Раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь Российский патент 2024 года по МПК G01N29/22 H04R17/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для излучения и приема ультразвуковых сигналов в ультразвуковой аппаратуре, преимущественно в ультразвуковых толщиномерах.

Уровень техники

Известен раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий в общем корпусе разделенные акустическим экраном излучающий и принимающий пьезоэлементы, состоящие в акустическом контакте с призмами, в котором призмы выполнены из полимерных материалов, например, оргстекла, полистирола, поликарбоната (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. В 2-х кн. Справочник под ред. В.В.Клюева. Кн.2. М., Машиностроение, 1976, с. 179…181), полиамидоимида (а.с. СССР № 555334, опубл. 25.04.77г.), деклона (а.с. СССР № 555335 опубл. 25.04.77г.).

Однако ни один из рекомендуемых материалов полностью не удовлетворяет комплексу физико-механических, акустических и других свойств, которыми должен обладать материал призм. В частности, для раздельно-совмещенных ультразвуковых преобразователей, применяемых в толщиномерах, важно, чтобы время прохождения колебаний через призмы как можно меньше зависело от температуры, а все упомянутые материалы имеют достаточно высокий коэффициент линейного расширения.

Известен раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь, содержащий в общем корпусе разделенные акустическим экраном излучающий и принимающий пьезоэлементы, состоящие в акустическом контакте с призмами, выполненными из кварцевого стекла (патент РФ на изобретение № 2354076 опубл. 27.04.09г., с. 5). Кварцевое стекло имеет маленький коэффициент линейного расширения, что обуславливает его применение в качестве материала для призм ультразвуковых преобразователей.

Недостаток данного технического решения - хрупкость кварцевого стекла, что приводит к сколам кромок призм, прилегающих к акустическому экрану, а в свою очередь это ведет к потере возможности измерять малые толщины и появлению помех из-за затекания контактной жидкости в места сколов и утрате работоспособности преобразователей.

Известен также раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь, содержащий в общем корпусе разделенные акустическим экраном излучающий и принимающий пьезоэлементы, состоящие в акустическом контакте с призмами, которые выполнены из керамогранита (патент РФ на полезную модель RU 117010, опубл. 10.06.2012).

Благодаря выполнению призм раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя из керамогранита повышается его долговечность, так как керамогранит обладает не только низким коэффициентом линейного термического расширения (), но и высокой прочностью, что уменьшает вероятность скалывания кромок призм.

При интенсивной эксплуатации преобразователя все равно происходит скалывание кромок призм и ухудшение его работы. Это усугубляется тем, что протяженность кромок призм, износ которых ухудшает характеристики, велик, а это не только увеличивает вероятность сколов, но и затрудняет сжатие акустического экрана между призмами при сборке преобразователя, что также сказывается на прочности кромок призм.

Большая протяженность кромок призм, прилегающих к акустическому экрану, объясняется тем, что наиболее распространены преобразователи круглой формы, так как они наиболее полно соответствуют условию иметь минимальные размеры при максимальных размерах излучающего и принимающего пьезоэлемента. При этом излучающий и принимающие пьезоэлементы вместе с соответствующими им призмами по форме близки к половинкам цилиндра, а подвергаемые износу кромки призм и разделяющий их акустический экран близки по размеру к рабочему диаметру преобразователя, т.е. имеет значительные размеры.

К недостаткам таких раздельно-совмещенных ультразвуковых преобразователей помимо большой протяженности кромок призм и акустического экрана относится и повышенный уровень шумов в процессе работы из-за многократных отражений ультразвуковых волн в призме, а также большая вероятность ложных измерений из-за увеличенного слоя контактной жидкости по периферии преобразователя при измерениях толщины стенок криволинейных изделий, например, трубы.

Раскрытие сущности изобретения

Предлагаемым изобретением решается задача повышения долговечности раздельно-совмещенных ультразвуковых преобразователей, снижения паразитных шумов и снижения вероятности ложных измерений.

Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении срока службы раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя за счет снижения вероятности сколов кромок и повреждения акустического экрана.

Технический результат достигается за счет, того, что раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь содержит цилиндрический корпус, установленные в корпусе разделенные акустическим экраном призмы и излучающий, и принимающий пьезоэлементы, при этом призмы состоят в акустическом контакте с указанными пьезоэлементами причем по крайне мере на одной упомянутой призме выполнены выборки, причем выборки выполнены на призме с противоположной от пьезоэлемента стороны в зоне примыкания упомянутой призмы к корпусу и к акустическому экрану.

В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительно выборки выполнены на второй упомянутой призме, причем выборки выполнены на второй призме с противоположной от пьезоэлемента стороны в зоне примыкания упомянутой второй призмы к корпусу и к акустическому экрану.

