УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК H04R17/00 

Описание патента на изобретение RU2341917C1

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего ультразвукового контроля изделий, например цилиндрической формы, в том числе зарядов твердого ракетного топлива и ракетных двигателей на твердом топливе, и может быть использовано в области ультразвукового приборостроения.

Известны ультразвуковые преобразователи, состоящие из пьезоактивного элемента, протектора, демпфера (см., например, приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. - М., «Машиностроение», 1976, стр.179, а также а.с. СССР №№119740, 120248, 167663, 168933, 188117). В ряде конструкций (см., например, Шрейбер Д.С. Ультразвуковая дефектоскопия. - М., «Металлургия», 1965, стр.203) демпферы отсутствуют. Недостатком известных преобразователей является низкая чувствительность при работе в жидких и газообразных средах.

В качестве прототипа взят приемный электроакустический преобразователь, а.с. №463240 МПК H04R 17/00, включающий пьезоактивный элемент и два согласующих слоя (четвертьволновый и полуволновый). Согласующие слои данного преобразователя выполнены из материалов, волновые сопротивления которых удовлетворяют следующему условию

0,3Z0<Z1<Z0-<Z2<2Z0,

где Z1, Z2, Z0 - соответственно волновые сопротивления материалов полуволнового и четвертьволнового слоев и жидкой среды. Применение данных преобразователей для жидких сред позволяет существенно повысить чувствительность в заданной полосе частот.

Недостатком известного электроакустического преобразователя является то, что чувствительность его снижается при применении для бесконтактного ультразвукового контроля изделий, когда рабочей средой является воздух. Это видно из приведенного выше соотношения волновых сопротивлений, если учесть, что волновое сопротивление воздушной среды, которая в этом случае является рабочей средой, на несколько порядков меньше волновых сопротивлений жидких и твердых сред.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности до уровня, достаточного для проведения бесконтактного ультразвукового контроля изделий.

Технический результат достигается тем, что ультразвуковой преобразователь, содержащий последовательно установленные пьезоактивный элемент и четвертьволновый слой, снабжен тонким слоем толщиной значительно меньшей длины волны ультразвуковых колебаний в материале этого слоя, удовлетворяющем наряду с материалами пьезоэлемента и четвертьволнового слоя условию

Z1>Z2>Z3>Z4,

где Z1 - волновое сопротивление материала пьезоактивного элемента,

Z2 - волновое сопротивление материала тонкого слоя,

Z3 - волновое сопротивление материала четвертьволнового слоя,

Z4 - волновое сопротивление воздуха,

и пластиной со сквозными отверстиями, диаметр которых, расстояния между ними и толщина пластины находятся в диапазоне соотношений 0,01-0,1 от длины волны ультразвуковых колебания в материале пластины, волновое сопротивление которого больше волнового сопротивления материала тонкого слоя, которые вместе с четвертьволновым слоем последовательно установлены в трубе, длина которой на участке от пластины с отверстиями до свободного конца трубы удовлетворяет соотношению

l=nλ/2,

где l - длина трубы;

n - количество колебаний в ультразвуковом импульсе;

λ - длина волны ультразвуковых колебаний в воздухе,

при этом тонкий слой скреплен с четвертьволновым слоем, а пластина со сквозными отверстиями установлена перед тонким слоем и может перемещаться относительно него в осевом направлении на расстояние, находящееся в интервале величин от нуля до величины, равной длине волны ультразвуковых колебаний в воздухе, а на свободном конце трубы с ее внешней стороны установлен перпендикулярно трубе слой из материала с большим затуханием ультразвуковых колебаний.

