ES2812373B2 - Focusing system for a focused, air-coupled ultrasound emitter, receiver or transducer - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Sistema de enfoque para un emisor, un receptor o un transductor de ultrasonidos focalizado v acoplado al aireFocusing system for an air-coupled focused ultrasound emitter, receiver or transducer
La presente invención se refiere a un sistema de enfoque caracterizado por comprender una lente cóncava que comprende una zona central plana y un recubrimiento polimérico que recubre la lente, susceptible de ser utilizado como parte de un emisor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire, un receptor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire o un transductor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire que comprende dicho transductor y/o dicho receptor. Además, la presente invención se refiere a dicho emisor, dicho receptor y dicho transductor que comprenden el sistema de enfoque anteriormente mencionado.The present invention refers to a focusing system characterized by comprising a concave lens that comprises a flat central area and a polymeric coating that covers the lens, capable of being used as part of a focused and air-coupled ultrasound emitter, a receiver air-coupled focused ultrasound device or a focused air-coupled ultrasound transducer comprising said transducer and / or said receiver. Furthermore, the present invention relates to said emitter, said receiver and said transducer comprising the aforementioned focusing system.
La presente invención se enmarca en el campo del diseño y la fabricación de transductores ultrasónicos, más concretamente en la fabricación de transductores ultrasónicos, piezoeléctricos, focalizados y acoplados al aire para operar en modo transmisión y recepción.The present invention is framed in the field of the design and manufacture of ultrasonic transducers, more specifically in the manufacture of ultrasonic, piezoelectric, focused and air-coupled transducers to operate in transmission and reception mode.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
El principal problema en el diseño y desarrollo de transductores piezoeléctricos acoplados al aire es la enorme desadaptación de impedancias entre el material piezoeléctrico y el aire. Esto da lugar a transductores de sensibilidad muy pobre y con reducido ancho de banda, lo cual, limita enormemente la utilidad práctica de esta tecnología. No obstante, es extremadamente interesante en algunas aplicaciones, mientras que en algunas otras es la única alternativa viable.The main problem in the design and development of air-coupled piezoelectric transducers is the enormous impedance mismatch between the piezoelectric material and air. This results in transducers with very poor sensitivity and low bandwidth, which greatly limits the practical usefulness of this technology. However, it is extremely interesting in some applications, while in some others it is the only viable alternative.
La razón por la que hay ciertos casos en los que se requiere acoplamiento por aire y no técnicas ultrasónicas convencionales basadas en el uso de líquidos acoplantes (agua, gel, chorro de agua, etc.), se debe a que hay ciertos materiales y componentes que no pueden entrar en contacto con dichos líquidos. En estos casos, la única alternativa es la inspección con acoplamiento por aire, aunque es extraordinariamente difícil dadas las enormes pérdidas que experimenta una señal ultrasónica al atravesar estos componentes y la limitada sensibilidad de los transductores empleados convencionalmente.The reason why there are certain cases in which air coupling is required and not conventional ultrasonic techniques based on the use of coupling liquids (water, gel, water jet, etc.), is because there are certain materials and components that cannot come into contact with such liquids. In these cases, the only alternative is air-coupled inspection, although this is extraordinarily difficult given the enormous losses an ultrasonic signal experiences as it passes through these components and the limited sensitivity of conventionally used transducers.
Entre los componentes y materiales en los que se hace necesario el uso de acoplamiento por aire se encuentran todos aquellos con cavidades internas, con componentes porosos (de porosidad abierta) o con elementos susceptibles de ser afectados por líquidos (corrosión, contaminación, dilución, etc.). Un ejemplo son las estructuras sándwich con núcleo de nido de abeja y paredes de polímero reforzado por fibra. Este tipo de componente es muy utilizado en la industria aeronáutica (por ejemplo, en los paneles acústicos que rodean a los turborreactores en aviones comerciales), aeroespacial (estructura de soporte de las antenas), energética (palas de aerogeneradores), ingeniería civil (vigas de material compuesto) y la de material deportivo, ya que combinan rigidez, ligereza, aislamiento térmico y acústico y resistencia a impactos. Sin embargo, y debido a esta estructura multicapa, la inspección de estos componentes mediante acoplamiento por aire es extremadamente difícil y requiere de unos transductores extremadamente sensibles y eficientes, que demanda una adaptación de impedancias de los transductores al aire extremadamente efectiva.Among the components and materials in which the use of air coupling is necessary are all those with internal cavities, with porous components (open porosity) or with elements susceptible to being affected by liquids (corrosion, contamination, dilution, etc.). An example is sandwich structures with a honeycomb core and fiber-reinforced polymer walls. This type of component is widely used in the aeronautical industry (for example, in the acoustic panels that surround turbojets in commercial aircraft), aerospace (antenna support structure), energy (wind turbine blades), civil engineering (beams made of composite material) and that of sports material, since they combine rigidity, lightness, thermal and acoustic insulation and resistance to impacts. However, and due to this multilayer structure, the inspection of these components by means of air coupling is extremely difficult and requires extremely sensitive and efficient transducers, which demands an extremely effective adaptation of the impedances of the transducers to the air.
La resolución del problema de desadaptación de impedancias transductor / aire no es sencilla ya que la realización de estos transductores se enfrenta con dos tipos de fuertes restricciones que impiden implementar diseños convencionales empleados en otras aplicaciones. Estas restricciones se refieren a:The resolution of the transducer / air impedance mismatch problem is not easy since the realization of these transducers faces two types of strong restrictions that prevent the implementation of conventional designs used in other applications. These restrictions refer to:
a) Los materiales a emplear: No existen materiales con la impedancia acústica que el diseño ideal requiere emplear. Los materiales disponibles presentan pérdidas que no son despreciables.a) The materials to be used: There are no materials with the acoustic impedance that the ideal design requires to use. The available materials present losses that are not negligible.
b) El propio montaje / fabricación del transductor: La unión entre los diferentes materiales no es ideal (perfecta cohesión y transición de espesor despreciable). Más aún, en ocasiones es necesario emplear una fina capa (pero no despreciable) de adhesivo.b) The assembly / manufacture of the transducer itself: The union between the different materials is not ideal (perfect cohesion and negligible thickness transition). Furthermore, it is sometimes necessary to use a thin (but not negligible) layer of adhesive.
Los transductores focalizados hacen uso de lentes u otras modificaciones en su estructura para realizar una focalización del haz. Esta focalización permite incrementar la resolución espacial, tanto axial como transversal, lo cual posibilita aplicaciones relacionadas con la obtención de imagen ultrasónica y aplicaciones relacionadas con terapia (actuación sobre el medio insonicado) que requieren mayor precisión espacial. Por lo general, la focalización del haz lleva consigo un aumento de la complejidad del diseño del transductor y una merma de su sensibilidad o eficiencia. Dicha merma de sensibilidad es crítica en el caso de transductores acoplados al aire, que ya padecen una sensibilidad reducida debido al desacoplo de impedancias antes mencionado. Además, como también se ha mencionado anteriormente, el apilamiento de capas de adaptación es crítico para salvar este problema y la presencia de una lente puede resultar una distorsión excesiva. Focused transducers make use of lenses or other modifications in their structure to focus the beam. This targeting allows increasing spatial resolution, both axial and transverse, which enables applications related to obtaining an ultrasonic image and applications related to therapy (acting on the insonic medium) that require greater spatial precision. In general, focusing the beam leads to an increase in the complexity of the transducer design and a decrease in its sensitivity or efficiency. Said loss of sensitivity is critical in the case of air-coupled transducers, which already suffer from reduced sensitivity due to the aforementioned impedance decoupling. Furthermore, as also mentioned above, stacking of matching layers is critical to overcome this problem and the presence of a lens can result in excessive distortion.
