Ультразвуковой преобразователь

 

orlHr.An@E изоьгетения ""829 () Союз Советских

Социалистических республик

Х АВТОРСКОМУ СВ ИТИЛЬСТВУ (61) Дополнительиое к евт. сеид-ву(22) Заявлено 11D7.79 (21) 2795741/18-10 (51) М. Кй. с присоединением заявки ¹(23) Приоритет

В 06 В 1/06//

Н 04 R 17/00

Государственный комнгет

СССР оо делам нзобретеннй н огкрытнй

Опубликовано 1Ы581,6голлетеиь ¹ 18

Дата опубликования описания. 15D581 (53) УДК 534.2З2 (088. 8) t

В.Н.Носов, В.С.Ямщиков, В.Л.Шкуратник и И Д.Вигдорчик

i -"> Й. . ."

Московский ордена Трудового Красного Знамени. горный институт (72) Автор ы изобретения (71) Заявитель (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Язобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к электромеханическим преобразователям, и может быть использовано для контроля свойств и состояния .твердЬгх сред.

Известны ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля, содержащие. установленный в корпусе пьезоэлемент, одна из поверхностей которого контактируется с цилиндрическим волноводом, имеющим фланцеобразный выступ, который наряду с торцовой поверхностью волновода служит для ввода и приема ультразвуковых колебаний (11.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является ультразвуковой преобразовательн со.держащий цилиндрический пьезоэлемент, выполненный в виде пакета продольно поляризованных шайб, расположенных между двумя частотнопонижающими накладными. Секционирование пьезоэлемента позволяет повысить коэффициент электромеханической трансформации и уменьшить напряжение возбуждения (21.

Однако указанные преобразователи обладают низкой помехоустойчивостью приема и излучения сдвиговых колеба.ний, так как последние маскируются продольной составляющей акустического сигнала. Учитывая,что для преобразователей типа продольной вибратор, направление максимума диаграммы нап- равленности для продольных колебаний совпадает с осью преобразователя, а для сдвиговых колебаний составляет примерно 45о, максимального соотношения сдвиговой и продольной состав ляющих обычно добиваются соответствующим пространственными разносом приемного и излучающего преобразователей. На практике такой разнос не всегда возможен и целесообразен с .

15 точки зрения технологичности контроля. Кроме того, он малоэффективен в нижнем ультразвуковом диапазоне частот, где направленность преобраэова" теля мала и продольная и сдвиговая

20 диаграмма направленности существенно перекрываются.

Цель изобретения - повышение помехоэащищенности при излучении и приеме сдвиговых колебаний за счет подав" ления продольной составляющей акустического сигнала.

Укаэанная цель достигается тем, что преобразователь снабжен закрепленной в средней части пьезоэлемента

30 кольцевой обоймой с двумя жестко свя829204 занными с ней в диаметрально противоположных точках волноводами изгибных колебаний, расположенными вдоль оси пьезоэлемента, причем волноводы в узловых точках иэгибных колебаний связань: между собой звукопоглощающей пластиной.

На фиг.1 схематически представлен ультразвуковой преобразователь ; на фиг." — то же, вид сверху, на фиг.3эпюры распределения колебательных скоростей и. гибной волны (кривая 17) и продольной волны (кривая 18) в первом волноводе; на фиг.4 — эпюры распределения колебательных скоростей изгибной волны (кривая 19) и продольной волны (кривая 20) во втором волноводе. ультразвуковой преобразователь содержит цилиндрический пьезоэлемент, выполненный в виде соединенных параллельно продольно поляризованных шайб

1,2, расположенных между частотопонижающими накладками 3,4 и армированных с помощью болта 5 и гаек 6,7.B центральной соответствующей узлу колебаний части пьезоэлемента закрепле. на кольцевая обойма 8, внешний диаметр которой выбирается примерно равным половине длины принимаемой сдвиговой волны. С кольцевой обоймой

8, в ее диаметрально противоположных точках, акустически связаны первый волновод 9 изгибных колебаний и второй волновод 10 изгибных колебаний.

В узловых точках 11, 12 иэгибных колебаний волноводов 9, 10 закрепляется корпус 13 (на фиг.1 показан пунктиром) и звукопоглощающая пластина 14, в канавках которой содержится вибропоглощающий материал типа антивибрит или другой. Электрический сигнал снимается с пьезоэлемента (в режиме приема) и подается на него в режиме излучения с помощью волноводов 15, 16. ультразвуковой преобразователь работает следующим образом.

