RU2499254C2 - Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь - Google Patents
Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь Download PDFInfo
- Publication number
- RU2499254C2 RU2499254C2 RU2011148486/28A RU2011148486A RU2499254C2 RU 2499254 C2 RU2499254 C2 RU 2499254C2 RU 2011148486/28 A RU2011148486/28 A RU 2011148486/28A RU 2011148486 A RU2011148486 A RU 2011148486A RU 2499254 C2 RU2499254 C2 RU 2499254C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- piezoelectric elements
- transducer
- piezoelements
- piezoelectric
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2487—Directing probes, e.g. angle probes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/221—Arrangements for directing or focusing the acoustical waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/04—Wave modes and trajectories
- G01N2291/056—Angular incidence, angular propagation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Использование: для дефектоскопии и толщинометрии при исследовании различного рода материалов. Сущность: заключается в том, что пьезоэлектрический преобразователь содержит герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, сопряженную с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, при этом пьезоэлементы расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя, акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, причем пьезоэлементы имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, электроды пьезоэлементов, расположенные с одной стороны, последовательно электрически соединены между собой, акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось преобразователя, а линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом. Технический результат: увеличение длины рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя и расширение его диаграммы направленности. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям и может быть использовано при дефектоскопии и толщинометрии при исследовании различного рода материалов, в частности труб, металлического проката, пластиков и неоднородных материалов, таких например, как сварные конструкции.
Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус с протектором в виде усеченного конуса, пьезоэлемент и демпфер, размещенный в корпусе (см. заявку GB №2091520, кл. G01N 29/00, 28.07.1982).
Данный преобразователь создает в исследуемом материале только продольную волну и может быть использован только в области высоких частот, что сужает область его использования. Кроме того, для установки преобразователя на исследуемое изделие необходима смачивающаяся жидкость.
Известен раздельно-совмещенный преобразователь, в корпусе которого установлены под углом 45 градусов излучатель поперечной волны и приемный элемент (см. патент FR №2499248, кл. G01N 29/00, 06.08.1982).
Данный преобразователь работает в высокочастотной области и требует значительных усилий для обеспечения хорошего акустического контакта, что сужает область его использования.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ультразвуковой многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линза, сопряженная с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов (см. патент RU №2082163, кл. G01N 29/24,20.06.1997).
Данный преобразователь выполнен с возможностью использования преобразователя на шероховатой неподготовленной поверхности без использования клея и смачивающей жидкости при контактировании с поверхностью контролируемого изделия в точке или по линии и имеет малые волновые размеры. Однако данный преобразователь не может быть использован в качестве иммерсионного преобразователя, что сужает область использования преобразователя.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение длины рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя и расширение его диаграммы направленности.
Технический результат заключается в том, что достигается повышение достоверности контроля целостности контролируемого материала.
Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь содержит герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, сопряженную с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, при этом пьезоэлементы расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя, акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, причем пьезоэлементы имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, электроды пьезоэлементов расположенные с одной стороны последовательно электрически соединены между собой, акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось преобразователя, а линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом.
Линза, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, может иметь толщину S напротив каждого из пьезоэлементов, равную
λ - длина волны ультразвука в материале линзы;
c - скорость звука в материале линзы;
f - рабочая частота пьезоэлемента.
Линза может иметь клиновидную форму напротив каждого пьезоэлемента в плоскости продольного сечения проходящей через акустические оси пьезоэлементов, а толщина линзы в месте прохождения через нее акустической оси пьезоэлемента равна
.
Линза может быть выполнена с цилиндрической наружной поверхностью обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов, причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси пьезоэлементов, линза имеет наименьшую толщину, равную λ/4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины цилиндрической поверхности пересекается с акустической осью соответствующего пьезоэлемента с увеличением толщины линзы в направлении от этой акустической оси.
Выполнение толщины линзы равной
позволяет добиться максимальной чувствительности пьезоэлектрического преобразователя за счет эффекта просветления.
Выполнение линзы с описанными выше клиновидными поверхностями позволяет сократить длительность эхоимпульса и увеличить соотношение сигнал/шум.
Выполнение линзы с цилиндрическими поверхностями позволяет, помимо приведенных выше качеств, обеспечить концентрацию энергии акустического поля в заданной области.
На фиг.1 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя с двумя пьезоэлементами и линзой с цилиндрическими поверхностями.
На фиг.2 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя с пьезоэлементами и линзой с клиновидной формой напротив каждого пьезоэлемента.
Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь содержит герметичный корпус 1 с демпфирующим веществом 2, пьезоэлементы 3, установленные внутри корпуса 1 и расположенные в корпусе 1 симметрично относительно акустической оси 4 преобразователя, и линзу 5, сопряженную с пьезоэлементами 3 со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов 3.
Пьезоэлементы 3 расположены под острым углом к акустической оси 4 пьезоэлектрического преобразователя и имеют относительно продольной оси (совпадающей с акустической осью 4) преобразователя попарно одинаковую форму, с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему 6. Акустические оси 7 пьезоэлементов 3 пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя.
Вектор поляризации всех пьезоэлементов 3 направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества 2. Электроды пьезоэлементов 3 расположенные с одной стороны последовательно электрически соединены между собой. Акустические оси 7 всех пьезоэлементов 3 расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось 4 преобразователя. Линза 5 выполнена общей для всех пьезоэлементов 3 (см. фиг.1) или состоит из отдельных секций 8, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом (см. фиг.2).
Линза 5, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, может иметь толщину S напротив каждого из пьезоэлементов 3, равную
λ - длина волны ультразвука в материале линзы 5;
c - скорость звука в материале линзы 5;
f - рабочая частота пьезоэлемента 3.
Линза может иметь клиновидную форму (см. фиг.2) напротив каждого пьезоэлемента 3 в плоскости продольного сечения проходящей через акустические оси 7 пьезоэлементов 3, а толщина линзы 5 в месте прохождения через нее акустической оси 7 пьезоэлемента 3 равна
.
Линза 5 может быть выполнена с цилиндрической наружной поверхностью (см. фиг.1) обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов 3, причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси 7 пьезоэлементов 3, линза 5 имеет наименьшую толщину, равную λ/4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины линзы с цилиндрической поверхностью пересекается с акустической осью 7 соответствующего пьезоэлемента 3 с увеличением толщины линзы 5 в направлении от этой акустической оси 7.
Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.
После установки преобразователя в жидкости линзой 5 над поверхностью контролируемого материала к выводам электрического герметичного разъема 6 подводят возбуждающее напряжение или в случае приема ультразвуковых колебаний снимают с этих выводов принятый сигнал. В режиме излучения, благодаря последовательному подключению одноименных электродов пьезоэлементов 3 к соответствующим выводом разъема 6, пьезоэлементы 3 колеблются синфазно, излучая в жидкость продольные волны. Волновой фронт достигает поверхности контролируемого объекта и, в зависимости от угла падения, формирует в нем фронт продольных или поперечных волн. При встрече этого фронта с неоднородностью материала или дефектом, формируется отраженный эхоимпульс.
В режиме приема отраженные волны принимаются всеми пьезоэлементами 3 или их частью и, благодаря последовательному соединению одноименных электродов, образуют выходной электрический сигнал на выводах разъема 6.
Размещениие пьезоэлементов 3 описанным выше способом в сочетании с выполнением их с попарно одинаковой формой позволяет увеличить длину рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя и расширить его диаграмму направленности, что в конечном итоге позволяет добиться повышения достоверности контроля целостности контролируемого материала.
Иммерсионный тип контакта преобразователя с контролируемым объектом дает возможность контролировать материалы с шероховатой поверхностью (например, отливки) и длинномерные изделия, а также увеличить срок службы преобразователя.
Возможность концентрации энергии акустического поля в заранее определенной рабочей зоне обеспечивает повышение достоверности контроля в массивных изделиях.
Расширение диаграммы направленности обеспечивает возможность обнаружения произвольно ориентированных дефектов.
Настоящее изобретение может быть использовано для дефектоскопии и толщинометрии материала конструкций в машиностроении, трубопроводном и железнодорожном транспорте.
Claims (4)
1. Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, сопряженную с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, отличающийся тем, что пьезоэлементы расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя, акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, причем пьезоэлементы имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, электроды пьезоэлементов, расположенные с одной стороны, последовательно электрически соединены между собой, акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось преобразователя, а линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом.
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что линза, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, имеет толщину S напротив каждого из пьезоэлементов, равную
где λ - длина волны ультразвука в материале линзы;
c - скорость звука в материале линзы;
f - рабочая частота пьезоэлемента.
где λ - длина волны ультразвука в материале линзы;
c - скорость звука в материале линзы;
f - рабочая частота пьезоэлемента.
