Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь
Изобретение относится к ультразвуковой технике. Цель изобретения - повышение равномерности частотной характеристики в пределах рабочего диапазона . Преобразователь содержит пассивные накладки, продольные размеры которых некратны между собой, Пьезокерамические элементы с внешними боковыми поверхностями в виде цилиндров расположены между пассивными накладками. Поперечные размеры пьезокерамических элементов уменьшаются от пассивной накладки с максимальным поперечным размером к пассивной накладке с минимальным поперечным размером, а площади торцовых поверхностей пассивных накладок равны площади торцовых поверхностей контактирующих с ними пьезокерамических элементов . Пассивная накладка с максимальным поперечным сечением выполнена в виде полусферы . Пассивные накладки,установленные между пассивными накладками с максимальным и минимальным поперечными размерами, выполнены в виде усеченных конусов. 2 ил. Ё
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (5ю В 06 В 1/06
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4847649/10 (22) 14.05.90 (46) 30.08.92. Бюл, М 32 (71) Научно-исследовательский институт технологии машиностроения (72) Н. П. Бирюкова, В. Д. Датько, А. В.
Стамов-Витковский (56) Авторское свидетельство СССР
М 459264, кл. В 06 В 1/06, 1972.
Авторское свидетельство СССР
ЬЬ 925589, кл, В 23 К 20/10, 1980. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к ультразвуковой технике. Цель изобретения — повышение равномерности частотной характеристики в пределах рабочего диапазона. Преобразователь содержит пассивные накладки, продольные размеры
Изобретение относится к устройствам для получения ультразвуковых колебаний с использованием пьезоэлектрических свойств, может найти применение в процессах, где требуется широкий диапазон изменения рабочей частоты, в частности, .при определении резонансных свойств элементов или при акустико-топографическом неразрушающем методе контроля слоистых материалов и сотовых конструкций.
Известны широкополосные пьезоэлектрические преобразователи, в которых пластины установлены одна напротив другой, на каждую пластину нанесены обкладки, причем, пьезопластины установлены с зазором, причем, толщина обкладок и соотношение сторон и зазоров между пьезопластинами имеет определенные зависимости, что при одинаковой зависимости!
Ж, 1757760 А1
2 которых некратны между собой, Пьезокерамические элементы с внешними боковыми поверхностями в виде цилиндров расположены между пассивными накладками. Поперечные размеры пьезокерамических элементов уменьшаются от пассивной накладки с максимальным поперечным размером к пассивной накладке с минимальным поперечным размером, а площади торцовых поверхностей пассивных накладок равны площади торцовых, поверхностей контактирующих с ними пьеэокерамических элемен-. тов. Пассивная накладка с максимальным поперечным сечением выполнена в виде полусферы. Пассивные накладки, установленные между пассивными накладками с максимальным и минимальным поперечными размерами, выполнены в виде усеченных конусов. 2 ил. для всех равных между собой пьезоэлемен- — а тах может только снизить добротность всего преобразователя, т.е, только расширить по- (Л лосу частот в районе резонанса или нескольких кратных между собой по частоте резонансов, а это приводит к тому, что работоспособность такого преобразователя может быть осуществлена на отдельных полосах рабочего спектра частот.
Известно, что на спектр рабочих частот влияют и поперечные колебания тел, Изве- а стен преобразователь, в котором пассивные накладки выполнены в виде полушаров, диаметр образующегося шара равен половине длины волны. В данном случае, единственным резонансным размером является диаметр шара, что и позволяет исключить побочные резонансные частоты и работать строго на одной рабочей частоте или на
1757760
ЗО
50 кратных частотах без каких-либо промежуточных, что также приводит к узкополосному возбуждению объектов в пределах диапазона рабочих частот..
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению по числу общих признаков и решаемой задаче является пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пассивные накладки разных продольных и поперечных размеров, пьезокерамические элементы разных поперечных размеров, расположенные между пассивными накладками, причем, поперечные размеры пьезокерамических элементов уменьшаются ат пассивной накладки с минимальным поперечным размером к пассивной накладке с минимальным поперечным размером, а площади торцевых поверхностей пассивных накладок равны площади торцевых поверхностей контактирующих с ними пьезокерам>лческих элементов.
