RU2520950C1 - Ultrasonic surface wave converter and method for manufacture thereof - Google Patents

Ultrasonic surface wave converter and method for manufacture thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2520950C1
RU2520950C1 RU2013102206/28A RU2013102206A RU2520950C1 RU 2520950 C1 RU2520950 C1 RU 2520950C1 RU 2013102206/28 A RU2013102206/28 A RU 2013102206/28A RU 2013102206 A RU2013102206 A RU 2013102206A RU 2520950 C1 RU2520950 C1 RU 2520950C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piezoelectric elements
transducer
surface wave
ultrasonic
defects
Prior art date
Application number
RU2013102206/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Тамара Викторовна Морозова
Владимир Васильевич Рубанов
Original Assignee
Левченко Владимир Викторович
Тамара Викторовна Морозова
Владимир Васильевич Рубанов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Левченко Владимир Викторович, Тамара Викторовна Морозова, Владимир Васильевич Рубанов filed Critical Левченко Владимир Викторович
Priority to RU2013102206/28A priority Critical patent/RU2520950C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2520950C1 publication Critical patent/RU2520950C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: ultrasonic surface wave converter comprises piezoelectric elements which can be connected to an ultrasonic flaw detector, an acoustic insulator, a housing, wherein the piezoelectric elements of the converter, which are polarised on the thickness, are mounted on one face perpendicular to the working surface, lie apart from each other by a distance greater than the spatial duration of a probing pulse (L>τc), are acoustically insulated from each other and are electrically connected together or separately with clock or synchronous connection.
EFFECT: designing a surface wave converter which enables to inspect metallic and non-metallic articles, having high efficiency and accuracy of determining coordinates and location of defects, as well as high resolution, having high inspection sensitivity, enabling adaptation when inspecting articles with a complex profile and limited access, which enables to detect differently oriented defects.
2 cl, 5 dwg

Description

Группа изобретений относится к области неразрушающего контроля и может быть использована для ультразвуковой дефектоскопии металлов и неметаллов в машиностроении, авиакосмической отрасли, судостроения и др.The group of inventions relates to the field of non-destructive testing and can be used for ultrasonic inspection of metals and nonmetals in mechanical engineering, aerospace, shipbuilding, etc.

Известен ультразвуковой преобразователь поверхностных волн, содержащий корпус, соединительные провода, призму из оргстекла, с наклеенной на ней пьезопластиной [Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. «Методы акустического контроля металлов». М., Машиностроение, 1989 г., стр.145]. Поверхностная волна такого преобразователя формируется за счет трансформации упругих (продольных) волн, распространяющихся в призме из оргстекла на границе раздела сред оргстекло/металл. Условие трансформации продольной волны в поверхностную: β>β2кр, где β - угол призмы, β2кр - 2-й критический угол.Known ultrasonic transducer of surface waves, comprising a housing, connecting wires, a prism of plexiglass, with a piezo plate glued on it [Aleshin NP, Bely V.E., Vopilkin A.Kh. and others. Methods of acoustic control of metals. M., Engineering, 1989, p. 145]. The surface wave of such a converter is formed due to the transformation of elastic (longitudinal) waves propagating in a prism from plexiglas at the plexiglass / metal interface. The condition for the transformation of a longitudinal wave into a surface wave is: β> β2 cr , where β is the angle of the prism, β2 cr is the 2nd critical angle.

К недостаткам такого преобразователя следует отнести значительные габаритные размеры, невозможность адаптации для контроля изделий с ограниченным доступом и сложной конфигурации, неточности и трудности при определении координат и местоположения дефектов, невозможен также контроль неметаллов, что снижает область его использования.The disadvantages of such a converter include significant overall dimensions, the inability to adapt to control products with limited access and complex configuration, inaccuracies and difficulties in determining the coordinates and location of defects, it is also impossible to control non-metals, which reduces the area of its use.

Наиболее близким к заявленной группе изобретений является преобразователь с согласующим элементом из металла, гребенчатой структуры со стороны рабочей поверхности преобразователя [Викторов И.А. «Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике». М., изд-во «Наука», 1965 г., стр.14]. Пластина кварца X-среза располагается сверху согласующего элемента, выполненного из металла и параллельно контролируемой поверхности. Шаг, или период гребенчатой структуры согласующего элемента, выбран равным λR/2, где λR - пространственный период совокупности нормальных возмущений на поверхности твердого тела.Closest to the claimed group of inventions is a transducer with a matching element of metal, comb structure from the side of the working surface of the transducer [Viktorov I.A. "The physical basis for the application of Rayleigh and Lamb ultrasonic waves in technology." M., publishing house "Science", 1965, p.14]. An X-slice quartz plate is located on top of a matching element made of metal and in parallel with a controlled surface. The step or period of the comb structure of the matching element is chosen equal to λ R / 2, where λ R is the spatial period of the set of normal perturbations on the surface of a solid.

