УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПЕРЕМЕННЫМ УГЛОМ ВВОДА Российский патент 2005 года по МПК G01N29/22 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для ручного и автоматизированного ультразвукового контроля.

Известен ультразвуковой преобразователь с переменным углом ввода (SU, Авторское свидетельство №728076), содержащий призму с коническим отверстием и размещенную в ней коническую поворотную накладку с пьезоэлементом, поверхность которой сопрягается с поверхностью отверстия. При повороте накладки в коническом отверстии меняется угол ввода ультразвуковых колебаний, но при этом ультразвуковые колебания распространяются по всему телу призмы и, многократно отражаясь от ее стенок, создают высокий уровень шума, препятствующий проведению исследования материала.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является ультразвуковой преобразователь с переменным углом ввода (SU, Авторское свидетельство №1772733), который содержит призму, одна из поверхностей которой выполнена цилиндрической с установленной на ней с возможностью перемещения по ней накладкой, внутри которой размещен пьезоэлемент, а накладка снабжена фиксатором ее положения на поверхности призмы. В процессе контроля, перемещая преобразователь по поверхности контролируемого изделия, излучают им в изделие ультразвуковые колебания с выбранным углом ввода. Достоинством известного преобразователя является его универсальность - меняя угол, можно изменить тип возбуждаемой волны, а следовательно, становится возможным контролировать одним преобразователем изделия разной толщины, выполненные из разных материалов. Но в известном преобразователе эффективность преобразования падающего излучения в возбуждаемую волну недостаточно высокая. Это можно объяснить тем, что при изменении угла наклона преобразователя меняется область взаимодействия падающего луча с контролируемым изделием - чем больше наклон, тем больше область взаимодействия, причем она расширяется в обе стороны симметрично относительно центра луча. В том случае, когда рабочая поверхность преобразователя больше области взаимодействия, поверхностная или нормальная волна, возбужденная в области взаимодействия, проходит под частью рабочей поверхности преобразователя, превышающей область взаимодействия. При этом часть энергии волны излучается обратно в призму и создает реверберационные помехи.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка ультразвукового преобразователя с переменным углом ввода, в котором одна из границ рабочей поверхности преобразователя совпадает с одной из границ области взаимодействия при любом угле ввода.

Решение поставленной задачи приводит к повышению эффективности преобразования падающего излучения в возбуждаемую волну и к уменьшению реверберационных помех.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый ультразвуковой преобразователь, так же как и известный, содержит призму, одна из поверхностей которой выполнена цилиндрической, с установленной на ней с возможностью перемещения по ней накладкой, внутри которой размещен пьезоэлемент, а накладка снабжена фиксатором ее положения на поверхности призмы. Но в отличие от известного в предлагаемом ультразвуковом преобразователе цилиндрическая поверхность призмы ограничена двумя параллельно расположенными торцами и двумя пересекающимися равными плоскими поверхностями, первая из которых является рабочей, а угол, образованный первой и второй пересекающимися поверхностями, не превышает величины, обеспечивающей совмещение в процессе работы границы проекции пьезоэлемента на рабочую поверхность и линии пересечения плоских поверхностей, причем граница проекции пьезоэлемента на рабочую поверхность является ближайшей относительно второй поверхности призмы, при этом призма с накладкой и фиксатором установлены в корпусе, форма которого повторяет форму призмы, а сам корпус снабжен окном, в котором размещена рабочая поверхность призмы.

В данном преобразователе при изменении угла наклона остается фиксированной прямая линия, в которую попадает граница поля излучения от пьезоэлемента. За счет такого приема сокращается часть излучения, которая попадает из контролируемого изделия снова в призму, а следовательно, возрастает эффективность преобразования падающего излучения в возбуждаемую волну и уменьшается возможность появления реверберационных шумов.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой преобразователь, в котором призма выполнена из оргстекла.

Оргстекло - материал, обеспечивающий высокое затухание ультразвука, которое обеспечивает быстрое гашение повторных отражений в призме.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 3 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой преобразователь, в котором на второй из пересекающихся поверхностей призмы выполнены канавки.

Канавки создают рассеивающие ребра, которые способствуют быстрому гашению переотражений в призме.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 4 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой преобразователь, в котором фиксатор положения накладки выполнен в виде стержня со ступенчатой головкой, установленного во втулке, втулка жестко соединена с накладкой, а второй опорой фиксатора является цилиндрическая поверхность корпуса с прорезью, выполненной параллельно торцам, из которой выступает верхняя часть ступенчатой головки стержня, нижняя ступень которой имеет ширину, превышающую ширину прорези, а между нижней ступенью головки и накладкой вокруг втулки установлена пружина.

Такая конструкция фиксатора положения накладки позволяет перемещать накладку по цилиндрической поверхности призмы путем нажатия на головку, которая установлена в прорези цилиндрической поверхности корпуса. При этом пружина сжимается, образуется зазор между нижней ступенью головки и внутренней стороной цилиндрической поверхности корпуса. При прекращении нажатия пружина распрямляется и нижняя ступень головки снова упирается во внутреннюю сторону цилиндрической поверхности корпуса и фиксируется определенное положение накладки.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 5 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой преобразователь, в котором торцевые поверхности призмы снабжены выступами, а в корпусе выполнены отверстия для фиксации в них указанных выступов.

Выступы, выполненные на торцевых поверхностях призмы, и установленные в отверстиях корпуса фиксируют ее положение в корпусе.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 6 формулы изобретения, характеризует ультразвуковой преобразователь, в котором радиус торцевых поверхностей корпуса превышает радиус цилиндрической поверхности призмы.

Такое решение позволяет утопить выступающую из прорези головку фиксатора положения накладки между торцевыми стенками корпуса и предохранить устройство от несанкционированного воздействия на него.

Предлагаемое изобретение характеризуется чертежами, где показаны на фиг.1 - разрез ультразвукового преобразователя; фиг.2 - корпус ультразвукового преобразователя.

Рассмотрим пример выполнения конструкции ультразвукового преобразователя с переменным углом ввода. Он содержит призму 1, которая может быть выполнена из оргстекла и форма которой образована цилиндрической поверхностью 2, двумя торцевыми и двумя пересекающимися поверхностями, первая из которых - рабочая 3. На второй из пересекающихся поверхностей для подавления реверберационных помех выполнены канавки 4. На цилиндрической поверхности 2 установлена подвижная накладка 5, внутри которой размещен пьезоэлемент 6. Призма 1 установлена в корпусе 7, форма которого повторяет форму призмы, но его цилиндрическая поверхность 8 имеет больший радиус, чем цилиндрическая поверхность 2 призмы. В корпусе 7 выполнено окно, в котором размещена рабочая поверхность 3 призмы 1. Накладка 5 вместе с пьезоэлементом 6 может перемещаться по цилиндрической поверхности 2 призмы. Ее положение на ней устанавливается с помощью фиксатора. Фиксатор состоит из стержня 9, установленного во втулке 10. Она жестко соединена с накладкой 5. Второй опорой фиксатора положения втулки является цилиндрическая поверхность 8 корпуса с прорезью 11, выполненной параллельно торцам, из которой выступает верхняя часть 12 ступенчатой головки стержня 9. Нижняя ступень 13 головки стержня имеет ширину, превышающую ширину прорези 11. Между нижней ступенью 13 головки и накладкой 5 вокруг втулки 10 установлена пружина 14. Размеры призмы 1, накладки 5, расположение в ней пьезоэлемента 6, механические детали фиксатора, а также создание возможности настройки преобразователя при угле падения, равном 0°, определяют угол, который образуют первая рабочая и вторая пересекающиеся поверхности призмы 1. Для того чтобы закрепить призму в корпусе, на ее торцевых поверхностях выполнены выступы. Они могут быть выполнены так же, как и сама призма, из оргстекла. В корпусе на торцевых гранях ответно выступам выполнены отверстия 14.

Преобразователь работает следующим образом.

Допустим, в начальном положении накладка установлена так, что проекция края пьезоэлемента совпадает с точкой 0 (фиг.1), лежащей на линии пересечения плоскостей, образующих пересекающиеся стороны призмы. В том случае, когда требуется вводить колебания под другим углом, нажимают на выступающую из прорези 11 головку стержня 9. Пружина 14 при этом сжимается, нижняя ступень 13 головки отходит от цилиндрической поверхности 8 корпуса 7. Перемещая головку стержня вдоль шкалы, выполненной на цилиндрической поверхности корпуса, выбирают углы, которые требуются для настройки преобразователя при контроле данного вида изделий.

Например, при настройке преобразователя для контроля массивного стального изделия продольными волнами угол меняют в пределах 0 - 27°, а при контроле тонколистового стального материала нормальными волнами Лэмба угол меняют в пределах 20°- 70°. При этом как бы ни менялся угол ввода, излучение, от того края пьезоэлемента, который расположен ближе ко второй из пересекающихся поверхностей призмы, попадает на линию пересечения поверхностей призмы (точка 0 на фиг.1). Область взаимодействия падающего излучения с исследуемой поверхностью увеличивается при увеличении угла падения только с одной стороны. Поэтому ультразвуковые волны из изделия не попадают снова в призму. За счет этого достигается высокая эффективность преобразования падающего излучения в возбуждаемую волну и уменьшается возможность появления реверберационных шумов.

Использование: для ручного и автоматизированного ультразвукового контроля с использованием разного типа волн, включая продольную, поперечную, поверхностную Рэлея, нормальную Лэмба. Сущность заключается в том, что цилиндрическая поверхность призмы ограничена двумя параллельно расположенными торцами и двумя пересекающимися равными плоскими поверхностями, первая из которых является рабочей, а угол, образованный первой и второй пересекающимися поверхностями, не превышает величины, обеспечивающей совмещение в процессе работы границы проекции пьезоэлемента на рабочую поверхность и линии пересечения плоских поверхностей, причем граница проекции пьезоэлемента на рабочую поверхность является ближайшей относительно второй поверхности призмы, при этом призма с накладкой и фиксатором ее положения установлены в корпусе, форма которого повторяет форму призмы, а сам корпус снабжен окном, в котором размещена рабочая поверхность призмы. Технический результат: повышение эффективности преобразования падающего излучения в возбуждаемую волну и уменьшение реверберационных помех. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ультразвуковой преобразователь с переменным углом ввода, содержащий призму, одна из поверхностей которой выполнена цилиндрической с установленной на ней с возможностью перемещения по ней накладкой, внутри которой размещен пьезоэлемент, а накладка снабжена фиксатором ее положения на поверхности призмы, отличающийся тем, что цилиндрическая поверхность призмы ограничена двумя параллельно расположенными торцами и двумя пересекающимися равными плоскими поверхностями, первая из которых является рабочей, а угол, образованный первой и второй пересекающимися поверхностями, не превышает величины, обеспечивающей совмещение в процессе работы границы проекции пьезоэлемента на рабочую поверхность и линии пересечения плоских поверхностей, причем граница проекции пьезоэлемента на рабочую поверхность является ближайшей относительно второй поверхности призмы, при этом призма с накладкой и фиксатором ее положения установлены в корпусе, форма которого повторяет форму призмы, а сам корпус снабжен окном, в котором размещена рабочая поверхность призмы.2. Ультразвуковой преобразователь с переменным углом ввода по п.1, отличающийся тем, что призма выполнена из оргстекла.3. Ультразвуковой преобразователь с переменным углом ввода по п.1, отличающийся тем, что на второй из пересекающихся сторон призмы выполнены канавки.4. Ультразвуковой преобразователь с переменным углом ввода по п.1, отличающийся тем, что фиксатор положения накладки выполнен в виде стержня со ступенчатой головкой, установленного во втулке, втулка жестко соединена с накладкой, а второй опорой фиксатора является цилиндрическая поверхность корпуса с прорезью, выполненной параллельно торцам, из которой выступает верхняя часть ступенчатой головки стержня, нижняя ступень которой имеет ширину, превышающую ширину прорези, а между нижней ступенью головки и накладкой вокруг втулки установлена пружина.5. Ультразвуковой преобразователь с переменным углом ввода по п.1, отличающийся тем, что торцевые поверхности призмы снабжены выступами, а в корпусе выполнены отверстия для фиксации в них указанных выступов.6. Ультразвуковой преобразователь с переменным углом ввода по п.1, отличающийся тем, что радиус торцевых поверхностей корпуса превышает радиус цилиндрической поверхности призмы.