RU2541672C1 - Ultrasound immersion multisection piezoelectric transducer - Google Patents

Ultrasound immersion multisection piezoelectric transducer Download PDF

Info

Publication number
RU2541672C1
RU2541672C1 RU2013145359/28A RU2013145359A RU2541672C1 RU 2541672 C1 RU2541672 C1 RU 2541672C1 RU 2013145359/28 A RU2013145359/28 A RU 2013145359/28A RU 2013145359 A RU2013145359 A RU 2013145359A RU 2541672 C1 RU2541672 C1 RU 2541672C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
piezoelectric elements
piezoelectric
transducer
piezoelectric cells
Prior art date
Application number
RU2013145359/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич Курочкин
Сергей Геннадьевич Виногоров
Александр Владимирович Удалов
Original Assignee
Александр Сергеевич Курочкин
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 Александр Сергеевич Курочкин filed Critical Александр Сергеевич Курочкин
Priority to RU2013145359/28A priority Critical patent/RU2541672C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2541672C1 publication Critical patent/RU2541672C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: ultrasound immersion multisection piezoelectric transducer comprises hermetic package filled with damping substance, piezoelectric cells installed inside the package and placed symmetrically in regard to the converter acoustic axis and lens placed from the side of radiation surface of piezoelectric cells, acoustic axes of piezoelectric cells are intercrossed at the longitudinal axis of the converter, polarization vector of all piezoelectric cells is directed to the radiation side or to the damping substance side, at that lens is common for all piezoelectric cells or it consists of separate sections. Piezoelectric cells are placed so that they form convex or concave surface in regard to lens, all piezoelectric cells are made with positive and negative electrodes common for them, which cover gaps between piezoelectric cells filled with polymer compound and connected to sealed electric connector. Lens and damping substance with their surfaces are faced to the formed piezoelectric cells and polymer compound and each of them adjoins electrodes at these surfaces tightly; at that lens is glued to the electrode placed at piezoelectric cells or adjoins the electrode tightly through the layer of acoustically conductive fluid.
EFFECT: potential increase of the operating zone length and expansion of direction pattern for the piezoelectric transducer at simultaneous simplification of its design.
6 cl, 3 dwg

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.The invention relates to ultrasonic measuring equipment, namely to piezoelectric transducers, and can be used for flaw detection and thickness measurement in the study of various kinds of materials, in particular pipes, rolled metal, plastics and heterogeneous materials, such as, for example, welded structures.

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).Known ultrasonic transducer containing a housing with a protector in the form of a truncated cone, a piezoelectric element and a damper placed in the housing (see application GB No. 2091520, CL G01N 29/00, 07/28/1982).

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 смачивающая жидкость.This transducer creates only a longitudinal wave in the material under study and can be used only in the high-frequency region, which narrows the scope of its use. In addition, wetting fluid is required to install the transducer on the test article.

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).Known separately-combined Converter, in the housing of which are installed at an angle of 45 degrees the transverse wave emitter and the receiving element (see patent FR No. 2499248, CL G01N 29/00, 08/06/1982).

Данный преобразователь работает в высокочастотной области и требует значительных усилий для обеспечения хорошего акустического контакта, что сужает область его использования.This transducer operates in the high-frequency region and requires considerable effort to ensure good acoustic contact, which narrows the scope of its use.

Кроме того, общим недостатком описанных выше преобразователей является то, что они не могут работать в иммерсионном режиме.In addition, a common disadvantage of the above converters is that they cannot work in immersion mode.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ультразвуковой иммерсионный многоэлементный 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, акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, причем линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом (см. патент на полезную модель RU №114786, кл. G01N 29/00, 10.04.2012).The closest to the invention in technical essence and the achieved result is an ultrasonic immersion multi-element piezoelectric transducer comprising a sealed housing with a damping substance, piezoelectric elements mounted inside the body and located in the body symmetrically with respect to the acoustic axis of the transducer, and a lens paired with piezoelectric elements from the side of the radiating surface of the piezoelectric element , the acoustic axis of the piezoelectric elements intersect each other on the longitudinal axis of the transform In the direction of radiation of the transducer, the polarization vector of all the piezoelectric elements is directed either towards the radiation or towards the damping substance, the lens being made common for all piezoelectric elements or consists of separate sections interconnected at the interface with a binder, for example, glue or a polymer compound ( see utility model patent RU No. 114,786, class G01N 29/00, 04/10/2012).

