Ультразвуковой преобразователь сдвиговых волн Советский патент 1992 года по МПК G01N29/28 

Изобретение относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может fifciib использовано для контроля ма- териапсп и изделий, когда необходимо передать ультразвуковой луч дугообразный или изгибаемый звукопро- вод, например при контроле труднодоступных мест изделий.

Известен ультразвуковой преобразователь сдвиговых волн, содержащий жидкостную призму, контактирующий с ней пьезоэлемент и твердотелую призму, предназначенную для контакта с исследуемой средой

Недостатком указанного преобразователя является низкая чувствительность контроля.

Наиболее близок к предлагаемому уль- трузвуковой преобразователь сдвиговых волн содержащий жидкостную призму, контактирующий с ней пьезоэлемент, твердотелую призму, предназначенную для контакта с исследуемой средой, в которой острый угол а жидкостной призмы выбран из условия

СН a arcsin-7 7:-,

V2 СТ2

где CLI - скорость продольных волн в жидкостной призме;

Ст2 - скорость сдвиговых волн в твердо- телой призме,

твердотелая призма выполнена прямоугольной с равными сторонами, а материалы ее жидкостной призмы выбраны из условий

ч1 ел

СЛ

ч|

00

(Ј1)2 р2 }

2-(%М2

С

,

Си ч 2CTZ

)

где р - плотность жидкостной призмы;

рг - плотность материала твердотелой призмы.

Недостатком известного преобразователя является невозможность передачи ультразвукового луча дугообразной формы, который необходимо использовать при контроле труднодоступных мест объектов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковой преобразователь сдвиговых волн, содержащий установленные в корпусе пьезоэлемент и сопряженные между собой треугольные жидкостную и твердотелую призмы, материалы которых выбраны из условий:

(%V- 2 ,

ЈЬ2. ffi )

(

Си, 2 г СтР

где CLI - скорость продольных волн в жидкостной призме;

Ста скорость сдвиговых волн в твердотелой призме;

р - плотность материала жидкостной призмы;

pi - плотность материала твердотелой призмы,

а угол жидкостной призмы между гранью, контактирующей с торцом корпуса, и гранью, сопряженной с твердотелой призCLIмой, выбран из условия а arcsin v- -,

снабжен (2п-1), где п 1, 2жидкостными

призмами, каждая из которых полностью идентична основной жидкостной призме, и (гН)твердотелыми призмами, каждая из которых идентична основной твердотелой призме, все жидкостные призмы имеют в основании равнобедренный прямоугольный треугольник, корпус выполнен из п элементов, сопряженных между собой, в каждом из которых установлены две жидкостные и одна твердотелая призма, равные стороны которой сопряжены с жидкостными призмами, при этом пьезоэлемент установлен в центре торца корпуса.

Все элементы корпуса установлены в герметизирующую трубку.

На чертеже изображен ультразвуковой преобразователь сдвиговых волн, разрез вдоль его геометрической оси.

Ультразвуковой преобразователь сдвиговых волн содержит пьезоэлемент 1 продольных волн, первую (основную) жидкостную призму 2, контактирующую с

пьезоэлементом, первую (основную) твердотелую призму 3, преломляющий угол которой равен 90°, контактирующую с первой жидкостной призмой и расположенную таким образом, что ультразвуковой луч проходит через ее равные стороны и образует с ними угол 45°, вторую жидкостную призму 4 (контактирующую с первой твердотелой призмой), угол преломления ультразвукового луча в которой равен

Си а arcsin-т ,

V2CT2

где Си - скорость продольных волн в жидкостной призме;

Ста скорость сдвиговых волн в твердотелой призме (равен углу падения в первой жидкостной призме), жидкостную призму 5, идентичную по всем

параметрам призме 4 и призме 2, вторую твердотелую призму 6, идентичную по всем параметрам призме 3, жидкостную призму 7, контактирующую с второй твердотелой призмой, и т.д. Таким образом преобразователь, кроме основных жидкостной 2 и твердотелой 3 призм, снабжен (2п-1), где п 1,2, ..., жидкостными призмами, каждая из которых полностью идентична основной жидкостной призме 2, и (п-1) твердотелыми

призмами, каждая из которых идентична основной твердотелой призме 3, при этом все твердотелые призмы имеют в основании равнобедренный прямоугольный треугольник, корпус выполнен из п элементов, сопряженных между собой, в каждом из которых установлены две жидкостные и одна твердотелая призма, равные стороны которой сопряжены с жидкостными призмами, причем пьезоэлемент 1 установлен в центре торца корпуса. Материалы жидкостных и твердотелых призм выбраны из условий;

о / Си ч 2

(a)(CT2l. Q CH V2 Pl}/Си ч 2С т

(

СИ ч2

Ст7}

где р - плотность материала жидкостной призмы;

pi - плотность материала твердотелой призмы.

Ультразвуковой преобразователь сдвиговых волн работает следующим образом.

