CN217521085U

CN217521085U - 一种超声应力换能器指向性测量装置

Info

Publication number: CN217521085U
Application number: CN202221553578.6U
Authority: CN
Inventors: 吴德林; 姚磊; 俞醒言; 高申平; 王萧博; 张亨达; 牛淼; 陈俭
Original assignee: Zhejiang Province Institute of Metrology
Current assignee: Zhejiang Province Institute of Metrology
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2032-06-21

Abstract

本实用新型涉及一种超声应力换能器指向性测量装置，涉及换能指向性测量领域，包括：信号发生器、发射换能器、半圆柱试块、接收模块和显示模块；所述信号发生器分别与所述发射换能器和所述显示模块连接；所述发射换能器设置在所述半圆柱试块的平面侧面的中心；所述接收模块设置在所述半圆柱的弧面侧面上；所述发射换能器用于将所述信号发生器产生的电信号转换为声信号；所述接收模块与所述显示模块连接；所述显示模块用于根据所述接收信号接收的声信号确定指向性。本实用新型能够提高超声应力换能器指向性的测量精度。

Description

一种超声应力换能器指向性测量装置

技术领域

本实用新型涉及换能指向性测量领域，特别是涉及一种超声应力换能器指向性测量装置。

背景技术

超声应力检测的应用领域非常广泛，目前其应用领域有栓体、燃气管道、高压容器焊缝等被测件的应力检测。超声应力采用纵波与临界折射纵波进行应力检测，是最为便捷、准确、经济的方法，亦是目前各国研究的热点和今后超声应力检测的主要发展方向。通过超声对应力的敏感度分析表明，沿应力方向上纵波与临界折射纵波敏感度较高，应力的检测精度最高。但实际检测时超声波与应力在方向上存在一定的夹角，影响应力测量的结果。因此超声应力换能器指向性的测量方法及测量装置对超声应力检测具有重要意义。

超声换能器声束指向性的测量，常在水介质进行测量。采用水听器法进行声场特性的测量，利用扫描定位装置带动水听器对若干平面进行扫描，得到的 -3dB声束扩散角是描述声场指向性的重要参数。或将发射换能器固定在旋转轴上放至水中，在一定距离处放置标准水听器，通过旋转待测换能器来记录信号绘制指向性图。在水中测量超声换能器的指向性是成熟的方法，但是有些超声应力换能器由于水密性问题不能置于水中，另外有些超声应力换能器是基于电磁超声转换原理，无法往水中辐射声波。在水中的测量方法不适用这类超声应力换能器指向性的校准。因此，部分学者选择超声探伤仪标准试块进行临界折射纵波声束指向特性的实验测量，实验结果与理论结果保持一致。标准试块法利用其相对平面对纵波声束扩散角进行测量，但各角度下接收换能器与发射换能器的距离不同，以此表征换能器的指向性会带来较大的误差。

目前为止，国内外还没有相关的标准和规范来测量超声应力换能器指向性，这对计量部门检定以及使用单位造成了很大的困扰。由此可以看出，非常有必要开展超声应力换能器指向性测量方法的研究和相应测量装置的研制。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种超声应力换能器指向性测量装置，以提高超声应力换能器指向性的测量精度。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种超声应力换能器指向性测量装置，包括：信号发生器、发射换能器、半圆柱试块、接收模块和显示模块；

所述信号发生器分别与所述发射换能器和所述显示模块连接；所述发射换能器设置在所述半圆柱试块的平面侧面的中心；所述接收模块设置在所述半圆柱的弧面侧面上；所述发射换能器用于将所述信号发生器产生的电信号转换为声信号；所述接收模块与所述显示模块连接；所述显示模块用于根据所述接收信号接收的声信号确定指向性。

可选地，所述半圆柱试块的表面粗糙度小于10μm。

可选地，所述半圆柱试块的材料为金属材料。

可选地，所述发射换能器包括纵波换能器和临界折射纵波换能器；所述纵波换能器和所述临界折射纵波换能器均设置在所述半圆柱试块的平面侧面的中心；所述纵波换能器和所述临界折射纵波换能器均与所述信号发生器连接。

