Пьезоэлектрический приемник поверхностных волн

 

Изобретение относится к области акустических методов неразрушающего контроля. Целью изобретения является повьпиение чувствительности к приему широкополосных сигналов за счет выбора оптимальных размеров пьезоэлемента в виде усеченного конуса и цилиндрического демпфера благодаря выравниванию амплитудно-частотной характеристики с сохранением ее достаточно высокого амплитудного значения . Пьезоэлектрический приемник содержит пьезоэлемент 3, выполненный в виде усеченного Конуса с электродами 4, и демпфер 5, установленный на большем основании пьезоэлемента и превьш1ающий его по диаметру. Выбор оптимальных размеров пьезоэлемента 3 позволяет без искажений принимать акустические сигналы, например, акустической эмиссии, распространяющиеся по стенке 6 конструкции в виде поверхностной волны. 3 ил. с S

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 N 29/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 38043 11/25-28 (22) 22.10.84 (46) 28.02.87. Бюл. В 8 (72) Н.В. Бобылев, E.Ä.Мезинцев, В.И.Карпов и В,Г.Тихий (53) 620.179.16(088.8) (5e) Авторское свидетельство СССР

У 1107043, кл. G 01 Н 29/04, 1983.

Дефектоскопия, 1975, Р 5, с.107115. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН (57) Изобретение относится к области акустических методов неразрушающего контроля. Целью изобретения является повышение чувствительности к приему широкополосных сигналов за счет

„„SU, ) 293629 А1 выбора оптимальных размеров пьезоэлемента в виде усеченного конуса и цилиндрического демпфера благодаря выравниванию амплитудно-частотной характеристики с сохранением ее достаточно высокого амплитудного значения. Пьезоэлектрический приемник содержит пьезоэлемент 3, выполненный в виде усеченного конуса с электродами 4,и демпфер 5, установленный на большем основании пьезоэлемента и превьппающий его по диаметру. Выбор оптимальных размеров пьезоэлемента 3 позволяет без искажений принимать акустические сигналы, например, акустической эмиссии, распространяющиеся по стенке 6 конструкции в виде поверхностной волны, 3 ил.

1293629

f. > 2,2С /Н, 15

h = 0,715(с1,-d ) где Й и д

Изобретение относится к области акустических методов неразрушающего контроля и может быть использовано при приеме поверхностных волн, например, при контроле методом акусти-, ческой эмиссии.

Цель изобретения — повьппение чувствительности к приему сигналов в широком диапазоне частот за счет выбора оптимальных размеров пьезоэлемента, выполненного в виде усеченного конуса, а также цилиндрического демпфера.

На фиг. 1 изображен пьезоэлектрический приемник поверхностных волн, на фиг. 2 — спектральная плотность

S(t) принятых сигналов для различных значений угла с наклона образующей к оси усеченного конуса, на фиг. 3 — зависимость относительной амплитуды А/Ам принятых сигналов от угла сь наклона образующей к оси усеченного конуса.

Пьезоэлектрический приемник поверхностных волн содержит корпус 1, протектор 2, пьезоэлемент 3, выполненный в виде усеченного конуса, и расположенные на плоских гранях пос— леднего электроды 4. Приемник также содержит цилиндрический демпфер 5 диаметром D, Позицней 6 на фиг. 1 обозначена стенка контролируемого изделия. Демпфер 5 установлен соосно на большем основании конуса пьезоэлемента 3, а осесимметричный протектор 2 с круговой контактной поверх ностью установлен соосно на меньшем основании конуса пьезоэлемента 3

Размеры конуса пьезоэлемента 3 выбраны из условий:

О/2, h = C/2S, Ь (0,87-0,50) (d)-d ), диаметры большего и меньшего оснований конуса пьезоэлемента 3 соответственно высота конуса пьезоэлемента 3, скорость распространения продольных колебаний в материале пьезоэлемента 3, вепхнее значение рабочего диапазона частот, Значение f. верхнего диапазона частот может быть определено из условия существования поверхностных волн в пластине: где С вЂ” скорость распространения

Ф поперечных колебаний в материале стенки 6, Н вЂ” толщина стенки 6.

В частности, размеры конуса пьезоэлемента 3 выбраны из условия:

Пьезоэлектрический приемник поверхностных волн работает следующим образом.

