УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК G01N29/22 

Изобретение относится к области ультразвуковой измерительной техники и может быть использовано при исследовании жидкостей и неразрушающем контроле твердых материалов.

Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий пьезопреобразователь и акустически связанную с ним линию задержки в форме цилиндра с гладкой боковой поверхностью (см., например, Королев М.В., Карпельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые преобразователи. М.: Машиностроение, 1982. - С.84.). Недостатком этого преобразователя является высокий уровень акустических помех, обусловленных отражениями паразитных ультразвуковых колебаний от гладкой боковой поверхности линии задержки.

Известны ультразвуковые преобразователи, содержащие пьезопреобразователь и акустически связанную с ним линию задержки, которая для уменьшения вышеуказанных помех имеет сложную форму, например, состоящую из двух усеченных конусов, причем боковая поверхность линии задержки является ребристой для рассеяния паразитных волн (см. А.с. СССР №224935, МПК В06 в 1/06, 1968). Недостатком таких преобразователей является высокий уровень остаточных помех от мениска контактной жидкости при малом объеме последней.

Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой преобразователь, содержащий пьезопреобразователь и акустически связанную с ним линию задержки, выполненную в виде сопряженных между собой тела вращения с ребристой боковой поверхностью и усеченного конуса с гладкой боковой поверхностью, большее основание конуса соединено с телом вращения, а меньшее является гладкой рабочей поверхностью. Для снижения уровня акустических помех от мениска жидкости, контактирующей с линией задержки, последняя на торце снабжена замкнутым буртом, на конфигурацию и геометрические размеры которого наложены определенные ограничения (см. А.с. СССР №315478, МПК G01N 29/04, 1970).

Недостатком этого преобразователя-прототипа является невысокая чувствительность, обусловленная остаточными акустическими помехами, возникающими в результате отражений от боковой поверхности усеченного конуса, а также - реверберации в объеме бурта. Отмеченный недостаток обусловлен конструктивными особенностями известного преобразователя:

а) боковая поверхность усеченного конуса является полированной и граничит с воздухом, т.е. практически полностью отражает энергию падающих на нее колебаний;

б) бурт выполняют как единое целое с линией задержки, т.е. изготавливают из материала с низким затуханием ультразвуковых колебаний, что не позволяет поглотить прошедшие в бурт колебания.

Целью изобретения является повышение чувствительности ультразвукового преобразователя за счет ликвидации акустических помех.

Поставленная цель достигается за счет того, что ультразвуковой контрольно-измерительный преобразователь, содержащий пьезопреобразователь, акустически связанный с линией задержки, выполненной в виде сопряженных между собой тела вращения и усеченного конуса, большее основание которого соединено с телом вращения, а меньшее является рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя, дополнительно снабжен сопрягаемой с боковой поверхностью линии задержки и полностью охватывающей ее коническую часть насадкой, выполняемой из материала с высоким поглощением ультразвука и акустическим сопротивлением, близким к акустическому сопротивлению материала линии задержки, имеющей форму полого тела вращения с плоской торцевой поверхностью, совпадающей с рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя.

Таким образом, предлагаемый ультразвуковой преобразователь, в отличие от прототипа, вместо бурта снабжен сопрягаемой насадкой вышеописанной формы, полностью охватывающей коническую часть линии задержки и выполненной из материала с высоким поглощением ультразвука и акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению материала линии задержки. Это позволяет полностью ликвидировать влияние на работу преобразователя акустических помех.

Техническим результатом заявленного устройства является повышение чувствительности ультразвукового преобразователя к малым изменениям физико-химических характеристик исследуемых жидкостей либо к малым дефектам конструкций, продуцирующих слабые детектирующие сигналы.

На Фиг.1 представлена конструкция ультразвукового контрольно-измерительного преобразователя (продольный разрез вдоль оси симметрии) и ход лучей в нем, а упрощенная схема (см. Фиг.2) иллюстрирует вывод акустико-математических соотношений для этой конструкции.

Ультразвуковой контрольно-измерительный преобразователь состоит из пьезопреобразователя 1, линии 2 задержки и насадки 3. Линия 2 задержки выполнена в виде сопряженных между собой цилиндра и усеченного конуса и ограничена снизу (см. Фиг.1) плоской торцевой поверхностью 4, сбоку - ребристой (например, резьбовой) поверхностью 5 в цилиндрической части, гладкой боковой поверхностью 6 в конической части и сверху - плоской торцевой поверхностью 7, являющейся меньшим основанием конуса. Поверхность 4 предназначена для акустической связи линии задержки с пьезопреобразователем, поверхность 5 - для подавления паразитных колебаний путем рассеяния, поверхность 6 - для акустического контакта с насадкой, а поверхность 7 является рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя. Боковая поверхность 6 наклонена по своей образующей к оси симметрии линии 2 задержки на угол β (см. Фиг.1).

Насадка 3 имеет форму полого тела вращения. Ее скошенная внутренняя поверхность 6 геометрически повторяет форму боковой поверхности конической части линии 2 задержки. Плоская торцевая поверхность 8 насадки в рабочем состоянии совпадает с плоскостью торцевой рабочей поверхности линии задержки.

Линию задержки, входящую в конструкцию ультразвукового преобразователя, выполняют из материала с низким затуханием ультразвуковых колебаний на рабочей частоте преобразователя, а насадку - из материала с высоким поглощением ультразвука. Что касается акустического сопротивления материалов линии задержки и насадки, то его значения подбирают близкими по величине. Акустический контакт между пьезопреобразователем и линией задержки, а также - между последней и насадкой осуществляют принятыми способами, например, приклейкой или прижимом через тонкий слой смазки, либо без такового (с заменой на фольгу и т.п.). Сопряжение между линией задержки и насадкой рационально выполнять с помощью резьбового соединения или/и склейки, возможно применение запрессовки и т.п.

Ультразвуковой контрольно-измерительный преобразователь работает следующим образом.

На торцевую рабочую поверхность 7 преобразователя помещают объем жидкости 9 - исследуемой (при физико-химическом анализе), либо контактной (при дефектоскопии). При этом жидкость должна полностью покрывать площадь рабочей поверхности 7, чтобы краевой мениск жидкости располагался за пределами указанной поверхности, т.е. на поверхности 8 насадки 3.

Пьезопреобразователь 1 излучает через торцевую поверхность 4 в линию 2 задержки ультразвуковые колебания. Колебания 10, падающие перпендикулярно на рабочую поверхность 7 ультразвукового преобразователя, частично отражаются от границы "материал линии задержки - жидкость" и возвращаются к пьезопреобразователю 1, а частично проходят внутрь жидкости 9 и через нее, при дефектоскопии, - внутрь контролируемого изделия (не показано), где формируют эхо-сигналы от дефектов, попадающие в конечном счете на пьезопреобразователь 1. При физико-химическом анализе жидкости анализируемыми являются сигналы, отраженные от поверхности 7, к которым, при ряде методических модификаций, добавляются сигналы, соответствующие отражениям от свободной (граничащей с воздухом) поверхности жидкости 9. Анализируемые сигналы, поступившие на пьезопреобразователь 1, преобразуются в эквивалентные электрические величины и обрабатывается электроизмерительной аппаратурой, соединенной с пьезопреобразователем 1 (не показана), с целью определения акустических характеристик жидкости либо геометрических параметров дефектов.

Ультразвуковые колебания 11, падающие под углом на границу 6 линии 2 задержки и насадки 3, в основном проходят в объем насадки (ввиду небольшого различия акустических сопротивлений материалов по обе стороны указанной границы). Прошедшие колебания вследствие высоких поглощающих свойств материала насадки 3 эффективно затухают в ее объеме и не могут участвовать в формировании значимых паразитных сигналов-помех. Отразившаяся от границы 6 незначительная часть падающих колебаний также подавляется за счет попадания на боковую поверхность 5 линии задержки и последующего рассеяния. В итоге акустические помехи на работе данного ультразвукового преобразователя не сказываются.

Для эффективной работы ультразвукового контрольно-измерительного преобразователя согласно вышеописанной схеме целесообразно обеспечивать следующие соотношения для акустических и геометрических параметров:

где Z_H и Z₀ - акустические сопротивления материалов соответственно насадки и линии задержки,

D и d - диаметры соответственно пьезопреобразователя и рабочей торцевой поверхности линии задержки,

α - коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в материале насадки, (расшифровка обозначения угла β дана выше).

