Результат интеллектуальной деятельности: УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИММЕРСИОННЫЙ МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям, и может быть использовано при дефектоскопии и толщинометрии при исследовании различного рода материалов, в частности труб, металлического проката, пластиков и неоднородных материалов, таких например, как сварные конструкции.

Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус с протектором в виде усеченного конуса, пьезоэлемент и демпфер, размещенный в корпусе (см. заявку GB №2091520, кл. G01N 29/00, 28.07.1982).

Данный преобразователь создает в исследуемом материале только продольную волну и может быть использован только в области высоких частот, что сужает область его использования. Кроме того, для установки преобразователя на исследуемое изделие необходима смачивающая жидкость.

Известен раздельно-совмещенный преобразователь, в корпусе которого установлены под углом 45 градусов излучатель поперечной волны и приемный элемент (см. патент FR №2499248, кл. G01N 29/00, 06.08.1982).

Данный преобразователь работает в высокочастотной области и требует значительных усилий для обеспечения хорошего акустического контакта, что сужает область его использования.

Кроме того, общим недостатком описанных выше преобразователей является то, что они не могут работать в иммерсионном режиме.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ультразвуковой иммерсионный многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, сопряженную с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, причем линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом (см. патент на полезную модель RU №114786, кл. G01N 29/00, 10.04.2012).

Данный преобразователь выполнен с возможностью его использования для контроля объектов с шероховатой, неподготовленной и криволинейной поверхностью. Однако данный преобразователь имеет сравнительно сложную конструкцию, что снижает его надежность и ограничивает диапазон возможных конфигураций диаграммы излучения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение достоверности контроля целостности контролируемого материала за счет увеличения длины рабочей зоны и расширения диаграммы направленности пьезоэлектрического преобразователя при упрощении конструкции преобразователя.

Технический результат заключается в том, что достигается повышение достоверности контроля целостности контролируемого материала.

Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ультразвуковой иммерсионный многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь содержит герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, расположенную со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, причем линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом, пьезоэлементы расположены с образованием вогнутой или выпуклой относительно линзы поверхности, промежутки между пьезоэлементами заполнены полимерным компаундом с образованием плавно изогнутых, общих с пьезоэлементами поверхностей, одна из которых обращена в сторону линзы, а другая - в сторону демпфирующего вещества, все пьезоэлементы выполнены с общим для них положительным и отрицательным электродами, перекрывающими заполненные полимерным компаундом промежутки между пьезоэлементами и подключенными к электрическому герметичному разъему, при этом линза и демпфирующее вещество поверхностями, обращенными к образованным пьезоэлементами и полимерным компаундом поверхностям, каждая со своей стороны, плотно прилегает к расположенным на этих поверхностях электродам, причем линза приклеена к расположенному на пьезоэлементах электроду или плотно прилегает к электроду через слой акустически проводящей жидкости толщиной меньше чем , где δ - длина волны ультразвука в жидкости, прилегающие поверхности линзы и демпфирующего вещества повторяют поверхности электродов к которым они прилегают, а линейный размер излучающей поверхности каждого пьезоэлемента равен или меньше h=C/2F, где C - скорость звука в материале пьезоэлемента; F - резонансная частота пьезоэлемента.

Пьезоэлементы предпочтительно имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму.

Пьезоэлементы стороной, обращенной к контролируемому материалу, могут быть расположены под острым или тупым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя, соответственно, в случае расположения пьезоэлементов с образованием вогнутой или выпуклой поверхности.

Линза, предпочтительно, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, имеет толщину S напротив каждого из пьезоэлементов, равную

,

где λ - длина волны ультразвука в материале линзы;

c - скорость звука в материале линзы;

f - рабочая частота пьезоэлемента.

Линза может иметь клиновидную форму напротив каждого пьезоэлемента в плоскости продольного сечения, проходящей через акустические оси пьезоэлементов, а толщина линзы в месте прохождения через нее акустической оси пьезоэлемента равна .

