RU64462U1 - Ультразвуковой пьезопреобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области средств неразрушающего контроля. Ультразвуковой преобразователь состоит из корпуса, на внутренней торцевой поверхности которого расположен пьезоэлемент с прилегающим к нему демфером, который выполнен из металлорезины и установлен с возможностью поджатия к пьезоэлементу. Это позволяет снизить резонансные свойства датчика, упростить конструкцию и повысить его надежность.

Description

Уровень техники

Акусто-эмиссионные датчики (ультразвуковые пьезопреобразователи) предназначены для обеспечения эффективного комплексного неразрушающего контроля объектов и оборудования, (топливно-энергетический комплекс, химическая и обрабатывающая промышленность, атомная энергетика и т.д.).

На волне общего развития микроэлектроники, наблюдается повышенный спрос на первичные преобразователи (датчики) акустических и вибрационных сигналов в электрические, транслируемые в «интеллектуальную» часть регистрирующей и анализирующей аппаратуры систем акусто-эмиссионной (АЭ) диагностики.

Наиболее широкий спектр имеющихся на рынке акусто-эмиссионных датчиков занимают пьезокерамические резонансные преобразователи, отличающиеся друг от друга собственными частотами, чувствительностью и размерами.

Известен патент №2150109 от 25.03.1998 г. «Ультразвуковой преобразователь», опубликованный в БИ №15 2000 г., патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «РИСОН». Вышеуказанный ультразвуковой преобразователь содержит корпус с закрепленной на одном из его торцов

пьезопластиной с прилегающим к ней демпфером. Демпфер выполнен из двух акустически связанных частей. Часть, прилегающая к пьезопластине, выполнена из эпоксидоподобного материала с наполнителем из порошка тяжелого металла или его окисла, а другая часть демпфера выполнена из резиноподобного материала с наполнителем из порошка тяжелого металла или его окисла с соблюдением условия согласования импедансов двух частей вблизи границы их раздела. Это устройство является наиболее близким по технической сущности к разработанному датчику и поэтому выбрано в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются низкая надежность, обусловленная необходимостью использования клеевых соединений.

Решаемой технической задачей является упрощение конструкции, повышение надежности и снижение резонансных свойств.

Технический результат заключается в расширении амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ультразвукового пьезопреобразователя.

Технический результат достигается тем, что ультразвуковой пьезопреобразователь состоит из корпуса, на внутренней торцовой поверхности которого расположен пьезоэлемент с прилегающим к нему демпфером, новым является то, что демпфер выполнен из металлорезины и установлен с возможностью поджатия к пьезоэлементу.

Металлорезина относится к волокновым материалам. Лабиринтоподобная структура пористых материалов из волокон способствует хорошему звуко- и вибропоглощению, особенно при высоких значениях пористости /1/. Испытания материала, изготовленного из волокон нержавеющей стали, показали, что по своей демпфирующей способности он может успешно конкурировать с несвязанным стекловолокном. Так, при комнатной температуре в области частот до 1000 Гц коэффициент абсорбции звука для материала из волокон нержавеющей стали примерно на 8-10% больше, чем для стекловолокна.

При более высоких частотах эти материалы имеют равные эксплуатационные свойства и обеспечивают поглощение более 90% звуковой энергии.

Механические вибрации также хорошо поглощаются волокновыми материалами. Например, материал из волокон нержавеющей стали пористостью 76-80% имел в 2-6 раз более высокую демпфирующую способность, чем алюминий при равном с ним отношении массы к площади.

Благодаря высоким антивибрационным и звукопоглощающим свойствам волокновые материалы используются для прокладок при монтировании точных приборов и электронной аппаратуры, станков и турбин.

Следует отметить, что благодаря большому числу металлических контактов, образующихся в пористом волокновом теле уже после прессования до спекания, спрессованные материалы из волокон имеют сравнительно высокую электропроводность, которая в зависимости от диаметра волокон и пористости может достичь 50% от теоретически возможной.

Использование волокновых материалов (металлорезины) в ультразвуковых преобразователях в качестве демпфера, упругого элемента и электрода позволяет снизить резонансные свойства датчика, упростить конструкцию, повысить его надежность.

В заявляемом ультразвуковом преобразователе пьезоэлемент не закрепляется к торцевой поверхности корпуса (как правило с помощью клеевого соединения), а механически поджимается к ней через электропроводящий упругий демпфирующий элемент - слой волокнового материала - металлорезины.

На Фиг.1 представлена конструкция заявляемого ультразвукового пьезопреобразователя. На ней обозначено: 1 - пьезоэлемент; 2 - металлорезина; 3, 4, - изоляторы; 5 - корпус; 6 - токосъемник; 7 - кабель.

На Фиг.2. представлена АЧХ заявляемого ультразвукового пьезопреобразователя.

Устройство работает следующим образом. Пьезоэлемент 1 устанавливается на внутреннюю торцевую поверхность корпуса 5 и при сборке поджимается к этой поверхности слоем металлорезины 2, обеспечивая плотный акустический контакт между корпусом и пьезоэлементом. Изоляторы 3 и 4 предотвращают утечку полезного сигнала на корпус пьезопреобразователя. Изолятор 4, кроме того, обеспечивает создание требуемого усилия поджатия пьезоэлемента к корпусу через слой металлорезины. При установке устройства на контролируемый объект акустические волны попадают через торцевую поверхность корпуса на пьезоэлемент и генерируют в нем электрический сигнал, который через слой металлорезины, токосъемник 6 и кабель 7 поступают на регистрирующее устройство. Далее акустические волны рассеиваются в слое металлорезины, снижая резонансные свойства датчика и повышая, тем самым, его широкополосность.

Как следует из Фиг.1, ультразвуковой пьезопреобразователь, в котором не используются клеевые соединения, достаточно технологичен в изготовлении. Следует отметить, что разрушение клеевых соединений является одной из основных причин отказа акустоэмиссионных датчиков. Соответственно отсутствие таких соединений в конструкции пьезопреобразователя, положительно сказывается на его надежности.

Исследования АЧХ заявляемого ультразвукового пьезопреобразователя показало, что использование металлорезины в качестве демпфера, упругого поджимающего элемента и электрода, позволяет изготавливать весьма широкополосные ультразвуковые пьезопреобразователи. На Фиг.2 приведена АЧХ заявляемого пьезопреобразователя, полученная на калибровочном стенде PFAP-P-2.

Таким образом, на основе заявляемого использования металлорезины в качестве демпфера, возможна разработка широкополосных, промышленно-применимых ультразвуковых пьезопреобразователей.

Цитированные источники

1. А.Г.Косторнов. Проницаемые металлические волокновые материалы. Киев, «Техника», 1983. Лабиринтоподобная структура пористых материалов.

Claims (1)

1. Ультразвуковой пьезопреобразователь, состоящий из корпуса, на внутренней торцевой поверхности которого расположен пьезоэлемент с прилегающим к нему демпфером, отличающийся тем, что демпфер выполнен из металлорезины и установлен с возможностью поджатия к пьезоэлементу.