Чувствительный элемент для ультразвукового пьезоэлектрического приемного преобразователя

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю промышленных объектов и может быть использовано для контроля протяженных объектов и объектов с высоким затуханием звука. Расширение полосы пропускания и уменьшение неравномерности амплитудно-частотной характеристики достигается за счет того, что чувствительный элемент для ультразвукового пьезоэлектрического приемного преобразователя содержит цилиндрический пьезоэлемент и установленный на нем частотно-понижающий цилиндр, их размеры и резонансные частоты выбраны из условий: D^пэ > H^пэ, f_R^пэ = K¹f₂, f_p^пэ = K₂f₂, f₁ < f_p1^ц < f_R^пэ, D^ц < Н^ц, где f₁ - нижняя граница полосы пропускания, f₂ - верхняя граница полосы пропускания, D^пэ - диаметр пьезоэлемента, Н^пэ - высота пьезоэлемента, f_R^пэ - собственная частота радиальных колебаний пьезоэлемента, 0,7 ≅ K₁ < 1 - первый эмпирический коэффициент, f_p^пэ - собственная частота продольных колебаний пьезоэлемента, 1,5 ≅ K₂ ≅ 2,5 - второй эмпирический коэффициент, f_p1^ц - первая собственная частота продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра, D^ц - диаметр частотно-понижающего цилиндра, Н^ц - высота частотно-понижающего цилиндра. Вторая собственная частота продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра f_p2^ц выбрана из условия f_R^пэ < f_p2^ц < f_p^пэ. Собственная частота радиальных колебаний частотно-понижающего цилиндра f_R^ц выбраны из условия f_R^ц = (0,9 - 1,1) f_R^пэ. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю промышленных объектов, основанному на регистрации акустических волн с помощью контактных приемных преобразователей, а именно к чувствительным элементам для ультразвуковых пьезоэлектрических приемных преобразователей, и может быть использовано, в частности, для контроля протяженных объектов и объектов с высоким затуханием звука, в процессе которого регистрируются акустические волны в частотном диапазоне от 20 до 200 кГц.

К чувствительным элементам любых первичных преобразователей предъявляются весьма высокие требования к техническим характеристикам, определяющим разрешающую способность (коэффициенту электроакустического преобразования, ширине рабочего частотного диапазона, неравномерности АЧХ и др.). Обеспечение высокой чувствительности и рабочего частотного диапазона от 20 до 200 кГц требует применения чувствительных элементов, работающих в резонансном режиме, длина которых соизмерима с длиной волны в пьезокерамическом материале. Однако проектирование таких чувствительных элементов сопряжено с рядом особенностей: 1) размер чувствительного элемента в продольном направлении (при использовании продольной моды колебаний) может превышать 100 мм (использование радиальных колебаний чувствительных элементов в виде пьезокерамических дисков диаметром до 100 мм нецелесообразно из-за ухудшения акустического контакта преобразователя с искривленной поверхностью контролируемого объекта); 2) при контроле протяженных объектов (например, нефтегазопроводов) применяются длинные кабельные линии (метры - десятки метров). Для обеспечения требуемого уровня сигнала на входе усилительно-преобразовательной аппаратуры необходимо, чтобы собственная электрическая емкость чувствительного элемента по возможности была больше емкости нагрузки соединительных кабелей или, по крайней мере, должна быть соизмерима с ней; 3) пьезоэлементы простой конструктивной формы (в виде диска или цилиндра) имеют изрезанную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), неравномерность (изрезанность) которой в области радиального резонанса в зависимости от материала может достигать 10-25 дБ.

Решение поставленных задач усложняется еще и технологическими проблемами поляризации пьезоэлементов длиной десятки мм. Для поляризации, например, удлиненных пьезокерамических цилиндров необходимо весьма высокое поляризующее напряжение (десятки киловольт - исходя из расчета 2 - 2,5 кВ/мм). Технология поляризации удлиненных пьезоэлементов при напряжении свыше 20 кВ является очень сложной, что ведет к удорожанию пьезоэлементов и соответственно преобразователей.

