WO2013081493A1 - Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь - Google Patents
Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь Download PDFInfo
- Publication number
- WO2013081493A1 WO2013081493A1 PCT/RU2012/000956 RU2012000956W WO2013081493A1 WO 2013081493 A1 WO2013081493 A1 WO 2013081493A1 RU 2012000956 W RU2012000956 W RU 2012000956W WO 2013081493 A1 WO2013081493 A1 WO 2013081493A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- transducer
- piezoelectric elements
- lens
- piezoelectric
- acoustic
- Prior art date
Links
- 238000007654 immersion Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 28
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 3
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 3
- 239000011343 solid material Substances 0.000 claims description 3
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 3
- -1 for example Substances 0.000 claims description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 abstract description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000010755 BS 2869 Class G Substances 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 230000001012 protector Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
- B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2437—Piezoelectric probes
Definitions
- 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.
- 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.
- wettable fluid is required to install the transducer on the test article.
- a separately-combined converter is known, in the case of which a transverse wave emitter and a receiving element are installed at an angle of 45 degrees (see patent FR ⁇ ° 2499248, class G 01 N 29/00, 08/06/1982)
- This transducer operates in the high-frequency region and requires considerable effort to ensure good acoustic contact, which narrows the scope of its use.
- the closest to the invention in technical essence and the achieved result is an ultrasonic multielement combined piezoelectric transducer containing 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 elements (see patent RU N ° 2082163, CL G 01 N 29/24, 06/20/1997).
- This transducer is made with the possibility of using the transducer on a rough unprepared surface without the use of glue and wetting liquid when in contact with the surface of the controlled product at a point or line and has small wave dimensions.
- this converter cannot be used as an immersion converter, which narrows the scope of the converter.
- the problem to which the present invention is directed is to increase the length of the working zone of the piezoelectric transducer and expand its radiation pattern.
- the technical result achieved by the implementation of the invention is that an increase in the reliability of the integrity control of the controlled material is achieved.
- the ultrasonic immersion multi-element the combined piezoelectric transducer contains a sealed housing with a damping substance, piezoelectric elements mounted inside the body and located symmetrically in the housing relative to the acoustic axis of the transducer, and a lens paired with piezoelectric elements on the side of the radiating surface of the piezoelectric elements, the latter are made in the form of round, segment or rectangular plates, have relatively the longitudinal axis of the transducer is pairwise identical in shape, arranged at an acute angle to the acoustic axis of the piezoelectric of the transducer and the acoustic axis of the piezoelectric elements intersect each other on the longitudinal axis of the transducer in the direction of the radiation of the transducer, the piezoelectric elements being made with electrodes on their opposite surfaces connected to an electrical sealed connector, the polarization vector of all the piezoelectric elements is directed either toward the radiation or towards
- a lens made in the form of a layer of acoustically conductive solid material may have a thickness S opposite to each of the piezoelectric elements equal to ⁇ is the ultrasound wavelength in the lens material;
- f is the working frequency of the piezoelectric element.
- the lens can 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 equal to -.
- the lens can be made with the cylindrical outer surface facing the concave part in the direction of the controlled material and made opposite each of the piezoelectric elements, moreover, the generatrix of the cylindrical surface is perpendicular to the plane in which the acoustic axes of the piezoelectric elements lie, the lens has the smallest thickness equal to ⁇ / 4, and the generatrix of the 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 n the board of this acoustic axis.
- Piezoelectric elements made in the form of segmented plates are preferably facing chords to the longitudinal axis of the transducer.
- Piezoelectric elements arranged symmetrically preferably have the same electrophysical parameters in pairs, in particular the resonant frequency, the speed of sound and the electromechanical coupling coefficient, while they are made of the same material, preferably one plate.
- the housing of the converter may be cylindrical, while on the housing of the converter, in particular in the place of the electrical connector, two symmetrical flats made with a wrench to control the position of the piezoelectric elements of the transducer relative to the controlled material or product.
- An electrical tight connector is formed by a plug and a socket, while an external thread is made on a part of the housing at the location of the electrical tight connector to seal the fixing of the plug relative to the socket when connecting an electric cable to the converter.
