Способ возбуждения акустических волн в электропроводящих объектах

 

Использование ультразвуковая дефектоскопия. Сущность изобретения на поверхность объекта устанавливают двухслойный диэлектрик и электроя причем диэлектрик устанавливают жестким и эластичным слоем соответственно к электроду и объекту . Поджимают диэлектрик и электрод к объекту с силой F , где G - модуль упругости эластичного слоя диэлектрика; S - площадь поверхности диэлектрика Создают изменяющуюся во времени разность электрических потенциалов между электродом и объектом подачи напряжения на электрод

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

1 — 6

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4939574/10 (22) 29.05.91 (46) 15.11.93 Бюл. Na 41-42 (71) Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (72) Алексеев О,Г:, Белугин ВА; Лазарев С.Г.; Приемский ДГ. (73) Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (S4) СПОСОБ В ОЗБУ>КДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ЗЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТАХ (в) RU (ii) 2003239 С1 (51) 5 H04R19 00

1 (57) Использование: ультразвуковая дефектоскопия.

Сущность изобретения: на-поверхность объекта устанавливают двухслойный диэлектрик и электрод, причем диэлектрик устанавливают жестким и элас— тичным споем соответственно к электроду и объекту. Поджимают диэлектрик и электрод к объекту с силой 1=» G ° S, где G — модуль упругости эластичного слоя диэлектрика. S — площадь поверхности диэлектрика. Создают изменяющуюся во времени разность электрических потенциалов между электродом и объектом подачи напряжения на электрод.

2003239

Изобретение относится к технике электроме>санических преобразователей и может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии электрапроводящих обьектов, при измерении скорости ультразвука и упругих постоянных электропронодящих материалов, Известен способ возбу>кдения акустических волн пьезоэлектрическими генераторами, 10

Источником акустических волн в этом случае является пластина пьезоэлектрика, к двум металлизированным поверхностям которой прикладывается изменяющаяся во время разность электрических потенциалов, За счет пьезоэлектрического эффекта под действием переменного электрического поля возникает деформация пьезоэлектрической пластины. При касании пластины с поверхностью обьекта механические колебания пластины пареда1отся в обьект, Тем самым в обьекте возбужда отся акустические волны.

Известен емкостиой способ «озбу>кдения акустических волн в электропроводящ и х о Ь ъ е к т а х, c o I ff D c H o K o To p o f4 y 1 а расстоянии от поверхности объекта располагают электрод и в воздушном промежутке между ними создают изменяющуюся по времени разность электрических потенциалов \/{ ), Наиболее близким техническим решением является емкастной способ возбу>кдения акустических волн, заключающийся в установке на поверхности абьекта диэлект- 35 рика с электродом и создании изменя ющейся во Bpемени разности электрических потенциалов между электродом и объсктом.

Цельfo изобретения является повышение стабильности генерации и увеличение

Gaff 3lnT) pbl IK fTIn IeC»In> B0fIfn fl jTBWl jB8fll чения нормальной компоненгы индукции электрического полл на поверхности объекта.

Указанная цель достигается тем, что ис- "-5 пользуют двухслойный диэлектрик, устанавливают его жестким и эластичным слоями соответственно к электроду и обьекту, после установки диэлектрика и электрода на поверхности обьекта их поджимают к объекту с силой F 6 S, где 6 — модуль упругости эластичного слоя диэлектрика. S — площадь поверхности диэлектрика, а разность электрических потенциалов между электродом и объектом создают подачей на- 55 пряжения на электрод, На фиг.1 представлена схема устройства, реалиэу ощего предлагаемый способ при статическом расположении источника акустических волн относительно электропроводящего объекта 1. Устройство возбуждения акустических волн (УВАВ) состоит из электрода 2, эластичнога электрически прочного диэлектрика 3, диэлектрического корпуса 4, токовывода 5, электромагнитного экрана 6, Оно.соединяется подводящим кабелем 7 с источником переменного напряжения 8, На фиг.2 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ в случае перемещения источника акусти feских волн по поверхности обьекта 1 с произвольной скоростью Ч.и импульсной генерацией сигнала с заданным шагом по перемещению Н,"