Известен ультразвуковой преобразователь /1/, содержащий корпус и расположенные в нем дисковую аксиально поляризованную пьезопластину и протектор. Выбор отношений размеров пьезопластины и протектора в определенных пределах обеспечивают повышение чувствительности и точности измерений. Однако применение данного преобразователя ограничено из-за весьма узкой полосы пропускания. Заданными соотношениями толщины пьезопластины к ее диаметру реализуется относительно близкое расположение двух основных резонансов колебаний пьезоэлемента (резонанса радиальных колебаний и резонанса колебаний по толщине), при котором области динамического подъема амплитудно-частотной характеристики практически полностью перекрывают друг друга и "сливаются" в один резонанс в виде колокола с узкой полосой пропускания. К тому же для реализации требуемого частотного диапазона необходимо применение пьезоэлементов в виде цилиндра высотой свыше 20 мм, что ведет к усложнению технологии изготовления.

Известен также широкополосный пьезоприемник для исследования сигналов акустической эмиссии /2/, содержащий пьезопластину, вклеенную между протектором и стержневой линией задержки, которая фактически является частотно-понижающим элементом. Однако такой преобразователь применяется для исследования высокочастотных акустических сигналов, длительность которых меньше времени двойного пробега продольной волны по стержневой линии задержки. В области низких частот у него наблюдается резонанс, сужающий полосу пропускания и ухудшающий неравномерность АЧХ.

Задача, решаемая изобретением, направлена на создание чувствительного элемента для ультразвуковых пьезоэлектрических приемных преобразователей (в дальнейшем по тексту - чувствительный элемент), предназначенных для контроля протяженных объектов и объектов с высоким затуханием звука.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение полосы пропускания и уменьшение неравномерности амплитудно-частотной характеристики.

Технический результат достигается тем, что в известном чувствительном элементе для ультразвукового пьезоэлектрического приемного преобразователя, содержащем цилиндрический пьезоэлемент и установленный на нем частотно-понижающий цилиндр, новым является то, что размеры и резонансные частоты пьезоэлемента и частотно-понижающего цилиндра выбраны из условий: D^пэ>H^пэ, f_R^пэ =K₁·f₂, f_P^пэ=K₂·f₂, f₁<f^ц<f^пэ, D^ц<H, где f₁ - нижняя граница полосы пропускания;
f₂ - верхняя граница полосы пропускания;
D^пэ - диаметр пьезоэлемента;
H^пэ - высота пьезоэлемента;
f_R^пэ - собственная частота радиальных колебаний пьезоэлемента;
0,7 ≅ K₁<1 - первый эмпирический коэффициент;
f_P^пэ - собственная частота продольных колебаний пьезоэлемента;
1,5 ≅ K₂ ≅ 2,5 - второй эмпирический коэффициент;
f_P1^ц - первая собственная частота продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра;
D^ц - диаметр частотно-понижающего цилиндра;
H^ц - высота частотно-понижающего цилиндра.

С целью уменьшения неравномерности АЧХ вторая собственная частота продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра f_P2^ц выбирается из условия:
f_R^пэ < f_P2^ц < f_P^пэ.

С целью уменьшения неравномерности АЧХ собственная частота радиальных колебаний частотно-понижающего цилиндра f_R^ц выбирается из условия:
f_R^ц= (0,9-1,1)·f_R^пэ.

С целью увеличения коэффициента электроакустического преобразования механическая добротность материала частотно-понижающего цилиндра выбирается выше механической добротности материала пьезоэлемента.

С целью уменьшения неравномерности АЧХ в теле частотно-понижающего цилиндра выполнены не пересекающие основание выемка или плоский срез, не параллельный основанию.

Расширение полосы пропускания и уменьшение неравномерности амплитудно-частотной характеристики достигаются выбором соотношений размеров пьезоэлемента и частотно-понижающего цилиндра, а также выбором соотношений их резонансных частот и границ полосы пропускания, что определяет форму и свойства амплитудно-частотной характеристики (коэффициент электроакустического преобразования, неравномерность или изрезанность АЧХ, крутизна спада частотной характеристики вблизи границ полосы пропускания и др.). Синтез амплитудно-частотной характеристики осуществляется из частично перекрывающих друг друга мод колебаний в продольном и радиальном направлении. Области динамического подъема смежных резонансов частично перекрывают друг друга и образуют АЧХ, по форме близкую к трапеции с широкой полосой пропускания.