Сущность изобретения представлена на чертеже, где показано схематичное изображение конструкции предлагаемого ультразвукового преобразователя, установленного над изделием 1 с дефектом 2 в нем. Пьезоактивный элемент 3 склеен с согласующим четвертьволновым слоем 4 из пенопласта, который в свою очередь скреплен с тонким слоем 5 из полиэтилена или более плотного чем в четвертьволновом слое пенопласта и помещен вместе с пластиной 6 из органического стекла в полую цилиндрическую трубу 7. Тонкий слой выполняет роль связующего элемента комбинации согласующих элементов предлагаемого ультразвукового преобразователя, а именно четвертьволнового слоя и пластины со сквозными отверстиями. Толщина пластины, диаметр отверстий в ней и расстояния между отверстиями выбраны в диапазоне соотношений 0,01-0,1 от длины волны ультразвуковых колебания в материале пластины. Внутренняя часть трубы и внешняя часть пластины (по периметру) имеют резьбовое соединение, что позволяет пластине перемещаться относительно тонкого слоя в осевом направлении в интервале расстояний от нуля до длины волны ультразвуковых колебаний в воздухе. Длина участка трубы с резьбой для обеспечения настройки преобразователя на максимальную чувствительность выполняется равной сумме толщины пластины и длины волны ультразвуковых колебаний в воздухе. На свободном конце трубы с ее внешней стороны установлен перпендикулярно трубе слой 8 из материала с большим затуханием ультразвуковых колебаний.

В таблицах ниже приведены кратности увеличения сигнала, принимаемого предлагаемым ультразвуковым преобразователем, в зависимости от толщины пластины со сквозными отверстиями (таблица 1), диаметра сквозных отверстий (таблица 2), расстояния между сквозными отверстиями (таблица 3) по сравнению с преобразователем, состоящим только из пьезоактивного элемента, полученные экспериментальным путем с использованием пластин из органического стекла. Аналогичные показатели были зафиксированы при использовании пластин из алюминия толщиной 1 мм, с расстояниями между отверстиями диаметром 1 мм, равными 1 мм (кратность увеличения равна 23) и 2 мм (кратность увеличения равна 17). Идентичный эффект достигается при использовании пластин из других материалов (гетинакс, текстолит и др.). Таблицы наглядно иллюстрируют достаточный практический диапазон реализации конструкции предлагаемого преобразователя.

Как видно из приведенных таблиц, комбинация пьезоактивный слой - четвертьволновый слой - тонкий слой - слой воздуха - пластина со сквозными отверстиями позволяет повысить отношение сигнал/шум аппаратуры в 15-30 раз при использовании предлагаемого ультразвукового преобразователя как в режиме приема, так и излучения.

На фиг.2 приведены экспериментальные зависимости отношения амплитуды сигнала к его максимальной величине (А/Aм) от величины воздушного зазора (L) между поверхностью тонкого слоя и пластиной со сквозными отверстиями на частотах, равных 50 кГц (кривая 1) и 100 кГц (кривая 2), которая показывают наличие выраженных максимумов при точной настройке на резонанс.

Предлагаемый преобразователь апробирован в условиях лаборатории на макетных образцах и в условиях производства на натурных изделиях. В качестве аппаратуры использовались ультразвуковые дефектоскопы типа ДУК-8, ЗТА-1П, УД22КБ и другие. Рабочие частоты выбирались в диапазоне 40-70 кГц, частоты следования импульсов ультразвуковых колебаний выбирались в диапазоне 25-50 Гц. Длительность развертки электронного луча выбиралась в диапазоне 1500-7500 мксек. С целью увеличения отношения сигнал/шум аппаратуры к дефектоскопу подключался дополнительный предварительный полосовой усилитель с коэффициентом усиления порядка 100.

В результате проведенных работ подтверждена эффективность применения предложенного ультразвукового преобразователя по сравнению с известными для бесконтактного ультразвукового контроля изделий. Как на образцах, так и на натурных изделиях постоянно имели место четкая регистрация ультразвуковых колебаний, стабильные форма и уровень сигнала, адекватность реакции на искусственные дефекты типа расслоений, хорошая чувствительность к выявлению нарушений сплошности изделий. Таким образом, предложенный ультразвуковой преобразователь обеспечивает надежный, качественный бесконтактный ультразвуковой контроль большой номенклатуры изделий различных конструкций и типоразмеров.

