RU2034291C1

RU2034291C1 - Shield of ultrasound transducer

Info

Publication number: RU2034291C1
Authority: RU
Inventors: П.О. Липовко-Половинец
Original assignee: Межотраслевая научно-техническая лаборатория "Диагностика" - Товарищество с ограниченной ответственностью
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: ultrasound devices. SUBSTANCE: shield is made as a plate having two working sides. One side is flat and is designed for acoustic connection to piezoelectric element. Another side is rough and has several grooves of rectangular shape. This surface interacts with the medium in operation mode. Area of grooves is half of total area of this surface and depth of grooves is an odd factor of quarter wave lengths of ultrasound in material of shield. EFFECT: facilitated manufacturing. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в конструкциях ультразвуковых преобразователей как измерительных приборов (например, дефектоскопов металлов), так и технологических аппаратов (например, очистных камер). The invention relates to ultrasonic technology and can be used in the construction of ultrasonic transducers as measuring instruments (for example, metal flaw detectors), and technological devices (for example, treatment chambers).

Известен протектор ультразвукового преобразователя в форме плоскопараллельной пластины с толщиной менее 0,1 длины волны ультразвука в ее материале. Известен также согласующий протектор ультразвукового преобразователя в форме плоскопараллельной пластины с толщиной в четверть длины волны ультразвука в ее материале, имеющем удельное акустическое сопротивление, равное среднегеометрическому значению сопротивлений прилегающих сред. A protector of an ultrasonic transducer in the form of a plane-parallel plate with a thickness of less than 0.1 wavelength of ultrasound in its material is known. Also known is a matching protector of an ultrasonic transducer in the form of a plane-parallel plate with a thickness of a quarter wavelength of ultrasound in its material having a specific acoustic impedance equal to the geometric mean value of the resistances of the adjacent media.

Наиболее близким к изобретению является согласующий протектор ультразвукового преобразователя, выполненный в виде четвертьволновой пластины с двумя рабочими сторонами, одна из которых предназначена для акустической связи с пьезоэлементом и является плоской, а в другой, предназначенной для взаимодействия с контактирующей средой, выполнены конические углубления. Протектор снабжен плоской мембраной, закрепленной на торцовых поверхностях выступов четвертьволновой пластины. Closest to the invention is the matching protector of the ultrasonic transducer, made in the form of a quarter-wave plate with two working sides, one of which is designed for acoustic communication with the piezoelectric element and is flat, and the other, designed for interaction with the contacting medium, has conical recesses. The tread is equipped with a flat membrane mounted on the end surfaces of the protrusions of the quarter-wave plate.

Недостатками этого протектора являются сложность конструкции и технологии изготовления. Причем сложность конструкции обусловлена наличием дополнительной мембраны, конической формой углублений, необходимостью подбора площади, занятой углублениями, в зависимости от удельных акустических сопротивлений материалов четвертьволновой пластины и контактирующей среды, а расстояний между углублениями в зависимости от толщины и материала мембраны. Сложность изготовления известного протектора обусловлена также трудоемкостью бездефектного скрепления мембраны с торцовыми поверхностями многочисленных выступов. The disadvantages of this tread are the complexity of the design and manufacturing technology. Moreover, the design complexity is due to the presence of an additional membrane, the conical shape of the recesses, the need to select the area occupied by the recesses, depending on the specific acoustic resistances of the materials of the quarter-wave plate and the contact medium, and the distances between the recesses, depending on the thickness and material of the membrane. The complexity of manufacturing the known tread is also due to the complexity of defect-free bonding of the membrane with the end surfaces of numerous protrusions.

В сравнении с известными протекторами в предлагаемом протекторе ультразвукового преобразователя эффект акустического согласования обеспечивается более простыми конструктивными и технологическими приемами. Данный протектор выполнен в виде пластин с двумя рабочими сторонами, одна из которых предназначена для акустической связи с пьезоэлементом и является плоской, а в другой, предназначенной для взаимодействия с контактирующей средой, выполнены углубления прямоугольного сечения. Наилучшее согласование с контактирующей средой достигается в том случае, когда глубина углублений составляет нечетное число четвертей длины волны ультразвука, а отношение суммарной площади углублений к площади поверхности протектора равно 1:2. In comparison with the known treads in the proposed tread of the ultrasonic transducer, the effect of acoustic matching is provided by simpler design and technological methods. This tread is made in the form of plates with two working sides, one of which is designed for acoustic communication with the piezoelectric element and is flat, and in the other, designed to interact with the contacting medium, rectangular recesses are made. The best agreement with the contacting medium is achieved when the depth of the recesses is an odd number of quarters of the ultrasound wavelength, and the ratio of the total area of the recesses to the tread surface is 1: 2.