Условие D^пэ > H^пэ предопределяет полосовые свойства пьезоэлемента. При данном соотношении размеров пьезоэлемента собственная частота радиальных колебаний будет ниже собственной частоты продольных колебаний. При соблюдении данного условия в практическом большинстве случаев соблюдается неравенство (1,5-2,4)·f_R^пэ<f^пэ (множитель перед f_R^пэ зависит от соотношения скоростей звука в продольном и поперечном направлениях, а также от соотношения геометрических размеров пьезоэлемента). Моды колебаний пьезоэлемента в продольном и радиальном направлениях частично пересекаются и синтезируются в АЧХ, по форме близкую к трапеции.

Условия f_R^пэ = K₁·f₂ и f_P^пэ = K₂·f₂ определяют размеры пьезоэлемента и задают границы полосы пропускания пьезоэлемента. При этом полоса пропускания пьезоэлемента реализуется несколько выше требуемой (≈ от 0,7·f₂ до 2,5·f₂). После установки частотно-понижающего цилиндра на пьезоэлемент полоса пропускания смещается в требуемую область нижних частот (f₁ - f₂). Данное соединение должно обеспечивать акустический контакт между пьезоэлементом и частотно-понижающим цилиндром и может быть осуществлено путем склеивания, пайки, сварки и т.п.

Пределы эмпирического коэффициента K₁ обуславливаются соотношением ширины и формы спектров собственных колебаний чувствительного элемента в продольном (F_P) и радиальном направлении (F_R), а также целесообразностью уменьшения диаметра пьезоэлемента D^пэ и, соответственно, площади плоского акустического контакта приемного преобразователя с искривленной поверхностью контролируемого объекта. Данные моды колебаний должны находиться в пределах полосы пропускания (f₁ - f₂), частично пересекаться и синтезироваться в полосовую АЧХ. В практическом большинстве случаев продольная мода колебаний чувствительных элементов на основе пьезоэлементов в виде диска или цилиндра характеризуется более широким спектром по сравнению с радиальной модой, ограниченной более выраженной резонансной кривой. Такое соотношение ширины и формы спектров собственных колебаний чувствительного элемента в продольном и радиальном направлении предопределяет положение частоты F_R на участке резкого спада резонансной кривой F_P. Ограничение площади акустического контакта обуславливает расположение частоты F_R вблизи верхней границы полосы пропускания f₂. Таким образом, нижний предел эмпирического коэффициента (K₁= 0,7) показывает допустимое отклонение частоты F_R от f₂, при котором возможен синтез полосовой АЧХ с приемлемой неравномерностью (изрезанностью) в области пересечения спектров собственных колебаний чувствительного элемента, а также допустимый диаметр пьезоэлемента, обеспечивающий надежный акустический контакт преобразователя с контролируемым объектом. Верхний предел эмпирического коэффициента (K₁ < 1) определяет необходимое для осуществления синтеза полосовой АЧХ положение частоты f_R^пэ и, соответственно, F_R (частота радиального резонанса чувствительного элемента F_R остается равной собственной частоте радиальных колебаний пьезоэлемента f_R^пэ) в пределах полосы пропускания (f₁ - f₂).