Недостатками такого преобразователя являются:The disadvantages of such a converter are:

- низкая интенсивность поверхностных волн за счет потерь при возникновении встречных, гасящих, разнонаправленных поверхностных волн под поверхностью гребенки;- low intensity of surface waves due to losses due to counterpropagating, damping, multidirectional surface waves under the surface of the comb;

- наличие в контролируемой среде, одновременно с поверхностной волной, интенсивной продольной волны, являющейся «паразитной», затрудняющей обнаружение дефектов и определение их координат, особенно при контроле тонкостенных изделий на фоне многократных переотражений продольной волны в контролируемом изделии;- the presence in the controlled medium, simultaneously with the surface wave, of an intense longitudinal wave, which is "spurious," making it difficult to detect defects and determine their coordinates, especially when monitoring thin-walled products against the background of multiple re-reflections of the longitudinal wave in the controlled product;

- большая длительность эхо-сигнала, ухудшающая условие разрешающей способности преобразователя;- a large duration of the echo signal, worsening the resolution condition of the Converter;

- отсутствие возможности адаптации такого преобразователя для контроля деталей сложного профиля и ограниченного доступа;- the inability to adapt such a converter to control parts of a complex profile and limited access;

- значительная трудоемкость и неточности при определения координат дефектов на поверхности изделий, такая же как и у призматических преобразователей.- significant complexity and inaccuracies in determining the coordinates of defects on the surface of products, the same as that of prismatic transducers.

Техническим результатом группы изобретений является создание преобразователя поверхностных волн, обеспечивающего контроль изделий из металлов и неметаллов, обладающего повышенной производительностью и точностью определения координат и местоположения дефектов, а также высокой разрешающей способностью, имеющего высокую чувствительность контроля, возможность адаптации при контроле изделий сложного профиля и ограниченного доступа, обеспечивающего выявление разноориентированных дефектов.The technical result of the group of inventions is the creation of a surface wave transducer that provides control of metal and non-metal products, with improved performance and accuracy of determining the coordinates and location of defects, as well as high resolution, high control sensitivity, the ability to adapt when monitoring products of complex profile and limited access providing the identification of misoriented defects.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в ультразвуковом преобразователе поверхностных волн, содержащем пьезоэлементы, имеющие возможность соединения с ультразвуковым дефектоскопом, акустический изолятор, корпус, новым является то, что пьезоэлементы преобразователя поляризованные по толщине, установлены гранью перпендикулярно рабочей поверхности, расположены на расстоянии друг от друга, большем пространственной длительности зондирующего импульса (L>τ·cs), акустически изолированы друг от друга и электрически соединены совместно или раздельно с тактовым или синхронным включением. В способе изготовления ультразвукового преобразователя поверхностных волн новым является то, что пьезоэлементы преобразователя установлены парами, перпендикулярно рабочей поверхности, взаимноперпендикулярно относительно друг друга, электрически соединены парами по раздельной схеме, с тактовым или синхронным включением, акустически изолированы, а излучение упругих волн в контролируемую среду осуществляют непосредственно или через согласующий слой (протектор).The specified technical result is ensured by the fact that in an ultrasonic transducer of surface waves containing piezoelectric elements that can be connected to an ultrasonic flaw detector, an acoustic insulator, a housing, it is new that the piezoelectric transducers of the transducer are polarized in thickness, mounted face perpendicular to the working surface, located at a distance from each other of each other, longer than the spatial duration of the probe pulse (L> τ · s s ), are acoustically isolated from each other and electrically connected They are shared or separately with clock or synchronous inclusion. In the method of manufacturing an ultrasonic transducer of surface waves, it is new that the piezoelectric elements of the transducer are mounted in pairs, perpendicular to the working surface, mutually perpendicular to each other, are electrically connected in pairs according to a separate circuit, with a clock or synchronous inclusion, are acoustically isolated, and the emission of elastic waves into a controlled medium is carried out directly or through a matching layer (protector).

Ниже, со ссылками на графические материалы, приводятся конструкции и описание некоторых, возможных типов преобразователей, охарактеризованных в формуле изобретения.Below, with reference to graphic materials, the construction and description of some of the possible types of transducers described in the claims are given.

