УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИЯХ ДЛЯ ГАЗОВЫХ СРЕД Российский патент 1999 года по МПК H01L41/08 

Изобретение относится к области ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля материалов и изделий, осуществляемого через газовую среду, а именно к конструкциям 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 пр.

Существует много типов УЗ преобразователей для газовых сред, в том числе пьезоэлектрических, на толщинных, диаметральных, продольных колебаниях, а также на изгибных колебаниях (Смирновский А.Г. Эхолокационные уровнемеры, Приборы и системы управления, 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, N 3, стр. 28 - 33// Домаркас В.И., Машонис А.П., Петраускас А.И. Измерительные преобразователи для газовых сред, Труды IX Всесоюзной акустической конференции, 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- или трехслойных пластин, имеющих форму диска диаметром λ_и/2, где λ_и - длина волны изгибных колебаний в биморфном элементе в виде прямоугольника, чаще диска. Обычно биморфный элемент представляет собой либо два тонких диска из пьезоэлектрического материала, непосредственно скрепленных торцами между собой, например склеенных, либо тонкий металлический диск из беррилия, алюминия или стали с расположенными на одном или обоих торцах тонкими пьезоэлектрическими дисками. Если биморфный элемент имеет два пьезоэлектрических диска, 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 УЗ 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 157874, СССР, МКИ В066Б 1/06; H 04 K 17/00; Б.И., 1990, N 26, стр. 200). Недостатками существующих УЗ преобразователей на изгибных колебаниях для газовых сред, как аналогов, так и наиболее близкого по конструктивному исполнению аналога (Смирновский А. Г. Эхолокационные уровнемеры. Приборы и системы управления, 1975, N 7, стр. 19 - 20) являются недостаточная интенсивность излучаемых УЗ колебаний и узкая полоса рабочих частот. Между тем, для решения некоторых задач, в том числе неразрушающего контроля, например автоматизированного бесконтактного УЗ контроля полимерно-композиционных толстостенных крупногабаритных цилиндрических оболочек со сложной геометрией внутренней поверхности, чрезвычайно перспективными являются сложномодулированные УЗ зондирующие сигналы большой интенсивности, имеющие широкий частотный спектр (50 кГц - 10 кГц). Для решения других задач необходимы УЗ зондирующие сигналы с узким частотным спектром, но имеющие существенно большую интенсивность, чем та, которую позволяют излучать преобразователи - аналоги и ближайший аналог, содержащий корпус с закрепленным в нем биморфным элементом в виде тонкого металлического диска с расположенными на одном из его торцев тонким пьезоэлектрическим диском. Указанный ближайший аналог (Смирновский А.Г. Эхолокационные уровнемеры. Приборы и системы управления, 1975, N 7, стр. 19 - 20) не обеспечивает излучение в воздухе УЗ колебаний достаточно большой интенсивности из-за недосогласованности биморфного элемента по волновому сопротивлению с воздухом и из-за низкой механической прочности пьезоэлектрического диска, не позволяющей достигнуть больших амплитуд изгибных колебаний биморфного элемента. Досогласование биморфного элемента можно осуществить известным способом, установив близко перед рабочей поверхностью биморфного элемента согласующую структуру, содержащую, например, перфорированную пластину и рупор. Это лишь незначительно позволит увеличить интенсивность излучаемых в воздух УЗ колебаний. Другим недостатком УЗ преобразователя на изгибных колебаниях для газовых сред, являющегося ближайшим аналогом предложенного, является его узкая полоса рабочих частот.

Задачей изобретения является повышение интенсивности излучаемых в воздух преобразователем на изгибных колебаниях, являющегося ближайшим аналогом, УЗ колебаний и расширение полосы его рабочих частот.

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 торцев тонким пьезоэлектрическим диском, согласующую структуру и корпус реализованы следующие технические решения:
1) закрепление биморфного элемента выполнено по периметру либо осесимметрично, либо осесимметрично-ступенчато, причем при осесимметрично-ступенчатом закреплении биморфного элемента в последнем выполнены радиальные прорези по линиям ступенчатого изменения закрепления от его боковой поверхности до диаметра λ_иFmax/2, где λ_иFmax - длина волны изгибных колебаний на верхней рабочей частоте биморфного элемента;
2) биморфный элемент выполнен диаметром >nλ_и/2 при осесимметричном его закреплении и >nλ_иFmin/2 при осесимметрично-ступенчатом, где λ_и и λ_иFmin - длина волны изгибных колебаний биморфного элемента и длина волны его изгибных колебаний на нижней рабочей частоте, при его осесииметричном закреплении соответственно n = 3, 5, 7, ...;
3) со стороны рабочего и тыльного торцев биморфного элемента установлены металлические экраны на расстоянии от них ≪ λ_в/2, ≪ λ_вFmax/2, где λ_в - длина волны УЗ колебаний в воздухе на резонансной частоте биморфного элемента при его осесимметричном закреплении, λ_вFmax - длина волны УЗ колебаний в воздухе на верхней рабочей частоте биморфного элемента при его осесимметрично-ступенчатом закреплении, причем согласующая структура с рупором установлена на экране;
4) на одном или на обоих торцах тонкого металлического диска биморфного элемента вместо пьезоэлектрического диска размещены пьезоэлектрические кольца, если биморфный элемент закреплен осесимметрично, с внутренним и внешним диаметрами соответственно ≥ kλ_и/2, ≤ kλ_и/2+λ_и, где k = 1, 3, 5, ..., или размещены на каждой из пар противолежащих секторов этого металлического диска, образованных радиальными прорезями, части пьезоэлектрических колец, если биморфный элемент закреплен осесимметрично-ступенчато, с внутренним и внешним диаметрами соответственно ≥ kλ_иFn/2, ≤ kλ_иFn/2+λ_иFn, где λ_иFn - длина волны изгибных резонансных колебаний n-й пары противолежащих секторов биморфного элемента, n = 1, 2, 3, ...;
5) пьезоэлектрические кольца или части пьезоэлектрических колец биморфного элемента, если они выбраны шириной соответственно > λ_и/2 (например, λ_и, 3λ_и/2, 2λ_и,...), >λ_иFn/2 (например, λ_иFn, 3λ_иFn/2, 2λ_иFn...), выполнены либо с встречно направленными векторами поляризации соседних кольцевых зон шириной соответственно λ_и/2, λ_иFn/2 либо выполнены с секционированными по кольцевым зонам электродами шириной соответственно ≤ λ_и/2, ≤ λ_иFn/2;
6) части пьезоэлектрического кольца, расположенные на одном из торцев тонкого металлического диска биморфного элемента с радиальными прорезями и выполненные в виде двух секций, имеющих форму части кольца шириной ≤ λ_иFn/2, одна из которых, например внешняя, подключена ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, другая - к его выходу.

На чертеже приведена конструктивная схема предложенного УЗ преобразователя, имеющего широкую полосу рабочих частот и позволяющего излучать в воздух УЗ колебания большой интенсивности. На чертеже приняты следующие обозначения; 1 - корпус; 2 - тонкий металлический диск биморфного элемента из бериллия, титана, стали или алюминия; 3, 4 - части пьезоэлектрических колец биморфного элемента, скрепленные, например склеенные, соосно попарно осесимметрично с торцами металлического диска 2 биморфного элемента; 5 - согласующая структура; 6 - рупор; 7, 8 - металлические экраны, образующие совместно с торцами биморфного элемента тонкие резонансные воздушные слои; 9, 10 - металлические шайбы, например, из свинца для осесимметричного-ступенчатого закрепления биморфного элемента в корпусе; 11 - радиальные прорези в биморфном элементе, 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 излучения следующим образом. При возбуждении генератором электрических сигналов частей пьезоэлектрических колец 3, 4 в биморфном элементе возникают изгибные колебания, причем каждая пара противолежащих секторов биморфного элемента, образованных его радиальными прорезями 11, резонирует на своей собственной резонансной частоте. Поскольку центральный участок биморфного элемента является общим для всех его пар противолежащих секторов, резонирующих на разных частотах, то этот участок начинает излучать в воздух (в газовую среду) через согласующую структуру 5 и рупор 6 УЗ колебания всех указанных частот. При этом ширина полосы излучаемых рабочих частот и форма амплитудно-частотной характеристики УЗ преобразователя зависит от числа пар противолежащих секторов биморфного элемента, их диаметра и размера по дуге. Изменяя последние, можно в очень широких пределах изменять ширину полосы рабочих частот преобразователя и форму его амплитудно-частотной характеристики.

Отметим две особенности конструктивного выполнения предложенного УЗ преобразователя, позволяющих излучать в воздух УЗ колебания большой интенсивности: 1) диаметр биморфного элемента выбран равным kλ_иFmin/2, а не λ_и/2, как в ближайшем аналоге (Смирновский А.Г. Эхолокационные уровнемеры. Приборы и системы управления, 1975, N 7, стр. 19 - 20); 2) пьезоэлектрические пластины биморфного элемента выполнены в виде частей кольца, расположенных на торцах периферийных участков тонкого металлического диска биморфного элемента; центральный участок этого диска пьезоэлектрических пластин не содержит. Первая из отмеченных особенностей приводит к тому, что рабочие частоты соответствующих противолежащих секторов биморфного элемента являются гармониками их основных резонансных частот, меньших в 3, 5, 7 и более раз их рабочих частот, а это означает, что площадь биморфного элемента в 3, 5, 7 раз стала больше площади биморфного элемента ближайшего аналога, что позволяет при возбуждении этого биморфного элемента генератором электрических сигналов такого же напряжения, как и в случае аналога, излучать в воздух в (3² - 1), (5² - 1), (7² - 1) и т.д. раз большую интенсивность УЗ колебаний. Заметим, что при резонансных колебаниях элемента вся энергия его изгибных колебаний концентрируется на его центральном участке, имеющем наибольшую по сравнению с его периферийными участками амплитуду колебаний. Нельзя не отметить, что отдельные участки частей пьезоэлектрических колец биморфного элемента предложенного УЗ преобразователя колеблются с фазами, различающимися между собой на 180^o, поэтому для реализации максимальной эффективности УЗ преобразователя: 1) части пьезоэлектрических колец биморфного элемента выполняются либо секционированными электродами, каждый из которых расположен над соответствующим участком пьезоэлектрического кольца и подключен к соответствующей шине генератора электрических сигналов с учетом фазы колебаний этого участка, либо выполняются с противоположно направленными векторами поляризации участков с разными фазами колебаний; 2) со стороны рабочего и тыльного торцев биморфного элемента установлены металлические экраны на расстоянии от них ≪ λ_вFmax/2; образованные этими экранами и торцами биморфного элемента тонкие воздушные слои играют роль акустических резонаторов, концентрирующих энергию УЗ колебаний участков биморфного элемента, колеблющихся с разными фазами и синфазно возвращающих ее этим участкам, подвозбуждая их.

Вторая особенность конструктивного выполнения предложенного УЗ преобразователя заключается в том, что на центральном участке тонкого металлического диска биморфного элемента отсутствуют пьезоэлектрические пластины, а они не позволяют достигнуть больших амплитуд изгибных колебаний этого участка из-за своей малой механической прочности, во много раз меньшей материала тонкого металлического диска; такое выполнение биморфного элемента позволяет достичь очень больших амплитуд изгибных колебаний центрального участка биморфного элемента без угрозы его разрушения и следовательно обеспечивает излучение в воздух УЗ колебаний значительно большей интенсивности, чем в случае ближайшего аналога. Добавим, что в следствие выполнения биморфного элемента диаметром ≥ kλ_иFmin/2 закрепление его удаляется от его центрального участка, а это ведет к увеличению диаметра первой узловой линии колебаний биморфного элемента и увеличению амплитуды колебаний его центрального участка, что в еще большей мере увеличивает эффективность УЗ преобразователя и степень его согласования с газовой средой. Предложенный УЗ преобразователь чрезвычайно эффективен при работе в режиме излучения. Для увеличения эффективности его работы в режиме приема части пьезоэлектрических колец, например 3, размещенные на одном из торцев тонкого металлического диска биморфного элемента 2, выполнены непосредственно электрически не связанными с частями пьезоэлектрических колец, например 4, размещенными на другом его торце и между ними осуществлена положительная электромеханическая обратная связь через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, выполненная путем подключения частей пьезоэлектрических колец одного торца биморфного элемента ко входу этого усилителя, а пьезоэлектрических колец другого торца - к его выходу. Подвозбуждение биморфного элемента предложенного УЗ преобразователя за счет положительной электромеханической обратной связи между его отдельными частями снижает его потери и увеличивает амплитуду колебаний его центрального участка в режиме приема, тем самым улучшая согласование биморфного элемента с газовой средой. Регулируя коэффициент усиления отмеченного усилителя, можно изменять степень согласования УЗ преобразователя с газовой средой. Отметим, что части пьезоэлектрических колец биморфного элемента с положительной электромеханической связью выполняются на обоих торцах, как уже отмечалось и раньше, либо секционированными электродами, подключаемыми к усилителю известным образом, либо с противоположно направленными векторами поляризации отдельных их участков, колеблющихся с разными фазами. Существенным достоинством предложенного УЗ преобразователя при работе в режиме приема в сравнении с 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 рабочим частотам каждой из пар противолежащих секторов биморфного элемента.