- the angle between the acoustic axes of the symmetrically arranged piezoelectric elements is preferably from one to ten degrees.
- the implementation of the lens thickness equal ⁇ allows you to achieve maximum sensitivity of the piezoelectric transducer due to the effect of enlightenment.
- 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.
- Figure 1 shows a longitudinal section of an ultrasonic immersion multi-element combined piezoelectric transducer with two piezoelectric elements and a lens with cylindrical surfaces.
- Figure 2 presents a longitudinal section of an ultrasonic immersion multi-element combined piezoelectric transducer with piezoelectric elements and a wedge-shaped lens opposite each piezoelectric element.
- An ultrasonic immersion multi-element combined 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 conjugated with the piezoelectric elements 3 from the side of the radiating surface of the piezoelectric elements 3.
- the piezoelectric elements 3 are made in the form of round, segment or rectangular plates and are located at an acute angle to the acoustic axis 4 of the piezoelectric transducer, while the piezoelectric elements 3 have a pair of the same shape relative to the longitudinal axis (coinciding with the acoustic axis 4) of the transducer and are made with electrodes on their opposite surfaces , connected to an electrical sealed connector 6.
- the acoustic axis 7 of the piezoelectric elements 3 intersect each other on the longitudinal axis of the transducer in the direction of radiation of the transducer.
- 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.
- the electrodes of the piezoelectric elements 3 located on one side are electrically connected in series with each other.
- the acoustic axis 7 of all the piezoelectric elements 3 are located in the same plane passing through the longitudinal axis 4 of the transducer.
- Lens 5 is made common to all piezoelectric elements 3 (see Fig. 1) or consists of separate sections 8, interconnected at the interface with a binder, for example, glue or a polymer compound (see Fig. 2).
- Lens 5 made in the form of a layer of acoustically conductive solid material, can have a thickness S opposite each of the piezoelectric elements 3 equal to
- the lens may have a wedge-shaped shape (see Fig. 2) opposite each piezoelectric element 3 in the plane of the longitudinal section passing through the acoustic axis 7 of the piezoelectric elements 3, and the thickness of the lens 5 at the point of passage through it of the acoustic axis 7 of the piezoelectric element 3 is equal to -.
- Lens 5 can be made with a cylindrical outer surface (see Fig. 1) facing a concave part towards the material to be controlled and made opposite each of the piezoelectric elements 3, and the generatrix of the cylindrical surface is perpendicular to the plane in which the acoustic axes 7 of the piezoelectric elements 3 lie, the lens 5 has the smallest thickness equal to ⁇ / 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 7 of the corresponding piezoelectric element 3 with increased plotting the thickness of the lens 5 in the direction from this acoustic axis 7.
- the piezoelectric elements made in the form of segmented plates, face the chords to the longitudinal axis of the transducer.
- the piezoelectric elements 3 located symmetrically have the same electrophysical parameters, in particular the resonant frequency, the speed of sound and the electromechanical coupling coefficient, while they are made of the same material, preferably one plate.
- the transducer housing 1 is cylindrical, while two symmetrical flats (not shown in the drawings) are made under a wrench on the transducer housing 1, in particular in the place of the electrical connector 6, to control the position of the piezoelectric elements 3 of the transducer relative to the material or product being controlled.
- An electrical tight connector 6 is formed by a plug and a socket, while an external thread is made on a part of the housing 1 at the location of the electrical tight connector 6 for sealing the fixing of the plug relative to the outlet when connecting an electric cable to the converter.
- the angle (X between the acoustic axes 7 of the symmetrically arranged piezoelectric elements 3 is from one to ten degrees, and it was in this range of angles that the amplitudes of the oscillations of the longitudinal wave and, as a result, the concentration of the energy of the acoustic field in the given region coincided, which made it possible to increase the reliability control the integrity of the controlled material.
- Ultrasonic immersion multi-element combined piezoelectric transducer operates as follows.
- the transducer 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 6 or, in the case of receiving ultrasonic vibrations, the received signal is removed from these conclusions.
- the piezoelectric elements 3 In the radiation mode, due to the series connection of the electrodes of the same name of the piezoelectric elements 3 to the corresponding output of the connector 6, 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.
- the reflected waves are received by all of the piezoelectric elements 3 or part thereof and, due to the sequential the connection of the same electrodes form an output electrical signal at the terminals of the connector 6.
- 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.
- the ability to concentrate the energy of the acoustic field in a predetermined working area provides increased reliability of control in bulk products.
- the expansion of the radiation pattern provides the ability to detect randomly oriented defects.
- the present invention can be used for flaw detection and thickness measurement of the material of structures in mechanical engineering, pipeline and railway transport.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Использование: для дефектоскопии и толщинометрии при исследовании различного рода материалов. Сущность: заключается в том, что ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь содержит пьезоэлементы, которые имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя и акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, при этом акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось преобразователя, а линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом. Технический результат: увеличение длины рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя и расширение диаграммы его направленности.
Description
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИММЕРСИОННЫЙ МНОГОСЕКЦИОННЫЙ СОВМЕЩЕННЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Область применения
Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике, а именно к пьезоэлектрическим преобразователям и может быть использована при дефектоскопии и толщинометрии при исследовании различного рода материалов, в частности труб, металлического проката, пластиков и неоднородных материалов, таких например, как сварные конструкции.
Предшествующий уровень техники
Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус с протектором в виде усеченного конуса, пьезоэлемент и демпфер, размещенный в корпусе (см. заявку GB Ю91520, кл. G 01 N 29/00, 28.07.1982 ).
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 смачивающаяся жидкость.
Известен раздельно-совмещенный преобразователь, в корпусе которого установлены под углом 45 градусов излучатель поперечной волны и приемный элемент (см. патент FR Ν°2499248, кл. G 01 N 29/00, 06.08.1982)
Данный преобразователь работает в высокочастотной области и требует значительных усилий для обеспечения хорошего акустического контакта, что сужает область его использования.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является ультразвуковой многоэлементный совмещенный 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 (см. патент RU N°2082163, кл. G 01 N 29/24, 20.06.1997).
Данный преобразователь выполнен с возможностью использования преобразователя на шероховатой неподготовленной поверхности без использования клея и смачивающей жидкости при контактировании с поверхностью контролируемого изделия в точке или по линии и имеет малые волновые размеры. Однако данный преобразователь не может быть использован в качестве иммерсионного преобразователя, что сужает область использования преобразователя.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является увеличение длины рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя и расширение его диаграммы направленности.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является то, что достигается повышение достоверности контроля целостности контролируемого материала.
Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что ультразвуковой иммерсионный многоэлементный
совмещенный пьезоэлектрический преобразователь содержит 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, последние выполнены в виде круглых, сегментных или прямоугольных пластин, имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя и акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, причем пьезоэлементы выполнены с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, электроды пьезоэлементов расположенные с одной стороны последовательно электрически соединены между собой, акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось преобразователя, а линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом.
Линза, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, может иметь толщину S напротив каждого из пьезоэлементов, равную
λ - длина волны ультразвука в материале линзы;
с - скорость звука в материале линзы;
f - рабочая частота пьезоэлемента.
Линза может иметь клиновидную форму напротив каждого пьезоэлемента в плоскости продольного сечения проходящей через акустические оси пьезоэлементов, а толщина линзы в месте прохождения через неё акустической оси пьезоэлемента равна— .
4
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.
Пьезоэлементы, выполненные в виде сегментных пластин, предпочтительно обращены хордами к продольной оси преобразователя.
Расположенные симметрично пьезоэлементы, предпочтительно, имеют попарно одинаковые электрофизические параметры, в частности резонансную частоту, скорость звука и коэффициент электромеханической связи, при этом они изготовлены из одного материала, предпочтительно, из одной пластины.
Корпус преобразователя может быть выполнен цилиндрическим, при этом на корпусе преобразователя, в частности в
месте выполнения электрического разъема, выполнены две симметричные лыски под гаечный ключ для контроля положения пьезоэлементов преобразователя относительно контролируемого материала или изделия.
Электрический герметичный разъем образован вилкой и розеткой, при этом на части корпуса в месте расположения электрического герметичного разъема выполнена наружная резьба для герметизации фиксации вилки относительно розетки при подключении к преобразователю электрического кабеля.