Для вывода приведенных математических соотношений используется схема (см. Фиг.2). Вводятся упрощающие допущения: падение волн на границу раздела происходит нормально (для косого падения условие облегчается, т.к. коэффициент отражения снижается); расчет ведется для средней толщины насадки (при отступлении в обе стороны симметричные прохождения волн компенсируются); считается, что насадка граничит с воздухом (в реальных условиях контакта с жидкостью паразитные отражения уменьшаются).

Согласно цели изобретения помехами являются:

1) волны, отраженные от боковой поверхности конуса,

2) волны, дважды прошедшие сквозь толщину насадки.

Из теории ультразвуковых измерений известно, что помехой можно пренебречь, если ее амплитуда на 20 дБ меньше амплитуды полезного сигнала U_пад (см. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. М.: Стандартгиз, 1982. - С.224). Отсюда получаем условие малости помехи от боковой поверхности конуса: U_пад, где Z_H и Z₀ - соответственно акустические сопротивления материалов насадки и линии задержки. Раскрывая это неравенство, получим условие близости акустических сопротивлений указанных материалов: 0,818Z₀≤Z_н≤1,222Z₀.

Условие малости помехи от двойного прохождения сквозь насадку: где α - коэффициент поглощения ультразвука в материале насадки. Решая это неравенство относительно α, получим:

α≥1,15/l_ср.

В соответствии с Фиг.2, . Отсюда получаем оценку требуемого коэффициента поглощения ультразвука: .

Что касается требуемого диапазона заключения угла β [50°-70°], то, как очевидно из Фиг.1, такой угол обеспечивает попадание малых по амплитуде, отраженных от боковой поверхности конуса волн на боковую поверхность линии задержки, где они окончательно рассеиваются.

Номенклатура используемых в ультразвуковой технике материалов позволяет легко обеспечивать требуемые соотношения на частотах ультразвука порядка единиц или десятков МГц. При этом в качестве материалов для линии задержки ультразвукового преобразователя можно использовать пластики с низким затуханием ультразвуковых колебаний (органическое стекло, полистирол, деклон, полиамидоимид и т.д.), а в качестве материалов для насадки - различные марки резин, текстолит, фторопласт или композиционные составы, применяемые при изготовлении демпферов ультразвуковых преобразователей.

Предлагаемый ультразвуковой контрольно-измерительный преобразователь не требует для своего изготовления создания какого-либо нового оборудования. Все его составные детали могут быть изготовлены на известном оборудовании, предназначенном для обработки металлов или пластмасс, а также - для проведения сборочных операций склейки, запрессовки и т.п.

Использование: для исследования жидкостей и неразрушающего контроля твердых материалов с помощью ультразвука. Сущность заключается в том, что ультразвуковой контрольно-измерительный преобразователь, содержащий пьезопреобразователь, акустически связанный с линией задержки, выполненной в виде сопряженных между собой тела вращения и усеченного конуса, большее основание которого соединено с телом вращения, а меньшее является рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя, снабжен сопрягаемой с боковой поверхностью линией задержки и полностью охватывающей ее коническую часть насадкой, выполненной из материала с высоким поглощением ультразвука и акустическим сопротивлением, близким к акустическому сопротивлению материала линии задержки, имеющей форму полого тела вращения с плоской торцевой поверхностью, совпадающей с рабочей поверхностью контрольно-измерительного преобразователя. Технический результат: повышение чувствительности ультразвукового преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ультразвуковой контрольно-измерительный преобразователь, содержащий пьезопреобразователь, акустически связанный с линией задержки, выполненной в виде сопряженных между собой тела вращения и усеченного конуса, большее основание которого соединено с телом вращения, а меньшее является рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя, отличающийся тем, что он снабжен сопрягаемой с боковой поверхностью линии задержки и полностью охватывающей ее коническую часть насадкой, выполненной из материала с высоким поглощением ультразвука и акустическим сопротивлением, близким к акустическому сопротивлению материала линии задержки, имеющей форму полого тела вращения с плоской торцевой поверхностью, совпадающей с рабочей поверхностью контрольно-измерительного преобразователя.

2. Контрольно-измерительный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что его конструктивными особенностями являются следующие соотношения между акустическими и геометрическими параметрами:

где Z_H и Z₀ - акустические сопротивления материалов соответственно насадки и линии задержки;
D и d - диаметры соответственно пьезопреобразователя и рабочей торцевой поверхности линии задержки;
α - коэффициент затухания ультразвуковых колебании в материале насадки;
β - угол между образующей усеченного конуса и осью симметрии линии задержки.