Линза может быть выполнена с цилиндрической наружной поверхностью, обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов, причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси пьезоэлементов, линза имеет наименьшую толщину, равную λ/4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины цилиндрической поверхности пересекается с акустической осью соответствующего пьезоэлемента с увеличением толщины линзы в направлении от этой акустической оси.

Выполнение пьезоэлементов расположенными с образованием вогнутой или выпуклой относительно линзы поверхности с промежутками между пьезоэлементами, заполненными полимерным компаундом с образованием плавно изогнутых, общих с пьезоэлементами поверхностей, одна из которых обращена в сторону линзы, а другая - в сторону демпфирующего вещества в сочетании с тем, что все пьезоэлементы выполнены с общим для них положительным и отрицательным электродами, перекрывающими заполненные полимерным компаундом промежутки между пьезоэлементами и подключенными к электрическому герметичному разъему, при этом линза и демпфирующее вещество поверхностями, обращенными к образованным пьезоэлементами и полимерным компаундом поверхностям, каждая со своей стороны, плотно прилегает к расположенным на этих поверхностях электродам, причем прилегающие поверхности линзы и демпфирующего вещества повторяют поверхности электродов, к которым они прилегают, а линейный размер излучающей поверхности каждого пьезоэлемента равен или меньше h=C/2F, где C - скорость звука в материале пьезоэлемента; F - резонансная частота пьезоэлемента, позволяет добиться упрощения конструкции преобразователя за счет возможности выполнения пьезоэлементов скомпонованными с электродами в виде отдельного блока, который легко вставить в преобразователь при сборке или легко заменить в случае необходимости, например при ремонте. Таким образом, преобразователь может состоять из отдельных конструктивно простых элементов: блока пьезоэлементов, линзы и демпфирующего вещества, из которых легко собирается преобразователь практически любой необходимой конфигурации. Кроме того, представляется возможность создавать блоки из пьезоэлементов с обращенной к линзе поверхностью, которая может быть двухмерной, например близкой к цилиндрической, или трехмерной, например близкой к сферической, что в свою очередь позволяет создавать преобразователи практически с любой требуемой длиной рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя, что позволяет повысить достоверность контроля целостности контролируемого материала

Выполнение толщины линзы равной позволяет добиться максимальной чувствительности пьезоэлектрического преобразователя за счет эффекта просветления.

Выполнение линзы с описанными выше клиновидными поверхностями позволяет сократить длительность эхо-импульса и увеличить соотношение сигнал/шум.

Выполнение линзы с цилиндрическими поверхностями позволяет, помимо приведенных выше качеств, обеспечить концентрацию энергии акустического поля в заданной области.

На фиг.1 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя с двумя пьезоэлементами и линзой с цилиндрическими поверхностями.

На фиг.2 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя с пьезоэлементами и линзой с клиновидной формой напротив каждого пьезоэлемента.

На фиг.3 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя с образованной пьезоэлементами выпуклой поверхностью, обращенной к контролируемому материалу.

Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь содержит герметичный корпус 1 с демпфирующим веществом 2, пьезоэлементы 3, установленные внутри корпуса 1 и расположенные в корпусе 1 симметрично относительно акустической оси 4 преобразователя, и линзу 5, расположенную со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов 3.

Пьезоэлементы 3 могут быть выполнены в виде круглых, сегментных или прямоугольных пластин и расположены со стороны, обращенной к контролируемому материалу под острым α или тупым β углом к акустической оси 4 пьезоэлектрического преобразователя, соответственно, в случае расположения пьезоэлементов 3 с образованием вогнутой или выпуклой поверхности, при этом пьезоэлементы 3, предпочтительно, имеют относительно продольной оси (совпадающей с акустической осью 4) преобразователя попарно одинаковую форму и выполнены с электродами 6 и 7 на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему 8. Акустические оси 9 пьезоэлементов 3 пересекаются между собой на продольной оси преобразователя.

Вектор поляризации всех пьезоэлементов 3 направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества 2, причем линза 5 выполнена общей для всех пьезоэлементов 3 или состоит из отдельных секций 10, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом.

