Ультразвуковой контактный преобразователь Советский патент 1992 года по МПК G01N29/02 G01N29/04 

Изобретение относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано при исследовании жидкостей и неразрушающем контроле твердых материалов.

Известен ультразвуковой контактный преобразователь для неразрушающего контроля, содержащий пьезопластину и акустически связанную с ней линию задержки в форме цилиндра с гладкой боковой поверхностью.

Известен также ультразвуковой контактный преобразователь для исследования жидкостей с линией задержки в форме цилиндра с ребристой боковой поверхностью и сопряженного с ним усеченного конуса с гладкими поверхностями, причем угол между боковой поверхностью конуса и его меньшим основанием составляет 150е.

Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой контактный преобразователь для измерения акустических параметров биологических сред, содержащий две компланарные пьезоплястины и акустически связанный с ними контактный блок в форме призмы с двумя предназначенными для контакта со средой гладкими поверхностями, одна из которых параллельна пьезопластинам, а другая составляет с ней тупой угол.

Недостатком указанного преобразователя является сложность конструкции, определяемая необходимостью использования двух пьезопластин, размеры которых, а такXJ VI Ю VI ГО

же расстояния пластин от грани призмы и между собой находятся в сложных математических соотношениях с геометрическими параметрами контактного блока. Такая конструктивная сложность известного преобразователя снижает точность измерений вследствие неизбежных погрешностей технологии и уменьшает достоверность результатов из-за несовпадения резонансных частот пьезопластин и проникновения на приемную пластину трансформированных при отражении паразитных акустических колебаний.

Целью изобретения является упрощение конструкции преобразователя и повышение точности и достоверности измерений акустических параметров сред. Ожидаемый от использования изобретения положительный эффект состоит в экономии пьезоматериалов, упрощении технологии изготовления ультразвукового преобразователя при одновременном улучшении метрологических характеристик последнего.

Поставленная цель достигается за счет того, что ультразвуковой контактный преобразователь для измерения акустических па- .раметров сред содержит пьезопластину и акустически связанный с ней контиактный блок с двумя предназначенными для контакта со средой гладкими поверхностями, одна из контактных поверхностей параллельна пьезопластине, а вторая образует с ней угол 135° и выполнена в виде боковой поверхности усеченного конуса или пирамиды, в основании которой лежит выпуклый осесимметричный 2п-угольник (п 2, 3, ..}, пьезопластина выполнена осесимметрич- ной и установлена на блоке так, что ее ось симметрии совпадает с осью симметрии второй контактной поверхности, а поперечные размеры D контактного блока и D0 пье- зопластины выбирают из условий

2H + d (f-Ј))

Do d

1где Н - расстояние от пьезопластины до первой контактной поверхности,

d - поперечный размер первой контактной поверхности,

/3 arcsin(Ct/Ci V2),

Ci и Ct - соответственно скорости распространения продольных и поперечных колебаний в материале контактного блока.

Таким образом, отличия предлагаемого преобразователя от прототипа состоят в том, что угол между контактными поверхностями устанавливают 135°. а пьезопластину и вторую контактную поверхность выполняют осесимметричными и располагают соосно, причем последнюю выполняют в виде усеченных конуса или пирамиды с 2п боковыми гранями, а поперечные размеры контактного блока и пьезопластины выбирают

из соотношения (1).

Дополнительным отличием предлагаемого преобразователя от прототипа является то, что боковую поверхность контактного блока выполняют рассеивающей.

0 На чертеже представлена конструкция и ход лучей в ультрафиолетовом контактном преобразователе (продольный разрез вдоль оси симметрии),

Ультразвуковой контактный преобразо5 ватель состоит из пьезопластины 1 и контактного блока 2, акустически связанных друг с другом. Контактный блок 2 включает боковую поверхность 3, выполненную рассеивающей, например ребристой, и две гладкие

0 поверхности 4 и 5, предназначенные для контакта с исследуемой средой (на чертеже не показана}. Поверхность 4 параллельна пьезогмастине 1, а поверхность 5 составляет с поверхностью 4 угол 135°. В свою оче5 редь, поверхность 5 выполнена в форме боковой поверхности усеченного конуса, сопряженного С цилиндрической частью контактного блока 2. Такая форма контактного блока наиболее технологична и проста. Воз0 можно выполнение поверхности 5 в виде боковой поверхности усеченной пирамиды с 2п гранями. В этом случае боковую поверхность 3 контактного блока 2 также выполняют 2п-гранной.