Пьезоэлемент 1 излучает продольные ультразвуковые волны в жидкостную приз- му 2, которые распространяются со скоростью Сц, падая под углом

a- arcsin

Јн

V2 Ст;

на призму 3, а после прохождения границы раздела между призмами 2 и 3 преломляются в твердотелой призме 3 под углом/3 45° и полностью трансформируются в сдвиговые волны, распространяющиеся в твердотелой призме 3 со скоростью Ста- При этом преломленных продольных волн в призме 3 не существует, так как при/Ј 45° коэффициент прозрачности продольных волн равен нулю. Кроме того, при вы полнении условий:

р2

Л2

.f

(Ј)2

(

Си

2

щ

Ст2

не существует также отраженных от границы раздела между призмами 2 и 3 продольных волн, так как коэффициент отражения продольных волн в этом случае равен нулю,

Поэтому в призме 3 распространяются только сдвиговые волны, которые, если пренебречь потерями в материалах призм, получают всю энергию продольных волн, излучаемых пьезоэлементом 1. Пришедшие границу раздела призм 3 и 4 сдвиговые волны падают под углом 45° и преломляются в жидкостной призме 4 под углом а. Продольные волны распространяются в призмах4 и 5 и падают на границу раздела призм 5 и б под углом а, преломляются в призме 6 под углом 45°, также полностью трансформировавшись в сдвиговые волны, затем падают на границу раздела призм 6 и 7 под углом 45°, преломляются в призме 7 под углом а в виде продольных волн и выходят через рабочую плоскость призмы 7 перпендикулярно этой плоскости При использовании большего количества призм можно получить более значительное искривление пучка ультразвуковых волн.

Рабочей может быть (при выходе сдвиговых волн) тэк/ке грань твердотелой призмы.

При подборе материалов твердотелой и жидкостной приз. таким образом, чтобы скорость продольных волн в жидкостной призме превышала скорость сдвиговых волн в твердотелой призме, можно получить большее изменение направления ультразвукового луча, т е большее искривление луча Однако необходимо одновременно подобрать также и плотность материалов, чтобы было удовлетворено указанное условие полной трансформации продольных волн в жидкостной призме в сдвиговые волны, распространяющиеся в твердотелой призме.

Предлагаемым ультразвуковым преобразователем контролируемый объект может быть облучен как продольными, так и сдвиговыми ультразвуковыми волнами, так как через рабочую плоскость звукопровода могут выходить как продольные (из жидкостной призмы), так и сдвиговые (из твердотелой призмы) волны.

Технико-экономическая эффективность

предлагаемого преобразователи по сравнению с известным повышается за счет возможности придания ультразвуковому лучу криволинейной формы, что расширяет функциональные возможности преобразователя, так как обеспечивается контролирование ультразвуком закругленных отверстий, например, при сверлении с помощью магнита, когда исключена воз- можнсГСть контролирования процесса сверления другими методами.

Формула изобретения 1. Ультразвуковой преобразователь сдвиговых волн, состоящий из установленных в корпусе пьезоэлемента сопряженных

между собой треугольных жидкостной и твердотелой призм, материалы которых выбраны из условий:

,(-cT2)2 ...CL1

SQZ Сц 2

. СТ2

СТ2

где Сц - скорость продольных волн в жидкостной призме;

Ст2 скорость сдвиговых волн в твердотелой призме;

р и pi - плотности материала жидкостной и твердотелой призм соответственно, а угол «жидкостной призмы между гранью,

контактирующей с торцом корпуса, и гранью, сопряженной с твердотелой призмой, выбран из условия

Си

g arcsln ,-. - , vЈcT2

отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, он снабжен (2п-1), где п 1, 2

жидкостными призмами, каждая из которых полностью идентична основной жидкостной

призме, и (п-1) твердотелыми призмами, каждая из которых идентична основной твердотелой призме, всетвердотелые призмы имеют в основании равнобедренный треугольник, корпус выполнен из п элементов, сопряженных между собой, в каждом из которых установлены две жидкостные призмы и одна твердотелая призма, равные стороны которой сопряжены с жидкостными призмами, при этом пьезоэлемент установлен в центре торца корпуса.

2. Преобразователь по п. отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, все элементы корпуса установлены в герметизирующую трубку.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использован для контроля материалов и изделий, когда необходимо передать ультразвуковой луч криволинейной формы, например при контроле труднодоступных мест изделий. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем придания ультразвуковому лучу криволинейной формы. В корпусе ультразвукового преобразователя сдвиговых волн установлен пьезоэлемент, а корпус состоит из п элементов, каждый из которых содержит две жидкостные и одну твердотелую призму, сопряженную с жидкостными. Все жидкостные призмы идентичны друг другу, и все твердотелые призмы идентичны друг другу. Все твердотелые призмы имеют в основании равнобедренный треугольник. Все элементы корпуса установлены в герметизирующую трубку. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.