Пьезоэлектрический преобразователь

 

Изобретение относится к средствам измерений и может быть использовано для приема акустических импульсов сигналов, упругих волн Рэлея и Лэмба, а также для измерения динамических деформаций при акустическом контроле тонкостенных и объемных конструкций. Цель изобретения-повышение чувствительности за счет повышения эффективности преобразования. Преобразователь содержит выполненные в виде прямоугольных пластин пьезоэлемент с электродами и протектор и представляет собой слоистую пирамидальную структуру с расширяющимися по площади в направлении от верхнего электрода к протектору пластинами, при этом соотношения суммарной толщины H преобразователя с шириной B<SB POS="POST">1</SB> верхнего электрода, а также ширины B<SB POS="POST">I</SB> каждой последующей пластины с шириной B<SB POS="POST">I-1</SB> предыдущей пластины выражаются зависимостями H/B<SB POS="POST">1</SB>≤ 0,36 <SP POS="POST">.</SP> 10<SP POS="POST">-4</SP> мин {C<SB POS="POST">I</SB>&#0021;

ΔВ<SB POS="POST">I</SB>≤H<SB POS="POST">I</SB> <SP POS="POST">.</SP> 3600/ C<SB POS="POST">I</SB>, где H = εH<SB POS="POST">I</SB> - суммарная толщина преобразователя

H<SB POS="POST">I</SB> - толщина I-й пластины

B<SB POS="POST">I</SB> - ширина I-й пластины

C<SB POS="POST">I</SB> - скорость сдвиговых волн в I-й пластине, м/с

ΔВ<SB POS="POST">I</SB> = (B<SB POS="POST">I</SB> - B<SB POS="POST">I-1</SB>)/2, I*98 1. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 29/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ (21) 4706549/28 (22) 19.06.89 (46) 07.08.91. Бюл. М 29 (71) Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А.Чаплыгина (72) А.Н.Серьезнов, В.И,Харитонов и Г.В.Жигалин (53) 620.179,16 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1128159, кл. G 01 N 29/04, 1980.

Авторское свидетельство СССР

¹ 819708. кл. G 01 N 29/04, 1979. (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ Ь (57) Изобретение относится к средствам измерений и может быть использовано для приема акустических импульсных сигналов, упругих вЬлн Рэлея и Лэмба, а также для измерения динамических деформаций при акустическом контроле тонкостенных и объемных конструкций. Цель изобретения—

Изобретение относится к средствам измерений и может быть использовано для приема акустических импульсных сигналов и упругих волн Рэлея и Лэмба, а также динамических деформаций при акустическом контроле тонкостенных и объемных конструкций.

Целью изобретения является повышение равномерности амплитудно-частотной характеристики в широком диапазоне частот.

На фиг.1 схематически показан прямоугольный пьезоэлектрический преобразователь со ступенчатой боковой поверхностью; на фиг. 2 — схематически показан пьезоэлек„„50„„1668938 А1 повышение чувствительности за счет повышения эффективности преобразования.

Преобразователь содержит выполненные в виде прямоугольных пластин пьезоэлемент с электродами и протектор и представляет собой слоистую пирамидальную структуру с расширяющимися по площади в направлении от верхнего электрода к протектору пластинами, при этом соотношения . суммарной толщины h преобразователя с шириной bi верхнего электрода, а также ширины bl каждой последующей пластины с шириной bl-g предыдущей пластины выражаются зависимостями

h/Ь1 0.36 10" min (cF};4k)i hl 3600/cf, где h = Хhl — суммарная толщина преобразователя; hl — толщина 1-й пластины; bl— ширина i-й пластины; с — скорость сдвиговых волн в I-й пластине,. м/с; Лbl= (Ь! - bl-i)/2, 1 > 1, 1 з.п. ф-лы, 2 ил. трический преобразователь со скошенной (Tс боковой поверхностью.

Пьезоэлектрический преобразователь Q содержит выполненные в виде круглых пря- (h) моугольных пластин слои верхнего электро-, (,9 да t, пьезоэлемента 2, нижнего электрода 3, протектора 4.

Преобразователь установлен на поверхности контролируемого объекта 5 и имеет толщины пластин hl, hz, Ьз, h4 соответственно. Активная ширина преобразователя определяется активной шириной пьезоэлемента 2 или, что одно и то же, шириной b) верхнего электрода I; Ьг, Ьз. Ь4— ширина каждой из последующих пластин соответственно. Преобразователь сцеплен

1668938

50 своей нижней поверхностью протектора 4 с поверхностью объекта 5 по всей площади контакта, например, надежным приклеиванием.

Преобразователь работает следующим образом, Акустические колебания, например волны Рэлея и Лэмба, вызывают деформации поверхности объекта 5, Эти деформации через протектор 4 и далее через электрод 3 передаются пьезоэлементу 2, который за один период волны то сжимается, то растягивается, Деформации поверхности объекта 5 передаются через протектор 4 со скоростью с4 сдвиговых волн в материале протектора, затем через электрод 3 со скоростью сз и далее со скоростью с принимаются пьезоэлементом 2, При этом чем тоньше суммарная толщина h преобразователя и чем выше скорости сГ в пластинах преобразователя, тем быстрее (с меньшей задержкой) и без искажения передается акустический сигнал пьезоэлементу 2.

hi

За время tl = — прохождения сигналом

cf

I-й пластины поверхностная волна со скоростью cR перемещается по объекту на расстоhi яние cR —, Это обусловливает краевой с эффект e i-й пластине, играющий отрицательную роль при передаче акустического воздействия, Для уменьшения краевого эффекта ширина (i-1}-й и 1-й пластин выбирается из соотношения

fbi ь —, с (1) где ЛЬ Ь- Ь,1> 1, Выражение (1) характеризует фактичео ски величину минимального уширения I-й пластины по отношению к (i-1}-й пластине или ширину полоски, окаймляющей (Н)-ю и

l-e пластины, Ширина верхнего электрода Ь (активная ширина) должна удовлетворять соотношению

b, = "(2)

CR где Я и =- — — минимальная длина волны тЬ частотного диапазона преобразователя;

tb — верхняя граница частотного диапазона, Кроме того, для повышения эффективности преобразования суммарная толщина

35 !

h преобразователя должна удовлетворять соотношению — 0,36 10 мин (cf).

b (3)

Нормальные смещения точек поверхности объекта 5 под действием акустической волны вызывают толщинные колебания в объеме пьезоэлемента 2. Однако их вклад в электрический сигнал на выходе незначительный. Физически это следует из-за малой разности фаз колебаний по толщине пьезоэлемента 2 в частотном диапазоне преобразователя, По этой причине преобразователь не чувствителен к приему продольных волн, приходящих из глубины объекта.

5, которые являются помехой при приеме поверхностных волн. Радиальные переотражения, обусловленные конечностью элементов преобразователя, шунтируются самим обьектом 5, чему способствует использование пирамидальной слоистой структуры преобразователя и выполнение соотношений (1)-(3).

Преобразователь в силу своей незначительной толщины и массы не влияет на поле деформаций объекта, Таким образом, обеспечивается высокая степень адекватности преобразования акустического сигнала в электрический.

Эффективность работы преобразователя можно повысить за счет более интенсивного отвода радиальных переотражений в элементах преобразователя в объект. Это достигается тем, что боковые поверхности слоев выполняются со скосами под углами а к поверхности основания (aj < 90 ). Однако наиболее технологичен преобразователь, у которого боковые поверхности слоев имеют общую образующую (фиг.2) с углом скоса Q к нижней поверхности, удовлетворяющим соотношению мин с

a arctg

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий выполненный в виде прямоугольных пластин пьезоэлемент с двумя активными параллельными поверхностями, верхний и нижний электроды, установленныее на активных поверхностях пьезоэлемента, и протектор, на который установлен пьезоэлемент, о т л и ч а,ю шийся тем, .что, с целью повышения равномерности амплитудно-частотной характеристики в широком диапазоне частот, слои электродов, пьезоэлемента и протектора выполнены увеличивающимися по площади в

1668938

« « g 36 + мин с

Фаг,2

Составитель С. Волков

Техред M.Moðãåíòàë Корректор Т, Палий

Редактор И. Шулла

Заказ 2653 Тираж ЯФ Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 направлении протектора, а суммарная толщина h слоев электродов пьезоэлемента и протектора, ширина Ь верхнего электрода и ширины Ь; и bi-i смежных слоев преобразователя выбраны удовлетворяющими следующим условиям:

Ь 0,36 10 мин (cP);

Ь1

>й 3600 сг где bi, hi — соответственно ширина и толщина I-ro слоя преобразователя;

cf — скорость сдвиговых волн в материале i-го слоя, м/с;

2. Преобразователь по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что боковые поверхности слоев электродов, пьезоэлемента и протектора выполнены со скосом и имеют общую образующую под углом а к рабочей поверхности преобразователя, удовлетворяющим следующему условию: