Похилий ультразвуковий п’єзоелектричний перетворювач

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для ультразвуковой дефектоскопии. Известен наклонный ультразвуковой преобразователь [1], состоящий из пьезопластины, приклееной к призме и зафиксированной демпфирующим компаундом. Данный преобразователь отличается наличием ближней зоны акустического поля в зоне прозвучиваемого металла, в которой акустическое поле неравномерно распределено вдоль пьезопластины и в направлении излучения ультразвуковых волн. Известен преобразователь с равномерным акустическим полем в ближней зоне [2], в котором на поверхности пьезопластины нанесен фигурный электрод в форме розетки из нескольких лепестков. Недостатком известного преобразователя является снижение чувствительности из-за увеличения протяженности граничных "удерживающих" областей пьезопластины вокруг лепестков электродов по сравнению с пьезопластиной со сплошным электродом. "Удерживающие" области - те части среды, которые не участвуют в колебательном процессе и граничат с участками среды, участвующими в колебательном процессе. Снижение чувствительности не позволяет пользоваться во всем диапазоне системой "отсечки" ультразвуковых дефектоскопом... Это приводит к тому, что на рабочей зоне развертки дефектоскопа имеются "шумы", затрудняющие контроль, снижающие качество контроля. В основу изобретения поставлена задача создания наклонного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя, в котором повышение качества контроля обеспечивается получением акустического поля с равномерной ближней зоной и за счет этого увеличивается надежность выявляемое™ дефектов в ближней зоне акустического поля. Поставленная задача решается тем, что в наклонном ультразвуковом пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем круглую пьезопластину, демпфер и акустическую призму, на контактной поверхности которой закреплена пьезопластина, согласно изобретению на контактной поверхности призмы выполнен выступ, контактная поверхность которого представляет собой симметрическую многолепестковую фигур у, размер лепестка которой на расстоянии/э от центра равен где - функция распределения излучающей площади лепестков выступа, контактных с пьезопластиной, а высота h выбрана из условия где R1 и R2 - максимальные высоты неровностей соответственно контактной поверхности пьезопластины и поверхности призмы под пьезопластиной вне выступа; lmaxb l minn - соотве тственно наибольшая длина волны в воздухе и наименьшая в призме для частот полосы пропускания преобразователя. Акустическое поле формируется прохождением ультразвуковых волн через лепестки, фигуры, боковая поверхность которых не оказывает влияния на формирование акустического поля. За счет этого фактическая излучающая площадь пьезопластины имеет ту же функцию распределения, что и площадь фигурных выступов. Это приводит к образованию акустического поля с равномерной ближней зоной и соответственно с равномерной чувствительностью в ближней зоне. Однако в колебательном процессе участвуе т вся пьезопластина в отличие от прототипа, где работают только участки пьезопластины под электродами. За счет этого уменьшается протяженность границ колеблющихся участков пьезопластины с покоящимися "удерживающими" участками, а это приводит к возрастанию величины акустического поля и чувствительности по сравнению с прототипом. Повышение чувствительности контроля позволяет увеличить надежность выявляемое дефектов в ближней зоне акустического поля, что обеспечивает, в целом, повышение качества контроля. На фиг.1 схематически показан ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, разрез; на фйг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 изображен участок контакта выступов призмы с пьезопластиной (электрические контакты, провода и защитный технологический экран не показаны). Преобразователь содержит круглую пьезопластину 1, демпфер 2, призму 3, выступ 4. Прослойка воздуха 5 образована выступом 4 высотой h и льезопластиной 1. Выступ 6 на пьезопластине 1 и выступ 7 на призме 3 имеют максимальную величину. С противоположной стороны пьезопластины 1 находится демпфер 2. Как видно на фиг.3, высота выступов 4 на призме 3 считается от уровня линии перехода основания в выступ, так как необходимо учитывать высоту образовавшейся боковой поверхности выступов. Это соответственно требует учитывать неровности при минимальной высоте выступов. На поверхности пьезопластины 1 учитываются неровности, находящиеся за линией контакта выступов 4 с пьезопластиной 1. Эти неровности представляют собой остатки клеевых масс. Клеевой слой входит в состав высоты выступа 4. В качестве клея используют растворенный материал призмы. Форма выступа выбрана такой, что его площадь, контактная с пьезопластиной, изменяется от центра к краям по зависимости где а - радиус ньезопластины, при этом радиус пьезопластины равен радиусу окружности, в которую концентрично вписана симметричная лепестковая фигура выступа; ρ - переменная величина радиуса от 0 до а. Учитывая, что отношение площади лепестка выступа на некоторой окружности радиусом ρ к площади сектора на этой окружности, относящегося к данному лепестку, определяется заданной функцией, можно записать (фиг.2): где n - число лепестков выступа, выбирается из условия получения достаточной чувствительности, так как с увеличением числа лепестков снижается чувстви тельность из-за увеличения протяженности границ областей с акустическим полем на призме под выступом. Формула для расчета лепестков, определяющая размер АВ лепестка на расстоянии ρ от центра (см. фиг.2) получается следующей Расчет лепестка фигуры начинается с выбора количества лепестков фигуры - п. Практически достаточным является n =8. При построении лепестка выбирают интервал конкретных значений величины р. Для каждого значения величины ρ по формуле (1) производят вычисление значения величины АВ с подстановкой в формуле конкретных значений ρ, n и при этом а - постоянная величина, равная радиусу выбранной пьезопластины. После расчета ряда значений величины АВ производят построение лепестка выступа. Высоту выступа выбирают по формуле (2) Минимальная высота выступа выбрана из условия получения практического отсутствия прохождения ультразвуковых волн через слой воздуха толщиной, равной высоте выступа за пределами контактной площади выступа и достаточно простого технологического изготовления. Максимальная высота фигурного выступа должна быть не более длины ультразвуковой волны в призме самой высокой частоты полосы пропускания преобразователя, как имеющую самую меньшую величину длины волны. Это дает возможность достигнуть того, что высота выступа не превышает длины волн для всех частот полосы пропускания преобразователя в материале призмы в направлении излучения. Это позволяет практически исключить влияние боковой поверхности выступа на формирование акустического поля. Для исключения попадания в воздушный зазор под пьезопластиной заливочных жидких масс демпфера при изготовлении преобразователей устанавливается бумажный защитный экран вокруг боковой поверхности пьезопластины. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом. При подаче на пьезопластину 1 сигнала вся пьезопластина участвует в колебательном процессе. Ультразвуковые волны проходят только Через контактные площадки выступа 4. В те х местах, где под пьезопластиной 1 слой воздуха 5, прохождения ультразвуковых волн нет, так как соответствующим образом подобрана высота выступов 4, сформировавшая толщину слоя воздуха 5.