Выше описана работа УЗ преобразователя, пьезоэлектрические пластины биморфного элемента которого выполнены в форме частей колец, а биморфный элемент имеет радиальные прорези и осесимметрично-ступенчатое закрепление (широкополосный преобразователь). Аналогично работает и УЗ преобразователь, пьезоэлектрические пластины которого выполнены в форме колец, а биморфный элемент не имеет радиальных прорезей, но имеет осесимметричное закрепление (узкополосный преобразователь). При этом поляризация участков этих колец или секционирование их электродов, а также подключение их к усилителю положительной электромеханической обратной связи осуществляется аналогичным образом.

Предложенный УЗ преобразователь в сравнении со всеми аналогами и ближайшим аналогом относительно совокупности его существенных признаков, как в независимой, так и в зависимых пунктах формулы обеспечивает большой положительный эффект, а именно позволяет:
1) излучать в газовую среду УЗ колебания очень большой интенсивности как с узкой, так и с широкополосной полосой частот в зависимости от конструктивного выполнения биморфного элемента (пьезоэлектрические пластины, скрепленные с тонким металлическим диском, выполнены либо в форме колец, а закрепление биморфного элемента осесимметричное, либо они выполнены в форме частей кольца, а закрепление биморфного элемента - осесимметрично-ступенчатое, причем последний имеет радиальные прорези);
2) существенно сдвинуть в область более высоких частот (до 100 кГц) наибольшую рабочую частоту за счет выполнения биморфного элемента такого диаметра, при котором рабочие частоты преобразователя являются гармониками основной резонансной частоты противолежащих секторов этого элемента, образованных его радикальными прорезями;
3) в режиме приема достигнуть практически полного согласования с газовой средой и при этом в широких пределах менять форму амплитудно-частотной характеристики путем регулирования коэффициента усиления усилителя положительной электромеханической обратной связи между частями биморфного элемента на резонансных рабочих частотах отдельных пар его противолежащих секторов;
4) в режиме излучения изменять полосу рабочих частот и форму амплитудно-частотной характеристики; для этого в УЗ преобразователе достаточно заменить крепящие шайбы 9, 10 и биморфный элемент на крепящие шайбы с иной формой осесимметрично-ступенчатого внутреннего отверстия и биморфный элемент с другим числом пар противолежащих секторов, с другими их радиусами и размерами по дуге.

Достигаемый по сравнению с ближайшим аналогом большой 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. Готовятся рабочие чертежи.

Использование: для бесконтактного УЗ контроля материалов и изделий сложномодулированными зондирующими сигналами большой интенсивности, для измерения в воздухе расстояний до объектов и управления объектами, для измерения в воздухе толщины тонколистовых изделий, для измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах и бункерах, для контроля температуры воздуха, для определения концентрации газовых смесей, для охраны помещений и пр. Сущность изобретения: преобразователь может быть выполнен либо моночастотным, либо широкополосным и позволяет излучать в воздух УЗ колебания чрезвычайно большой интенсивности. Он содержит корпус с закрепленным в нем по периметру осесимметрично или осесимметрично-ступенчато биморфным элементом в виде тонкого металлического диска с расположенным на одном из его торцов или на обоих торцах осесимметричным пьезоэлектрическим кольцом или несколькими парами осесимметричных частей пьезоэлектрических колес. Биморфный элемент выполнен диаметром где длина волны резонансных изгибных колебаний биморфного элемента на его нижней частоте n = 3,5,7 ... . Внутренний и внешний диаметры пьезоэлектрического кольца биморфного элемента выполнены соответственно с размерами ≥kλ_и/2, ≤kλ_и/2+λ_и, где λ_и - - длина волны изгибных резонансных колебаний биморфного элемента к = 1,3,5, ... . В биморфном элементе сделаны радиальные прорези по линиям ступенчатого изменения закрепления от боковой поверхности биморфного элемента до диаметра где длина волны изгибных колебаний биморфного элемента на его верхней частоте, и на каждой паре противолежащих секторов биморфного элемента, образованных радиальными прорезями, расположены части пьезоэлектрических колец с внутренним и внешним диаметрами соответственно ≥kλ_иFn/2, ≤kλ_иFn/2+λ_иFn, где λ_иFn длина волны резонансных изгибных колебаний n-й пары противолежащих секторов биморфного элемента на частоте F_n, где n = 2,3,4, ... . Со стороны рабочего и тыльного торцов биморфного элемента установлены металлические экраны на расстоянии ≪λ_в/2, где λ_в - длина волны УЗ колебаний в газовой среде, причем в экране со стороны рабочего торца расположена соосно с биморфным элементом осесимметричная согласующая структура диаметром <λ_и/2. Пьезоэлектрические кольца биморфного элемента выполнены либо с противоположно направленными векторами поляризации рядом расположенных кольцевых зон, каждая из которых имеет ширину ≤λ_и/2, либо выполнены с секционированными по кольцу внешними электродами, причем четные секции электродов соединены между собой, а нечетные - между собой. Аналогично выполнены части пьезоэлектрических колец биморфного элемента с радиальными прорезями. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ультразвуковой преобразователь на изгибных колебаниях для газовых сред, содержащий корпус с закрепленным в нем по периметру биморфным элементом в виде тонкого металлического диска с расположенной на одном из торцов пьезоэлектрической пластиной и согласующую структуру, отличающийся тем, что биморфный элемент выполнен диаметром >n•λ_n/2, где λ_n - длина волны резонансных изгибных колебаний биморфного элемента, n = 3, 5, 7 ..., пьезоэлектрическая пластина выполнена в виде осесимметричного соосно расположенного кольца с внутренним и внешним диаметрами соответственно ≥ k•λ_n/2, ≤ k•λ_n/2+λ_n, где k = 1, 3, 5 ..., а со стороны рабочего и тыльного торцев биморфного элемента установлены металлические экраны на расстоянии ≪ λ_в/2, где λ_в - длина волны ультразвуковых колебаний в газовой среде, причем согласующая структура преобразователя выполнена диаметром < λ_n/2 и расположена соосно с биморфным элементом. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлектрическое кольцо биморфного элемента выполнено с противоположно направленными векторами поляризации рядом расположенных кольцевых зон шириной ≤ λ_n/2.
3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что электрод на внешнем торце пьезоэлектрического кольца выполнен в виде кольцевых секций шириной ≤ λ_n/2, причем четные секции электрически связаны между собой, а нечетные - между собой. 4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что биморфный элемент выполнен диаметром где длина волны изгибных колебаний биморфного элемента на нижней резонансной частоте полосы его пропускания, закрепление биморфного элемента по периметру выполнено осесимметрично-ступенчатым, пьезоэлектрическое кольцо биморфного элемента выполнено с осесимметрично-ступенчато изменяющимися внутренним и внешним диаметрами, выбираемыми соответственно где длина волны изгибных резонансных колебаний n-ой пары секторных зон биморфного элемента с осесимметрично-ступенчатым изменением его закрепления и соответственно с осесимметрично-ступенчатым изменением внутреннего и внешнего диаметров пьезоэлектрического кольца биморфного элемента, причем в биморфном элементе сделаны радиальные прорези по линиям осесимметрично-ступенчатого изменения закрепления биморфного элемента и осесимметрично-ступенчатого изменения внутреннего и внешнего диаметров пьезоэлектрического кольца от боковой поверхности биморфного элемента до его диаметра где длина волны изгибных колебаний биморфного элемента на высшей частоте его полосы. 5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на другом торце тонкого металлического диска биморфного элемента расположено осесимметричное, соосное, идентичное первому, второе пьезоэлектрическое кольцо с электродом на его внешнем торце, выполненным в виде двух кольцевых секций, каждая из которых имеет ширину ≤ λ_n/2, причем одна из секций подключена ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, другая - к его выходу. 6. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что на другом торце каждой пары противолежащих секторов тонкого диска биморфного элемента с радиальными прорезями расположены идентичные части пьезоэлектрического кольца с электродами на внешних торцах, выполненными в виде двух секций, имеющих форму части кольца шириной причем одна из секций каждой части пьезоэлектрического кольца, например внешняя, подключена ко входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и фазосдвигающей цепью, а другая - к его выходу.