Пьезоэлектрический преобразователь

 

Изобретение относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике. Цель - повышение чувствительности и расширение частотного диапазона. Преобразователь содержит дискообразный пьезоэлемент 1 с вогнутой тыльной поверхностью и кольцеобразный пьезоэлемент 2. Между боковой поверхностью пьезоэлемента 1 и внутренней боковой поверхностью пьезоэлемента 2 расположен жестко связанный с ними электрод 3. Внешняя поверхность кольцевого пьезоэлемента 2 скошена по отношению к его рабочей поверхности под углом не менее 45°. Два электрода 4, 6 расположены на рабочей и тыльной поверхностях дискообразного пьезоэлемента 1 соответственно. Электрод 5 находится на рабочей поверхности кольцевого пьезоэлемента 2. В режиме излучения напряжение подается на электроды 3, 4, 5. В режиме приема сигнал снимается с электродов 4, 6. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

MO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬГГИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4454256/24-10 (22) 04,07.88 (46) 15.10.90. Бюл. !! - 38 (71) Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (72) А.И.Лукошявичюс и К.С,Вайнаускас (53) 534.232 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 738195, кл. В 06 В 1/06, 1978.

Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. Под ред, И.Н. Ермалов а. М.: Машиностроение, 1986, с; 201. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике. Цель — повышение чувствительности и расширение частотного диапа-, „„SU„„1599128 А 1 (g1)g В 06 В 1/06, 6 01 М 29/00

2 зона, Преобразователь содержит дискообразный пьезоэлемент 1 с вогнутой тыльной поверхностью и кольцеобразный пьезоэлемент 2. Между боковой поверхностью пьезоэлемента 1 и внутренней боковой поверхностью пьезоэлемента 2 расположен жестко связанный с ними электрод 3. Внешняя поверхность кольцевого пьезоэлемента 2 скошена по отношению к его рабочей поверхности под углом не менее 45 . Два электрода 4 и 6 расположены на рабочей и тыльной поверхностях. дискообразного пьезоэлемента 1 соответственно. Электрод 5 находит ся на р або чей пов ep x— но сти кол ьц ево го пь ез оэле мент а 2, В режиме излучения напряжение подается на электроды 3-5, В режиме приема сигнал снимается с электродов 4 и 6, 1 ил, 1599 ) 28

Изобретение относится к ультразву— ковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано для ультразвукового контроля материалов и изделий, для диагностических эхоскопов.

Целью изобретения является повыше1-:.ие чувствительности и расширение часготного диапазона преобразования.

На чертеже схематично представлен 1g предлагаемлй преобр аз оват ель.

Пьезопреобразователь состоит из дискообразного пьезоэлемента 1, тыльная поверхность которого осесимметрично вогнута и кольцевого пьезоэлемента 2, жестко прикрепленного к пьзоэлементу 1 осесимметрично по цилиндрической поверхности через электрод 3, Направления поляризации соединенных пьезоэлементов 1 и 2 противоположны 2р и параллельны оси преобразователя.

Внешняя боковая поверхность кольцевого пьезоэлемента 2 скошена по отношению к его рабочей поверхности под углом, который составляет не менее 25

45 . Рабочие электроды 4, 5 и 6 также нанесены на рабочие поверхности дискообразного 1 и кольцевого 2 пьезоэлементов, d также на вогнутую по-. верхность дискообразного пьезоэлемента 1.

Соединение дискообразного и кольцевого пьезоэлементов осуществляется, например, токопроводящим клеем на основе мелкоди спер сного серебра, IlpH 35 этом важно выдержать зазоры между таким образом полученным электродом 3 и рабочих поверхностей электродов 4 и 5. Зазоры должны быть ьинимальны, т, е, обусловлены электрической прочностью на пробой. Чтобы уменьшить вероятность пробоя, узкую зону стыка электродов 3, 4 и 5 можно залить изолирующим материалом, прочным на, электрический пробой. Для обеспечения механической прочности преобразователя и полного отвода ультразвуковых колебаний, распространяющихся к тыльной стороне преобразователя и могущих создать акустические помехи при преобр аз ов анни си гналов, TolJIb ную сторону следует залить демпфирующей массой, например полимеризующейся смолой с наполнителями, Преобразователь работает следую55 щи м обр аз ом.

Электрическое напряжение, возбуждающее преобразователь, подается на электрод 3 и соединенные электроды

4 и 5. При этом в материале пьезоэле ментов 1 и 2 создается неоднородное электрическое поле, наивысшая напря женность которого наблюдается в непосредственной близости к окружности, образованной близлежащими краями электродов 3, 4 и 5. Эта зона в виде тонкого кольца является основным источником ультразвуковых волн, которые, распространяясь синфазно, складываются только при продолжении геометрической оси преобразователя в рабочей среде. Поэтому по направлению этой оси формируется узкий, слаборасходящийся ультразвуковой пучок, диаметром много меньше диаметра преобразо— вателя. Поскольку напр авления поляризации дискообразного и кольцевого пьезоэлементов противоположны, а направление линий электрического поля, заканчивающихся в электродах 4 и 5, одинаковое, то деформация пьезоэлемента у внутреннего края электрода 5 и соответствующая пьезбдеформация у внешнего края электрода 4 имеют противоположные полярности. К каждой точке оси формируемого узкого ультразвукового пучка сначала приходят синфазные волны от внешнего края электрода

4, затем соответствующие волны противоположной полярности с внутреннего края электрода 5, Это повышает размах сигнал.а на оси в случае возбуждения преобразователя короткими импульсами, амплитуда сигнала повышается в два раза.

Преобразоваьые энергии в пьезопреобразователе происходит нерезонансным, апериодическим способом, а многократ/ ные отражения ультразвуковых волн в пьезоэлементах с переизлучением в рабочую среду практически исключаются.

Это обусловлено тем, что ультразвуковая волна, распространяющаяся от внутреннего края электрода 5 к тыльной стороне преобразователя, эффективно гасится, отражаясь от боковой поверхности кольцевого элемента в сторону узкой тыльной части кольца, Условия для такого отражения составляет ориентация боковой поверхности кольца под углом о, большим, чем

45 к излучающей пер едней повер хно сти. Волна от внешнего края электрода

5 р ас сеи в ает ся криволинейной в огнутой поверхностью. Гашению поля в преобразователе способствует противоположная их полярность в пьзоэлементах

1599! 28

Составитель И,Игумнова

Т ехр ед М. Дидык Корректор Т.Малец

Редактор Ю. Середа

Заказ 3108

Подписное

Тираж 395

Р".ИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 о

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101

1 и 2, а также наличие возможного демпфер а, В режиме приема работает дискообразный пьезоэлемент 1. К усилителю подключены электроды 4 и 6. Поскольку прием осуществляется всей площадью электрода 4, небольшие отклонения отраженного пучка от оси преобразователя не уменьшают эффективности преобразования узким ультразвуковым пучком таких поверхностей, которые не перпендикулярны оси ультразвукового пучка.

Это особенно важно в дефектоскопии, медицинской диагностике, где объект исследования сложной формы и необходимо высокое поперечное разрешение.

Поскольку работающий в режиме приема пьезоэлемент имеет вогнутую тыльную поверхность, он обладает равномерной частотной характеристикой и хорошей чувствительностью, При этом диаграмма направленности мало зависит от частоты, поскольку к составляющим спектра высших частот более чувстви- 25 тельна центральная чаСть пьезоэлемента, где его толщина меньше, а к составляющим низших частот - периферийная часть, т. е. с понижением частоты диаграмма направленности сужается, 30 поскольку увеличивается диаметр принимающей алертуры, Поскольку диаграммы направленности в режимах излучения и приема умножаются, диаграмма в режиме излучение-прием является уз- 35 кой в большом диапазоне глубин (это обусловливается характеристиками излучающей части), а также мало зависит от частоты и не чувствительна к небольшим отклоне ням узкого отражен — 40 ного луча. Увеличению чувствительности способствует также то, что торцовые электроды 4 и 5 могут быть соединены в корпус, обеспечивая экранирова- . ние от электромагнитных помех, а цепи электрического генератора и приемного усилителя могут быть развязаны путем использования отдельных электродов °

Применение широкополосного пьезоэлектрического преобразователя позволяет решить ряд задач ультразвуковой контрольно-измерительной техники, в которых требуется излучение и прием узконаправленных пучков ультр аз вуковых колебаний, обладающих широким и равномерным частотным спектром.

Формула.изобр.етения

Пьезоэлектрический преобразователь, . содержащий две пары электродов, коль-. цевой и дискообразный . пьезоэлементы, поляризованные по толщийе в противоположных направлениях, причем боковая поверхность дискообразного пьезоэлемента жестко связана с внутренней боковой поверхностью кольцевого пьезоФ элемента, два электрода размещены на рабочей и тыльной поверхностях дискообразного пьезоэлемента, а третий .электрод расположен на рабочей поверхности кольцевого элемента, о т л и— ч а ю. шийся тем, что, с целью повышения. чувствительности и расширения частотного диапазона, тыльная поверхность дискообразного пьезоэлемента выполнена вогнутой, внешняя боковая поверхность кольцевого пьезоэлемента скошена по отношению к его рабочей поверхности под углом не менее

45, а четвертый электрод размещен между боковой поверхностью кольцевого пьезоэлемента и внутренней боковой поверхностью кольцевого пьезоэлемента и жестко свяэж с ними.