Акустический преобразователь

ОЮЗ СОВЕТСКИОЦИАЛИСТИЧЕСКЕСПУБЛИК 1748 19 0 01 И 29/24 79 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(71) Харьковский институт радиоэлектроники им. акад. М.К.Янгеля(56) Авторское свидетельство СССРМ 228009, кл. 6 01 Й 29/04, 1986.Авторское свидетельство СССР(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано дляисследования и анализа материаловс помощью ультразвуковых колебаний. Цель изобретения - расширение области применения за счет возможности контроля в труднодоступных местах, Ультразвуковые лучи, выходящие из пьезоэлемента 3 параллельным пучком, проходят через призматическую линзу 4, преломляются на границе призматическая линза - иммерсионная жидкость 7; проходят через иммерсионную жидкость и фокусируются в линию по образующей вращающегося конуса 6, через линию акустического контакта вращающегося конуса и контролируемого твердого Тела 11 ультразвуковые лучи попадают в контроли- руемое твердое тело пеРпендикулярно его поверхности, 3 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования и анализа материалов с помощью ультразвуковых колебаний,Известен ультразвуковой преобразователь, содержащий полый токопроводящий корпус, заполненный маслом, установленный в нем пьезоэлемент и эвукопроводящий шарик, закрепленный с воэможностью вращения,Известен акустический приемный преобразователь, содеркащий полый цилиндрический корпус, заполненный электронепроводящей жидкостью, установленный в нем демпфер, акустический волновод, пьезоэлемент, закрепленный между последними; звукопроводящий шарик, завальцованный в торце корпуса с возможностью вращения.Недостаток данных устройств - ограниченная область применения, обусловленная невозможностью осуществлять работу преобразователями в наклонном положении.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является акустический преобразователь, содержащий полый цилиндрический корпус, заполненный жидкостью, демпфер, пьезоэлемент, закрепленный на демпфере, звукопроводящий шарик, закрепленный с воэможностью вращения, и акустическую линзу, закрепленную на пьезоэлементе и фокусирующую ультразвуковые лучи в обьеме звукопроводящего шарика.Недостаток известного акустического преобразователя заключается в ограниченной области применения, обусловленной невозможностью осуществлять работу преобразователем в наклонном положении, что не позволяет проводить ультразвуковой контроль в труднодоступных местах.Цель изобретения - расширение области применения за счет воэможности контроля в труднодоступных местах,Укаэанная цель достигается тем, что в акустическом преобразователе, содержащем полый цилиндрический корпус, заполненный эвукопроводящей жидкостью, в котором соосно закреплены демпфер, пьезоэлемент и акустическая линза, преобразователь снабжен полым конусом, закрепленным своим основанием на торце корпуса с возможностью вращения вокруг своей оси, акустическая линза выполнена призматической и направляет ультразвуковые лучи перпендикулярно образующей полого конуса, фокусируя их в линию по образующей полого конуса.Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый акустиче ский преобразователь отличается от известного тем, что вместо звукопроводящегошарика установлен вращающийся полый конус, а акустическая линза выполнена призматической. Угол наклона призматической линзы рассчитан таким, что ультразвуковые лучи выходят перпендикулярно образующей полого конуса, Профиль излучающей поверхности ультразвуковой линзы выполнен таким, что ультразвуковые лучи 5 10 фокусируются в линию по образующей полого конуса,На фиг.1 показан акустический преобразователь, разрез; на фиг.2 - вход элементарного луча пучка ультразвуковых 15 твердым телом 11. При исследовании твердого тела 11 акустический преобразователь перемещают по его поверхности, При этом вращающийся полый конус 6, закрепленный в корпусе 1 на подшипниках 5, катится по поверхности контролируемого твердого тела 11, находясь в постоянном акустическом контакте с ним, Электрические сигналы через коаксиальный разъем 9 и проводники 10 подаются на пьезоэлектрический элемент 3, который преобразует их в акустические колебания,50 создавая равномерное давление на рабочей поверхности пьезоэлемента 3. Ультразвуко вые лучи, выходя из пьезоэлемента 3 параллед ьным пучком, проходят через призматическую линзу 4, преломляются на границе призматическая линза 4 - иммерсионная жидкость 7, проходят через иммерсионную жидкость 7 и фокусируются в линию колебаний, выходящий из излучающей поверхности ультразвуковой призматической линзы и отклоняющийся перпендикулярно образующей полого конуса; на фиг,3 - ход 20 элементарного луча пучка ультразвуковыхколебаний, выходящий иэ излучающей поверхности ультразвуковой призматической линзы при фокусировке в линию по образующей вращающегося полого конуса, 25 Акустический преобразователь состоитиз полого цилиндрического корпуса 1, помещенного в него демпфера 2, на котором закреплен пьезоэлектрический элемент 3, На пьезоэлектрическом элементе 3 закреплена 30 призматическая линза 4. В торце корпуса 1на подшипниках 5 закреплен вращающийся полый конус 6. Корпус преобразователя 1 заполнен иммерсионной жидкостью 7. Для предотвращения вытекания жидкости 7 ус тановлено уплотнительное кольцо 8. Электрические сигналы снимаются и подаются на пьезоэлемент 3. через проводники 10 посредством коаксиального раэьема 9. Вращающийся полый конус 6 находится в 40 акустическом контакте с контролируемым(3) по образующей вращающегося полого конуса 6, проходят через вращающийся полый конус 6, Далее через линию акустического контакта вращающегося полого конуса 6 и контролируемого твердого тела 11 ультразвуковые лучи попадают в контролируемое твердое тело 11.Материал корпуса 1 и иммерсионная жидкость 7 подобраны таким образом, что акустическое сопротивление иммерсионной жидкости 7 меньше акустического сопротивления материала корпуса 1. При этом граница иммерсионная жидкость 7. - корпус 1 является акустически непрозрачной. Кроме того, необходимо, чтобы граница иммерсионная жидкость 7 - полый конус 6 была акустически прозрачна. Таким сбразом, критерием подбора иммерсионной жидкости 7 служит то, чтобы на границе иммерсионная жидкость 7 - полый конус 6 отражалось не более 10 акустической энергии, а на границе иммерсионная жидкость 7 - корпус 1 происходило отражение не менее 80;ь акустической энергии. Это достигается при выполнении двух неРа-, венств:Ож+ Ог 01Ож Ог где Ож - удельное акустическое сопротивле-. ние иммерсионной жидкости 7;Ог - удельное акустическое сопротивление материала вращающегосяполого конуса 6;Ок- удельное акустическое сопротивление материала корпуса 1,Угол наклона призматической линзы 4 рассчитан таким образом, что ультразвуковые лучи отклоняются перпендикулярно образующей.полого конуса 6,Для расчета угла наклона призматической линзы 4 воспользуемся ходом элементарного луча пучка ультразвуковых колебаний, выходящего из излучающей поверхности пьезоэлектрического элемента 3 (фиг.2). Зная угол наклона образующей полого конуса 6, скорости звука в материале призматической линзы 4 и иммерсионной жидкости 7 и воспользовавшись соотношением Синелиуса, получаем, что угол наклона призматической линзы 4 равен Ф- +ат/п ь/р 1+Квоаусоз а 10 15 20 25 30 35 40 45 где Р - угол между излучающей поверхностью призматической линзы 4 и геометрической осью преобразователя;а - угол между образующей полого конуса 6 и геометрической осью преобразователя;К - коэффициент преломления на границе призматическая линза 4 - иммерсионная жидкость 7.Применение призматической линзы, отклоняющей ультразвуковые лучи перпендикулярно образующей вращающегося полого конуса, позволяет расширить область применения акустического преобразователя за счет возможности работать наклонным преобразователем при автоматизированном или механизированном неразруша 1 ощем контроле,Профиль излучающей поверхности призматической линзы 4 рассчитан таким образом, что ультразвуковые лучи фокусируются в линию по образующей вращающегося. полого конуса 6. Для расчета профиля излучающей поверхности призматической линзы 4 (фи.З), используя соотношение Синелиуса на границе призматическая линза 4 - иммерсионная жидкость 7, составляем линейное дифференциальное уравнение, выражающее расстояние от точки на линзе 4 до образующей вращающегося полого конуса 6 в зависимости от угла, интегрируя которое, получаемф К - зп р(4) где К - коэффициент преломления на границе призматическая линза 4-иммерсионная жидкость 7;С - постоянная, определяющая местоположение призматической линзы 4 и определяемая из соотношения С = 1(К -1);- расстояние от образующей конусной головки 6 до центральной линии на поверхности призматической линзы 4.Решая уравнение(3), получаем профиль излучающей поверхности требуемой ультразвуковой линзы. Применение ультразвуковой линзы с профилем излучающей поверхности, позволяющим фокусировать ультразвуковые лучи в линию по образующей вращающегося полого конуса 6, позволяет уменьшить потери ультразвуковой энергии за счет уменьшения рассеивания ультразвуковых колебаний вращающимся полым конусом.Таким образом, указанные изменения в совокупности позволяют расширить область применения, а именно работать наклоненным преобразователем в8 1748053 Р =а+ агся 1 п оставитель С, Лойкоехред М,Моргентал Корректор едак н ура каз 2501Тираж Подписное ВНИИПО Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издатель"кий комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 труднодоступных местах, и уменьшить потери ультразвуковой энергии.Формула изобретенияАкустический преобразователь, содержащий полый цилиндрический корпус, за полненный звукопроводящей жидкостью, в котором соосно закреплены демпфер, пьезоэлемент и акустическая линза, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения за счет возможности 10 контроля в труднодоступных местах, он снабжен полым конусом, закрепленным основанием на торце корпуса с возможностью вращения вокруг своей оси, акустическая линза выполнена призматической, а угол Р между ее излучающей поверхностью и осью преобразователя выбран из соотноше- ния К 2 + (1 +,К эп а)2сов а где а - угол между осью преобразователя и образующей полого конуса;К- коэффициент преломления на границе призматическая линза - звукопроводящая жидкость.