Угол между акустическими осями расположенных симметрично пьезоэлементов, предпочтительно, составляет от одного до десяти градусов.
Выполнение толщины линзы равной ^ позволяет добиться максимальной чувствительности пьезоэлектрического преобразователя за счет эффекта просветления.
Выполнение линзы с описанными выше клиновидными поверхностями позволяет сократить длительность эхоимпульса и увеличить соотношение сигнал/шум.
Выполнение линзы с цилиндрическими поверхностями, выполнения угла между акустическими осями расположенных симметрично пьезоэлементов, составляющим от одного до десяти градусов, и выполнение расположенных симметрично пьезоэлементов с попарно одинаковыми электрофизическими параметрами, в частности резонансной частотой, скоростью звука и коэффициентом электромеханической связи, а также изготовление их из одного материала, предпочтительно, из одной пластины, помимо приведенных выше качеств, позволяет обеспечить концентрацию
энергии акустического поля в заданной области и, как следствие, добиться повышения достоверности контроля целостности контролируемого материала.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя с двумя пьезоэлементами и линзой с цилиндрическими поверхностями.
На фиг.2 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя с пьезоэлементами и линзой с клиновидной формой напротив каждого пьезоэлемента.
Лучший вариант осуществления изобретения
Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный 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, сопряженную с пьезоэлементами 3 со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов 3.
Пьезоэлементы 3 выполнены в виде круглых, сегментных или прямоугольных пластин и расположены под острым углом к акустической оси 4 пьезоэлектрического преобразователя, при этом пьезоэлементы 3 имеют относительно продольной оси (совпадающей с акустической осью 4) преобразователя попарно одинаковую форму и выполнены с электродами на их противоположных поверхностях,
подключенными к электрическому герметичному разъему 6. Акустические оси 7 пьезоэлементов 3 пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя.
Вектор поляризации всех пьезоэлементов 3 направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества 2. Электроды пьезоэлементов 3 расположенные с одной стороны последовательно электрически соединены между собой. Акустические оси 7 всех пьезоэлементов 3 расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось 4 преобразователя. Линза 5 выполнена общей для всех пьезоэлементов 3 (см. фиг.1) или состоит из отдельных секций 8, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом (см. фиг.2).
Линза 5, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, может иметь толщину S напротив каждого из пьезоэлементов 3, равную
λ с
- =— , где
4 4/ λ - длина волны ультразвука в материале линзы 5;
с— скорость звука в материале линзы 5;
f— рабочая частота пьезоэлемента 3.
Линза может иметь клиновидную форму (см. фиг.2) напротив каждого пьезоэлемента 3 в плоскости продольного сечения проходящей через акустические оси 7 пьезоэлементов 3, а толщина линзы 5 в месте прохождения через неё акустической оси 7 пьезоэлемента 3 равна— .
4
Линза 5 может быть выполнена с цилиндрической наружной поверхностью (см. фиг.1) обращенной вогнутой частью в сторону контролируемого материала и выполненной напротив каждого из пьезоэлементов 3, причем образующая цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости, в которой лежат акустические оси 7 пьезоэлементов 3, линза 5 имеет наименьшую толщину, равную λ/4, а образующая цилиндрической поверхности в точке наименьшей толщины линзы с цилиндрической поверхностью пересекается с акустической осью 7 соответствующего пьезоэлемента 3 с увеличением толщины линзы 5 в направлении от этой акустической оси 7.
Пьезоэлементы 3, выполненные в виде сегментных пластин, обращены хордами к продольной оси преобразователя.
Расположенные симметрично пьезоэлементы 3 имеют попарно одинаковые электрофизические параметры, в частности резонансную частоту, скорость звука и коэффициент электромеханической связи, при этом они изготовлены из одного материала, предпочтительно, из одной пластины.
Корпус 1 преобразователя выполнен цилиндрическим, при этом на корпусе 1 преобразователя, в частности в месте выполнения электрического разъема 6, выполнены две симметричные лыски (не показаны на чертежах) под гаечный ключ для контроля положения пьезоэлементов 3 преобразователя относительно контролируемого материала или изделия.
Электрический герметичный разъем 6 образован вилкой и розеткой, при этом на части корпуса 1 в месте расположения электрического герметичного разъема 6 выполнена наружная резьба
для герметизации фиксации вилки относительно розетки при подключении к преобразователю электрического кабеля.
Угол (X между акустическими осями 7 расположенных симметрично пьезоэлементов 3 составляет от одного до десяти градусов, причем именно в данном диапазоне углов удалось добиться совпадения амплитуд колебаний продольной волны и, как следствие, концентрации энергии акустического поля в заданной области, что и позволило добиться повышения достоверности контроля целостности контролируемого материала.
Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.
После установки преобразователя в жидкости линзой 5 над поверхностью контролируемого материала к выводам электрического герметичного разъема 6 подводят возбуждающее напряжение или в случае приема ультразвуковых колебаний снимают с этих выводов принятый сигнал. В режиме излучения, благодаря последовательному подключению одноименных электродов пьезоэлементов 3 к соответствующим выводом разъема 6, 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 эхоимпульс.
В режиме приема отраженные волны принимаются всеми пьезоэлементами 3 или их частью и, благодаря последовательному
соединению одноименных электродов образуют выходной электрический сигнал на выводах разъема 6.
Размещение пьезоэлементов 3 описанным выше способом в сочетании с выполнением их в виде круглых, сегментных или прямоугольных пластин 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.
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.
Возможность концентрации энергии акустического поля в заранее определенной рабочей зоне обеспечивает повышение достоверности контроля в массивных изделиях.
Расширение диаграммы направленности обеспечивает возможность обнаружения произвольно ориентированных дефектов. Промышленная применимость
Настоящее изобретение может быть использовано для дефектоскопии и толщинометрии материала конструкций в машиностроении, трубопроводном и железнодорожном транспорте.
Claims
1. Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный 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, отличающийся тем, что пьезоэлементы выполнены в виде круглых, сегментных или прямоугольных пластин, имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя и акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, причем пьезоэлементы выполнены с электродами на их противоположных поверхностях, подключенными к электрическому герметичному разъему, вектор поляризации всех пьезоэлементов направлен либо в сторону излучения, либо в сторону демпфирующего вещества, электроды пьезоэлементов расположенные с одной стороны последовательно электрически соединены между собой, акустические оси всех пьезоэлементов расположены в одной плоскости, проходящей через продольную ось преобразователя, а линза выполнена общей для всех пьезоэлементов или состоит из отдельных секций, соединенных между собой в местах сопряжения связующим веществом, например клеем или полимерным компаундом.
2. 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 - длина волны ультразвука в материале линзы;
с— скорость звука в материале линзы;
f - рабочая частота пьезоэлемента.
3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что линза имеет0 клиновидную форму в плоскости продольного сечения проходящей через акустические оси пьезоэлементов, а толщина линзы в месте
Я
прохождения через неё акустической оси пьезоэлемента равна— .
4
4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что линза выполнена с цилиндрической наружной поверхностью обращенной5 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 образующая0 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.
5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что5 пьезоэлементы, выполненные в виде сегментных пластин, обращены хордами к продольной оси преобразователя.
6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что расположенные симметрично пьезоэлементы имеют попарно одинаковые электрофизические параметры, в частности резонансную частоту, скорость звука и коэффициент электромеханической связи, при этом они изготовлены из одного материала.
7. Преобразователь по п.6, отличающийся тем, что расположенные симметрично пьезоэлементы изготовлены из одной пластины.
8. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что корпус преобразователя выполнен цилиндрическим.
9. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электрический герметичный разъем образован вилкой и розеткой, при этом на части корпуса в месте расположения электрического герметичного разъема выполнена наружная резьба для герметизации фиксации вилки относительно розетки при подключении к преобразователю электрического кабеля.
10. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на корпусе преобразователя выполнены две симметричные лыски под гаечный ключ для контроля положения пьезоэлементов преобразователя относительно контролируемого материала или изделия.
11. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что угол между акустическими осями расположенных симметрично пьезоэлементов составляет от одного до десяти градусов.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011148766 | 2011-12-01 | ||
| RU2011148766 | 2011-12-01 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2013081493A1 true WO2013081493A1 (ru) | 2013-06-06 |
Family
ID=48535831
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2012/000956 WO2013081493A1 (ru) | 2011-12-01 | 2012-11-20 | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2013081493A1 (ru) |
Citations (4)
| 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 |
| SU1670593A1 (ru) * | 1989-07-19 | 1991-08-15 | Харьковский Институт Радиоэлектроники Им.Акад.М.К.Янгеля | Акустический преобразователь |
| RU2082163C1 (ru) * | 1994-02-21 | 1997-06-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью Фирма "АКС" | Ультразвуковой низкочастотный преобразователь |
| RU2273967C1 (ru) * | 2005-04-22 | 2006-04-10 | Закрытое акционерное общество "Взлет" | Электроакустический преобразователь для работы в газовой среде |
-
2012
- 2012-11-20 WO PCT/RU2012/000956 patent/WO2013081493A1/ru active Application Filing
Patent Citations (4)
| 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 |
| SU1670593A1 (ru) * | 1989-07-19 | 1991-08-15 | Харьковский Институт Радиоэлектроники Им.Акад.М.К.Янгеля | Акустический преобразователь |
| RU2082163C1 (ru) * | 1994-02-21 | 1997-06-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью Фирма "АКС" | Ультразвуковой низкочастотный преобразователь |
| RU2273967C1 (ru) * | 2005-04-22 | 2006-04-10 | Закрытое акционерное общество "Взлет" | Электроакустический преобразователь для работы в газовой среде |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| V. N. MITKO: "Kolebaniia pezoelektricheskikh tel konechnykh razmerov", UCHEBNO-METODICHESKOE POSOBIE. ROSTOV-NA-DONU, 2009, pages 4, 11, 13 - 14, 16 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101068350B1 (ko) | 접촉 ｓｈ-도파 자왜변환기 | |
| US20100192693A1 (en) | Acoustic transducer assembly | |
| Miao et al. | A variable-frequency bidirectional shear horizontal (SH) wave transducer based on dual face-shear (d24) piezoelectric wafers | |
| US11428671B2 (en) | Arrangement for non-destructive testing and a testing method thereof | |
| CN103983699A (zh) | 一种柔性梳状声表面波相控阵换能器 | |
| RU114786U1 (ru) | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь | |
| US20200363374A1 (en) | System for the non-destructive testing of components | |
| RU145759U1 (ru) | Многоканальный ультразвуковой преобразователь | |
| Vladišauskas et al. | Contact ultrasonic transducers for mechanical scanning systems | |
| WO2013081493A1 (ru) | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь | |
| RU2499254C2 (ru) | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь | |
| RU138092U1 (ru) | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный пьезоэлектрический преобразователь | |
| CN103076402A (zh) | 一种用于在管道中激励和接收多模式超声导波的换能器 | |
| RU2541672C1 (ru) | Ультразвуковой иммерсионный многосекционный пьезоэлектрический преобразователь | |
| JPH045290B2 (ru) | ||
| CN110702799B (zh) | 一种基于变角度磁集中器的全向型高阶Lamb波模态电磁声传感器 | |
| Nishino et al. | Defect detection of a pipe using a guided wave generated by an efficient transduction with a reflector | |
| Schubert et al. | A novel sensor design for generation and detection of shear-horizontal waves based on piezoelectric fibres | |
| Hay et al. | Flexible piezopolymer ultrasonic guided wave arrays | |
| Wang et al. | Design and validation of an orthotropic piezoelectric composite material phased array sensor used to nondestructive detection | |
| JP5957758B2 (ja) | 超音波発受信器および超音波計測装置 | |
| Bellan et al. | Acoustic guided waves interdigital transducers for non destructive testing of carbon-epoxy composites for spacecraft structures | |
| Gaal et al. | Airborne ultrasonic systems for one-sided inspection using thermoacoustic transmitters | |
| RU216328U1 (ru) | Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь для неразрушающего контроля торцов керамических изделий | |
| Qiu et al. | An omnidirectional piezoelectric transducer for selective excitation and reception of high-order shear horizontal waves |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 12853564 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 12853564 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |