ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H04R17/00 G01H11/08 G01N29/04 

Изобретение относится к неразрушающему контролю объектов в экстремальных условиях (воздействия высокой температуры, γ-n-излучения, перегретого пара, вибрации и др.), а именно к пьезоэлектрическим ультразвуковым преобразователям и может быть использовано, в частности, для контроля герметичности первых контуров реакторных установок атомных электростанций, в процессе которого регистрируются поверхностные волны с гребенчатой периодической структурой (волны Рэлея, Лэмба и квазирэлеевские волны - в дальнейшем по тексту "волны Рэлея").

К первичным преобразователям любых диагностических систем предъявляются весьма высокие требования к техническим характеристикам, определяющим разрешающую способность (коэффициенту электроакустического преобразования, ширине рабочего частотного диапазона, неравномерности АЧХ и др.).

К первичным пьезоэлектрическим ультразвуковым преобразователям систем контроля герметичности оборудования атомных электростанций предъявляются дополнительные требования обеспечения функциональных специальных свойств: избирательность приема волн Рэлея среди других мод колебаний (волны Рэлея несут информацию о "звучащих" дефектах протяжных объектов, в то время как объемные (продольные) волны содержат сведения о событиях, происходящих внутри трубопроводов, например явлении кавитации, и в данном случае являются механическим шумом).

Известен пьезоэлектрический преобразователь для регистрации ультразвуковых колебаний оборудования АЭС [1], содержащий волновод и опору. Опора выполнена в виде усеченного конуса, меньшее основание которого соединено с волноводом. На торцевой поверхности опоры установлен пьезоэлемент в виде круглой пластины. Выбор размеров пьезопластины обеспечивает прием ультразвуковых колебаний на частоте радиального резонанса, что позволяет получить максимальную чувствительность на частоте регистрации. Однако применение данного преобразователя ограничено из-за весьма узкой полосы пропускания и отсутствия свойства избирательности волн Рэлея среди всех типов ультразвуковых волн, распространяющихся в контролируемом объекте в месте установки преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности является пьезоэлектрический преобразователь [2] для регистрации упругих волн в твердом теле в ультразвуковом диапазоне. Преобразователь состоит из одного или нескольких кольцевых пьезоэлементов, предварительно поджатых пружинами к несущей опоре, соединенной с корпусом тонкой мембраной. Несущая опора состоит из волновода в виде экспоненциальной воронки, переходящей в цилиндр. Прием ультразвуковых волн производится через волновод, соприкасающийся с поверхностью контролируемого объекта. Однако данный преобразователь, как и аналог, в равной степени регистрирует поверхностные и продольные волны.

Задача, решаемая изобретением, направлена на создание пьезоэлектрического ультразвукового преобразователя с широкой полосой пропускания, чувствительного к поверхностным волнам с гребенчатой периодической структурой.

Техническим результатом настоящего изобретения является избирательность приема волн Рэлея среди всех типов волн, распространяющихся в месте установки преобразователя и уменьшение изрезанности амплитудно-частотной характеристики.

Технический результат достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом ультразвуковом преобразователе, содержащем волновод и опору, по крайней мере, часть которой выполнена в виде цилиндра, на котором установлен кольцевой пьезоэлемент, поперечные размеры опоры в каждом сечении и внутренний диаметр пьезоэлемента выбраны больше максимального поперечного размера в соответствующем сечении акустического поля, образованного объемными ультразвуковыми волнами, излучаемыми контролируемым объектом, при их падении на торцевую поверхность цилиндрической части опоры. Часть опоры между ее цилиндрической частью и волноводом выполнена сужающейся в сторону волновода в виде усеченного конуса, причем угол раствора конуса ϕ выбран из условий

где α - максимальный угол расхождения указанного акустического поля ультразвуковых волн.

Избирательность приема волн Рэлея среди всех типов волн, распространяющихся в месте установки преобразователя, и уменьшение изрезанности амплитудно-частотной характеристики достигаются тем, что при нормальном падении объемных ультразвуковых волн, излучаемых контролируемым объектом, в материале опоры образуется акустическое поле, которое за счет формы и соотношения размеров элементов преобразователя простирается вне пьезоэлемента. В то же время, поверхностные волны с гребенчатой структурой вызывают продольные колебания пьезоэлемента и, соответственно, появление электрического сигнала, пропорционального амплитуде колебаний нижнего торца волновода.

Рассмотрим более подробно фазы распространения ультразвуковых волн в материале опоры, считая, что при нормальном падении продольных волн, все точки верхнего торца волновода колеблются синфазно. Несмотря на упрощенные модели контролируемого объекта как излучателя продольных волн в виде жесткого поршня и волновода без учета ограничения размеров принятые допущения согласуются с экспериментальными данными, причем влияние формы и размеров волновода оказывается несущественным.

При нормальном падении продольных волн по волноводу распространяются ультразвуковые волны, имеющие практически плоский фронт. В опоре вблизи верхнего торца волновода также существует зона, в пределах которой распространяются волны с плоским фронтом (в теории поршневых излучателей такая зона именуется ближним полем или зоной Френеля [3, 4]).Поперечные размеры данной зоны ограничены диаметром ⊘d. Далее, по мере удаления от волновода акустическое поле продольных волн расходится с определенным углом α (дальняя зона или зона Фраунгофера). Затем продольные волны достигают свободной торцевой поверхности опоры, отражаются от нее, не деформируя приемный пьезоэлемент. Далее отраженные волны возвращаются через волновод в контролируемый объект. Выбор поперечных размеров опоры и внутреннего диаметра пьезоэлемента больше максимального поперечного размера в соответствующем сечении акустического поля продольных волн при их падении на торцевую поверхность цилиндрической части опоры обеспечивает отсутствие деформаций приемного пьезоэлемента.

Максимальный угол расхождения акустического поля в опоре α определяется из зависимости угла расхождения акустического поля поршневого излучателя с заменой в формуле диаметра излучателя на диаметр волновода d
α=arcsin(1,22•λ_max/d)
где λ_max - максимальная длина продольной волны в материале опоры. Из приведенной формулы следует, что граница акустического поля в опоре и, соответственно, поперечные размеры опоры и внутренний диаметр пьезоэлемента определяются диаметром волновода d и длиной волны λ_max (или при заданной нижней рабочей частоте - скоростью продольных волн в волноводе). С уменьшением диаметра волновода d и увеличением длины волны λ_max увеличиваются максимальный угол расхождения акустического поля в опоре α и, соответственно, габариты опоры и пьезоэлемента. Однако путем выбора материала опоры с меньшей скоростью продольных волн в стержнях можно оптимизировать поперечные размеры преобразователя.

Зона Френеля в опоре простирается на расстояние L:

где λ - длина ультразвуковой волны в материале опоры. Из приведенной формулы следует, что в зависимости от соотношения диаметра волновода d и длина волны λ возможен вариант, когда длина зоны Френеля во всем рабочем частотном диапазоне превышает продольные размеры опоры. В этом случае поперечные размеры опоры и пьезоэлемента определяются диаметром волновода поскольку большая часть энергии падающей и отраженной продольной волны находится в пределах цилиндра диаметром ⊘d .

При действии же волн Рэлея созданное ими в опоре акустическое поле охватывает всю опору и приемный пьезоэлемент. Фронт волны в опоре имеет форму выпуклой (близкую к шаровой) поверхности существенно более широким углом расхождения акустического поля по сравнению со случаем нормального падения продольных волн, поскольку при прочих равных условиях длина волны Рэлея существенно больше длины продольной волны. Волновод для волн Рэлея является точечной опорой и передает пьезоэлементу волновые колебания поверхности контролируемого объекта с частотой , где c_p - скорость волны Рэлея, d - диаметр волновода. Следует также отметить, что волны Рэлея одновременно вызывают изгибные колебания волновода. Однако резонансная частота этих колебаний находится далеко за пределами нижней рабочей частоты и не влияет на показания преобразователя, чему способствует его форма с относительно тонким волноводом и массивной опорой, на которой размещаются остальные детали датчика.