Недостатком известного пьезокерамического преобразователя является то. чта он также работоспособен в пределах узких палас частот, непосредственно примыкающих к ярко выраженным резонансным частотам, численно кратным между собой, т.е, при высокой добротности колебательной системы она оказывается работоспособной толька на ограниченных, нигде не перекрывающих друг друга полосах частот, Высокая добротность колебательной системы для источников ультразвуковых колебаний, применяемых для апределенля резонанснь>х свойств. объектов (пластин, оболочек и т.п.) а также для акустикатапографического контроля, влечет эа собой не только пропуск диапазонов возбуждения абьектов, что снижает Достоверность палученных результатов, Ма и для поддержания пастаянньп параметров колебательного процесса в зависимости ат частоты колебаний, требует обратной отрицательной связи с излишне завышенным динамическим диапазоном, чтО усложняет конструктивное исполнение сопрягаемых с пьеэокерамическим преобразователем систем.
Целью изобретения является повышение равномерности частотной характеристики в пределах рабочего диапазона.
Данная цель достигается тем, чта в преобразователе, включающем в себя пассивные накладки разных продольных и поперечных размеров, пьезокерамические элементы разных поперечных размеров, расположенные между пассивными накладками, площади торцевых поверхностей которых равны площадям торцевых поверхностей контактирующих с ними пьезокерамических элементов, размеры которых уменьшаются от пассивной накладки с максимальным поперечным размером к пассивной накладке с минимальным поперечным размером, согласно изобретению, пассивная накладка с максимальным поперечным сечением выполнена в виде полусферы, внешние боковые поверхности пьезокерамических элементов имеют цилиндрическую форму, продольные размеры пассивных накладок выбраны некратными ме>кду собой, а пассивные накладки, установленные между пассивными накладками с максимальным и минимальным поперечными размерами выполнены в виде усеченных конусов, На фиг, 1 представлена схема преобраЗователя с пасс>лвными элементами между пьезоэлементами (основной вариант); на фиг, 2 — схема преобразователя без пассивных эле.">ентов между пьезоэлементами (частн ый сл уч ай).
Пьезоэлектрический преобразователь включает в себя торцевые накладки 1, 2, преимущественно, со сферическими участками поверхности, причем, к накладке меньшего диаметра 2 присоединен (например, выполнен с ней заодно целое) волновод 3, Между торцевыми пассивными накладками (их плоскими поверхностями) располагаются группы пьезоэлементов 4, 5, 6, обьединенные в группы по одлнаковому между собой поперечному и продольному размеру, причем, для удобства подключения к источнику питания (ультразвукавому генератору) число пьезоэлементов устанавлива>от четным в сумме всех групп и ка>кду а соседнюю пару пьезоэлементов при сборке преобразователя устанавливают так, чтобы их стороны с одинаковой полярность, о оказались соседствующими, Ме>кду группами пьезоэлементов 4, 5 и 6 установлены накладки 7 и
8 из металла, или они могут быть выполнены из пьезоэлементов 9 и 10, как это показано на фиг, 2, Пьезоэлектрический преобразователь мажет быть соединен посредством центральной шпильки 11, стягивающей торцевые накладки 1 и 2 между собой, для чего последние имеют отверстия с резьбой. Для предотвращения короткого замыкания медных электродов, выполненных из фольги и расположенных между поверхностями пьезоэлементов (не показаны), обращенных друг к другу, а также между накладками 7 и
8, если имеются группы с нечетным числом г1ьезозлементав в них(например, как в группах 4 и 6), на шпильку 11 по длине между накладками 1 и 2 одета диэлектрическая втулка (например, из фторапласта, хпорви1757760
"I.! С";> нила и т.n,), или она обмотана на этой длине вующая резонансному размеру преобразоизолйрующейлентой12."Грушевидная "фор- вателя, равного по длине одной половине ма преобразователя аппроксимируется на волны (продольной), он последовательно участке между накладками 1 и 2, либо сту- возбуждается на частотных резонансах элепенчато, подбором по длине и диаметру 5 ментов, в том числе, если эти резонансы
