Ультразвуковой низкочастотный преобразователь Российский патент 2025 года по МПК H04R17/00 G01N29/04 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при дефектоскопии, структуроскопии и толщинометрии для исследования крупноструктурных и неоднородных материалов посредством ультразвука, в частности - изделий из бетона и горных пород.

Известен ультразвуковой низкочастотный преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующей жидкостью, два пьезоэлемента, установленные внутри корпуса, и протектор, сопряженный с корпусом со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, коммутатор обеспечивает подключение пьезоэлементов синфазно или противофазно, пьезоэлементы расположены в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, а протектор выполнен с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого изделия в точке или по линии - патент РФ 2082163, 1997 г.

Недостатки известного преобразователя состоят в том, что он позволяет управлять вектором смещения только в одной плоскости, проходящей через пьезоэлементы и продольную ось преобразователя. В этой плоскости возможны только два направления вектора смещения: вдоль продольной оси преобразователя и перпендикулярно этой оси. Вследствие продольных колебаний пьезоэлементов эффективность их механического демпфирования недостаточна для получения коротких зондирующих импульсов, которые нужны при контроле структурно-неоднородных материалов, создающих значительный структурный шум.

Известен ультразвуковой низкочастотный преобразователь с переключением типа волн, содержащий пьезоэлемент, коммутатор, герметичный корпус с демпфирующей жидкостью и протектором в виде конуса или пирамиды, основание которых является одной из стенок корпуса, причем вершина конуса или пирамиды контактирует с объектом контроля, а высота протектора много меньше длины акустической волны, распространяющейся в его материале, при этом пьезоэлемент закреплён внутри корпуса на протекторе, непосредственно сопряжен с основанием проектора и состоит из двух электрически изолированных друг от друга частей, монолитно соединённых между собой граничащими поверхностями, ориентированными перпендикулярно основанию проектора, коммутатор обеспечивает синфазное или противофазное включение частей пьезоэлемента, причем при противофазном включении частей пьезоэлемент совершает изгибные колебания, вход коммутатора является входом преобразователя, а выходы коммутатора подключены к соответствующим выводам частей пьезоэлемента - патент РФ 2224250, 2003 г.

Недостатки известного преобразователя.

В этом преобразователе при работе в режиме поперечных волн пьезоэлемент совершает изгибные колебания, которые более эффективно демпфируются материалом демпфера. Однако при работе в режиме продольных волн эффективность демпфирования пьезоэлемента недостаточна для получения коротких зондирующих импульсов, т.к. отношение площади боковой поверхности пьезоэлемента к его объёму невелико. Кроме того, преобразователь не позволяет управлять направлением вектора смещения в разных плоскостях, а только в одной плоскости.

Наиболее близким аналогом изобретения является ультразвуковой низкочастотный преобразователь, содержащий корпус, первый и второй пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и электрически соединённые один с другим противофазно, причем второй пьезоэлемент расположен в корпусе симметрично первому пьезоэлементу относительно акустической оси преобразователя, и протектор, сопряженный с корпусом со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов и выполненный с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого изделия в точке, третий и четвертый пьезоэлементы установлены внутри корпуса и электрически соединены один с другим противофазно, причем четвертый пьезоэлемент расположен в корпусе симметрично третьему пьезоэлементу относительно акустической оси преобразователя, расстояние от первого пьезоэлемента до второго пьезоэлемента выбирается равным расстоянию от третьего пьезоэлемента до четвертого пьезоэлемента, а расстояние от первого пьезоэлемента до третьего пьезоэлемента выбирается равным расстоянию от первого пьезоэлемента до четвертого пьезоэлемента - патент РФ 2584063, 2016 г.

Преобразователь может излучать и принимать только поперечные акустические волны с любым направлением вектора смещения в плоскости поверхности объекта. Короткие зондирующие импульсы он также не позволяет генерировать по двум причинам. Во-первых, пьезоэлементы совершают продольные колебания (в направлении своей длины), демпфирование которых малоэффективно. Во-вторых, пьезоэлементы работают на резонансной частоте, определяемой их длиной, и поэтому полоса частот преобразователя недостаточно широкая.

В соответствии с указанными недостатками аналогов, техническая задача изобретения - возможность независимого управления всеми пьезоэлементами. Это позволяет путём одновременной подачи на пьезоэлементы возбуждающих сигналов с регулируемыми амплитудами и изменяемой полярностью создавать колебания точки контакта преобразователя с поверхностью объекта контроля в любом направлении в плоскости поверхности, т.е. произвольно менять ориентацию вектора поляризации поперечной волны, а также возбуждать в контролируемом объекте продольные волны.

Эта задача решена конструкцией ультразвукового низкочастотного преобразователя, содержащего корпус, четыре одинаковых пьезоэлемента, установленных в корпусе попарно- симметрично относительно оси симметрии с равными расстояниями между соседними пьезоэлементами из разных пар, и протектор, сопряжённый с корпусом со стороны излучающих поверхностей пьезоэлементов, выполненный с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого объекта в точке, расположенной на оси симметрии, и монолитно связанный с излучающими поверхностями пьезоэлементов, а внутреннее пространство корпуса заполнено демпфером, при этом все пьезоэлементы электрически изолированы друг от друга, каждый пьезоэлемент снабжен двумя выводами и выполнен в виде пластины в форме прямоугольного треугольника, монолитно связанного с протектором меньшим катетом, а большим катетом обращённым в сторону оси симметрии, причём толщина пластины не менее чем в два раза меньше меньшего катета пьезоэлемента.

В частном исполнении ультразвукового низкочастотного преобразователя каждый пьезоэлемент выполнен из двух пьезопластин, монолитно соединённых металлизированными треугольными поверхностями при встречно направленных векторах поляризации, один из выводов пьезоэлемента подключён к общему электрическому контакту между монолитно соединёнными металлизированными поверхностями пьезопластин, а другой вывод - к электрически соединённым внешним металлизированным поверхностям пьезопластин.

На фиг. 1 изображён фронтальный разрез преобразователя; на фиг. 2 – вид сверху без крышки корпуса и демпфера; на фиг. 3 представлена типичная форма зондирующего импульса.

Преобразователь по фиг. 1 и 2 содержит корпус 1, четыре одинаковых пьезоэлемента 2, установленных в корпусе 1 попарно-симметрично относительно оси симметрии с равными расстояниями между соседними пьезоэлементами 2 из разных пар. На фигурах показан частный вариант преобразователя, в котором каждый пьезоэлемент 2 выполнен из двух пьезопластин имеющих металлизированные поверхности, монолитно соединённые треугольными поверхностями при встречно направленных векторах поляризации.

Протектор 3 сопряжён с корпусом 1 со стороны излучающих поверхностей пьезоэлементов 2 и выполнен с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого объекта в точке, расположенной на оси симметрии. Пьезоэлементы 2 выполнены в виде пластин в форме прямоугольных треугольников, монолитно связанных с протектором 3 меньшим катетом, а большим катетом обращённых в сторону оси симметрии, причём толщина пластин не менее чем в два раза меньше меньшего катета пьезоэлементов, что устраняет влияние колебаний толщинного резонанса на форму и длительность зондирующего импульса.

Поэтому возможные колебания толщинного резонанса не влияют на форму и длительность зондирующего импульса.

Протектор 3 монолитно связан с излучающими поверхностями пьезоэлементов 2, а внутреннее пространство корпуса 1 заполнено демпфером 4. Все пьезоэлементы 2 электрически изолированы друг от друга и снабжены выводами 5, 6. Каждый из выводов 5 подключён к общему электрическому контакту между монолитно соединёнными металлизированными поверхностями пьезопластин; выводы 6 пьезоэлементов 2 подключены к электрически соединённым внешним металлизированным поверхностям пьезопластин 2.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При подаче только на правый и левый (по фиг. 1) пьезоэлементы 2 противофазных прямоугольных импульсов, преобразователь излучает в объект контроля зондирующий сигнал поперечной волны с вектором смещения, лежащим в плоскости, проходящей через эти пьезоэлементы 2. Аналогично, при подаче импульсов возбуждения только на другие пьезоэлементы 2, вектор смещения будет лежать в плоскости, проходящей через другие пьезоэлементы. При подаче одинаковых по амплитуде прямоугольных противофазных импульсов на обе пары пьезоэлементов 2, вектор смещения поперечной волны будет направлен под углом 45° к любому предыдущему случаю возбуждения. Если на одну пару противоположных пьезоэлементов 2 подать возбуждающие импульсы с амплитудой большей, чем на другую пару, то вектор смещения будет отклонён на произвольный угол от плоскости, проходящей через пьезоэлементы 2. Этот угол зависит от соотношения амплитуд импульсов возбуждения, подаваемых на разные пары противоположно расположенных пьезоэлементов 2.

Кроме этого при подаче на все пьезоэлементы 2 одинаковых по амплитуде синфазных импульсов, в материал объекта контроля излучается зондирующий сигнал продольных волн.

Вследствие обратимости пьезоэффекта, преобразователь способен принимать поперечные волны с любым направлением вектора смещения в плоскости поверхности объекта контроля, а также продольные волны, приходящие из объекта контроля. Обычно практически приём акустических волн осуществляют с таким же направлением вектора смещения, с каким был послан зондирующий сигнал в объект контроля. При приёме импульсы, снимаемые с пьезоэлементов 2, суммируются с коэффициентами передачи K, изменяемыми в пределах от -1 до +1. Этим достигается приём поперечных волн с нужным направлением вектора смещения, а также приём продольных волн.