Таблица 1
Зависимость кратности увеличения сигнала от толщины пластины
Диаметр отверстий, ммРасстояние между отверстиями, ммКратность увеличения сигнала для пластин толщиной1 мм3 мм5 мм1234511301516,3128,21511135,5118,2212316,3222217,52219238,217,7153123,51522322220203316,35,515

Таблица 2
Зависимость кратности увеличения сигнала от диаметра отверстий в пластине
Толщина пластины, ммРасстояние между отверстиями, ммКратности увеличения сигналов для диаметров отверстий:1 мм2 мм3 мм1234511302323,5128,217,522135,58,216,3311516,31532152220331117,75,55116,3222252111920538,21520

Таблица 3
Зависимость кратности увеличения сигнала от расстояний между отверстиями в пластине
Диаметр отверстий, ммТолщина пластины, ммКратность увеличения сигнала при расстояниях, равных:1 мм2 мм3 мм12345113015151315158,2212317,58,22316,32217,7252219153123,52216,53315205,535222015

Похожие патенты RU2341917C1

название год авторы номер документа
МИКРОПОЛОСКОВЫЙ ФИКСИРОВАННЫЙ СВЧ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ 2022
  • Мещанов Валерий Петрович
  • Саяпин Кирилл Александрович
RU2799991C1
Резонансный электромеханический преобразователь 1978
  • Вавер Виктор Робертович
  • Голямина Ирина Петровна
  • Марголин Вениамин Самуилович
  • Мечетнер Борис Хаимович
  • Хлопотунова Наталья Анатольевна
SU685354A1
СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО СОГЛАСОВАНИЯ СРЕД 1992
  • Липовко-Половинец П.О.
RU2036469C1
СПОСОБ ТЕНЕВОГО ПРОЗВУЧИВАНИЯ СВОДА ИЗДЕЛИЯ ИМПУЛЬСАМИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 2007
  • Карцев Геннадий Тимофеевич
RU2359262C1
РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЕННЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1996
  • Аронов Л.Л.
  • Михайлов Г.А.
  • Степанов Б.Г.
  • Стержанов Э.А.
RU2107300C1
СПОСОБ ОДНОСТОРОННЕГО ПРОПУСКАНИЯ ЗВУКА 2011
  • Липовко-Половинец Петр Османович
RU2465578C1
АТТЕНЮАТОР СВЧ 2014
  • Балыко Александр Карпович
  • Мякиньков Виталий Юрьевич
  • Савельева Людмила Геннадьевна
  • Дементьева Лариса Анатольевна
RU2568261C2
Фокусирующее ультразвуковое устройство 1990
  • Клячин Вячеслав Матвеевич
  • Сазонов Юрий Иванович
  • Щербинин Виталий Евгеньевич
  • Чарикова Нина Ивановна
SU1779992A1
ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ АНТЕННА И ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СТЕРЖНЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ТАКОЙ АНТЕННЫ 2005
  • Голубева Галина Хацкелевна
  • Беляков Игорь Иванович
  • Михайлов Геннадий Александрович
  • Шабловский Андрей Николаевич
  • Аксенов Евгений Валерьевич
RU2303336C1
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1992
  • Огнев В.П.
  • Гудовский С.А.
  • Петухова С.В.
RU2067789C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 341 917 C1