Таким образом, предлагаемый протектор в отличие от прототипа имеет более простую конструкцию, в составе которой, в частности, отсутствует мембрана, и технологию изготовления. Thus, the proposed tread, in contrast to the prototype, has a simpler structure, in which, in particular, there is no membrane, and manufacturing technology.

На чертеже схематически представлена конструкция предлагаемого протектора ультразвукового преобразователя, разрез вдоль оси симметрии. The drawing schematically shows the design of the proposed tread of the ultrasonic transducer, a section along the axis of symmetry.

Протектор имеет две рабочие стороны 1 и 2. Сторона 1 предназначена для акустической связи с пьезоэлементом и является плоской. Сторона 2 предназначена для взаимодействия с контактирующей средой: иммерсионной жидкостью при иммерсионном режиме работы или контактной средой при контактном режиме. В качестве контактной среды может использоваться контактная жидкость, консистентная смазка или эластомер. Сторона 2 протектора не является плоской, в ней выполнены углубления 3 прямоугольного сечения. Для наиболее эффективной работы протектора глубина углублений 3 должна составлять нечетное число четвертей длины волны ультразвука в материале протектора (для излучающего преобразователя) либо в контактирующей среде (для приемного преобразователя), а площадь углублений 3 в проекции на поверхность 2 протектора половину исходной площади протектора. Для работы протектора при одной частоте ультразвуковых колебаний рационально выполнять все углубления равновеликими и размещать их равномерно по площади поверхности 2. Углубления могут быть выполнены путем фрезерования, литья, прессования, штамповки и т.д. The tread has two working sides 1 and 2. Side 1 is designed for acoustic communication with the piezoelectric element and is flat. Side 2 is designed to interact with the contacting medium: immersion liquid during immersion mode of operation or contact medium in contact mode. Contact fluid, grease or elastomer may be used as the contact medium. Side 2 of the tread is not flat, it has recesses 3 of rectangular cross section. For the most effective tread operation, the depth of the recesses 3 should be an odd number of quarters of the ultrasound wavelength in the tread material (for the emitting transducer) or in the contact medium (for the receiving transducer), and the area of the recesses 3 in the projection onto the tread surface 2 is half the original tread area. For the tread to work at the same frequency of ultrasonic vibrations, it is rational to make all the recesses equally large and place them uniformly over the surface area 2. The recesses can be made by milling, casting, pressing, stamping, etc.

Размер углублений 3 вдоль поверхности 2 может быть любым, но рекомендуется устанавливать его больше длины ультразвука в материале протектора. При значении этого размера меньше длины волны (особенно менее 0,1 этой величины) будет наблюдаться рост диффузной составляющей отраженного звука и уменьшение отражения в зеркальном направлении, т. е. снижение эффекта "просветления". The size of the recesses 3 along the surface 2 can be any, but it is recommended to install it more than the length of the ultrasound in the tread material. With a value of this size shorter than the wavelength (especially less than 0.1 of this value), an increase in the diffuse component of the reflected sound and a decrease in reflection in the mirror direction, ie, a decrease in the “bleaching” effect, will be observed.

Протектор ультразвукового преобразователя работает следующим образом. The protector of the ultrasonic transducer operates as follows.

При перпендикулярном падении колебаний (не показаны), излученных пьезоэлементом (не показан), акустически связанным с поверхностью 1 протектора, на границу 2, заполненную контактирующей средой (не показана), происходят частичные отражения энергии колебаний от поверхностей углублений 3 и выступов 4. Разность хода этих отраженных колебаний составляет нечетное число полуволн ультразвука в материале протектора. Учитывая, что отражающие площади углублений 3 и выступов 4 равны, амплитуды соответствующих отраженных волн также будут равны. При этом происходит интерференционное гашение отраженных колебаний, в результате чего практически вся энергия падающих волн проходит сквозь сторону 2 наружу от протектора, обеспечивая эффект "просветления". With a perpendicular incidence of vibrations (not shown) emitted by a piezoelectric element (not shown), acoustically connected with the tread surface 1, to a boundary 2 filled with a contacting medium (not shown), partial reflection of the vibration energy from the surfaces of the recesses 3 and protrusions 4 occurs. The path difference of these reflected vibrations is an odd number of half-waves of ultrasound in the tread material. Given that the reflecting areas of the recesses 3 and the protrusions 4 are equal, the amplitudes of the corresponding reflected waves will also be equal. In this case, interference damping of the reflected oscillations occurs, as a result of which almost all the energy of the incident waves passes through side 2 to the outside of the tread, providing the effect of "enlightenment".