Ультразвуковой преобразователь поверхностных волн (фиг.1-5) содержит: соединительные провода 1, демпфер или акустический изолятор 2 и 3, корпус 4, пьезоэлементы 5. Преобразователь также может содержать протектор 6. Пьезоэлементы преобразователя, поляризованные по толщине, имеют возможность соединения посредством проводов 1 с дефектоскопом (позицией не обозначен). Пьезоэлементы 5 устанавливают при их монтаже на грань, перпендикулярно рабочей поверхности преобразователя A. Пьезоэлементы 5 могут иметь форму пластин (фиг.1-3), установленных в корпусе параллельно друг другу (фиг.1) или под углом друг к другу (фиг.2). Пьезоэлементы 5 могут иметь округлую, например радиусную, форму и расположены перпендикулярно друг другу (фиг.4), или цилиндрическую форму (фиг.5) и расположены коаксиально относительно друг друга.An ultrasonic transducer of surface waves (Figs. 1-5) comprises: connecting wires 1, a damper or acoustic insulator 2 and 3, a housing 4, piezoelectric elements 5. The transducer may also contain a protector 6. The piezoelectric transducers of the transducer, polarized in thickness, can be connected by wires 1 with a flaw detector (position not indicated). The piezoelectric elements 5 are installed when they are mounted on the face, perpendicular to the working surface of the transducer A. The piezoelectric elements 5 can be in the form of plates (Figs. 1-3) mounted in the housing parallel to each other (Fig. 1) or at an angle to each other (Fig. 2 ) The piezoelectric elements 5 can have a round, for example radial, shape and are located perpendicular to each other (figure 4), or a cylindrical shape (figure 5) and are located coaxially relative to each other.

Преобразователь может содержать (фиг.3) четыре пьезопластины, образующие две пары, в каждой из которых пластины расположены параллельно друг другу, а пластины разных пар расположены перпендикулярно друг другу. Такое расположение пьезопластин образует замкнутый прямоугольник, сторонами которого являются сами пьезопластины, а область внутри пластин является зоной контроля.The Converter may contain (Fig.3) four piezoelectric plates forming two pairs, in each of which the plates are parallel to each other, and the plates of different pairs are located perpendicular to each other. This arrangement of piezoelectric plates forms a closed rectangle, the sides of which are the piezoelectric plates themselves, and the area inside the plates is a control zone.

Во всех случаях пьезоэлементы располагают в корпусе на расстоянии относительно друг друга, большем пространственной длительности зондирующего импульса - L>τ·cs.In all cases, the piezoelectric elements are placed in the housing at a distance relative to each other, greater than the spatial duration of the probe pulse - L> τ · c s .

Сборку (изготовление) преобразователя осуществляют следующим образом. Assembly (manufacturing) of the Converter is as follows.

Пьезоэлементы 5, поляризованные по толщине, с подпаянными контактными проводами, устанавливают на грань пьезоэлемента, перпендикулярно рабочей поверхности преобразователя А и жестко (например, с помощью клея или смолы) соединяют с акустическим изолятором 2 и 3. Пьезоэлементы 5 могут быть установлены на изоляторе параллельно друг другу, под углом друг к другу, перпендикулярно друг другу, коаксиально друг другу или парами, взаимно перпендикулярно друг другу, то есть, как это показано на фиг.1-5.The piezoelectric elements 5, polarized in thickness, with soldered contact wires, are mounted on the face of the piezoelectric element, perpendicular to the working surface of the transducer A and rigidly connected (for example, with glue or resin) to the acoustic insulator 2 and 3. The piezoelectric elements 5 can be mounted on the insulator parallel to each other to each other, at an angle to each other, perpendicular to each other, coaxially to each other or in pairs, mutually perpendicular to each other, that is, as shown in FIGS. 1-5.

В качестве акустического изолятора могут быть использованы пористые или холодного прессования полимеры, например пенополистирол, непрозрачные для ультразвуковых колебаний, также возможно использование эпоксидной смолы с поглощающими порошковыми наполнителями и т.д. При этом толщина изолятора должна быть такой, чтобы обеспечивалось, во-первых, разрешение двух эхо-импульсов (зондирующего и прошедшей поверхностной волны), а во-вторых, поглощение прямой продольной волны через изолятор. Для выполнения первого условия необходимо знать длительность τ зондирующего импульса и скорость распространения поверхностной волны в контролируемом материале cs. Таким образом, условие разрешения двух эхо-импульсов: L>τ·cs, где L - толщина используемого акустического изолятора. Обычно эти параметры всегда известны, или их можно непосредственно измерить с помощью измерительной аппаратуры. Для выполнения второго условия достаточно подобрать материал с большим затуханием ультразвуковых колебаний; этому условию соответствует пенопласт и прессованный полистирол.Porous or cold pressed polymers, for example, expanded polystyrene, opaque to ultrasonic vibrations, epoxy resin with absorbing powder fillers, etc. can also be used as an acoustic insulator. In this case, the thickness of the insulator should be such as to ensure, firstly, the resolution of two echo pulses (probe and transmitted surface waves), and secondly, the absorption of a direct longitudinal wave through the insulator. To fulfill the first condition, it is necessary to know the duration τ of the probe pulse and the propagation velocity of the surface wave in the controlled material c s . Thus, the resolution condition for two echo pulses is: L> τ · c s , where L is the thickness of the acoustic insulator used. Usually these parameters are always known, or they can be directly measured using measuring equipment. To fulfill the second condition, it is sufficient to select a material with a large attenuation of ultrasonic vibrations; Styrofoam and pressed polystyrene correspond to this condition.

