Фокусирующий ультразвуковой преобразователь с переменным фокусным расстоянием

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю качества материалов и изделий. Целью изобретения является увеличение чувствительности. Для этого в преобразователе, содержащем две линзы, линза 2 выполнена плосковогнутой, а линза 3 - плосковыпуклрй с радиусом кривизны, большим радиуса кривизны плосковогнутой линзы 2. Кроме ТОГО; акустический импеданс материалов линз равен акустическому импедансу звукопроводящей жидкости 4. При этом добиваются минимальных акустических аберраций в требуемом интервале перемещения фокуса. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.•: • :•;'.' '.'• ; '••'" '^' •:"''' :•' •" '•'• '"'•'..• ^

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

1 (21) 4669579/28 (22) 30.03.89 (46) 23.02.92. Бюл. N 7, ° . .(71) Киевский. политехнический инстйтут им.50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) С.М.Маевский, В;Э.Тамберг и К,К.Балачук (53) 620.179.16 (088.8) (56) Ермолов И.Н. Теория и практика ультра- звукового контроля. — M.: Машиностроение, 1981, с;91.

Заявка Франции М 2578081, . кл. 6 10 К 11/30, 1987. (54) ФОКУСИРУЮЩИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПЕРЕМЕ

ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ

„„59„„1714497 А1 (57) Изобретение относится к неразрушающему контролю качества материалов и изделий, Целью изобретения является увеличение чувствительности. Для этого в преобразователе, содержащем две линзы, линза 2 выполнена плосковогнутой, а линза

3 — плосковыпуклой с радиусом. кривизны, большим радиуса кривизны плосковогнутой линзы 2. Кроме того, акустический импеданс материалов линз равен акустическому им.педансу звукопроводящей жидкости 4. При этом добиваются минимальных акустиче- . ских аберраций в требуемом интервале перемещения фокуса. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1714497 сировки

Sа

K — 2-,У

15

F- R(1-n), 20 рь =. 0,61 Е Х/а

Изобретение относится к области нераэрушающего контроля качества материалов и изделий.

Известны применяемые в акустической дефектоскопии и микроскопии фокусирующие ультразвуковые преобразователи, содержащие пьезоэлемент с электродами, прикрепленный к подвижной плосковогнутой линзе, позволяющий производить фокусировку (концентрацию) ультразвуковой энергии преобразователя в точке, называемой акустическим фокусом преобразователя, расположенной относительно линзы на расстоянии, где R — радиус кривизны линзы;

n — коэффициент преломления, и Сс/Сл. где Сс — скорость ультразвуковой волны в среде фокусировки;

Сл —.скорость ультразвуковой волны в материале линзы.

Такие фокусирующие ультразвуковые преобразователи обеспечивают возможность изменения положения акустического фокуса в исследуемой среде путем его перемещения в иммерсионной среде (звукопроводящей жидкости) вдоль акустической оси линзы.

Наиболее близким к изобретению является акустическое многолинзовое устройство с.переменным увеличением и фокусным расстоянием, содержащее две линзы, одна иэ которых плосковогнутая, а другая связана с первой через звукопроводящую среду и размещена вблизи ее конфокальной зоны, и пьезоэлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы. Вторая линза вместе с выходной линзой образуют двояковогнутую акустическую линзу, за которой в ..проводящей ультразвуковой среде помещен исследуемый образец. Изменяя относительное положение второй линзы, можно анализировать образец по всему объему, получая ультразвуковое изображение.

Недостатком известного акустического многолинзового устройства с переменным увеличением и фокусным расстоянием является ограничение его использования на вы соких частотах. поскольку такое положение линз требует большого слоя звукопроводящей жидкости (большего суммы фокусных расстояний первой и второй линз), а все известные эвукопроводящие жидкости, включая жидкие металлы и газы, на частотах свыше 100 МГц имеют большие затухания ультразвука. Такое положение акустических линз и их тип уменьшают коэффициент фо30

55 кусировки ультразвуковой энергии преобразователя, поскольку коэффициент фокупрямо зависит от активной площади преобразователя S и обратно от фокусного расстояния F, т.е. расстояния от пьезоэлемента до точки концентрации ультразвуковой энергии. Использование увеличения дополнительно уменьшает коэффициент фокусировки и увеличивает толщину звукопроводящей жидкости, поскольку для этого необходима вторая линза с большим фокусным расстоянием, чем первая, и в результате приводит к снижению чувствительности за счет затухания ультразвука в звукопроводящих средах и уменьшения коэффициента фокусировки ультразвуковой энергии в фокусе из-за увеличения радиуса фокального пятна

Целью изобретения является увеличение чувствительности фокусирующих ультразвуковых преобразователей с переменным фокусным расстоянием.

Поставленная цель достигается тем, что а фокусирующем ультразвуковом преобразователе с переменным фокусным расстоянием, содержащем две линзы, одна из которых плосковогнутая, а другая связана с первой через эвукопроводящую среду и раз- мещена вблизи ее конфокальной зоны, и пьезоэлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы, вторая линза выполнена плосковыпуклой с радиусом кривизны больше радиуса кривизны. плосковогнутой линзы.

Замена двояковогнутой линзы плосковыпуклой приводит к уменьшению слоя звукопроводящей жидкости между линзами и между плосковыпуклой линзой и исследуемым объектом. Уменьшается расстояние от пьезоэлемента до фокуса. что ведет к повышению чувствительности за счет увеличения коэффициента фокусировки.

Равенство акустических импедансов материала линз и звукопроводящей жидкости ведет к оптимальному акустическому согласованию акустического тракта, что значительно уменьшает потери на прохождемие границ раздела линзы —. звукопроводящая среда, и также уменьшается акустический шум, вызванный переотражениями в линзах. Комбинация

1714497

30 плосковогнутой линзы перемещается от

l точки F1 до точки F>) вызывает перемещение фокуса преобразователя с точки F поверхности контролируемого объекта до точки Fn, лежащей на противоположной 35 ,стороне того же объекта (фиг.1). Поэтому слой звукопроводящей жидкости между линзами всегда меньше фокусного расстояния плосковогнутой линзы, а это приводит

50

55 фокусирующей и расфокусирующей линз уменьшает акустические аберрации, что также повышает чувствительность преобразователя.

На фиг.1 представлена схема фокусирующего ультразвукового преобразователя; на фиг.2 — пример конкретного преобразователя.

Фокусирующий ультразвуковой преобразователь с переменным фокусным расстоянием содержит пьезоэлемент 1, закрепленный на плоской поверхности плосковогнутой линзы 2, связанной с плосковыпуклой линзой 3 через звукопроводящую жидкость 4. .Оптимальная разница в радиусах кривизны линз составляет 1-20 j, и определяется диапазоном перемещения фокуса устройства, Замена двояковогнутой линзы. на плосковыпуклую приводит к уменьшению слоя эвукопроводящей жидкости между линзами в результате того, что мнимый фокус плосковыпуклой линзь1 F2 всегда будет лежать вблизи действительного фокуса плосковогнутой линзы Fg (фиг.1). Это необ ходимо для выполнения условия работы такого фокусирующего преобразователя с переменным фокусным расстоянием; Перемещение Ь плосковогнутой линзы относительно плосковыпуклой .(фокус к уменьшению затухания звука в преобраэователе, уменьшению расстояния от пьезоэлемента до фокуса Еп и, в результате. к повышению чувствительности за счет повышения коэффициента фокусировки. Дополнительное повышение чувствительности достигается применением звукопроводя-. щей жидкости с акустическим импедансом равным импедансу линз.

Необходимым условием выполнения такого преобразователя является наличие как минимум двух акустических линз — одной фокусирующей, другой рассеивающей, при этом радиус кривизны рассеивающей линзы должен быть больше фокусирующей. Фокус плосковыпуклой линзы отстоит от фокуса плосковогнутой линзы и лежит на акустической оси преобразователя, при этом расстояние между акустическими фокусами плосковогнутой и плосковыпуклой линз определяет фокусное расстояние преобраэо5

15 вателя (фиг.1). Таким образом, повышается чувствительность фокусирующего ультразвукового преобразователя с переменным фокусным расстоянием.

Примером конкретного выполнения фокусирующего преобразователя является преобразователь (фиг.2), состоящий из корпуса 5, в нижней части которого закреплена плосковыпуклая линза 3, а внутри закреплена на подвижной втулке 6 плосковогнутая линза 2, на плоской части которой размещен пьезоэлемент 1. Пространство между линзами 3 и 2 заполнено ртутью 4. Выводы преобразователя подключены через гибкий кабель к разъему 7.

В верхней части корпуса закреплена гофрированная подвижная перегородка 8, служащая для полной герметизации внутреннего объема преобразователя от воздействия внешней среды, а также возможности передачи движения штоку 9, прикрепленному одной стороной к втулке, а другой выходящему наружу, Гофрированная перегородка закреплена в корпусе крышкой

10, Верхняя наружная часть преобразователя выполнена с резьбой для точной фиксации йреобразователя на каретке сканирующего устройства. Винт 11 служит для заливки в преобразователь ртути. В данном фокусирующем преобразователе используется пьезоэлемент на основе пьезополупроводника ZnO и акустические линзы из стекла марки ТК-21 (разновидность тяжелого крона). Звукопроводящей жидкостью является насыщенная медью и никелем ртуть, при этом для обеспечения смачиваемости линз и получения хорошего акустического контакта между линзами и ртутью линзы покрыты подслоем никеля толщиной 0;04 мкм, затем слоем меди 0,8 мкм и слоем индия 0,8 мкм. Покрытие линз слоями никеля, меди и индия определяет технологичность, адгезионную прочность и смачиваемасть линз без изменения характеристик во времени. Толщина слоев выбрана исходя из того, чтобы не вносить рассогласований в акустический тракт преобразователя, Вместо индия можно наносить платину, золото, серебро. они также отлично смачиваются и защищают медь от окисления.

Ртуть и стекло марки ТК-21 оптимально согласованы по акустическому импедансу, исходя из чего реверберационные акустические шумы преобразователя гораздо ниже полезного акустического сигнала во всем диапазоне измерений. Подвижная втулка выполнена с продольными пазами для забора ртути e ðåæèìå опускания подвижной линзы.

1714497

4Ьа Z

Составитель Д.Горянский

Редактор СЯатрушева Техред М.Моргентал - Корректор 0.Кундрик

Заказ 689 . Тираж 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

Фокусирующий преобразователь предназначен для контроля изделий из конструкционной- керамики на частотах свыше 100

Мгц.

Формула изобретения

1. Фокусирующий ультразвуковой преобразователь с переменным фокусным расстоянием. содержащий две линзы, одна из которых плосковогнутая, а другая связана с первой через звукопроводящую среду и размещена вблизи ее конфокальной зоны, пьезозлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы, о т л и ч а ю щ и и - 1 с я тем, что, с целью увеличения чувствитель- ности, вторая линза выполнена плосковы5 пуклой с радиусом .кривизны, большим радиуса кривизны плосковогнутой линзы.

2. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что акустический импеданс

10 материала линз равен акустическому импедансу звукопроводящей жидкости.