Данный протектор может эффективно работать и в режиме приема ультразвуковых колебаний. В этом случае колебания, падающие снаружи протектора на его границу 2, будут также частично отражаться от поверхностей выступов 4 и углублений 3. Для их интерференционного гашения необходимо, чтобы разность хода отраженных волн была равна нечетному числу полуволн ультразвука, но уже в контактирующей среде. Это условие может быть обеспечено так же легко, как и в протекторе излучающего преобразователя путем задания соответствующей глубины углублений 3. This protector can also work effectively in the mode of receiving ultrasonic vibrations. In this case, the oscillations incident on the outside of the tread on its boundary 2 will also partially be reflected from the surfaces of the protrusions 4 and the recesses 3. For their interference damping, it is necessary that the difference in the path of the reflected waves be equal to an odd number of half waves of ultrasound, but already in a contacting medium. This condition can be provided as easily as in the tread of the emitting transducer by setting the corresponding depth of the recesses 3.

Очевидно, чтобы протектор мог одинаково эффективно работать в режимах как излучения, так и приема ультразвуковых колебаний, его материал следует подбирать таким образом, чтобы скорость ультразвуковых колебаний в последнем была в нечетное число раз больше по сравнению со скоростью ультразвука в контактирующей среде. В качестве практического примера можно привести случай иммерсионного ультразвукового контроля в водной среде. В этом случае для материала протектора целесообразно использовать латунь, в которой скорость ультразвука в 3 раза выше, чем в воде. Вдобавок латунь, как известно, хорошо акустически согласуется с широко используемыми материалами пьезоэлементов. Obviously, for the tread to work equally effectively in both radiation and ultrasonic vibrations, its material should be selected so that the speed of ultrasonic vibrations in the latter is an odd number of times greater than the speed of ultrasound in a contacting medium. A case in point is the case of immersion ultrasonic testing in an aqueous medium. In this case, it is advisable to use brass for the tread material, in which the ultrasound speed is 3 times higher than in water. In addition, brass, as you know, is well acoustically consistent with the widely used piezoelectric materials.

Следует отметить, что описанный эффект интерференционного гашения отраженных колебаний имеет место и при комнатном режиме работы предлагаемого протектора ультразвукового преобразователя. Однако в указанном режиме работы эффект гашения всегда неполный (за исключением гипотетического случая равенства акустических сопротивлений контактной жидкости и контролируемого объекта, что по акустическим условиях повторяет иммерсию) и проявляется не при всех условиях. Наибольшая степень "просветления" границы контакта с объектом у предлагаемого протектора имеет место в том случае, когда материал протектора акустически более жесткий в сравнении с материалом объекта (например, металл в сравнении с полимером), а контактная жидкость достаточно легкая. Поэтому предлагаемый протектор наиболее эффективно использовать в иммерсионных ультразвуковых преобразователях. It should be noted that the described effect of interference damping of reflected vibrations also occurs with the room operating mode of the proposed tread of the ultrasonic transducer. However, in the indicated operating mode, the quenching effect is always incomplete (except for the hypothetical case of equal acoustic resistance of the contact fluid and the controlled object, which under acoustic conditions repeats immersion) and does not appear under all conditions. The greatest degree of “enlightenment” of the contact boundary with the object of the proposed tread occurs when the tread material is acoustically stiffer in comparison with the material of the object (for example, metal in comparison with the polymer), and the contact liquid is quite light. Therefore, the proposed protector is most effectively used in immersion ultrasonic transducers.

Claims

1. PROTECTOR OF THE ULTRASONIC TRANSDUCER, made in the form of a plate with two working sides, one of which is designed for acoustic communication with the piezoelectric element and is flat, and in the other intended for interaction with the contacting medium, recesses are made, characterized in that the recesses have a rectangular cross-section.

2. The tread according to claim 1, characterized in that the depth of the recesses is an odd number of quarters of the wavelength, and the ratio of the total area of the recesses to the tread surface area is 1 2.