Низкочастотный раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1976 года по МПК G01N29/04 

Достигается это тем, что приемник выполнен в виде пьезокерамического кольца, диаметр d которого выбран из соотношения:п. 2tC 1 а диаметр окружности, на которой расположены пластины излучателя,выбран из соотношения:А,, (3) Zir- 2. - корни функции Бесселя нулевого порядка; Л Д - длины симметричной нормаль ной волны нулевой моды в мембране, обусловленные ча тотами 1-ой и 2-ой моде ко лебаний излучателя; порядки кратности частот мо колебаний. изображен обший вид раздельн совмещенного пьезоэлектрического преобраз вателя; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1 Пьезопреобразователь имеет металлический корпус 1, приемник упругих колебаний в виде льеаокерамического кольца 2, изл атель 3, СОСТОЯЯ1ИЙ из набора пр.чмоугольных пластннок, совершающих контурные колебани и располох.ениых на круговой базе, контактного цилипд1;а -1, и.м котором пластинки излу м;;;гогьч (;-солкня Отся параллельно, и экраниру loiueio металлического цилиндра 5. Для изготовления раздельно-совмещет ого пьезоэ.-.ектрического преобразователя необходи.ю для излучателя выбрать диаметр OKi:;y HCCTU, по которой располагаются прям угольные пластинки, из соотношения (3). Расстояние между отдельными пластинка и геля выбирается меньшим длины г-:о,ч};ы второй 1МОДЫ колебаний, а число элем,;|;тол больше грех. Кратность частот мод .иг;1::ба ;и1( обеспочлвает изл - -шние упругого импульса длительностью в один период частоты первой моды колебаний. При излучении в исследуемое изделие короткого упругого импульса в изделии распространяется продольная волна сжатия-растяжения, а также поверхностные или нормальные волны. Поверхностная волна может распространяться в мембране пьезопреобразователя, мн гократно отражаясь и возбуждая пьезопреобразователь, работающий в совмещенном режиме приема, или, распространяясь по поверхности изделия, возбуждает приемник в раздельно-совмеш;енном режиме. В обоих слу чаях при эхо-импульсном контроле поверхностная ьопна является помехой, что затруд 11яет, а на низких частотах вообш.е не позво ляет выделить полезный эхо-сигнал. В этом случае необходимо формировать характеристику направленности, что позволит уменьшить чувствительность к поверхностной волне. Как известно, характеристика направленности дискретных элементов, расположенных на круговой базе, может быть рассчитана из соотношения: (&) 3otKdSi7ie) D CKdsiTie)co&(Ti4U 3 (Kd si-ne)cos 2-ПФ-+- Первое слагаемое представляет собой коэффициент направленности плотнозаполненной окружности, второе - поправку, обусловленную ограниченным числом источников, третьим слагаемым можно пренебречь, если число излучателей больше трех. Вторым слагаемым можно пренебречь, если расстояние между отдельными излучателями меньше длины волны. Таким образом, при выполнении указанных условий для расчета направленности дискретных элементов, расположенных на круговой базе, можно воспользоваться соотношением )a CKdsiTie) - волновое число; cJ - диаметр окружности. Для того, чтобы иметь минимальную чувствительность в плоскости мембраны, выбирают систему координат следующим образом. Угол изменяется от нуля в плоскости, перпендикулярной мембране, до в плоскости мембраны. Тогда необходимо выполнение соотношения (1),а это возможно, если Kd6iTie } 6) где В - корень функции Бесселя нулевого порядка. Отсюда: при условии, что минимальная чувствительность необходима в плоскости мембраны, где § 90°. Таким образом, рассчитывают диаметр круговой базы, при которой чувствительность к поверхностной волне минимальна. Однако помимо формирования характеристики направленности необходимо, чтобы ультразвуковой преобразователь излучал короткий упругий импульс, что уменьшит мертвую зону при контроле. С этой целью пьезопластины излучателя выбирают так, чтобы имела место кратность значений частот первой и второй мод колебаний, и возбуждают их электрическим импульсом, в спектре которого частота т:арвой моды колебаний имеет исчезаюше малую амплитуду553Тогда могут быть рассчитаны длины волн, соответствующие частотам первой и второй мод колебаний: и соответствующие диаметры круговых бас Необходимо потребовать, чтобы dn с)ц а это возможно в случаях: а)если -А., то есть, когда порядок кратности частот равен 1. б)когда п корень функции Бесселя ну левого порядка, будучи умноженный на порядок кратности, совпадает с корнем функции Бесселя. Первый случай не имеет практического значения, так как в качестве исходных пьезо элементов выбирают пластины, у которых кратность больше единицы. Для того, чтобы реализовать случай б), необходимо варьировать порядок кратности. Для того, чтобы d п - d „ необходимо в качестве Л корня взять первый кореньсрунк ции JgCKdiiTie)равный 2,2, а порядок кратности частот выбрать равным четырем, тогда произведение первого корня, равного 2,2 на порядок кратности 4 дает третий корень функции 3g(Kdsin0) Тогда, если частоту первой моды колеба НИИ выбрать, например, равной 50 кГц, то вторая мода колебаний будет иметь частоту, равную 20О мГц, при этом диаметр кругово базы может быть определен из соотношения (3). Излучатель изготавливают следующий образом. Задаются необходимой частотой перЗОЙ моды колебаний f , Выбирают корни функции Бесселя нулевого пордяка пик так, чтобы их отношение давало целое число и тем самым определяют порядок кратности и частоту второй моды . Рассчитывают стороны прямоугольной пластинки, удовлетворяющими порядок кратности. Рассчитывают диаметр круговой базы. Располагают элемен ты по окружности и рассчитывают характеристику направленности. Для изготовления приемника выбирают пьезокерамическое кольцо с диаметром, который может быть выбран из соотнощения ( 2 ). Приемник и изл чатель наклеиваются на одну мембрану по концентрическим окружностям, а между ними располагают металлический экран. Использование описанного пьезопреобразователя позволит значительно упростить электронную часть низкочастотных ультразвуковых эхо-импульсных дефектоскопов и толщиномеров при уменьшен П1 уровня пс.мехиповерхностной акустической волны, идущей от излучателя к приемнику по мембране. Формула изобретения Низкочастотный раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий корпус с мембраной, размещенные на ней излучатель, состоящий из отдельных прямоугольных пьезопластин, расположенных дискретно на круговой базе, соотношение стоpopi которых выбрано из условия кратности частот мод колебаний, и приемник, о т л ич а К) щ и и с я тем, что с целью ослабления уровня помех, приемник выполнен в виде пьезокерамр1ческого кольца, диаметр d которого выбран из соотношения|Ьа диаметр д окружности, на которой расположены пьезопластины излучателя, выбран из соотношения где рк - корни функции Бесселя нулевого порядка; А Я 2 - длины симметричной нормальной волны нулевой моды в мембране на частотах первой и второй мэде колебаний излучателя; К,п - порядок кратности частот колебаний.