RU2554700C1 - Ультразвуковой пьезопреобразователь - Google Patents

Ультразвуковой пьезопреобразователь Download PDF

Info

Publication number
RU2554700C1
RU2554700C1 RU2014109328/28A RU2014109328A RU2554700C1 RU 2554700 C1 RU2554700 C1 RU 2554700C1 RU 2014109328/28 A RU2014109328/28 A RU 2014109328/28A RU 2014109328 A RU2014109328 A RU 2014109328A RU 2554700 C1 RU2554700 C1 RU 2554700C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
prism
metal
metal plates
plane
plates
Prior art date
Application number
RU2014109328/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Андрей Владимирович Серебренников
Игорь Иванович Демченко
Владимир Леонидович Серебренников
Original Assignee
Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет"
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 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" filed Critical Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет"
Priority to RU2014109328/28A priority Critical patent/RU2554700C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2554700C1 publication Critical patent/RU2554700C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Использование: для неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния конструкционного материала. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой пьезопреобразователь содержит корпус с нанесенным на его внутреннюю поверхность демпфирующим слоем и расположенную в корпусе призму, демпфер, соединенный с корпусом, и соединенный с демпфером пьезоэлемент, установленный на призме, при этом в основании призмы дополнительно установлены плоскопараллельные прямоугольные металлические пластины с прокладками между ними, причем металлические пластины имеют разные высоты и образуют ступенчатую пирамиду, а размеры плоскопараллельных прямоугольных металлических пластин выбирают исходя из определенных условий. Технический результат: обеспечение возможности ввода продольных ультразвуковых волн в элемент металлической конструкции под углами, близкими к 90°, без применения сложной схемы управления линиями временных задержек импульсов напряжения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю напряженно-деформированного состояния конструкционного материала.
Известен призматический ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезоэлемент, установленный на призме, снабженный коническими звукопоглощающими волноводами, установленными на внешней торцевой поверхности пьезоэлемента под заданным углом к ней, и цилиндрическими съемными звукопоглощающими насадками по числу конических волноводов, в которых с торцевой поверхности выполнены конические полости, размеры конических полостей соответствуют размерам конических волноводов, каждая из насадок конической полостью сопряжена с волноводом, материал насадок выбран из условия распространения в них трансформированных на границе раздела поперечных волн [Патент РФ №2055359, МПК G01N 29/24, 1996 г.].
Недостаток известного призматического ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя заключается в том, что он позволяет вводить только поперечные волны в элемент металлической конструкции под углом α вплоть до его второго критического значения ~70°. Однако данное устройство не позволяет вводить продольные ультразвуковые волны в элемент металлической конструкции под углами, близкими к 30°.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является ультразвуковой наклонный пьезопреобразователь, содержащий корпус, расположенную в нем призму, размещенный внутри призмы, соединенный с корпусом демпфер и соединенный с демпфером пьезоэлемент, причем на внутреннюю поверхность корпуса нанесен демпфирующий слой, наружная поверхность призмы образована вращением усеченной гиперболы, а пьезоэлемент размещен в части призмы, предназначенной для установки на контролируемое изделие [Авт. св. РФ №1099274, МПК G01N 29/24, 1984 г.].
Недостаток данного ультразвукового наклонного пьезопреобразователя заключается в том, что он не позволяет получить многоканальный пьезопреобразователь с помощью которого можно вводить продольные ультразвуковые волны в элемент металлической конструкции под определенными углами, близкими к 90°, без применения сложной схемы управления линиями временных задержек импульсов напряжения.
Задачей изобретения является создание одного многоканального пьезопреобразователя, с помощью которого можно вводить продольные ультразвуковые волны в элемент металлической конструкции под определенными углами, близкими к 90°, без применения сложной схемы управления линиями временных задержек импульсов напряжения.
Достигается это тем, что ультразвуковой пьезопреобразователь, содержащий корпус, с нанесенным на его внутреннюю поверхность демпфирующего слоя, и расположенную в корпусе призму, соединенный с корпусом демпфер и соединенный с демпфером пъезоэлемент, установленный на призме, при этом в основании призмы дополнительно установлены плоскопараллельные, прямоугольные металлические пластины, с прокладками между ними, причем металлические пластины имеют разные высоты и образуют ступенчатую пирамиду, при этом толщина плоскопараллельных прямоугольных металлических пластин соответствует условию: а≤λ3/2
где: λ3 - длина ультразвуковой волны в элементе металлической конструкции, мм, а толщина прокладок соответствует условию: b≤λ3/10,
где: λ3 - длина ультразвуковой волны в элементе металлической конструкции, мм, при этом разность высот двух соседних металлических пластин соответствует условию: Δ L = d c 1 c 2 sin α c 3 ( c 2 c 1 )
Figure 00000001
,
где: d - расстояние между центрами двух соседних металлических пластин мм; α - угол ввода продольной ультразвуковой волны в элемент металлической конструкции, град., c1 - скорость ультразвука в призме, м/с, c2 и c3 - скорости ультразвука, соответственно, в металлической пластине и элементе металлической конструкции, м/с, а минимальная высота металлической пластины соответствует условию: L 1 = d c 1 c 2 sin α c 3 ( c 2 c 1 ) n
Figure 00000002
,
где n - количество металлических пластин, c1 - скорость ультразвука в призме, м/с, c2 и c3 - скорости ультразвука, соответственно, в металлической пластине и элементе металлической конструкции м/с;
d - расстояние между центрами двух соседних металлических пластин, мм;
α - угол ввода продольной ультразвуковой волны в элемент металлической конструкции, град.
В качестве материала призмы используют, например, органическое стекло или пластические материалы.
Прокладки металлических пластин выполнены из фторопласта.
Наличие плоскопараллельных прямоугольных металлических пластин, имеющих разные высоты и образующих ступенчатую пирамиду, разделенных фторопластовыми прокладками, позволяет получить фазированную решетку, что, в свою очередь, увеличивает угол ввода продольной волны в элемент конструкции, что дает возможность вводить продольные ультразвуковые волны в элемент металлической конструкции под определенными углами, близкими к 90°, без применения сложной схемы управления линиями временных задержек импульсов напряжения.
Сущность изобретения поясняется графически.
На фиг.1 изображен разрез многоканального ультразвукового пьезопреобразователя; на фиг.2 показана схема прохождения плоских ультразвуковых волн через металлические пластины и формирования плоского волнового фронта в элементе металлической конструкции.
Многоканальный ультразвуковой пьезопреобразователь содержит прямоугольный корпус 1 (фиг.1), в котором расположены плоскопараллельный прямоугольный пьезоэлемент 2, проводник 3, присоединенный к верхней плоскости пьезоэлемента 2, демпфер 4, призму 5, изготовленную из органического стекла или из полистирола, капролона, плоскопараллельные прямоугольные металлические пластины 6, разделенные фторопластовыми прокладками 7, причем металлические пластины имеют разные высоты и образуют ступенчатую пирамиду.
Многоканальный ультразвуковой пьезопреобразователь работает следующим образом. На пьезоэлемент 2 посредством проводника 3 подается переменное электрическое напряжение от генератора высокой частоты f и генерируется продольная ультразвуковая волна в призме 5. Волновой фронт последовательно достигает верхних торцов n металлических пластин 6, служащих каналами ультразвуковых волн. Продольные волны распространяются независимо друг от друга в каждой металлической пластине 6 и доходят до поверхности элемента металлической конструкции 8 (фиг.2). При этом разности фаз волн, исходящих от двух соседних металлических пластин 6, одинаковы. Эти волны индуцируют продольные волны в цилиндрическом элементе металлической конструкции 8. Огибающая поверхность волн, распространяющихся в элементе металлической конструкции 8 под углом α к нормали поверхности этого элемента, является плоским волновым фронтом Pn, перпендикулярным направлению распространения этих волн.
В зоне Френеля продольная ультразвуковая волна, генерируемая прямоугольным пьезоэлементом 2 (фиг.1), является плоской. Граница этой зоны определяется формулой
Figure 00000003
где Sp - площадь рабочей плоскости прямоугольного пьезоэлемента; λ1 - длина ультразвуковой волны в призме 5.
При условии, что
Figure 00000004
где L1 - высота самой малой металлической пластины, плоский волновой фронт проходит через все металлические пластины 6. В момент t1 волновой фронт доходит до верхнего торца самой малой металлической пластины. При дальнейшем продвижении волновой фронт последовательно достигает верхние торцы металлических пластин 6, служащих каналами ультразвуковых волн. Эти металлические пластины разделены фторопластовыми прокладками 7, имеющими большой коэффициент затухания ультразвука. При этом отсутствуют механические связи между этими прокладками и металлическими пластинами ввиду малого коэффициента трения между фторопластом и металлом.
Согласно методу зон Френеля толщина металлических пластин a должна быть равна или меньше λ3/2, где λ3 - длина ультразвуковой волны в элементе металлической конструкции 8. Толщину фторопластовых прокладок b следует выбрать минимальной: равной или меньшей λ3/10. Расстояние между центрами металлических пластин d (фиг.2). Количество металлических пластин - n.
При прохождении ультразвуковых волн через металлические пластины нижние торцы этих пластин, соприкасающиеся с элементом металлической конструкции 8, индуцируют цилиндрические продольные волны в этом элементе при условии, что толщина металлических пластин a намного меньше их длины. Огибающая поверхность волн, распространяющихся в элементе металлической конструкции под углом α к нормали поверхности этого элемента, является плоским волновым фронтом Pn, перпендикулярным направлению распространения этих волн, в момент времени tn.
В момент времени ti плоский фронт Pi волны, распространяющейся в призме 5, доходит до верхнего торца i-й металлической пластины (фиг.2). Промежуток времени Δti=tn-ti, в течение которого волна, проходящая через i-ю металлическую пластину, достигает плоскости Pn в элементе металлической конструкции 8, равен
Figure 00000005
где c2 и c3 - скорости ультразвука, соответственно, в металлической пластине и элементе металлической конструкции; Li - высота i-й металлической пластины; Si=d(n-i-1)sinα - геометрический путь волны от поверхности элемента металлической конструкции до плоскости Pn.
Промежуток времени Δti-1=tn-ti, в течение которого волна проходит от плоскости Pi по участку призмы ΔL, через (i-1)-ю металлическую пластину и достигает плоскости Pn, равен
Figure 00000006
где c1 - скорость ультразвука в призме; Li-1 - высота (i-1)-й металлической пластины; Si-1=d(n-i-2)sinα - геометрический путь волны от поверхности элемента металлической конструкции до плоскости Pn; ΔL=Li-1.
Поскольку Δti-=Δti-1, то, приравнивая выражения (3) и (4), получаем для разности высот i-й и (1-1)-й металлических пластин
Figure 00000007
которая не зависит от номеров двух соседних металлических пластин. Минимальная высота металлической пластины определяется выражением
Figure 00000008
где n - количество металлических пластин.
Общая толщина металлических пластин и фторопластовых прокладок
Figure 00000009
Пример. Расчет элементов конструкции многоканального пьезопреобразователя для введения плоской продольной волны с частотой f=5 МГц под углом α=85° в элемент металлической конструкции, изготовленной из стали марки 20 или марки 3.
В призме, изготовленной из органического стекла, скорость ультразвука c1=2700 м/с и длина волны λ 1 = c 1 f = 0,54  мм
Figure 00000010
.
В металлической пластине, изготовленной из нержавеющей стали, скорость ультразвука c2=5740 м/с.
В элементе металлической конструкции скорость ультразвука c3=5900 м/с и длина волны λ 3 = c 3 f = 1,18  мм
Figure 00000011
.
Приняв, что α = λ 3 2 = 0,59  мм
Figure 00000012
и b = λ 3 10 = 0,118  мм
Figure 00000013
, получаем d=0,708 мм.
Для количества металлических пластин n=50 общая толщина металлических пластин и фторопластовых прокладок l≈35,5 мм.
Предположим, что поперечное сечение многоканального пьезопреобразователя является квадратным. Тогда площадь рабочей плоскости прямоугольного пьезоэлемента Sp=l2≈1260 мм2 и граница зоны Френеля SF≈743 мм.
Разность высот двух соседних металлических пластин ΔL≈0,61 мм. Минимальная высота металлической пластины L1≈30,5 мм.
Поскольку LF>>L1, то плоская продольная волна, индуцируемая пьезоэлементом, проходит через призму и все металлические пластины, служащие каналами ультразвуковых волн.
Таким образом, проведенный расчет элементов конструкции многоканального ультразвукового пьезопреобразователя показывает возможность введения продольных ультразвуковых волн в элемент металлической конструкции под углами, близкими к 90°.

Claims (2)

1. Ультразвуковой пьезопреобразователь, содержащий корпус, с нанесенным на его внутреннюю поверхность демпфирующим слоем, и расположенную в корпусе призму, соединенный с корпусом демпфер и соединенный с демпфером пьезоэлемент, установленный на призме, отличающийся тем, что в основании призмы дополнительно установлены плоскопараллельные, прямоугольные металлические пластины, с прокладками между ними, причем металлические пластины имеют разные высоты и образуют ступенчатую пирамиду, при этом толщина плоскопараллельных прямоугольных металлических пластин соответствует условию: а≤λ3/2,
где: λ3 - длина ультразвуковой волны в элементе металлической конструкции, мм,
толщина прокладок соответствует условию: b≤λ3/10,
где: λ3 - длина ультразвуковой волны в элементе металлической конструкции, мм, при этом разность высот двух соседних металлических пластин соответствует условию:
Figure 00000014

где: d - расстояние между центрами двух соседних металлических пластин, мм;
α - угол ввода продольной ультразвуковой волны в элемент металлической конструкции, град, с1 - скорость ультразвука в призме, м/с, с2 и с3 - скорости ультразвука, соответственно, в металлической пластине и элементе металлической конструкции, м/с;
минимальная высота металлической пластины соответствует условию:
Figure 00000015
,
где n - количество металлических пластин, с1 - скорость ультразвука в призме, м/с, с2 и с3 - скорости ультразвука, соответственно, в металлической пластине и элементе металлической конструкции, м/с.
d - расстояние между центрами двух соседних металлических пластин, мм.
2. Ультразвуковой пьезопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала призмы используют, например, органическое стекло или пластические материалы.
3 Ультразвуковой пьезопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что прокладки металлических пластин выполнены из фторопласта.
RU2014109328/28A 2014-03-11 2014-03-11 Ультразвуковой пьезопреобразователь RU2554700C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014109328/28A RU2554700C1 (ru) 2014-03-11 2014-03-11 Ультразвуковой пьезопреобразователь

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014109328/28A RU2554700C1 (ru) 2014-03-11 2014-03-11 Ультразвуковой пьезопреобразователь

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2554700C1 true RU2554700C1 (ru) 2015-06-27

Family

ID=53498617

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014109328/28A RU2554700C1 (ru) 2014-03-11 2014-03-11 Ультразвуковой пьезопреобразователь

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2554700C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU938141A1 (ru) * 1980-12-19 1982-06-23 Kolmogorov Viktor N Ультразвуковой пьезопреобразователь
SU1099274A1 (ru) * 1983-04-13 1984-06-23 Предприятие П/Я В-2262 Ультразвуковой наклонный преобразователь
RU2284615C2 (ru) * 2004-07-15 2006-09-27 ООО "Компания "Нординкрафт" Решетка ультразвукового преобразователя
US20080037808A1 (en) * 2004-10-15 2008-02-14 Yukihiko Sawada Ultrasonic Transducer and Method of Manufacturing the Same
US20090243442A1 (en) * 2008-03-28 2009-10-01 Fujifilm Corporation Multilayered piezoelectric element and method of manufacturing the same
RU94176U1 (ru) * 2010-01-11 2010-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-западный государственный заочный технический университет (СЗТУ) Ультразвуковой преобразователь

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU938141A1 (ru) * 1980-12-19 1982-06-23 Kolmogorov Viktor N Ультразвуковой пьезопреобразователь
SU1099274A1 (ru) * 1983-04-13 1984-06-23 Предприятие П/Я В-2262 Ультразвуковой наклонный преобразователь
RU2284615C2 (ru) * 2004-07-15 2006-09-27 ООО "Компания "Нординкрафт" Решетка ультразвукового преобразователя
US20080037808A1 (en) * 2004-10-15 2008-02-14 Yukihiko Sawada Ultrasonic Transducer and Method of Manufacturing the Same
US20090243442A1 (en) * 2008-03-28 2009-10-01 Fujifilm Corporation Multilayered piezoelectric element and method of manufacturing the same
RU94176U1 (ru) * 2010-01-11 2010-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-западный государственный заочный технический университет (СЗТУ) Ультразвуковой преобразователь

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110088564B (zh) 壁状或板状结构中一个区域的厚度的确定
EP2338047B1 (en) Method and device for determining characteristics of a medium
Haider et al. Analytical and experimental investigation of the interaction of Lamb waves in a stiffened aluminum plate with a horizontal crack at the root of the stiffener
US3166731A (en) Ultrasonic testing device
US20050268720A1 (en) Matrix switched phased array ultrasonic guided wave system
US10983095B2 (en) Combined global-local structural health monitoring
Veit et al. An ultrasonic guided wave excitation method at constant phase velocity using ultrasonic phased array probes
Philtron et al. Mode perturbation method for optimal guided wave mode and frequency selection
Kuchibhatla et al. A transformation elasticity based device for wavefront manipulation
RU2554700C1 (ru) Ультразвуковой пьезопреобразователь
EP2419722B1 (en) Method and apparatus for investigating a flexible hollow element using acoustic sensors
Engineer The mechanical and resonant behaviour of a dry coupled thickness-shear PZT transducer used for guided wave testing in pipe line
JP5904339B2 (ja) 液体検知方法および液体検知装置
Cicek et al. Phononic crystal surface mode coupling and its use in acoustic Doppler velocimetry
Du et al. Time-delayed layer-based piezoelectric transducer for unidirectional excitation and reception of SH guided wave
Glushkov et al. Trapped modes and resonance wave transmission in a plate with a system of notches
Athanassiadis et al. Broadband leaky Lamb waves excited by optical breakdown in water
Lindner et al. Wave propagation in an acoustic wave guide sensor for liquids driven by pulsed excitation of surface acoustic waves
Fromme et al. Remote Monitoring of Plate‐Like Structures Using Guided Wave Arrays
Fong et al. Curvature effect on the properties of guided waves in plates
Faustmann et al. Measurement of the properties of liquids based on the dispersion of Lamb waves in an acoustic waveguide
Das et al. Transient ultrasonic wave field modeling in an elastic half-space using distributed point source method
Wang et al. In-plane shear piezoelectric wafer active sensor phased arrays for structural health monitoring
Hasanian et al. Guided wave mode selection for microstructure-sensitive mutual wave interactions
Nieuwenhuis et al. Simulation and testing of transducers for lamb wave generation

Legal Events

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

Effective date: 20180312