Ультразвуковой преобразователь

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к устройствам ультразвукового контроля материалов и изделий. Улучшение акустической развязки между излучающей и приемной секциями ультразвукового преобразователя при одновременном упрощении технологии его изготовления достигается за счет того, что ультразвуковой преобразователь содержит излучающую и приемную секции, состоящие из демпфера, пьезопластины и протектора и закрепленные в обойме, которая установлена в корпусе, и акустический изолятор, размещенный между обращенными друг к другу поверхностями излучающей и приемной секций. Обойма выполнена из двух акустически развязанных частей, в каждой из которых размещены все элементы излучающей и приемной секций соответственно. Ширина акустического изолятора равна ширине обращенных друг к другу поверхностей излучающей и приемной секций с учетом удвоенной толщины стенок обоймы. Акустический изолятор выполнен из эластического материала с толщиной, большей расстояния между обращенными друг к другу поверхностями излучающей и приемной секций. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Устройство относится к области неразрушающего контроля, а именно, к устройствам ультразвукового контроля материалов и изделий.

Известны аналогичные устройства - см., например, книгу "Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля" И.Н.Ермолов и др., - М.: Машиностроение, 1986 г., с.100, заявка Японии 50-36798, а.с. 1180789, а.с. 1249445, технические условия на преобразователи ультразвуковые НРИЗ-Т1 производства НПО "Волна" (г. Кишинев), ТУ 25-7761.008-86 и т.д.

Все эти устройства (кроме а.с. 1180789, где предлагается технология изготовления ультразвуковых преобразователей) содержат излучающую и приемную секции, закрепленные в обойме, которая тем или иным способом фиксируется в корпусе.

Основные недостатки - недостаточная акустическая развязка между излучающей и приемной секциями, а также сложность конструкции.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому является ультразвуковой преобразователь (УП) типа ПРИЗ-Т1 (например, П112-2,5-12/2-Б-002 ТУ 25-7761.008-86).

Это устройство содержит излучающую и приемную секции, закрепленные в обойме, которая установлена в корпус, и акустический изолятор, размещенный между излучающей и приемной секциями. Обойма фиксируется в корпусе с помощью накидной гайки.

Обойма в рассматриваемом устройстве предназначена для обеспечения жесткого соединения излучающей и приемной секций с размещенным между ними акустическим изолятором, исключающего их взаимное смещение при приложении контактного усилия. Такая конструкция предполагает достаточно сложную технологию сборки - изготовленные предварительно в специальных приспособлениях излучающая и приемная секции с размещенным между ними акустическим изолятором вклеиваются с помощью клея-герметика в обойму, причем только в средней ее части (в зоне размещения пьезоэлементов). После его полимеризации для дополнительной жесткости конструкции промежутки между демпфером и обоймой, а также между протектором и обоймой дополнительно заливаются эпоксидным компаундом.

Кроме низкой технологичности конструкции ей присущ основной недостаток - плохая акустическая развязка между излучающей и приемной секциями, ограничивающая чувствительность контроля. Это объясняется тем, что с понижением частоты затухание ультразвука в эластичном клее-герметике уменьшается, и акустические колебания проникают от излучающей секции к приемной через материал обоймы. Поэтому в низкочастотных датчиках высок уровень помех на основной частоте, а в датчиках с любыми рабочими частотами - на частоте радиальных колебаний пьезоэлементов. Обычно отношение сигнал-помеха в такой конструкции менее 40 дБ (при измерении минимальных и максимальных толщин гарантируется не менее 16 дБ), что совершенно недостаточно для обеспечения надежного контроля в сложных условиях. Еще одним существенным недостатком преобразователя обсуждаемой конструкции является высокая стоимость эксплуатации, поскольку при выходе из строя любой из секций пьезопреобразователя в негодность приходит вся обойма вместе со всем своим содержимым (как показывает практика - весь преобразователь целиком).

Задачей настоящего изобретения является улучшение акустической развязки между излучающей и приемной секциями ультразвукового преобразователя при одновременном упрощении технологии его изготовления и снижении стоимости эксплуатации.

С этой целью в ультразвуковом преобразователе, содержащем излучающую и приемную секции, закрепленные в обойме, которая установлена в корпус, и акустический изолятор, размещенный между излучающей и приемной секциями, обойма выполнена из двух частей, каждая из которых охватывает соответственно излучающую и приемную секции по наружной боковой поверхности.

При этом акустический изолятор выполнен из эластичного материала с толщиной, большей расстояния между внутренними поверхностями излучающей и приемной секций, а его ширина равна ширине обращенных друг к другу плоскостей излучающей и приемной секций с учетом удвоенной толщины стенок обоймы.

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого УП в разобранном состоянии и в собранном виде; на фиг. 2 - в разрезе.

УП содержит излучающую 1 и приемную 2 секции, каждая из которых содержит пьезопластину, звукопровод (протектор) и демпфер, корпус 3, обойму 4 и акустический изолятор 5. Электрическое подключение секций 1, 2 к кабелю может осуществляться с помощью разъемов внутри корпуса 3 или пайкой, для чего предусмотрены жесткие выводы, закрепленные в материале демпфера (не показаны).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Так как обойма выполнена в виде двух частей, не имеющих акустической связи, ультразвуковые колебания, создаваемые излучающей секцией 1, не попадают к приемной секции 2 через материал обоймы. Это позволяет в несколько раз снизить уровень прямого проникания ультразвука от излучающей секции 1 к приемной 2 (по измерениям не менее 14-18 дБ). Особенно сильно ослабляются радиальные колебания, которые ограничивают достижимую чувствительность в толщиномерах с обычными УП. Чтобы при попадании контактной жидкости между обеими частями обоймы 4 акустическая развязка не ухудшалась, зазор между ними также должен быть заполнен акустическим изолятором 5, а поэтому его ширина выбирается равной ширине обращенных друг к другу плоскостей излучающей 1 и приемной 2 секций с учетом удвоенной толщины стенок обоймы 4. Для предотвращения акустического замыкания обеих частей обоймы 4 через материал корпуса 3 при попадании в него контактной жидкости возможна либо герметизация обоймы на выходе из корпуса 3, либо выполнение широкой канавки на его внутренней поверхности в зоне размещения пьезопластин (фиг.2).

Обойма 4 в предлагаемом преобразователе выполняет две функции. Во-первых, она является элементом конструкции, обеспечивающим совместно с корпусом 3 одинаковую высоту излучающей и приемной секций 1, 2 со стороны контактной зоны. Это обеспечивается за счет специальной кольцевой поверхности внутри корпуса 3, в которую упирается при сборке пьезопреобразователя задняя поверхность обеих частей обоймы 4. В такой конструкции датчик можно многократно разбирать, не нарушая плоскости акустического контакта (см. фиг.2).

Во-вторых, каждая часть обоймы 4 является исключительно удобным приспособлением при сборке излучающей и приемной секций, за счет чего обеспечивается высокая технологичность изготовления пьезопреобразователей предлагаемой конструкции, поскольку все элементы излучающей и приемной секций просто последовательно вклеиваются или заливаются в соответствующие части обоймы, при этом обеспечивается не только простая и надежная сборка, но и возможность визуального контроля качества на каждом ее этапе. Более того, при необходимости состояние излучающей и приемной секций в УП предлагаемой конструкции может оцениваться и в процессе эксплуатации.

Выполнение акустического изолятора 5 из эластичного материала с толщиной, большей ширины зазора между излучающей 1 и приемной секцией 2, размещенными в корпусе 3, позволяет обойтись без каких-либо элементов крепления в корпусе 3 за счет трения между ним и обоймой 4. Это не только упрощает технологию производства, но и обеспечивает предлагаемому дополнительное положительное качество - возможность быстрой замены любой неисправной секции или обоих изношенных секций 1,2 при сохранении корпуса 3 и соединительного кабеля, что способствует снижению эксплуатационных затрат.

При использовании мягкого соединительного кабеля конструкция может не содержать никаких дополнительных элементов крепления обоймы 4 в корпусе 3. Если применяется жесткий кабель, то он фиксируется в узкой части корпуса 3.

Применение акустического изолятора 5, выполненного из эластичного материала с толщиной, большей ширины зазора между излучающей 1 и приемной 2 секциями датчика, обеспечивает еще одно важное преимущество перед прототипом при использовании неорганического стекла в качестве материала протектора. По мере износа такого протектора его края, граничащие с акустическим изолятором, скалываются, вследствие чего акустический изолятор прототипа, выполненный из неэластичного материала, выкрашивается из зазора, зазор между излучающей и приемной секциями заполняется контактной жидкостью и возникает акустическое замыкание между излучающей и приемной секциями датчика. В предлагаемом преобразователе эластичный акустический изолятор 5, во-первых, не выкрашивается, а во-вторых, расширяясь по мере износа протектора, заполняет его сколовшиеся участки. Вследствие этого ресурс работоспособности преобразователя увеличивается в несколько раз.

Если протектор выполнен из пластмассы, то предлагаемая конструкция также имеет преимущество по сравнению с прототипом. Это обусловлено тем, что в таком случае обойма 3 изготавливается из материала, несколько более твердого, чем материал протектора (например, алюминия). В такой конструкции предотвращается более сильный износ наружной поверхности протектора по сравнению с центром контактной зоны, что исключает снижение чувствительности УП в процессе эксплуатации за счет уменьшения площади зоны акустического контакта, свойственного для прототипа.

Кроме указанных преимуществ предлагаемый УП имеет существенно меньшие размеры по сравнению с прототипом (диаметр рабочей зоны на 1-1,5 мм, а диаметр корпуса на 4-5 мм больше диаметра используемых пьезопластин при общей высоте 25-30 мм).

Формула изобретения

1. Ультразвуковой преобразователь, содержащий излучающую и приемную секции, состоящие из демпфера, пьезопластины и протектора, и закрепленные в обойме, которая установлена в корпусе, и акустический изолятор, размещенный между обращенными друг к другу поверхностями излучающей и приемной секций, отличающийся тем, что обойма выполнена из двух акустически развязанных частей, в каждой из которых размещены все элементы излучающей и приемной секций соответственно.

2. Ультразвуковой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что для акустической развязки обеих частей обоймы ширина акустического изолятора равна ширине обращенных друг к другу поверхностей излучающей и приемной секций с учетом удвоенной толщины стенок обоймы.

3. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что акустический изолятор выполнен из эластического материала с толщиной, большей расстояния между обращенными друг к другу поверхностями излучающей и приемной секций.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2