Ультразвуковой преобразователь для работы в газовых средах

Ультразвуковой преобразователь для работы в газовых средах

Реферат

 

Предлагается УЗ преобразователь на изгибных колебаниях для газовых сред, предназначенный для бесконтактного контроля крупногабаритных изделий и материалов с большим затуханием УЗ колебаний. Он может также использоваться для измерения в воздухе расстояний до объектов и управления объектами, для измерения толщины тонколистовых изделий, для измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах и бункерах, для определения температуры воздуха в помещениях, для определения концентрации газовых смесей, для охраны объектов и др. Моночастотный преобразователь содержит пьезоэлектрический диск, возбуждаемый на диаметральных колебаниях, концентратор, выполненный в виде кольца и скрепленный своей внутренней боковой поверхностью с боковой поверхностью пьезоэлектрического диска, а внешней боковой поверхностью с тонкой металлической пластиной в виде полого цилиндра, имеющего узкие продольные прорези, начинающиеся на одном из торцев. Длина прорезей выбрана из условия _и/2, где _и - длина изгибной УЗ волны в пластине. Внутри цилиндрической пластины установлен конусообразный отражатель УЗ колебаний, который может быть выполнен с возможностью фокусировать излучаемые преобразователи УЗ колебания в осевом направлении. С целью повышения эффективности преобразователя со стороны наружной поверхности его тонкой металлической пластины установлен механический экран на расстоянии много меньше длины волны УЗ колебаний в газовой среде на рабочей частоте преобразователя. С этой же целью с торцевыми поверхностями пьезоэлектрического диска скреплены четвертьволновые металлические накладки в виде диска с диаметром меньшим диаметра пьезоэлектрического диска. Широколосный УЗ преобразователь от моночастотного отличается тем, то его пьезоэлектрический элемент, концентратор, тонкая металлическая пластина и акустический экран выполнены с осесимметрично-ступенчато изменяющимися диаметрами, а тонкая металлическая пластина изготовлена с изменяющейся соответственно длиной узких продольных прорезей, причем четвертьволновые металлические накладки на торцевых поверхностях пьезоэлектрического элемента отсутствуют. В сравнении с известными аналогами предложенный преобразователь позволяет излучать в газовую среду УЗ колебания не менее, чем на порядок большей мощности. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля материала и изделий через газовую среду, а именно к конструкциям УЗ преобразователей, и может использоваться в технике УЗ локации и управления объектами в воздухе, измерения толщины тонколистовых материалов, измерения уровня жидких и сыпучих сред в резервуарах и бункерах, контроля температуры воздуха в помещениях, определения концентрации газов, охраны объектов и др.

Существует много типов УЗ преобразователей для газовых сред. Из них широкое применение получили УЗ пьезоэлектрические преобразователи, работающие на толщинных и диаметральных продольных колебаниях, а также на изгибных колебаниях (Домаркас В.М., Машонис А.П., Петраускас А.И. Измерительные преобразователи для газовых сред. Труды IX Всесоюзной акустической конференции. М. , АН СССР, 1977, Серия II, стр. 149-152// Смирновский А.Г. Эхолокационные уровнемеры. Приборы и системы управления., 1975, N 7, стр. 19-20// Масса Ф. Ультразвуковые преобразователи для работы в воздухе. Труды инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Русский перевод с англ., 1965, стр. 28-33). Наиболее эффективными, лучше согласованными с газовой средой являются УЗ пьезоэлектрические преобразователи, работающие на изгибных колебаниях. Последние непосредственно могут возбуждаться генератором электрических колебаний в тонких биморфных элементах, выполненных в виде двух- или трехслойных пластин, имеющих форму диска или прямоугольника, чаще диска (Масса Ф. Ультразвуковые преобразователи для работы в воздухе. Труды инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Русский перевод с англ., 1965, стр. 28-33). Еще более эффективными, обеспечивающими большую мощность УЗ колебаний, излучаемых в газовую среду, являются УЗ пьезоэлектрические преобразователи на изгибных колебаниях, содержащие пьезоэлектрический диск полуволновой толщины или пьезоэлектрический диск меньшей толщины с накладками из металла на торцевых поверхностях, концентратор ступенчатой, экспоненциальной и катеноидальной формы, скрепленной большим торцом с торцом пьезоэлектрического диска или с торцом накладки на нем, а малым торцом - с тонкой металлической пластиной (Горбатов А.А., Рудашевский Г.Е. Акустические методы измерения расстояний и управления. М., Энергоиздат, 1981, стр. 142-145. //Gallego-Juares, Rodriguez-Corral G. and Gaete-Garreton L. An ultrasonic transducer for high power applications in gases. Ultrasonic, 1978, V 16, N 6, pp 267-271). Тонкая металлическая пластина, размещаемая на малом торце концентратора у таких УЗ преобразователей и совершающая при их работе изгибные колебания имеет существенно большую площадь, чем площадь малого торца концентратора, что обеспечивает излучение в газовую среду УЗ колебаний значительно большей площадью, чем при отсутствии обмеченной пластины. Заметим, что пластина имеет обычно жесткое закрепление по внешнему периметру, а ее радиальный размер от закрепления на узком торце концентратора до закрепления по внешнему периметру равен половине длины изгибной волны в пластине на рабочей частоте УЗ преобразователя. Недостатками рассмотренных УЗ преобразователей для газовых сред (аналогов) являются недостаточно большая мощность излучаемых в газовую среду УЗ колебаний и чрезвычайно узкая полоса рабочих частот этих колебаний. Первый недостаток обусловлен тем, что концентратор не позволяет увеличить амплитуду продольных колебаний узкого торца в сравнении с амплитудой колебаний широкого торца более чем в 10-12 раз и тем, что площадь изгибно колеблющейся тонкой металлической пластины не может быть увеличена из-за необходимости выполнить условие равенства ее радиального размера половине длины изгибной волны в ней на рабочей частоте. В частности, площадь поверхности указанной пластины у УЗ преобразователя на 50 кГц составляет 3 см². Второй отмеченный недостаток обусловлен тем, что все конструктивные элементы рассмотренных УЗ преобразователей выполнены с размерами, обеспечивающими их резонансные механические колебания на рабочей частоте преобразователя. Как правило, полоса рабочих частот таких преобразователей не превышает 2 кГц. Между тем для решения многих практических задач в различных отраслях техники требуются УЗ преобразователи, излучающие в газовую среду УЗ колебания очень большой мощности в узкой или широкой полосе рабочих частот.

Наиболее близким по конструктивному выполнению заявляемому УЗ преобразователю является УЗ преобразователь для газовых сред (Смирновский А.Г. Эхолокационные уровнемерs. Приборы и системы управления, 1975, N 7, стр. 19-20), принятый за ближайший аналог, содержащий пьезоэлектрический диск с частотно-понижающими накладками; концентратор, размещенный со стороны одного из торцов пьезоэлектрического диска и скрепленную с узким торцом концентратора металлическую пластину, трансформирующую продольные УЗ колебания пьезоэлектрического диска с накладками и концентратора в изгибные колебания. Отметим, что металлическая пластина в УЗ преобразователе, принятом за ближайший аналог, является по существу трансформатором акустического импеданса, увеличивающим степень согласования акустического импеданса преобразователя с газовой средой, в то время, как концентратор является трансформатором колебательной скорости (Келлер О.К., Кратыш Г.С., Лубяницкий Г.Д. Ультразвуковая очистка. Л.: Машиностроение, 1977, стр. 138-140; Маркарьян А.Г. Измеряет и контролирует ультразвук. М.: Знание, 1977, стр. 17). Этому УЗ преобразователю для газовых сред, свойственны такие же недостатки, как и ранее указанным УЗ преобразователям-аналогам, а именно недостаточно большая мощность излучаемых в газовую среду УЗ колебаний и чрезвычайно узкая полоса рабочих частот этих колебаний, что обусловлено перечисленными выше причинами.

Задачей предложенного технического решения является увеличение мощности излучаемых в газовую среду УЗ колебаний за счет такого конструктивного выполнения УЗ преобразователя, при котором становится возможным многократное увеличение площади рабочей поверхности трансформатора акустического импеданса, снижение до минимума потерь на излучение УЗ колебаний в газовую среду тыльной (нерабочей) поверхностью трансформатора акустического импеданса и увеличение амплитуды колебаний рабочей поверхности пьезоэлектрического диска; расширение полосы рабочих частот излучаемых в газовую среду УЗ колебаний за счет такого конструктивного выполнения УЗ преобразователя, при котором отдельные зоны пьезоэлектрического диска, концентратора и трансформатора акустического импеданса резонируют на разных частотах.

Повышение мощности излучаемых в газовую среду УЗ колебаний достигается тем, что в предложенном УЗ преобразователе, содержащем пьезоэлектрический диск, концентратор и трансформатор акустического импеданса, пьезоэлектрический диск выполнен диаметром _D/2 и толщиной _т/2 , где _D и _т - длины продольных волн УЗ колебаний в диске соответственно по диаметру и по толщине, в качестве рабочей поверхности пьезоэлектрического диска выбрана его боковая поверхность, концентратор выполнен в виде кольца, скрепленного своей внутренней боковой поверхностью с боковой поверхностью пьезоэлектрического диска, а трансформатор акустического импеданса выполнен в виде тонкостенного полого металлического цилиндра с толщиной стенки 0,5-2 мм, скрепленного у одного из своих торцов внутренней поверхностью с рабочей поверхностью концентратора, при этом внутри цилиндра, соосно с ним установлен конусообразный отражатель УЗ колебаний. Для еще большего повышения мощности излучаемых в газовую среду УЗ колебаний в предложенном УЗ преобразователе реализованы следующие конструктивные особенности.

Со стороны наружной поверхности его тонкостенного полого цилиндра установлен металлический экран на расстоянии h от этой поверхности, причем h выбирается из условия _г/2 h < A_иmax- , где _г - длина волны УЗ колебаний в газовой среде на рабочей частоте преобразователя, A_иmax- максимальная амплитуда изгибных колебаний тонкостенного полого цилиндра. Эта конструктивная особенность УЗ преобразователя снижает до минимума потери на излучение УЗ колебаний в газовую среду тыльной (нерабочей) поверхностью изгибно колеблющегося тонкостенного полого цилиндра (трансформатора акустического импеданса) преобразователя за счет использования энергии УЗ колебаний, излученных тыльной стороной упомянутого цилиндра, для его последующего синфазного подвозбуждения. При этом на торце тонкостенного цилиндра, противоположном торцу, на котором размещен концентратор (фиг. 1), установлен волновод, конструктивно выполненный с возможностью фиксации расстояния h между внешней поверхностью цилиндра и акустическим экраном.

Изгибно колеблющийся тонкостенный полый цилиндр со стороны торца, скрепленного с рабочей поверхностью концентратора, выполнен с узкими продольными прорезями длиной _и/2, , где _и - длина изгибной волны в стенке цилиндра на рабочей частоте преобразователя. Эти прорези снижают жесткость указанного цилиндра, что улучшает ее согласование с газовой средой, и увеличивают амплитуду изгибных колебаний на рабочей частоте преобразователя.

На обоих торцах пьезоэлектрического диска укреплены акустически связанные с ним металлические диски, например стальные, имеющие диаметр, меньший диаметра пьезоэлектрического диска, а толщину, равную _м/4 , где _м - длина продольной УЗ волны в металлическом диске на рабочей частоте преобразователя. Указанные четвертьволновые металлические диски приводят к увеличению амплитуды УЗ колебаний боковой поверхности пьезоэлектрического диска за счет уменьшения амплитуды УЗ колебаний его торцевых поверхностей.

Расширение полосы частот излучаемых в газовую среду УЗ колебаний достигается тем, что пьезоэлектрический элемент, концентратор и изгибно колеблющийся тонкостенный полый металлический цилиндр предложенного УЗ преобразователя выполнен с осесимметрично-ступенчато изменяющимися диаметрами, причем тонкостенный полый металлический цилиндр выполнен с соответственно изменяющимися длинами продольных прорезей. При этом число зон пьезоэлектрического диска, концентрата и тонкостенного полого металлического цилиндра с осесимметрично-ступенчато различающимися диаметрами и число зон указанного тонкостенного цилиндра с соответственно измененными длинами продольных прорезей выбраны из условия получения желаемых ширины и формы амплитудно-частотной характеристики УЗ преобразователя.

На фиг. 1,а приведена конструктивная схема предложенного УЗ преобразователя для газовых сред, работающего на одной рабочей частоте и позволяющего в сравнении с ближайшим аналогом многократно увеличить мощность излучаемых в газовую среду УЗ колебаний. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - пьезоэлектрический диск; 2 - концентратор; 3 - изгибно колеблющийся тонкостенный полый металлический цилиндр с продольными прорезями у одного из торцов, а именно у того, который своей внутренней поверхностью скреплен с рабочей поверхностью концентратора; 4 - продольные прорези тонкостенного цилиндра; 5 - акустический экран, выполняющий одновременно роль корпуса УЗ преобразователя; 6 - конический отражатель УЗ колебаний; 7 - УЗ колебания в газовой среде, излучаемые изгибно колеблющимся тонкостенным цилиндром; 8 - металлические диски четвертьволновой толщины; 9 - волновод, конструктивно выполненный с возможностью фиксации зазора между изгибно колеблющимся тонкостенным цилиндром 3 и акустическим экраном 5, а также с возможностью регулировки действующей длины тонкостенного цилиндра по образующей, вследствие чего обеспечивается изменение резонансной частоты колебаний этого цилиндра. На фиг. 1, б показана развертка тонкостенного цилиндра с продольными прорезями 4. Длина прорезей равна или более _и/2 .

Предложенный моночастотный УЗ преобразователь для газовых сред в режиме излучения работает следующим образом (фиг. 1,а). С помощью генератора электрических сигналов, подключенного к электродам пьезоэлектрического диска на его торцевых поверхностях, в пьезоэлектрическом диске 1 возбуждаются резонансные диаметральные УЗ колебания. Энергия этих колебаний концентрируется кольцевым концентратором 2, скрепленным своей внутренней боковой поверхностью с боковой поверхностью пьезоэлектрического диска на его внешней боковой поверхности. При этом амплитуда колебаний точек внешней боковой поверхности концентратора увеличивается по сравнению с амплитудой колебаний его внутренней поверхности. Это увеличение весьма незначительно и не превышает 1,2 - 2 раз. Однако из-за большого увеличения рабочей поверхности изгибно колеблющегося тонкостенного полого металлического цилиндра (трансформатора акустического импеданса) 3, скрепленной с боковой поверхностью концентратора 2, мощность излучаемых в газовую среду УЗ колебаний увеличивается в 20 - 25 раз по сравнению с ближайшим аналогом. УЗ колебаний 7 (фиг. 1,а), излучаемые в газовую среду внутренней поверхностью изгибно колеблющегося тонкостенного цилиндра 3, распространяются радиально к акустическому конусному отражателю 6, отражаются от него и далее распространяются вдоль оси преобразователя по волноводу 9. Важно отметить, что, выполняя профиль конусного отражателя известным образом, можно формировать либо пучок параллельных лучей УЗ колебаний, распространяющихся вдоль оси преобразователя, либо пучок сфокусированных на определенном расстоянии от преобразователя лучей УЗ колебаний. Применение в предложенном УЗ преобразователе акустического экрана 5 с внешней стороны изгибно колеблющегося тонкостенного цилиндра 3 на расстоянии h, удовлетворяющем условию _г/2 h < A_иmax, дополнительно увеличивает мощность излучаемых в газовую среду УЗ колебаний не менее чем в 1,5 раза за счет синфазного подвозбуждения этого цилиндра энергией УЗ колебаний, излученных в газовую среду его внешней поверхностью и накопленной в тонком резонансном газовом слое, образованном внешней поверхностью тонкостенного цилиндра 3 и акустическим экраном 5. Дополнительное увеличение мощности излучаемых в газовую среду УЗ колебаний предложенным преобразователем в сравнении с ближайшим аналогом происходит за счет размещения на торцах пьезоэлектрического диска 1 (фиг. 1,а) четвертьволновых металлических дисков 8, изготовленных из металла, имеющего удельное акустическое сопротивление, большее удельного акустического сопротивления материала пьезоэлектрического диска. Такие диски близки по своим свойствам абсолютно жесткой границе на торцах пьезоэлектрического диска и вследствие этого снижают амплитуду колебаний торцевых поверхностей диска, что ведет к увеличению амплитуды колебаний его боковой поверхности, а, следовательно, и к увеличению амплитуды колебаний тонкостенного цилиндра 3.

Следует отметить одну особенность пьезоэлектрических дисков, работающих на диаметральных резонансных УЗ колебаниях в диапазоне частот 20 - 60 кГц в случае, когда их толщина достаточно мала, как в предложенном УЗ преобразователе: у таких пьезоэлектрических дисков амплитуда колебаний боковой поверхности превышает амплитуду колебаний торцевой поверхности в 1,5 - 3 раза. Последнее обстоятельство позволяет дополнительно повысить эффективность работы предложенного УЗ преобразователя, не увеличивая его массогабаритных характеристик. Описанные выше конструктивные особенности предложенного УЗ преобразователя для газовых сред, отличающие его от ближайшего аналога, в совокупности позволяют увеличить мощность излучаемых в газовую среду УЗ колебаний не менее, чем в 30 - 50 раз. На фиг. 2 приведена укрепленная конструктивная схема предложенного УЗ преобразователя для газовых сред, работающего в широкой полосе рабочих частот и также позволяющего многократно увеличить мощность излучаемых УЗ колебаний. Здесь приняты следующие обозначения: 1' - пьезоэлектрический диск с осесимметрично-ступенчато изменяющимся диаметром; 2', 2'' - части кольцевого концентратора с осесимметрично-ступенчато изменяющимися внутренним и внешним диаметрами; 3', 3'' - части тонкостенного металлического цилиндра с осесимметрично-ступенчато изменяющимися диаметрами; 4', 4'' - узкие продольные прорези в частях тонкостенного цилиндра. Число участков предложенного УЗ преобразователя с осесимметрично-ступенчато измененными диаметрами пьезоэлектрического диска, концентраторов, тонкостенного цилиндра и акустического экрана (на фиг. 2 не показан), диаметры участков всех указанных конструктивных элементов, а также длины узких продольных прорезей на отдельных частях тонкостенного цилиндра выбраны известным образом из условия работы указанных участков преобразователя на соответствующих резонансных частотах и условия получения нужной формы амплитудно-частотной характеристики преобразователя в целом. На каждой из резонансных частот своих осесимметричноступенчато изменяющихся по диаметру участков предложенный УЗ преобразователь работает аналогично описанному выше моночастотному преобразователю. С помощью моночастотного или широполосного генератора электрических колебаний, подключенного к торцевым элементам пьезоэлектрического диска 1 (фиг. 2), в последнем возбуждаются резонансные диаметральные колебания. При этом в каждой паре противолежащих секторов одного диаметра пьезоэлектрического диска возбуждаются резонансные диаметральные колебания на своей частоте (Кицанов А.С., Митин А.Г., Хмелев В.Н., а.с. N 1295333, кл. МКИ G 01 N 29/04). Энергия этих колебаний концентрируется соответствующими парами противолежащих частей 2', 2'' кольцевого концентратора. Далее концентратор наружной боковой поверхностью пар противолежащих частей 2', 2'' кольца с осесимметрично-ступенчато измененными диаметрами возбуждает в частях 3' и 3'' тонкостенного цилиндра с осесимметрично-ступенчато измененными параметрами изгибные колебания на соответствующих резонансных частотах, определяемых длиной узких продольных прорезей в каждой паре указанных частей. Изгибные колебания этих частей тонкостенного цилиндра возбуждают в газовой среде своей внутренней поверхностью УЗ колебания, которые распространяются в направлении к оси преобразователя, отражаются от конического отражателя (на фиг. 2 не показан) и по волноводу излучаются в нужном направлении. На фиг. 2 не показаны конический отражатель и акустический экран, работа которого идентична работе таковых в ранее описанном моночастотном УЗ преобразователе для газовых сред.

Предложенный УЗ преобразователь для газовых сред особенно эффективен при работе в режиме излучения УЗ колебаний. Он в сравнении с аналогами и ближайшим аналогом относительно его существенных признаков, как в независимом, так в зависимых пунктах формулы обеспечивает больной положительный эффект, а именно позволяет - многократно увеличить мощность излучаемых в газовую среду УЗ колебаний, что достигается за счет большого увеличения его рабочей поверхности, что стало возможным вследствие использования концентратора в форме кольца, скрепленного своей внутренней боковой поверхностью с боковой поверхностью пьезоэлектрического диска, а наружной поверхностью - с внутренней поверхностью тонкостенного металлического цилиндра (трансформатор акустического импеданса) с продольными узкими прорезями, имеющими длину, выбираемую из условия резонанса изгибных колебаний этого цилиндра; вследствие применения акустического экрана с внешней стороны тонкостенного металлического цилиндра, исключившего потери на излучение нерабочей поверхностью цилиндра; вследствие использования металлических дисков четвертьволновой толщины, укрепленных на торцах пьезоэлектрического диска, что позволило увеличить амплитуду колебаний его боковой поверхности; - расширить полосу частот излучаемых в газовою среду УЗ колебаний за счет выполнения пьезоэлектрического диска, концентратора, тонкостенного металлического цилиндра и акустического экрана с осесимметрично-ступенчато изменяющимися диаметрами. При этом, меняя число пар противолежащих секторов пьезоэлектрического диска, их диаметр и дуговой размер, а также соответственно меняя геометрические размеры остальных конструктивных элементов УЗ преобразователя, можно в широких пределах менять форму амплитудно-частотной характеристики предложенного УЗ преобразователя.

Достигаемый по сравнению с ближайшим аналогом большой положительный эффект подтверждает изобретательский уровень. УЗ преобразователь сравнительно легко реализуем, особенно его моночастотный вариант, не требует дефицитных материалов. Может быть изготовлен для работы на частотах от 20 кГц до 70 кГц. Его эффективность подтверждена на рабочем макете. Готовятся рабочие чертежи.

Формула изобретения

1. Ультразвуковой преобразователь для работы в газовых средах, содержащий пьезоэлектрический диск, концентратор и трансформатор акустического импеданса, отличающийся тем, что пьезоэлектрический диск выполнен диаметром _D/2 и толщиной меньше _T/2, где _D и _T - длины продольных ультразвуковых волн соответственно по диаметру и по толщине диска на рабочей частоте, в качестве рабочей поверхности выбрана его боковая поверхность, концентратор выполнен в виде кольца, скрепленного своей внутренней боковой поверхностью с рабочей поверхностью пьезоэлектрического диска, а трансформатор акустического импеданса выполнен в виде тонкостенного цилиндра с толщиной стенки 0,5 - 2 мм, скрепленного у одного из торцов своей внутренней поверхностью с рабочей поверхностью концентратора, при этом внутри цилиндра соосно с ним установлен конусообразный отражатель ультразвуковых колебаний.

2. Ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что со стороны наружной поверхности его тонкостенного цилиндра установлен акустический экран на расстоянии h, при котором выполняется условие _г/2 h < A_{n max}, где _г - длина волны ультразвуковых колебаний в газовой среде на рабочей частоте преобразователя; A_{n max} - максимальная амплитуда изгибных колебаний тонкостенного цилиндра, а на торце тонкостенного цилиндра, противоположном торцу, на котором размещен концентратор, установлен волновод, конструктивно выполненный с возможностью фиксации расстояния h между внешней поверхностью цилиндра и акустическим экраном.

3. Ультразвуковой преобразователь по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что тонкостенный цилиндр выполнен со стороны, где размещен концентратор, с узкими продольными прорезями длиной _и/2, где _и - длина изгибной волны в стенке тонкостенного цилиндра на рабочей частоте преобразователя.

4. Ультразвуковой преобразователь по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что торцевые поверхности пьезоэлектрического диска скреплены с металлическими дисками, имеющими диаметр, меньше диаметра пьезоэлектрического диска, а толщину, равную _м/4, где _м - длина продольной ультразвуковой волны в металлическом диске на рабочей частоте преобразователя.

5. Ультразвуковой преобразователь по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что пьезоэлектрический диск, концентратор, тонкостенный цилиндр и акустический экран выполнены с осесимметрично-ступенчато изменяющимися диаметрами, а тонкостенный цилиндр - с изменяющимися длинами узких продольных прорезей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2