4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что линза выполнена с цилиндрической наружной поверхностью, обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов, причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси пьезоэлементов, линза имеет наименьшую толщину, равную λ/4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины линзы с цилиндрической поверхностью пересекается с акустической осью соответствующего пьезоэлемента с увеличением толщины линзы в направлении от этой акустической оси.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011148486/28A RU2499254C2 (ru) | 2011-11-30 | 2011-11-30 | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь |
PCT/RU2012/000957 WO2013081494A1 (ru) | 2011-11-30 | 2012-11-20 | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011148486/28A RU2499254C2 (ru) | 2011-11-30 | 2011-11-30 | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011148486A RU2011148486A (ru) | 2013-06-10 |
RU2499254C2 true RU2499254C2 (ru) | 2013-11-20 |
Family
ID=48535832
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011148486/28A RU2499254C2 (ru) | 2011-11-30 | 2011-11-30 | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2499254C2 (ru) |
WO (1) | WO2013081494A1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4297886A (en) * | 1979-06-15 | 1981-11-03 | Anikeev Yakov F | Ultrasonic flaw detector for immersion testing of articles |
SU1525565A1 (ru) * | 1987-01-05 | 1989-11-30 | Ивано-Франковский Институт Нефти И Газа | Устройство дл ультразвукового контрол |
SU1623791A1 (ru) * | 1988-07-26 | 1991-01-30 | Институт микроэлектроники АН СССР | Система фокусировки акустического излучени в твердотельных объектах |
SU1670593A1 (ru) * | 1989-07-19 | 1991-08-15 | Харьковский Институт Радиоэлектроники Им.Акад.М.К.Янгеля | Акустический преобразователь |
RU2082163C1 (ru) * | 1994-02-21 | 1997-06-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью Фирма "АКС" | Ультразвуковой низкочастотный преобразователь |
US6234025B1 (en) * | 1999-03-29 | 2001-05-22 | Sandia Corporation | Ultrasonic inspection apparatus and method using a focused wave device |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2273967C1 (ru) * | 2005-04-22 | 2006-04-10 | Закрытое акционерное общество "Взлет" | Электроакустический преобразователь для работы в газовой среде |
-
2011
- 2011-11-30 RU RU2011148486/28A patent/RU2499254C2/ru active
-
2012
- 2012-11-20 WO PCT/RU2012/000957 patent/WO2013081494A1/ru active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4297886A (en) * | 1979-06-15 | 1981-11-03 | Anikeev Yakov F | Ultrasonic flaw detector for immersion testing of articles |
SU1525565A1 (ru) * | 1987-01-05 | 1989-11-30 | Ивано-Франковский Институт Нефти И Газа | Устройство дл ультразвукового контрол |
SU1623791A1 (ru) * | 1988-07-26 | 1991-01-30 | Институт микроэлектроники АН СССР | Система фокусировки акустического излучени в твердотельных объектах |
SU1670593A1 (ru) * | 1989-07-19 | 1991-08-15 | Харьковский Институт Радиоэлектроники Им.Акад.М.К.Янгеля | Акустический преобразователь |
RU2082163C1 (ru) * | 1994-02-21 | 1997-06-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью Фирма "АКС" | Ультразвуковой низкочастотный преобразователь |
US6234025B1 (en) * | 1999-03-29 | 2001-05-22 | Sandia Corporation | Ultrasonic inspection apparatus and method using a focused wave device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011148486A (ru) | 2013-06-10 |
WO2013081494A1 (ru) | 2013-06-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wang et al. | A synthetic time-reversal imaging method for structural health monitoring | |
US9360461B2 (en) | Acoustic coupling shoes for use in inspecting non-flat surfaces | |
RU2010127782A (ru) | Устройство и способ контроля трубопровода с использованием ультразвуковых волн двух разных типов | |
Miao et al. | A variable-frequency bidirectional shear horizontal (SH) wave transducer based on dual face-shear (d24) piezoelectric wafers | |
US11428671B2 (en) | Arrangement for non-destructive testing and a testing method thereof | |
CN104198594A (zh) | 一种多主频组合的扭转模态电磁声阵列传感器 | |
CN103983699A (zh) | 一种柔性梳状声表面波相控阵换能器 | |
KR20130080084A (ko) | 굴곡면을 가지는 재료의 초음파 비파괴검사가 가능한 고분자재료 기반 유연한 위상배열 초음파 탐촉자 | |
US11300545B2 (en) | System for the non-destructive testing of components | |
Vladišauskas et al. | Contact ultrasonic transducers for mechanical scanning systems | |
JP4602421B2 (ja) | 超音波探傷装置 | |
RU2499254C2 (ru) | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь | |
RU114786U1 (ru) | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь | |
US20110247419A1 (en) | Time reversal acoustic noncontact source | |
Koodalil et al. | Interfacial adhesion (kissing bond) detection using shear horizontal (SH) waves | |
RU138092U1 (ru) | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный пьезоэлектрический преобразователь | |
BR112021015095A2 (pt) | Método e dispositivo para testes não destrutivos de um material de chapa | |
Suresh et al. | Reflection study of SH0 mode with plate edge at different incident angles | |
RU2541672C1 (ru) | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный пьезоэлектрический преобразователь | |
US10794867B2 (en) | System and method of diagnosing tube sensor integrity by analysis of excited stress waves | |
Nishino et al. | Defect detection of a pipe using a guided wave generated by an efficient transduction with a reflector | |
JPH045290B2 (ru) | ||
WO2013081493A1 (ru) | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь | |
RU216328U1 (ru) | Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь для неразрушающего контроля торцов керамических изделий | |
Wang et al. | Design and validation of an orthotropic piezoelectric composite material phased array sensor used to nondestructive detection |