Ультразвуковой преобразователь для газовых сред

 

Использование: для УЗ контроля материалов и изделий, осуществляемого через газовую среду (через воздух) и может использоваться в технике УЗ локации и управления объектами, измерения толщины тонколистовых изделий, измерения уровня сыпучих и жидких сред в бункерах и резервуарах, контроля температуры воздуха и концентрации газовых смесей. Сущность изобретения: пьезоэлемент преобразователя работает на гармониках диаметральных колебаний. При этом используется эффект концентрации УЗ колебаний, возникающих по всему объему пьезоэлемента в центральной его зоне. Для увеличения интенсивности излучаемых в газовую среду УЗ колебаний электроды пьезоэлемента выполнены секционированными и электрически включенными между собой таким образом, что обеспечивается синфазное возбуждение отдельных концентрических зон пьезоэлемента. Для расширения функциональных возможностей преобразователя на обеих торцовых поверхностях пьезоэлемента размещены согласующие структуры на разные гармоники диаметральных колебаний, состоящие из четвертьволнового слоя из материала с удельным акустическим импедансом, близким среднегеометрическому значению удельных акустических импедансом материала пьезоэлемента и газовой среды и перфорированной пластины. 5 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ультразвуковому (УЗ) контролю материалов и изделий, осуществляемого через газовую среду, например через воздух, и может использоваться в технике УЗ локации и управления объектами измерения толщины тонколистовых изделий, измерения уровня жидких и сыпучих сред в бункерах, контроля температуры воздуха и определения концентрации газовых смесей.

Для излучения УЗ колебаний высокой интенсивности в газовую среду на частотах 20-60 кГц в УЗ преобразователях для контроля материалов и изделий и для других целей можно использовать концентраторы ступенчатой, конической, экспоненциальной или катеноидальной формы, размещаемых большим торцом на рабочей поверхности пьезоэлектрического или пьезомагнитного элемента [1] При этом малый торец концентратора служит для излучения в газовую среду УЗ колебаний большой интенсивности.

Недостатками УЗ преобразователей для газовых сред с концентраторами следующие: большая зависимость эффективности их работы от точности соблюдения размеров и формы концентраторов, так на частотах 50-60 кГц неточность их изготовления по длине в 0,1 мм приводит к снижению интенсивности излучения УЗ колебаний в воздух в 1,5-2 раза; конструктивная сложность преобразователей, сложность их изготовления и настройки, особенно преобразователей с экспоненциальным и катеноидальным концентраторами; сравнительно небольшой коэффициент усиления амплитуды УЗ колебаний концентратором (≈10-12); большие габариты и большая масса преобразователей, особенно для нижних рабочих частот УЗ колебаний (20-30 кГц).

Наиболее близким по конструктивному выполнению к предлагаемому ультразвуковому преобразователю является преобразователь для газовых сред [2] содержащий пьезоэлемент в форме диска с электродами и на его торцовых поверхностях и согласующую структуру в виде четверть волнового слоя из материала с удельным акустическим импедансом близким среднегеометрическому значению удельных акустических импедансов материала пьезоэлемента и газовой среды и перфорированную пластину перед четвертьволновым слоем. Указанная согласующая структура повышает амплитуду УЗ колебаний, излучаемых в газовую среду в 25-30 раз.

Недостатки УЗ преобразователя для газовых сред, принятого за прототип, следующие: сравнительно невысокая интенсивность излучаемых в газовую среду УЗ колебаний, ее можно увеличить лишь за счет увеличения электрического сигнала, подаваемого на возбуждение пьезоэлемента от генератора (до нескольких киловольт), что усложняет и генератор и сам УЗ преобразователь и не всегда является возможным по условию безопасности производства; невозможность работы УЗ преобразователя на двух разных частотах, что позволило бы расширить его функциональные возможности и обеспечить контроль изделий и материалов более широкого ассортимента.

Задачей изобретения является значительное (не менее чем в 4-10 раз) повышение интенсивности излучаемых в газовую среду УЗ колебаний без повышения напряжения на генераторе за счет выполнения пьезоэлемента и согласующей структуры преобразователя таким образом, когда реализуется работа преобразователя на высоких гармониках диаметральных колебаний пьезоэлемента и используется эффект концентрации энергии этих гармоник в одинаковой фазе в центральной зоне пьезоэлемента, а также расширение функциональных возможностей УЗ преобразователя за счет его конструктивного выполнения таким образом, что он может эффективно работать либо на одной, либо на другой рабочей частоте.