Далее изолятор, с жестко закрепленными на нем пьезоэлементами 5 и проводниками вставляют в корпус 4, так чтобы пьезоэлементы были на некотором расстоянии от стенок корпуса, При этом пьезоэлементы с изолятором должны непосредственно контактировать с поверхностью через тонкий слой клея (например, эпоксидной смолы). После того как клей застынет, корпус заполняют эпоксидной смолой с порошковым наполнителем (например, железный или свинцовый сурик) и отвердителем до некоторого уровня, при котором акустический изолятор с пьезоэлементами полностью закрыт смолой, но при этом подпаянные проводники выведены за уровень смолы и зафиксированы.Next, the insulator, with the piezoelectric elements 5 and conductors rigidly fixed on it, is inserted into the body 4, so that the piezoelectric elements are at a certain distance from the walls of the body.In this case, the piezoelectric elements with the insulator must directly contact the surface through a thin layer of glue (for example, epoxy resin). After the glue hardens, the casing is filled with epoxy resin with a powder filler (for example, iron or lead minium) and a hardener to a certain level at which the acoustic insulator with piezoelectric elements is completely covered by the resin, but the soldered conductors are taken out of the resin level and fixed.

После завершения процесса полимеризации эпоксидной смолы (для ускорения процесса, его проводят с подогревом смолы до температуры примерно 40°C) контактные проводники подпаивают к разъемам. В результате проведенных операций получена конструкция ультразвукового преобразователя, который при соответствующем подключении к ультразвуковому дефектоскопу, может работать в различных режимах контроля: раздельно-совмещенном, совмещенном, по отдельности или совместно. При этом пьезоэлементы 5 преобразователя контактируют в процессе работы с поверхностью контролируемого материала непосредственно или через тонкий слой согласующей среды (протектора) 6.After completion of the polymerization of the epoxy resin (to speed up the process, it is carried out with heating the resin to a temperature of about 40 ° C) contact conductors are soldered to the connectors. As a result of the operations, the design of an ultrasonic transducer is obtained, which, when connected to an ultrasonic flaw detector, can operate in various control modes: separately-combined, combined, individually or jointly. In this case, the piezoelectric elements 5 of the transducer are in contact during operation with the surface of the controlled material directly or through a thin layer of matching medium (tread) 6.

Изготовленный ультразвуковой преобразователь работает следующим образом. The manufactured ultrasonic transducer operates as follows.

При подключении к ультразвуковому дефектоскопу в раздельно-совмещенном режиме (фиг.1, 2) один из пьезоэлементов, подключенный к генератору, совершает упругие колебания в импульсном режиме, на резонансной частоте, другой, подключенный к приемнику, работает в ждущем режиме. При этом на экране дефектоскопа наблюдается только один зондирующий импульс. При установке преобразователя на смоченную водой (маслом) поверхность контролируемого материала (металла/неметалла), пьезоэлемент, подключенный к генератору зондирующих импульсов, своей гранью излучает в среду упругую поверхностную волну, которая принимается гранью другим приемным пьезоэлементом, работающим в ждущем режиме. Если в месте установки преобразователя нет дефекта, то на экране дефектоскопа на некотором расстоянии от зондирующего сигнала появится эхо-импульс прошедшей поверхностной волны. Если под поверхностью преобразователя в материале имеется дефект (поверхностный/подповерхностный), то эхо-импульс прошедшей поверхностной волны ослабнет на некоторую величину в зависимости от величины дефекта и глубины его залегания. На экране дефектоскопа эхо-импульс уменьшится или пропадет полностью, что и будет зарегистрировано как дефект (реализация теневого метода контроля). Местоположение дефекта при этом оказывается локализовано в зоне контактной поверхности преобразователя, между двумя пьезоэлементами, и фактически определяется только длительностью зондирующего импульса и выбранным расстоянием между пьезоэлементами, при этом минимально возможное расстояние выбирается из условия разрешения двух импульсов, один из которых зондирующий. Поверхностная волна в контролируемой среде образуется за счет знакопеременных сдвиговых деформаций, направленных в разные стороны от колеблющегося с заданной частотой и амплитудой пьезоэлемента, поляризованного по толщине, ориентированных параллельно поверхности ввода. Частицы среды воспринимают импульсные сдвиговые деформации, передающиеся непосредственно или через протектор от пьезоэлементов, и образуют бегущую упругую поверхностную волну со скоростью, равной cs. При этом поверхностная волна образуется без трансформации одного типа волны в другой, как это происходит, например, в призме из оргстекла или в согласующей «гребенке», а следовательно, в этом случае отсутствуют и потери на преобразовании. Излучение упругих поверхностных волн от пьезоэлементов, установленных на контролируемую поверхность, происходит в обе стороны, что в обоснованных случаях повышает производительность контроля. В преобразователях, работающих по раздельной схеме, вторая волна становится «паразитной» и от нее избавляются путем применения акустической изоляции.When connected to an ultrasonic flaw detector in a separately combined mode (Figs. 1, 2), one of the piezoelectric elements connected to the generator performs elastic oscillations in a pulsed mode at a resonant frequency, the other connected to the receiver operates in standby mode. In this case, only one probe pulse is observed on the screen of the flaw detector. When the transducer is installed on the surface of the controlled material (metal / non-metal) moistened with water (oil), the piezoelectric element connected to the probe pulse generator emits an elastic surface wave into the medium, which is received by the face by another receiving piezoelectric element operating in the standby mode. If there is no defect in the installation location of the transducer, then an echo pulse of the transmitted surface wave will appear on the screen of the flaw detector at some distance from the probing signal. If there is a defect (surface / subsurface) in the material under the transducer surface, then the echo pulse of the transmitted surface wave will weaken by a certain amount depending on the size of the defect and its depth. On the flaw detector screen, the echo pulse will decrease or disappear completely, which will be registered as a defect (implementation of the shadow control method). In this case, the location of the defect is localized in the zone of the contact surface of the transducer, between the two piezoelectric elements, and is actually determined only by the duration of the probe pulse and the selected distance between the piezoelectric elements, while the minimum possible distance is selected from the resolution condition of two pulses, one of which is probing. A surface wave in a controlled medium is formed due to alternating shear deformations directed in different directions from a piezoelectric element oscillating with a given frequency and amplitude, polarized in thickness, oriented parallel to the input surface. Particles of the medium perceive pulsed shear deformations transmitted directly or through the tread from the piezoelectric elements, and form a running elastic surface wave with a speed equal to c s . In this case, a surface wave is formed without transformation of one type of wave into another, as occurs, for example, in a prism from plexiglass or in a matching “comb”, and therefore, in this case there are no losses due to transformation. The emission of elastic surface waves from piezoelectric elements mounted on a controlled surface occurs in both directions, which in justified cases increases the performance of the control. In converters operating according to a separate circuit, the second wave becomes “spurious" and get rid of it by applying acoustic insulation.