Пределы эмпирического коэффициента K₂ обуславливаются оптимальными соотношениями коэффициента электроакустического преобразования и электрической емкости, а также технологическими соображениями допустимого напряжения поляризации пьезоэлемента и, соответственно, его высоты. С одной стороны, для удлиненных пьезоэлементов в виде цилиндров при прочих равных условиях характерна более высокая чувствительность по сравнению с пьезоэлементами в виде тонких дисков, поскольку коэффициент электроакустического преобразования в целом пропорционален объему пьезоэлемента, а с другой стороны - с увеличением высоты пьезоэлемента возрастают потери чувствительности приемного преобразователя, нагруженного на длинную кабельную линию. Таким образом, нижний предел эмпирического коэффициента (K₂=1,5) показывает максимальную высоту пьезоэлемента, обеспечивающую допустимое снижение амплитуды принимаемого сигнала на входе усилительно-преобразовательной аппаратуры с нагрузкой длинной кабельной линии при контроле протяженных объектов, а также - технологичность конструкции пьезоэлемента. Верхний предел (K₂=2,5) определяет минимально допустимый коэффициент электроакустического преобразования. К тому же условие f_P^пэ = K₂·f₂ способствует достижению равномерной АЧХ за счет существенного сдвига данной собственной частоты за пределы полосы пропускания.

Условие f₁ < f_P1^ц < f_R^пэ обеспечивает максимальный коэффициент электроакустического преобразования и минимальную неравномерность АЧХ. Это условие определяет положение собственных частот колебаний чувствительного элемента в продольном F_P и радиальном направлении F_R в следующем порядке: f₁ < F_P < F_R < f₂ (частота F_P в силу соотношений размеров пьезоэлемента и частотно-понижающего цилиндра несколько смещается в область нижних частот по сравнению с частотой f_P1^ц, а частота F_R остается равной f_R^пэ). Данные моды колебаний частично пересекаются друг с другом и синтезируются в полосовую АЧХ. При совпадении резонанса f_P1^ц с резонансом f_R^пэ происходит уменьшение коэффициента электроакустического преобразования и увеличение изрезанности частотной характеристики вблизи верхней границы частотного диапазона f₂ в результате существенного подавления радиальной моды колебаний пьезоэлемента. При условии f_P1^ц < f₁ собственная частота чувствительного элемента смещается за пределы границы рабочего диапазона (f₁), что, безусловно, нарушает необходимые условия для синтеза полосовой АЧХ (расположение частоты F_P в пределах полосы пропускания от f₁ до f₂). При f_P1^ц > f_R^пэ частотно-понижающий цилиндр работает неэффективно и амплитудно-частотная характеристика чувствительного элемента приближается к спектру пьезоэлемента. Причем при f_P1^ц ≈ (0,8 - 1,2)·f_P^пэ наблюдается существенное подавление продольной моды колебаний пьезоэлемента, уменьшение коэффициента электроакустического преобразования и увеличение неравномерности (изрезанности) АЧХ во всем рабочем диапазоне частот. Предпочтительным вариантом является равноудаленное положение собственной частоты колебаний частотно-понижающего цилиндра f_P1^ц между нижней границей полосы пропускания и собственной частотой радиальных колебаний пьезоэлемента

Соотношение размеров частотно-понижающего цилиндра D^ц < H^ц предопределяет, что основной низкочастотной модой колебаний чувствительного элемента будет продольная мода. При этом радиальная мода колебаний частотно-понижающего цилиндра будет смещена к верхней границе полосы пропускания либо за ее пределы, что позволяет достичь требуемой равномерности АЧХ.

Совокупность отличительных признаков позволяет реализовать требуемый спектр чувствительного элемента в области частот (f₁ - f₂), по форме близкий к трапеции, с высоким коэффициентом электроакустического преобразования и приемлемой неравномерностью АЧХ. Его средняя частота (собственная частота) определяется временем пробега продольной акустической волны по чувствительному элементу. На более высоких частотах наблюдаются гармоники (собственные частоты колебаний более высокого порядка). Из-за узких полос пропускания и существенно меньшей чувствительности гармоники не используются для регистрации и анализа акустических сигналов, распространяющихся в контролируемом объекте.

Выбор второй собственной частоты продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра из условия f_R^пэ < f_P2^ц < f_P^пэ позволяет уменьшить неравномерность АЧХ. При несоблюдении данного условия возможно частичное подавление той или иной моды колебаний пьезоэлемента и, соответственно, ухудшение коэффициента электроакустического преобразования и равномерности АЧХ. Предпочтительным вариантом является равноудаленное положение второй собственной частоты продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра f_P2^ц между собственными частотами радиальных и продольных колебаний пьезоэлемента:

При задании собственной частоты радиальных колебаний частотно-понижающего цилиндра f_R^ц в окрестности собственной частоты радиальных колебаний пьезоэлемента (0,9-1,1)·f_R^пэ частично подавляется радиальная мода пьезоэлемента, в результате чего возможно выравнивание амплитудно-частотной характеристики вблизи верхней границы полосы пропускания, что является важным при использовании пьезокерамического материала с высокой механической добротностью.

Выбор материала частотно-понижающего цилиндра с механической добротностью выше добротности пьезокерамического материала позволяет реализовать более выраженные резонансы колебаний частотно-понижающего цилиндра и, соответственно, чувствительного элемента и, тем самым, повысить коэффициент электроакустического преобразования чувствительного элемента.

Выролнение в теле частотно-понижающего цилиндра выемки или плоского косого среза, не пересекающих основание, способствуют уменьшению динамического подъема АЧХ на соответствующей резонансной частоте и расширению полосы пропускания за счет разноразмерности (разной высоты) чувствительного элемента. Выемка может быть образована сечением тела частотно-понижающего цилиндра любой криволинейной поверхностью, обеспечивающей заданную коррекцию АЧХ, например, в виде цилиндрического паза, пересекающего образующую и верхнюю поверхности цилиндра.

На фиг. 1 изображен вариант выполнения чувствительного элемента для ультразвуковых пьезоэлектрических приемных преобразователей. На фиг. 2 приведены типовые АЧХ чувствительного элемента и пьезоэлемента при приеме нормально падающих на основание продольных волн.

Чувствительный элемент состоит из цилиндрического пьезоэлемента 1 и установленного на нем частотно-понижающего цилиндра 2 с криволинейной выемкой, не пересекающей основание.

На фиг. 2 приведены: 1 - амплитудно-частотная характеристика чувствительного элемента, состоящего из пьезоэлемента в виде диска ⊘ 12,5×5 мм из пьезокерамического материала ЦТС-19 и частотно-понижающего цилиндра ⊘ 12,5×15 мм из стали 30ХГСА; 2 - амплитудно-частотная характеристика пьезоэлемента.

В приведенном примере полоса пропускания чувствительного элемента составляет 150 кГц (f₁=30 кГц, f₂=180 кГц), коэффициент электроакустического преобразования на частоте 100 кГц равен ≈60 дБ отн. 1 В/м/с, а неравномерность амплитудно-частотной характеристики не превышает ±6 дБ относительно значения коэффициента преобразования на частоте 100 кГц. Собственная частота радиальных колебаний пьезоэлемента составляет f_R^пэ≈185 кГц, а собственная частота его продольных колебаний - f_P^пэ≈450 кГц. Коэффициент преобразования пьезоэлемента на частоте 100 кГц равен ≈53 дБ отн. 1 В/м/с, а неравномерность АЧХ превышает ±10 дБ. Электрическая емкость пьезоэлемента равна ≈400 пФ и допускает без существенной потери разрешающей способности применение кабельной линии длиной несколько метров. Первая собственная частота продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра равна f_P1^ц≈80 кГц, а вторая частота - f_P2^ц≈240 кГц. Амплитудно-частотные характеристики чувствительного элемента и пьезоэлемента определялись экспериментально на метрологическом оборудовании для калибровки ультразвуковых приемных преобразователей в условиях воздействия нормально падающих продольных волн, частоты f_P1^ц и f_P2^ц определялись теоретически по известной формуле для стержня, закрепленного одним концом:

где n = 1 при расчете первой собственной частоты частотно-понижающего цилиндра f_P1^ц; n = 2 при расчете второй собственной частоты частотно-понижающего цилиндра f_P2^ц; E^ц - модуль упругости материала частотно-понижающего цилиндра; ρ^ц- плотность материала частотно-понижающего цилиндра.

Выбор материала частотно-понижающего цилиндра - стали 30ХГСА с механической добротностью (≈4500) выше добротности пьезокерамического материала ЦТС-19 (≈50 - 85) позволяет повысить коэффициент электроакустического преобразования на 6-10 дБ.

Чувствительный элемент работает следующим образом.

При приеме акустической волны пьезоэлемент находится в объемном напряженно-деформированном состоянии и испытывает деформации в окружном, радиальном и осевом направлениях, приводящие к появлению электрического заряда на поверхностях пьезоэлемента. С электродов снимается электрический заряд, пропорциональный деформациям пьезоэлемента. Частотно-понижающий цилиндр позволяет сместить полосу пропускания в область нижних частот, что позволяет контролировать протяженные объекты и объекты с высоким затуханием звука. Смежные резонансы колебаний чувствительного элемента в продольном и радиальном направлениях частично перекрываются и синтезируются в амплитудно-частотную характеристику с заданной полосой пропускания (f₁ - f₂). Заданные соотношения размеров и частот пьезоэлемента и частотно-понижающего цилиндра определяют относительное положение собственных частот (резонансов колебаний в продольном и радиальном направлениях) и обеспечивают высокий коэффициент электроакустического преобразования и минимальную неравномерность АЧХ. Выбор материала частотно-понижающего цилиндра с механической добротностью выше добротности пьезокерамики позволяет повысить коэффициент электроакустического преобразования. Выбор собственной частоты радиальных колебаний частотно-понижающего цилиндра из условия f_R^ц = (0,9 -1,1)·f_R^пэ, а также выполнение выемки или плоского косого среза позволяет уменьшить неравномерность АЧХ.

Конструкция и технология изготовления такого чувствительного элемента проста и не требует специализированного оборудования. Для поляризации пьезоэлемента необходимо поляризующее напряжение 10-12 кВ, допускаемое традиционным технологическим оборудованием. Электрическая емкость пьезоэлементов, удовлетворяющих заданным соотношениям, составляет сотни-тысячи пФ и допускает применение длинных кабельных линий без существенного ухудшения разрешающей способности.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1128159, М.кл. G 01 N 29/04, опубл. в БИ N45, 1984 г.

2. Е.В. Несмашный, Б.В. Скиба, В.Н. Соседов. Широкополосный пьезоприемник для исследования сигналов акустической эмиссии//Дефектоскопия, N 5, 1975 г., стр. 111-112.

Формула изобретения

1. Чувствительный элемент для ультразвукового пьезоэлектрического приемного преобразователя, содержащий цилиндрический пьезоэлемент и установленный на нем частотно-понижающий цилиндр, отличающийся тем, что их размеры и резонансные частоты выбраны из условий:
D^пэ > H^пэ,
f_R^пэ = K₁ f₂,
f_p^пэ = K₂ f₂,
f₁ < f_p1^ц < f_R^пэ,
D^ц < H^ц,
где f₁ - нижняя граница полосы пропускания;
f₂ - верхняя граница полосы пропускания;
D^пэ - диаметр пьезоэлемента;
H^пэ - высота пьезоэлемента;
f_R^пэ - собственная частота радиальных колебаний пьезоэлемента;
0,7 ≅ K₁ < 1 - первый эмпирический коэффициент;
f_p^пэ - собственная частота продольных колебаний пьезоэлемента;
1,5 ≅ K₂ ≅ 2,5 - второй эмпирический коэффициент;
f_p1^ц - первая собственная частота продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра;
D^ц - диаметр частотно-понижающего цилиндра;
H^ц - высота частотно-понижающего цилиндра.

2. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что вторая собственная частота продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра f_p2^ц выбраны из условия
f_R^пэ < f_p2^ц < f_p^пэ.

3. Чувствительный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что собственная частота радиальных колебаний частотно-понижающего цилиндра f_R^ц выбраны из условия:
f_R^ц = (0,9 - 1,1) f_R^пэ.

4. Чувствительный элемент по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что механическая добротность материала частотно-понижающего цилиндра выше механической добротности материала пьезоэлемента.

5. Чувствительный элемент по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в теле частотно-понижающего цилиндра выполнены не пересекающие основание выемка или плоский срез, не параллельный основанию.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2