Протектор ультразвукового преобразователя

 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в контрольно-измерительной аппаратуре, например, в преобразователях ультразвуковых дефектоскопов. Предложенный протектор ультразвукового преобразователя имеет форму пластины с двумя рабочими сторонами. Одна из сторон выполнена плоской и предназначена для акустической связи с пьезоэлементом, другая - неровной и включает совокупность углублений прямоугольного сечения; эта поверхность в рабочем состоянии взаимодействует с контактирующей средой. Удельная площадь углублений составляет половину исходной площади поверхности, а глубина углублений - нечетное число четвертей длины волны ультразвука в материале протектора. Предложенный протектор является более технологичным в сравнении с известными устройствами аналогичного назначения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в конструкциях ультразвуковых преобразователей как измерительных приборов (например, дефектоскопов металлов), так и технологических аппаратов (например, очистных камер).

Известен протектор ультразвукового преобразователя в форме плоскопараллельной пластины с толщиной менее 0,1 длины волны ультразвука в ее материале. Известен также согласующий протектор ультразвукового преобразователя в форме плоскопараллельной пластины с толщиной в четверть длины волны ультразвука в ее материале, имеющем удельное акустическое сопротивление, равное среднегеометрическому значению сопротивлений прилегающих сред.

Наиболее близким к изобретению является согласующий протектор ультразвукового преобразователя, выполненный в виде четвертьволновой пластины с двумя рабочими сторонами, одна из которых предназначена для акустической связи с пьезоэлементом и является плоской, а в другой, предназначенной для взаимодействия с контактирующей средой, выполнены конические углубления. Протектор снабжен плоской мембраной, закрепленной на торцовых поверхностях выступов четвертьволновой пластины.

Недостатками этого протектора являются сложность конструкции и технологии изготовления. Причем сложность конструкции обусловлена наличием дополнительной мембраны, конической формой углублений, необходимостью подбора площади, занятой углублениями, в зависимости от удельных акустических сопротивлений материалов четвертьволновой пластины и контактирующей среды, а расстояний между углублениями в зависимости от толщины и материала мембраны. Сложность изготовления известного протектора обусловлена также трудоемкостью бездефектного скрепления мембраны с торцовыми поверхностями многочисленных выступов.

В сравнении с известными протекторами в предлагаемом протекторе ультразвукового преобразователя эффект акустического согласования обеспечивается более простыми конструктивными и технологическими приемами. Данный протектор выполнен в виде пластин с двумя рабочими сторонами, одна из которых предназначена для акустической связи с пьезоэлементом и является плоской, а в другой, предназначенной для взаимодействия с контактирующей средой, выполнены углубления прямоугольного сечения. Наилучшее согласование с контактирующей средой достигается в том случае, когда глубина углублений составляет нечетное число четвертей длины волны ультразвука, а отношение суммарной площади углублений к площади поверхности протектора равно 1:2.

Таким образом, предлагаемый протектор в отличие от прототипа имеет более простую конструкцию, в составе которой, в частности, отсутствует мембрана, и технологию изготовления.

На чертеже схематически представлена конструкция предлагаемого протектора ультразвукового преобразователя, разрез вдоль оси симметрии.

Протектор имеет две рабочие стороны 1 и 2. Сторона 1 предназначена для акустической связи с пьезоэлементом и является плоской. Сторона 2 предназначена для взаимодействия с контактирующей средой: иммерсионной жидкостью при иммерсионном режиме работы или контактной средой при контактном режиме. В качестве контактной среды может использоваться контактная жидкость, консистентная смазка или эластомер. Сторона 2 протектора не является плоской, в ней выполнены углубления 3 прямоугольного сечения. Для наиболее эффективной работы протектора глубина углублений 3 должна составлять нечетное число четвертей длины волны ультразвука в материале протектора (для излучающего преобразователя) либо в контактирующей среде (для приемного преобразователя), а площадь углублений 3 в проекции на поверхность 2 протектора половину исходной площади протектора. Для работы протектора при одной частоте ультразвуковых колебаний рационально выполнять все углубления равновеликими и размещать их равномерно по площади поверхности 2. Углубления могут быть выполнены путем фрезерования, литья, прессования, штамповки и т.д.

Размер углублений 3 вдоль поверхности 2 может быть любым, но рекомендуется устанавливать его больше длины ультразвука в материале протектора. При значении этого размера меньше длины волны (особенно менее 0,1 этой величины) будет наблюдаться рост диффузной составляющей отраженного звука и уменьшение отражения в зеркальном направлении, т. е. снижение эффекта "просветления".

Протектор ультразвукового преобразователя работает следующим образом.

При перпендикулярном падении колебаний (не показаны), излученных пьезоэлементом (не показан), акустически связанным с поверхностью 1 протектора, на границу 2, заполненную контактирующей средой (не показана), происходят частичные отражения энергии колебаний от поверхностей углублений 3 и выступов 4. Разность хода этих отраженных колебаний составляет нечетное число полуволн ультразвука в материале протектора. Учитывая, что отражающие площади углублений 3 и выступов 4 равны, амплитуды соответствующих отраженных волн также будут равны. При этом происходит интерференционное гашение отраженных колебаний, в результате чего практически вся энергия падающих волн проходит сквозь сторону 2 наружу от протектора, обеспечивая эффект "просветления".

Данный протектор может эффективно работать и в режиме приема ультразвуковых колебаний. В этом случае колебания, падающие снаружи протектора на его границу 2, будут также частично отражаться от поверхностей выступов 4 и углублений 3. Для их интерференционного гашения необходимо, чтобы разность хода отраженных волн была равна нечетному числу полуволн ультразвука, но уже в контактирующей среде. Это условие может быть обеспечено так же легко, как и в протекторе излучающего преобразователя путем задания соответствующей глубины углублений 3.

Очевидно, чтобы протектор мог одинаково эффективно работать в режимах как излучения, так и приема ультразвуковых колебаний, его материал следует подбирать таким образом, чтобы скорость ультразвуковых колебаний в последнем была в нечетное число раз больше по сравнению со скоростью ультразвука в контактирующей среде. В качестве практического примера можно привести случай иммерсионного ультразвукового контроля в водной среде. В этом случае для материала протектора целесообразно использовать латунь, в которой скорость ультразвука в 3 раза выше, чем в воде. Вдобавок латунь, как известно, хорошо акустически согласуется с широко используемыми материалами пьезоэлементов.

Следует отметить, что описанный эффект интерференционного гашения отраженных колебаний имеет место и при комнатном режиме работы предлагаемого протектора ультразвукового преобразователя. Однако в указанном режиме работы эффект гашения всегда неполный (за исключением гипотетического случая равенства акустических сопротивлений контактной жидкости и контролируемого объекта, что по акустическим условиях повторяет иммерсию) и проявляется не при всех условиях. Наибольшая степень "просветления" границы контакта с объектом у предлагаемого протектора имеет место в том случае, когда материал протектора акустически более жесткий в сравнении с материалом объекта (например, металл в сравнении с полимером), а контактная жидкость достаточно легкая. Поэтому предлагаемый протектор наиболее эффективно использовать в иммерсионных ультразвуковых преобразователях.

Формула изобретения

1. ПРОТЕКТОР УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, выполненный в виде пластины с двумя рабочими сторонами, одна из которых предназначена для акустической связи с пьезоэлементом и является плоской, а в другой предназначенной для взаимодействия с контактирующей средой, выполнены углубления, отличающийся тем, что углубления имеют прямоугольное сечение.

2. Протектор по п.1, отличающийся тем, что глубина углублений составляет нечетное число четвертей длины волны, а отношение суммарной площади углублений к площади поверхности протектора 1 2.

РИСУНКИ

Рисунок 1