WO2013081494A1 - Combined multi-sectional ultrasonic immersion piezoelectric transducer - Google Patents
Combined multi-sectional ultrasonic immersion piezoelectric transducer Download PDFInfo
- Publication number
- WO2013081494A1 WO2013081494A1 PCT/RU2012/000957 RU2012000957W WO2013081494A1 WO 2013081494 A1 WO2013081494 A1 WO 2013081494A1 RU 2012000957 W RU2012000957 W RU 2012000957W WO 2013081494 A1 WO2013081494 A1 WO 2013081494A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- transducer
- piezoelectric elements
- lens
- piezoelectric
- acoustic
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
- G01N29/2487—Directing probes, e.g. angle probes
-
- 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
- G01N29/221—Arrangements for directing or focusing the acoustical waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/04—Wave modes and trajectories
- G01N2291/056—Angular incidence, angular propagation
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 multi-element combined piezoelectric transducer containing a sealed housing with a damping substance, piezoelectric elements mounted inside the housing and located in the housing 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 N22082163, class 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 invention is directed is to increase the length of the working zone of the piezoelectric transducer and expand its radiation pattern.
- the technical result consists in the fact that an increase in the reliability of the integrity control of the controlled material is achieved.
- the ultrasonic immersion multi-element combined 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 mating with the piezoelectric elements on the side of the radiating surface of the piezoelectric elements, while the piezoelectric elements are located at an acute angle to the acoustic axis of the piezoelectric transducer, the acoustic axes of the piezoelectric elements with each other on the longitudinal axis of the transducer in the direction of radiation of the transducer, and the piezoelectric elements have from relative to the longitudinal axis of the transducer, they are pairwise identical in shape, with electrodes on their opposite surfaces connected to an electrically sealed connector, the polarization vector of all piezoelectric elements is directed either towards the radiation or towards the damping substance, the electrodes
- 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
- C is the speed of sound in the lens material
- f is the working frequency of the piezoelectric element.
- the lens may have a wedge-shaped shape opposite each piezoelectric element in the plane of the longitudinal section passing through the acoustic axis of the piezoelectric elements, and the thickness of the lens at the point of passage through it .. the acoustic axis of the piezoelectric element is equal to - I.
- 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.
- 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 located at an acute angle to the acoustic axis 4 of the piezoelectric transducer and have a pairwise identical shape relative to the longitudinal axis (coinciding with the acoustic axis 4) of the transducer, with electrodes on their opposite surfaces connected to the electrical sealed connector 6.
- the acoustic axes 7 of the piezoelectric elements 3 intersect between 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 towards the radiation side or towards the damping substance 2.
- the electrodes of the piezoelectric elements 3 located on one side in series are electrically connected to 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
- ⁇ is the ultrasound wavelength in the lens material 5;
- f is the working frequency of the piezoelectric element 3.
- the lens may have a wedge-shaped shape (see FIG. 2) opposite each piezoelectric element 3 in the longitudinal section plane passing through the acoustic axes 7 of the piezoelectric elements 3, and the thickness of the lens 5 at the point where the acoustic axis 7 of the piezoelectric element 3 passes through it 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 an increase in the thickness of the lens 5 in the direction from this acoustic axis 7.
- 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 series 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
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Use: for fault detection and thickness measurement during the examination of different types of materials. Essence: the combined multi-sectional ultrasonic immersion piezoelectric transducer comprises piezoelements arranged in identically shaped pairs about the longitudinal axis of the transducer and situated at an acute angle to the acoustic axis of the piezoelectric transducer, and the acoustic axes of the piezoelements intersect on the longitudinal axis of the transducer in the direction of emission of the transducer, wherein the acoustic axes of all of the piezoelements are situated in the same plane, which passes through the longitudinal axis of the transducer, and the lens is common to all of the piezoelements or consists of individual sections which are connected at the junctions therebetween by a binding agent, for example an adhesive or a polymer compound. Technical result: an increase in the length of the working zone of the piezoelectric transducer and a broadening of the radiation pattern thereof.
Description
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИММЕРСИОННЫЙ МНОГОСЕКЦИОННЫЙ СОВМЕЩЕННЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ULTRASONIC IMMERSION MULTI-SECTION COMBINED PIEZOELECTRIC CONVERTER
Область применения Application area
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.
Предшествующий уровень техники State of the art
Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус с протектором в виде усеченного конуса, пьезоэлемент и демпфер, размещенный в корпусе (см. заявку GB N°2091520, кл. G 01 N 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 N ° 2091520, CL G 01 N 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 смачивающаяся 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, wettable 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. G 01 N 29/00, 06.08.1982) 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)
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 линза, сопряженная с пьезоэлементами со стороны излучающей поверхности пьезоэлементов (см. патент RU N22082163, кл. G 01 N 29/24, 20.06.1997). 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 multi-element combined piezoelectric transducer containing a sealed housing with a damping substance, piezoelectric elements mounted inside the housing and located in the housing 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 N22082163, class G 01 N 29/24, 06/20/1997).
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. 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. However, this converter cannot be used as an immersion converter, which narrows the scope of the converter.
Раскрытие изобретения Disclosure of invention
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение длины рабочей зоны пьезоэлектрического преобразователя и расширение его диаграммы направленности. The problem to which the invention is directed is to increase the length of the working zone of the piezoelectric transducer and expand its radiation pattern.
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 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, при этом пьезоэлементы расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя, акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, причем пьезоэлементы имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, 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. The problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the ultrasonic immersion multi-element combined 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 mating with the piezoelectric elements on the side of the radiating surface of the piezoelectric elements, while the piezoelectric elements are located at an acute angle to the acoustic axis of the piezoelectric transducer, the acoustic axes of the piezoelectric elements with each other on the longitudinal axis of the transducer in the direction of radiation of the transducer, and the piezoelectric elements have from relative to the longitudinal axis of the transducer, they are pairwise identical in shape, with electrodes on their opposite surfaces connected to an electrically sealed connector, the polarization vector of all piezoelectric elements is directed either towards the radiation or towards the damping substance, the electrodes of the piezoelectric elements located on one side are serially electrically connected to each other, acoustic the axis of all piezoelectric elements are located in one plane passing through the longitudinal axis of the transducer, and the lens is made common to For all piezoelectric elements, or consists of separate sections, interconnected at the interface with a binder, for example, glue or a polymer compound.
Линза, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, может иметь толщину S напротив каждого из пьезоэлементов, равную 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
- Я =— с - I = - s
, где where
4 4/ 4 4 /
λ - длина волны ультразвука в материале линзы; λ is the ultrasound wavelength in the lens material;
с - скорость звука в материале линзы;
f - рабочая частота пьезоэлемента. C is the speed of sound in the lens material; 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— Я . The lens may have a wedge-shaped shape opposite each piezoelectric element in the plane of the longitudinal section passing through the acoustic axis of the piezoelectric elements, and the thickness of the lens at the point of passage through it .. the acoustic axis of the piezoelectric element is equal to - I.
4 four
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 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 λ / 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.
Я I AM
Выполнение толщины линзы равной — позволяет добиться максимальной чувствительности пьезоэлектрического преобразователя за счет эффекта просветления. Making the lens thickness equal - 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 эхоимпульса 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.
Краткое описание чертежей 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. Brief Description of the Drawings
На фиг.1 представлен продольный разрез ультразвукового иммерсионного многоэлементного совмещенного пьезоэлектрического преобразователя с двумя пьезоэлементами и линзой с цилиндрическими поверхностями. 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.
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 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. The best embodiment of the invention
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. 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.
Пьезоэлементы 3 расположены под острым углом к акустической оси 4 пьезоэлектрического преобразователя и имеют относительно продольной оси (совпадающей с акустической осью 4) преобразователя попарно одинаковую форму, 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. The piezoelectric elements 3 are located at an acute angle to the acoustic axis 4 of the piezoelectric transducer and have a pairwise identical shape relative to the longitudinal axis (coinciding with the acoustic axis 4) of the transducer, with electrodes on their opposite surfaces connected to the electrical sealed connector 6. The acoustic axes 7 of the piezoelectric elements 3 intersect between on the longitudinal axis of the transducer in the direction of radiation of the transducer.