Следует также отметить, что в предложенной конструкции преобразователя при возбуждении поверхностных волн отсутствует «паразитная» продольная волна, как это происходит в прототипе, которая затрудняет процесс расшифровки осциллограмм/дефектограмм, особенно при контроле тонкостенных изделий. Заложенный в конструкцию принцип формирования поверхностных волн позволяет проводить контроль, например, тонкой фольги толщиной несколько микрон, а также отслоения тонких покрытий. Однако следует учитывать, что поверхностная волна будет иметь место только в твердых материалах, там где возможны сдвиговые деформации среды. Это могут быть металлы и их сплавы, а также неметаллы - композиционные материалы, полимеры: поликарбонаты, органическое стекло, полиамиды и др. Таким образом, данный преобразователь, в отличие от аналогов, одновременно позволяет проводить контроль и неметаллов.It should also be noted that in the proposed design of the transducer when exciting surface waves there is no “parasitic" longitudinal wave, as this happens in the prototype, which complicates the process of decoding waveforms / defectograms, especially when controlling thin-walled products. The principle of formation of surface waves laid down in the design allows control, for example, of a thin foil several microns thick, as well as the delamination of thin coatings. However, it should be borne in mind that a surface wave will occur only in solid materials, where shear deformations of the medium are possible. These can be metals and their alloys, as well as non-metals - composite materials, polymers: polycarbonates, organic glass, polyamides, etc. Thus, this converter, unlike analogs, simultaneously allows monitoring of non-metals.

При подключении к дефектоскопу только одного пьезоэлемента, в совмещенном режиме (второй пьезоэлемент отсоединен) преобразователь излучает упругие колебания в обе стороны, за счет чего повышается производительность контроля. Однако при этом затрудняется процесс расшифровки и идентификации дефектов. В каждом конкретном случае разработчики методики контроля оценивают и выбирают тот режим контроля (подключения пьезопластин), который обеспечивает необходимую надежность и производительность контроля.When only one piezoelectric element is connected to the flaw detector, in the combined mode (the second piezoelectric element is disconnected), the transducer emits elastic vibrations in both directions, thereby increasing the monitoring performance. However, this makes it difficult to decrypt and identify defects. In each case, the developers of the control methodology evaluate and choose the control mode (connecting piezoelectric plates) that provides the necessary reliability and control performance.

При подключении двух пьезоэлементов в совмещенном режиме контроля, производительность увеличивается в два раза, однако возможно нежелательное влияние колебаний одного пьезоэлемента на другой. Чтобы этого не происходило, пьезоэлементы включают в разные такты: в первом такте частоты следования работает первый, во втором - второй, в третьем такте - опять первый, в четвертом - второй и т.д. Либо каждый пьезоэлемент подключают к разным независимым каналам. Это возможно при наличии двухканального дефектоскопа. Работа такого преобразователя аналогична описанному выше, только индикация дефектов происходит по каждому из независимых каналов.When two piezoelectric elements are connected in the combined control mode, productivity doubles, however, an undesirable effect of oscillations of one piezoelectric element on another is possible. To prevent this, the piezoelectric elements are included in different measures: in the first measure of the repetition rate, the first works, in the second - the second, in the third measure - again the first, in the fourth - the second, etc. Or each piezoelectric element is connected to different independent channels. This is possible with a two-channel flaw detector. The operation of such a converter is similar to that described above, only an indication of defects occurs on each of the independent channels.

Для работы преобразователя с двумя парами пьезопластин (фиг.3) их соединяют парами, например, по раздельной схеме с тактовым, синхронным или канальным, независимым включением. Тактовое включение - в первом такте частоты следования идет возбуждение и прием первой пары пьезоэлементов, во втором - соответственно второй пары, в третьем такте - опять первая пара, в четвертом - вторая и так далее по всему циклу контроля. Синхронное включение - работают одновременно обе пары пьезоэлементов. Канальное, независимое включение - работа каждой пары пьезоэлементов в преобразователе осуществляется по двум независимым каналам дефектоскопа, с независимой индикацией информации по дефектам в раздельном или совмещенном режиме. Также возможно включение двух смежных пьезопластин к генератору зондирующих импульсов для работы в режиме излучения, а двух других смежных - в режиме приема. Возможны и другие варианты включения пьезопластин, не рассмотренные в этом описании. При включении преобразователя в работу по одному из описанных режимов (например, раздельному режиму с тактовым переключением) наблюдают только один импульс в начале развертки - зондирующий (при ненагруженном на акустическую среду преобразователе). При установке преобразователя на смоченную контактной средой поверхность контролируемого изделия на развертке появятся два эхо-импульса на расстоянии, определяемом величиной задержки. При сканировании преобразователем по поверхности изделия с заданными шагом и траекторией контроля в момент попадания в область контроля под преобразователем дефекта (несплошности среды) амплитуда двух эхо-импульсов уменьшится до некоторой величины, что будет зафиксировано индикатором дефектоскопа. И независимо от ориентации дефекта материала он будет выявляться соответствующей парой пьезопластин преобразователя, по отношению к которой он ориентирован оптимально, с точки зрения выявляемости. Т.е. при таком расположении пьезоэлементов реализуется теневой метод контроля с выявлением в контролируемом изделии дефектов, расположенных в произвольном месте и любой ориентации, независимо от материала (металла/неметалла).For operation of the transducer with two pairs of piezoelectric plates (Fig. 3), they are connected in pairs, for example, according to a separate circuit with a clock, synchronous or channel, independent inclusion. Clock inclusion - in the first cycle of the repetition rate, the first pair of piezoelectric elements is excited and received, in the second - respectively the second pair, in the third cycle - again the first couple, in the fourth - the second and so on throughout the control cycle. Synchronous inclusion - both pairs of piezoelectric elements work simultaneously. Channel, independent inclusion - the operation of each pair of piezoelectric elements in the transducer is carried out through two independent flaw detector channels, with independent indication of information on defects in separate or combined mode. It is also possible to include two adjacent piezoelectric plates to the probe pulse generator for operation in the radiation mode, and two other adjacent ones in the reception mode. There are other options for the inclusion of piezoelectric plates, not considered in this description. When you turn on the transducer in one of the described modes (for example, separate mode with clock switching), only one pulse is observed at the beginning of the sweep - probing (when the transducer is not loaded on the acoustic medium). When the transducer is installed on the surface of the controlled product moistened with the contact medium, two echo pulses will appear on the scan at a distance determined by the delay value. When the transducer scans over the surface of the product with the specified step and control path when the defect (medium discontinuity) enters the control region under the transducer, the amplitude of two echo pulses decreases to a certain value, which will be detected by the flaw detector indicator. And regardless of the orientation of the material defect, it will be detected by the corresponding pair of piezoelectric plates of the transducer, with respect to which it is optimally oriented, from the point of view of detectability. Those. with this arrangement of piezoelectric elements, a shadow control method is implemented with the identification of defects in the controlled product located in an arbitrary place and in any orientation, regardless of material (metal / non-metal).

Преобразователь, показанный на фиг.4, снабжен пьезоэлементами формой части цилиндра 5 (частный случай пьезоэлемента - полуцилиндр).The Converter shown in figure 4, is equipped with piezoelectric elements in the form of a part of the cylinder 5 (a special case of the piezoelectric element is a half-cylinder).

Характерная особенность преобразователя с пьезоэлементами радиусной формы в том, что если пьезоэлемент плоской формы излучает в среду в обе противоположенные стороны плоский фронт поверхностной волны, то при использовании пьезоэлементов данной формы за счет их кривизны, с одной стороны формируется сходящийся фронт упругой волны (с эффектом фокусировки) и фокальной зоной на расстоянии, пропорциональной радиусу кривизны, в обратную сторону распространяется расходящийся фронт упругой поверхностной волны, ненаправленный (сферическая волна). Оба этих явления выгодно использовать при контроле в следующих случаях: эффект фокусировки важен с точки зрения повышения чувствительности и разрешающей способности, а эффект формирования ненаправленной (сферической) волны повышает производительность контроля и выявление разноориентированных дефектов контролируемого материала.A characteristic feature of a transducer with radius-shaped piezoelectric elements is that if a flat-shaped piezoelectric element emits a flat front of a surface wave into the medium on both opposite sides, then when using piezoelectric elements of this shape due to their curvature, a converging elastic wave front is formed on the one hand (with the focusing effect) ) and the focal zone at a distance proportional to the radius of curvature, the diverging front of the elastic surface wave, non-directional (spherical lna). It is advantageous to use both of these phenomena in control in the following cases: the focusing effect is important from the point of view of increasing sensitivity and resolution, and the effect of the formation of an undirected (spherical) wave increases the performance of the control and the detection of misoriented defects of the controlled material.

Использование в преобразователе пьезоэлементов цилиндрической формы (фиг.5) наиболее целесообразно для выявления разноориентированных дефектов, которые попадают в кольцевую зону прозвучивания, между двумя коаксиально расположенными пьезоэлементами. При подключении преобразователя к ультразвуковому дефектоскопу, преобразователь работает также, как и преобразователь на фиг.1, отличие - в форме пьезоэлементов, поэтому описывать его работу нецелесообразно. Его преимущество в том, что он за счет формы цилиндра формирует в контролируемой среде ненаправленную поверхностную волну, обеспечивающую выявление разноориентированных дефектов материала.The use of a cylindrical piezoelectric element in the transducer (Fig. 5) is most appropriate for identifying misoriented defects that fall into the annular sounding zone between two coaxially located piezoelectric elements. When connecting the transducer to an ultrasonic flaw detector, the transducer works the same as the transducer in Fig. 1, the difference is in the form of piezoelectric elements, therefore, it is not practical to describe its operation. Its advantage is that, due to the shape of the cylinder, it forms an undirected surface wave in a controlled medium, which ensures the detection of misoriented material defects.

Источники информацииInformation sources

1. Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. Методы акустического контроля металлов. М., Машиностроение, 1989, стр.145.1. Aleshin N.P., Bely V.E., Vopilkin A.Kh. and other Methods of acoustic control of metals. M., Mechanical Engineering, 1989, p. 145.

2. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М., изд-во «Наука», 1965 г., стр. 14.2. Viktorov I.A. Physical fundamentals of the application of Rayleigh and Lamb ultrasonic waves in technology. M., publishing house "Science", 1965, p. 14.

Claims (2)

1. Ультразвуковой преобразователь поверхностных волн, содержащий пьезоэлементы, имеющие возможность соединения с ультразвуковым дефектоскопом, акустический изолятор, корпус, отличающийся тем, что пьезоэлементы преобразователя, поляризованные по толщине, установлены на одну из граней перпендикулярно рабочей поверхности, расположены на расстоянии друг от друга, большем пространственной длительности зондирующего импульса (L>τc), акустически изолированы друг от друга и электрически соединены совместно или раздельно с тактовым или синхронным включением.1. An ultrasonic transducer of surface waves containing piezoelectric elements that can be connected to an ultrasonic flaw detector, an acoustic insulator, a housing, characterized in that the transducer piezoelectric elements polarized in thickness are mounted on one of the faces perpendicular to the working surface, located at a distance from each other, greater spatial duration of the probe pulse (L> τc), acoustically isolated from each other and electrically connected together or separately with the clock or sync inclusion. 2. Способ изготовления ультразвукового преобразователя поверхностных волн, отличающийся тем, что пьезоэлементы преобразователя устанавливают парами на одну из граней перпендикулярно рабочей поверхности, причем пьезоэлементы каждой пары параллельны друг другу, а сами пары располагают перпендикулярно относительно друг друга, электрически соединяют парами по раздельной схеме с тактовым или синхронным включением, акустически изолируют, а излучение упругих волн в контролируемую среду осуществляют непосредственно или через согласующий слой (протектор). 2. A method of manufacturing an ultrasonic transducer of surface waves, characterized in that the piezoelectric elements of the transducer are mounted in pairs on one of the faces perpendicular to the working surface, the piezoelectric elements of each pair are parallel to each other, and the pairs themselves are arranged perpendicular to each other, electrically connected in pairs according to a separate clock circuit or by synchronous inclusion, acoustically isolate, and the emission of elastic waves in a controlled environment is carried out directly or through matching layer (protector).
RU2013102206/28A 2013-01-18 2013-01-18 Ultrasonic surface wave converter and method for manufacture thereof RU2520950C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013102206/28A RU2520950C1 (en) 2013-01-18 2013-01-18 Ultrasonic surface wave converter and method for manufacture thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013102206/28A RU2520950C1 (en) 2013-01-18 2013-01-18 Ultrasonic surface wave converter and method for manufacture thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2520950C1 true RU2520950C1 (en) 2014-06-27