US4184094 presenta un sistema de focalización para transductores ultrasónicos que permite la transmisión óptima de energía sin desenfocar el haz. No obstante, dicho diseño solo se puede aplicar para transductores acoplados a medios de relativamente alta impedancia (agua, tejidos biológicos, etc.) y no serviría para transductores acoplados al aire pues en este caso la diferencia de impedancias entre el material piezoeléctrico es mucho mayor y no se dispone de los materiales que serían necesarios para implementar este diseño. Otro sistema de focalización de transductores ultrasónicos que ha sido empleado con éxito en el caso de transductores acoplados al agua y de alta frecuencia ha sido el uso de de arrays anulares de diferentes geometrías (US4138895, US4155259, EP0104929A2), cuya utilidad para transductores acoplados al aire y de frecuencias intermedias (< 1MHz) es limitado (T. E. Gómez Álvarez-Arenas, J. Camacho, and C. Fritsch, “Passive focusing techniques for piezoelectric air-coupled ultrasonic transducers,” Ultrasonics, vol. 67, no. January, pp. 85-93, 2016.).US4184094 presents a focusing system for ultrasonic transducers that allows optimal energy transmission without blurring the beam. However, this design can only be applied to transducers coupled to relatively high impedance media (water, biological tissues, etc.) and it would not work for air coupled transducers since in this case the difference in impedances between the piezoelectric material is much greater. and the materials that would be necessary to implement this design are not available. Another system for targeting ultrasonic transducers that has been used successfully in the case of high-frequency and water-coupled transducers has been the use of annular arrays of different geometries (US4138895, US4155259, EP0104929A2), whose utility for transducers coupled to the air and intermediate frequencies (<1MHz) is limited (TE Gómez Álvarez-Arenas, J. Camacho, and C. Fritsch, “Passive focusing techniques for piezoelectric air-coupled ultrasonic transducers,” Ultrasonics, vol. 67, no. January, pp. 85-93, 2016.).
En el caso de los transductores focalizados acoplados al aire, la principal aplicación se refiere a la generación de imágenes ultrasónicas tipo C-scan en el campo de los ensayos no destructivos. El principal objetivo es localizar y dimensionar defectos tipo delaminaciones, inserciones, corrosiones, grietas, pérdida de espesor y/o porosidad, con suficiente resolución.In the case of air-coupled focused transducers, the main application refers to the generation of C-scan ultrasonic images in the field of non-destructive testing. The main objective is to locate and size defects such as delaminations, insertions, corrosion, cracks, loss of thickness and / or porosity, with sufficient resolution.
Para conseguir focalizar un transductor ultrasónico acoplado al aire, se han propuesto estructuras tipo espejo o máscaras de Fresnel (US7719170B1, US8616329B1), que añaden elementos adicionales al transductor y complican su diseño, fabricación y uso. También se han propuesto elementos piezoeléctricos tallados según la geometría del campo (US3732535A), lo cual dificulta y encarece enormemente la fabricación al mismo tiempo que reduce la eficiencia de la vibración del piezoeléctrico, o el uso de lentes específicas para cada aplicación (por ejemplo, en el caso de transductores acoplados al agua: US5577507A). Asimismo, uno de los problemas conocidos en estos transductores focalizados, viene dado por el uso de lentes embebidas en la estructura del transductor, las cuales afectan a la efectividad de los mismos ya que provocan efectos adversos tales como la des-sintonización y la pérdida de eficacia de las capas de adaptación de impedancias. Estas pérdidas de eficiencia hacen que los diseños actuales no sean útiles para las aplicaciones más exigentes como es el caso de los componentes curvos fabricados con estructuras sándwich asimétricas con núcleo de nido de abeja. To achieve focusing an air-coupled ultrasonic transducer, mirror-like structures or Fresnel masks have been proposed (US7719170B1, US8616329B1), which add additional elements to the transducer and complicate its design, manufacture and use. Piezoelectric elements carved according to the geometry of the field have also been proposed (US3732535A), which makes manufacturing difficult and expensive while reducing the vibration efficiency of the piezoelectric, or the use of specific lenses for each application (for example, for water-coupled transducers: US5577507A). Likewise, one of the known problems in these focused transducers is caused by the use of embedded lenses in the transducer structure, which affect their effectiveness as they cause adverse effects such as de-tuning and loss of tuning. efficiency of impedance matching layers. These efficiency losses make current designs not useful for the most demanding applications such as curved components manufactured with asymmetric honeycomb core sandwich structures.
Por lo tanto, es necesario desarrollar nuevos transductores ultrasónicos focalizados acoplados al aire, de alta sensibilidad y resolución espacial, que permita la inspección no destructiva de los materiales y componentes industriales.Therefore, it is necessary to develop new focused air-coupled ultrasonic transducers with high sensitivity and spatial resolution, which allow non-destructive inspection of industrial materials and components.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
El objeto de esta patente se refiere a un sistema de enfoque caracterizado por comprender una lente cóncava que comprende una zona central plana y un recubrimiento polimérico que se extiende por la lente, donde dicho sistema de enfoque es susceptible de ser utilizado como parte de un emisor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire, un receptor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire o un transductor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire que comprende dicho transductor y dicho receptor. Además, la presente invención se refiere a dicho emisor, dicho receptor y dicho transductor que comprenden el sistema de enfoque anteriormente mencionado y una lámina piezoeléctrica.The object of this patent refers to a focusing system characterized by comprising a concave lens that comprises a flat central area and a polymeric coating that extends over the lens, where said focusing system is capable of being used as part of an emitter. air-coupled focused ultrasound device, an air-coupled focused ultrasound receiver or an air-coupled focused ultrasound transducer comprising said transducer and said receiver. Furthermore, the present invention relates to said emitter, said receiver and said transducer comprising the aforementioned focusing system and a piezoelectric foil.
El transductor focalizado acoplado al aire de la presente invención exhibe alta sensibilidad y resolución espacial que permite la inspección no destructiva de los materiales y componentes más exigentes, como las estructuras sándwich mencionadas anteriormente para las que la industria no tiene una solución eficiente. El transductor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire de la presente invención se diseña para que: i) el efecto negativo del sistema de enfoque en la sensibilidad del transductor sea mínimo, ii) para que la transmisión de energía al material que se quiere inspeccionar sea óptima y iii) para que la resolución espacial sea suficiente para la detección y dimensionado de defectos.The air-coupled focused transducer of the present invention exhibits high sensitivity and spatial resolution that enables non-destructive inspection of the most demanding materials and components, such as the aforementioned sandwich structures for which the industry does not have an efficient solution. The focused and air-coupled ultrasound transducer of the present invention is designed so that: i) the negative effect of the focusing system on the sensitivity of the transducer is minimal, ii) so that the transmission of energy to the material to be inspected is optimal and iii) so that the spatial resolution is sufficient for the detection and dimensioning of defects.
Los transductores piezoeléctricos a los que se refiere la presente invención operan en aire en condiciones normales y en modo emisión-recepción (en inglés modo denominado pitchcatch), dentro del rango de frecuencia de entre 0,1 y 2,0 MHz, con un ancho relativo de banda moderado (>30% @-20dB), con una alta sensibilidad (>-25 dB) y un diámetro del punto focal (dirección transversal, al haz, caída de 6 dB) menor de 5 mm.The piezoelectric transducers referred to in the present invention operate in air under normal conditions and in emission-reception mode (in English mode called pitchcatch), within the frequency range between 0.1 and 2.0 MHz, with a width Relative moderate band (> 30% @ -20dB), with high sensitivity (> -25 dB) and a focal point diameter (transverse direction, to the beam, 6 dB drop) less than 5 mm.
Dichas prestaciones permiten emplear estos transductores para el escaneo y obtención de imagen mediante la técnica de escaneo automatizado de ultrasonidos C-Scan en modo transmisión y empleando acoplamiento por aire para ensayos no destructivos. En particular, permiten emplear estos transductores en este tipo de aplicaciones cuando el componente bajo inspección presenta pérdidas por transmisión tan elevadas que es imposible emplear otras técnicas disponibles. Se puede citar como ejemplos: These features make it possible to use these transducers for scanning and obtaining images using the C-Scan automated ultrasound scanning technique in transmission mode and using air coupling for non-destructive tests. In particular, they make it possible to use these transducers in this type of application when the component under inspection has such high transmission losses that it is impossible to use other available techniques. Examples can be cited:
1. Estructuras tipo sándwich con pieles de alta impedancia (> 3MRayl) y núcleo muy poroso: tipo “nido de abeja” honeycomb (de aluminio, nomex, etc.) o espuma polimérica; para la detección de defectos por impacto en la superficie, delaminaciones dentro de las pieles, despegados entre la piel y el núcleo, fallas de continuidad en el núcleo, presencia de inserciones bien en las pieles o bien entre la piel y el núcleo.1. Sandwich structures with high impedance skins (> 3MRayl) and a very porous core: “honeycomb” type honeycomb (aluminum, nomex, etc.) or polymeric foam; for the detection of impact defects on the surface, delaminations within the skins, detachments between the skin and the core, continuity failures in the core, the presence of insertions either in the skins or between the skin and the core.