可选地，所述接收模块为接收换能器或者激光测振仪。

可选地，所述显示模块包括数字示波器和与所述数字示波器连接的上位机；所述数字示波器分别与所述信号发生器和所述接收模块连接。

可选地，所述半圆柱试块的底面上设置半圆刻度盘，所述半圆刻度盘用于调整角度。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型中所述信号发生器分别与所述发射换能器和所述显示模块连接；所述发射换能器设置在所述半圆柱试块的平面侧面的中心；所述接收模块设置在所述半圆柱的弧面侧面上；所述发射换能器用于将所述信号发生器产生的电信号转换为声信号；所述接收模块与所述显示模块连接；所述显示模块用于根据所述接收模块接收的声信号确定指向性。通过半圆柱试块能够满足纵波和临界折射纵波的指向性测量，实现各类型超声应力换能器的高效测量，且利用接收模块进行采集信号提高超声应力换能器指向性的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的超声应力换能器指向性测量装置结构示意图。

符号说明：

1-信号发生器，2-数字示波器，3-上位机，4-半圆柱试块，5-发射换能器， 6-接收模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型提供的一种超声应力换能器指向性测量装置，包括：信号发生器1、发射换能器5、半圆柱试块4、接收模块6和显示模块。

所述信号发生器1分别与所述发射换能器5和所述显示模块连接；所述发射换能器5设置在所述半圆柱试块4的平面侧面的中心；在实际应用中，发射换能器5设置在半圆柱试块4的平面中心保持不变。所述接收模块6设置在所述半圆柱的弧面侧面上；所述发射换能器5用于将所述信号发生器1产生的电信号转换为声信号；所述接收模块6与所述显示模块连接；所述显示模块用于根据所述接收模块接收的声信号确定指向性。其中，信号发生器1的型号为 Tektronix AFG31000，能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备，可以产生特定频率的声波。在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数时，以及测量元器件的特性与参数时，用作测试的信号源或激励源。

作为一种可选地实施方式，所述半圆柱试块4的表面粗糙度小于10μm。所述半圆柱试块4的材料为金属材料；例如钢、铝、铜。所述半圆柱试块4 的底面上设置半圆刻度盘，所述半圆刻度盘用于调整角度。其中，半圆刻度盘上设置两个夹具，用于固定发射换能器5和接收换能器，以便于精确调整角度，也保证相同耦合力。

作为一种可选地实施方式，所述发射换能器5包括纵波换能器和临界折射纵波换能器；所述纵波换能器和所述临界折射纵波换能器均设置在所述半圆柱试块4的平面侧面的中心；所述纵波换能器和所述临界折射纵波换能器均与所述信号发生器1连接。发射换能器5的型号为TOFD 5MHz；发射换能器5将电能转换为声能，分为纵波换能器与临界折射纵波换能器。纵波换能器可以产生一定频率范围内的纵波，而临界折射纵波换能器是由纵波换能器与声楔块螺纹配合组成，入射纵波以第一临界角为入射角，在试块圆心处产生临界折射纵波。在不同试验时切换这两种换能器，测纵波指向性用纵波换能器，测临界折射纵波指向性用临界折射纵波换能器(由纵波换能器与声楔块螺纹配合组成)。两种换能器在实验时，均放置半圆柱试块4平面端用耦合剂进行耦合。接收换能器或激光测振仪与发射换能器5中心对准后，接收换能器或激光测振仪在半圆柱面同一水平面围绕发射换能器5各个方向接收信号。

作为一种可选地实施方式，所述接收模块6为接收换能器或者激光测振仪。其中激光测振仪为单点激光测振仪或者扫描激光测振仪。其中，接收换能器的型号为TOFD 5MHz，将声能转换为电能，进行声波信号接收。激光测振仪的型号为Polytec OFV-505，它是基于激光多普勒效应，是目前能够获取位移和速度分辨率的最佳振动测量方法，接收声波信号，可以同步输出位移，速度和加速度。

作为一种可选地实施方式，所述显示模块包括数字示波器2和与所述数字示波器2连接的上位机3；所述数字示波器2分别与所述信号发生器1和所述接收模块6连接。数字示波器2的型号为Tektronix MDO3034，是数据采集， A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器，可以对接收信号进行存储、显示、测量、波形数据分析处理。上位机3根据接收信号将发射换能器5的指向特性描绘出来，并计算出-3dB波束宽度。

本实用新型提出的半圆柱试块法，同时满足纵波与临界折射纵波的指向特性测量，实现对各类型超声应力换能器指向性的高效测量，方便快捷且适用于现场。相比于水听器法在水里测量，半圆柱试块法可以不受换能器水密性、换能器工作原理等限制，可适用任意型号超声应力换能器。接收换能器或激光测振仪通过各角度等距离采集信号，能够获得更好的信号，测试准确率高。从而保证超声应力换能器指向特性的精准，实现对各类型超声应力换能器指向性的高效测量

超声应力换能器指向性测量装置在实际应用中的测量方法，该测量方法为半圆柱试块法，是基于声波在固体介质中辐射的原理，具体包括：

步骤1：对纵波换能器指向性的-3dB波束宽度进行测量；试块为半圆柱体，表面光滑，在其上面贴合好半圆刻度盘，便于角度调整的精准。发射换能器5 放在试块平面中心保持不变，接收换能器与发射换能器5中心对准后，接收换能器在半圆柱面同一水平面围绕发射换能器5各个方向接收信号。发射换能器 5和接收换能器表面均涂有耦合剂。在激励源选择上，为了避免试块边缘的反射波对接收信号产生影响，且保证接收信号的稳定，于是采用脉冲波。由信号发生器1生成正弦脉冲信号，激励发射换能器5，让数字示波器2测量接收信号，得到换能器的纵波指向性，通过计算进一步得出-3dB波束宽度。

步骤2：对临界折射纵波换能器指向性的-3dB波束宽度进行测量；

在步骤1的基础上测量临界折射纵波的指向性，需要将发射换能器5类型更换为临界折射纵波换能器，临界折射纵波入射点对准试块圆心，接收换能器在圆柱面端点处开始各角度等距离下接收信号。临界折射纵波换能器是由纵波换能器与声楔块螺纹配合组成，入射纵波以第一临界角为入射角，在试块圆心处产生临界折射纵波。

为了测量临界折射纵波的指向性，在纵波指向性实验系统的基础上，将发射换能器5的类型更换为临界折射纵波换能器，入射角为28°。接收换能器或激光测振仪从圆柱面端点处开始各角度测量，具体为各角度等距离接收信号，数字示波器2显示接收波形，通过上位机3处理得到发射换能器5的临界折射纵波指向性。在实验中，横波往试块内部进行传播，通过计算得出横波折射角为34°，故选取0～30°范围内进行测量，排除横波的干扰。采取适合的耦合剂进行涂抹，使接收信号较为稳定。通过上位机3处理得出实验值的主瓣指向角为15°左右，符合相关研究10～20°的结论，并得出实验值的-3dB波束宽度为10.55°。

本实用新型提供的装置填补了国内外超声应力换能器指向性测量装置的空白，实现对各类型超声应力换能器指向性的高效测量，并为计量校准提供了一种可借鉴的方式。相比于水中测量装置，该装置更符合超声应力检测的实际使用工况，且可适用于任意型号的超声应力换能器指向性校准，方便快捷且适用于现场。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims

1.一种超声应力换能器指向性测量装置，其特征在于，包括：信号发生器、发射换能器、半圆柱试块、接收模块和显示模块；

所述信号发生器分别与所述发射换能器和所述显示模块连接；所述发射换能器设置在所述半圆柱试块的平面侧面的中心；所述接收模块设置在所述半圆柱的弧面侧面上；所述发射换能器用于将所述信号发生器产生的电信号转换为声信号；所述接收模块与所述显示模块连接；所述显示模块用于根据所述接收模块接收的声信号确定指向性。

2.根据权利要求1所述的超声应力换能器指向性测量装置，其特征在于，所述半圆柱试块的表面粗糙度小于10μm。

3.根据权利要求1所述的超声应力换能器指向性测量装置，其特征在于，所述半圆柱试块的材料为金属材料。

4.根据权利要求1所述的超声应力换能器指向性测量装置，其特征在于，所述发射换能器包括纵波换能器和临界折射纵波换能器；所述纵波换能器和所述临界折射纵波换能器均设置在所述半圆柱试块的平面侧面的中心；所述纵波换能器和所述临界折射纵波换能器均与所述信号发生器连接。

5.根据权利要求1所述的超声应力换能器指向性测量装置，其特征在于，所述接收模块为接收换能器或者激光测振仪。

6.根据权利要求1所述的超声应力换能器指向性测量装置，其特征在于，所述显示模块包括数字示波器和与所述数字示波器连接的上位机；所述数字示波器分别与所述信号发生器和所述接收模块连接。

7.根据权利要求1所述的超声应力换能器指向性测量装置，其特征在于，所述半圆柱试块的底面上设置半圆刻度盘，所述半圆刻度盘用于调整角度。