Данный преобразователь выполнен с возможностью его использования для контроля объектов с шероховатой, неподготовленной и криволинейной поверхностью. Однако данный преобразователь имеет сравнительно сложную конструкцию, что снижает его надежность и ограничивает диапазон возможных конфигураций диаграммы излучения.This converter is made with the possibility of its use for monitoring objects with a rough, unprepared and curved surface. However, this converter has a relatively complex design, which reduces its reliability and limits the range of possible configurations of the radiation pattern.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение достоверности контроля целостности контролируемого материала за счет увеличения длины рабочей зоны и расширения диаграммы направленности пьезоэлектрического преобразователя при упрощении конструкции преобразователя.The problem to which the invention is directed, is to increase the reliability of the integrity control of the controlled material by increasing the length of the working area and expanding the radiation pattern of the piezoelectric transducer while simplifying the design of the transducer.

Технический результат заключается в том, что достигается повышение достоверности контроля целостности контролируемого материала.The technical result consists in the fact that an increase in the reliability of the integrity control of the controlled material is achieved.

Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ультразвуковой иммерсионный многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь содержит герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, расположенную со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, причем линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом, пьезоэлементы расположены с образованием вогнутой или выпуклой относительно линзы поверхности, промежутки между пьезоэлементами заполнены полимерным компаундом с образованием плавно изогнутых, общих с пьезоэлементами поверхностей, одна из которых обращена в сторону линзы, а другая - в сторону демпфирующего вещества, все пьезоэлементы выполнены с общим для них положительным и отрицательным электродами, перекрывающими заполненные полимерным компаундом промежутки между пьезоэлементами и подключенными к электрическому герметичному разъему, при этом линза и демпфирующее вещество поверхностями, обращенными к образованным пьезоэлементами и полимерным компаундом поверхностям, каждая со своей стороны, плотно прилегает к расположенным на этих поверхностях электродам, причем линза приклеена к расположенному на пьезоэлементах электроду или плотно прилегает к электроду через слой акустически проводящей жидкости толщиной меньше чем δ 4

Figure 00000001
, где δ - длина волны ультразвука в жидкости, прилегающие поверхности линзы и демпфирующего вещества повторяют поверхности электродов к которым они прилегают, а линейный размер излучающей поверхности каждого пьезоэлемента равен или меньше h=C/2F, где C - скорость звука в материале пьезоэлемента; F - резонансная частота пьезоэлемента.The problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the ultrasonic immersion multi-element piezoelectric transducer contains a sealed housing with a damping substance, piezoelectric elements installed inside the body and located in the body symmetrically relative to the acoustic axis of the transducer, and a lens located on the side of the radiating surface of the piezoelectric elements, acoustic the axes of the piezoelectric elements intersect each other on the longitudinal axis of the transducer, the polarization vector of all the piezoelectric elements It is directed either toward the radiation or towards the damping substance, the lens being common for all piezoelectric elements or consisting of separate sections interconnected at the interface with a binder, for example, with adhesive or a polymer compound, the piezoelectric elements are arranged to form concave or convex relative to the lens surfaces, the gaps between the piezoelectric elements are filled with a polymer compound with the formation of smoothly curved surfaces common with the piezoelectric elements, one of which is facing well, the lenses, and the other toward the damping substance, all the piezoelectric elements are made with a common positive and negative electrodes, overlapping the gaps filled with the polymer compound between the piezoelectric elements and connected to the electrical sealed connector, while the lens and the damping substance are the surfaces facing the formed piezoelectric elements and polymer compound surfaces, each for its part, fits snugly to the electrodes located on these surfaces, and the lens is glued to zhennomu electrode for piezoelectric elements or adheres to the electrode through a layer of acoustically conductive liquid is less than the thickness δ four
Figure 00000001
where δ is the wavelength of ultrasound in the liquid, the adjacent surfaces of the lens and damping substance repeat the surfaces of the electrodes to which they are adjacent, and the linear size of the radiating surface of each piezoelectric element is equal to or less than h = C / 2F, where C is the speed of sound in the material of the piezoelectric element; F is the resonant frequency of the piezoelectric element.

Пьезоэлементы предпочтительно имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму.The piezoelectric elements preferably have the same shape with respect to the longitudinal axis of the transducer.

Пьезоэлементы стороной, обращенной к контролируемому материалу, могут быть расположены под острым или тупым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя, соответственно, в случае расположения пьезоэлементов с образованием вогнутой или выпуклой поверхности.Piezoelectric elements with the side facing the controlled material can be located at an acute or obtuse angle to the acoustic axis of the piezoelectric transducer, respectively, in the case of the location of the piezoelectric elements with the formation of a concave or convex surface.