5Высота Н и поперечный размер D контактного блока 2, а также размеры Do пьезопластины и d контактной поверхности 4 соотносятся друг с другом согласно выражениям (1). Рационально выбирать размер D0

0 пьезопластины близким к размеру D контактного блока.

Ультразвуковой контактный преобразователь работает следующим образом.

Пьезопластина 1 излучает внутрь кон5 тактного блока 2 продольные ультразвуковые колебания. При этом центральная часть 6 этих колебаний падает нормально на контактную поверхность 4 блока 2 и, отражаясь от нее назад, возвращается к пьезопласти0 не 1, принимается ей и далее в форме электрического сигнала поступает в электроизмерительную аппаратуру (на чертеже не показана), связанную с пьезопла- стиной 1. Краевая часть 7 излученных

5 колебаний падает под углом 45° на контактную поверхность 5 блока 2 и после переотражения от симметричного участка последней также достигает пьезопластины 1, преобразуется в электрический сигнал и поступает в электроизмерительную аппаратуру. Вследствие наклонного падения рассматриваемых колебаний на контактную поверхность 5 часть падающей энергии трансформируется в энергию поперечных колебаний (на чертеже показаны пункти- ром), распространяющихся под углом / отражения от контактной поверхности 5. В соответствии с установленными по соотношениям (1} размерами контактного блока эти колебания рассеиваются на его боковой поверхности 3 и достигают пьезопластины 1 пренебрежимо малыми; таким образом в дальнейшей работе устройства участия не принимают.

Измерение акустических параметров сред с помощью ультразвукового контактного преобразователя осуществляют следующим образом. Вначале излучают ультразвуковые колебания в импульсном режиме внутрь блока 2, граничащего кон- тактными поверхностями 4 и 5 с воздухом. В этом случае вся энергия падающих колебаний испытывает отражение от контактных поверхностей и, частично поглощаясь в материале контактного блока 2, принимает- ся пьезопластиной 1. Измеряют амплитуды АО и В0 сигналов, отраженных соответственно от контактных поверхностей 4 и 5 блока 2. Затем осуществляют акустический контакт ультразвукового преобразователя с исследуемой средой, например, жидкой (на чертеже не показана), по всей площади контактных поверхностей 4 и 5 блока 2. Повторяют процедуру измерений при сохранении остальных условий опыта и получают соот- ветствующие значения Ат и В1 амплитуд принятых сигналов. Эти значения будут меньше значений А0 и В0 вследствие частичного преломления энергии падающих колебаний внутрь исследуемой среды.

Измеренные значения амплитуд А0, В0, AI, 81, а также известные, например, из таблиц, акустические характеристики материала контактного блока 2 используют для нахождения параметров Zx, p и Сх соот- ветственно акустического сопротивления и плотности среды и скорости звука в ней на основе следующих математических соотношений:

A0-Ai .

a)

(2)

АО +Ai

где Zj - акустическое сопротивление материала контактного блока для продольных волн:

б)Сх

где С| - скорость продольных волн в материале контактного блока;

М

20cos a

cos2 2/б;

2/3 +

cos a

cos

2/J:

5 10

15 20 25 30 43 40

45

50

55

45°;

/3 arcsin(Ct/C| VT ),a Ct соответствен но акустическое сопротивление материала контактного блока для поперечных волн и скорость а нем последних;

e). (4)

Расчеты по соотношениям (2) - (4) выполняются согласно указанной последовательности действий с учетом соотношения фаз зарегистрированных сигналов.