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). The polarization vector of all piezoelectric elements 3 is directed either towards the radiation side or towards the damping substance 2. The electrodes of the piezoelectric elements 3 located on one side in series are electrically connected to 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).
Линза 5, выполненная в виде слоя акустически проводящего твердого материала, может иметь толщину S напротив каждого из пьезоэлементов 3, равную
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
λ - длина волны ультразвука в материале линзы 5; λ is the ultrasound wavelength in the lens material 5;
с - скорость звука в материале линзы 5; C is the speed of sound in the lens material 5;
f - рабочая частота пьезоэлемента 3. f is the working frequency of the piezoelectric element 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 ^ . The lens may have a wedge-shaped shape (see FIG. 2) opposite each piezoelectric element 3 in the longitudinal section plane passing through the acoustic axes 7 of the piezoelectric elements 3, and the thickness of the lens 5 at the point where the acoustic axis 7 of the piezoelectric element 3 passes through it is equal to ^.
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. 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 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 7 of the corresponding piezoelectric element 3 with an increase in the thickness of the lens 5 in the direction from this acoustic axis 7.
Ультразвуковой иммерсионный многоэлементный совмещенный пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом. Ultrasonic immersion multi-element combined piezoelectric transducer operates as follows.
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. 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. 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.
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. In the receiving mode, the reflected waves are received by all of the piezoelectric elements 3 or part thereof and, due to the series connection of the same electrodes, form an output electrical signal at the terminals of the connector 6.
Размещениие 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. The placement of the piezoelectric elements 3 in the manner described above, in combination with their execution in pairs of 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.
Промышленная применимость Industrial applicability
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
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 расположены под острым углом к акустической оси пьезоэлектрического преобразователя, акустические оси пьезоэлементов пересекаются между собой на продольной оси преобразователя в направлении излучения преобразователя, причем пьезоэлементы имеют относительно продольной оси преобразователя попарно одинаковую форму, 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. 1. Ultrasonic immersion multi-element combined 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 in the body, and a lens paired with piezoelectric elements from the side of the radiating surface of the piezoelectric elements, characterized in that the piezo acute angle to the acoustic axis of the piezoelectric transducer, the acoustic axis of the piezoelectric elements intersect are interconnected on the longitudinal axis of the transducer in the direction of the radiation of the transducer, and the piezoelectric elements have a pairwise identical shape with respect to the longitudinal axis of the transducer, with electrodes on their opposite surfaces connected to an electrically sealed connector, the polarization vector of all piezoelectric elements is directed either towards the radiation or towards the damping substances, electrodes of piezoelectric elements located on one side are sequentially electrically interconnected, acoustic axes of all the piezoelectric elements are located in one plane passing through the longitudinal axis of the transducer, and 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.
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 2. The Converter according to claim 1, characterized in that the lens is 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
Я с I'm with
= » где = " Where
4 4/ λ - длина волны ультразвука в материале линзы; 4 4 / λ is the ultrasound wavelength in the lens material;
с - 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.
3. 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 3. The Converter according to claim 1, characterized in that the lens has a wedge-shaped shape in the plane of the longitudinal section passing through the acoustic axis of the piezoelectric elements, and the thickness of the lens in place
λ прохождения через неё акустической оси пьезоэлемента равна— . λ the passage through it of the acoustic axis of the piezoelectric element is equal to -.
4 four
4. 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. 4. 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 is 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 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 element with an increase in the thickness of the lens in the direction from this acoustic axis.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011148486 | 2011-11-30 | ||
| RU2011148486/28A RU2499254C2 (en) | 2011-11-30 | 2011-11-30 | Ultrasonic immersion multi-sectional combined piezoelectric converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2013081494A1 true WO2013081494A1 (en) | 2013-06-06 |
Family
ID=48535832
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2012/000957 WO2013081494A1 (en) | 2011-11-30 | 2012-11-20 | Combined multi-sectional ultrasonic immersion piezoelectric transducer |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2499254C2 (en) |
| WO (1) | WO2013081494A1 (en) |
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 (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 |
| RU2273967C1 (en) * | 2005-04-22 | 2006-04-10 | Закрытое акционерное общество "Взлет" | Electroacoustic transducer |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1525565A1 (en) * | 1987-01-05 | 1989-11-30 | Ивано-Франковский Институт Нефти И Газа | Apparatus for ultrasonic inspection |
| SU1623791A1 (en) * | 1988-07-26 | 1991-01-30 | Институт микроэлектроники АН СССР | System for focusing acoustic radiation in solid objects |
| US6234025B1 (en) * | 1999-03-29 | 2001-05-22 | Sandia Corporation | Ultrasonic inspection apparatus and method using a focused wave device |
-
2011
- 2011-11-30 RU RU2011148486/28A patent/RU2499254C2/en active
-
2012
- 2012-11-20 WO PCT/RU2012/000957 patent/WO2013081494A1/en 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 (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 |
| RU2273967C1 (en) * | 2005-04-22 | 2006-04-10 | Закрытое акционерное общество "Взлет" | Electroacoustic transducer |
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 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011148486A (en) | 2013-06-10 |
| RU2499254C2 (en) | 2013-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Miao et al. | A variable-frequency bidirectional shear horizontal (SH) wave transducer based on dual face-shear (d24) piezoelectric wafers | |
| US20140001918A1 (en) | Saw array sensor | |
| US11428671B2 (en) | Arrangement for non-destructive testing and a testing method thereof | |
| CN103983699A (en) | Flexible comb-shaped acoustic surface wave phased-array energy converter | |
| KR20130080084A (en) | An polymer material based flexible phased array ultrasonic transducer for ultrasonic nondestructive testing of material with uneven surface | |
| Vladišauskas et al. | Contact ultrasonic transducers for mechanical scanning systems | |
| RU145759U1 (en) | MULTI-CHANNEL ULTRASONIC CONVERTER | |
| RU114786U1 (en) | ULTRASONIC IMMERSION MULTI-SECTION COMBINED PIEZOELECTRIC CONVERTER | |
| EP2419722A1 (en) | Method and apparatus for investigating a flexible hollow element using acoustic sensors | |
| WO2013081494A1 (en) | Combined multi-sectional ultrasonic immersion piezoelectric transducer | |
| CN103076402A (en) | Transducer for exciting and receiving multimode ultrasonic guided waves in pipe | |
| RU138092U1 (en) | ULTRASONIC IMMERSION MULTI-SECTION PIEZOELECTRIC CONVERTER | |
| WO2013081493A1 (en) | Multi-sectional combined ultrasonic immersion piezoelectric transducer | |
| RU2541672C1 (en) | Ultrasound immersion multisection piezoelectric transducer | |
| Nishino et al. | Defect detection of a pipe using a guided wave generated by an efficient transduction with a reflector | |
| WO2009071934A1 (en) | Acoustic transducer | |
| Gaal et al. | Airborne ultrasonic systems for one-sided inspection using thermoacoustic transmitters | |
| Bellan et al. | Acoustic guided waves interdigital transducers for non destructive testing of carbon-epoxy composites for spacecraft structures | |
| JP5957758B2 (en) | Ultrasonic transmitter / receiver and ultrasonic measuring device | |
| RU216328U1 (en) | Ultrasonic piezoelectric transducer for non-destructive testing of the ends of ceramic products | |
| BELLAN et al. | ACOUSTIC GUIDED WAVES INTERDIGITAL TRANSDUCERS FOR NON DESTRUCTIVE TESTING OF CARBON-EPOXY | |
| Schubert et al. | A novel sensor design for generation and detection of shear-horizontal waves based on piezoelectric fibres | |
| Wang et al. | Design and validation of an orthotropic piezoelectric composite material phased array sensor used to nondestructive detection | |
| US6952967B2 (en) | Ultrasonic transducer | |
| US20240307918A1 (en) | Interdigitated ultrasonic transducer |
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: 12852645 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: 12852645 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |