Пьезоэлектрический преобразователь для приема сигналов акустической эмиссии

(51) 4 госудю стаенный комитет сссРГ 1 О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ ТЕЛ емой/25 ривизной, опр с переменносоотношениеК(1 О 1=4 Е Ю.А.переапериме75,е ьК(ы) -ерист а еск очувстви(54)(57) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ПРИЕМА СИЧЕСКОИ ЭМИССИИ, содерж.мент с электродами наних поверхностях и демч а ю щ и й с я тем,повышения равномерностй характеристиповерхность пьая к демпферу КИИ ПРЕОБР ОВ АКУСТ пьезоэл ащий пьезоэле- Ротивоположфер, о т л ито, с цельюамплитудно- и преобразооснования частотно вателя,прилегающ(22) (46) (72) (53) (56) Расч ходи одич излуч В 5. 764313 3.07,8 7,12.8 .П. Ст 20.179 оролев ампли харак кого и ния. Бюл. В 45риков и В,И. Харитонов16(088.8)М.В., Карлинскийудно-частотной иеристик толстогоеэодатчика в режиДефектоскопия, 19 801196761 А круговая частотачастотная характпреобразователя;амплитуда акустилебаний;коэффициент пьезтельности;скорость звука вменте;элемент площадипьезоэлемента;площадь основанимодуль Юнга;функция, определвизну поверхностющей к демпферу.1196761 1Изобретение относится к области неразрушающего контроля, качества изделий и может быть использовано для контроля методом акустической эмиссии, 5Цель изобретения - повышение равномерности амплитудно-частотной характеристик).На фиг. 1 изображен пьезодатчику которого профиль пьезоэлемента за О дан в виде функции Ъ(9) (произвольная форма основания) с параметрами кривизны ь"-б,1; на фиг. 2 - пьезопреобразователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции 15 (г) (в форме тела вращения) с параметром кривизны кс;6 ; на фиг. 3 - график амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 1 20 и 2; на фиг. 4 - пьезопреобраэователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции Э(5) (произвольная форма основания) с параметром кривизны Ь=-1 ; на фиг. 5 - то же, профиль пьеэоэлемента задан в виде функции Ь (в форме тела вращения) с параметром кривизны и:-; на фиг. 6 - график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на Фиг4 ЗО и 5; на фиг. 7 - пьезопреобразователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции .1(51, .(произвольная форма основания) с параметром кривизны п Ь ; на Фиг, 8 - то З 5 же, профиль пьезоэлемента задан в ви" де функции 1(в форме тела вращения) с параметром кривизны .ос 6 на фиг, 9 - график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 7 4 О и 8; на фиг. 10 - график зависимости критерия равномерности АЧХ д" от параметра кривизны профиля пьезоэлемента 11 и отмечены точки, соответствукнцие примерам конкретного исполне ния (т. 5 соответствует параметру . кривизны и:-0,1 и минимальному значению критерия равномерности Ф т, 6 - пьезопреобразователю, изображенному на Фиг. 4 и 5, с параметром кривизны ,ь - ; т. 7 - пьезопреобразователю, изображенному на фиг, 7 и 8, с параметром кривизны ь:6 т. 8 - наиболее технопогичному в изготовлении пьезопреобразователю, изображенному на фиг. 11 и 12, с параметром кривизны , й:-1 ); на фиг 11 - пьезопреобразователь, у которого профиль пьезоэлемента заданв виде функции 11 Р ) (произвольнаяформа основания) с параметром кривизны и=-1; на фиг. 12 - то же, профиль пьезоэлемента задан в видефункции 8(г) (в форме тела вращения) с параметром кривизны пф -1на фиг. 13 - график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг, 11и 12; на фиг. 14 - пьезопреобразователь, у которого пьезрэлемент состоит из двух ступеней Ь=2,5 мм и Н=5 мм,а профиль задан в виде функции(произвольная Форма основания); наФиг. 15 - то же, профиль. задан вФорме вращения в виде функций 1;(Ъ;);на фиг. 16 - график АЧХ пьезопреобразователей, изображенных на фиг. 14 и15 (для двухСтупенчатого пьезопреобразователя в интервале частот сигнала акустической эмиссии эта частотнаяхарактеристика является оптимальной);на фиг. 17 - пьезопреобраэователь, укоторого пьезоэлемент состоит из двухступеней с малым перепадом высот 11=11 мм и Н=12 мм,а профиль задан в вйде функции 1;(9;)(с произвольнойформой основайия); на фиг. 18 - тоже, профиль задан в виде ФункцииФ; (г;1 (в форме тела вращения); на фиг, 19 - график АЧХ пьезопреобраэо-, вателей, изображеннык на фиг. 17 и 18; на Фиг. 20 - пьеэопреобраэователь, у которого пьезоэлемент состоит из двух ступеней с большим перепадом высот Ь 1 мм и Н,= 20 мм апрофиль задан в виде функции Ь; И 1) (с произвольной формой основания); на фиг.21 - то же, профиль задан в виде функции Ъ;г 11(в форме тела вращения); на фиг. 22 - график АЧХ пьезопреобразователей, изображеннык на фиг. 20 и 21.Пьезоэлектрический преобразователь сигналов акустической эмиссии содержит пьезоэлемент 1 с двумя активными поверхностями, электрод 2 на поверхности основания, принимающий ультразвуковые колебания, и электрод 3 на тыльной поверхности, к которой прикреплен демпфер 4.Пьезопреобразователь работаетследящим образом.Акустические колебания от объектаконтроля распространяются через основание пьезоэлемента 1, затем черезтыльную поверхность и электрод 3проходят без отражения в демпфер 4,1196761 Н= г2 Е5где г, - нижняя, а макс - веРхняя границы рабочего диапазона частот.В .примерах 1-4 минимальная высотаЬ 1 мм, максимальная высота Н=20 мм,что соответствует диапазону сигналаакустической эмиссии 0,1-1,5 мГц.П р и м е р 1, Ь=1 мм, Н20 мми -0,6.Профиль пьезоэлемента в виде функции %(3) запишется в виде 20Пьеэопреобразователь с таким профилем пьезоэлемента изображен на фиг.1.Профиль пьезоэлемента в Форме тела вращения как функция 1(г") запишется в видео,ьЬЖд 1+ 5,05- - мм.гфПьеэопреобразователь с таким профилем пьезоэлемента изображен на фиг.2. ЗОО После подстановки этих выраженийв формулу К(сц) получают графикАЧХ, изображенный нв Фиг. 3.Пьезопреобразоввтель с пьезоэлементами таких профилей с.параметром З кривизнып - О,б имеет наиболее равномерную характеристику (см. т. 5 наФиг. 10).П р и м е р 2. Ь=1 мм, Н20 мм,и -6. (сравнительный).Профиль пьезоэлемента квк функциягде затухают. Знак и величина электрического заряда на электроде 2 в каждый момент времени определяются знаком и величиной относительного суммарного смещения поверхности основания пьезоэлемента.На тыльной стороне Пьезоэлемента положительные и отрицательные полу- волны акустических колебаний на разных участках профилированной поверхности создают смещения разного знака. На различных участках электрода 3 образуются электрические заряды противоположного знака, а их суммарный заряд равен или близок к нулю во всем рабочем диапазоне частот ультразвуковых колебаний. Это достигается выбором профиля пьезоэлемента.В качестве примеров конкретного Исполнения были изготовлены пьезопреобразователи с различными формами профилей пьезоэлемента. Рассмотрим пьезоэлемент, у которого основа" ние плоское, а профиль тыльной поверхности задан в виде функции Ц):1ь емент в форме телаиль тыльной поверхносан в виде Функции имальная толщина пьезо При этом АЧХ для обои ментов одинакова. Изменя п в широких пределах о можно получить пьезоэлем ного профиля от плоского щиной Ь до плоского то щиной Н , Минимальную т пьезоэлемента выбирают и а максимальную тоящину Н выбираютиэ условия Ь(51 1- - (+20)= 1+6,05 - мм Пьеэопреобразовател филем изображен нв фиг ПроФиль пьезоэлемен тела вращения как функ пишется в видеПьезопреобразователь с таким профилем пьезоэлемента изображен на .фиг. 5.На фиг. 6 приведена АЧХ укаэанных пьезопреобразователей; Эти пьезопреобразователи .с параметром кривизны профилей Ь =.6; имеют неравномерную АЧХ (см. т, 6 на Фиг. 10).Пример З,Ь=1 мм,Н=20 мм, 1 О и = б./Функция (5 ) профиля пьезоэлеменга запишется в виде Пьезопреобр илем пьезоэле иг, 7. Функция Ь (г в форме тел видеофиля пащения оэлеме ищется а 6(г)= 2 Пьезопреобразователь филем изображен на фиг,ванных пьезопреобразова ражена на фиг. 9. Эти п ватели с параметром кри лей пб имеют неравном(см, т. 7 на фиг. 10). Пример 4. Ь1 п-1. функция профиля пьез пишется в видеН 40 аким проен на где 04 г ь "0 . При гв ТогдаН-Ъ):1+ Пьезоп филем пье фиг, 11 иДля нь вращения, нуса (фиг мость 5(3) - мм,ователь с таким пронта изображен на с таким про, АЧХ укателей изобьезопреобраз виэны,профиерную АЧХ мм, Н = 20 мм оэлемента за еобразователь с т оэлемента изображ имеет вид.клина,эоэлемента в форме, тела имеющего вид двойного ко), справедливаэависиЭ а 1Функция профилявид Ъ=г2 - -1 (Н) - с г 4 гог 1 7. Оо Высо На Фиг, 20 изображен пре тель, у которого профиль пь та задан в виде функции Ъ(9) . На фиг. 21 изображен тот же преобразователь, у которого профиль пьезоэлемента выполнен в форме тела вращения. На фиг, 22 изображен график АЧЯ указанных пьеэопреобразователей. Их АЧХ неравномерна в диапазоне частот сигнала акустической эмиссии.Предлагаемый пьезоэлектрический преобразователь позволяет улучшить равномерность АЧХ путем выбора оптимальной формы поверхности, прилегающей к демпферу. образоваезоэлеменТехнология изготовления пьезоэлементов указанных в этом примере,наиболее проста, а АЧХ,представленная на фиг. 13, незначйтельно отличается от оптимальной, что видно иэсравнения т. 8 и 5 (фиг. 10).В примерах 5 - 7 рассматриваютсядвухступенчатые датчики, у которыхактивные площади ступеней равны.б=5 аПр и ме р 5.Ь = 2,5 мм,Н.5 ммНа фиг. 14 изображен пьезопреобразователь, у которого профиль пьезоэлемента задан в виде функции (В)на фиг. 15 - пьезоэлемент в форме тела вращения; на фиг. 16 - графикАЧХ пьезопреобразователей (фиг, 14и 15). Пьезопреобразователи, изображенные на фиг. 14 и 15, имеют наиболее равномерную АЧХ в диапазоне частот сигнала акустической эмиссии.П р и м е р 6. Ь =11 мм Н=12 мм.Высоты ступеней различаются незначительно. На фиг. 1 изображен датчик, у которого профиль пьезоэлементазадан в виде функции Ъ(3) . Нафиг. 18 изображен тот же датчик, укоторого профиль пьезоэлемента выполнен в форме тела вращения. На фиг,19изображен график АЧХ указанных пьезопреобразователей. Их АЧХ неравномернав диапазоне частот сигнала акустической эмиссии.,П р и м е р 7. Ь=,1 мм Н = 20 мм.ты различаются значительн. 196761 Составитель В. Раевкин кина Техред С.Мигунова КорректШекмардактор А. Ши Заказ 7558/ 113035 филиал ППП "Патент", г. Уагород, ул. Проектна Тираа 896 ИИПИ Государственног по делам изобретений Москва, Ж, Рауаск Подписиомитета СССРоткрытийнаб., д. 4/5