Экспериментальная апробация ультразвукового контактного преобразователя с размерами (в мм) D D0 15, Н 12, d 11, с контактным блоком из органического стекла, на рабочей частоте 2,5 МГц и при длительности импульса 2 мкс позволила с помощью серийной аппаратуры (ультразвуковой дефектоскоп ДУК-66 и электронный осциллограф С1-74) определить акустические параметры дистиллированной воды со следующим расхождением от табличных значений:

длягх:0%; для Сх:-1%; для /эх:+1%.

Таким образом, предложенный ультра звуковой контактный преобразователь позволяет на основе простой конструкции и минимального количества пьезоматериалов с высокой точностью определять одновременно акустическое сопротивление и плотность исследуемой среды и скорость распространения в ней ультразвука.

Данный ультразвуковой контактный преобразователь может также применяться при неразрушающем контроле твердых материалов, например, в ультразвуковой дефектоскопии. В этом случае контактный блок 2 (см.рис.1) по площади контактной поверхности 4 прижимают к исследуемому изделию (на чертеже не показано) либо через тонкий слой контактной жидкости, либо (если позволяют акустические условия) без нее (сухой контакт). Как вариант, возможно полное покрытие поверхности 5 удерживаемой на ней жидкостью, например, магнитной. С помощью электроизмерительной аппаратуры (на чертеже не показана), связанной с преобразователем, излучают через контактный блок 2 внутрь изделия акустические колебания и принимают отраженные от неоднородностей сигналы, по которым

судят о наличии и размере дефектов в контролируемом изделии. При этом пьезопла- стииой 1 будут приниматься и сигналы от свободной (или покрытой жидкостью) контактной поверхности 5 и от поверхности 4, контактирующей с изделием. По величинам этих сигналов и их соотношению можно с высокой помехозащищенностью контролировать стабильность как акустического контакта между преобразователем и изделием, так и режима работы радиоаппаратуры. Формула изобретения Ультразвуковой контактный преобразователь, содержащий пьезопластину и акустически связанный с ней контактный блок с двумя предназначенными для контакта со средой гладкими поверхностями, одна из контактных поверхностей параллельна пье- зопластине. а вторая - образует с ней угол, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения точности и достоверности измерений, вторая контактная поверхность образует с первой угол 135° и выполнена в виде боковой по5.

0

5

0

верхности усеченных конуса или пирамиды, в основании которой лежит выпуклый осе- симметричный (2п)-угольник (п 2, 3, ...), пьезопластина выполнена осесимметрич- ной и установлена на блоке так, что ее ось симметрии совпадает с осью симметрии второй контактной поверхности, а поперечный размер D контактного блока и D0 пье- зопластины выбирают из условий:

2H + d ( J-/9)+13,

Do d

где Н - расстояние от пьезопластины до первой контактной поверхности.

d - поперечный размер первой контактной поверхности;

fi arcsin(Ct/Ci V2),

Ci, Ct - скорости распространения продольных и поперечных колебаний в материале блока соответственно.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что боковая поверхность контаюного блока выполнена рассеивающей.

6

2

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля. Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности и достоверности измерений за счет выбора формы и соотношения размеров преобразователя. В преобразователе осесимметричная пьезопластина установлена на контактном блоке с двумя предназначенными для контакта со средой гладкими поверхностями: первой - параллельной пьезопластине и второй - в виде боковой поверхности усеченного конуса или пирамиды под углом 135° к первой. Гладкие поверхности блока вводят в контакт со средой. Пьезопластина излучает колебания, которые отражаются от первой поверхности сразу обратно к пьезопластине. а также отражаются от одной стороны второй поверхности к другой ее стороне и только затем к пьезопластине благодаря тому, что в основании, образующей вторую поверхность пира миды, лежит выпуклый осесимметричнь.й 2п-угльник (п 2, 3, ...). Отраженные колебания принимают пьезопластиной, измеряют их параметры и с их помощью определяют свойства исследуемой среды. 1 п.з.ф-лы, 1 ил. (Л С