RU2400744C1

RU2400744C1 - Ultrasonic inspection and measuring transducer

Info

Publication number: RU2400744C1
Application number: RU2009132251/28A
Authority: RU
Inventors: Петр Османович Липовко-Половинец (RU); Петр Османович Липовко-Половинец
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2010-09-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: ultrasonic inspection and measuring transducer which has a piezoelectric transducer acoustically connected to a delay line made in form of mated rotation bodies and a truncated cone whose larger base is joined to the rotation body and the smaller base is the working surface of the ultrasonic transducer is fitted with a delay line mated with the lateral surface and a nozzle which completely covers its conical part, where the said nozzle is made from material with high ultrasound absorption and acoustic resistance which is close to acoustic resistance of the material of the delay line which has the shape of a hollow rotation body with a flat end surface which coincides with the working surface of the inspection and measuring transducer.

EFFECT: increased sensitivity of the ultrasonic transducer.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области ультразвуковой измерительной техники и может быть использовано при исследовании жидкостей и неразрушающем контроле твердых материалов.The invention relates to the field of ultrasonic measuring equipment and can be used in the study of liquids and non-destructive testing of solid materials.

Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий пьезопреобразователь и акустически связанную с ним линию задержки в форме цилиндра с гладкой боковой поверхностью (см., например, Королев М.В., Карпельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые преобразователи. М.: Машиностроение, 1982. - С.84.). Недостатком этого преобразователя является высокий уровень акустических помех, обусловленных отражениями паразитных ультразвуковых колебаний от гладкой боковой поверхности линии задержки.A known ultrasonic transducer containing a piezoelectric transducer and an acoustically associated delay line in the form of a cylinder with a smooth lateral surface (see, for example, Korolev MV, Karpelson AE Broadband ultrasonic transducers. M .: Mechanical Engineering, 1982. - С .84.). The disadvantage of this transducer is the high level of acoustic noise caused by reflections of stray ultrasonic vibrations from the smooth lateral surface of the delay line.

Известны ультразвуковые преобразователи, содержащие пьезопреобразователь и акустически связанную с ним линию задержки, которая для уменьшения вышеуказанных помех имеет сложную форму, например, состоящую из двух усеченных конусов, причем боковая поверхность линии задержки является ребристой для рассеяния паразитных волн (см. А.с. СССР №224935, МПК В06 в 1/06, 1968). Недостатком таких преобразователей является высокий уровень остаточных помех от мениска контактной жидкости при малом объеме последней.There are known ultrasonic transducers containing a piezoelectric transducer and an acoustically coupled delay line which, in order to reduce the above interference, has a complex shape, for example, consisting of two truncated cones, the lateral surface of the delay line being ribbed for scattering stray waves (see A.S. USSR No. 22935, IPC B06 in 1/06, 1968). The disadvantage of such converters is the high level of residual interference from the meniscus of the contact fluid with a small volume of the latter.

Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой преобразователь, содержащий пьезопреобразователь и акустически связанную с ним линию задержки, выполненную в виде сопряженных между собой тела вращения с ребристой боковой поверхностью и усеченного конуса с гладкой боковой поверхностью, большее основание конуса соединено с телом вращения, а меньшее является гладкой рабочей поверхностью. Для снижения уровня акустических помех от мениска жидкости, контактирующей с линией задержки, последняя на торце снабжена замкнутым буртом, на конфигурацию и геометрические размеры которого наложены определенные ограничения (см. А.с. СССР №315478, МПК G01N 29/04, 1970).Closest to the proposed one is an ultrasonic transducer containing a piezoelectric transducer and an acoustically associated delay line made in the form of a conjugated body of revolution with a ribbed side surface and a truncated cone with a smooth side surface, the larger base of the cone is connected to the body of rotation, and the smaller one is smooth work surface. To reduce the level of acoustic noise from the meniscus of the liquid in contact with the delay line, the latter is equipped with a closed collar at the end, the configuration and geometric dimensions of which are subject to certain restrictions (see AS USSR No. 315478, IPC G01N 29/04, 1970).

Недостатком этого преобразователя-прототипа является невысокая чувствительность, обусловленная остаточными акустическими помехами, возникающими в результате отражений от боковой поверхности усеченного конуса, а также - реверберации в объеме бурта. Отмеченный недостаток обусловлен конструктивными особенностями известного преобразователя:The disadvantage of this prototype Converter is the low sensitivity due to residual acoustic noise resulting from reflections from the lateral surface of the truncated cone, as well as reverberation in the bulk of the shoulder. The noted drawback is due to the design features of the known Converter:

а) боковая поверхность усеченного конуса является полированной и граничит с воздухом, т.е. практически полностью отражает энергию падающих на нее колебаний;a) the lateral surface of the truncated cone is polished and borders on air, i.e. almost completely reflects the energy of the vibrations incident on it;

б) бурт выполняют как единое целое с линией задержки, т.е. изготавливают из материала с низким затуханием ультразвуковых колебаний, что не позволяет поглотить прошедшие в бурт колебания.b) the collar is performed as a single unit with the delay line, i.e. made of a material with low attenuation of ultrasonic vibrations, which does not allow to absorb the vibrations that have passed into the shoulder.

Целью изобретения является повышение чувствительности ультразвукового преобразователя за счет ликвидации акустических помех.The aim of the invention is to increase the sensitivity of the ultrasonic transducer by eliminating acoustic noise.

Поставленная цель достигается за счет того, что ультразвуковой контрольно-измерительный преобразователь, содержащий пьезопреобразователь, акустически связанный с линией задержки, выполненной в виде сопряженных между собой тела вращения и усеченного конуса, большее основание которого соединено с телом вращения, а меньшее является рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя, дополнительно снабжен сопрягаемой с боковой поверхностью линии задержки и полностью охватывающей ее коническую часть насадкой, выполняемой из материала с высоким поглощением ультразвука и акустическим сопротивлением, близким к акустическому сопротивлению материала линии задержки, имеющей форму полого тела вращения с плоской торцевой поверхностью, совпадающей с рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя.This goal is achieved due to the fact that the ultrasonic measuring transducer containing a piezoelectric transducer, acoustically connected to the delay line, made in the form of a conjugated body of revolution and a truncated cone, the larger base of which is connected to the body of rotation, and the smaller is the working surface of the ultrasonic transducer is additionally equipped with a nozzle mating with the lateral surface of the delay line and completely covering its conical part, made of material a la with high ultrasound absorption and acoustic resistance close to the acoustic resistance of the material of the delay line, having the form of a hollow body of revolution with a flat end surface that coincides with the working surface of the ultrasonic transducer.

Таким образом, предлагаемый ультразвуковой преобразователь, в отличие от прототипа, вместо бурта снабжен сопрягаемой насадкой вышеописанной формы, полностью охватывающей коническую часть линии задержки и выполненной из материала с высоким поглощением ультразвука и акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению материала линии задержки. Это позволяет полностью ликвидировать влияние на работу преобразователя акустических помех.Thus, the proposed ultrasonic transducer, in contrast to the prototype, instead of a collar is equipped with a mating nozzle of the above form, completely covering the conical part of the delay line and made of a material with high ultrasound absorption and acoustic resistance close to the resistance of the material of the delay line. This allows you to completely eliminate the impact on the operation of the acoustic noise converter.

Техническим результатом заявленного устройства является повышение чувствительности ультразвукового преобразователя к малым изменениям физико-химических характеристик исследуемых жидкостей либо к малым дефектам конструкций, продуцирующих слабые детектирующие сигналы.The technical result of the claimed device is to increase the sensitivity of the ultrasonic transducer to small changes in the physico-chemical characteristics of the studied liquids or to small defects in structures that produce weak detecting signals.

На Фиг.1 представлена конструкция ультразвукового контрольно-измерительного преобразователя (продольный разрез вдоль оси симметрии) и ход лучей в нем, а упрощенная схема (см. Фиг.2) иллюстрирует вывод акустико-математических соотношений для этой конструкции.Figure 1 shows the design of the ultrasonic measuring transducer (longitudinal section along the axis of symmetry) and the path of the rays in it, and a simplified diagram (see Figure 2) illustrates the derivation of acoustic-mathematical relations for this design.

Ультразвуковой контрольно-измерительный преобразователь состоит из пьезопреобразователя 1, линии 2 задержки и насадки 3. Линия 2 задержки выполнена в виде сопряженных между собой цилиндра и усеченного конуса и ограничена снизу (см. Фиг.1) плоской торцевой поверхностью 4, сбоку - ребристой (например, резьбовой) поверхностью 5 в цилиндрической части, гладкой боковой поверхностью 6 в конической части и сверху - плоской торцевой поверхностью 7, являющейся меньшим основанием конуса. Поверхность 4 предназначена для акустической связи линии задержки с пьезопреобразователем, поверхность 5 - для подавления паразитных колебаний путем рассеяния, поверхность 6 - для акустического контакта с насадкой, а поверхность 7 является рабочей поверхностью ультразвукового преобразователя. Боковая поверхность 6 наклонена по своей образующей к оси симметрии линии 2 задержки на угол β (см. Фиг.1).The ultrasonic measuring transducer consists of a piezoelectric transducer 1, a delay line 2 and a nozzle 3. The delay line 2 is made in the form of a cylinder and a truncated cone that are interconnected and is bounded from below (see Fig. 1) by a flat end surface 4, on the side - ribbed (for example , threaded) surface 5 in the cylindrical part, a smooth side surface 6 in the conical part and on top of the flat end surface 7, which is the smaller base of the cone. Surface 4 is used for acoustic communication of the delay line with the piezoelectric transducer, surface 5 is used to suppress spurious oscillations by scattering, surface 6 is used for acoustic contact with the nozzle, and surface 7 is the working surface of the ultrasonic transducer. The lateral surface 6 is inclined along its generatrix to the axis of symmetry of the delay line 2 by an angle β (see FIG. 1).

Насадка 3 имеет форму полого тела вращения. Ее скошенная внутренняя поверхность 6 геометрически повторяет форму боковой поверхности конической части линии 2 задержки. Плоская торцевая поверхность 8 насадки в рабочем состоянии совпадает с плоскостью торцевой рабочей поверхности линии задержки.The nozzle 3 has the shape of a hollow body of revolution. Its beveled inner surface 6 geometrically repeats the shape of the lateral surface of the conical part of the delay line 2. The flat end surface 8 of the nozzle in working condition coincides with the plane of the end working surface of the delay line.

Линию задержки, входящую в конструкцию ультразвукового преобразователя, выполняют из материала с низким затуханием ультразвуковых колебаний на рабочей частоте преобразователя, а насадку - из материала с высоким поглощением ультразвука. Что касается акустического сопротивления материалов линии задержки и насадки, то его значения подбирают близкими по величине. Акустический контакт между пьезопреобразователем и линией задержки, а также - между последней и насадкой осуществляют принятыми способами, например, приклейкой или прижимом через тонкий слой смазки, либо без такового (с заменой на фольгу и т.п.). Сопряжение между линией задержки и насадкой рационально выполнять с помощью резьбового соединения или/и склейки, возможно применение запрессовки и т.п.The delay line included in the design of the ultrasonic transducer is made of a material with a low attenuation of ultrasonic vibrations at the operating frequency of the transducer, and the nozzle is made of a material with high ultrasound absorption. As for the acoustic impedance of the materials of the delay line and the nozzle, its values are selected close in magnitude. Acoustic contact between the piezoelectric transducer and the delay line, as well as between the latter and the nozzle, is carried out by accepted methods, for example, by gluing or pressing through a thin layer of lubricant, or without it (with replacement with foil, etc.). The coupling between the delay line and the nozzle is rationally performed using a threaded connection and / or gluing, it is possible to use a press fitting, etc.

Ультразвуковой контрольно-измерительный преобразователь работает следующим образом.Ultrasonic instrumentation transducer operates as follows.

На торцевую рабочую поверхность 7 преобразователя помещают объем жидкости 9 - исследуемой (при физико-химическом анализе), либо контактной (при дефектоскопии). При этом жидкость должна полностью покрывать площадь рабочей поверхности 7, чтобы краевой мениск жидкости располагался за пределами указанной поверхности, т.е. на поверхности 8 насадки 3.On the end working surface 7 of the transducer, a volume of liquid 9 is placed - the investigated one (during physicochemical analysis) or contact (during defectoscopy). In this case, the liquid should completely cover the area of the working surface 7 so that the edge meniscus of the liquid is located outside the specified surface, i.e. on the surface 8 of the nozzle 3.

Пьезопреобразователь 1 излучает через торцевую поверхность 4 в линию 2 задержки ультразвуковые колебания. Колебания 10, падающие перпендикулярно на рабочую поверхность 7 ультразвукового преобразователя, частично отражаются от границы "материал линии задержки - жидкость" и возвращаются к пьезопреобразователю 1, а частично проходят внутрь жидкости 9 и через нее, при дефектоскопии, - внутрь контролируемого изделия (не показано), где формируют эхо-сигналы от дефектов, попадающие в конечном счете на пьезопреобразователь 1. При физико-химическом анализе жидкости анализируемыми являются сигналы, отраженные от поверхности 7, к которым, при ряде методических модификаций, добавляются сигналы, соответствующие отражениям от свободной (граничащей с воздухом) поверхности жидкости 9. Анализируемые сигналы, поступившие на пьезопреобразователь 1, преобразуются в эквивалентные электрические величины и обрабатывается электроизмерительной аппаратурой, соединенной с пьезопреобразователем 1 (не показана), с целью определения акустических характеристик жидкости либо геометрических параметров дефектов.The piezoelectric transducer 1 emits ultrasonic vibrations through the end surface 4 into the delay line 2. Oscillations 10 falling perpendicularly to the working surface 7 of the ultrasonic transducer are partially reflected from the “material line of the delay line - liquid” boundary and returned to the piezoelectric transducer 1, and partially pass into the liquid 9 and through it, during flaw detection, into the controlled product (not shown) , where echoes from defects are formed, which ultimately fall on the piezoelectric transducer 1. In the physicochemical analysis of a liquid, the signals analyzed are reflected from surface 7, to which, in a number of modifications, signals corresponding to reflections from the free (adjacent to the air) surface of liquid 9 are added. The analyzed signals received on piezoelectric transducer 1 are converted into equivalent electrical quantities and processed by electrical measuring equipment connected to piezoelectric transducer 1 (not shown) in order to determine acoustic fluid characteristics or geometric parameters of defects.

Ультразвуковые колебания 11, падающие под углом на границу 6 линии 2 задержки и насадки 3, в основном проходят в объем насадки (ввиду небольшого различия акустических сопротивлений материалов по обе стороны указанной границы). Прошедшие колебания вследствие высоких поглощающих свойств материала насадки 3 эффективно затухают в ее объеме и не могут участвовать в формировании значимых паразитных сигналов-помех. Отразившаяся от границы 6 незначительная часть падающих колебаний также подавляется за счет попадания на боковую поверхность 5 линии задержки и последующего рассеяния. В итоге акустические помехи на работе данного ультразвукового преобразователя не сказываются.Ultrasonic vibrations 11, incident at an angle to the border 6 of the delay line 2 and nozzle 3, mainly pass into the nozzle volume (due to the slight difference in the acoustic impedances of the materials on both sides of the specified boundary). The past oscillations due to the high absorbing properties of the material of the nozzle 3 are effectively damped in its volume and cannot participate in the formation of significant spurious interference signals. An insignificant part of the incident oscillations reflected from the boundary 6 is also suppressed due to the delay line and subsequent scattering on the lateral surface 5. As a result, acoustic noise does not affect the operation of this ultrasonic transducer.

Для эффективной работы ультразвукового контрольно-измерительного преобразователя согласно вышеописанной схеме целесообразно обеспечивать следующие соотношения для акустических и геометрических параметров:For the effective operation of the ultrasonic measuring transducer according to the above scheme, it is advisable to provide the following relationships for acoustic and geometric parameters:

где Z_H и Z₀ - акустические сопротивления материалов соответственно насадки и линии задержки,where Z _H and Z ₀ are the acoustic impedances of the materials, respectively, nozzles and delay lines,

D и d - диаметры соответственно пьезопреобразователя и рабочей торцевой поверхности линии задержки,D and d are the diameters of the piezoelectric transducer and the working end surface of the delay line, respectively

α - коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в материале насадки, (расшифровка обозначения угла β дана выше).α is the attenuation coefficient of ultrasonic vibrations in the material of the nozzle (interpretation of the designation of the angle β is given above).

Для вывода приведенных математических соотношений используется схема (см. Фиг.2). Вводятся упрощающие допущения: падение волн на границу раздела происходит нормально (для косого падения условие облегчается, т.к. коэффициент отражения снижается); расчет ведется для средней толщины насадки (при отступлении в обе стороны симметричные прохождения волн компенсируются); считается, что насадка граничит с воздухом (в реальных условиях контакта с жидкостью паразитные отражения уменьшаются).To output the above mathematical relationships, a circuit is used (see Figure 2). Simplifying assumptions are introduced: the incidence of waves at the interface occurs normally (for oblique incidence, the condition is easier, since the reflection coefficient decreases); the calculation is carried out for the average thickness of the nozzle (when retreating in both directions, the symmetric passage of the waves is compensated); it is believed that the nozzle borders on air (under real conditions of contact with the liquid, parasitic reflections are reduced).

Согласно цели изобретения помехами являются:According to the purpose of the invention, the interference is:

1) волны, отраженные от боковой поверхности конуса,1) waves reflected from the side surface of the cone,

2) волны, дважды прошедшие сквозь толщину насадки.2) waves that have twice passed through the thickness of the nozzle.

Из теории ультразвуковых измерений известно, что помехой можно пренебречь, если ее амплитуда на 20 дБ меньше амплитуды полезного сигнала U_пад (см. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. М.: Стандартгиз, 1982. - С.224). Отсюда получаем условие малости помехи от боковой поверхности конуса:

U_пад, где Z_Hи Z₀- соответственно акустические сопротивления материалов насадки и линии задержки. Раскрывая это неравенство, получим условие близости акустических сопротивлений указанных материалов: 0,818Z₀≤Z_н≤1,222Z₀.From the theory of ultrasonic measurements, it is known that interference can be neglected if its amplitude is 20 dB less than the amplitude of the useful signal U _pad (see Kolesnikov AE Ultrasonic measurements. M .: Standardgiz, 1982. - P.224). From here we obtain the condition for small interference from the side surface of the cone:

U _pad , where Z _H and Z ₀ are the acoustic impedances of the nozzle materials and the delay line, respectively. Revealing this inequality, we obtain the condition for the proximity of the acoustic impedances of these materials: 0.818Z ₀ ≤Z _n ≤1,222Z ₀ .

Условие малости помехи от двойного прохождения сквозь насадку:

где α - коэффициент поглощения ультразвука в материале насадки. Решая это неравенство относительно α, получим:The condition for small interference from double passage through the nozzle:

where α is the absorption coefficient of ultrasound in the material of the nozzle. Solving this inequality with respect to α, we obtain:

α≥1,15/l_ср.α≥1.15 / l _cf.

В соответствии с Фиг.2,

. Отсюда получаем оценку требуемого коэффициента поглощения ультразвука:

.In accordance with figure 2,

. From this we obtain an estimate of the required ultrasound absorption coefficient

.

Что касается требуемого диапазона заключения угла β [50°-70°], то, как очевидно из Фиг.1, такой угол обеспечивает попадание малых по амплитуде, отраженных от боковой поверхности конуса волн на боковую поверхность линии задержки, где они окончательно рассеиваются.As for the required range of the conclusion of the angle β [50 ° -70 °], then, as is clear from Figure 1, such an angle ensures that small amplitudes reflected from the side surface of the wave cone hit the side surface of the delay line, where they finally dissipate.

Номенклатура используемых в ультразвуковой технике материалов позволяет легко обеспечивать требуемые соотношения на частотах ультразвука порядка единиц или десятков МГц. При этом в качестве материалов для линии задержки ультразвукового преобразователя можно использовать пластики с низким затуханием ультразвуковых колебаний (органическое стекло, полистирол, деклон, полиамидоимид и т.д.), а в качестве материалов для насадки - различные марки резин, текстолит, фторопласт или композиционные составы, применяемые при изготовлении демпферов ультразвуковых преобразователей.The nomenclature of materials used in ultrasonic technology makes it easy to provide the required ratios at ultrasound frequencies of the order of units or tens of MHz. At the same time, plastics with low attenuation of ultrasonic vibrations (organic glass, polystyrene, declon, polyamidoimide, etc.) can be used as materials for the delay line of the ultrasonic transducer, and various types of rubbers, textolite, fluoroplastic, or composite can be used as materials for the nozzle compositions used in the manufacture of dampers of ultrasonic transducers.

Предлагаемый ультразвуковой контрольно-измерительный преобразователь не требует для своего изготовления создания какого-либо нового оборудования. Все его составные детали могут быть изготовлены на известном оборудовании, предназначенном для обработки металлов или пластмасс, а также - для проведения сборочных операций склейки, запрессовки и т.п.The proposed ultrasonic measuring transducer does not require the creation of any new equipment for its manufacture. All its constituent parts can be manufactured using well-known equipment intended for the processing of metals or plastics, as well as for assembly operations of gluing, pressing, etc.

Claims

1. Ultrasonic measuring transducer containing a piezoelectric transducer, acoustically connected to the delay line, made in the form of a conjugated body of revolution and a truncated cone, the larger base of which is connected to the body of rotation, and the smaller is the working surface of the ultrasonic transducer, characterized in that it equipped with a nozzle mating with the lateral surface of the delay line and completely covering its conical part, made of a material with high ultrasound absorption and acoustic impedance close to the acoustic impedance of the delay line of the material having the shape of a hollow rotation body with a flat end surface coinciding with the working surface of the control transmitter.

2. The control and measuring Converter according to claim 1, characterized in that its design features are the following relationships between acoustic and geometric parameters:

where Z _H and Z ₀ are the acoustic impedances of the materials, respectively, nozzles and delay lines;
D and d are the diameters of the piezoelectric transducer and the working end surface of the delay line, respectively;
α is the attenuation coefficient of ultrasonic vibrations in the material of the nozzle;
β is the angle between the generatrix of the truncated cone and the axis of symmetry of the delay line.