В режиме приема акустический сигнал из контролируемой среды воспринимается свободными концами волноводов 9, 10. При этом продольная состлавляющая акустического сигнала приходит на оба волновода 9, 10 почти в фазе, а сдвиговая составляющая в противофазе, так как расстояние между волноводами 9, 10, определяемое внешним диаметром кольцевой обоймы 8, составляет примерно р с/2, а длина продольной волны в контролируемой среде iLg 7 Аz . Продольная составляющая принимаемого сигнала возбуждает в волноводах 9, 10 продольные колебания, а сдвиговая — изгибные колебания, распространяющиеся со скоростями соответственно Cygne,Сист, соотношение между которыми определяется выражением

Сиат 42суcnct "ст > где Х вЂ” частота сигнала — .радиус инерции поперечного сечения стержня.

Так как С „ <(Спст волновой размер волновода 9,10 оказывается значительно меньше для продольных колебаний, вследствие чего происходит их распространение и затухание в звукопоглощающей пластине 14, которая при этом размещена не в узле колебаний (см.фиг.3,4, кривая 18,20У. Оставшаяся незначительная часть энергии продольных колебаний через кольцевую обойму 8 возбуждает в противофаэе составляющие пьезоэлемент шайбы 1 и

2. .Вследствие симметрии пьезоэлемента и параллельного включения шайб и 2 напряжение, наводимое в его верхней половине, равно и обратно по знаку напряжению наводимому в нижней половине, а выходное напряжение при воздействии продольной волны 0=0

При приеме сдвиговой волны последняя возбуждает в волноводах .9, 10 изгибные колебания, которые практически не затухают на звукопоглощающей пластине 14, так как она закреплена в узлах 11, 12 изгибных колебаний. Колебательная энергия, пройдя на вход пьезоэлемента, возбуждает его на частоте продольного резонанса, но за счет поперечного эффекта пьезоэлектрических шайб 1,2, возбуждаемых в фазе.

В режиме излучения подаваемое через волноводы 15, 16 напряжение возбуждения вызывает в пьезоэлементе продольные колебания. При этом за счет поперечного пьезоэффекта стенки пьезоэлемента растягиваются и сжимают кольцевую обойму 8, что вызывает изгибные колебания волноводов 9, 10, свободные концы которых, контактируя с контролируемой средой, возбу>кдают в последней сдвиговые колебания. Влияние звукопоглощающей пластины 14 при этом не проявляется,так как она закреплена в точках 11, 12» соответствующих узлам из.гибных колебаний волноводов 9, 10. Продольные колебания в волноводах 9, 10 практически не возбуждаются.

Предлагаемый ультразвуковой преобразователь обеспечивает повьпаение помехоустойчивости излучения и приема сдвигаемых колебаний за счет подавления продольной составляющей акустического сигнала на 30-40 дБ.

Низкий уровень продольной составляющей позволяет использовать преобразователь в цифровых ультразвуковых приборах контроля качества крупно829204 структурных материалов, реализующих время-импульсный метод дефектоскопии, повысив его надежность за счет использования скорости сдвиговых колебаний в качестве информационного признака. Экономический эффект при этом составит 4,5 тыс.руб. в год.

Формула изобретения.

Ультразвуковой преобразователь, содержащий цилиндрический пьезоэлемент, выполненный в виде пакета продольно поляризованных шайб, расположенных между двумя накладками,о т л и чающий с я тем, что, с целью повышения помехозащищенности при излучении и приеме сдвиговых колебаний за счет подавления продоль20

g О

Фиг. 5

Фиг.2

Составитель И.Попова

Редактор С.Тимохина Техред Т. Маточка Корректор E.Ðîøêî

Заказ 37б7/83 Тираж 527 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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

S

3

2 гф

11 ной состав.гниющей акустического сигнала, он снабжен закрепленной в средней части пьезоэлемента кольцевой обоймой с двумя жестко связанными с ней в диаметрально противоположных точках волноводами изгибных колебаний, расположенными вдоль оси пьезоэлемента, причем волноводы в узловых точках изгибных колебаний связаны между собой звукопоглощающей пластиной.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторско свидетельство СССР гг 212596, кл. й01 Й 29/04, 1968.

2. Физическая акустика.Под ред У.Мэзона. Часть A. "Методы и приборы ультразвуковых исследований".

М., "Мир", 19бб, с.302 (прототип) .