношение получено из условия:

Недостатком данного преобразователя является то, что при использовании его в совмещенном оежиме поиемный тракт (усилитель) требует защиты от возбуждающего электрического сигнала генератора, а в оаздельно-совмещенном имеет место повышенный уровень помех, обусловленных акусти— ческим сигналом, поступающим по мембране от излучателя к приемнику.

Целью изобоетения является снижение уровня помех.

5302

Достигается это тем, что приемник выполнен в виде пьезокерамического кольца, диаметр d и которого выбран из соотношения: п (z.) а диаметр окружности, на которой расположены пластины излучателя, выбран из сооТношения: и

2.К где, к — корни функции Бесселя нулевого порядка;

Л, Я вЂ” длины симметричной нормаль2 ной волны нулевой моды в мембране, обусловленные частотами 1-ой и 2-ой моде колебаний излучателя; х,и — порядки кратности частот мод колебаний.

2)

На фиг. 1 изображен обший вид раздельносовмешеш.ого цьезозлсктрического преобразователя; на фпг. 2 — разрез по Л-Л нафиг. 1.

Пьезопреобразователь имеет leTалличес— кий корпус )., приемник упругих колебаний в виде пье"оксрамического ко;!ьца 2, излуча1ел!. 3, состояший из набора прямоугольных

1! !ас г11пок, со!!Ор!!Iакхцпх I-.онтурные колебания и распопo;:;еш ых на кругоио1! базе, контактного I!!i 1;1;1д. а - 1, и» котором г!пастиш!и излу .:го;!я ссол!.ня!Отсг! и;-!ра;!лелы1о, и зкранируIол!еI о мс гг1 1лического ци. 1индра !.

Для пзгото!гления Оаздельно-совмешенного пьезозлоктр111еского преобразователя необходимо для излу Ià геля выбрать диаметр окружност и, ю которой располагаются прямоуго1!ы!ые пляс т!!нки, из соотношения (3 ) .

Расстояние мея<ду отдольны! !и пластинка..:и и=-,, уча.е.!я выбирается меньшим длины .ц!h! второй моды колебаний, а число зле. .!:Tàã-. бгльш рех, Коатцость частот мод бг!!!!!!! обеспоч жает из:!у"!ение упругого импульса длительностью в один период частоты пеовой моды колебаний. При излучении в исследуемое издслие короткого упругого импульса в изделии распростоаняется продольная волна сжатия-растяжения, а также поверхностные или норма!!ьные волны.

Поверхностная волна может распространяться в мембране пьезопреобразователя, многократно отражаясь и возбуждая пьезопреобразователь, работающий в совмещенном режиме приема, или, распространяясь по пов рхиости изделия, возбуждает приемник в раздельно-совмещенном режиме. В обоих слу— чаях при эхо-импульсном контроле поверхностная волна является помехой, что затрудляет, а на низких частотах вообше не позвоlIReT выделить полезный зхо — сигнал. В этом случае необходимо формировать характерис—

47 тику направленности, что позволит уменьшить чувствительность к поверхностной волне. Как известно, характеоистика напоавленности дискретных элементов, расположенных на круговой базе, может быть рассчитана из соотношения: . Il () =.1О (<О1S .т18)- 21 3 (КdS П9)СОЬ(П9) + . 2Т!

+2j 3 (Kd SIa8)COS 2TIV+... (4) ъп

Первое слагаемое представляет собой KGзффициент направленности плотнозаполненной окружности, второе — поправку, Обусловленную ограниченным числом источников, третьим слагаемым можно пренебречь, если число излучателей больше трех.

Вторым слагаемым можно пренебречь, если расстояние между отдельными излучателями меньше длины волны. Таким образом, пои выполнении указанных условий для оасчета направленности дискретных элементов, оасположенных на круговой базе, Mo>(Ho воспользоваться соотношением ()=,()(z» e), ()

2 all где К вЂ” волновое число;

Я вЂ” диаметр окружности.

Для того, чтобы иметь минимальную lувствителы!ость в плоскости мембраны, выбирают систему координат следующим образом. Угол изменяется от нуля в плоскости, перпендикулярной мембране„до 90 в плоскости мемо браны.

Тогда необходимо выполнение соотношения (! ), a это возможно, если

К с! s tl S = „„(6 ) где Ь вЂ” кооень функции Бесселя нулевого n порядка.

Отсюда:

Рп д= Л (7) при условии, что минимальная чувствительность необходима в плоскости мембраны, где 9 = 90

Таким образом, рассчитывают диаметр круговой базы, при которой чувствите,г!ьность к поверхностной волне минимальна.

Однако помимо формирования характеристики направленности необходимо, чтобы ультразвуковой преобразователь излучал короткий упругий импульс, что уменьшит "мертвую зону" при контроле.

С этой целью пьезопластины излучателя выбирают так, чтобы имела место кратность значений частот пеовой и второй мод колебаний, и возбуждают их электрическим им— пульсом, в спектре которого частота зрвой моды колебаний имеет исчезаюше малую а;,:плитуду.

530247

Тогда могут быть рассчитаны длины волн, соответствующие частотам первой и втооой мод колебаний:

Л

Ъ

il !

1 и соответствующие диаметры круговых Оаз:

il и (и

lQ дп = с и !

Необходимо потребовать, чтобы а это возможно в случаях: а) если Л вЂ” Л ., то есть, когда порядок кратности частот равен 1. б) когда и корень функции Бесселя нулевого порядка, будучи умноженный на порядок кратности, совпадает с корнем функции

Бесселя.

Тогда, если частоту первой моды колеба- ний выбрать, например, оавной 50 кГц, то вторая мода колебаний будет иметь частоту, равную 200 мГц, при этом диаметр круговой базы может быть определен из соотношения (3).

Излучатель изготавливают следуюшим об— разом. Задаются необходимой частотой пер— вой моды колебаний 1, Выбирают корни функции Бесселя нулевого пордяка т и к так, чтобы их отношение давало целое число, и тем самым определяют порядок кратности и частоту второй моды, Рассчитывают

Т стороны прямоугольной пластинки, удовлетворяющими порядок кратности. Рассчитывают диаметр круговой базы. Располагают элеменПервый случай не имеет практического значения, так как в качестве исходных пьезо-2О элементов выбирают пластины, у которых кратность больше единицы.

Для того, чтобы реализовать случай б), необходимо варьировать порядок кратности.

Для того, чтобы и = d необходимо в 25 качестве И корня взять пеовьп кореньфункции J (Kds z9) равный 2,2, а пооядок кратности частот выбрать равным четырем, тогда произведение первого корня, равного 2,2 на порядок кратности 4 дает третий ко- ЗО рень функции (Kä +п 8> ты по окружности и оассчитывают характеристику направленности.

Для изготовления попемника выбноают пьезокерамическое кольцо с диаметром, который может быть выбоан из соотношения (2 ) .

Приемник и излучатель наклеиваются на одну мембрану по концентрическим окоуж— ностям, а между ними располагают металлический экран.

Использование описанного пьезопреобразователя позволит значительно упростить электронную часть низкочастотных ультразвуковых эхо-импульсных дефектоскопои и толшиномеров при уменьшении уоовня пс мехпповеохностной акустической волны, идушей от излучателя к приемнику по мембране.

Формула изобретения с и где )Ъ

=7l =Я )

2l 2 корни функции Бесселя нулевого порядка; длины симметричной ноомальной волны нулевой моды в мембране на частотах первой и второй моде колебаний излучателя; л, К„ ъ — порядок кратности частот колебаний.

Низкочастотный оаздельно-совмещенный пьезоэлектрический поеобразователь, содержащий корпус с мембраной, размещенные на ней излучатель, состоящий из отдельных прямоу гольных пьезопластин, расположенных дискретно на круговой базе, соотношение стоnîû которых выбрано из условия кратности частот м:.д колебаний, и приемник, о т л ич а к шийся тем, что с целью ослабле—

) ния уровня помех, приемник выполнен в виде пьезокерамического кольца, диаметр с1п которого выбоан из соотношения:

Рm п а диаметр д окружности, на которой расположены пьезо пластины из луч а тел я, выб ран из соотношения

530247

Фиг. 1 фиг.2

Составитель Н. Бражников

Техред Л. Демьянова Корректор Н. Бугакова

Редактор E. Дайч

Заказ 5243/643 Тираж 1029 Подписное

LIHHHHH Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4