Реферат патента 2008 года УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Использование: для неразрушающего ультразвукового контроля изделий, Сущность заключается в том, что ультразвуковой преобразователь содержит последовательно установленные пьезоактивный элемент, четвертьволновый слой и тонкий слой толщиной значительно меньшей длины волны ультразвуковых колебаний в материале этого слоя, удовлетворяющем наряду с материалами пьезоэлемента и четвертьволнового слоя условию Z1>Z2>Z3>Z4, где Z1 - волновое сопротивление материала пьезоактивного элемента, Z2 - волновое сопротивление материала тонкого слоя, Z3 - волновое сопротивление материала четвертьволнового слоя, Z4 - волновое сопротивление воздуха, и пластиной со сквозными отверстиями, диаметр которых, расстояния между ними и толщина пластины находятся в диапазоне соотношений 0,1-0,01 от длины волны ультразвуковых колебаний в материале пластины, волновое сопротивление которого больше волнового сопротивления материала тонкого слоя, которые вместе с четвертьволновым слоем последовательно установлены в трубе, длина которой на участке от пластины с отверстиями до свободного конца трубы удовлетворяет соотношению l=nλ/2, где l - длина трубы; n - количество колебаний в ультразвуковом импульсе; λ - длина волны ультразвуковых колебаний в воздухе, при этом тонкий слой скреплен с четвертьволновым слоем, а пластина со сквозными отверстиями установлена перед тонким слоем и может перемещаться относительно него в осевом направлении на расстояние, находящееся в интервале величин от нуля до величины, равной длине волны ультразвуковых колебаний в воздухе. Технический результат: повышение чувствительности до уровня, достаточного для проведения бесконтактного ультразвукового контроля изделий. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.

Формула изобретения RU 2 341 917 C1

1. Ультразвуковой преобразователь, содержащий последовательно установленные пьезоактивный элемент и четвертьволновый слой, отличающийся тем, что он снабжен тонким слоем толщиной значительно меньшей длины волны ультразвуковых колебаний в материале этого слоя, удовлетворяющем наряду с материалами пьезоэлемента и четвертьволнового слоя условию

Z1>Z2>Z3>Z4,

где Z1 - волновое сопротивление материала пьезоактивного элемента;

Z2 - волновое сопротивление материала тонкого слоя;

Z3 - волновое сопротивление материала четвертьволнового слоя;

Z4 - волновое сопротивление воздуха,

и пластиной со сквозными отверстиями, диаметр которых, расстояния между ними и толщина пластины находятся в диапазоне соотношений 0,1-0,01 от длины волны ультразвуковых колебаний в материале пластины, волновое сопротивление которого больше волнового сопротивления материала тонкого слоя, которые вместе с четвертьволновым слоем последовательно установлены в трубе, длина которой на участке от пластины с отверстиями до свободного конца трубы удовлетворяет соотношению

l=nλ/2,

где l - длина трубы;

n - количество колебаний в ультразвуковом импульсе;

λ - длина волны ультразвуковых колебаний в воздухе,

при этом тонкий слой скреплен с четвертьволновым слоем, а пластина со сквозными отверстиями установлена перед тонким слоем и может перемещаться относительно него в осевом направлении на расстояние, находящееся в интервале величин от нуля до величины, равной длине волны ультразвуковых колебаний в воздухе.

2. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на свободном конце трубы с ее внешней стороны установлен перпендикулярно трубе слой из материала с большим затуханием ультразвуковых колебаний.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2008 года RU2341917C1

Приемный электроакустический преобразователь 1972
  • Литвинов Евгений Васильевич
  • Пирогов Всеволод Анатольевич
  • Рейзин Елена Соломоновна
  • Тартаковский Борис Давидович
  • Хаминов Дмитрий Васильевич
  • Штрик Аркадий Израильевич
SU463240A1
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1992
  • Огнев В.П.
  • Гудовский С.А.
  • Петухова С.В.
RU2067789C1
АКУСТИЧЕСКИЙ СТЕРЖНЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 2002
  • Калинин О.Б.
  • Носов В.Н.
  • Родзянко Е.Д.
RU2230615C1
Ультразвуковой преобразователь 1988
  • Марьин Николай Семенович
SU1630856A1
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 1997
  • Вусевкер Ю.А.
  • Гориш А.В.
  • Доля В.К.
  • Ефремов О.И.
  • Каспин А.И.
  • Ладакин Г.К.
  • Новиков Ю.А.
  • Панич А.Е.
RU2121241C1
GB 919282 А, 20.02.1963
US 5438999 A, 08.08.1995
US 4771205 A, 13.09.1988.

RU 2 341 917 C1

Авторы

Карцев Геннадий Тимофеевич

Куценко Геннадий Васильевич

Даты

2008-12-20Публикация

2007-04-12Подача