ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H01L41/02 

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий. Оно может быть использовано для обнаружения внутренних дефектов, измерения толщины и физико-механических характеристик материалов по скорости распространения упругих волн. Преобразователь можно использовать при контроле изделий в холодном и горячем состоянии.

Известен электроакустический преобразователь для нормального ввода ультразвуковых колебаний в изделие [Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. Под ред. И.Н.Ермолова. - М.: Машиностроение, 1986, с.100], содержащий пьезоэлектрическую пластину с нанесенными на ее грани металлическими электродами, приклеенную одной стороной к протектору, а другой к демпферу, размещенным в соответствующем корпусе. В таких преобразователях используется пьезоэлемент, поляризованный по толщине, совершающий толщинные колебания и излучающий продольные волны в изделие.

Недостатком такого преобразователя является невозможность контроля изделий в нагретом до температуры 200-500°С состоянии.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является электроакустический преобразователь с твердой акустической задержкой [Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. Под ред. И.Н.Ермолова. - М.: Машиностроение, 1986, с.211]. Он также содержит пьезопластину с нанесенными на ее грани электродами, одной стороной приклеенную к твердой акустической задержке, а другой к демпферу, размещенным в соответствующем корпусе. Наличие акустической задержки позволяет значительно расширить температурный рабочий диапазон преобразователя. При использовании акустической задержки из диэлектрика можно контролировать изделия с температурой поверхности до 500°С. Такой преобразователь является одномодовым, позволяющим излучать и принимать только продольные волны, что является его недостатком.

Предметом изобретения является электроакустический преобразователь, позволяющий осуществлять контроль как в холодном, так и в нагретом состоянии, но и обеспечивать последовательное излучение и прием продольных и поперечных волн. Такой преобразователь позволяет не только осуществлять контроль изделий, измерять их толщину, но и определять упругие характеристики материала изделия (модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона) по функциональным соотношениям со скоростями распространения продольных и поперечных волн и другие физико-механические характеристики по корреляционным зависимостям со скоростями.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей электроакустического преобразователя.

Технический результат достигается тем, что в электроакустическом преобразователе, содержащем пьезопластину с нанесенными на ее гранях металлическими электродами, приклеенную с одной стороны к акустической задержке в виде буферного стержня, а с другой к демпферу, размещенным в корпусе, причем пьезопластина вырезана под таким углом к кристаллографической оси Z пьезоматериала, при котором обеспечивается последовательное максимальное излучение и прием продольных и поперечных волн. Толщину пьезопластины в этом случае выбирают в соответствии с формулой:

d=C₁/2f₁,

где C₁ - скорость распространения продольной волны в материале пьезопластины в направлении, перпендикулярном ее граням, a f₁ - резонансная частота, соответствующая максимуму коэффициента преобразования по продольным волнам.

Совокупность признаков, изложенных в п.2 формулы, характеризует электроакустический преобразователь, пьезоэлемент которого вырезан из пьезокерамики ЦТС-19 под углом 48±3° к кристаллографической оси Z. Пьезокерамика ЦТС-19 использована из-за достаточно большого значения пьезопостоянной и стабильности всех параметров.

Вырезанная под таким углом пьезопластина на частоте f_t совершает сдвиговые колебания, а значит, излучает и принимает поперечные волны. Резонансная частота f_t этих колебаний соответствует максимуму коэффициента преобразования по поперечным волнам и определяется из соотношения:

f_t=С_t/2d=C_tf₁/C₁≈0,5f₁,

где C_t - скорость распространения поперечных волн в материале пьезопластины в направлении, перпендикулярном ее граням.

Таким образом, заявляемый электроакустический преобразователь позволяет контролировать изделия в холодном и горячем состоянии последовательно на продольных и поперечных волнах, распространяющихся по нормали к поверхности изделия на частотах f₁ и f_t соответственно.

Особенности и преимущество предлагаемого изобретения поясняются чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция электроакустического преобразователя, а на фиг.2 - частотная зависимость коэффициентов преобразования по продольным и поперечным волнам такого электроакустического преобразователя из пьезокерамики ЦТС-19 и акустической задержкой из плавленого кварца.