Пьезоэлементы 3 расположены с образованием вогнутой (фиг.1 и 2) или выпуклой (фиг.3) относительно линзы 5 поверхности. Промежутки между пьезоэлементами 3 заполнены полимерным компаундом 11 с образованием плавно изогнутых, общих с пьезоэлементами 3 поверхностей, одна из которых обращена в сторону линзы 5, а другая - в сторону демпфирующего вещества 2.

Все пьезоэлементы 3 выполнены с общим для них положительным 7 и отрицательным 6 электродами, перекрывающими заполненные полимерным компаундом 11 промежутки между пьезоэлементами 3 и подключенными к электрическому герметичному разъему 8, при этом линза 5 и демпфирующее вещество 2 поверхностями, обращенными к образованным пьезоэлементами 3 и полимерным компаундом 11 поверхностям, каждая со своей стороны, плотно прилегает к расположенным на этих поверхностях электродам 6 и 7, причем линза 5 приклеена к расположенному на пьезоэлементах 3 электроду 7 или плотно прилегает к электроду 7 через слой акустически проводящей жидкости (не показано на чертеже) толщиной меньше чем , где δ - длина волны ультразвука в жидкости, прилегающие поверхности линзы 5 и демпфирующего вещества 2 повторяют поверхности электродов 6 и 7, к которым они прилегают, а линейный размер излучающей поверхности каждого пьезоэлемента 3 равен или меньше h=C/2F, где C - скорость звука в материале пьезоэлемента 3; F - резонансная частота пьезоэлемента 3.

Линза 5, предпочтительно, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, имеет толщину S напротив каждого из пьезоэлементов (на чертеже не показано), равную

,

где λ - длина волны ультразвука в материале линзы;

c - скорость звука в материале линзы;

f - рабочая частота пьезоэлемента.

Линза 5 может иметь клиновидную форму напротив каждого пьезоэлемента 3 в плоскости продольного сечения проходящей через акустические оси 9 пьезоэлементов, а толщина линзы в месте прохождения через нее акустической оси 9 пьезоэлемента равна .

Линза 5 может быть выполнена с цилиндрической наружной поверхностью, обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов 3 (фиг.1), причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси 9 пьезоэлементов, линза 5 имеет наименьшую толщину, равную λ/4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины цилиндрической поверхности пересекается с акустической осью 9 соответствующего пьезоэлемента с увеличением толщины линзы в направлении от этой акустической оси 9.

Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

После установки преобразователя в жидкости линзой 5 над поверхностью контролируемого материала к выводам электрического герметичного разъема 8 подводят возбуждающее напряжение или в случае приема ультразвуковых колебаний снимают с этих выводов принятый сигнал. В режиме излучения, благодаря подключению электродов пьезоэлементов 3 к соответствующим выводом разъема 8, пьезоэлементы 3 колеблются синфазно, излучая в жидкость продольные волны. Волновой фронт достигает поверхности контролируемого объекта и, в зависимости от угла падения, формирует в нем фронт продольных или поперечных волн. При встрече этого фронта с неоднородностью материала или дефектом, формируется отраженный эхо-импульс.

В режиме приема отраженные волны принимаются всеми пьезоэлементами 3 или их частью и образуют выходной электрический сигнал на выводах разъема 8.

Размещение пьезоэлементов 3 описанным выше способом в сочетании с выполнением их с попарно одинаковой формой позволяет увеличить длину рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя и расширить его диаграмму направленности, что в конечном итоге позволяет добиться повышения достоверности контроля целостности контролируемого материала.

Иммерсионный тип контакта преобразователя с контролируемым объектом дает возможность контролировать материалы с шероховатой поверхностью (например, отливки) и длинномерные изделия, а также увеличить срок службы преобразователя.

Возможность концентрации энергии акустического поля в заранее определенной рабочей зоне обеспечивает повышение достоверности контроля в массивных изделиях.

Расширение диаграммы направленности обеспечивает возможность обнаружения произвольно ориентированных дефектов.

Настоящее изобретение может быть использовано для дефектоскопии и толщинометрии материала конструкций в машиностроении, трубопроводном и железнодорожном транспорте.