Повышение интенсивности излучаемых в газовую срезу УЗ колебаний достигается тем, что в УЗ преобразователе, содержащем пьезоэлемент в форме диска толщиной менее С_т/2˙ f, где С_т скорость продольных УЗ колебаний по толщине пьезоэлемента; f рабочая частота диаметральных колебаний пьезоэлемента, с электродами на его торцовых поверхностях и согласующей структурой на одной из его торцовых поверхностях и согласующей структурой на одной из его торцовых поверхностей, выполненной в виде четвертьволнового слоя материала с удельным акустическим импедансом, близким среднегеометрическому значению удельных акустических импедансов материала пьезоэлемента и газовой среды, и перфорированной пластины, размещенной перед этим слоем, пьезоэлемент УЗ преобразователя выполняется диаметром nC / 2˙ f где C скорость продольных УЗ колебаний в пьезоэлементе для n-й гармоники; длина волны n-й гармоники диаметральных колебаний в пьезоэлементе, n 2, 4, 8 номер гармоники диаметральных колебаний пьезоэлемента, а согласующая структура выполняется диаметром не более /2 и размещается в центральной зоне пучности n-й гармоники диаметральных УЗ колебаний пьезоэлемента.

В случае необходимости расширения функциональных возможностей предлагаемого УЗ преобразователя его пьезоэлемент выполняется толщиной менее С_т/2 ˙ f, где f- частота 2n-ой гармоники диаметральных УЗ колебаний пьезоэлемента (вдвое более высокая частота, чем частота n-й гармоники) и на другой его торцовой поверхности размещается другая согласующая структуры, размещенной на первой торцовой поверхности пьезоэлемента.

Изобретение пояcняется фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 приведены кривые распределения нормальных составляющих диаметральных УЗ колебаний точек торцовых поверхностей пьезоэлемента на второй (верхняя торцовая поверхность) и на четвертой (нижняя торцовая поверхность) гармониках.

Предлагаемый УЗ преобразователь содержит (фиг. 2) пьезоэлемент 1 в форме диска толщиной менее C / 2 ˙ f, где C скорость продольных УЗ колебаний пьезоэлементе для n-й гармоники; f частота n-й гармоники; длина волны n-й гармоники диаметральных колебаний с электродами 2 и 3 на торцовых поверхностях, выполненную в виде четвертьволнового слоя 4 (4¹) материала с удельным акустическим импедансом близким среднегеометрическому значению удельных акустических импедансов материала пьезоэлемента и газовой среды и размещенной перед ним перфорированной пластины 5 (5¹).

Предлагаемый УЗ преобразователь для газовых сред работает следующим образом.

При подаче на электроды 2 и 3 пьезоэлемента 1 (фиг. 2) электрического сигнала с частотой f, равной в рассматриваемом случае частоте второй гармоники диаметральных колебаний (n 2) этого пьезоэлемента в нем возникают ультразвуковые диаметральные колебания на этой гармонике. При этом кривая распределения амплитуд нормальных колебаний отдельных зон торцовых поверхностей пьезоэлемента будет такой как показано на фиг. 1 (поз. 7). Амплитуда колебаний периферийных зон пучностей пьезоэлемента меньше амплитуды колебаний центральной зоны пучности. Это объясняется эффектом концентрации энергии колебаний, возникающих по всему объему пьезоэлемента, в его центральной зоне. Далее сконцентрированная в центральной зоне пьезоэлемента 1 энергия ультразвуковых колебаний излучается в газовую среду через согласующую структуру, содержащую четвертьволновый слой 4 и перфорированную пластину 5. За счет описанного выше конструктивного выполнения предлагаемого преобразователя, при котором реализуется эффект концентрации энергии ультразвуковых колебаний в центральной зоне пьезоэлемента, излучаемая в газовую среду энергия ультразвуковых колебаний в несколько раз превышает энергию ультразвуковых колебаний, излучаемую преобразователем, принятым за прототип. Кривая распределения амплитуд нормальных колебаний зон торцовых поверхностей пьезоэлемента прототипа показана на фиг. 1 (поз. 8).

При необходимости работать еще и на частоте f выполняют на второй торцовой поверхности пьезоэлемента вторую согласующую структуру на указанную частоту, содержащую четвертьволновый слой 4¹ и перфорированную пластину 5¹ (фиг. 2) и подают на пьезоэлемент электрический сигнал частотой f (в рассматриваемом случае частотой f ). Преобразователь на этой частоте будет работать аналогичным образом. При этом кривая распределения амплитуд нормальных колебаний отдельных зон торцовых поверхностей пьезоэлемента будет такой как показано на фиг. 1 (поз. 9). В данном случае эффект концентрации энергии колебаний в центральной зоне пьезоэлемента проявляется в еще большей мере.

Фазы колебаний отдельных зон торцовых поверхностей пьезоэлемента предлагаемого преобразователя для газовых сред имеют разный знак, что на фиг. 1 обозначено знаками "+" и "-". Поэтому, если вектор поляризации пьезоэлемента имеет одинаковое направление во всех зонах его пучностей, как показано стрелками на фиг. 1, то при возбуждении этих зон одновременно электрическим сигналом, имеющим одну и ту же фазу, в них будут возникать УЗ колебания в одной и той же фазе, что приведет к уменьшению результирующей амплитуды УЗ колебаний центральной зоны торцовых поверхностей пьезоэлемента, а следовательно и к снижению интенсивности излучаемых в газовую среду УЗ колебаний. Повысить максимально эффективность предлагаемого преобразователя можно двумя вариантами конкретного конструктивного выполнения пьезоэлемента преобразователя.

Вариант 1. При наличии на преобразователе только одной согласующей структуры оба электрода на торцовых поверхностях пьезоэлемента выполняются в виде отдельных электрически разделенных между собой концентрических секций шириной не более C /2f где C скорость диаметральных УЗ колебаний; f частота гармоники диаметральных колебаний (фиг. 1 соответствует вторая гармоника), на которой работает пьезоэлемент, каждая из которых размещена в зоне соответствующей пучности рабочей гармоники диаметральных УЗ колебаний, и нечетные секции одной из торцовых поверхностей электрически соединяются между собой и с четными секциями другой торцовой поверхности, а четные секции этой торцовой поверхности электрически соединяются между собой и с нечетными секциями другой торцовой поверхности пьезоэлемента. При наличии на преобразователе двух согласующих структур, одна из которых работает на частоте f, а другая на частоте f электроды на торцовых поверхностях пьезоэлемента выполняются в виде отдельных разделенных между собой концентрических секций шириной каждая не более C/2 f, где f- частота 2n-й гармоники диаметральных УЗ колебаний пьезоэлемента и каждая из которых размещена в зоне пучности 2n-й гармоники диаметральных колебаний, причем при работе пьезоэлемента на частоте f четные секции одной из торцовых поверхностей пьезоэлемента электрически соединяются между собой и с нечетными секциями другой его торцовой поверхности и нечетные секции этой торцовой поверхности электрически соединяются между собой и с четными секциями другой торцовой поверхности, а при работе пьезоэлемента на частоте f рядом расположенные секции на каждой торцовой поверхности пьезоэлемента электрически попарно соединяются и четные пары секций одной торцовой поверхности электрически соединяются между собой и с нечетными парами секций другой торцовой поверхности, а нечетные пары секций этой торцовой поверхности электрически соединяются между собой и с четными парами секций другой торцовой поверхности.

Вариант 2. При наличии на преобразователе только одной согласующей структуры электрод одной из торцовых поверхностей пьезоэлемента выполняется сплошным и подключается к земляной клемме преобразователя, а электрод другой его торцовой поверхности выполняется в виде отдельных электрически разделенных между собой концентрических секций шириной не более C / 2 f, каждая из которых размещена в зоне пучности n-й гармоники диаметральных УЗ колебаний пьезоэлемента, и четные секции этой торцовой поверхности соединяются между собой электрически, а нечетные между собой.

При наличии на преобразователе двух согласующих структур электрод одной из торцовых поверхностей пьезоэлемента выполняется сплошным и подключается к земляной клемме преобразователя, а электрод другой его торцовой поверхности выполняется в виде отдельных электрически разделенных между собой концентрических секций шириной не более C / f2, каждая из которых размещена в зоне пучности 2n-й гармоники диаметральных УЗ колебаний пьезоэлемента, причем при работе пьезоэлемента на частоте f четные секции этой его торцовой поверхности электрически соединяются между собой, а нечетные между собой, при работе же пьезоэлемента на частоте f рядом расположенные секции этой торцовой поверхности электрически соединяются попарно между собой и далее четные пары секций электрически соединяются между собой, а нечетные пары секций между собой.

Следует заметить, что при секционировании электродов на обоих торцовых поверхностях пьезоэлемента предлагаемого УЗ преобразователя выход генератора, возбуждающего пьезоэлемент может быть как симметричным, так и несимметричным, при секционировании только одного электрода пьезоэлемента выход генератора должен быть только симметричным.

Описанное выполнение электродов торцовых поверхностей пьезоэлемента предлагаемого УЗ преобразователя для газовых сред позволяет обеспечить максимальную эффективность его работы, поскольку при этом имеет место синфазность возбужденных в отдельных зонах пьезоэлемента УЗ колебаний с напряжением генератора, подаваемым на возбуждение этих зон с помощью соответствующих секций электродов.

Формула изобретения

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ГАЗОВЫХ СРЕД, содержащий пьезоэлемент в форме диска толщиной H менее где С_т скорость продольной волны ультразвуковых колебаний, частота диаметральных колебаний, с электродами на торцевых поверхностях, на первой торцевой поверхности пьезоэлемента установлена согласующая структура, выполненная в виде четвертьволнового слоя материала с удельным акустическим импедансом, близким среднегеометрическому значению удельных акустических импедансов материала пьезоэлемента и газовой среды и сопряженной с ним перфорированной пластины, и имеющий земляную клемму, отличающийся тем, что диаметр пьезоэлемента d выбран из соотношения где длина волны n-й гармоники диаметральных колебаний пьезоэлемента;
n 2, 4, 8, номер гармоники диаметральных колебаний пьезоэлемента,
а согласующая структура выполнена диаметром не более и ее центр соответствует центру диска пьезоэлемента.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен толщиной менее и на его второй торцевой поверхности размещена другая согласующая структура с четвертьволновым слоем и диаметром менее
3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электроды на торцевых поверхностях пьезоэлемента выполнены в виде отдельных электрических разделенных между собой концентрических секций шириной не более каждая из которых размещена в зоне пучности диаметральных ультразвуковых колебаний пьезоэлемента и нечетные секции первой из торцевых поверхностей пьезоэлемента электрически соединены между собой и со счетными секциями второй торцевой поверхности пьезоэлемента, а четные секции второй торцевой поверхности электрически соединены между собой и с нечетными секциями первой торцевой поверхности пьезоэлемента.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электрод на первой из торцевых поверхностей пьезоэлемента, на которой размещена согласующая структура, подключен к земляной клемме преобразователя, а электрод на второй торцевой поверхности пьезоэлемента выполнен в виде отдельных электрически разделенных между собой концентрических секций шириной a, которая выбрана из соотношения и каждая из которых размещена в зоне пучности диаметральных ультразвуковых колебаний пьезоэлемента на гармонике причем нечетные секции второй торцевой поверхности электрически соединены между собой, а четные между собой.

5. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что электроды на торцевых поверхностях пьезоэлемента выполнены в виде отдельных электрически разделенных между собой концентрических секций, каждая из которых имеет ширину a, выбранную из соотношения и размещенных в зоне пучности диаметральных ультразвуковых колебаний пьезоэлементов на частоте, равной удвоенной величине причем четные секции первой из торцевых поверхностей пьезоэлемента электрически соединены между собой и с нечетными секциями второй торцевой поверхности, а нечетные секции второй торцевой поверхности электрически соединены между собой и со счетными секциями первой торцевой поверхности пьезоэлемента при работе пьезоэлемента на частоте или при работе пьезоэлемента на частоте рядом расположенные секции на его торцевых поверхностях электрически попарно соединяются и четные пары секций первой торцевой поверхности пьезоэлемента электрически соединены между собой и с нечетными парами секций второй торцевой поверхности, а нечетные пары секций второй торцевой поверхности электрически соединены с четными парами секций на другой торцевой поверхности.

6. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что электрод первой из торцевых поверхностей пьезоэлемента подключен к земляной клемме преобразователя, а электрод второй его торцевой поверхности выполнен в виде отдельных электрических разделенных между собой концентрических секций шириной a, выбранной из соотношения каждая из которых размещена в зоне пучности диаметральных ультразвуковых колебаний пьезоэлемента на частоте, равной удвоенной величине при работе пьезоэлемента на этой частоте четные секции второй торцевой поверхности пьезоэлемента электрически соединяются между собой, а нечетные между собой, или при работе пьезоэлемента на частоте рядом расположенные секции второй торцевой поверхности электрически попарно соединяются между собой и четные пары секций соединяются между собой, а нечетные между собой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2