На фиг.1 схематически показана конструкция электроакустического преобразователя, который проверен в работе совместно с аппаратурой для измерения скоростей распространения упругих волн УЗИС-ГЭТУ. Пьезопластина 1 является активным элементом электроакустического преобразователя и изготовляется из пьзокерамики. В предложенной конструкции использована пьезокерамика ЦТС-19 (обладает достаточно большим значением пьезопостоянной и стабильностью параметров). Возможность работы в двухмодовом режиме определяется углом поворота среза пьезопластины относительно кристаллографических осей. Как показали расчеты частотных зависимостей коэффициентов передачи, наиболее оптимальный режим для излучения и приема продольных и поперечных волн достигается при угле поворота 48±3° относительно кристаллографической оси Z. При этом небольшие погрешности в углах поворота оказывают несущественное влияние на характеристики преобразователя. Демпфер 2 используется для расширения полосы пропускания и сокращения длительности акустического импульса. В качестве материала демпфера 2 в данном преобразователе использован плавленый кварц. Демпфер выполнен в виде пирамиды, все грани которой металлизировались. Такая конструкция демпфера существенно ослабляла отраженные сигналы. Акустическая задержка 3 в виде буферного стержня также выполнялась из плавленого кварца с последующей металлизацией. Поскольку кварц обладает существенно меньшей теплопроводностью, чем металлы, это позволяет использовать электроакустический преобразователь при работе по горячей до температуры 500°С поверхности. Длина буферного стержня выбирается такой, чтобы многократные отражения в нем не мешали проведению контроля объекта заданной толщины. Акустическая задержка 3, пьезопластина 1 с нанесенными на ее гранях электродами и демпфер 2 соединены между собой с помощью эпоксидной смолы ЭД-5 и вклеены в держатель акустической задержки 4. Держатель 4 ввинчивается в корпус 5 преобразователя, выполненного в виде цилиндра, который закрывается крышкой 6. Возбуждающее высокочастотное электрическое напряжение при излучении и приеме сигналов осуществляются с помощью разъема 7.

На фиг.2 для иллюстрации представлена частотная зависимость коэффициентов двойного электромеханического преобразования (коэффициентов передачи) преобразователя с пьезоэлементом, вырезанным из пьезокерамики ЦТС-19 под углом 45° к кристаллографической оси Z, и акустической задержкой из плавленого кварца. Кривые 1 и 2 соответствуют продольной и поперечной волнам для случая отсутствия демпфера, а кривые 3 и 4 при наличии демпфера также из плавленого кварца.

Электроакустический преобразователь работает следующим образом. Пьезоэлемент 1, вырезанный из пьезокерамики ЦТС-19 под углом 45° к кристаллографической оси Z в соответствии с расчетными частотными характеристиками передачи, представленными на фиг.2, имеет две резонансные частоты f₁ и f_t, соответствующие максимумам коэффициентов преобразования по продольным и поперечным волнам. При возбуждении такого преобразователя электрическим импульсом с частотой заполнения 1,27 МГц, соответствующей максимуму коэффициента преобразования f₁, пьезоэлемент совершает толщинные колебания и излучает продольные волны в контролируемое изделие нормально к поверхности. Такой преобразователь является конвертируемым, т.е. при падении продольной волны с частотой колебаний 1,27 МГц из изделия на акустическую задержку на электродах пьезоэлемента и высокочастотном разъеме 7 образуется электрический импульс с частотой заполнения 1,27 МГц. При возбуждении этого преобразователя электрическим импульсом с частотой заполнения 0,6 МГц, соответствующей максимуму коэффициента преобразования f_t, пьезоэлемент совершает сдвиговые колебания и излучает в контролируемое изделие нормально к его поверхности акустический импульс поперечных колебаний с частотой заполнения 0,6 МГц. При падении из изделия на акустическую задержку поперечных колебаний с частотой 0,6 МГц на выходе разъема 7 преобразователя образуется электрический импульс с частотой заполнения 0,6 МГц.

При наличии демпфера 2 из какого-либо материала, например плавленого кварца, как видно из фиг.2, полоса пропускания преобразователя по продольным и поперечным волнам расширяется, что позволяет излучать и принимать более короткие импульсы.

Приведенное описание показывает, что электроакустический преобразователь обеспечивает последовательное возбуждение продольных и поперечных волн и позволяет осуществлять контроль изделий как в холодном, так и горячем состоянии.

Использование: для обнаружения внутренних дефектов, измерения толщины и измерения физико-механических характеристик материалов по скорости распространения упругих волн. Сущность: заключается в том, что электроакустический преобразователь содержит пьезоэлектрическую пластину с нанесенными на ее грани электродами, одной стороной приклеенную к акустической задержке в виде буферного стержня, а другой к демпферу, расположенным в корпусе, при этом пьезоэлектрическая пластина вырезана под углом к кристаллической оси Z пьезокерамического материала, величина которого определяется возможностью максимального излучения и приема продольных и поперечных волн, причем толщина пьезопластины d определяется по формуле: d=C₁/2f₁, где С₁ - скорость продольной волны в материале пьезопластины в направлении, перпендикулярном ее граням, a f₁ - резонансная частота, соответствующая максимуму коэффициента преобразования для продольных волн. Технический результат: расширение функциональных возможностей электроакустического преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электроакустический преобразователь, содержащий пьезоэлектрическую пластину с нанесенными на ее грани электродами, одной стороной приклеенную к акустической задержке в виде буферного стержня, а другой к демпферу, расположенному в корпусе, отличающийся тем, что пьезоэлектрическая пластина вырезана под углом к кристаллической оси Z пьезокерамического материала, величина которого определяется возможностью максимального излучения и приема продольных и поперечных волн, причем толщина пьезопластины d определяется по формуле

d=C₁/2f₁,

где C₁ - скорость продольной волны в материале пьезопластины в направлении, перпендикулярном ее граням;

f₁ - резонансная частота, соответствующая максимуму коэффициента преобразования для продольных волн.