Пьезоэлектрический приемник поверхностных волн Советский патент 1987 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области акустических методов неразрушающего контроля и может быть использовано при приеме поверхностных волн, например, при контроле методом акустип ческой эмиссии.

Цель изобретения - повышение чувствительности к приему сигналов в широком диапазоне частот за счет выбора оптимальных размеров пьезо- элемента, вьтолненного в виде усеченного конуса, а Также гщлиндрического демпфера.

На фиг. 1 изображен пьезоэлектрический приемник поверхностных волн,, на фиг. 2 - спектральная плотность S(t) принятых сигналов для различных значений угла сб наклона образующей к оси усеченного конуса, на

фиг. 3 - зависимость относительной

амплитуды А/Ам принятых сигналов от угла об наклона образующей к оси усеченного конуса.

Пьезоэлектрический приемник поверхностных волн содержит корпус 1, протектор 2, пьезоэлемент 3, выполненный в виде усеченного конуса, и расположенные на плоских гранях последнего электроды 4. Приемник также содержит цилиндрический демпфер 5 диаметром D, Позицией 6 на фиг. 1 обозначена стенка контролируемого изделия. Демпфер 5 установлен соос- но на большем основании конуса пьезо элемента 3, а осесимметричный про- тектор 2 с круговой контактной поверностью установлен соосно на меньшем основании конуса пьезоэлемента 3. Размеры конуса пьезоэлемента 3 выбраны из условий:

d D/2, h C/2f, (0,87-0,50) (),

50

де dj и d - диаметры большего и

меньшего оснований конуса пьезоэлемента 3 соответственно;

h - высота конуса пьезоэлемента 3;

С - скорость распространения продольных колебаний в материале пьезо- элемента 3;

f - вепхнее значение рабочего диапазона частот.

0

5

0

5

0

5

5

0

Значение f верхнего диапазона частот может быть определено из условия существования поверхностных волн в пластине:

f 2,,

где С - скорость распространения

поперечных колебаний в материале стенки 6, Н - толщина стеНки 6. В частности, размеры конуса пьезоэлемента 3 выбраны из условия:

h 0,715(d,-d2)

Пьезоэлектрический приемник поверхностных волн работает следующим образом.

Акустическая волна, например сигнал акустической эмиссии, распространяется от источника по стенке 6 конструкции в виде суммарного сигнала, который образован волнами Лэмба и поверхностной волной. Сигнал поверхностной волны имеет большую амплитуду, малую длительность и крутой фронт. Сигналы же образованные волнами Лэмба вследствие значительной дисперсии групповой и фазовой скоростей распространения имеют значительно меньшую амплитуду и постоянно увеличивают свою длительность при распространении. Дойдя до приемника, импульс воздействует на него, причем эффективность воздействия фронтом импульса обеспечивается выбором диаметра dg меньшего основания пьезоэлемента 3 и соответствующего ему размера контактной поверхности протектора 2 менее половины длины поверхностной волны в. материале стенки 6 на частоте f (верхнем значении рабочего диапазона частот). За счет широкополосности приемника, обусловленной, как размерами и формой пьезоэлемента 3, так и размерами демпфера 5, вьтолненного, например, из латуни и электрически изолированного от корпуса 1„ обеспечивается преобразование акустического сигнала во всем рабочем диапазоне частот без искажений в электрический сигнал. Электрический сигнал снимается с электродов 4 и поступает в обрабатывающую аппаратуру (не показана).

Для повышение чувствительности приемника к поверхностным волнам ме3

таллический протектор должен иметь малую толщину, которая, как минимум в- десять раз должна быть меньше собственной толщины пьезоэлемента. Пердаточная функция чувствительности пьезоэлемента в виде усеченного конса является произведением частотной и волновой функций, которые определяются соответственно высотой h и диаметром d приемной поверхности. Из графика, представленного на фиг, 2, видно, что при малых значениях ула наклона образующей к оси конуса пьезоэлемента в диапазоне 0-20 наблюдаются характерные изменения амплитудно-частотной Характеристики (АЧХ) из-за радиального резонанса в иьезоэлементе. Кроме влияния на величину спектральной плотности радиальный резонанс проявляется и в области фазовых соотношений составляющих спектра, что приводит к изменению формы электрического импульса и уменьшению его амплитуды. Графики спектральной плотности S(f) для углов наклона образующей в диапазоне 30-40 практически совпадают и имеют максимальное значение. Наличие резонансных явлений в низкочастотной области,связанных с радиальным резонансом демпфера, не оказывает влияния на сигнал поверхностной волны. Для значения угла наклона . образующей в диапазоне 50-60 функг дня спектральной плотности становится широкополосной, но ее величина значительно падает. Из графика зависимости относительной амплитуды А/Ам принятых сигналов от угла об наклона образующей к оси усеченного конуса, приведенного на фиг. 3, очевидно, что максимальную чувствительность обеспечивает угол об 35°.

10

93629

Коническая форма пьезоэлемента с выбранными углам: наклона позволяет повысить чувствительность преобразователя за счет увеличения объема 5 активного материала пьезоэлемента и увеличения его собственной емкости что играет сзш1ественную роль прт малых размерах пьезоэлемента. Влияние собственных радиальных резонан- сов демпфера становится минимальным, если диаметр демпфера, как минимум, в два раза больше диаметра большего основания пьезоэлемента.

5 Формула изобретения

Пьезоэлектрический приемник поверхностных волн, содержащий протектор, цилиндрический демпфер и за- .

20 ключенный между ними поляризованный по толщине пьезоэлемент, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности к приему сигналов в широком диапазоне частот,

2 пьезоэлемент выполнен в виде усеченного конуса, контактирующего большим основанием с демфером, а размеры конуса выбраны из условий:

30 d, D/2; h и C/2f, h (0,87-0,50) (dj-dp,

где D - диаметр демпфера, 35 d, Hdj - диаметр большего и меньшего оснований пьезоэлемента соответственно; h - высота пьезоэлемента, С - скорость распространения 40 продольных колебаний в материале пьезоэлемента; f - верхняя частота рабочего диапазона частот.

$(f

e,s

0,7

o.s

0,S ff

0,

Ц2

°.

Q

UBICH

.0 M к M M 20

ГГ-ггй.

-о-0-0-о-5/ -« «-в-«-Л7

fl,/ 0, 0,3 0,И 0,5 0,S Р,8 0,3 1,0 1,1 Г,2 1,3 /, // )

(7JU8. 2

.0 M к M M 20

ГГ-ггй.

-о-0-0-о-5/ -« «-в-«-Л7

Ю

20

50

60

70 99 к (tpod)

Изобретение относится к области акустических методов неразрушающего контроля. Целью изобретения является повьпиение чувствительности к приему широкополосных сигналов за счет выбора оптимальных размеров пьезо- элемента в виде усеченного конуса и цилиндрического демпфера благодаря выравниванию амплитудно-частотной характеристики с сохранением ее достаточно высокого амплитудного значения. Пьезоэлектрический приемник содержит пьезоэлемент 3, выполненный в виде усеченного Конуса с электродами 4, и демпфер 5, установленный на большем основании пьезоэлемента и превьш1ающий его по диаметру. Выбор оптимальных размеров пьезоэлемента 3 позволяет без искажений принимать акустические сигналы, например, акустической эмиссии, распространяющиеся по стенке 6 конструкции в виде поверхностной волны. 3 ил. с S

Составитель В.Гондаревский Редактор А.Ревин Техред В.Кадар Корректор

Заказ 379/48 Тираж 777Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятиер г. Ужгород, ул. Проектная, 4