Family

ID=51218056

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013102206/28A RU2520950C1 (en) 2013-01-18 2013-01-18 Ultrasonic surface wave converter and method for manufacture thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2520950C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017123112A1 (en) * 2016-01-15 2017-07-20 Алексей Михайлович КАШИН Ultrasonic testing of continuously cast workpiece

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1226287A1 (en) * 1984-01-11 1986-04-23 Пермское производственное объединение "Моторостроитель" им.Я.М.Свердлова Ultrasonic converter
SU1272221A1 (en) * 1985-04-30 1986-11-23 Всесоюзный Дважды Ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический Научно-Исследовательский Институт Им.Ф.Э.Дзержинского Versions of ultrasonic oblique transducer
US5760523A (en) * 1996-08-09 1998-06-02 Toda; Kohji Surface acoustic wave transducing device
RU2356044C1 (en) * 2007-12-03 2009-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта" Ultrasound inclined converter
JP2012058112A (en) * 2010-09-10 2012-03-22 Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd Ultrasonic flaw detection method and device using array probe

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1226287A1 (en) * 1984-01-11 1986-04-23 Пермское производственное объединение "Моторостроитель" им.Я.М.Свердлова Ultrasonic converter
SU1272221A1 (en) * 1985-04-30 1986-11-23 Всесоюзный Дважды Ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический Научно-Исследовательский Институт Им.Ф.Э.Дзержинского Versions of ultrasonic oblique transducer
US5760523A (en) * 1996-08-09 1998-06-02 Toda; Kohji Surface acoustic wave transducing device
RU2356044C1 (en) * 2007-12-03 2009-05-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта" Ultrasound inclined converter
JP2012058112A (en) * 2010-09-10 2012-03-22 Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd Ultrasonic flaw detection method and device using array probe

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Викторов И.А., Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике, Изд. "Наука", Москва, 1965, стр. 14. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017123112A1 (en) * 2016-01-15 2017-07-20 Алексей Михайлович КАШИН Ultrasonic testing of continuously cast workpiece

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Aryan et al. A baseline‐free and non‐contact method for detection and imaging of structural damage using 3D laser vibrometry
EP3173781B1 (en) Airborne ultrasound testing system for a test object
Ma et al. Excitation and detection of shear horizontal waves with electromagnetic acoustic transducers for nondestructive testing of plates
Sun et al. A methodological review of piezoelectric based acoustic wave generation and detection techniques for structural health monitoring
US10473624B2 (en) Shear wave sensors for acoustic emission and hybrid guided wave testing
JPH01109255A (en) Electromagnetic type ultrasonic conversion
JP7414260B2 (en) Electromagnetic ultrasound transducer (EMAT) for corrosion mapping
US9678045B2 (en) Devices, systems, and methods for non-destructive testing of materials and structures
Fromme et al. Directivity of guided ultrasonic wave scattering at notches and cracks
US20160299106A1 (en) Systems and methods for using flexural modes in non-destructive testing and inspection
CN104142326A (en) Attenuation coefficient detection method
WO2014182402A1 (en) Fluid density stratification location system, device and method
RU2580907C1 (en) Ultrasonic waveguide level meter for liquid
Fromme Monitoring of plate structures using guided ultrasonic waves
Cawley Guided waves in long range nondestructive testing and structural health monitoring: Principles, history of applications and prospects
RU2520950C1 (en) Ultrasonic surface wave converter and method for manufacture thereof
RU2613624C1 (en) Method for nondestructive ultrasonic inspection of water conduits of hydraulic engineering facilities
Li On circumferential disposition of pipe defects by long-range ultrasonic guided waves
Guo et al. Water Level Sensing in a Steel Vessel Using A 0 and Quasi-Scholte Waves
Fromme Health monitoring of plate structures using guided waves
CA2725297A1 (en) Improved non-destructive ultrasonic testing with coupling check
Ostachowicz et al. Damage localisation using elastic waves propagation method. Experimental techniques
Zaz et al. High frequency transducer dedicated to the high-resolution in situ measurement of the distance between two nuclear fuel plates
Rose et al. Ultrasonic guided wave modal analysis technique (UMAT) for defect detection
Kazys et al. Online profiling of nonplanar objects by high-resolution air-coupled ultrasonic distance measurements

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150119