В частном случае реализации заявленного технического решения упомянутые выборки заполнены материалом с низкой акустической проводимостью.

В частном случае реализации заявленного технического решения упомянутые выборки выполнены с поверхностью, удлиняющей путь отраженных волн.

В частном случае реализации заявленного технического решения упомянутая поверхность упомянутых выборок выполнена шероховатой или с остроугольными канавками.

В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительно снабжен демпферами, установленными на пьезоэлементах с противоположной от призм стороны.

В частном случае реализации заявленного технического решения призмы выполнены из керамогранита.

Отличительными признаками предлагаемого раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя является выполнение в призмах, по крайней мере с одной стороны акустического экрана в зоне, примыкающей к корпусу, выборок, которые заполнены материалом с низкой акустической проводимостью.

Благодаря наличию этих признаков снижается протяженность кромок призм и акустического экрана, что позволяет повысить качество сборки, снижает вероятность сколов кромок призм и повреждения акустического экрана и продлевает срок службы преобразователя, существенно снижается вероятность ложных измерений при измерении толщины стенок цилиндрических изделий (сосудов, труб).

Краткое описание чертежей

Предлагаемый раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 - фиг. 3.

На фиг. 1 - показан общий вид преобразователя;

На фиг. 2 - вид с стороны рабочей поверхности преобразователя (вид А на общем виде преобразователя);

На фиг. 3 - вид с стороны рабочей поверхности преобразователя (вид А на общем виде преобразователя). Второй вариант реализации, с выборками, выполненными на двух призмах.

В описании части призм, выходящие на рабочую поверхность преобразователя, принимаются за нижние.

На фигурах позициями обозначены следующие элементы конструкции:

1 - корпус; 2 - излучающий пьезоэлемент; 3 - призма; 4 - принимающий пьезоэлемент; 5 - призма; 6 - акустический экран; 7 - выборки; 8 и 9 - проводники.

Осуществление изобретения

Раздельно-совмещенный ультразвуковой преобразователь включает размещенные в общем цилиндрическом корпусе (1) и разделенные акустическим экраном (6) призму (3) и призму (5). Ультразвуковой преобразователь также содержит излучающий пьезоэлемент (2) и принимающий пьезолемент (4), при этом излучающий пьезоэлемент (2) состоит в акустическом контакте с призмой (3), и принимающий пьезоэлемент (4) состоит в акустическом контакте с призмой (5). Корпус (1) выполнен цилиндрической формой.

На поверхности излучающего пьезоэлемента (2) и на поверхности принимающего пьезоэлемента (4) нанесены, например, методом напыления, тонкие электроды (не показаны), при этом электроды от пьезоэлементов (2) и (4) связаны проводниками (8) и (9), соединяющими раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь с ультразвуковым толщиномером (не показан).

Для предупреждения прямой передачи акустических сигналов от излучающего пьезоэлемента (2) к принимающему пьезоэлементу (4) преобразователь содержит упомянутый акустический экран (6), разделяющий внутреннюю полость упомянутого корпуса (1) на две равные части, при этом упомянутые пьезоэлементы (2) и (4) расположены по разные стороны акустического экрана (6).

Призмы (2) и (4) выполнены из керамогранита. Керамогранит обладает низким коэффициентом линейного термического расширения (), но и высокой прочностью, что уменьшает вероятность скалывания кромок призм, однако не исключает ее полностью.

Для минимизации или исключения вероятности скалывания кромок призм и повреждения акустического экрана по крайней мере на одной из призм, например, на призме (5), выполнены выборки (7). Выборки на призме выполнены в зонах примыкания экрана (6) к цилиндрическому корпусу (1), т.е. на одной призме выполнены две выборки.

Для дополнительного увеличения срока службы раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя за счет снижения или исключения вероятности сколов кромок второй призмы (3) и повреждения акустического экрана (6) в варианте реализации заявленного технического решения упомянутые выборки (7) выполнены и на второй призме (3) (Фиг. 3).

В варианте реализации заявленного технического решения упомянутые выборки (7), необходимые для минимизации или исключения вероятности скалывания кромок призм, заполнены материалом с низкой акустической проводимостью.

В качестве материала с низкой акустической проводимостью применена, например, акустическая пена. Данный материал ослабляет звуковые волны, уменьшая их амплитуду для снижения паразитных шумов, что существенно снижает вероятность ложных измерений при измерении толщины стенок цилиндрических изделий (сосудов, труб).

Преобразователь может быть снабжен демпферами (не показаны), которые устанавливаются на упомянутых пьезоэлементах (2) и (4) с противоположной от призм (3) и (5) стороны. Демпферы необходимы для увеличения величины сигнала.