Поочерёдное излучение и приём поперечных и продольных волн требуется, в частности, для измерений скоростей продольных и поперечных волн при сквозном прозвучивании материалов, включая и анизотропные материалы, в которых нужно измерять скорости поперечных волн с разными направлениями поляризации. Такие измерения нужно проводить при неизменных положениях точек акустического контакта.

Излучение и приём поперечных волн с разными направлениями вектора поляризации позволяет повысить отношение сигнала к структурному шуму при эхотомографии структурно-неоднородных материалов, таких как бетон, горные породы. В этом случае используют матричные антенные решётки, составленные из предлагаемых преобразователей.

В то же время пьезоэлементы 2 преобразователя благодаря их треугольной форме не имеют выраженных резонансных свойств, т.к. в них нет параллельных границ, задающих резонансные размеры в половину длины волны. Исключением является толщина пластин. Однако выбор её, не менее чем в два раза меньше меньшего катета пьезоэлемента, приводит к тому, что частота толщинного резонанса пьезоэлемента оказывается, как минимум, в два раза выше верхней частоты рабочего диапазона частот преобразователя. Поэтому возможные колебания толщинного резонанса не влияют на форму и длительность зондирующего импульса. Из-за развитой боковой поверхности пьезоэлементы удаётся эффективно демпфировать. Поэтому преобразователь обладает более широкой полосой рабочих частот, чем преобразователи с пьезоэлементами в виде столбиков. И его зондирующие импульсы более короткие. На фиг. 3 представлена типичная форма зондирующего импульса. Его относительная полоса частот приближается к 100 % в области частот порядка 100 кГц.

Таким образом, предлагаемый преобразователь, обладая возможностью независимого управления всеми пьезоэлементами, при одновременной подаче на пьезоэлементы возбуждающих сигналов с разными амплитудами и полярностью, может создавать колебания точки контакта преобразователя с поверхностью объекта контроля в любом направлении в плоскости поверхности, т.е. произвольно менять ориентацию вектора поляризации поперечной волны, а также возбуждать в контролируемом объекте продольные волны. Эти свойства преобразователя расширяют область его применения.

Изобретение относится к акустике. Конструкция преобразователя содержит корпус, четыре одинаковых пьезоэлемента, установленных в корпусе попарно-симметрично относительно оси симметрии с равными расстояниями между соседними пьезоэлементами из разных пар, и протектор, сопряжённый с корпусом со стороны излучающих поверхностей пьезоэлементов, выполненный с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого объекта в точке, расположенной на оси симметрии, и монолитно связанный с излучающими поверхностями пьезоэлементов, а внутреннее пространство корпуса заполнено демпфером, при этом все пьезоэлементы электрически изолированы друг от друга, каждый пьезоэлемент снабжен двумя выводами и выполнен в виде пластины в форме прямоугольного треугольника, монолитно связанного с протектором меньшим катетом, а большим катетом обращённого в сторону оси симметрии, причём толщина пластины не менее чем в два раза меньше меньшего катета пьезоэлемента. Технический результат - расширение области применения преобразователя путём создания возможности колебаний точки контакта преобразователя с поверхностью объекта контроля в любом направлении в плоскости поверхности, а также по нормали к поверхности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь, содержащий корпус, четыре одинаковых пьезоэлемента, установленных в корпусе попарно-симметрично относительно оси симметрии с равными расстояниями между соседними пьезоэлементами из разных пар, и протектор, сопряжённый с корпусом со стороны излучающих поверхностей пьезоэлементов, выполненный с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого объекта в точке, расположенной на оси симметрии, и монолитно связанный с излучающими поверхностями пьезоэлементов, а внутреннее пространство корпуса заполнено демпфером, отличающийся тем, что все пьезоэлементы электрически изолированы друг от друга, каждый пьезоэлемент снабжен двумя выводами и выполнен в виде пластины в форме прямоугольного треугольника, монолитно связанного с протектором меньшим катетом, а большим катетом обращённого в сторону оси симметрии, причём толщина пластины не менее чем в два раза меньше меньшего катета пьезоэлемента.

2. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что каждый пьезоэлемент выполнен из двух пьезопластин, монолитно соединённых металлизированными треугольными поверхностями при встречно-направленных векторах поляризации, один из выводов пьезоэлемента подключён к общему электрическому контакту между монолитно соединёнными металлизированными поверхностями пьезопластин, а другой вывод - к электрически соединённым внешним металлизированным поверхностям пьезопластин.