УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИЯХ ДЛЯ ГАЗОВЫХ СРЕД Российский патент 1998 года по МПК G01N29/04 B06B1/06 

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля материалов и изделий, осуществляемого через газовую среду, а именно к конструкциям ультразвуковых (УЗ) преобразователей, и может использоваться в технике УЗ локации и управления объектами в воздухе, измерения толщины тонколистовых материалов, измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах и бункерах, контроля температуры воздуха, определения концентрации газов и прочее.

Существует много типов УЗ преобразователей для газовых сред, в том числе пьезоэлектрических, работающих на толщинных, диаметральных продольных колебаниях, а также на изгибных колебаниях /Смирновский А.Г. Эхолокационные уровнемеры. Приборы и системы управления,а 1975, N 7, стр. 19-20 // Масса Ф. Ультразвуковые преобразователи для работы в воздухе. Труды инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Русский перевод с англ., 1965, стр. 28-33 // Домаркас В.И., Машонис А.П., Петраускас А.И. Измерительные преобразователи для газовых сред. Труды IX Всесоюзной акустической конференции. М., АН СССР, 1977, Серия II, стр. 149-152/. Наиболее эффективными из них, лучше согласованными с газовой средой и конструктивно простыми являются преобразователи, работающие на изгибных колебаниях тонких биморфных элементов в виде двух- и трехслойных пластин, имеющих форму диска или прямоугольника, чаще диска. Обычно биморфный элемент представляет собой либо два тонких диска из пьезоэлектрического материала непосредственно скрепленных между собой, например, склеенных торцами, либо тонкий металлический диск из бериллия, алюминия или стали с расположенными на одном или обоих торцах тонкими пьезоэлектрическими дисками. Если биморфный элемент имеет два диска из пьезоэлектрического материала, то они скрепляются друг с другом или с тонким металлическим диском таким образом, чтобы векторы их поляризации были направлены встречно. Биморфный элемент закрепляется в корпусе преобразователя либо по узловой линии биморфного элемента, либо по краям его торцевой поверхности /Масса Ф. Ультразвуковые преобразователи для работы в воздухе. Труды инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Русский перевод с англ., 1965, N 3, стр. 28-33/, либо по центральной линии его боковой поверхности /Тамулис А. В. , Милюс П.Б., Буткус П.Ю. Электроакустический преобразователь изгибных колебаний. Авт. св. N 1577874, СССР, МКИ B 06 B 1/06; H 04 R 17/00; Б.И., 1990, N 26, стр. 200/. Недостатком существующих преобразователей на изгибных колебаниях для газовых сред - аналогов и наиболее близкого по конструктивному исполнению аналога /Смирновский А.Г. Эхолокационные уровнемеры. Приборы и системы управления, 1975, N 7, стр. 19-20/ - является узкая полоса рабочих частот и недостаточно высокая эффективность, хотя и более высокая, чем у УЗ преобразователей для газовых сред, работающих на толщинных и диаметральных продольных колебаниях. Последнее обусловлено несогласованностью биморфного элемента с газовой средой по удельному акустическому импедансу. Между тем, для решения некоторых задач неразрушающего контроля изделий, например, автоматизированного бесконтактного УЗ контроля полимерно-композиционных толстостенных крупногабаритных цилиндрических оболочек со сложной геометрией внутренней поверхности чрезвычайно эффективными являются сложномодулированные УЗ зондирующие сигналы, имеющие широкий спектр (50 кГц + 10 кГц). Осуществить эффективные излучение и прием таких зондирующих УЗ сигналов известные преобразователи для газовых сред на изгибных колебаниях не позволяют. Не позволяет этого и УЗ преобразователь на изгибных колебаниях для газовых сред, взятый в качестве ближайшего аналога /Смирновский А.Г. Эхолокационные уровнемеры. Приборы и системы управления, 1975, N 7, стр. 19-20/ и содержащий корпус с закрепленным в нем биморфным элементом в виде тонкого металлического диска с расположенным на одном из его торцов пьезоэлектрическим диском, а также рупор. Он обладает узкой полосой рабочих частот и недостаточно эффективен из-за несогласованности с газовой средой по акустическому импедансу. Его эффективность можно несколько увеличить известным способом, использовав согласующий элемент, например, перфорированную пластину, установленную от биморфного элемента на расстоянии много меньше λ_в/2, где λ_в - длина УЗ волны на рабочей частоте биморфного элемента в газовой среде (в воздухе).

Задачей изобретения является расширение полосы рабочих частот известного УЗ преобразователя на изгибных колебаниях для газовых сред при одновременном повышении его эффективности.

Поставленная задача решается тем, что в УЗ преобразователе на изгибных колебаниях для газовых сред, содержащем корпус с закрепленным в нем по периметру биморфным элементом в виде тонкого металлического диска с соосно расположенным на одном из его торцов тонким пьезоэлектрическим диском и рупор, реализованы следующие технические решения:
1) пьеэоэлектрический диск биморфного элемента выполнен диаметром, меньшим λ_иfmax/2, где λ_иfmax - длина волны изгибных колебаний биморфного элемента на его верхней рабочей частоте; в металлическом диске биморфного элемента выполнены радиальные прорези вне площади сопряжения с пьезоэлектрическим диском; биморфный элемент закреплен в корпусе с сохранением его открытой рабочей поверхности, в которой каждая пара противолежащих секторов, образованных прорезями, выполнена с отличным от смежных пар секторов радиусом;
2) со стороны рабочего и тыльного торцов биморфного элемента установлены металлические экраны на расстоянии много меньше λ_в/2, где λ_в - длина волны УЗ колебаний в газовой среде (в воздухе) на его верхней рабочей частоте, причем экран у рабочего торца имеет по центру согласующий элемент диаметром, равным диаметру пьезоэлектрического диска; заметим, что функцию металлического экрана с тыльной стороны биморфного элемента может играть дно корпуса УЗ преобразователя;
3) тонкий металлический диск биморфного элемента выполнен диаметром больше nλ_иfmin, n = 3, 5, 7,... и на торцах каждой пары противолежащих секторов металлического диска биморфного элемента, образованных радиальными прорезями, расположены части пьезоэлектрического кольца соосно с металлическим диском, имеющие внутренний и внешний диаметры соответственно больший или равный λ_иn/2, меньший или равный λ_иn/2+kλ_иn, где k = 1, 3, 5,..., λ_иn - длина волны изгибных колебаний на резонансной частоте "n"-ой пары противолежащих секторов биморфного элемента, образованных его радиальными прорезями, причем пьезоэлектрический диск биморфного элемента подключен ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, а части пьезоэлектрического кольца - к его выходу; эквивалентным этому техническому решению является другое решение, при котором на другом торце тонкого металлического диска биморфного элемента расположен соосно другой пьезоэлектрический диск, идентичный первому, причем один из пьезоэлектрических дисков подключен ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, другой - к его выходу.

На чертеже приведена конструктивная схема предложенного УЗ преобразователя на изгибных колебаниях для газовых сред, имеющего широкую полосу рабочих частот и высокую эффективность, и приняты следующие обозначения: 1 - корпус; 2 - тонкий металлический диск биморфного элемента из бериллия, титана, алюминия или стали; 3, 4 - пьезоэлектрические диски биморфного элемента, скрепленные, например склеенные соосно с торцами металлического диска 2 биморфного элемента; 9, 10 - металлические шайбы, например из свинца, для закрепления биморфного элемента и имеющие внутреннее отверстие, конфигурация и размеры которого выбраны из условия обеспечения требуемой амплитудно-частотной характеристики УЗ преобразователя; 5 - согласующий элемент, например, перфорированная пластина, установленная от биморфного элемента на расстоянии много меньше λ_в/2, 6 - рупор; 7, 8 - металлические экраны, образующие совместно с торцами биморфного элемента резонансные тонкие газовые слои; биморфный элемент имеет радиальные прорези 11, делящие его на пары противолежащих секторов, каждая из которых имеет свою резонансную амплитудно-частотную характеристику.

Предложенный УЗ преобразователь на изгибных колебаниях для газовых сред работает в режиме приема следующим образом. УЗ колебания, падающие на биморфный элемент из газовой среды через рупор 6 и согласующий элемент 5, возбуждают в нем изгибные колебания по диаметру, что приводит к возникновению на пьезоэлектрических дисках 3 и 4 электрических сигналов тем больших, чем больше амплитуда изгибных колебаний биморфного элемента. Электрические сигналы с пьезоэлектрических дисков обычно, как в решении, принятом за ближайший аналог, поступают на регистрирующий прибор. Вследствие закрепления биморфного элемента не по окружности (один резонансный размер по диаметру), а по более сложному контуру, он приобретает свойство широкополосности - свойство достаточно эффективно принимать сигналы УЗ колебаний в широкой полосе частот, поскольку каждая из пар противолежащих секторов биморфного элемента, имеющих один диаметр резонирует на своей собственной частоте, отличающейся от резонансных частот других пар. При этом ширина полосы рабочих частот биморфного элемента и ее форма зависят от числа пар таких секторов, их диаметра и размера по дуге.

Важно отметить, что центральный участок биморфного элемента с размещенными на нем пьезоэлектрическими дисками 3, 4 является общим для всех пар секторов, резонирующих на разных частотах, поэтому эффективно принимаются УЗ колебания разных частот, падающие на этот участок из газовой среды через упор 6 и согласующий элемент 5. Имеющиеся в тонком металлическом диске 2 биморфного элемента радиальные прорези 11 исключают на участках по обе стороны от этих прорезей возникновение паразитных контурных колебаний вследствие неодинаковости амплитуд и фаз колебаний смежных пар противолежащих секторов биморфного элемента, резонирующих на разных частотах, что повышает эффективность предложенного широкополосного УЗ преобразователя. В еще большей степени повышает эффективность предложенного УЗ преобразователя наличие тонких резонансных воздушных слоев между торцами биморфного элемента металлическими экранами 7, 8. Эти слои играют роль акустических резонаторов и при работе УЗ преобразователя в режиме приема УЗ колебаний из газовой среды накапливают в полосе рабочих частот биморфного элемента преобразователя энергию УЗ колебаний, переизлучаемых в воздух рабочим и тыльными торцами бимофрного элемента, и возвращают эту энергию ему обратно, дополнительно синфазно подвозбуждая его в принимаемой полосе частот УЗ колебаний. Для обеспечения синфазности подвозбуждения биморфного элемента в полосе его рабочих частот необходимо, чтобы металлические экраны были установлены на расстоянии h от торца биморфного элемента, удовлетворяющем условию h можно меньше λ_вfmax/2. Вследствие выполнения тонкого металлического диска биморфного элемента предложенного УЗ преобразователя диаметром больше λ_иfmin/2 закрепление биморфного элемента удаляется от его центрального рабочего участка с пьезоэлектрическими дисками 3, 4, что ведет к увеличению диаметра узловой окружности центрального участка биморфного элемента, и как следствие, к увеличению амплитуды колебаний центрального участка биморфного элемента, к его лучшему согласованию с газовой средой, т.е. к дальнейшему повышению эффективности предложенного преобразователя. Следует заметить, что указанное техническое решение достигает поставленной цели только при таком конструктивном выполнении преобразователя, когда со стороны рабочего и тыльного торцов биоморфного элемента имеются тонкие резонансные воздушные слои и прием УЗ колебаний осуществляется только центральным участком биморфного элемента. Отметим также, что выполняя биморфный элемент диаметром большим или равным nλ_иfmin/2, мы реализуем условие, при котором его рабочая частота является "n"-ой гармоникой его диаметральных колебаний.

И, наконец, устанавливая на торцах (рабочем или тыльном) каждой пары противолежащих секторов биморфного элемента, образованных его радиальными прорезями, части пьезоэлектрических колец с внутренним и внешним диаметрами соответственно большим или равным λ_иn/2, меньшим или равным λ_иn/2+kλ_иn и подключая пьезоэлектрические диски центрального участка биморфного элемента ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления (N = 550) и фазосдвигающей цепью, а отмеченные части пьезоэлектрических колец - к его выходу, мы реализуем положительную электромеханическую обратную связь между центральным участком биморфного элемента и его периферийными кольцевыми зонами, находящимися в "k"-той пучности изгибных колебаний биморфного элемента. Наличие в предложенном преобразователе положительной электромеханической обратной связи при приеме ультразвуковых сигналов приводит к увеличению амплитуды изгибных колебаний центрального участка биморфного элемента за счет его дополнительного синфазного подвозбуждения изгибными колебаниями периферийных частей пьезоэлектрических колец биморфного элемента, а следовательно, к улучшению его согласования с газовой средой. Регулируя коэффициент усиления отмеченного усилителя, можно осуществить практически полное согласование предложенного УЗ преобразователя с газовой средой. Существенным достоинством этого УЗ преобразователя в сравнении с известными аналогами и ближайшим аналогом является возможность изменять форму его амплитудно-частотной характеристики. Для этого усилитель выполняется известным образом с возможностью регулировки коэффициента усиления по отдельным резонансным частотам каждой из пар противолежащих секторов биморфного элемента. Эквивалентным по достигаемому результату описанному выше техническому решению, осуществляющему положительную электромеханическую обратную связь между частями биморфного элемента, но конструктивно более простым является техническое решение, при котором на центральных участках обоих торцов тонкого металлического диска биморфного элемента размещаются скрепленные с ним идентичные с ним пьезоэлектрические диски диаметром меньше λ_иfmax/2 и один из них подключается ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, а другой - к его выходу. Заметим, что при этом решении коэффициент усиления усилителя требуется в 2-5 раз большим, чем при первом решении.

Предложенный преобразователь в сравнении со всеми аналогами и ближайшим аналогом относительно его существенных признаков как в независимой, так и зависимых пунктах формулы обеспечивает большой положительный эффект, а именно, позволяет:
1. Значительно расширить полосу рабочих частот за счет закрепления биморфного элемента в корпусе не по окружности, а по более сложному контуру.

2. Очень просто изменять ширину полосы рабочих частот и форму амплитудно-частотной характеристики. Для этого в УЗ преобразователе достаточно заменить одну пару крепящих шайб (позиции 9, 10) на другую с иной формой отверстия (с другим числом пар противолежащих секторов, с другими их радиусами и размерами по дуге).

3. Достигнуть максимально возможной эффективности в режиме приема во всей полосе рабочих частот за счет: а) выполнения центрального пьезоэлектрического диска биморфного элемента меньше λ_иfmax/2 ; б) выполнения тонкого металлического диска биморфного элемента с радиальными прорезями; в) создания на рабочем и тыльном торцах биморфного элемента акустических резонаторов в виде очень тонких воздушных слоев; г) введения положительной электромеханической обратной связи между отдельными частями биморфного элемента.

4. Существенно сдвинуть в область более высоких частот (до 100 кГц) наибольшую рабочую частоту при сохранении высокой эффективности за счет выполнения биморфного элемента с диаметром, при котором рабочие частоты преобразователя являются гармониками противолежащих секторов этого элемента.

5. В широких пределах менять форму амплитудно-частотной характеристики путем регулирования коэффициента усиления усилителя положительной электромеханической обратной связи на резонансных частотах отдельных пар противолежащих секторов биморфного элемента.

Достигаемый по сравнению с ближайшим аналогом больший положительный эффект подтверждает изобретательский уровень. Преобразователь имеет простую конструкцию, малые габариты, вес, стоимость и практически легко реализуем, в том числе и при серийном производстве. Особенно эффективен предложенный УЗ преобразователь в режиме приема. Он легко может быть выполнен и для работы в диапазоне звуковых частот (до 20 кГц). Изготовлен рабочий макет предложенного УЗ преобразователя. Подтверждены его высокая эффективность и широкополосность. Разработаны рабочие чертежи АП 26386.000.

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля материалов и изделий, осуществляемого через газовую среду, может быть использовано для управления объектами в воздухе, для измерения уровня жидких и сыпучих сред и пр. Расширение полосы рабочих частот УЗ преобразователя на изгибных колебаниях при одновременном повышении его эффективности достигается за счет того, что преобразователь содержит корпус, биморфный элемент в виде тонкого металлического диска с установленным на одном из его торцов пьезоэлектрическим диском, рупор, а также металлические шайбы с осесимметрично-ступенчатым внутренним отверстием для закрепления в корпусе биморфного элемента, пьезоэлектрический диск имеет диаметр, меньший λ_иfmax/2, где λ_иfmax - длина волны изгибных колебаний биморфного элемента на его верхней рабочей частоте. Биморфный элемент имеет радиальные прорези, делящие его на пары: противолежащих секторов с отличным от смежных пар секторов радиусом. Со стороны рабочего и тыльного торцов биморфного элемента установлены металлические экраны на определенном расстоянии, в центре экрана, установленного у рабочего торца пьезоэлектрического диска, расположена согласующая структура диаметром, равным диаметру пьезоэлектрического диска. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Ультразвуковой преобразователь на изгибных колебаниях для газовых сред, содержащий корпус, биморфный элемент в виде тонкого металлического диска с установленным на одном из его торцев пьезоэлектрическим диском, закрепленный в корпусе, а также рупор, отличающийся тем, что он содержит металлические шайбы с осесимметрично-ступенчатым внутренним отверстием для закрепления в корпусе биморфного элемента, а пьезоэлектрический диск имеет диаметр, меньший λ_иfmax/2, где λ_иfmax- длина волны изгибных колебаний биморфного элемента на его верхней рабочей частоте, биморфный элемент имеет радиальные прорези, делящие его на пары противолежащих секторов с отличным от смежных пар секторов радиусом. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что со стороны рабочего и тыльного торцев биморфного элемента установлены металлические экраны на расстоянии много меньшем λ_вfmax/2, где λ_вfmax- длина волны ультразвуковых колебаний в газовой среде на верхней рабочей частоте биморфного элемента, в центре экрана, установленного у рабочего торца пьезоэлектрического диска, расположена согласующая структура диаметром, равным диаметру пьезоэлектрического диска. 3. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что на другом торце металлического диска биморфного элемента расположен дополнительный пьезоэлектрический диск, идентичный основному. 4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что биморфный элемент выполнен диаметром больше nλ_иfmin/2, где λ_иfmin- длина волны изгибных колебаний биморфного элемента на его рабочей частоте, n = 3, 5, 7 ..., а торцы каждой пары противолежащих секторов биморфного элемента, образованных его радиальными прорезями, снабжены частями пьезоэлектрического кольца с внутренним и внешним диаметрами соответственно, больше или равно λ_ип/2, меньше или равно λ_ип/2+Kλ_ип, где λ_ип- длина волны изгибных колебаний на резонансной рабочей частоте n-й пары противолежащих секторов биморфного элемента, k = 1, 3, 5, . .., причем один или два пьезоэлектрических диска предназначены для подключения ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, а части пьезоэлектрического кольца - к его выходу. 5. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что пьезоэлектрический диск одного торца биморфного элемента предназначен для подключения ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, а пьезоэлектрический диск другого торца биморфного элемента - к его выходу.