[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2739967C1 - Ultrasonic transducer - Google Patents

Ultrasonic transducer Download PDF

Info

Publication number
RU2739967C1
RU2739967C1 RU2020124296A RU2020124296A RU2739967C1 RU 2739967 C1 RU2739967 C1 RU 2739967C1 RU 2020124296 A RU2020124296 A RU 2020124296A RU 2020124296 A RU2020124296 A RU 2020124296A RU 2739967 C1 RU2739967 C1 RU 2739967C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
prism
active
ultrasonic
elements
ultrasonic transducer
Prior art date
Application number
RU2020124296A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Владимирович Григорьев
Андрей Васильевич Кириков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" (ООО "Компания "Нординкрафт")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" (ООО "Компания "Нординкрафт") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" (ООО "Компания "Нординкрафт")
Priority to RU2020124296A priority Critical patent/RU2739967C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2739967C1 publication Critical patent/RU2739967C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: defectoscopy.
SUBSTANCE: invention can be used for nondestructive testing of various articles. Essence of the invention consists in the fact that thetransducer has a prism with an active surface, on which at least one piezoelectric element is fixed, wherein the active surface has a cylindrical shape, wherein its axis is located perpendicular to the plane of incidence of the ultrasonic wave, and each piezoelectric element fixed on it is made in the form of a flexible piezoelectric film, wherein the angular characteristics of the ultrasonic transducer are interconnected geometrically by a given system of equations.
EFFECT: possibility of extending the range of working angles, a beam pattern and a range of operating frequencies of the converter, as well as simplification of the used flaw detection, while maintaining the possibility of electronic control of the beam width and direction of its main maximum.
7 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям ультразвуковых преобразователей, предназначенных для неразрушающего контроля различных изделий, которые, в частности, могут использоваться для контроля сварных швов космических аппаратов и потенциально-опасных промышленных объектов.The invention relates to designs of ultrasonic transducers intended for non-destructive testing of various products, which, in particular, can be used to control welded seams of spacecraft and potentially hazardous industrial facilities.

Широко известны конструкции наклонных ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП). Типовой наклонный ПЭП (см., например, публикацию в книге: Неразрушающий контроль. Книга 2. Акустические методы контроля. Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высшая школа, 1991, с. 101-102) включает призму, изготовленную, как правило, из пластика, с наклеенным на неё пьезоэлементом, который, как правило, представляет собой относительно хрупкую плоскую пластинку, выполненную из пьезокерамики или пьезокварца, при этом соответствующий участок активной поверхности призмы, на который наклеивается пьезоэлемент, также выполнен плоским.The designs of oblique ultrasonic piezoelectric transducers (PEP) are widely known. A typical inclined probe (see, for example, the publication in the book: Non-Destructive Testing. Book 2. Acoustic Testing Methods. Edited by V.V. Sukhorukov. Moscow: Vysshaya Shkola, 1991, pp. 101-102) includes a prism made , as a rule, of plastic, with a piezoelectric element glued to it, which, as a rule, is a relatively fragile flat plate made of piezoceramics or piezoquartz, while the corresponding section of the active surface of the prism, on which the piezoelectric element is glued, is also made flat.

Известно, что направление излучения/приёма ПЭП определяется по закону Снеллиуса и зависит от угла призмы. Угловая ширина диаграммы направленности такого ПЭП в плоскости падения ультразвуковой волны зависит от ширины пьезоэлемента и может быть определена по формуле:It is known that the direction of emission / reception of a probe is determined by Snell's law and depends on the angle of the prism. The angular width of the radiation pattern of such a probe in the plane of incidence of the ultrasonic wave depends on the width of the piezoelectric element and can be determined by the formula:

Sin dα ≈ λ/b (1), где: Sin dα ≈ λ / b (1), where:

α - угол распространения ультразвуковой волны;α is the angle of propagation of the ultrasonic wave;

λ - длина волны в призме;λ is the wavelength in the prism;

b – ширина пьезоэлемента.b is the width of the piezoelectric element.

Таким образом, угол распространения ультразвуковой волны, возбуждаемой в изделии, и угловая ширина диаграммы направленности в нём могут быть рассчитаны исходя из соотношения скоростей упругих колебаний соответственно в материалах призмы и объекта контроля.Thus, the angle of propagation of the ultrasonic wave excited in the product and the angular width of the directional pattern in it can be calculated based on the ratio of the velocities of elastic vibrations, respectively, in the materials of the prism and the test object.

Из формулы (1) следует следующая закономерность: чем больше ширина пьезоэлемента b, тем уже диаграмма направленности ультразвукового преобразователя, и наоборот для получения широкой диаграммы направленности (что требуется для решения целого ряда важных практических задач ультразвукового контроля), необходимо уменьшать размер пьезоэлемента. Однако, при этом, чем меньше размер пьезоэлемента, тем меньше энергии вводится в объект контроля, и, соответственно, тем будет ниже чувствительность и помехозащищенность ультразвукового контроля. Это является существенным недостатком всех известных наклонных ПЭП. Другим недостатком таких ПЭП является то, что невозможно управлять параметрами их диаграмм направленности, что существенно сужает возможности их практического применения.The following pattern follows from formula (1): the larger the width of the piezoelectric element b, the narrower the directivity pattern of the ultrasonic transducer, and vice versa, to obtain a wide directivity pattern (which is required to solve a number of important practical problems of ultrasonic testing), it is necessary to reduce the size of the piezoelectric element. However, in this case, the smaller the size of the piezoelectric element, the less energy is introduced into the test object, and, accordingly, the lower the sensitivity and noise immunity of ultrasonic testing. This is a significant disadvantage of all known oblique probes. Another disadvantage of such transducers is that it is impossible to control the parameters of their radiation patterns, which significantly narrows the possibilities of their practical application.

Также известны конструкции ПЭП типа фазированной решетки (ФР) (см., например, публикацию в сети Интернет по ссылке: https://www.pergam.ru/press/blogs/uz-control.htm). ФР представляет собой совокупность нескольких активных элементов, конструктивно объединенных в один составной пьезоэлемент. Такая конструкция позволяет электронным образом изменять угол наклона луча и его фокусировку, за счёт чего повышается чувствительность ФР.Also known are the designs of the probe of the phased array (FR) type (see, for example, the publication on the Internet at the link: https://www.pergam.ru/press/blogs/uz-control.htm). FR is a set of several active elements, structurally combined into one composite piezoelectric element. This design allows electronically changing the angle of inclination of the beam and its focusing, thereby increasing the sensitivity of the phased array.

При этом такой пьезоэлемент ФР обычно также представляет собой плоскую пластинку, изготовленную из хрупкой композитной керамики, а соответствующий участок активной поверхности призмы, на который наклеивается такой пьезоэлемент, также выполнен плоским.In this case, such a FR piezoelectric element is usually also a flat plate made of a brittle composite ceramic, and the corresponding area of the active surface of the prism, on which such a piezoelectric element is glued, is also made flat.

ФР работает следующим образом: направление излучения/приёма ультразвуковых волн определяется задержками в работе генераторов и/или приёмников, подключенных к соответствующим активным элементам, при этом для изменения угловой ширины диаграммы направленности необходимо обеспечить определенный набор задержек.The phased array works as follows: the direction of emission / reception of ultrasonic waves is determined by delays in the operation of generators and / or receivers connected to the corresponding active elements, while a certain set of delays must be provided to change the angular width of the radiation pattern.

Максимальный диапазон углов, реализуемый ФР, может быть определён по формуле 2, которая аналогична формуле 1, но в данном случае b – это ширина одного активного элемента ФР в плоскости, параллельной плоскости падения ультразвуковых волн.The maximum range of angles realized by the PA can be determined by formula 2, which is similar to formula 1, but in this case b is the width of one active PA element in a plane parallel to the plane of incidence of ultrasonic waves.

Sin dα ≈ λ/b (2), где:Sin dα ≈ λ / b (2), where:

α - угол распространения ультразвуковой волны;α is the angle of propagation of the ultrasonic wave;

λ – длина волны в призме;λ is the wavelength in the prism;

b – ширина активного элемента ФР.b is the width of the active element of the FR.

При этом, для того, чтобы ФР обладала диапазоном углов в призме не менее 450, ширина её активного элемента должна быть менее 1,4λ. При этом, на частоте 10 МГц длина продольной волны, например, в рексолайте (самый распространенный высококачественный материал, используемый для изготовления призм) составляет 0,24 мм. Таким образом, максимально допустимая ширина активного элемента, которая требуется для достижения заданной угловой ширины диаграммы направленности dα = 450, должна удовлетворять условию: b ≤ 1,4 х 0,24 = 0,34 мм. Это значение близко к пределу технологических возможностей использования ФР, так как создание хорошей высокочастотной ФР с очень узкими активными элементами представляет собой весьма сложную техническую задачу. Поэтому, все ФР имеют принципиальное физическое ограничение по частоте. Эта физическая граница реализуемости ФР по рабочей частоте для большей части имеющихся на рынке преобразователей, лежит в районе 2 – 8 МГц, что может быть недостаточным, например, при производстве высокочувствительной аппаратуры для контроля сварных швов космических аппаратов. При этом, как следует из формулы (2), повышение рабочей частоты при фиксированном значении b приводит к существенному сужению диапазона углов, обеспечиваемых ФР, так, при b = 3λ, диапазон доступных углов dα составит всего лишь 19,50, что для широкого спектра практических задач является абсолютно недостаточным.At the same time, in order for the FR to have a range of angles in the prism of at least 45 0 , the width of its active element must be less than 1.4λ. At the same time, at a frequency of 10 MHz, the longitudinal wavelength, for example, in Rexolite (the most widespread high-quality material used for the manufacture of prisms) is 0.24 mm. Thus, the maximum permissible width of the active element, which is required to achieve a given angular width of the radiation pattern dα = 45 0 , must satisfy the condition: b ≤ 1.4 x 0.24 = 0.34 mm. This value is close to the limit of the technological possibilities of using the phased array, since the creation of a good high-frequency phased array with very narrow active elements is a very difficult technical problem. Therefore, all phased arrays have a fundamental physical frequency limitation. This physical boundary of the realizability of the FR in the operating frequency for most of the converters available on the market lies in the region of 2 - 8 MHz, which may be insufficient, for example, in the production of highly sensitive equipment for monitoring the welded seams of spacecraft. In this case, as follows from formula (2), an increase in the operating frequency at a fixed value of b leads to a significant narrowing of the range of angles provided by the FR, so, at b = 3λ, the range of available angles dα will be only 19.5 0 , which for a wide the spectrum of practical tasks is absolutely insufficient.

В итоге, для получения достаточного диапазона рабочих углов, ширина активных элементов ФР должна находится в диапазоне b ≈ (0,5÷1,5) λ, что в случая их использования в высокочастотных ФР является трудновыполнимой или вовсе невыполнимой технической проблемой.As a result, to obtain a sufficient range of working angles, the width of the active elements of the phased array should be in the range b ≈ (0.5 ÷ 1.5) λ, which, in the case of their use in high-frequency phased arrays, is a difficult or completely impossible technical problem.

Другим недостатком ФР является то обстоятельство, что положение точки выхода центрального луча ультразвуковой волны из призмы не является постоянным и существенно зависит от значения его установленного угла. Это приводит к необходимости учёта изменения положения точки выхода, а, следовательно, стрелы ультразвукового преобразователя при расшифровке результатов контроля и определении координат обнаруженного дефекта.Another disadvantage of the FR is the fact that the position of the exit point of the central beam of the ultrasonic wave from the prism is not constant and essentially depends on the value of its set angle. This leads to the need to take into account the change in the position of the exit point, and, consequently, the boom of the ultrasonic transducer when decoding the test results and determining the coordinates of the detected defect.

Еще одним недостатком ФР является сравнительная сложность и, соответственно, высокая стоимость подключаемой к ней электронной аппаратуры. Это обусловлено тем, что для обеспечения необходимой равномерности диаграммы направленности, чувствительности и избирательности по углу, ФР должна иметь достаточно большое количество N активных элементов. Обычно значение N находится в интервале N = 8 ÷ 128. Поскольку каждый активный элемент соединен, как правило, с собственным генератором и собственным приемником, то требуется большой объем дефектоскопической электроники. Кроме того, поскольку управление задержками является необходимым условием работоспособности ФР, как устройства с изменяемыми полевыми характеристиками, то необходимость организации программируемых задержек в работе генераторов и приемников многократно и качественным образом усложняет аппаратуру, и, соответственно, приводит к её значительному удорожанию.Another disadvantage of the FR is the comparative complexity and, accordingly, the high cost of the electronic equipment connected to it. This is due to the fact that to ensure the necessary uniformity of the directional pattern, sensitivity and selectivity in angle, the phased array must have a sufficiently large number of N active elements. Usually the value of N is in the range N = 8 ÷ 128. Since each active element is connected, as a rule, with its own generator and its own receiver, a large volume of flaw detection electronics is required. In addition, since the control of delays is a necessary condition for the operability of a phased array as a device with variable field characteristics, the need to organize programmable delays in the operation of generators and receivers repeatedly and qualitatively complicates the equipment, and, accordingly, leads to its significant increase in cost.

Технической проблемой, решаемой с помощью настоящего изобретения, являются существующие физические и технологические ограничения по применению ПЭП.The technical problem solved by the present invention is the existing physical and technological limitations on the use of a probe.

Техническим результатом, достигаемым с помощью настоящего изобретения, является расширение возможностей применения ПЭП, а именно:The technical result achieved with the help of the present invention is to expand the possibilities of using the probe, namely:

- расширение диапазона рабочих углов ПЭП, а также расширение диаграммы его направленности;- expanding the range of working angles of the probe, as well as expanding its directional diagram;

- расширение диапазона рабочих частот ПЭП (преимущественно, в сторону высоких частот);- expansion of the range of operating frequencies of the probe (mainly towards high frequencies);

- упрощение и удешевление дефектоскопической электроники при одновременном сохранении возможности электронного управления шириной диаграммы направленности и направлением ее главного максимума.- simplification and cheapening of flaw detection electronics while maintaining the possibility of electronically controlling the width of the radiation pattern and the direction of its main maximum.

Указанный технический результат достигается за счёт применения конструкции ультразвукового преобразователя, включающего в себя призму с активной поверхностью, которая имеет цилиндрическую форму (выпуклую или вогнутую), на которой закреплён (например, с помощью клея), как минимум один пьезоэлемент, выполненный в виде гибкой пьезоэлектрической плёнки, которая, при наклейке на активную поверхность, принимает её форму, при этом ось активной поверхности расположена перпендикулярно плоскости падения ультразвуковой волны, причём суммарная ширина В пьезоэлементов, их расположение на призме, материал призмы, радиус кривизны активной поверхности и требуемые угловые характеристики в геометрическом приближении связаны между собой системой уравнений (3) и (4):The specified technical result is achieved through the use of an ultrasonic transducer design, which includes a prism with an active surface, which has a cylindrical shape (convex or concave), on which (for example, with the help of glue), at least one piezoelectric element is fixed, made in the form of a flexible piezoelectric film, which, when glued to the active surface, takes its shape, while the axis of the active surface is located perpendicular to the plane of incidence of the ultrasonic wave, and the total width B of the piezoelectric elements, their location on the prism, the prism material, the radius of curvature of the active surface and the required angular characteristics in geometric approximation are related to each other by the system of equations (3) and (4):

dα = α2 - α1 = B/R (3) dα = α2 - α1 = B / R (3)

dβ = β2 - β1 = Arcsin (C2 x Sin α2/C1) – Arcsin (C2 x Sin α1/C1) (4),dβ = β2 - β1 = Arcsin (C2 x Sin α2 / C1) - Arcsin (C2 x Sin α1 / C1) (4),

где:Where:

dα, dβ – желаемые диапазоны углов возбуждения и/или приёма ультразвуковых волн в материалах призмы и объекта контроля соответственно;dα, dβ are the desired ranges of angles of excitation and / or reception of ultrasonic waves in the materials of the prism and the object of control, respectively;

α1, α2 – угловые границы диаграммы направленности в материале призмы; α1, α2 - angular boundaries of the radiation pattern in the prism material;

β1 и β2 – желаемые угловые границы диаграммы направленности в материале объекта контроля, β1 and β2 are the desired angular boundaries of the radiation pattern in the material of the test object,

С1 и С2 – скорости упругих волн соответственно в материале призмы и в материале объекта контроля;C1 and C2 - velocities of elastic waves, respectively, in the material of the prism and in the material of the test object;

В – суммарная ширина всех закреплённых на активной поверхности призмы пьезоэлементов;B is the total width of all piezoelectric elements fixed on the active surface of the prism;

R - радиус кривизны активной поверхности призмы.R is the radius of curvature of the active surface of the prism.

Для достижения указанного технического результат также возможен вариант выполнения пьезоэлемента в виде решётки, состоящей из нескольких активных элементов, при этом каждый активный элемент имеет как минимум один контакт для подключения к собственному генератору электрических импульсов и/или собственному приемнику, причём ось решётки активных элементов расположена параллельно плоскости падения ультразвуковой волны.To achieve the specified technical result, it is also possible to implement a piezoelectric element in the form of a lattice consisting of several active elements, with each active element having at least one contact for connecting to its own generator of electrical impulses and / or its own receiver, and the axis of the array of active elements is parallel the plane of incidence of the ultrasonic wave.

При этом ширина b каждого пьезоэлемента, либо ширина b каждого активного элемента, составляющего решетку (в случае выполнения пьезоэлемента в виде решётки), предпочтительно, для увеличения чувствительности преобразователя, которая, в первом приближении, пропорциональна площади пьезоэлемента/активного элемента, а также для технологического упрощения реализации высокочастотных преобразователей, должна удовлетворять условию:In this case, the width b of each piezoelectric element, or the width b of each active element constituting the lattice (in the case of the piezoelectric element in the form of a lattice), preferably, to increase the sensitivity of the transducer, which, in the first approximation, is proportional to the area of the piezoelectric element / active element, as well as for the technological simplifying the implementation of high-frequency converters, must satisfy the condition:

b ≥ (1,5 ÷ 3) λ (5), где:b ≥ (1.5 ÷ 3) λ (5), where:

b – ширина каждого пьезоэлемента (активного элемента решетки); b is the width of each piezoelectric element (active element of the array);

λ – длина ультразвуковой волны в материале призмы. λ is the ultrasonic wavelength in the prism material.

Также технический результат достигается тем, что электронное управление углом ввода ультразвуковой волны в материал объекта контроля в режиме излучения и/или приёма осуществляют путем синфазного подключения, одного или группы из двух и более активных элементов, причем, геометрическое расположение центра подключаемого элемента или группы элементов на призме определяет направление главного лепестка диаграммы направленности преобразователя.Also, the technical result is achieved by the fact that the electronic control of the angle of input of the ultrasonic wave into the material of the controlled object in the radiation and / or reception mode is carried out by means of in-phase connection, one or a group of two or more active elements, moreover, the geometric location of the center of the connected element or group of the prism determines the direction of the main lobe of the transducer radiation pattern.

Также технический результат достигается тем, что электронное управление шириной диаграммы направленности осуществляют путём увеличения или уменьшения числа соседних, одновременно работающих активных элементов, причем увеличение числа подключаемых элементов приводит, как правило, к расширению диаграммы направленности преобразователя.Also, the technical result is achieved by the fact that the electronic control of the directional pattern width is carried out by increasing or decreasing the number of adjacent, simultaneously operating active elements, and an increase in the number of connected elements leads, as a rule, to the expansion of the directional pattern of the converter.

Также технический результат достигается тем, что при подключении двух и более активных элементов преобразователя осуществляют коррекцию параметров его диаграммы направленности путем управления задержками сигналов, подаваемых на эти активные элементы в режиме излучения, и/или сигналов, снимаемых с этих активных элементов в режиме приёма.Also, the technical result is achieved by the fact that when two or more active elements of the converter are connected, the parameters of its directional pattern are corrected by controlling the delays of signals supplied to these active elements in the radiation mode and / or signals taken from these active elements in the receiving mode.

Заявляемая конструкция поясняется изображениями.The claimed design is illustrated by images.

На Фиг. 1 показана конструкция ультразвукового преобразователя с вогнутой активной поверхностью.FIG. 1 shows the design of an ultrasonic transducer with a concave active surface.

Ультразвуковой преобразователь включает призму 1 с наклеенным на её активную поверхность пьезоэлементом 2 шириной b, выполненным в виде гибкой пьезоэлектрической пленки, для которого выполняется условие в соответствии с формулой (5): b ≥ (1,5 ÷ 3)λ. The ultrasonic transducer includes a prism 1 with a piezoelectric element 2 of width b glued to its active surface, made in the form of a flexible piezoelectric film, for which the condition is fulfilled in accordance with formula (5): b ≥ (1.5 ÷ 3) λ.

Призма 1 размещена на объекте контроля 3, при этом ось цилиндрической активной поверхности расположена вне призмы, а её радиус кривизны равен R. Prism 1 is placed on the test object 3, while the axis of the cylindrical active surface is located outside the prism, and its radius of curvature is R.

Пьезоэлемент 2 с угловыми границами α1 и α1 относительно нормали 4 к поверхности объекта контроля 3, определяет геометрическое раскрытие dα диаграммы направленности в конкретной призме с радиусом R её активной поверхности:Piezoelectric element 2 with angular boundaries α1 and α1 relative to the normal 4 to the surface of the test object 3, determines the geometric opening dα of the radiation pattern in a particular prism with a radius R of its active surface:

dα = α2 - α1 = b/R (6).dα = α2 - α1 = b / R (6).

Таким образом, при проектировании конкретного ультразвукового преобразователя следует, исходя из необходимого рабочего диапазона углов dα, и принимая во внимание формулу (5), задаться размером b активного элемента 2, а затем рассчитать радиус R призмы 1 по формуле:Thus, when designing a specific ultrasonic transducer, based on the required operating range of angles dα, and taking into account formula (5), set the size b of the active element 2, and then calculate the radius R of the prism 1 by the formula:

R = b/dα (7).R = b / dα (7).

Как видно из Фиг. 1, главному максимуму диаграммы направленности в призме 1 геометрически будет соответствовать угол:As seen in FIG. 1, the main maximum of the radiation pattern in prism 1 will geometrically correspond to the angle:

α0 = α1 + (α2 - α1)/2 (8).α0 = α1 + (α2 - α1) / 2 (8).

Угол α0 должен быть так же учтен при проектировании преобразователя, поскольку он определяет позицию (место закрепления) пьезоэлемента 2 на активную поверхность призмы 1.The angle α0 should also be taken into account when designing the transducer, since it determines the position (place of attachment) of the piezoelectric element 2 on the active surface of the prism 1.

Знание параметров α0, dα, α2, α1, R, b, а также скорости продольной волны С1 в материале призмы 2 конкретного преобразователя позволяет определить основные параметры поля в конкретном объекте контроля 3:Knowledge of the parameters α0, dα, α2, α1, R, b, as well as the velocity of the longitudinal wave C1 in the material of the prism 2 of a particular transducer, makes it possible to determine the main parameters of the field in a specific object of control 3:

dβ = β2 - β1 = Arcsin (C2 x Sin α2/C1) – Arcsin (C2 x Sin α1/C1) (9).dβ = β2 - β1 = Arcsin (C2 x Sin α2 / C1) - Arcsin (C2 x Sin α1 / C1) (9).

Как видно из Фиг.1, главному максимуму диаграммы направленности в объекте контроля 3 геометрически будет соответствовать угол:As can be seen from Fig. 1, the main maximum of the radiation pattern in the test object 3 will geometrically correspond to the angle:

β0 = β1 + (β2 - β1)/2 (10).β0 = β1 + (β2 - β1) / 2 (10).

Если преобразователь проектируется для контроля конкретного материала со скоростью С2 волны интересующего типа, то это проектирование осуществляют в обратном порядке: сначала задают углы β0, β1, β2, выбирают материал призмы 1 со скоростью С1 продольной волны в нем, задают размер b пьезоэлемента 2, и, с помощью вышеприведенных формул, рассчитывают параметры α0, dα, α2, α1, и R.If the transducer is designed to control a specific material with a wave velocity C2 of the type of interest, then this design is carried out in the reverse order: first, the angles β0, β1, β2 are set, the material of the prism 1 is selected with the velocity C1 of the longitudinal wave in it, the size b of the piezoelectric element 2 is set, and , using the above formulas, calculate the parameters α0, dα, α2, α1, and R.

На Фиг. 2 показана конструкция ультразвукового преобразователя с выпуклой активной поверхностью, на которой применены те же обозначения, как и на Фиг. 1.FIG. 2 shows the construction of an ultrasonic transducer with a convex active surface, on which the same designations are applied as in FIG. one.

Ось кривизны активной поверхности расположена вблизи границы с объектом контроля 3, но всё же внутри призмы. Это необходимо для того, чтобы уже в приповерхностной зоне объекта контроля 3 получить расходящийся ультразвуковой пучок. Это не исключает, впрочем, возможности переноса оси кривизны активной поверхности в объект контроля, если этого потребует специфика задачи.The axis of curvature of the active surface is located near the boundary with the object of control 3, but still inside the prism. This is necessary in order to obtain a diverging ultrasonic beam already in the near-surface zone of the test object 3. This does not exclude, however, the possibility of transferring the axis of curvature of the active surface to the test object, if the specifics of the task require it.

Кроме направления кривизны активной поверхности призмы 1, преобразователь на Фиг. 2 имеет еще одну важную особенность: его пьезоэлемент 2 электрически и акустически разделен на два активных элемента 2.1 и 2.2, причем размер b2.1 и b2.2 каждого из них удовлетворяет условию формулы (5), а именно:In addition to the direction of curvature of the active surface of the prism 1, the transducer in FIG. 2 has another important feature: its piezoelectric element 2 is electrically and acoustically divided into two active elements 2.1 and 2.2, and the size b2.1 and b2.2 of each of them satisfies the condition of formula (5), namely:

b2.1 ≥ (1,5 ÷ 3) λ b2.1 ≥ (1.5 ÷ 3) λ

b2.2 ≥ (1,5 ÷ 3) λ b2.2 ≥ (1.5 ÷ 3) λ

Для гибкой пьезоэлектрической плёнки с очень низкой механической добротностью такое разделение достигается путем деления одного или обеих электродов на две равные гальванически независимые части.For a flexible piezoelectric film with a very low mechanical quality factor, this separation is achieved by dividing one or both electrodes into two equal, galvanically independent parts.

Если организовать синфазную, одновременную работу обеих частей 2.1 и 2.2 пьезоэлемента 2, то, как и в случае на Фиг. 1, преобразователь будет обеспечивать диаграмму направленности, с геометрическими границами α1 и α2 в призме 1, и β1 и β2 в объекте контроля 3. При этом каждый активный элемент 2.1 и 2.2 в отдельности обеспечивает геометрическое деление диапазона dα = α2 - α1 на две части: dα(2.1) и dα(2.1), причем, dα = dα(2.1)+dα(2.2).If we organize in-phase, simultaneous operation of both parts 2.1 and 2.2 of the piezoelectric element 2, then, as in the case in Fig. 1, the transducer will provide a directional pattern, with geometric boundaries α1 and α2 in prism 1, and β1 and β2 in the control object 3. In this case, each active element 2.1 and 2.2 separately provides a geometric division of the range dα = α2 - α1 into two parts: dα (2.1) and dα (2.1); moreover, dα = dα (2.1) + dα (2.2).

При этом, геометрические максимумы диаграммы направленности в призме 1 для каждого активного элемента 2.1 и 2.2, как видно из Фиг.2, будут находиться на углах:In this case, the geometric maxima of the radiation pattern in the prism 1 for each active element 2.1 and 2.2, as can be seen from Fig. 2, will be at the corners:

α(2.1)0 = α1 + (α2 - α1)/4 α (2.1) 0 = α1 + (α2 - α1) / 4

α(2.2)0 = α1 + 3(α2 - α1)/4 α (2.2) 0 = α1 + 3 (α2 - α1) / 4

Таким образом, такой ультразвуковой преобразователь, при соответствующем подключении активных элементов 2.1 и 2.2, позволяет реализовать три направления главного максимума диаграммы направленности:Thus, such an ultrasonic transducer, with the appropriate connection of active elements 2.1 and 2.2, makes it possible to realize three directions of the main maximum of the radiation pattern:

α(2.1)0 = α1 + (α2 - α1)/4α (2.1) 0 = α1 + (α2 - α1) / 4

α(2.2)0 = α1 + 3(α2 - α1)/4α (2.2) 0 = α1 + 3 (α2 - α1) / 4

α0 = α(2.1)0 + α(2.2)0 = α1 + (α2 - α1)/2 α0 = α (2.1) 0 + α (2.2) 0 = α1 + (α2 - α1) / 2

Соответственно, в объекте контроля 3 преобразователь также позволяет реализовать три направления главного максимума диаграммы направленности:Accordingly, in the object of control 3, the converter also makes it possible to realize three directions of the main maximum of the radiation pattern:

β (2.1)0 = β1 + (β2 - β1)/4β (2.1) 0 = β1 + (β2 - β1) / 4

β (2.2)0 = β1 + 3(β2 - β1)/4β (2.2) 0 = β1 + 3 (β2 - β1) / 4

β0 = β (2.1)0 + β (2.2)0 = β1 + (β2 - β1)/2 β0 = β (2.1) 0 + β (2.2) 0 = β1 + (β2 - β1) / 2

Соответствующие углы всегда отсчитываются от нормали 4.Corresponding angles are always measured from normal 4.

Еще одна возможность коррекции параметров диаграммы направленности преобразователя, в частности, параметра β0, заключается в управлении задержками сигналов от активных элементов 2.1 и 2.2 в режиме излучения и/или приема так, как это делается для фазированных решеток. Единственная особенность такого управления заключается в том, что с учетом формулы 3, эффективность коррекции параметра β0 будет падать по мере увеличения размеров b2.1 и b2.2: чем больше волновые размеры элементов, тем меньше величина изменения параметра β0 может быть реализована.Another possibility of correcting the parameters of the directivity pattern of the transducer, in particular, the parameter β0, is to control the delays of signals from active elements 2.1 and 2.2 in the emission and / or reception mode, as is done for phased arrays. The only feature of such a control is that, taking into account formula 3, the efficiency of correction of the parameter β0 will decrease as the sizes b2.1 and b2.2 increase: the larger the wave sizes of the elements, the smaller the change in the parameter β0 can be realized.

Пьезоэлемент 2 выполненный в виде гибкой пьезоэлектрической пленки может быть разделен на любое разумное количество активных элементов.Piezoelectric element 2 made in the form of a flexible piezoelectric film can be divided into any reasonable number of active elements.

Как видно из Фиг. 2, при расположении оси кривизны активной поверхности очень близко к границе призмы 2 с поверхностью объекта контроля 3, положение точки выхода центрального луча диаграммы направленности практически не зависит от угла (и, соответственно, от того, какой из активных элементов или какая их комбинация в данный момент используется).As seen in FIG. 2, when the axis of curvature of the active surface is very close to the boundary of the prism 2 with the surface of the test object 3, the position of the exit point of the central beam of the radiation pattern is practically independent of the angle (and, accordingly, on which of the active elements or which combination of them in a given moment is used).

Это приводит к отсутствию необходимости учёта изменения положения точки выхода, а, следовательно, стрелы преобразователя, при расшифровке результатов ультразвукового контроля и определении координат обнаруженного дефекта.This leads to the absence of the need to take into account the change in the position of the exit point, and, consequently, the transducer boom, when decoding the results of ultrasonic testing and determining the coordinates of the detected defect.

Изобретение было реализовано при создании трех установок для ультразвукового контроля сварных швов деталей космических кораблей, изготавливаемых НПО Прогресс.The invention was implemented when creating three installations for ultrasonic testing of welded seams of spacecraft parts manufactured by NPO Progress.

Claims (22)

1. Ультразвуковой преобразователь, содержащий призму с активной поверхностью, на которой закреплён, как минимум, один пьезоэлемент, отличающийся тем, что активная поверхность имеет цилиндрическую форму, при этом её ось расположена перпендикулярно плоскости падения ультразвуковой волны, а каждый закреплённый на ней пьезоэлемент выполнен в виде гибкой пьезоэлектрической плёнки, причём угловые характеристики ультразвукового преобразователя в геометрическом приближении связаны между собой системой уравнений:1. An ultrasonic transducer containing a prism with an active surface, on which at least one piezoelectric element is fixed, characterized in that the active surface has a cylindrical shape, while its axis is perpendicular to the plane of incidence of the ultrasonic wave, and each piezoelectric element fixed on it is made in the form of a flexible piezoelectric film, and the angular characteristics of the ultrasonic transducer in the geometric approximation are related to each other by a system of equations: dα = α2 - α1 = B/R;dα = α2 - α1 = B / R; dβ = β2 - β1 = Arcsin (C2 x Sin α2/C1) – Arcsin (C2 x Sin α1/C1), dβ = β2 - β1 = Arcsin (C2 x Sin α2 / C1) - Arcsin (C2 x Sin α1 / C1), где:Where: dα, dβ – желаемые диапазоны углов возбуждения и/или приёма ультразвуковых волн в материалах призмы и объекта контроля соответственно;dα, dβ are the desired ranges of angles of excitation and / or reception of ultrasonic waves in the materials of the prism and the object of control, respectively; α1, α2 – угловые границы диаграммы направленности в материале призмы; α1, α2 - angular boundaries of the radiation pattern in the prism material; β1 и β2 – желаемые угловые границы диаграммы направленности в материале объекта контроля, β1 and β2 are the desired angular boundaries of the radiation pattern in the material of the test object, С1 и С2 – скорости упругих волн соответственно в материале призмы и в материале объекта контроля;C1 and C2 - velocities of elastic waves, respectively, in the material of the prism and in the material of the test object; В – суммарная ширина всех закреплённых на активной поверхности призмы пьезоэлементов;B is the total width of all piezoelectric elements fixed on the active surface of the prism; R - радиус кривизны активной поверхности призмы.R is the radius of curvature of the active surface of the prism. 2. Ультразвуковой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что ширина пьезоэлемента удовлетворяет условию:2. Ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the width of the piezoelectric element satisfies the condition: b ≥ (1,5 ÷ 3) λ, где:b ≥ (1.5 ÷ 3) λ, where: b – ширина пьезоэлемента;b is the width of the piezoelectric element; λ - длина ультразвуковой волны в материале призмы. λ is the ultrasonic wavelength in the prism material. 3. Ультразвуковой преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлемент представляет собой решётку, состоящую из нескольких активных элементов, при этом каждый активный элемент имеет как минимум один контакт для подключения к собственному генератору электрических импульсов и/или собственному приёмнику.3. Ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the piezoelectric element is a lattice consisting of several active elements, with each active element having at least one contact for connection to its own generator of electrical impulses and / or its own receiver. 4. Ультразвуковой преобразователь по п. 3, отличающийся тем, что ширина каждого активного элемента удовлетворяет условию:4. An ultrasonic transducer according to claim 3, characterized in that the width of each active element satisfies the condition: b ≥ (1,5 ÷ 3) λ, где:b ≥ (1.5 ÷ 3) λ, where: b – ширина каждого активного элемента решётки;b is the width of each active element of the lattice; λ - длина ультразвуковой волны в материале призмы. λ is the ultrasonic wavelength in the prism material. 5. Ультразвуковой преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что электронное управление углом ввода ультразвуковой волны в материал объекта контроля в режиме излучения и/или приёма осуществляют путём синфазного подключения одного или группы из двух и более активных элементов, причём геометрическое расположение центра подключаемого элемента или группы элементов на призме определяет направление главного лепестка диаграммы направленности преобразователя.5. Ultrasonic transducer according to claim 4, characterized in that the electronic control of the angle of input of the ultrasonic wave into the material of the controlled object in the radiation and / or reception mode is carried out by in-phase connection of one or a group of two or more active elements, and the geometric location of the center of the connected element or a group of elements on the prism determines the direction of the main lobe of the transducer radiation pattern. 6. Ультразвуковой преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что электронное управление шириной диаграммы направленности осуществляют путём увеличения или уменьшения числа одновременно работающих активных элементов, причём увеличение числа подключаемых элементов приводит, как правило, к расширению диаграммы направленности преобразователя. 6. Ultrasonic transducer according to claim 4, characterized in that the electronic control of the directional pattern width is carried out by increasing or decreasing the number of simultaneously operating active elements, and an increase in the number of connected elements leads, as a rule, to an expansion of the directivity pattern of the transducer. 7. Ультразвуковой преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что при подключении двух и более активных элементов преобразователя осуществляют коррекцию параметров его диаграммы направленности путём управления задержками сигналов, подаваемых на эти активные элементы в режиме излучения, и/или сигналов, снимаемых с этих активных элементов в режиме приёма.7. Ultrasonic transducer according to claim 4, characterized in that when two or more active elements of the transducer are connected, the parameters of its directional pattern are corrected by controlling the delays of signals supplied to these active elements in the radiation mode and / or signals taken from these active elements. elements in receive mode.
RU2020124296A 2020-07-22 2020-07-22 Ultrasonic transducer RU2739967C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124296A RU2739967C1 (en) 2020-07-22 2020-07-22 Ultrasonic transducer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124296A RU2739967C1 (en) 2020-07-22 2020-07-22 Ultrasonic transducer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2739967C1 true RU2739967C1 (en) 2020-12-30

Family

ID=74106441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020124296A RU2739967C1 (en) 2020-07-22 2020-07-22 Ultrasonic transducer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2739967C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2820460C1 (en) * 2023-07-17 2024-06-04 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Method of ultrasonic non-destructive testing

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4391281A (en) * 1977-01-06 1983-07-05 Sri International Ultrasonic transducer system and method
SU1163253A1 (en) * 1983-04-08 1985-06-23 Ивано-Франковский Институт Нефти И Газа Transducer for ultrasonic inspection
US6070466A (en) * 1997-05-14 2000-06-06 Scanmaster Systems (Irt) Ltd. Device for ultrasonic inspection of a multi-layer metal workpiece
RU136582U1 (en) * 2013-04-23 2014-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" MULTI-CHANNEL ULTRASONIC CONVERTER
RU145759U1 (en) * 2013-11-06 2014-09-27 Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" MULTI-CHANNEL ULTRASONIC CONVERTER
RU2532587C1 (en) * 2013-06-21 2014-11-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Объединение "Техномаш" Ultrasonic separate-and-combined wide-coverage converter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4391281A (en) * 1977-01-06 1983-07-05 Sri International Ultrasonic transducer system and method
SU1163253A1 (en) * 1983-04-08 1985-06-23 Ивано-Франковский Институт Нефти И Газа Transducer for ultrasonic inspection
US6070466A (en) * 1997-05-14 2000-06-06 Scanmaster Systems (Irt) Ltd. Device for ultrasonic inspection of a multi-layer metal workpiece
RU136582U1 (en) * 2013-04-23 2014-01-10 Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" MULTI-CHANNEL ULTRASONIC CONVERTER
RU2532587C1 (en) * 2013-06-21 2014-11-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Объединение "Техномаш" Ultrasonic separate-and-combined wide-coverage converter
RU145759U1 (en) * 2013-11-06 2014-09-27 Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" MULTI-CHANNEL ULTRASONIC CONVERTER

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2820460C1 (en) * 2023-07-17 2024-06-04 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Method of ultrasonic non-destructive testing

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4211949A (en) Wear plate for piezoelectric ultrasonic transducer arrays
US20080007142A1 (en) Ultrasonic transducer assembly having a vibrating member and at least one reflector
Kang et al. Two-dimensional flexural ultrasonic phased array for flow measurement
US4833360A (en) Sonar system using acoustically transparent continuous aperture transducers for multiple beam beamformation
Platte PVDF ultrasonic transducers
JPH05244691A (en) Ultrasonic probe
RU2739967C1 (en) Ultrasonic transducer
McNab et al. Monolithic phased array for the transmission of ultrasound in NDT ultrasonics
US4399387A (en) Ultrasonic wave transducer
US7443081B2 (en) Multi-frequency transmission/reception apparatus
De Cicco et al. A new ultrasonic composite transducer implemented with thick film technology
RU2224250C2 (en) Ultrasonic low-frequency composite converter with switching over of types of waves
JPS593256A (en) Array type probe
Hay et al. Flexible piezopolymer ultrasonic guided wave arrays
WO2020048974A1 (en) Transducer for non-invasive measurement
JP2001050941A (en) Variable angle ultrasonic probe and variable angle ultrasonic flaw-detecting device
RU2127474C1 (en) Flexural-vibration ultrasonic transducer for gaseous atmospheres
SU1379725A1 (en) Ultrasound transducer of acoustic emission signals
Kang et al. Flow measurement based on two-dimensional flexural ultrasonic phased arrays
SU1300378A1 (en) Ultrasonic transducer with variable radiation-reception angle
US11965994B2 (en) Ultrasonic transducer for a measuring device
US6952967B2 (en) Ultrasonic transducer
JPH02251754A (en) Focus probe
RU216328U1 (en) Ultrasonic piezoelectric transducer for non-destructive testing of the ends of ceramic products
JP7293521B1 (en) ultrasonic phased array sensor