Решетка ультразвукового преобразователя

Использование: для дефектоскопии проката и труб. Сущность: заключается в том, что решетка ультразвукового преобразователя содержит основание, пьезоэлементы, заземленные и импульсные электроды для соединения с соответствующими генераторами зондирующих импульсов, при этом она выполнена, например, из множества пьезоэлементов, полностью изолированных друг от друга и имеющих одинаковые размеры, основание выполнено в виде односторонней или двухсторонней призмы из органического стекла, поверхности призмы выполнены в виде ступенек, каждый пьезоэлемент наклеен на ступеньку параллельно другой с частичным перекрытием, нерабочие части пьезоэлементов деполяризованы, при этом решетка ультразвукового преобразователя залита компаудом, а установочные и габаритные размеры пьезоэлементов удовлетворяют соотношениям: а=1,2b÷100b, где а - длина пьезоэлемента; b - толщина пьезоэлемента; d>(1÷10)·р, где d - расстояние между осями рабочих частей пьезоэлементов, р - длина рабочей части пьезоэлемента, причем d=0,2÷10 мм. Технический результат: упрощение конструкции решетки ультразвукового преобразователя. 1 ил.

 

Изобретение относится к ультразвуковым неразрушающим испытаниям материалов и изделий и может быть, в частности, использовано в прокатном и трубном производстве при дефектоскопии проката и труб.

Известна решетка ультразвуковых преобразователей, состоящая из многочисленных элементов, с управляемой диаграммой направленности, сосредоточенной в угле возвышения, в которой каждая плоскость отображения располагается под углом, отличным от всех остальных плоскостей отображения благодаря известному искривлению решетки и известных размеров элементов преобразователя. При этом элементы преобразователя расположены так, что они принимают цилиндрическую вогнутую форму вдоль угла возвышения для управляемой диаграммы направленности, а каждый из многочисленных азимутных электродов, прикреплен к соответствующим многочисленным элементам преобразователя, расположенных вдоль угла возвышения [1].

К недостатку известной решетки относится сложность конструкции и большие трудозатраты на ее изготовление.

Известен монолитный корпус решетки преобразователя и технология его изготовления, состоящий из стенки основания с двумя боковыми поверхностями, изготовленные из неметаллического материала, в котором имеется нижний слой для выравнивания акустического сопротивления, изготовленный из электропроводного материала, электрическое сопротивление которого меньше акустического сопротивления пьезокерамики. Преобразователь содержит блок преобразователя с множеством элементов, изготовленных из пьезоэлектрической керамики, защитный слой изготовлен из акустического виброизоляционного материала. Блок преобразователя помещен внутрь корпуса решетки так, чтобы он касался со стенкой преобразователя. Преобразователь изготовлен из металлообогащенного материала, акустическое сопротивление которого меньше акустического сопротивления алюминия [2].

К недостатку решетки следует отнести большое количество деталей преобразователя, высокая стоимость и сложность изготовления решетки.

Известна многослойная ультразвуковая решетка преобразователя, изготовленная путем распиливания полупроводниковой пластины, что обеспечивает акустическую изоляцию между рядами элементов преобразователя [3].

Решетка содержит корпус из пьезокерамического материала, по меньшей мере один скрытый заземленный электродный слой, один импульсный электродный слой, изоляционные бороздки неполной, но различной глубины, выполненные путем распиливания цельной полупроводниковой пьезокерамической пластины.

Недостатком известной решетки преобразователя является ее сложность и высокая себестоимость. Кроме того, путем распиливания невозможно обеспечить необходимую добротность и чувствительность преобразователя, так как отдельные его элементы будут всегда отличаться своими размерами и параметрами в виду сложной технологии выполнения бороздок.

Целью изобретения является упрощение конструкции решетки ультразвукового преобразователя и снижение затрат на ее изготовление.

Указанная цель достигается тем, что решетка ультразвукового преобразователя, содержащая основание, многочисленные пьезоэлементы, заземленные и импульсные электроды для соединения с соответствующими генераторами зондирующих импульсов, выполнена из множества, полностью друг от друга изолированных пьезокерамических пластин, изготовленных методом штамповки и имеющих одинаковые размеры, основание выполнено в виде односторонней или двухсторонней призмы из органического стекла, поверхности призмы выполнены в виде ступенек, каждая пьезокерамическая пластина наклеена на ступеньку параллельно другой с частичным перекрытием, нерабочие части пьезокерамических пластин деполяризованы, с противоположной стороны призмы решетка залита компаудом, а установочные и габаритные размеры пьезокерамических пластин удовлетворяют соотношениям:

a=1,2b÷100b, где а - длина пьезокерамической пластины; b - толщина пьезокерамической пластины;

d>(1÷10)p, где d - расстояние между осями рабочих частей пьезокерамических пластин, p - длина рабочей части пьезокерамической пластины, причем d=0,2÷10 мм.

На чертеже показан поперечный разрез решетки с двухсторонней призмой. Односторонняя призма является половиной двухсторонней призмы относительно вертикальной оси симметрии O-O.

Решетка ультразвукового преобразователя 1 состоит из односторонней или двухсторонней призмы 2, компаудной заливки 3, пьезокерамических пластин 4 длиной "а" и толщиной "b". Рабочие части пластин длиной "p" металлизированы с обеих сторон и имеют заземляющие 5 и импульсные 6 электроды для соединения с генераторами зондирующих импульсов. Выполнение условия "a=1,2b÷100b''" исключает дополнительный резонанс пьезокерамических пластин 4, приводящем к искажению формы возбуждаемых и принимаемых сигналов, то есть повышает чувствительность преобразователя.

Пьезокерамические пластины 4 располагаются в разных плоскостях с частичным перекрытием "с".

Для создания упругой волны используется только часть длины пьезокерамической пластины. Каждая последующая пьезокерамическая пластина 4 сдвинута относительно соседней на величину "p".

Для повышения рабочих характеристик, нерабочая часть (заштрихована) пьезокерамических пластин 4 деполяризована.

Пьезоэлектрический преобразователь 1 с указанной решеткой работает следующим образом.

Для того чтобы возбудить волну в направлении главной нормали "n", необходимо обеспечить задержку τ₁ в соответствии с линейным законом τ=(i-1)·τ₀, где τ₀ - определяется высотой "ступеньки" и скоростью распространения упругих волн в материале призмы 2. Максимальная должна быть обеспечена для самой нижней пьезокерамической пластины 4.

Таким образом, для самой верхней пьезокерамической пластины задержка

τ=(1-1)·τ₀=0.

Для пластины, находящейся под нею:

τ=(2-1)·τ₀=τ₀.

Для следующей пластины:

τ=(3-1)·τ₀=2τ₀.

И, наконец, для самой нижней пластины:

τ=(4-1)·τ₀=3τ₀, где

обозначим: τ_i=τ₁, τ₂, τ₃, τ₄ - как номинальный набор задержек, который обеспечивает возбуждение плоской волны в направлении главной нормали "n".

Изменение τ_i (набора задержек) позволяет целенаправленно изменять параметры формируемой диаграммы направленности относительно номинального значения - изменять угол главного лепестка α, синтезировать специальные свойства, например, осуществлять фокусировку в заданной линии пространства.

Источники информации

1. Патент США №5671746.

2. Патент США №5541468.

3. Патент США №5704105.

Решетка ультразвукового преобразователя, содержащая основание, пьезоэлементы, заземленные и импульсные электроды для соединения с соответствующими генераторами зондирующих импульсов, отличающаяся тем, что она выполнена, например, из множества пьезоэлементов, полностью изолированных друг от друга и имеющих одинаковые размеры, основание выполнено в виде односторонней или двухсторонней призмы из органического стекла, поверхности призмы выполнены в виде ступенек, каждый пьезоэлемент наклеен на ступеньку параллельно другой с частичным перекрытием, нерабочие части пьезоэлементов деполяризованы, при этом решетка ультразвукового преобразователя залита компаундом, а установочные и габаритные размеры пьезоэлементов удовлетворяют соотношениям: а=1,2b÷100b, где а - длина пьезоэлемента; b - толщина пьезоэлемента; d>(1÷10)·р, где d - расстояние между осями рабочих частей пьезоэлементов, р - длина рабочей части пьезоэлемента, причем d=0,2÷10 мм.