Линза, предпочтительно, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, имеет толщину S напротив каждого из пьезоэлементов, равнуюThe lens, preferably made in the form of a layer of acoustically conductive solid material, has a thickness S opposite to each of the piezoelectric elements equal to

λ 4 = c 4 f

Figure 00000002
, λ four = c four f
Figure 00000002
,

где λ - длина волны ультразвука в материале линзы;where λ is the ultrasound wavelength in the lens material;

c - скорость звука в материале линзы;c is the speed of sound in the lens material;

f - рабочая частота пьезоэлемента.f is the working frequency of the piezoelectric element.

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 λ 4

Figure 00000003
.The lens may have a wedge-shaped shape opposite each piezoelectric element in the plane of the longitudinal section passing through the acoustic axes of the piezoelectric elements, and the thickness of the lens at the point where the acoustic axis of the piezoelectric element passes through it is λ four
Figure 00000003
.

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.The lens can be made with a cylindrical outer surface facing a concave part toward the material to be controlled and made opposite each of the piezoelectric elements, the generatrix of the cylindrical surface being perpendicular to the plane in which the acoustic axes of the piezoelectric elements lie, the lens has the smallest thickness equal to λ / 4, and the generatrix is cylindrical surface at the point of smallest thickness of the cylindrical surface intersects with the acoustic axis of the corresponding piezoelectric element with an increase in the thickness of the lens in away from this acoustic axis.

Выполнение пьезоэлементов расположенными с образованием вогнутой или выпуклой относительно линзы поверхности с промежутками между пьезоэлементами, заполненными полимерным компаундом с образованием плавно изогнутых, общих с пьезоэлементами поверхностей, одна из которых обращена в сторону линзы, а другая - в сторону демпфирующего вещества в сочетании с тем, что все пьезоэлементы выполнены с общим для них положительным и отрицательным электродами, перекрывающими заполненные полимерным компаундом промежутки между пьезоэлементами и подключенными к электрическому герметичному разъему, при этом линза и демпфирующее вещество поверхностями, обращенными к образованным пьезоэлементами и полимерным компаундом поверхностям, каждая со своей стороны, плотно прилегает к расположенным на этих поверхностях электродам, причем прилегающие поверхности линзы и демпфирующего вещества повторяют поверхности электродов, к которым они прилегают, а линейный размер излучающей поверхности каждого пьезоэлемента равен или меньше h=C/2F, где C - скорость звука в материале пьезоэлемента; F - резонансная частота пьезоэлемента, позволяет добиться упрощения конструкции преобразователя за счет возможности выполнения пьезоэлементов скомпонованными с электродами в виде отдельного блока, который легко вставить в преобразователь при сборке или легко заменить в случае необходимости, например при ремонте. Таким образом, преобразователь может состоять из отдельных конструктивно простых элементов: блока пьезоэлементов, линзы и демпфирующего вещества, из которых легко собирается преобразователь практически любой необходимой конфигурации. Кроме того, представляется возможность создавать блоки из пьезоэлементов с обращенной к линзе поверхностью, которая может быть двухмерной, например близкой к цилиндрической, или трехмерной, например близкой к сферической, что в свою очередь позволяет создавать преобразователи практически с любой требуемой длиной рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя, что позволяет повысить достоверность контроля целостности контролируемого материалаThe implementation of the piezoelectric elements located with the formation of a concave or convex relative to the lens surface with gaps between the piezoelectric elements filled with a polymer compound with the formation of smoothly curved surfaces common with the piezoelectric elements, one of which faces the lens and the other towards the damping substance in combination with the fact that all piezoelectric elements are made with a common positive and negative electrodes overlapping the gaps between the piezoelectric elements filled with a polymer compound and connected to the electrical sealed connector, wherein the lens and the damping substance are the surfaces facing the surfaces formed by the piezoelectric elements and the polymer compound, each, for its part, is closely adjacent to the electrodes located on these surfaces, and the adjacent surfaces of the lens and damping substance repeat the surfaces of the electrodes to which they are adjacent, and the linear size of the radiating surface of each piezoelectric element is equal to or less than h = C / 2F, where C is the speed of sound in the material of the piezoelectric element; F is the resonant frequency of the piezoelectric element, which makes it possible to simplify the design of the transducer due to the possibility of performing the piezoelectric elements arranged with the electrodes in the form of a separate unit, which can be easily inserted into the transducer during assembly or easily replaced if necessary, for example, during repair. Thus, the transducer can consist of separate structurally simple elements: a block of piezoelectric elements, a lens and a damping substance, from which the transducer of almost any necessary configuration is easily assembled. In addition, it is possible to create blocks of piezoelectric elements with a surface facing the lens, which can be two-dimensional, for example close to cylindrical, or three-dimensional, for example close to spherical, which in turn allows you to create transducers with almost any desired length of the working zone of the piezoelectric transducer, which allows to increase the reliability of the integrity control of the controlled material

Выполнение толщины линзы равной λ 4

Figure 00000003
позволяет добиться максимальной чувствительности пьезоэлектрического преобразователя за счет эффекта просветления.Making the lens thickness equal λ four
Figure 00000003
allows you to achieve maximum sensitivity of the piezoelectric transducer due to the effect of enlightenment.

Выполнение линзы с описанными выше клиновидными поверхностями позволяет сократить длительность эхо-импульса и увеличить соотношение сигнал/шум.The implementation of the lens with the above wedge-shaped surfaces can reduce the duration of the echo pulse and increase the signal-to-noise ratio.

Выполнение линзы с цилиндрическими поверхностями позволяет, помимо приведенных выше качеств, обеспечить концентрацию энергии акустического поля в заданной области.The implementation of the lens with cylindrical surfaces allows, in addition to the above qualities, to ensure the concentration of energy of the acoustic field in a given area.

На фиг.1 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя с двумя пьезоэлементами и линзой с цилиндрическими поверхностями.Figure 1 shows a longitudinal section of an ultrasonic immersion multi-element piezoelectric transducer with two piezoelectric elements and a lens with cylindrical surfaces.

На фиг.2 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя с пьезоэлементами и линзой с клиновидной формой напротив каждого пьезоэлемента.Figure 2 presents a longitudinal section of an ultrasonic immersion multielement piezoelectric transducer with piezoelectric elements and a wedge-shaped lens opposite each piezoelectric element.

На фиг.3 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного пьезоэлектрического преобразователя с образованной пьезоэлементами выпуклой поверхностью, обращенной к контролируемому материалу.Figure 3 shows a longitudinal section of an ultrasonic immersion multielement piezoelectric transducer with a convex surface formed by the piezoelectric elements facing the controlled material.

Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный 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, расположенную со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов 3.An ultrasonic immersion multielement piezoelectric transducer comprises a sealed housing 1 with a damping substance 2, piezoelectric elements 3 installed inside the housing 1 and located in the housing 1 symmetrically with respect to the acoustic axis 4 of the transducer, and a lens 5 located on the side of the radiating surface of the piezoelectric elements 3.

Пьезоэлементы 3 могут быть выполнены в виде круглых, сегментных или прямоугольных пластин и расположены со стороны, обращенной к контролируемому материалу под острым α или тупым β углом к акустической оси 4 пьезоэлектрического преобразователя, соответственно, в случае расположения пьезоэлементов 3 с образованием вогнутой или выпуклой поверхности, при этом пьезоэлементы 3, предпочтительно, имеют относительно продольной оси (совпадающей с акустической осью 4) преобразователя попарно одинаковую форму и выполнены с электродами 6 и 7 на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему 8. Акустические оси 9 пьезоэлементов 3 пересекаются между собой на продольной оси преобразователя.Piezoelectric elements 3 can be made in the form of round, segment or rectangular plates and are located on the side facing the controlled material at an acute α or obtuse β angle to the acoustic axis 4 of the piezoelectric transducer, respectively, in the case of the location of the piezoelectric elements 3 with the formation of a concave or convex surface, while the piezoelectric elements 3, preferably, have a pairwise identical shape with respect to the longitudinal axis (coinciding with the acoustic axis 4) of the transducer and are made with electrodes 6 and 7 on their opposite surfaces connected to an electrical sealed connector 8. The acoustic axis 9 of the piezoelectric elements 3 intersect each other on the longitudinal axis of the transducer.

Вектор поляризации всех пьезоэлементов 3 направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества 2, причем линза 5 выполнена общей для всех пьезоэлементов 3 или состоит из отдельных секций 10, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом.The polarization vector of all piezoelectric elements 3 is directed either to the side of radiation or to the side of the damping substance 2, moreover, the lens 5 is made common to all piezoelectric elements 3 or consists of separate sections 10 connected to each other at the interface with a binder, for example, with glue or a polymer compound.

Пьезоэлементы 3 расположены с образованием вогнутой (фиг.1 и 2) или выпуклой (фиг.3) относительно линзы 5 поверхности. Промежутки между пьезоэлементами 3 заполнены полимерным компаундом 11 с образованием плавно изогнутых, общих с пьезоэлементами 3 поверхностей, одна из которых обращена в сторону линзы 5, а другая - в сторону демпфирующего вещества 2.The piezoelectric elements 3 are arranged with the formation of a concave (figure 1 and 2) or convex (figure 3) relative to the lens 5 of the surface. The gaps between the piezoelectric elements 3 are filled with a polymer compound 11 with the formation of smoothly curved surfaces common with the piezoelectric elements 3, one of which faces the lens 5 and the other toward the damping substance 2.

Все пьезоэлементы 3 выполнены с общим для них положительным 7 и отрицательным 6 электродами, перекрывающими заполненные полимерным компаундом 11 промежутки между пьезоэлементами 3 и подключенными к электрическому герметичному разъему 8, при этом линза 5 и демпфирующее вещество 2 поверхностями, обращенными к образованным пьезоэлементами 3 и полимерным компаундом 11 поверхностям, каждая со своей стороны, плотно прилегает к расположенным на этих поверхностях электродам 6 и 7, причем линза 5 приклеена к расположенному на пьезоэлементах 3 электроду 7 или плотно прилегает к электроду 7 через слой акустически проводящей жидкости (не показано на чертеже) толщиной меньше чем δ 4

Figure 00000004
, где δ - длина волны ультразвука в жидкости, прилегающие поверхности линзы 5 и демпфирующего вещества 2 повторяют поверхности электродов 6 и 7, к которым они прилегают, а линейный размер излучающей поверхности каждого пьезоэлемента 3 равен или меньше h=C/2F, где C - скорость звука в материале пьезоэлемента 3; F - резонансная частота пьезоэлемента 3.All piezoelectric elements 3 are made with a common positive 7 and negative 6 electrodes, overlapping the gaps filled with the polymer compound 11 between the piezoelectric elements 3 and connected to the electrical sealed connector 8, while the lens 5 and the damping substance 2 surfaces facing the formed piezoelectric elements 3 and the polymer compound 11 surfaces, each for its part, fits snugly to the electrodes 6 and 7 located on these surfaces, and the lens 5 is glued to the electrodes located on the piezoelectric elements 3 at 7 or adheres to the electrode 7 through a layer of acoustically conductive fluid (not shown) with a thickness less than δ four
Figure 00000004
where δ is the wavelength of ultrasound in the liquid, the adjacent surfaces of the lens 5 and damping substance 2 repeat the surfaces of the electrodes 6 and 7 to which they are adjacent, and the linear size of the radiating surface of each piezoelectric element 3 is equal to or less than h = C / 2F, where C is the speed of sound in the material of the piezoelectric element 3; F is the resonant frequency of the piezoelectric element 3.

Линза 5, предпочтительно, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, имеет толщину S напротив каждого из пьезоэлементов (на чертеже не показано), равнуюLens 5, preferably made in the form of a layer of acoustically conductive solid material, has a thickness S opposite each of the piezoelectric elements (not shown), equal

λ 4 = c 4 f

Figure 00000002
, λ four = c four f
Figure 00000002
,

где λ - длина волны ультразвука в материале линзы;where λ is the ultrasound wavelength in the lens material;

c - скорость звука в материале линзы;c is the speed of sound in the lens material;

f - рабочая частота пьезоэлемента.f is the working frequency of the piezoelectric element.

Линза 5 может иметь клиновидную форму напротив каждого пьезоэлемента 3 в плоскости продольного сечения проходящей через акустические оси 9 пьезоэлементов, а толщина линзы в месте прохождения через нее акустической оси 9 пьезоэлемента равна λ 4

Figure 00000005
.The lens 5 may have a wedge-shaped shape opposite each piezoelectric element 3 in the longitudinal section plane passing through the acoustic axes 9 of the piezoelectric elements, and the thickness of the lens at the point where the acoustic axis 9 of the piezoelectric element passes through it is λ four
Figure 00000005
.

Линза 5 может быть выполнена с цилиндрической наружной поверхностью, обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов 3 (фиг.1), причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси 9 пьезоэлементов, линза 5 имеет наименьшую толщину, равную λ/4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины цилиндрической поверхности пересекается с акустической осью 9 соответствующего пьезоэлемента с увеличением толщины линзы в направлении от этой акустической оси 9.Lens 5 can be made with a cylindrical outer surface facing a concave part toward the material to be controlled and made opposite each of the piezoelectric elements 3 (Fig. 1), and the generatrix of the cylindrical surface is perpendicular to the plane in which the acoustic axes 9 of the piezoelectric elements lie, lens 5 has the smallest thickness equal to λ / 4, and the generatrix of the cylindrical surface at the point of smallest thickness of the cylindrical surface intersects with the acoustic axis 9 of the corresponding piezoelectric element with increasing thickness lenses away from this acoustic axis 9.

Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.Ultrasonic immersion multi-element piezoelectric transducer operates as follows.

После установки преобразователя в жидкости линзой 5 над поверхностью контролируемого материала к выводам электрического герметичного разъема 8 подводят возбуждающее напряжение или в случае приема ультразвуковых колебаний снимают с этих выводов принятый сигнал. В режиме излучения, благодаря подключению электродов пьезоэлементов 3 к соответствующим выводом разъема 8, 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 эхо-импульс.After the transducer is installed in the liquid with a lens 5 above the surface of the controlled material, exciting voltage is applied to the terminals of the electrical tight connector 8 or, in the case of receiving ultrasonic vibrations, the received signal is removed from these conclusions. In the radiation mode, due to the connection of the electrodes of the piezoelectric elements 3 to the corresponding output of the connector 8, the piezoelectric elements 3 oscillate in phase, emitting longitudinal waves into the liquid. The wave front reaches the surface of the controlled object and, depending on the angle of incidence, forms the front of longitudinal or transverse waves in it. When this front meets a material inhomogeneity or defect, a reflected echo pulse is formed.

В режиме приема отраженные волны принимаются всеми пьезоэлементами 3 или их частью и образуют выходной электрический сигнал на выводах разъема 8.In the receiving mode, the reflected waves are received by all of the piezoelectric elements 3 or part thereof and form an output electrical signal at the terminals of the connector 8.

Размещение 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.Placing the piezoelectric elements 3 in the manner described above in combination with performing them in pairs with the same shape allows you to increase the length of the working zone of the piezoelectric transducer and expand its radiation pattern, which ultimately allows to increase the reliability of the integrity control of the controlled material.

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.The immersion type of contact of the converter with the controlled object makes it possible to control materials with a rough surface (for example, castings) and long products, as well as to increase the life of the converter.

Возможность концентрации энергии акустического поля в заранее определенной рабочей зоне обеспечивает повышение достоверности контроля в массивных изделиях.The ability to concentrate the energy of the acoustic field in a predetermined working area provides increased reliability of control in bulk products.

Расширение диаграммы направленности обеспечивает возможность обнаружения произвольно ориентированных дефектов.The expansion of the radiation pattern provides the ability to detect randomly oriented defects.

Настоящее изобретение может быть использовано для дефектоскопии и толщинометрии материала конструкций в машиностроении, трубопроводном и железнодорожном транспорте.The present invention can be used for flaw detection and thickness measurement of the material of structures in mechanical engineering, pipeline and railway transport.

Claims (6)

1. Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий герметичный корпус с демпфирующим веществом, пьезоэлементы, установленные внутри корпуса и расположенные в корпусе симметрично относительно акустической оси преобразователя, и линзу, расположенную со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов, акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, причем линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом, отличающийся тем, что пьезоэлементы расположены с образованием вогнутой или выпуклой относительно линзы поверхности, промежутки между пьезоэлементами заполнены полимерным компаундом с образованием плавно изогнутых, общих с пьезоэлементами поверхностей, одна из которых обращена в сторону линзы, а другая - в сторону демпфирующего вещества, все пьезоэлементы выполнены с общим для них положительным и отрицательным электродами, перекрывающими заполненные полимерным компаундом промежутки между пьезоэлементами и подключенными к электрическому герметичному разъему, при этом линза и демпфирующее вещество поверхностями, обращенными к образованным пьезоэлементами и полимерным компаундом поверхностям, каждая со своей стороны, плотно прилегает к расположенным на этих поверхностях электродам, причем линза приклеена к расположенному на пьезоэлементах электроду или плотно прилегает к электроду через слой акустически проводящей жидкости толщиной меньше чем δ 4
Figure 00000006
, где δ - длина волны ультразвука в жидкости, прилегающие поверхности линзы и демпфирующего вещества повторяют поверхности электродов, к которым они прилегают, а линейный размер излучающей поверхности каждого пьезоэлемента равен или меньше h=C/2F, где
C - скорость звука в материале пьезоэлемента;
F - резонансная частота пьезоэлемента.
1. An ultrasonic immersion multielement piezoelectric transducer comprising a sealed housing with a damping substance, piezoelectric elements mounted inside the body and located symmetrically relative to the acoustic axis of the transducer, and a lens located on the side of the radiating surface of the piezoelectric elements, the acoustic axis of the piezoelectric elements intersect each other on the longitudinal axis of the transducer , the polarization vector of all piezoelectric elements is directed either to the side of radiation or to the side of damped its substances, moreover, the lens is made common to all piezoelectric elements or consists of separate sections interconnected at the interface with a binder, for example glue or a polymer compound, characterized in that the piezoelectric elements are arranged to form a concave or convex surface relative to the lens, the gaps between the piezoelectric elements are filled polymer compound with the formation of smoothly curved surfaces common with piezoelectric elements, one of which faces the lens and the other towards the damping surface In addition, all piezoelectric elements are made with a common positive and negative electrodes, overlapping the gaps filled by the polymer compound between the piezoelectric elements and connected to the electrical sealed connector, the lens and the damping substance being facing the surfaces formed by the piezoelectric elements and the polymer compound, each on its own side fits tightly to the electrodes located on these surfaces, the lens being glued to the electrode located on the piezoelectric elements or flat adheres closely to the electrode through a layer of acoustically conductive liquid with a thickness of less than δ four
Figure 00000006
where δ is the wavelength of ultrasound in the liquid, the adjacent surfaces of the lens and damping substance repeat the surfaces of the electrodes to which they are adjacent, and the linear size of the radiating surface of each piezoelectric element is equal to or less than h = C / 2F, where
C is the speed of sound in the material of the piezoelectric element;
F is the resonant frequency of the piezoelectric element.
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлементы имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму.2. The transducer according to claim 1, characterized in that the piezoelectric elements have the same shape in pairs with respect to the longitudinal axis of the transducer. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлементы стороной, обращенной к контролируемому материалу, расположены под острым или тупым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя, соответственно в случае расположения пьезоэлементов с образованием вогнутой или выпуклой поверхности.3. The transducer according to claim 1, characterized in that the piezoelectric elements with the side facing the controlled material are located at an acute or obtuse angle to the acoustic axis of the piezoelectric transducer, respectively, in the case of the location of the piezoelectric elements with the formation of a concave or convex surface. 4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что линза, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, имеет толщину S напротив каждого из пьезоэлементов, равную
λ 4 = c 4 f
Figure 00000007
,
где λ - длина волны ультразвука в материале линзы;
c - скорость звука в материале линзы;
f - рабочая частота пьезоэлемента.
4. The Converter according to claim 1, characterized in that the lens, made in the form of a layer of acoustically conductive solid material, has a thickness S opposite each of the piezoelectric elements equal to
λ four = c four f
Figure 00000007
,
where λ is the ultrasound wavelength in the lens material;
c is the speed of sound in the lens material;
f is the working frequency of the piezoelectric element.
5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что линза имеет клиновидную форму в плоскости продольного сечения, проходящей через акустические оси пьезоэлементов, а толщина линзы в месте прохождения через нее акустической оси пьезоэлемента равна λ 4
Figure 00000008
.
5. The Converter according to claim 1, characterized in that the lens has a wedge-shaped shape in the plane of a longitudinal section passing through the acoustic axis of the piezoelectric elements, and the thickness of the lens at the point where the acoustic axis of the piezoelectric element passes through it is λ four
Figure 00000008
.
6. 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. 6. The transducer according to claim 1, characterized in that the lens is made with a cylindrical outer surface facing the concave part towards the material being controlled and made opposite each of the piezoelectric elements, the generatrix of the cylindrical surface being perpendicular to the plane in which the acoustic axes of the piezoelectric elements lie, the lens has the smallest a thickness equal to λ / 4, and the generatrix of the cylindrical surface at the point of smallest thickness of the lens with the cylindrical surface intersects with the acoustic axis of the corresponding ezoelementa with increasing thickness of the lens in the direction of this acoustic axis.
RU2013145359/28A 2013-10-10 2013-10-10 Ultrasound immersion multisection piezoelectric transducer RU2541672C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013145359/28A RU2541672C1 (en) 2013-10-10 2013-10-10 Ultrasound immersion multisection piezoelectric transducer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013145359/28A RU2541672C1 (en) 2013-10-10 2013-10-10 Ultrasound immersion multisection piezoelectric transducer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2541672C1 true RU2541672C1 (en) 2015-02-20

Family

ID=53288741

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013145359/28A RU2541672C1 (en) 2013-10-10 2013-10-10 Ultrasound immersion multisection piezoelectric transducer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2541672C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
SU1623791A1 (en) * 1988-07-26 1991-01-30 Институт микроэлектроники АН СССР System for focusing acoustic radiation in solid objects
SU1670593A1 (en) * 1989-07-19 1991-08-15 Харьковский Институт Радиоэлектроники Им.Акад.М.К.Янгеля Acoustic transducer
RU2082163C1 (en) * 1994-02-21 1997-06-20 Товарищество с ограниченной ответственностью Фирма "АКС" Ultrasound low-frequency converter
US6234025B1 (en) * 1999-03-29 2001-05-22 Sandia Corporation Ultrasonic inspection apparatus and method using a focused wave device
RU114786U1 (en) * 2011-12-01 2012-04-10 Александр Сергеевич Курочкин ULTRASONIC IMMERSION MULTI-SECTION COMBINED PIEZOELECTRIC CONVERTER

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
SU1623791A1 (en) * 1988-07-26 1991-01-30 Институт микроэлектроники АН СССР System for focusing acoustic radiation in solid objects
SU1670593A1 (en) * 1989-07-19 1991-08-15 Харьковский Институт Радиоэлектроники Им.Акад.М.К.Янгеля Acoustic transducer
RU2082163C1 (en) * 1994-02-21 1997-06-20 Товарищество с ограниченной ответственностью Фирма "АКС" Ultrasound low-frequency converter
US6234025B1 (en) * 1999-03-29 2001-05-22 Sandia Corporation Ultrasonic inspection apparatus and method using a focused wave device
RU114786U1 (en) * 2011-12-01 2012-04-10 Александр Сергеевич Курочкин ULTRASONIC IMMERSION MULTI-SECTION COMBINED PIEZOELECTRIC CONVERTER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. A synthetic time-reversal imaging method for structural health monitoring
Santoni et al. Lamb wave-mode tuning of piezoelectric wafer active sensors for structural health monitoring
Miao et al. A variable-frequency bidirectional shear horizontal (SH) wave transducer based on dual face-shear (d24) piezoelectric wafers
CN103983699A (en) Flexible comb-shaped acoustic surface wave phased-array energy converter
US11428671B2 (en) Arrangement for non-destructive testing and a testing method thereof
CN103995059A (en) Acoustic surface wave flexible comb-shaped transducer applicable to curved surface detection
JP2017187420A (en) Sound vibration sensing device
RU138092U1 (en) ULTRASONIC IMMERSION MULTI-SECTION PIEZOELECTRIC CONVERTER
RU2657325C1 (en) Method for ultrasonic controlling objects of solid materials, ultrasonic high-frequency converter for its implementation (options) and antenna array with the application of the method
RU145759U1 (en) MULTI-CHANNEL ULTRASONIC CONVERTER
RU2541672C1 (en) Ultrasound immersion multisection piezoelectric transducer
US20110247419A1 (en) Time reversal acoustic noncontact source
RU114786U1 (en) ULTRASONIC IMMERSION MULTI-SECTION COMBINED PIEZOELECTRIC CONVERTER
RU2290633C2 (en) Ultrasound inclined transformer
CN103076402A (en) Transducer for exciting and receiving multimode ultrasonic guided waves in pipe
RU2499254C2 (en) Ultrasonic immersion multi-sectional combined piezoelectric converter
CN1818573A (en) Energy exchanger of reflecting probe focusing acoustic field
Ermolov Progress in the theory of ultrasonic flaw detection. Problems and prospects
RU216328U1 (en) Ultrasonic piezoelectric transducer for non-destructive testing of the ends of ceramic products
WO2013081493A1 (en) Multi-sectional combined ultrasonic immersion piezoelectric transducer
US6952967B2 (en) Ultrasonic transducer
JP6153240B2 (en) Non-contact acoustic inspection equipment
CN216771608U (en) Focusing piezoelectric ceramic acoustic emission source and contact type A-type ultrasonic focusing probe
Schubert et al. A novel sensor design for generation and detection of shear-horizontal waves based on piezoelectric fibres
Qiu et al. Design of a low profile array transducer in d15 mode for high angled shear wave generation