Широкополосный ультразвуковой преобразователь

 

Изобретение относится к технике излучения и приема ультразвука и может быть использовано в различной ультразвуковой (УЗ) аппаратуре, в том числе в УЗ дефектоскопах , работающих в широком диапазоне частот. Целью изобретения является упрощение технологии изготовления при обеспечении однородности возбуждающего поля в объеме пьезоэлемента. Цель достигается благодаря тому, что в Широкополосном УЗ преобразователе, представляющем собой пьезоэлемент с плоской рабочей и вогнутой тыльной поверхностями, поляризованный перпендикулярно поверхностям электродов, боковые поверхности пьезоэлемента выполнены плЬскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, а электроды нанесены на боковые поверхности. Технология нанесения электродов вследствие плоскопараллельности боковых поверхностей значительно упрощается. 2 ил. ел С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 04 R 17/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4241964/63 (22) 11.05.87 (46) 07.01,93. Бюл. )ч 1 (71) Московский энергетический институт (72) А.И.Питолин, B.Ï.Ïîïêo и Г.Ю.Рябов (56) Домаркас B.È., Кажис P.-ЙЛО. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические. преобразователи, Вильнюс, Минтис, 1975, с.202-207.

Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. /Под ред.

И.Н.Ермолова, М,: Машиностроение, 1986,. с. 86-87. (54) ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УЛЬТРАЗВУКО-

ВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к технике излучения и приема ультразвука и может быть использовано в различной ультразвуковой

Изобретение относится к технике излучения и приема ультразвука (УЗ) и может быть использовано в различной УЗ аппаратуре, в том числе, в ультразвуковых дефектоско пах, работающих в широком диапазоне частот. .Известны широкополосные УЗ преобразователи, обладающие широкой полосой рабочих частот, что достигается за счет их механического и/или/ электрического демпфирования. .К недостаткам этих способов следует отнести значительное снижение коэффициента преобоазования и, следовательно, низкую эффективность широкополосных УЗ преобразователей.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь в виде пьезоэлемента переменной толщины, одна рабочая (излучающая) поверхность которого выполнена плоской, а вторая — сферически,, Ы,, 1786685 А1 (УЗ) аппаратуре, в том числе в УЗ дефектоскопах, работающих в широком диапазоне частот. Целью изобретения является упро щение технологии изготовления при обеспечении однородности возбуждающего поля в объеме пьезоэлемента. Цель достигается благодаря тому, что в широкополосном

УЗ преобразователе, представляющем собой пьезоэлемент с плоской рабочей и вогнутой тыльной поверхностями, поляризованный перпендикулярно поверхностям электродов, боковые поверхности пьезоэлемейта выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, а электроды ф нанесены на боковые поверхности. Технология нанесения электродов вследствие плоскопараллельности боковых поверхностей значительно упрощается. 2 ил.

Ф вогнутой (выпуклой), электроды нанесены на рабочие поверхности, вектор поляризации пьезоэлемента перпендикулярен плоской рабочей поверхности. Такой пьезоэлемент, работая на продольной моде колебаний, определяемой пьезомодулем бзз, при сравнительно высоких коэффициентах Кпр(электроакустического) и Кри(акустоэ- . лектрического) преобразования имеет . широкую полосу рабочих частот Af

hf= fe — fH. fe=

С38 г hm .

Сзв

1" 2 hmax (1) где 4, f — соответственно, верхняя и нижняя рабочие частоты пьезоэлемента;

C„— скорость звука в пьезоматериале;

hmt>, hmex — соответственно, минимальная и максимальная высоты пьезоэлемента, измеряемые между рабочими псверхностями.

1786685

10 подгонки частотного диапазона пьезоэле- 15 мента необходимо после каждого контроль20

30

Формула изобретения

Широкополосный ультразвуковой преобразователь, представляющий собой пьезоэлемент c плоской рабочий и вогнутой тыльной поверхностями, поляризованный перпендикулярно поверхностям электро5 дов, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии изготовления при обеспечении однородности возбу>кдающего поля в обьеме пьезоэлемента, боковые поверхности пьезоэлемента выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, при этом электроды нанесены на боковые поверхности.

50

Этот пьезоэлемент нашел применение в качестве активного элемента в широкополосных УЗ искателях.

Недостатки данного пьезоэлемента заключаются в неравномерности частотной 5 характеристики, что снижает достоверность контроля, и небольшом сроке службы. Все это является следствием существенной неравномерности электрического поля по плотности и направленности в сечении пьезоэлемента.

Кроме того, изготовление таких пьезоэлементов сопряжено со значительными технологическими трудностями, т,к. для точнои ного испытания полностью разрушать . металлизированный слой (электрод) рабочей поверхности, подлежащей дополнительной механической обработке и после проведения такой операции каждый раз наносить его заново.

Целью настоящего изобретения является упрощение технологии изготовления при обеспечении однородности возбуждающего поля в объеме пьезоэлемента.

Поставленная цель достигается тем, что в широкополосном ультразвуковом преобразователе, представляющем собой пьезоэлемент с плоской рабочей и вогнутой тыльной поверхностями, поляризованный перпендикулярно поверхностям электродов, боковые поверхности пьезоэлемента выполнены плоскопаргллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, а электроды нанесены на боковые поверхности, На фиг, 1 схематически показан пьезоэлемент широкополосного УЗ преобразователя;;а фиг. 2 — экспериментальна полученная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).

Такой пьезоэлемент, работая на поперечной моде колебаний, определяемой пьезомодулем бз1, который с учетом технологического разброса для широко распространенной пьезокерамики ЦТС вЂ” 19 является близким по величине значению пьезомодуля бзз, излучает в широкой полосе частот Af, определяемых выражением (1).

Наряду с этим вследствие параллельности электродов электрическое напряжение, прикладываемое к пьезоэлементу, создает в нем однородное по плотности и направленности электрическое поле, а, значит, пьезоэффект в таком пьезоэлементе проявляется одинаково на всех частотах.

Таким образом, пьезоэлемент одинаково возбуждается на всех частотах рабочего диапазона, а однородность по плотности электрического поля в пьезоэлементе позволяет продлить срок его службы. Вследст вие того, что электроды вынесены с рабочих поверхностей, технология изготовления пьезоэлемента зйачительно упрощается.

Для проверки решения был изготовлен пьезоэлемент из плоскопараллельной пьезопластины с размерами "Ox15x3 мм, у которого электроды 1 нанесены на поверхность с размерами 60х15 мм, при этом вектор поляризации перпендикулярен электродам.

Одной из рабочих поверхностей пьезоэлемента является поверхность с размерами 60х3 мм, а второй.— противоположная ей механически обработанная вогнутая поверxHQcTb. При этом максимальная и минимальная высоты пьезоэлемента, измеряемые между рабочими поверхностями, соответственно, составили: hma = 15 мм, hmi = 7 мм.

Рассчитанные согласно выражениям (1) полоса и крайние частоты рабочего диапазона при условии B». = 3 мм/мкс составили;, Ьf = 100 кГц; fo =200 кГц; fH =100 кГц.

На фиг, 2 показана экспериментально снятая АЧХ изготовленного пьезоэлемента.

Видно, что при практически равномерной

АЧХ реальной диапазон рабочих частот составил Af = 108 кГц при 4 = 203 кГц и fH =

=95 кГц, что достаточно хорошо согласуется с расчетными величинами.

1786685

g3g ИО 220 1кГц

Составитель Н. Гусева

Техред М. Моргентал

Редактор С. Кулакова

Корректор С.Юско

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

Заказ 258 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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