Акустическая волна, например сигнал акустической эмиссии, распространяется от источника по стенке 6 конструкции в виде суммарного сигнала; который образован волнами Лэмба и поверхностной волной. Сигнал поверхностной волны имеет большую амплитуду, малую длительность и крутой фронт. Сигналы же, образованные волнами Лэмба вследствие значительной дисперсии групповой и фазовой скоростей распространения имеют значительно меньшую амплитуду и постоянно увеличивают свою длительность при распространении. Дойдя до приемника, импульс воздействует на него, причем эффективность воздействия фронтом импульса обеспечивается выбором диаметра d меньшего основания пьезоЯ элемента 3 и соответствующего ему размера контактной поверхности протектора 2 менее половины длины поверхностной волны в,материале стенки б на частоте f (верхнем значении рабочего диапазона частот). За счет шнрокополосности приемника, обусловленной, как размерами и формой пьезоэлемента 3, так и размерами демпфера 5, выполненного, например, из латуни и электрически изолированного от корпуса 1„ обеспечивается преобразование акустического сигнала во всем рабочем диапазоне частот без искажений в электрический сигнал.

Электрический сигнал снимается с электродов 4 и поступает в обрабатывающую аппаратуру (не показана).

Для повышение чувствительности приемника к поверхностным волнам ме1293629 таллический протектор должен иметь малую толщину, которая, как минимум, в. десять раз должна быть меньше собственной толщины пьезоэлемента. Передаточная функция чувствительности пьезоэлемента в виде усеченного конуса является произведением частотной и волновой функций, которые определяются соответственно высотой Ь и диаметром d приемной поверхности.

Из графика, представленного на фиг.

2, видно, что при малых значениях угла наклона образующей к оси конуса о пьезоэлемента в диапазоне 0-20 наблюдаются характерные изменения амнлитудно-частотной характеристики (АЧХ) из-за радиального резонанса в иьезоэлементе. Кроме влияния на величину спектральной плотности радиальный резонанс проявляется и в области фазовых соотношений составляющих Спектра, что приводит к изменению формы электрического импульса и уменьшению его амплитуды. Графики спектральной плотности S(f) для углов наклона образующей в диао пазоне 30-40 практически совпадают и имеют максимальное значение. Наличие резонансных явлений в низкочастотной области, связанных с радиальным резонансом демпфера, не оказывает влияния на сигнал поверхностной волны. Для значения угла наклона . о образующей в диапазоне 50-60 функ-, ция спектральной плотности становится широкополосной, но ее величина значительно падает. Из графика зависимости относительной амплитуды

А/Ам принятых сигналов от угла (6 наклона образующей к оси усеченного конуса, приведенного на фиг. 3, очевидно, что максимальную чувствительность обеспечивает угол Ф = 35

15Формула изобретения

Пьезоэлектрический приемник поверхностных волн, содержащий протектор, цилиндрический демпфер и за20 ключенный между ними поляризованный по толщине пьезоэлемент, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности к приему сигналов в широком диапазоне частот, 25 пьезоэлемент выполнен в виде усеченного конуса, контактирующего большим основанием с демфером, а размеры конуса выбраны из условий:

d, Э/2;

h « (С/2f, h (О 87 0 50) (d,-юг) 30 где D

35 о но диаметр демпфера; диаметр большего и меньшего оснований пьезоэлемента соответственно; высота пьезоэлемента; скорость распространения продольных колебаний в материале пьезоэлемента верхняя частота рабочего диапазона частот.

С

Коническая форма пьезоэлемента с выбранными углам наклона позволяет повысить чувствительность преобразователя за счет увеличения объема активного материала пьезоэлемента и увеличения его собственной емкости, что играет существенную роль при малых размерах пьезоэлемента. Влияние собственных радиальных резонан1О сов демпфера становится минимальный, если диаметр демпфера, как минимум, в два раза больше диаметра большего основания пьезоэлемента.

1293629 ар ф

Of

g pr д os go os ак ат аю ию !а у !а ти а !s fl ruJ фув. 2 ш zo гп и и и та а к (spud)

Фиг. 3

Составитель В.Гондаревский

Редактор А.Ревин Техред В.Кадар Корректор И.Шароши

Заказ 379/48 Тираж 777 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие„ г. Ужгород, ул. Проектная, 4