Ультразвуковой преобразовательдля возбуждения волн лэмба

 

ВЬаавиэе нее

ЖФЕмтМЬ-ММЛВЧЕЮМаа

Фй10ГМъбий М Ь A (i ц 794487

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 26.05.78 (21) 2619939/25-10 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 07.01.81. Бюллетень № 1 (45) Дата опубликования описания 07.01.81 (51) М. К .

G 01N 29/04

Н 04R 17/00

Государственный комитет

СССР (53) УДК 534.232 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

С. И. Антанайтис, P-И. Ю. Кажис и К.-В. Ю. Бериатонис (71) Заявитель Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВОЛН ЛЭМБА

Изобретение относится к неразрушающему контролю изделий и может быть использовано для возбуждения низкочастотных акустических волн Лэмба в движущжся листовых материалах, в частности бумаге, картоне, полимерных пленках и т. д.

Известен ультразвуковой дефектоскоп, в котором для улучшения акустического контакта при движении головки дефектоскопа вдоль контролируемой плоской поверхности 10 преобразователь и приемник размещены внутри полого колеса, гибкий биндаж которого катится по контролируемой поверхности, причем приблизительно на 1/3 объема колесо заполнено жидкой смазкой, улучша- 15 ющей акустический контакт (1).

Однако это устройство может быть применено только при весьма малых скоростях движения материала и имеет малую эффективность возбуждения. 20

Известно устройство для контроля механических свойств бумажного полотна, содержащее электроакустические излуча тели и приемники ультразвука с концентраторами, электронные усилители и генератор, 25 причем усилители, излучатели и приемники установлены внутри приводимого во вращение движущимся бумажным полотном валика, поверхность которого выполнена с Гобразными пазами со смонтированными в них с возможностью касания бумажного полотна группами излучающего и принимающих концентраторов, а Г-образные пазы смещены один относительно другого с возможностью непрерывного касания движущегося бумажного полотна группами концентраторов. При этом измерение производится лишь в тот момент, когда концы концентраторов излучателя и приемников контактируют с бумажным полотном (2).

Существенным недостатком этого устройства являются трудности измерения скорости ультразвука в материале, движущемся с большой скоростью, например в бумажном полотне в производственных условиях.

В данном случае акустический контакт между излучателем и листом непостоянный, поэтому ультразвуковые волны возбуждаются неэффективно, их амплитуда меняется в значительных пределах. Кроме того, из-за вибраций листа между последним и приемником существует частичное механическое биение, вследствие которого в приемнике возбуждаются интенсивные акустические шумы, превосходящие по амплитуде полезный сигнал.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ультразвуковой преобразователь, содержащий пьезоэлемент и согласующий слой, выполненный

794487

20 (2) 25

6, = are sin

Скл

См или а = tgarccos м кл

65 в виде диска, причем пьезоэлемент помещен в камеру, разделенную перегородкой и заполненную текучей средой. В устройстве предусмотрено приспособление для изменения относительного давления между различными текучими средами в двух камерах для измерения диаграммы ультразвукового излучения (3).

Недостатком указанного устройства является малая эффективность возбуждения колебаний при контроле движущегося материала вследствие нестабильности и неоптимальности угла ввода ультразвуковой волны в контролируемое движущееся изделие.

Цель изобретения — повышение эффективности возбуждения колебаний при контроле движущегося материала, Это достигается тем, что пьезоэлемент выполнен в виде тела вращения, внутренняя и внешняя поверхности которого имеют вид одного полного оборота спирали Архимеда с постоянной, равной тангенсу арккосинуса отношения волновых чисел в контролируемом материале и в материале согласующего слоя, и прикреплен к диску с обеспечением акустического контакта с ним по своей внешней поверхности, при этом центры диска и спирали Архимеда совмещены.

На чертеже изображен предлагаемый преобразователь, поперечное сечение.

Преобразователь содержит пьезоэлемент

1, выполненный в виде тела вращения, внуренняя и внешняя поверхности которого имеют вид одного полного оборота спирали

Архимеда, и согласующий диск 2, причем и внешняя поверхность пьезоэлемента 1 находится в непосредственном акустическом контакте с внутренней поверхностью диска

2, а постоянная спирали Архимеда равна тангенсу арккосинуса отношения волновых чисел в контролируемом материале и в материале согласующего диска 2.

Устройство работает следующим образом.

Преобразователь 1 возбуждает ультразвуковые колебания, которые через согласующий слой 2 возбуждают в движущемся контролируемом материале волну Лэмба.

Оптимальный угол ввода колебаний в материал через клиновидный согласующий слой равен где 8i — угол падения плоской волны на листовой материал;

Скл — скорость продольных ультразвуковых волн в материале согласующего слоя;

C — скорость продольных ультразвуковых волн в листовом материале.

Возбуждаемая пьезоэлементом 1 ультразвуковая волна распространяется в согласующем слое 2, причем направление распространения фронта волны является перпендикулярным касательной активной поверхности пьезоэлемента.

Применение согласующего слоя в виде диска 2 обеспечивает отсутствие сухого трения, но требует создания рациональной формы пьезоэлемента, постоянства угла ввода О, обеспечивающего постоянство угла ввода независимо от угла поворота. Это условие будет удовлетворено если направление касательно" BB к поверхности искомой геометрической формы пьезоэлемента будет постоянным относительно направления 00 исследуемого полотна, т. е. 8q †â€

=const. Решение этой задачи будем проводить в системе полярных координат g=

=f(ср). Как известно тангенс угла направления касательной равен первой производной по переменному q>

tg 8, = ctg/d = а, откуда 0 — — arctgd, где а — постоянная величина. Если учесть соотношение (2), то = а, что геометрически представляет спираль Архимеда. Следовательно, для того чтобы угол ввода был постоянным независимо от угла поворота диска, поперечное сечение пьезоэлемента должно быть выполнено в виде спирали Архимеда. Практически геометрические размеры спирали целесообразно ограничивать пределами одного полного оборота. При этом, следует обратить внимание на тот факт, что для получения полной информации о технических условиях конструирования преобразователя, необходимо найти аналитическую зависимость между углом ввода ультразвуковых колебаний 01 и постоянной спирали

Архимеда.

Как было отмечено выше, направление фронта возбуждаемой волны всегда перпендикулярно к касательной активной поверхности преобразователя. Поэтому угол между касательной ВВ и направлением излучения AA должен быть постоянным и равен л/2. Отсюда

6, = 8,+m/2, где 0> определяется соотношением (1), а

0> — соотношением (2). Поэтому после некоторых преобразований получаем, что

arctg а = агссоз

Скл

См где

К„=, К„= с„ кл — волновые числа соответственно в контролируемом материале в согласуюшем слое.

794487

Практически конструирование предлагаемого преобразователя происходит следующим образом, Во-первых, устанавливается наиоолее вероятное отношение, котоКм

Ккл рое определяет оптимальный угол ввода 8i.

Во-вторых, соответственно по зависимости (3) определяется постоянная спирали Архимеда а. После выбора масштаба изготавливается преобразователь. При вращении изготовленного преобразователя угол ввода остается постоянным, что позволяет эффективно возбуждать низкочастотные волны

Лэмба. В случае использования предложенного преобразователя для измерительных целей незначительные трудности возникают при компенсации непрерывного изменения расстояния АА . Для этого целесообразно использовать синхронизирующее устройство пространственной ориентации диска или еще проще использовать аналогичный преобразователь приемником, направление спирали пьезоэлемента которого противоположно направлению соответствующего элемента излучателя.

Проведенные испытания показали большую эффективность преобразователя при возбуждении волн Лэмба в движущемся бумажном полотне, причем при скорости движения полотна до 10 м/с амплитуда возбуждаемых акустических колебаний менялась не более чем на +4,3%. Последнее обстоятельство позволяет предполагать, что предложенное устройство найдет широкое применение.

Наиболее перспективное применение предложенного преобразователя — неразрушающий контроль формируемых, еще горячих, полимерных пленок.

Формула изобретения

Ультразвуковой преобразователь для

10 возбуждения волн Лэмба, содержащий пьезоэлемент и согласующий слой, выполненный в виде диска, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности возбуждения колебаний при контроле

15 движущегося материала, пьезоэлемент выполнен в виде тела вращения, внутренняя . и внешняя поверхности которого имеют вид одного полного оборота спирали Архимеда с постоянной, равной тангенсу арккосинуса

20 отношения волновых чисел в контролируемом материале и в материале согласующего слоя, и прикреплен к диску с обеспечением акустического контакта с ним по своей внешней поверхности, при этом центры

25 диска и спирали Архимеда совмещены.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе зО 1. Патент Великобритании № 1294404, кл.

Н 4D, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР № 323739, кл. G 01N 33/34, 1972.

3. Патент США № 3636756, кл. G 01N

29/00, 1972 (прототип).