Ультразвуковой преобразователь Советский патент 1981 года по МПК B06B1/06 H04R17/00 

(54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к электромеханическим преобразователям, и может быть использовано для контроля свойств и состояния твердых сред.

Известны ультразвуковые преобразователи для неразрушатащего контроля, содержащие:установленный в корпусе пьезоэлемент, одна из поверхностей . которого контактируется с цилиндрическим волноводом, имеющим фланцео разный выступ, который наряду с торцовой поверхностью волновода служит для ввода и приема ультразвуковых колебаний 1.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является ультразвуковой преобразователь, содержащий цилиндрический пьезоэлемент выполненный в виде пакета продольно поляризованных шайб, расположенных между двумя частотнопонижаиядими накладными. Секционирование пьезоэлемента позволяет повысить коэффициент электромеханической трансформации и уменьшить напряжение возбуждения 2

Однако указанные преобразователи обладают низкой помехоустойчивостью приема и излучения сдвиговых колебаний, так как последние маскируются

продольной составляющей акустического сигнала. Учитывая,что для преобразователей типа продольной вибратор, направление максимума диаграммы направленности для продольных колебаний совпадает с осью преобразователя, а для сдвиговых колебаний составляет примерно 45, максимального соотношения сдвиговой и продольной состав

0 лякяцих обычно добиваются соответствующим пространственными разносом приемного и излучающего преобразователей. На практике такой разнос не всегда возможен и целесообразен с 5точки зрения технологичности контроля. Кроме того, он малоэффективен в нижнем ультразвуковом диапазоне частот, где направленность преобразователя мала и продольная и сдвиговая

0 диаграмма направленности существенно перекрываются.

Цель изобретения - повышение помехозащищенности при излучении и приеме сдвиговых колебаний за счёт подав5ления продольной составляющей акустического сигнала.

Указанная цель достигается тем, что преобразователь снабжен закрепленной в средней части пьезоэлемента

0 кольцевой обоймой с двумя же.стко связанными с ней в диаметрально противоположных точках волноводами изгибных колебаний, расположенными вдоль оси пьезоэлемента, причем волноводы в узловых точках изгибных колебаний связаны между собой звукопоглощакядей пластиной.

На фиг,1 схематически представлен ультразвуковой преобразователь; на фиг. 2 - то же, вид сверху, на фиг.Зэпюры распределения колебательных скоростей иггибной волны (кривая 17 и -продольной волны (кривая 18) в первом волноводе; на фиг.4 - эпюры распределения колебательных скоросте изгибной волны (кривая 19 и продольной волны (кривая 20) во втором волноводе.

Ультразвуковой преобразователь содержит цилиндрический пьезоэлемент выполненный в виде соединенных параллельно продольно поляризованных шайб l,2f расположенных между частотопонижающими накладками 3,4 и армированных с помощью болта 5 и гаек б,7.В центральной соответствующей узлу колебаний части пьезоэлемента закреплена кольцевая обойма 8, внешний диаметр которой выбирается примерно равным половине длины принимаемой сдвиговой волны. С кольцевой обоймой 8, в ее диаметрально противоположных точкахf акустически связаны первый волновод 9 изгибных колебаний и второй волновод 10 изгибных колебаний. В узловых точках 11, 12 изгибных колебаний волноводов 9, 10 закрепляется корпус-13 .(на фиг.1 показан пунктиром и звукопоглощакяцая пластина 14, в канавках которой содержится вибропоглотающий материал типа антивибрит или другой. Электрический сигнал снимается с пьезозлеме)та (в режиме приема) и подается на него в режиме излучения с помощью волноводов 15f 16.

Ультразвуковой преобразователь работает следующим образом.

В режиме приема акустический сигнал из контролируемой среды воспринимается свободными концами волноводов 9, 10, При этом продольная состла-вляющая акустического сигнала приходит на оба волновода 9, 10 почт в фазе, а сдвиговая составляющая в противофазе, так как расстояние между волноводами 9, 10, определяемое внешним диаметром кольцевой обоймы 8, составляет примерно Л. с/2, а длина продольной волны в контролируемой среде Ху, А с . Продольная составляющая принимаемого сигнала возбуждает в волноводах 9, 10 продольны колебания, а сдвиговая - изгибные колебания, распространяющиеся со скоростями Ьоответственно -Спет , ,

соотношение между которыми определяется выражением

(1)

пет

где f - частота сигнала;

радиус инерции поперечного

сеченик стержня. Так как С Спет волновой размер волновода 9,10 оказывается знчительно меньше для продольных колебаний, вследствие чего происходит их распространение и затухание в звукопоглощающей пластине 14, которая при этом размещена не в узле колебаний (см.фиг.3,4, кривая 18,20). Оставшаяся незначительная часть энергии продольных колебаний через кольцевую обойму 8 возбуждает в противофазе составляющие пьезоэлемент шайбы 1 и 2. Вследствие симметрии пьезоэлемента и параллельно1О включения шайб 1 и 2 напряжение, наводимое в его верхней половине, равно и обратно по знаку напряжению наводимому в нижней половине, а выходное напряжение при воздействиипродольной волны U О .

При приеме сдвиговой волны последняя возоуждает в волноводах .9, 10 изгибные колебания, которые практически не затухают на звукопоглощающей пластине 14, так как она закреплена в узлах 11, 12 изгибных колебаний. Колебательная энергия, пройдя на вход пьезоэлемента, возбуждает его на частоте продольного резонанса, но за счет поперечного эффекта пьезоэлектрических шайб 1,2, возбуждаемых в фазе.

В режиме излучения подаваемое через волноводы 15, 16 напряжение возбуждения вызывает в пьезоэлементе продольные колебания. При этом за счет поперечного пьезоэффекта стенки пьезоэлемента растягиваются и сжимают кольцевую обойму 8, что вызывает изгибные колебания волноводов 9, 10, свободные концы которых, контактируя с контролируемой средой, возбуждают в последней сдвиговые колебания. Влияние звукопоглощающей пластины 14 при этом не проявляется,так как она закреплена в точках 11, 12 соответствующих узлам из-гибных колебаний волноводов 9, 10. Продольные колебания в волноводах 9, 10 практически не возбуждаются.

Предлагаемый ультразвуковой преобразователь обеспечивает повышение помехоустойчивости излучения и приема сдвигаемых колебаний за счет подавления продольной составляющей акустического сигнала на 30-40 дБ.

Низкий уровень продольной составляющей позволяет использовать преобразователь в цифровых ультразвуковых приборах контроля качества крупноструктурных материалов, реализующих время-импульсный метод дефектоскопии повысив его надежность за счет использования скорости сдвиговых колебаний в качестве информационного при знака. Экономический эффект при этом составит 4,5 тыс.руб. в год. Формула изобретения. Ультразвуковой преобразователь, содержащий цилиндрический пьезоэлемент, выполненный в виде пакета продольно поляризованных шайб, расположенных между двумя накладками,о т личающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности - при излучении и приеме сдвиговых колебаний за счет подавления продоль

иг. 2

(Syz.f

Фиг. ной составляющей акустического сигнала, он снабжен закрепленной в средней части пьезоэлемента кольцевой обоймой с двумя жестко связанными с ней в диаметрально противоположных точках волноводами изгибных колебаний, расположенными вдоль оси пьезоэлемента, причем волноводы в узловых точках изгибных колебаний связаны между собой звукопоглощающей пластиной. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторскор свидетельство СССР 212596, кл. Q01 VI 29/04, 1968. 2.Физическая акустика.Под ред У.Мэзона. Часть А. Методы и приборы ультразвуковых исследований, М., Мир, 1966, с.302 (прототип).