Устройство возбуждения акустических волн (УВАВ) в данном случае состоит из электрода 2, эластичного, электрически прочногЬ диэлектрика 3, упругого, электрически прочного покрытия 9, упругого диэлектрического каркаса 4, токопровода 5, контактной площадки 10. Посредством контактной площадки

11, располо>кенной на неподвижной оси, она электрически соединяется с генератором высокого переменного напряжения, Предлагаемый способ при статическом расположении источника акустических волн относительно объекта реализован. следующим образом (фиг.1).

УВАВ стороной, покрытой эластичным диэлектриком, поджимается к поверхности электропроводящего объекта, Это может быть осуществлено, например, внешними механическими устройствами или, если объект ферромагнитный — с помощью встроенного постоянного магнита, Величина поджатия выбирается из следующих соображений. Поверхность объекта содержит различного рода шероховатости, зависящие от чистоты обработки при изготовлении и условий эксплуатации. Если высота шероховатостей превышает величину й» (1 — 5) мкм, та для исключения электрического пробоя воздушного зазора между поверхностью объекта 1 и свободной поверхностью диэлектрика 3, необходимо обеспечить деформацию диэлектрика 3 таким образом, чтобы их свободные поверхности сблизились на величину h < 1 мкм. Высота шероховатостей, как правило порядка их ширины. Следовательно, для заметного сближения свободных поверхностей, необходимо обеспечить линейную деформацию диэлектрика 3, р - 1. Для этого, требуется, усилие поджатия F, при условии, чтатолщина диэлектрика 3 превышает высоту неоднородностей:

F=pGS, 2003239 (2) U = Uo . sin (в t) г

P = — — sin (ал) = — х

ЯО,Uo 2 г

2 х — . (1 — cos(2o>t).

Uo, h (3) Отметим, что при наличии постоянного напряжения смещения U см возбуждаются гармоники с частотой о> и 2в

U = Осм — 0О sin (o> t) (4) р oUo Ucw + 1 г

2hz Оог — 8in(rut) — (1 — cos (2и t)). (8) Электростатическое взаимодействие вызывает деформацию как объекта 1, так и электрода 2. Акустическая волна в объекте

1, возбуждаемая деформацией электрода 2, вообще товоря, может рассматриваться как помеха, искажающая форму акустического сигнала, определяемого выражением (3) или (5), Однако, численное значение ее амгде G — модуль 10нга;

S — площадь поверхности диэлектрика 3, Из выражения (1) видно, что для достижения технически целесообразных усилий поджатия требуется применение материалов, испытывающих значительные обратимые упругие деформации без разрушения при сравнительно небольших усилиях, что соответствует определению эластичности.

Например, относящиеся к эластичным материалам мягкие резины имеют модуль упругости G 10 кгс/см, соответстг венно, например, при площади поверхности

S = 0,1 см, получаем требуемое усилие пожатия F = 1 кгс.

После закрепления УВАВ на поверхности объекта 1, на электрод 2 через токовывод 5 по кабелю 7 от источника 6 подается переменный электрический потенциал V.

Экран 6 служит для минимизации электромагнитных помех вблизи работающего

УВАВ и для исключения электрических пробоев по поверхности диэлектрического корпуса 4 при минимизации его габаритов. В случае, если зависимость потенциала от времени tгармоническая,,с частотой в, то возбуждаются механические гармонические колебания с удвоенной частотой: плитуды черезвычайно мало, Пользуясь выра>кением для коэффициента отражения по интенсивности акустической волны на границе двух сред, можно найти долю энергии

5 волны Т, прошедшей от электрода через эластичную прокладку в обьект: (6) 55 2

W= — (8}

J-Сн W

15 Z) = C) p — акустическое сопротивление материала (Ci — скорость звука, р) — плотность), индексы 1, 2, 3 относятся к объекту, электроду и эластичному диэлектрику соответственно. Пусть, например, имеется алю20 миниевый объект, электрод выполнен из стали, прокладка из мягкой резины, Имеем

Z1 = 6,3 10 см/с 2,7 г/см = 1,7 10 г/см с; Zz = 6,1 10 см/с 7,8 г/ам, Zz =

=4,8 10 г/см с;Уз=3,7 10 см/с 0,9г/см =

25 =1,85 10 г/см С.

Подставляя указанные значения в (9), получаем Т = 7 10, что подтверждает малость возмущений, вносимых деформацией электрода, 30 Оценим значение электрических параметров. Пусть площадь поверхности электрода, обращенная к объекту, составляет S =

=0,1 см, толщина диэлектрика в поджатом состоянии h = 50 мкм, его относительная

Ç5 диэлектрическая проницаемость е = 3, рабочая амплитуда напряженности электрического поля E> = 1 MB/см, частота возбуждаемых акустических волн 2в =

= 2 .2>т 10 с ". Соответственно имеем ем40 кость УВАВ относительно объекта С 6 пф, амплитуду напряжения Uo = 5 кВ, амплитуду тока 1О = 0,2 А. Ввиду того, что диссипация энергии в подобном устройстве происходит в основном лишь за счет излу45 чения упругих волн, а также небольших омических потерь, требуемая активная мощность генератора оказывается сравнительно невысокой.

Оценим поток энергии излучения акустических волн, например, в алюминии. При тех >ке условиях имеем плотность упругой энергии W вблизи УВАВ, плотность потока энергии J и поток энергии I

2003239 (9) I-J .S

Подставляя указанные значения параметров, имеем W = 0,16 Дж/м; J " 1 э.

Вт/см; 1 = 10 мВт.

При перемещении источника акустических волн относительно объекта, например, при дефектоскопии железнодорожных рельсов, предлагаемый способ реализован следующим образом (фиг,2).

Электроды 2 покрываются защитным покрытием 9 и эластичным покрытием 3, Поджатие всей сборки при ее качении вдоль поверхности объекта 1 обеспечивает требуемую для устранения воздушных зазоров деформацию эластичного диэлектрического

Формул а и зоб ре те н и я

СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В .ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ

ОБЪЕКТАХ, заключающийся в установке на поверхности объекта диэлектрика с электродом, создании изменяющейся во времени разности электрических потенциалов между электродом и объектом, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности генерации и увеличения амплитуды акустических волн путем увеличения нормальной компоненты индукции покрытия 3. При сближении какого-либо электрода 2 с поверхностью объекта 1, на него через токопровод 5и контактные площади 10, 11 подается модулированный элек5 трический импульс высокого напряжения, возбуждающий акустическую волну в обьекте 1. Тем самым в объекте 1 осуществляется импульсная генерация сигнала через интервал перемещения Н, обратно пропорцио10 нальный количеству электродов 2. (56) Приборы неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. Под ред. В,В.Клюева, M., Машиностроение, 1986, с.244.

15 Патент СССР М 4487, кл, Н 04 R 19/04, 1928. электрического поля на поверхности объ20 еКТВ, используют двухслойный диэлектрик, устанавливают его жестким и эластичным . слоями соответственно к электроду и объекту, после установки диэлектрика и электрода на поверхности объекта их

25 поджимают к объекту с силой F 6 ° S, где 6 - модуль упругости эластичного слоя диэлектрика, S - площадь поверхности диэлектрика, а разность электрических потенциалов между электродом и объектом

30 создают подачей напряжения на электрод.

2003239

Составитель О. Алексеев

Редактор Н. Сильнягина Техред M.Mîðãåíòàë Корректор О. Густи

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Заказ 3238

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101