rpynп пьезоэлектрических преобразовате- соответствуют кратным частотам для однолей 4, 5, 6, 9, 10 (если есть возможность и полуволновых размеров, но в каждом слуболее), или цилиндро-коническими поверх- чае, к резонансному элементу оказываются ностями групп преобразователей 4. 5; 6 и присоединеннымиакустическинерезонанснакладок 9 и 10. 10 ные элементы. Учитывая, что в предложенПьезоэлектрический преобразователь ной конструкции и продольные, и работает следующим образом. поперечные размеры элементов последоваПри подаче на электроды преобразова- тельно от элемента к элементу имеют отлителя переменного напряжения пьезоэле- чия, а число отличйй достаточно велико, то менты изменяют свои размеры в 15 и оказывается достаточно большим; и число соответствии с изменением напряженности частных резонансов во Йсей колебательной электрического поля. При этом, если про- системе, причем, в этом преобразователе дольные или поперечные размеры колеблю- предопределены и условия существования щихся элементов системы удовлетворяют многочисленных частных резонайсов — отна какой-либо частоте возбуждения усло- 20 личием в продольных и поперечных размевию резонанса — размеры кратны половине рах элементов и достаточно большим длины волны. соответственно, продольной числом элементов, а также предопределены или поперечной, то происходит резонанс- условиянизкойдобротности,путемакустиченое увеличение амплитуды колебаний этих ского контакта резонансных,для конкретной элементов, Но в данном преобразователе 25 частоты, элементов с нарезонансными на все элементы, активные и пассивные, аку- этой частоте элементами одной колебастически связаны между собой, причем, все тельной системы. Следует также отметить, эти элементы имеют отличные между собой что даже для условия однополуволновой, продольные и поперечные размеры, следо- для конкретной частоты, колебательной сивательно, если наступает резонанс для ка- 30 стемы, состоящей иэ чередующихся по волкого-либо элемента в продольном или новому-сопротивлению элементов— поперечном направлении, то для остальных пассивных и активных элементов из различ. элементов эта частота является нереэонан- ных материалов — или из элементов со стусной, Присоединение к резонансной систе- пенчато изменяющемуся поперечному ме нерезонансной снижает добротность 35 размеру, причем,этиэлементыиз материавсейсистемы. Крометого, при возбуждении ла с достаточно низкой добротностью по преобразователя на более высоких часто- сравнению с металлами, добротность всей тах, чем наинизшая резонансная частота, колебательной системы существенно снит,е. при частоте изменения электрического жается по сравненив с системой, s которой напряжения выше частоты которой соответ- 40 пьезоэлемент по длине преобразователя (с""ствуетдлина преобразователя(между край- накладками) составляет малую часть и расними точками накладок) более половины положен водномместе. длины продольной волны, часть пьезозле- Таким образом, в преобразователе, соментов или групп пьезоэлементов будут ра- гласно изобретению, последовательно. по ботать в противофазе по отношению к 45 мере изменения частоты возбуждения, промеханическим колебаниям других пьезоэле- исходит перекрытие резонансных полос чаментов и групп, что приводит к снижению стот от отдельных- резонансов элементов добротности, К снижению добротности при- вплоть до максимально возможной рабочей водит и конусность элементов для попереч- частоты, определяемой минимальным разных колебаний элементов — поперечные 50 мерам (толщиной) у пьезоэлементов в групколебания и продольные связаны между со- пах, С учетом трансформации (усиления бой через коэффициент Пуансона, Также амплитуд колебаний на сужающихся в наснижает добротность колебаний присоеди- правлении распространейия волны элеменнение к резонансному элементу иных эле- тах) высокочастотные пьезоэлементы, т.е, ментов, отличающихся от резонансного по 55 самые тонкие, предпочтительно выбирать поперечному размеру, поскольку они уже самого большого диаметра, поскольку и повыступают потребителями механической тери на возбуждение, а следовательно, и энергии, Следовательно, последовательно добротность колебательной системы любовоэбуждая преобразователь на частотах го типа на высших частотах будет ниже, чем выше, чем резонансная частота, соответст- на низких частотах.
1757760
Составитель И,Игумнова
Техред М,Моргентал Корректор О.Кравцова
Редактор Е.Егорова
Заказ 2956 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
Формула изобретения
Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пассивные накладки разных продольных и поперечных размеров, пьезокерамические элементы разных поперечйых размеров, расположенные между пассивными накладками, причем поперечные размеры пьезохерамических элементов уменьшаются от пассивной накладки с максимальным поперечным размером к пассивной накладке с минимальным
° "поперечным размером, а площади торцевых поверхностей пассивных накладок равны площади торцевых поверхностей контактирующих с ними пьезокерамических злементов,отл ича ю щийся тем,что, с целью повышения равномерности частотной характеристики s пределах рабочего диапазона, пассивная накладка с максимальным
5 поперечным сечением выполнена в виде полусферы, внешние боковые поверхности пьезокерамических элементов имеют цилиндрическую форму, продольные размеры пассивных накладок выбраны
10 некратными между собой, а пассивные накладки, установленные между пассивными накладками с максимальным и минимальным поперечными размерами выполнены в виде усеченных кону15 сов;