Nótese que por “estructura tipo sándwich” se entiende en la presente invención una estructura multilaminar compuesta de tres capas. Dos iguales, situadas en las caras externas, también llamadas pieles, y otra interna, entre ambas pieles, también llamada núcleo.Note that by "sandwich structure" is meant in the present invention a multilayered structure composed of three layers. Two of the same, located on the external faces, also called skins, and an internal one, between both skins, also called the nucleus.
2. Mismo objetivo que en (1), con estructuras como en (1), pero con geometría curva.2. Same objective as in (1), with structures as in (1), but with curved geometry.
3. Mismo objetivo que en (1), con estructuras como en (1) o (2), pero con pieles asimétricas o de grosor variable.3. Same objective as in (1), with structures as in (1) or (2), but with asymmetric skins or of variable thickness.
4. Mismo objetivo que en (1), con estructuras tipo sándwich con pieles de muy alta impedancia (metales, >30 MRayl) y núcleo de goma.4. Same objective as in (1), with sandwich-type structures with very high impedance skins (metals,> 30 MRayl) and a rubber core.
5. Medios muy atenuantes, como medios porosos, espumas, solidos celulares, materiales compuestos con elevada concentración de dispersores (hormigón, compuestos alimenticios, etc.), para determinar presencia de porosidad, grietas, inserciones, etc.5. Very attenuating media, such as porous media, foams, cellular solids, composite materials with a high concentration of dispersants (concrete, food compounds, etc.), to determine the presence of porosity, cracks, inserts, etc.
Además, el emisor y el receptor pueden ser empleados de forma autónoma cuando únicamente interesa bien la transmisión bien la recepción porque la recepción o la transmisión se resuelven mediante métodos alternativos, respectivamente. Ejemplos de estas aplicaciones son:In addition, the sender and the receiver can be used autonomously when the only interest is either transmission or reception because reception or transmission are resolved by alternative methods, respectively. Examples of these applications are:
- Ensayos no destructivos y/o caracterización de materiales: para la recepción de ondas ultrasónicas generadas en un sólido mediante láser u otras técnicas.- Non-destructive tests and / or characterization of materials: for the reception of ultrasonic waves generated in a solid by means of laser or other techniques.
- Ensayos no destructivos y/o caracterización de materiales, para la generación de ondas que luego son detectadas por otros medios: láser, ultrasonidos con contacto, etc.- Non-destructive tests and / or characterization of materials, for the generation of waves that are later detected by other means: laser, contact ultrasound, etc.
- Generación de ondas o desplazamientos mecánicos en tejidos orgánicos que luego son medidos por láser o cualquier otra técnica, por ejemplo, para aplicaciones en elastografía. - Generation of waves or mechanical displacements in organic tissues that are then measured by laser or any other technique, for example, for applications in elastography.
En un primer aspecto la presente invención se refiere a un sistema de enfoque caracterizado por comprenderIn a first aspect, the present invention refers to a focusing system characterized by comprising
• una lente cóncava que presenta una impedancia acústica de entre 0,2 MRayl y 0,9 MRayl y una distancia focal de entre 5 mm y 100 mm y que comprende una superficie cóncava concéntrica con un radio de curvatura de entre 20 mm y 90 mm, y • un recubrimiento polimérico de espesor de entre 70 pm y 200 pm y de porosidad mayor del 70%, que presenta una impedancia acústica de entre 0,05 MRayl y 0,09 MRayl,• a concave lens having an acoustic impedance between 0.2 MRayl and 0.9 MRayl and a focal length between 5mm and 100mm and comprising a concentric concave surface with a radius of curvature between 20mm and 90mm , and • a polymeric coating with a thickness between 70 pm and 200 pm and a porosity greater than 70%, presenting an acoustic impedance between 0.05 MRayl and 0.09 MRayl,
y donde dicho recubrimiento polimérico está dispuesto por toda la superficie cóncava concéntrica de la lente cóncava.and wherein said polymeric coating is disposed over the entire concentric concave surface of the concave lens.
El término “impedancia acústica” se refiere a la propiedad física de un medio material determinada por el producto de la densidad de dicho medio y la velocidad de propagación de los ultrasonidos en dicho medio.The term "acoustic impedance" refers to the physical property of a material medium determined by the product of the density of said medium and the speed of propagation of ultrasound in said medium.
La distancia focal de una lente es un término que se refiere a la distancia desde la superficie de la lente hasta el punto donde la lente concentra la energía.The focal length of a lens is a term that refers to the distance from the surface of the lens to the point where the lens concentrates energy.
En la presente invención la lente es cóncava, es decir, viene definida por una superficie cóncava con un radio de curvatura de entre 20 mm y 90 mm.In the present invention, the lens is concave, that is, it is defined by a concave surface with a radius of curvature between 20 mm and 90 mm.
Por “apertura angular de la lente” se entiende en la presente invención como el ángulo formado por el eje del transductor y la recta que une el borde del transductor con el punto focal. La apertura angular de la lente cóncava de la presente invención debe ser tal que la totalidad del ultrasonido generado sea capaz de atravesar la interfaz aire/sólido a inspeccionar.By "angular aperture of the lens" is understood in the present invention as the angle formed by the axis of the transducer and the line that joins the edge of the transducer with the focal point. The angular aperture of the concave lens of the present invention must be such that all of the ultrasound generated is capable of passing through the air / solid interface to be inspected.
En una realización preferida del sistema de enfoque, la superficie cóncava concéntrica de la lente cóncava comprende una zona central plana concéntrica con un diámetro de entre 1 mm y 5 mm y un espesor de entre 0,3 mm y 3,0 mm. Dicha zona central plana debe tener un diámetro igual o inferior al tamaño del foco (diámetro del punto focal) de una lente perfectamente esférica con el mismo radio de curvatura.In a preferred embodiment of the focusing system, the concentric concave surface of the concave lens comprises a concentric planar central region with a diameter of between 1mm and 5mm and a thickness of between 0.3mm and 3.0mm. Said flat central zone must have a diameter equal to or less than the size of the focus (diameter of the focal point) of a perfectly spherical lens with the same radius of curvature.
En la presente invención, se fabrica la lente cóncava empleando un material con valor de impedancia acústica entre 0,2 MRayl y 0,9 MRayl. In the present invention, the concave lens is manufactured using a material with an acoustic impedance value between 0.2 MRayl and 0.9 MRayl.
La lente cóncava del sistema de enfoque de la presente invención está hecha de material con un coeficiente de atenuación de ultrasonidos de entre 500 Np/m y 3000 Np/m, preferiblemente menor que 2000 Np/m a una frecuencia de 1 MHz.The concave lens of the focusing system of the present invention is made of material with an ultrasound attenuation coefficient between 500 Np / m and 3000 Np / m, preferably less than 2000 Np / m at a frequency of 1 MHz.
Preferiblemente la lente cóncava está hecha de una espuma sintáctica.Preferably the concave lens is made of a syntactic foam.
Se entiende por “espuma sintáctica” como aquella espuma que está compuesta por una matriz polimérica a la que se añaden microesferas huecas de vidrio u otro material de similares características, preferiblemente de tamaño menor que 20 pm, distribuidas de forma aleatoria. Por ejemplo, dichas espumas sintácticas se utilizan en sistemas de flotación para submarinos de aguas profundas, para profundidades de 700 m a 10.000 m."Syntactic foam" is understood as that foam that is composed of a polymeric matrix to which hollow microspheres of glass or other material with similar characteristics are added, preferably smaller than 20 µm in size, randomly distributed. For example, such syntactic foams are used in flotation systems for deep-sea submarines, for depths of 700 m to 10,000 m.
El sistema de enfoque de la presente invención comprende una lente cóncava y un recubrimiento polimérico de espesor de entre 70 pm y 200 pm y de porosidad mayor del 70%. Dicho recubrimiento está dispuesto por toda la superficie cóncava de la lente cóncava. Presenta una impedancia acústica de entre 0,05 MRayl y 0,09 MRayl, un coeficiente de atenuación de ultrasonidos de entre 500 Np/m y 3000 Np/m y está hecho de un polímero que se selecciona de entre polipropileno, polietersulfona, nilón, nitrato de celulosa o cualquiera de sus combinaciones.The focusing system of the present invention comprises a concave lens and a polymeric coating with a thickness between 70 pm and 200 pm and a porosity greater than 70%. Said coating is arranged over the entire concave surface of the concave lens. It has an acoustic impedance of between 0.05 MRayl and 0.09 MRayl, an ultrasound attenuation coefficient between 500 Np / m and 3000 Np / m and is made of a polymer that is selected from among polypropylene, polyethersulfone, nylon, nitrate of cellulose or any of its combinations.
Otro aspecto de la presente invención se refiere a un emisor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire con una frecuencia central comprendida entre 0,1 MHz y 2,0 MHz y una apertura angular de entre 3 ° y 20 ° caracterizado por que comprendeAnother aspect of the present invention refers to a focused and air-coupled ultrasound emitter with a central frequency comprised between 0.1 MHz and 2.0 MHz and an angular aperture of between 3 ° and 20 ° characterized in that it comprises
• el sistema de enfoque mencionado anteriormente, donde el espesor de la lente cóncava es igual a un cuarto de la longitud de onda del ultrasonido en la lente a la frecuencia central del emisor.• the aforementioned focusing system, where the thickness of the concave lens is equal to a quarter of the wavelength of the ultrasound in the lens at the center frequency of the emitter.
En una realización preferida del emisor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire con una frecuencia central comprendida entre 0,1 MHz y 2,0 MHz y una apertura angular de entre 30 y20° está caracterizado por que comprendeIn a preferred embodiment of the air-coupled focused ultrasound emitter with a central frequency comprised between 0.1 MHz and 2.0 MHz and an angular aperture of between 30 and 20 °, it is characterized in that it comprises
• el sistema de enfoque mencionado anteriormente, donde el espesor de la lente cóncava es igual a un cuarto de la longitud de onda del ultrasonido en la lente a la frecuencia central del emisor,• the aforementioned focusing system, where the thickness of the concave lens is equal to a quarter of the wavelength of ultrasound in the lens at the center frequency of the emitter,
• una lámina piezoeléctrica seleccionada de entre una cerámica tipo PZT de titanato zirconato de plomo PbZr03-PbTi03, un material compuesto de cerámica piezoeléctrica y resina con conectividad tipo 1-3 y con una concentración volumétrica de cerámica de entre el 25% y el 80%, o un monocristal piezoeléctrico tipo Pb(Mgi/3Nb2/3)03-PbTi03, donde dicha lámina piezoeléctrica comprende un recubrimiento conductor eléctrico de oro, plata, carbono, aluminio, cobre o cualquiera de sus combinaciones, donde dicha lámina piezoeléctrica está polarizada a lo largo de su espesor y donde el espesor de dicha lámina piezoeléctrica es de entre 20 nm y 100 nm,• a piezoelectric foil selected from a lead zirconate titanate PZT type ceramic PbZr03-PbTi03, a ceramic composite material piezoelectric and resin with type 1-3 connectivity and with a volumetric concentration of ceramic between 25% and 80%, or a piezoelectric single crystal type Pb (Mgi / 3Nb2 / 3) 03-PbTi03, where said piezoelectric sheet comprises a coating electrical conductor of gold, silver, carbon, aluminum, copper or any of their combinations, where said piezoelectric sheet is polarized along its thickness and where the thickness of said piezoelectric sheet is between 20 nm and 100 nm,
• un equipo electrónico de excitación, y• an electronic excitation equipment, and
• una inductancia en paralelo o en serie de entre 1 pH y 500 pH configurada para conectar la lámina piezoeléctrica con el equipo electrónico de excitación y adecuada al mismo,• an inductance in parallel or in series between 1 pH and 500 pH configured to connect the piezoelectric foil with the electronic excitation equipment and suitable for it,
donde el sistema de enfoque y la lámina piezoeléctrica están en contacto.where the focusing system and the piezoelectric foil are in contact.
Ejemplos comerciales de un equipo electrónico de excitación son PR Olympus 5058, 5072 o 5054, AirScope de DASEL, JSR, etc.Commercial examples of electronic excitation equipment are PR Olympus 5058, 5072 or 5054, AirScope from DASEL, JSR, etc.
La apertura angular en el emisor está configurada para que la totalidad del ultrasonido generado sea capaz de atravesar la interfaz aire/sólido a inspeccionar.The angular aperture in the emitter is configured so that all of the generated ultrasound is able to pass through the air / solid interface to be inspected.
En otra realización preferida del emisor de la presente invención éste comprende un sistema de enfoque donde la superficie cóncava concéntrica de la lente cóncava comprende una zona central plana concéntrica con un diámetro de entre 1 mm y 5 mm y un espesor de entre 0,3 mm y 3,0 mm y donde el espesor de la zona central plana de la superficie cóncava de la lente cóncava es igual a un cuarto de la longitud de onda del ultrasonido en la lente a la frecuencia central del emisor.In another preferred embodiment of the emitter of the present invention, it comprises a focusing system where the concentric concave surface of the concave lens comprises a concentric flat central zone with a diameter of between 1 mm and 5 mm and a thickness of between 0.3 mm. and 3.0 mm and where the thickness of the flat central area of the concave surface of the concave lens is equal to a quarter of the wavelength of the ultrasound in the lens at the central frequency of the emitter.
Otro aspecto de la presente invención se refiere a un receptor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire con una frecuencia central comprendida entre 0,1 MHz y 2,0 MHz y una apertura angular de entre 3 ° y 20 ° caracterizado por que comprendeAnother aspect of the present invention refers to a focused and air-coupled ultrasound receiver with a central frequency between 0.1 MHz and 2.0 MHz and an angular aperture of between 3 ° and 20 ° characterized in that it comprises
• el sistema de enfoque mencionado anteriormente, donde el espesor de la lente cóncava es igual a un cuarto de la longitud de onda del ultrasonido en la lente a la frecuencia central del receptor, • the aforementioned focusing system, where the thickness of the concave lens is equal to a quarter of the wavelength of the ultrasound in the lens at the center frequency of the receiver,
En una realización preferida del receptor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire con una frecuencia central comprendida entre 0,1 MHz y 2,0 MHz y una apertura angular de entre 3 ° y 20 ° éste está caracterizado por que comprendeIn a preferred embodiment of the air-coupled focused ultrasound receiver with a central frequency between 0.1 MHz and 2.0 MHz and an angular aperture of between 3 ° and 20 °, it is characterized in that it comprises
• el sistema de enfoque mencionado anteriormente, donde el espesor de la lente cóncava es igual a un cuarto de la longitud de onda del ultrasonido en la lente a la frecuencia central del receptor,• the aforementioned focusing system, where the thickness of the concave lens is equal to a quarter of the wavelength of the ultrasound in the lens at the center frequency of the receiver,
• una lámina piezoeléctrica seleccionada de entre una cerámica tipo PZT de titanato zirconato de plomo PbZr03-PbT¡03, un material compuesto de cerámica piezoeléctrica y resina con conectividad tipo 1-3 y con una concentración volumétrica de cerámica de entre el 25% y el 80%, o un monocristal piezoeléctrico tipo Pb(Mgi/3Nb2/3)03-PbT¡03, donde dicha lámina piezoeléctrico comprende un recubrimiento conductor eléctrico de oro, plata, carbono, aluminio, cobre o cualquiera de sus combinaciones, donde dicha lámina piezoeléctrica está polarizada a lo largo de su espesor y donde el espesor de dicha lámina piezoeléctrica es de entre 20 nm y 100 nm,• a piezoelectric sheet selected from among a PbZr03-PbT¡03 lead zirconate titanate PZT ceramic, a composite material of piezoelectric ceramic and resin with type 1-3 connectivity and with a volumetric concentration of ceramic between 25% and the 80%, or a Pb (Mgi / 3Nb2 / 3) 03-PbT¡03 type piezoelectric single crystal, where said piezoelectric sheet comprises an electrically conductive coating of gold, silver, carbon, aluminum, copper or any of their combinations, where said sheet piezoelectric is polarized along its thickness and where the thickness of said piezoelectric sheet is between 20 nm and 100 nm,
• un equipo electrónico de recepción, y• an electronic reception team, and
• una inductancia en paralelo o en serie de entre 1 pH y 500 pH configurada para conectar la lámina piezoeléctrica con el equipo electrónico de recepción• a parallel or series inductance between 1 pH and 500 pH configured to connect the piezoelectric foil with the electronic receiving equipment
donde el sistema de enfoque y la lámina piezoeléctrica están en contacto.where the focusing system and the piezoelectric foil are in contact.
Ejemplos comerciales de un equipo electrónico de recepción son PR Olympus 5058, 5072 o 5054, AirScope de DASEL y JSR.Commercial examples of electronic receiving equipment are PR Olympus 5058, 5072 or 5054, AirScope from DASEL and JSR.
La apertura angular en el receptor está configurada para que la totalidad del ultrasonido (generado) sea capaz de atravesar la interfaz aire/sólido a inspeccionar.The angular aperture in the receiver is configured so that all of the (generated) ultrasound is able to pass through the air / solid interface to be inspected.
En otra realización preferida del receptor de la presente invención éste se caracteriza por que comprende el sistema de enfoque mencionado anteriormente, donde la superficie cóncava concéntrica de la lente cóncava comprende una zona central plana concéntrica con un diámetro de entre 1 mm y 5 mm y un espesor de entre 0,3 mm y 3,0 mm y donde el espesor de la zona central plana de la superficie cóncava de la lente cóncava es igual a un cuarto de la longitud de onda del ultrasonido en la lente a la frecuencia central del emisor.In another preferred embodiment of the receiver of the present invention, it is characterized by comprising the aforementioned focusing system, where the concentric concave surface of the concave lens comprises a concentric planar central zone with a diameter of between 1 mm and 5 mm and a thickness between 0.3 mm and 3.0 mm and where the thickness of the flat central area of the concave surface of the concave lens is equal to a quarter of the wavelength of the ultrasound in the lens at the central frequency of the emitter .
Otro aspecto de la presente invención se refiere a un transductor de ultrasonidos focalizado y acoplado al aire con una frecuencia central comprendida entre 0,1 MHz y 2,0 MHz y una apertura angular de entre 30 y 200 caracterizado por que comprende un emisor como el descrito con anterioridad y/o un receptor como el descrito con anterioridad, donde el emisor y el receptor están alineados y enfrentados entre sí y donde la frecuencia central del emisor es distinta a la del receptor.Another aspect of the present invention relates to a focused and air-coupled ultrasound transducer with a central frequency between 0.1 MHz and 2.0 MHz and a angular aperture of between 30 and 200 characterized in that it comprises an emitter as described previously and / or a receiver as described previously, where the emitter and receiver are aligned and facing each other and where the central frequency of the emitter is different to that of the receiver.
En una realización preferida de la presente invención el transductor de ultrasonidos comprende un emisor como el descrito con anterioridad y un receptor como el descrito con anterioridad, donde el espesor de la lámina piezoeléctrica (114) del receptor es distinto al espesor de la lámina piezoeléctrica (114) del emisor y donde la frecuencia de resonancia mecánica de la lámina piezoeléctrica (114) en el receptor Rx es igual a la frecuencia de resonancia eléctrica de la lámina piezoeléctrica (114) en el emisor Tx y y donde ambas frecuencias se sitúan a la frecuencia central del transductor.In a preferred embodiment of the present invention, the ultrasound transducer comprises an emitter as described above and a receiver as described above, where the thickness of the piezoelectric sheet (114) of the receiver is different from the thickness of the piezoelectric sheet ( 114) of the emitter and where the mechanical resonance frequency of the piezoelectric sheet (114) in the receiver Rx is equal to the electrical resonance frequency of the piezoelectric sheet (114) in the emitter Tx and and where both frequencies are at the frequency transducer center.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.Throughout the description and claims the word "comprise" and its variants are not intended to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and characteristics of the invention will emerge in part from the description and in part from the practice of the invention. The following examples and figures are provided by way of illustration, and are not intended to be limiting of the present invention.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Figura 1: Vista de la sección transversal del transductor de la invención y sus componentes:Figure 1: Cross-sectional view of the transducer of the invention and its components:
Figura 2: Plano de la lente y sus diferentes partes.Figure 2: Plane of the lens and its different parts.
Figura 3: Sección transversal y relaciones geométricas presentes en la inspección de un componente con el transductor de la invención: Ilustración de los parámetros implicados en la determinación de la geometría óptima de la lente.Figure 3: Cross section and geometric relationships present in the inspection of a component with the transducer of the invention: Illustration of the parameters involved in determining the optimal geometry of the lens.
Figura 4: Módulo de la impedancia eléctrica de los discos piezoeléctricos empleados para fabricar Tx y RxFigure 4: Modulus of the electrical impedance of the piezoelectric discs used to manufacture Tx and Rx
Figura 5: Etapas del montaje del transductor de la invención.Figure 5: Stages of assembly of the transducer of the invention.
Figura 6: Respuesta de los transductores (señal temporal y banda de sensibilidad en frecuencia) fabricados. Figure 6: Response of the transducers (temporal signal and frequency sensitivity band) manufactured.
EJEMPLOSEXAMPLES
A continuación, se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de manifiesto la efectividad del producto de la invención.The invention will be illustrated below by means of tests carried out by the inventors, which show the effectiveness of the product of the invention.
El ejemplo de realización se refiere a un transductor acoplado al aire, con focalización cuasiesférica que sirve para la inspección ultrasónica por transmisión con acoplamiento por aire de materiales compuestos con altas pérdidas, concretamente, para la inspección de componentes con estructura tipo sándwich con núcleo de nido de abeja, pieles fabricadas de material de laminado de resina reforzada con fibra de carbono, asimétricas, y geometría no plana, que se emplean habitualmente en la industria aeronáutica y aeroespacial, y que deben ser inspeccionados mediante ultrasonidos acoplados al aire porque los ultrasonidos presentan enormes pérdidas por transmisión a través de estas piezas.The exemplary embodiment refers to an air-coupled transducer with quasi-spherical targeting that is used for ultrasonic inspection by air-coupled transmission of composite materials with high losses, specifically, for the inspection of components with a sandwich-type structure with a nest core. of bees, skins made of carbon fiber reinforced resin laminate material, asymmetric, and non-planar geometry, which are commonly used in the aeronautical and aerospace industry, and which must be inspected by means of air-coupled ultrasound because ultrasound presents enormous transmission losses through these parts.
La tabla I resume las principales especificaciones del diseño de los transductores para la aplicación.Table I summarizes the main transducer design specifications for the application.
Tabla I.Table I.
* Cuando el material a inspeccionar es un material multicapa la inspección se lleva a cabo por la cara externa* When the material to be inspected is a multilayer material, the inspection is carried out on the external face
**Se elige una resolución lateral < 5 mm conforme a los requisitos de inspección en la industria aeronáutica de estructuras tipo sándwich con piel de resina reforzada por fibra de carbono (CFRP) y núcleo de panel de abeja. ** A lateral resolution <5 mm is chosen according to the inspection requirements in the aeronautical industry of sandwich structures with carbon fiber reinforced resin skin (CFRP) and honeycomb core.
***Se elige una alta sensibilidad > -25 dB (extraordinariamente alta para un transductor *** High sensitivity> -25 dB is chosen (extraordinarily high for a transducer
con acoplamiento por aire) porque se ha observado que valores inferiores pueden dar with air coupling) because it has been observed that lower values can give
lugar a una relación señal ruido muy pobre que no permite la correcta identificación de result in a very poor signal-to-noise ratio that does not allow the correct identification of
defectos.defects.
La Figura 1 se refiere a los componentes del transductor que se listan a continuación:Figure 1 refers to the transducer components listed below:
(101) Tapa trasera del casquillo metálico(101) Metal bushing rear cover
(102) Hilo conductor(102) Conductive wire
(103) : Resina para la fijación del elemento (lámina o disco) piezoeléctrico (114) al casquillo ( 112 ) (103): Resin for fixing the piezoelectric element (sheet or disk) (114) to the bushing ( 112 )
(104): Metalización de la cara interna del piezo(104): Metallization of the internal face of the piezo
(105) : Capa conductora (metalización)(105): Conductive layer (metallization)
(106) : Capa adhesiva(106): Adhesive layer
(107) : Capa adhesiva(107): Adhesive layer
(108) : Capa cuarto de onda(108): Quarter wave layer
(109): Conector trasero(109): Rear connector
(110) : Inductancia en paralelo(110): Inductance in parallel
(111) : Inductancia en serie(111): Series inductance
(112) : Casquillo(112): Cap
(113) : Soldadura del hilo conductor al piezo(113): Welding the lead wire to the piezo
(114): Lámina o disco piezoeléctrico(114): Piezoelectric foil or disc
(115) : Lente(115): Lens
(116) : Corona frontal del casquillo(116): Cap front crown
La lente se diseña de forma específica para conseguir que la transmisión de energía del The lens is specifically designed to ensure that the transmission of energy from the
transductor al aire y del aire al componente a inspeccionar sea máxima. Por lo tanto, la lente transducer to the air and from the air to the component to be inspected is maximum. Therefore, the lens
se ha diseñado en función del tipo de material a inspeccionar y de la resolución espacial que It has been designed according to the type of material to be inspected and the spatial resolution that
la aplicación en concreto demanda (a).the specific application demands (a).
La Figura 2 se refiere a las partes de la lente que se listan a continuación:Figure 2 refers to the lens parts listed below:
(201) Borde externo de la lente;(201) Outer edge of lens;
(202) Superficie cóncava de la lente (anillo esférico);(202) Concave lens surface (spherical ring);
(203) Sección circular, plana de la lente;(203) Circular, flat section of the lens;
(204) Grosor de la lente en la zona plana;(204) Thickness of the lens in the flat area;
(205) Anchura del anillo plano externo de la lente;(205) Width of the outer plane ring of the lens;
(206) Diámetro del disco central plano de la lente;(206) Diameter of the flat central disc of the lens;
(207) Diámetro externo de la sección esférica de la lente;(207) External diameter of the spherical section of the lens;
(208) Diámetro total de la lente.(208) Total diameter of the lens.
Los parámetros implicados en la determinación de la geometría óptima de la lenteThe parameters involved in determining the optimal geometry of the lens
(301) Diámetro del disco piezoeléctrico(301) Piezoelectric disc diameter
(302) Radio del disco piezoeléctrico (302) Piezoelectric disc radius
(303) Angulo máximo de incidencia de la radicación sobre el material a inspeccionar, que es igual al ángulo límite (0_lim)(303) Maximum angle of incidence of radiation on the material to be inspected, which is equal to the limit angle (0_lim)
(304) Fa: Distancia focal (foco acústico)(304) Fa: Focal length (acoustic focus)
(305) Fg: Radio de curvatura de la lente (foco geométrico)(305) Fg: Lens curvature radius (geometric focus)
(306) 0r: Ángulo de refracción en la interfase lente/aire;(306) 0r: Angle of refraction at the lens / air interface;
(307) 0i: Apertura angular nominal(307) 0i: Nominal angular aperture
(308) Material en la superficie del componente a inspeccionar (puede ser CFRP),(308) Material on the surface of the component to be inspected (can be CFRP),
(309) Material en el núcleo del componente a inspeccionar (puede ser honeycomb).(309) Material in the core of the component to be inspected (it can be honeycomb).
Adicionalmente, la geometría de dicha lente se ha diseñado de manera que:Additionally, the geometry of said lens has been designed in such a way that:
i) la apertura angular del transductor (303) es igual al valor del ángulo límite, dUm, para la transmisión de los ultrasonidos desde el aire al material bajo inspección (por ejemplo, 0|im ~ 9o para transmisión de aire a un compuesto de resina reforzada por fibra de carbono como los empleados en el sector aeronáutico, CFRP),i) the angular opening of the transducer (303) is equal to the value of the limit angle, d Um, for the transmission of ultrasound from the air to the material under inspection (for example, 0 | im ~ 9o for transmission of air to a composite carbon fiber reinforced resin such as those used in the aeronautical sector, CFRP),
ii) la distancia focal Fa (304) está comprendida dentro de la zona de campo próximo del transductor, definida por a2/X, donde a es el radio de la apertura del transductor (302) y A la longitud de onda en el aire a la frecuencia central del transductor.ii) the focal length Fa (304) is within the near field zone of the transducer, defined by a2 / X, where a is the radius of the transducer (302) aperture and A is the wavelength in air at the center frequency of the transducer.
iii) el grosor de la lente en la zona central (204) es igual a un cuarto de onda,iii) the thickness of the lens in the central zone (204) is equal to a quarter wave,
XJ4 donde X es la longitud de onda del ultrasonido en la lente a la frecuencia central del transductor (fcent). XJ4 where X is the wavelength of the ultrasound at the lens at the transducer's center frequency ( fcent ).
iv) la anchura del haz en el punto focal (W) correspondiente a un transductor equivalente, pero con focalización perfectamente esférica y radio de curvatura Fg es menor o igual que la resolución requerida (a).iv) the beam width at the focal point ( W) corresponding to an equivalent transducer, but with perfectly spherical focusing and radius of curvature Fg is less than or equal to the required resolution (a).
AFgAfg
W = 1.4 — — < o 2 a W = 1 . 4 - - < or 2 a
v) El diámetro del disco central plano de la lente (203) es menor o igual que a.v) The diameter of the flat central disc of the lens (203) is less than or equal to a.
Adicionalmente, el diseño de dicha lente ha implicado:Additionally, the design of said lens has involved:
i) el cálculo de los parámetros geométricos de diseño de la lente teniendo en cuenta la refracción que sufre el ultrasonido al pasar de la lente al aire (Figura 3), por lo que el radio de curvatura de la lente, o distancia focal geométrica Fg (305), no coincide con la distancia focal acústica o real Fa (304). Así, la distancia focal acústica o real, Fa (304), y se obtiene a partir del ángulo de refracción a la salida de la lente en un punto del borde exterior dR (306). Dicho ángulo se calcula a partir de la ley de Snell en la superficie de la lente y del ángulo de incidencia de la radiación ultrasónica en la superficie de la lente en ese punto: 0¿ (307):i) the calculation of the geometric design parameters of the lens taking into account the refraction suffered by the ultrasound when passing from the lens to the air (Figure 3), so that the radius of curvature of the lens, or geometric focal length Fg (305), does not match the real or acoustic focal length Fa (304). Thus, the acoustic or real focal length, Fa (304), and is obtained from the angle of refraction at the exit of the lens at a point on the outer edge dR (306). This angle is calculated from Snell's law at the lens surface and the angle of incidence of the ultrasonic radiation on the lens surface at that point: 0¿ (307):
dR = asin(yM/v LsinBUm) (Ecuación 1) dR = asin ( yM / v LsinBUm) (Equation 1)
Donde vM es la velocidad de los ultrasonidos en el medio externo (aire: -350 m/s) y vl la velocidad de los ultrasonidos en la lente (espuma sintáctica -2500 m/s). Como los ángulos implicados en el problema cumplen la siguiente relación geométrica (ver figura 3):Where vM is the speed of the ultrasound in the external environment (air: -350 m / s) and vl the speed of the ultrasound in the lens (syntactic foam -2500 m / s). Since the angles involved in the problem meet the following geometric relationship (see figure 3):
Qiím 9r = 9í (Ecuación 2) Qiím 9r = 9í (Equation 2)
Podemos obtener 0¿:We can get 0¿:
tandi = - vL/v M síndlim/ (1.0 - vL/v M cos9lim) (Ecuación 3) tandi = - vL / v M syndlim / (1.0 - vL / v M cos9lim) (Equation 3)
ii) Además, se ha impuesto que la posición del foco geométrico se sitúe dentro de la zona de campo próximo del transductor:ii) In addition, it has been imposed that the position of the geometric focus is within the near field area of the transducer:
Fg = Sa2/A , donde: 0 < 5 < 1 (Ecuación 4) Fg = Sa2 / A , where: 0 <5 <1 (Equation 4)
Es decir, se determina el valor de 5.That is, the value of 5 is determined.
Por lo tanto, la apertura del transductor (o) se determina según (Ecuación 5):Therefore, the opening of the transducer (o) is determined according to (Equation 5):
a = 2<t/ (1.45) (Ecuación 5) a = 2 <t / (1.45) (Equation 5)
Con lo que el radio de curvatura de la lente o foco geométrico Fg (305) viene dado, finalmente, por:With which the radius of curvature of the lens or geometric focus Fg (305) is finally given by:
Fg = a/sindí (Ecuación 6) Fg = a / sindí (Equation 6)
Se determina la frecuencia mínima del transductor para alcanzar la resolución deseada (Ecuación 6): Determine the minimum frequency of the transducer to achieve the desired resolution (Equation 6):
fm in T4l7jvf/(2o'SÍW0¡¿m) (ECU3CÍÓH 7) fm in T4l7jvf / (2o'SÍW0¡¿m) (ECU3CÍÓH 7)
Con los datos de la tabla I, el ángulo límite (303) (incidencia del haz ultrasónico sobre el material a inspeccionar (308)), en este caso es 0i¡m = 7,44°With the data in table I, the limiting angle (303) (incidence of the ultrasonic beam on the material to be inspected (308)), in this case is 0i¡m = 7.44 °
Como material piezoeléctrico (114) se emplea un disco de composite 1-3 de PZT5A (60% en volumen) y resina epoxi, polarizado en la dirección del espesor y metalizado en las caras planas (SnCu 200 nm de espesor).As piezoelectric material (114), a 1-3 composite disc of PZT5A (60% by volume) and epoxy resin is used, polarized in the thickness direction and metallized on the flat faces (SnCu 200 nm thick).
La impedancia acústica de este material es: Zp = 17 MRayl. El material a emplear en la lente (115) debe tener una impedancia ZL = (ZP ZCae) 1/2, donde CAE es la capa de adaptación externa (108) para la que se emplea un material con Zcae = 0,07 MRayl, es decir, Zl« 1,09 MRayl. El material seleccionado en este caso es una espuma sintáctica: un compuesto de resina epoxi cargada con micro esferas huecas de vidrio (concentración 60% en volumen y diámetro de las microesferas 20 um). Se fabrica una pastilla de sección circular (diámetro igual a la apertura del transductor) y grosor de 3 mm. La velocidad de propagación de los ultrasonidos en este material es de 2100 m/s y la impedancia acústica de 1,02 MRayl, muy próximapuesalarequerida.The acoustic impedance of this material is: Zp = 17 MRayl. The material to be used in the lens (115) must have an impedance ZL = (ZP ZC ae ) 1/2, where CAE is the external adaptation layer (108) for which a material with Zcae = 0.07 MRayl is used , that is, Zl «1.09 MRayl. The material selected in this case is a syntactic foam: an epoxy resin compound loaded with hollow glass microspheres (concentration 60% by volume and diameter of the microspheres 20 um). A wafer is manufactured with a circular section (diameter equal to the transducer aperture) and a thickness of 3 mm. The speed of propagation of ultrasound in this material is 2100 m / s and the acoustic impedance of 1.02 MRayl, very close to that required.
Se determina que la posición del foco geométrico este a 0,6 x distancia del campo próximo, es decir: se toma 5 = 0,6.It is determined that the position of the geometric focus is 0.6 x distance from the near field, that is, 5 = 0.6 is taken.
Con estos parámetros y los valores de tabla I se determinan las especificaciones restantes de los transductores y la lente:These parameters and the values in Table I determine the remaining specifications of the transducers and lens:
Tabla II. Parámetros de diseño del transductorTable II. Transducer design parameters
Dados estos parámetros de diseño, se fabrica un transductor cuya frecuencia central es de 400 kHz. Se emplean dos discos piezoeléctricos del material mencionado, de diámetro 25 mm. Para el transductor emisor se sintoniza la resonancia eléctrica del modo espesor del disco a fcent = 400 kHz (lo que requiere un espesor del disco de 3,92 mm) y para el receptor se sintoniza la resonancia mecánica a fcent = 400 kHz (lo que requiere un espesor del disco de 4,66 mm).Given these design parameters, a transducer whose center frequency is 400 kHz is manufactured. Two piezoelectric discs of the aforementioned material are used, with a diameter of 25 mm. For the transmitter transducer, the electrical resonance of the disk thickness mode is tuned to fcent = 400 kHz (which requires a disk thickness of 3.92 mm) and for the receiver the mechanical resonance is tuned to fcent = 400 kHz (which requires a disc thickness of 4.66 mm).
Para la capa de adaptación externa (108) se emplea una membrana de polietersulfona fabricada por inversión de fase (precipitación por inmersión) con 140 p,m de grosor adecuada como capa de adaptación para este caso ya que presenta una impedancia acústica de ZCae = 0,07 MRayl y una frecuencia de resonancia (A./4) de 400 kHz, sintonizada a la frecuencia central a la que se quiere diseñar el transductor, fcent, (ver tabla II), donde sintonizada quiere decir que la frecuencia de resonancia del modo espesor de la lámina (cuarto de onda o A./4, donde X denota la longitud de onda) se toma igual a la frecuencia de resonancia del transductor. Como esta frecuencia en la lámina viene dada por: f = v /4t, donde v es la velocidad de los ultrasonidos en el material con el que se fabrica la lámina y t el grosor, esto permite, una vez determinado el material a emplear, calcular el grosor necesario.For the external adaptation layer (108) a polyethersulfone membrane manufactured by phase inversion (precipitation by immersion) with 140 p, m thickness is used, suitable as an adaptation layer for this case since it presents an acoustic impedance of ZC ae = 0.07 MRayl and a resonance frequency (A./4) of 400 kHz, tuned to the central frequency to which the transducer is to be designed, fcent , (see table II), where tuned means that the resonance frequency from the thickness mode of the sheet (quarter wave or A./4, where X denotes the wavelength) is taken equal to the resonant frequency of the transducer. As this frequency in the sheet is given by: f = v / 4t, where v is the speed of ultrasound in the material with which the sheet is manufactured and t the thickness, this allows, once the material to be used has been determined, to calculate the necessary thickness.
Para verificar que para la apertura (302) seleccionada el modo espesor del disco piezoeléctrico está libre de interferencias con modos radiales y la correcta sintonización de las frecuencias de operación de transductor emisor y receptor, se mide la impedancia eléctrica en un analizador de redes para verificar el suficiente desacoplo entre el modo espesor y los modos radiales.To verify that for the aperture (302) selected the thickness mode of the piezoelectric disc is free of interference with radial modes and the correct tuning of the transmitter and receiver transducer operating frequencies, the electrical impedance is measured in a network analyzer to verify sufficient decoupling between thickness mode and radial modes.
Tabla III. Componentes de los transductores en este ejemplo de realización.Table III. Components of the transducers in this embodiment.
La figura 6 muestra la respuesta de los dos transductores así fabricados. Separación: 140 mm, Excitación: Pulser/Receiver de Olympus, modelo 5077, Excitación de 100 V. Receptor conectado directamente a un osciloscopio digital para representar la señal recibida (Tektronix DPO7054).Figure 6 shows the response of the two transducers thus manufactured. Spacing: 140mm, Excitation: Olympus Pulser / Receiver, Model 5077, Excitation 100V. Receiver connected directly to a digital oscilloscope to represent the received signal (Tektronix DPO7054).
Procedimiento de fabricación:Manufacturing procedure:
(1) Procedimiento para la verificación inicial de los discos piezoeléctricos y su correcta sintonización por medida de impedancia eléctrica. ( 1) Procedure for the initial verification of piezoelectric discs and their correct tuning by electrical impedance measurement.
Se comprueba la integridad y correcta sintonización de los discos piezoeléctricos mediante la medida de su impedancia eléctrica en un analizador de impedancias o un analizador de redes en el entorno de la frecuencia de resonancia del modo espesor proporcionada, en este caso 0,4 MHz. Para medir la impedancia eléctrica del disco se conectan las caras metalizadas a los bornes de salida del analizador de impedancias. Se verifica que la resonancia eléctrica de Tx y la resonancia mecánica de Rx se encuentran en 0,4 MHz (tolerancia 10%). Esta será la frecuencia central del transductor a fabricar. Se verifica la influencia casi despreciable de los modos radiales de vibración.The integrity and correct tuning of the piezoelectric discs are checked by measuring their electrical impedance in an impedance analyzer or a network analyzer in the vicinity of the thickness mode resonance frequency provided, in this case 0.4 MHz. For To measure the electrical impedance of the disk, connect the metallized faces to the output terminals of the impedance analyzer. It is verified that the electrical resonance of Tx and the mechanical resonance of Rx are at 0.4 MHz (tolerance 10%). This will be the center frequency of the transducer to be manufactured. The almost negligible influence of the radial modes of vibration is verified.
La Figura 4 muestra el módulo de la impedancia eléctrica (ohm) de los discos de composite piezoeléctrico empleados para construir Tx y Rx, frente a la frecuencia (MHz) y medido en el entorno de la frecuencia de resonancia (0,4 MHz). Como se ha mencionado, en primer lugar, se verifica que la frecuencia de la resonancia eléctrica de Tx coincide con la frecuencia de resonancia mecánica de Rx y ambas se sitúan en la frecuencia a la que se quiere diseñar el transductor (400 kHz). En segundo lugar, se verifica que las oscilaciones que se observan a baja frecuencia, que corresponden a los modos radiales en el disco, prácticamente no interfieren con modo espesor que aparece a 0,4 MHz.Figure 4 shows the modulus of the electrical impedance (ohm) of the piezoelectric composite discs used to construct Tx and Rx, versus the frequency (MHz) and measured in the vicinity of the resonance frequency (0.4 MHz). As mentioned, first, it is verified that the electrical resonance frequency of Tx coincides with the mechanical resonance frequency of Rx and both are located at the frequency at which the transducer is to be designed (400 kHz). Secondly, it is verified that the oscillations observed at low frequencies, which correspond to the radial modes in the disk, practically do not interfere with the thickness mode that appears at 0.4 MHz.
(2) Fabricación de la lente. ( 2) Manufacture of the lens.
Para fabricar la lente puede emplearse cualquier método conocido. En particular, al tratarse de una espuma sintáctica, constituida por resina epoxi y microesferas de vidrio hueco, es posible hacer la mezcla de ambos componentes con la resina en estado líquido y verter en un molde que reproduce la geometría de la lente. Alternativamente, es posible fabricar una pastilla y a partir de ella tallar la geometría de la lente calculada (tabla II: radio de curvatura de la lente, grosor de la lente en el punto central y diámetro del disco plano central de la lente) empleando un torno con control numérico. En este caso se ha empleado esta segunda opción.Any known method can be used to manufacture the lens. In particular, since it is a syntactic foam, made up of epoxy resin and hollow glass microspheres, it is possible to mix both components with the resin in a liquid state and pour into a mold that reproduces the geometry of the lens. Alternatively, it is possible to manufacture a chip and from it carve the geometry of the calculated lens (table II: radius of curvature of the lens, thickness of the lens at the center point and diameter of the central flat disk of the lens) using a lathe with numerical control. In this case, this second option has been used.
(3) Montaje del transductor. ( 3) Mounting the transducer.
El proceso de montaje del transductor se esquematiza en la figura 5.The transducer assembly process is outlined in figure 5.
(502) Lámina de plástico de soporte para el montaje del disco piezoeléctrico (114) al casquillo (112);(502) Plastic support sheet for mounting the piezoelectric disc (114) to the bushing (112);
(503) Cinta adhesiva de doble cara para fijar disco piezoeléctrico (114) y casquillo (112) a la lámina (502)(503) Double-sided adhesive tape to fix piezoelectric disc (114) and bushing (112) to the sheet (502)
a) Se suelda un hilo conductor (102) al disco piezoeléctrico empleando estaño y pasta para soldar (113). Se aplica un agente demoldeante a la otra cara del disco piezoeléctrico. Se toma una lámina de plástico (policarbonato 200 um, 30 x 30 mm) (502) y se pega cinta adhesiva de doble cara (503) sobre ella. Esto hará de soporte para la fijación del disco piezoeléctrico al casquillo. Se pega el disco piezoeléctrico a esta lámina por la cara sobre la que se aplicó el demoldeante.a) A conductive wire (102) is soldered to the piezoelectric disk using tin and solder paste (113). A demolition agent is applied to the other face of the piezoelectric disk. Take a plastic sheet (polycarbonate 200 um, 30 x 30 mm) (502) and stick double-sided adhesive tape (503) on it. This will act as a support for fixing the piezoelectric disc to the socket. The piezoelectric disc is glued to this sheet on the face on which the demolder was applied.
b) Se pega el casquillo metálico (112) al film de plástico (502) de forma concéntrica al disco piezoeléctrico, asegurando la estanqueidad de la cavidad formada por casquillo, disco piezoeléctrico y lámina de policarbonato. Se rellena el borde entre el casquillo y el disco piezoeléctrico (ancho de 1 mm en el presente ejemplo) con resina epoxi (103).b) The metallic sleeve (112) is glued to the plastic film (502) concentrically to the piezoelectric disk, ensuring the sealing of the cavity formed by the sleeve, piezoelectric disk and polycarbonate sheet. The edge between the bushing and the piezoelectric disc (width 1 mm in the present example) is filled with epoxy resin (103).
c) Una vez curada la resina (103), se retira el film (502), se limpia la superficie del disco piezoeléctrico y del casquillo y se cubre la superficie frontal con una delgada capa (100 pm) de resina conductora (105). Se verifica la conductividad eléctrica entre la superficie que se acaba de metalizar y el casquillo metálico del transductor d) Se pega la lente (104) a (105) empleando una capa de adhesivo de uretano de 100 pm (106).c) Once the resin (103) has cured, the film (502) is removed, the surface of the piezoelectric disk and the cap is cleaned and the front surface is covered with a thin layer (100 pm) of conductive resin (105). The electrical conductivity between the surface that has just been metallized and the metallic cap of the transducer is verified d) The lens (104) is glued to (105) using a layer of 100 µm urethane adhesive (106).
e) Se pega la capa de adaptación cuarto de onda de membrana polimérica (107) a la lente empleando cinta adhesiva de doble cara (108). e) The polymeric membrane quarter wave adaptation layer (107) is glued to the lens using double-sided adhesive tape (108).
f) Se fija la corona frontal (116) al borde del casquillo empleando adhesivo de uretano. Se suelda la inductancia serie (111) al hilo conductor (102)f) Attach the front crown (116) to the edge of the cap using urethane adhesive. The series inductance (111) is soldered to the conductive wire (102)
g) Se suelda la inductancia paralelo (110) al conector BNC (109) alojado en la tapa trasera (101)g) The parallel inductor (110) is soldered to the BNC connector (109) housed in the rear cover (101)
h) Se fija la tapa al casquillo empleando resina epoxi conductora.h) Fix the cap to the cap using conductive epoxy resin.
Se deja curar la resina depositada entre el casquillo y el disco piezoeléctrico. The resin deposited between the cap and the piezoelectric disk is allowed to cure.
Claims (12)
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| ES201930801A ES2812373B2 (en) | 2019-09-16 | 2019-09-16 | Focusing system for a focused, air-coupled ultrasound emitter, receiver or transducer |
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Legal Events
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