RU2703825C1 - Ультразвуковой низкочастотный преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области ультразвуковой метрологии, в частности к электромеханическим преобразователям звука. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь содержит корпус, внутри которого установлены протектор, два пьезоэлемента и демпфер. Корпус снабжен верхней и нижней герметичными крышками, а в корпусе преобразователя установлена электроакустическая перегородка, разделяющая демпфер и протектор на две части, при этом на первой и второй частях протектора выполнены перпендикулярно ориентированные к основанию плоские или криволинейные выступы заданной длины, имеющие акустический контакт с контролируемым изделием, на которых закреплены пьезоэлементы. Измерительный модуль выполнен на основе микроконтроллера, снабженного микропроцессорным ядром, соединенного с помощью восьмиразрядной системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, многоканальным аналого-цифровым преобразователем и универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к электромеханическим преобразователям звука и может быть использовано при дефектоскопии и структуроскопии линейно-протяженных объектов в низкочастотной области.

Из уровня техники известен ультразвуковой низкочастотный преобразователь (RU 2584063C1, МПК H04R 17/00, опубл. 20.05.2016), содержащий корпус, четыре пьезоэлемента, установленные внутри корпуса и электрически соединенные попарно один с другим противофазно, причем все пьезоэлементы расположены симметрично относительно акустической оси преобразователя и равноудалены друг от друга, и протектор, сопряженный с корпусом со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов и выполненный с возможностью контактирования с поверхностью контролируемого изделия в точке.

Недостатком известного преобразователя является возможность использования преобразователя только в совмещенном режиме, что приводит к образованию большой мертвой зоны. Кроме того техническое решение обладает низкой эффективностью передачи упругих колебаний из преобразователя на поверхность объекта контроля и обратно, причиной которого является точечный контакт.

Наиболее близким к заявленному изобретению техническим решением, выбранным в качестве прототипа, признан ультразвуковой низкочастотный преобразователь с переключением типа волн (RU 2224250C2, МПК G01N 29/24, В06В 1/06, опубл. 20.02.2004). Преобразователь содержит пьезоэлемент, коммутатор, герметичный корпус с демпфирующей жидкостью и протектором в виде конуса или пирамиды, основание которых является одной из стенок корпуса, причем вершина конуса или пирамиды контактирует с объектом контроля, а высота протектора много меньше длины акустической волны, распространяющейся в его материале. Пьезоэлемент закреплен внутри корпуса на протекторе, непосредственно сопряжен с основанием протектора и состоит их двух электрически изолированных друг от друга частей, монолитно соединенных между собой граничащими поверхностями, ориентированными перпендикулярно основанию протектора, коммутатор обеспечивает синфазное и противофазное включение частей пьезоэлемента, причем при противофазном включении частей пьезоэлемент совершает изгибные колебания. Вход коммутатора является входом преобразователя, а выходы коммутатора подключены к соответствующим выводам частей пьезоэлемента.

Известный преобразователь обладает следующими недостатками:

- большая мертвая зона вследствие работы в совмещенном режиме;

- низкая эффективность передачи упругих колебаний из преобразователя в объект контроля и обратно;

- возбуждение и прием наряду с основным типом волны мешающих типов волн.

Техническим результатом, ожидаемым от применения заявленного изобретения, является расширение функциональных возможностей ультразвукового низкочастотного преобразователя, заключающееся в обеспечение возможности работы устройства в совмещенном, раздельно-совмещенном или раздельном режимах работы за счет применения электроакустической перегородки и двух пьезоэлементов.

Указанный технический результат достигается тем, что ультразвуковой низкочастотный преобразователь содержит корпус, внутри которого установлены протектор, два пьезоэлемента и демпфер, при этом корпус снабжен верхней и нижней герметичными крышками. Дополнительно в корпусе преобразователя установлена электроакустическая перегородка, разделяющая демпфер и протектор на две части, при этом на первой и второй частях протектора выполнены перпендикулярно ориентированные к основанию выступы заданной длины, имеющие акустический контакт с контролируемым изделием, на которых закреплены пьезоэлементы.

Упомянутые выступы могут быть выполнены плоскими или криволинейными, при этом в последнем случае форма выступов повторяет форму контролируемого изделия. Упомянутая особенность конструкции преобразователя позволяет достичь дополнительного положительного результата, заключающегося в увеличении коэффициента передачи упругих колебаний из преобразователя в объект и обратно, а за счет выполнения выступов заданной длины достигается избирательность возбуждаемого и принимаемого типа волны на заданной частоте.

При использовании преобразователя в раздельно-совмещенном режиме путем дифференциального включения пьезоэлементов можно увеличить отношение сигнал-шум, а электроакустическая перегородка позволяет уменьшить электрическую наводку от зондирующего импульса и передачу упругих колебаний внутри преобразователя, что приводит к уменьшению протяженности мертвой зоны.

Конструкция устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан ультразвуковой низкочастотный преобразователь в разрезе; на фиг. 2 показан вид А-А по фиг. 1 (сечение по середине преобразователя горизонтальной плоскостью); на фиг. 3 представлен вид снизу на преобразователь с окрашенной поверхностью контакта прибора с объектом контроля; на фиг. 4 и 5 представлены эхограммы, полученные с помощью преобразователя.

Ультразвуковой низкочастотный преобразователь имеет следующую конструкцию.

Устройство содержит корпус 1, протектор, состоящий из первой 2 и второй 3 частей, на выступах на которых закреплены первый и второй пьезоэлементы 4 и 5, при этом второй пьезоэлемент закреплен симметрично первому относительно акустической оси преобразователя, а выступы протектора обеспечивают надежный контакт с поверхностью контролируемого изделия в точке, по линии или по поверхности. Между первым 4 и вторым 5 пьезоэлементом в слое 6 демпфирующего материала установлена электроакустическая перегородка 7. Выводы первого 4 пьезоэлемента соединены раздельно от второго 5 пьезоэлемента с коаксиальными кабелями 8. Корпус 1 закрывается верхней герметичной крышкой 9. Первая 2 и вторая 3 части протектора объединены с корпусом 1 нижней герметичной крышкой 10.

Для управления ультразвуковым низкочастотным преобразователем используют подключенный к нему измерительный модуль, выполненный на основе микроконтроллера (на фигурах условно не показан), построенного, например, на основе высокопроизводительной архитектуры STM8, снабженного микропроцессорным ядром, соединенным с помощью восьмиразрядной системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, многоканальным аналого-цифровым преобразователем и универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода.

Линии многоканального аналого-цифрового преобразователя снабжены операционными усилителями, обеспечивающими усиление измеряемых аналоговых сигналов, а к каждой из линий двунаправленных портов ввода-вывода подключены транзисторные ключи, обеспечивающие возможность подключения к портам ввода-вывода мощной нагрузки. В зависимости от выбранного режима работы преобразователя коаксиальные кабели 8 коммутируют с линиями аналого-цифрового преобразователя или линиями портов ввода-вывода микроконтроллера.

Работу ультразвукового низкочастотного преобразователя рассмотрим на трех примерах.

Преобразователь работает в режиме «излучение-прием». После установки преобразователя выступами первой 2 и второй 3 частей протектора на исследуемую поверхность контролируемого изделия к выводам первого пьезоэлемента 4 подводят возбуждающее напряжение, при этом первый пьезоэлемент 4 начинает совершать упругие колебания растяжения-сжатия. Поскольку первый пьезоэлемент 4 соединен боковой поверхностью с первой 2 частью протектора, то он совершает изгибные колебания, вследствие чего нижний конец первого пьезоэлемента 4 колеблется в направлении, перпендикулярном продольной оси преобразователя. Вместе с ним такие же поперечные колебания совершает и первая 2 часть протектора. Таким образом, поперечные колебания передаются с нижней поверхности первой 2 части протектора на поверхность контролируемого изделия.

При приеме поперечные колебания на поверхности изделия передаются на нижнюю поверхность второй 3 части протектора, который заставляет изгибаться второй пьезоэлемент 5. Эти изгибные колебания преобразуются в электрический сигнал, который поступает на выводы второго пьезоэлемента 5.

Преобразователь работает в режиме «только на излучение». В этом режиме оба пьезоэлемента 4 и 5 коммутируются параллельно, при этом один из выводов первого пьезоэлемента 4 соединен с выводом второго пьезоэлемента 5, другой вывод первого пьезоэлемента 4 соединен с другим выводом второго пьезоэлемента 5 таким образом, что с учетом поляризации обоих пьезоэлементов 4, 5 обеспечивается их синфазное колебание. После установки преобразователя вершиной первой 2 и второй 3 части протектора на исследуемую поверхность изделия к выводам подводят возбуждающее напряжение, при этом оба пьезоэлемента 4, 5 начинают совершать упругие колебания растяжения-сжатия синфазно. Поскольку оба пьезоэлемента 4, 5 соединены боковой поверхностью с первой 2 и второй 3 частью корпуса, то они совершают изгибные колебания, вследствие чего нижние концы пьезоэлементов 4 и 5 колеблются в направлении, перпендикулярном продольной оси преобразователя. Вместе с ними такие же поперечные колебания совершает первая 2 и вторая 3 часть протектора. Поскольку оба пьезоэлемента 4 и 5 колеблются синфазно, то колебания первого пьезоэлемента 4 складываются с колебаниями второго пьезоэлемента 5, тем самым увеличивая амплитуду поперечных колебаний. Таким образом, поперечные колебания передаются с нижней поверхности первой 2 и второй 3 части протектора на поверхность изделия.

Преобразователь работает в режиме «только на прием». В этом режиме оба пьезоэлемента 4 и 5 коммутируются последовательно, при этом один из выводов первого 4 пьезоэлемента соединен с одним из выводов второго 5 пьезоэлемента, другие выводы обоих пьезоэлементов 4 и 5 соединены с коаксиальным кабелем 8. После установки преобразователя вершиной первой 2 и второй 3 части протектора на исследуемую поверхность контролируемого изделия колебания с его поверхности передаются на нижние 2 и 3 части протектора. Поскольку колебания совершаются перпендикулярно относительно продольной оси преобразователя, то на нижние концы присоединенных пьезоэлементов 4 и 5 к нижним частям 2 и 3 протектора передаются поперечные колебания (относительно продольной оси преобразователя), что приводит к изгибным колебаниям пьезоэлементов 4 и 5. Так как оба пьезоэлемента 4 и 5 равноудалены от продольной оси преобразователя и точки контакта с поверхностью контролируемого изделия, то пьезоэлементы 4 и 5 совершают синфазные колебания, поэтому преобразованный в электрический сигнал колебаний первого пьезоэлемента 4 складывается с электрическим сигналом второго пьезоэлемента 5, тем самым увеличивая амплитуду результирующего электрического сигнала.

На фиг. 4 и 5 приведены эхограммы, полученные с помощью разработанного преобразователя на прутке длиной L = 2622 мм и диаметром D = 17 мм. В совмещенном режиме (фиг. 4) длительность зондирующего импульса с реверберациями внутри преобразователя составила 0,65 мс, что соответствует мертвой зоне 2100 мм. При использовании преобразователя в раздельно-совмещенном режиме (фиг. 5) длительность того же импульса составила 0,15 мс, что соответствует мертвой зоне 480 мм.

Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке ультразвуковой низкочастотный преобразователь может быть использован для проведения дефектоскопии линейно-протяженных объектов, например труб или прутков в трех режимах работы.

Claims (4)

1. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь, содержащий корпус, внутри которого установлены протектор, два пьезоэлемента и демпфер, при этом корпус снабжен верхней и нижней герметичными крышками, отличающийся тем, что дополнительно в корпусе преобразователя установлена электроакустическая перегородка, разделяющая демпфер и протектор на две части, при этом на первой и второй частях протектора выполнены перпендикулярно ориентированные к основанию выступы заданной длины, имеющие акустический контакт с контролируемым изделием, на которых закреплены пьезоэлементы.

2. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что выступы выполнены плоскими.

3. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что выступы выполнены криволинейными, при этом их форма повторяет форму контролируемого изделия.

4. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что к нему подключен измерительный модуль, выполненный на основе микроконтроллера, снабженный микропроцессорным ядром, соединенным с помощью восьмиразрядной системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, многоканальным аналого-цифровым преобразователем и универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода.

Images