Одновременно, кольцевая форма пьезоэлемента и форма опоры, содержащей часть в виде цилиндра, способствуют достижению равномерной амплитудно-частотной характеристики за счет исключения изгибных колебаний пьезоэлемента, имеющего при продольных колебаниях широкую полосу пропускания с минимальной изрезанностью амплитудно-частотной характеристики. Известно, что при изгибе кольцевых пьезоэлементов деформации распределены неравномерно и по окружности кольца и по толщине. По сравнению с продольными колебаниями пьезоэлемента с равномерным распределением колебаний по окружности, реализуемым в рассматриваемой конструкции преобразователя, изгиб кольцевого пьезоэлемента приводит к появлению "противофазных" участков и, соответственно, к увеличению изрезанности амплитудно-частотной характеристики. Форма опоры исключает возможность изгиба кольцевого пьезоэлемента, чем и достигается равномерность частотной характеристики заявляемого преобразователя.

Таким образом, выбор поперечных размеров опоры в каждом сечении и внутреннего диаметра пьезоэлемента больше максимального поперечного размера в соответствующем сечении акустического поля, образованного объемными ультразвуковыми волнами при их падении на торцевую поверхность цилиндрической части опоры, обеспечивают избирательность приема волн Рэлея и уменьшение изрезанности амплитудно-частотной характеристики.

Выполнение части опоры между ее цилиндрической частью и волноводом сужающейся в сторону волновода обеспечивает оптимальные условия концентрации и возврата в контролируемый объект через волновод отраженных от торцевой поверхности опоры продольных волн, что дополнительно уменьшает уровень шума и способствует достижению указанного технического результата. После отражения от торцевой поверхности цилиндрической части опоры и далее - от поверхности сужающейся части опоры продольные волны падают в волновод и, многократно отражаясь от цилиндрической поверхности волновода, возвращаются в контролируемый объект.

Выполнение сужающейся части опоры в виде усеченного конуса, меньшее основание которого соединено с волноводом, а большее основание - с цилиндрической частью, является наиболее простой и технологичной конструкцией преобразователя. Условия выбора угла раствора конуса ϕ обеспечивают направленность продольных волн в сторону волновода после отражения от конической поверхности опоры и их возврат в контролируемый объект.

На чертеже изображена конструктивная схема пьезоэлектрического ультразвукового преобразователя.

На чертеже показано: 1 - волновод; 2 - цилиндрическая часть опоры; 3 - пьезоэлемент; 4 - конус опоры; 5 - акустическое поле объемных ультразвуковых волн; 6 - контролируемый объект; 7 - крышка; 8 - кабель; 9 - проводник; ⊘D - внутренний диаметр пьезоэлемента; ⊘A - диаметр акустического поля объемных ультразвуковых волн на торцевой поверхности цилиндрической части опоры; α - угол расхождения акустического поля объемных волн; ϕ - угол раствора конуса опоры; ⊘d - диаметр волновода. На чертеже приведен вариант исполнения конструкции преобразователя, в котором опора содержит часть в виде усеченного конуса.

Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь содержит волновод 1 и опору, по крайней мере, часть 2 которой выполнена цилиндрической. На торцовой поверхности цилиндрической части опоры 2 установлен пьезоэлемент 3 в виде кольца. Опора содержит часть в виде усеченного конуса 4, меньшее основание которого соединено с волноводом 1, а большее основание с цилиндрической частью 2. Поперечные размеры опоры (цилиндрической части опоры 2 и конуса опоры 4) в каждом сечении выбраны больше максимального поперечного размера в соответствующем сечении акустического поля 5, образованного объемными ультразвуковыми волнами, излучаемыми контролируемым объектом 6, при их падении на торцевую поверхность цилиндрической части опоры 2. При этом внутренний диаметр пьезоэлемента ⊘D выбран больше диаметра акустического поля объемных ультразвуковых волн на торцевой поверхности цилиндрической части опоры ⊘A. Угол раствора конуса ϕ выбран из условий: . Преобразователь содержит также крышку 7, в центре которой закреплен кабель 8. На торцах пьезоэлемента 3 нанесены электроды, с которых снимается электрический сигнал посредством проводника 9, соединенного с жилой кабеля 8.

Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь работает следующим образом. При распространении волн Рэлея на поверхности контролируемого объекта 6 волновод 1 через опору передает кольцевому пьезоэлементу 3 колебания поверхности контролируемого объекта. При этом электрический сигнал преобразователя пропорционален амплитуде колебаний. При падении же продольных волн их акустическое поле на торцевой поверхности цилиндрической части опоры 2 находится вне пьезоэлемента 3 и сигнал преобразователя существенно подавлен.

Источники информации
1. Баранов В. М. Акустические измерения в ядерной энергетике. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 98-100, рис. 2.10 б).

2. Патент ГДР N 248429, кл. G 01 H 11/08, 1987.

3. Физическая акустика, т. 1, ч. А. Методы и приборы ультразвуковых исследований / Под ред. У. Мэзона. - М.: Мир, 1966, с. 568-577.

4. Трофимов А.И. Ультразвуковые системы контроля искривлений технологических каналов ядерных реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1994, с. 144-146.

Использование: изобретение относится к пьезоэлектрическим ультразвуковым преобразователям и может быть использовано для контроля герметичности первых контуров реакторных установок атомных электростанций. Сущность изобретения: пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь содержит волновод 1 и опору. Часть опоры выполнена в виде цилиндра, на котором установлен кольцевой пьезоэлемент 3. Поперечные размеры опоры в каждом сечении и внутренний диаметр пьезоэлемента 3 выбраны больше максимального размера в соответствующем сечении акустического поля 5, образованного объемными ультразвуковыми волнами, излучаемыми контролируемым объектом 6, при их падении на торцевую поверхность цилиндрической части 2 опоры. Часть опоры между ее цилиндрической частью 2 и волноводом 1 выполнена сужающейся в сторону волновода в виде усеченного конуса 4. Угол раствора конуса ϕ выбран из условий:

где α - максимальный угол расхождения акустического поля в опоре, образованного объемными ультразвуковыми волнами, излучаемыми контролируемым объектом, при их падении на торцевую поверхность цилиндрической части опоры. Изобретение обеспечивает избирательность приема волн Рэлея среди всех мод ультразвуковых колебаний контролируемого объекта и позволяет уменьшить изрезанность амплитудно-частотной характеристики преобразователя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь, содержащий волновод и опору, по крайней мере часть которой выполнена в виде цилиндра, на котором установлен кольцевой пьезоэлемент, отличающийся тем, что в нем поперечные размеры опоры в каждом сечении и внутренний диаметр пьезоэлемента выбраны больше максимального поперечного размера в соответствующем сечении акустического поля, образованного объемными ультразвуковыми волнами, излучаемыми контролируемым объектом, при их падении на торцевую поверхность цилиндрической части опоры. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в нем часть опоры между ее цилиндрической частью и волноводом выполнена сужающейся в сторону волновода. 3. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что сужающаяся часть опоры выполнена в виде усеченного конуса, причем угол раствора конуса ϕ выбран из условий

где α - максимальный угол расхождения акустического поля в опоре, образованного объемными ультразвуковыми волнами, излучаемыми контролируемым объектом, при их падении на торцевую поверхность цилиндрической части опоры.