Целесообразно выборки формировать с образованием конфигурации поверхности упомянутых выборок, обеспечивающей одновременно и функцию ловушек, например, удлиняющих путь отраженных волн. В частности, поверхность выборок может быть выполнена шероховатой или с остроугольными канавками.

При изготовлении опытных образцов преобразователей выборки (7) выполнялись перед их сборкой путем стачивания углов призмы (5) и (3) по плоскости абразивным диском.

Например, для преобразователей, выполненных в сечении круглой формы диаметром 6 и 8 мм лучшие результаты получены при размерах выборок, выполненных вдоль акустического экрана (6), и равными 1/3 от длины акустического экрана (6), соответствующей диаметру корпуса (1) преобразователя. Угол (β) между акустическим экраном (6) и ребром выборки (7) на рабочей поверхности призм (3) и (5) в опытах составлял от 5 до 25 градусов, при этом существенной разницы в уровне сигналов и шумов не установлено. В верхней части призм (3) и (5) плоскости выборки (7) была выведена на верхние углы призмы. Это позволяет сохранить максимальную площадь пьезоэлемента (4). Данный метод выполнения выборок (срез по плоскости) наиболее технологичен, однако возможна и другая конфигурация выборок, например, одновременно обеспечивающая функцию ловушек, в частности удлиняющих путь отраженных волн.

При такой конструкции преобразователя существенно (до двух и более раз) уменьшается протяженность кромок призм, примыкающих к акустическому экрану (6) и корпусу (1), что пропорционально снижает вероятность сколов кромок призм и утраты работоспособности преобразователя.

При измерении толщины изделия на него в месте измерения наносится слой контактной жидкости, например, глицерина, и прижимается раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь. Зондирующий импульс от излучающего пьезоэлемента (2) проходит через призму (3), упомянутую контактную жидкость и измеряемое изделие, отражается от донной поверхности измеряемого изделия и возвращается через измеряемое изделие, контактную жидкость и призму (5) на принимающий пьезоэлемент (4). По времени прохождения зондирующего импульса можно определить толщину изделия.

Эксперименты с датчиками одинаковых типоразмеров показали, что при наличии выборки (7) амплитуда шумов снижается до 3 раз при одинаковой величине зондирующего импульса. Также существенно снижается вероятность ложных измерений из-за увеличенного слоя контактной жидкости по периферии преобразователя при измерениях толщины криволинейных изделий, так как в данной конструкции зондирующий импульс формируется только вблизи центра преобразователя, где незначительна толщина слоя контактной жидкости.

Использование: для излучения и приема ультразвуковых сигналов в ультразвуковой аппаратуре. Сущность изобретения заключается в том, что раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь содержит цилиндрический корпус, установленные в корпусе разделенные акустическим экраном призмы и излучающий и принимающий пьезоэлементы, а призмы состоят в акустическом контакте с указанными пьезоэлементами, при этом по крайне мере на одной упомянутой призме выполнены выборки, причем выборки выполнены на призме с противоположной от пьезоэлемента стороны в зоне примыкания упомянутой призмы к корпусу и к акустическому экрану. Технический результат: обеспечение возможности увеличения срока службы преобразователя за счет снижения вероятности сколов кромок и повреждения акустического экрана, а также обеспечение возможности снижения паразитных шумов и вероятности ложных измерений. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий цилиндрический корпус, установленные в корпусе разделенные акустическим экраном призмы и излучающий и принимающий пьезоэлементы, при этом призмы состоят в акустическом контакте с указанными пьезоэлементами,

отличающийся тем, что

по крайне мере на одной упомянутой призме выполнены выборки, причем выборки выполнены на призме с противоположной от пьезоэлемента стороны в зоне примыкания упомянутой призмы к корпусу и к акустическому экрану.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что дополнительно выборки выполнены на второй упомянутой призме, причем выборки выполнены на второй призме с противоположной от пьезоэлемента стороны в зоне примыкания упомянутой второй призмы к корпусу и к акустическому экрану.

3. Преобразователь по п.1 и 2, отличающийся тем, что упомянутые выборки заполнены материалом с низкой акустической проводимостью.

4. Преобразователь по п.1 и 2, отличающийся тем, что упомянутые выборки выполнены с поверхностью, удлиняющей путь отраженных волн.

5. Преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что упомянутая поверхность упомянутых выборок выполнена шероховатой или с остроугольными канавками.

6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что дополнительно снабжен демпферами, установленными на пьезоэлементах с противоположной от призм стороны.

7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что призмы выполнены из керамогранита.