Ультразвуковой преобразователь

Изобретение предназначено для использования при дефектоскопии, структуроскопии и толщинометрии изделий из бетона и горных пород. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности, при этом каждый из электродов на боковых поверхностях разделен на N идентичных секций, причем первая секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с второй секцией первой боковой поверхности, N-1 секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с N секцией первой боковой поверхности, а первая секция электрода первой боковой поверхности и N секция электрода второй боковой поверхности являются выходами пьезопреобразователя. Технический результат: повышение эффективности работы ультразвукового преобразователя в режиме приема. 1 ил.

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при построении высокочувствительной аппаратуры для дефектоскопии, структуроскопии и толщинометрии, работающих в широком диапазоне частот, в частности, при исследовании крупноструктурных и неоднородных материалов, таких как бетоны, пластики и горные породы.

Известен ультразвуковой преобразователь, работающий на продольной моде колебаний (Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении / СПб.: СВЕН, 2007. - 296 с.) и содержащий пьезоэлемент, выполненный в виде плоского диска, рабочая поверхность которого акустически контактирует с контролируемым объектом, и демпфер, закрепленный с возможностью акустического контакта на противоположной поверхности пьезоэлемента, причем пьезоэлемент поляризован перпендикулярно своей рабочей поверхности, а электроды нанесены на рабочую и противоположную поверхности.

Недостатком известного технического решения являются невозможность оперативной подстройки резонансной частоты, т.к. эта операция предполагает изменение резонансной высоты пьезоэлемента, что сопровождается разрушением электрода на поверхности пьезоэлемента, противоположной рабочей поверхности, а также низкая эффективность электроакустического преобразования в режиме приема вследствие высокого значения электрической емкости пьезоэлемента.

Наиболее близким к изобретению по технической является ультразвуковой преобразователь (АС СССР №1786685, МПК В06В 01/02, H04R 17/10, опубл. 07.01.1993), содержащий пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности. Такой пьезоэлемент, работая на поперечной моде колебаний в режиме излучения зондирующего сигнала, особенно в низкочастотном ультразвуковом диапазоне, по эффективности формирования ультразвуковой волны в контролируемом объекте превосходит преобразователь, работающий на продольной моде колебаний, при которой направление излучения (приема) акустической волны совпадает с направлением вектора поляризации. Это объясняется тем, что при одинаковых амплитуде возбуждающего сигнала на выходе генератора зондирующего сигнала и площади рабочей поверхности напряженность электрического поля внутри пьезоэлемента с поперечной модой колебаний, а значит и амплитуда генерируемого акустического сигнала, в десятки раз больше, чем напряженность электрического поля в пьезоэлементе, возбуждаемого в режиме излучения на продольной моде колебаний.

Однако функциональные возможности и сфера использования технического решения, принятого в качестве прототипа, ограничены существенным недостатком, суть которого состоит в том, что эффективность его работы в режиме приема значительно ниже эффективности работы в аналогичном режиме пьезопреобразователя с продольной модой возбуждения.

Техническая задача изобретения заключается в повышении эффективности его работы в режиме приема.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик ультразвукового преобразователя за счет разделения по площади каждого из пары исходных электродов, расположенных на боковых поверхностях пьезоэлемента, на N пар электродов по площади меньших размеров и электрически последовательного соединения вновь сформированных электродов.

Это достигается тем, что в известном ультразвуковом преобразователе, содержащем пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности, каждый из электродов на боковых поверхностях разделен на N идентичных секций, причем первая секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с второй секцией первой боковой поверхности, N-1 секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с N секцией первой боковой поверхности, а первая секция электрода первой боковой поверхности и N секция электрода второй боковой поверхности являются выходами пьезопреобразователя.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен пьезопреобразователь с тремя электрически независимыми секциями пьезоэлемента с вертикальной ориентацией секций ультразвукового преобразователя. Однако в общем случае пространственная ориентация секций может быть произвольной.

Ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлемент 1, первая боковая поверхность 2 и вторая боковая поверхность 3 которого выполнены плоскопараллельными, рабочая поверхность 4 пьезоэлемента 1 ориентирована перпендикулярно боковым поверхностям 2 и 3, пьезоэлемент 1 поляризован перпендикулярно боковым поверхностям 2 и 3, электрод 2.1 первой боковой поверхности 2 нанесен на первую боковую поверхность 2, а электрод 3.1 второй боковой поверхности 3 нанесен на вторую боковую поверхность 3, на первую боковую поверхность 2 нанесены дополнительно N электродов 2.2…2⋅(N+1), где N - целое число и N>1, и на вторую боковую поверхность 3 нанесены дополнительно N электродов 3.2…3⋅(N+1), все 2⋅(N+1) электродов имеют одинаковую конфигурацию, ориентацию и размер, причем первый электрод 3.1 второй боковой поверхности 3 электрически соединяется со вторым электродом 2.2 первой боковой поверхности 2, второй электрод 3.2 второй боковой поверхности 3 электрически соединяется с третьим электродом 2.3 первой боковой поверхности 2, …, N-й электрод 3⋅N второй боковой поверхности 3 электрически соединяется с N+1 электродом 2⋅(N+1) первой боковой поверхности 2, а первый электрод 2.1 первой боковой поверхности 2 и (N+1)-й электрод 3⋅(N+1) второй боковой поверхности 3 используются в качестве выходов 5 и 6 ультразвукового преобразователя.

Ультразвуковой преобразователь работает следующим образом.

Пьезоэлемент 1 с нанесенными на него электродами представляет собой конденсатор, обладающий емкостью С. Напряжение V на этом конденсаторе определяется следующим выражением [2]:

где Q - заряд, накопленный в конденсаторе; d31 - пьезомодуль; F - сила, приложенная к пьезоэлементу; Sэ - площадь электрода; ε0 - электрическая постоянная; ε- диэлектрическая проницаемость.

При делении каждого пьезоэлемента 1 на N секций, площадь Sc секции электрода равна Sc=Sэ/N, а сила, воздействующая на рабочую поверхность 4 секции пьезоэлемента Fc=F/N. Таким образом, напряжение Vc, снимаемое с каждой секции, оказывается равным напряжению V, снимаемому с общей площади электрода.

Электрически последовательное соединение трех секций пьезоэлемента, показанное на чертеже, приводит к тому, что напряжение V, снимаемое с пьезоэлемента, возрастает также в три раза.

Значение N следует выбирать с учетом величины суммарной паразитной электрической емкости СΣ соединительных цепей и входного каскада приемного тракта, а именно: Сп/N2 >> СΣ, где Сп - величина электрической емкости пьезоэлемента. Так, для пьезопреобразователя, обладающего величиной электрической емкости Сп=10000 пФ и значении паразитной емкости СΣ=25 пФ, значение N<3…5.

Использование изобретения при приеме ультразвуковых колебаний обладает высокой эффективностью электроакустического преобразования и может найти широкое применение в качестве конструктивной основы раздельно-совмещенных фазированных антенных решеток ультразвуковых томографов, предназначенных для толщинометрии и дефектоскопии различных изделий и конструкций из бетона в строительной индустрии.

Ультразвуковой преобразователь, содержащий пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности, отличающийся тем, что каждый из электродов на боковых поверхностях разделен на N идентичных секций, причем первая секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с второй секцией первой боковой поверхности, N-1 секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с N секцией первой боковой поверхности, а первая секция электрода первой боковой поверхности и N секция электрода второй боковой поверхности являются выходами пьезопреобразователя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к акустике, в частности к пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям. Электроакустический преобразователь содержит генератор переменного напряжения, цилиндрический корпус, соосно расположенные в нем круглый биморф с двумя пьезоэлементами, скрепленный с выпуклой мембраной над ним и общим плоским кольцевым держателем, снабжен над выпуклой мембраной акустическим отражательным экраном с периферийными узлами соосного крепления его к цилиндрическому корпусу.

Изобретение относится к акустике, в частности к пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям. Преобразователь содержит соосно скрепленные диффузородержатель, диффузор, волновод с жестко сопряженным с ним биморфным пьезоэлементом, проводники к источнику электрических колебаний.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к пьезоэлектрическим преобразователям. Пьезоэлектрический преобразователь содержит металлический корпус, имеющий цилиндрическую полость, в которой соосно полости последовательно от замыкающей стенки размещены протектор, пьезоэлемент, опорное кольцо и ниппель с отверстием, а также проводники, соединяющие электроды пьезоэлемента с сигнальным кабелем или разъемом.

Использование: для исследования крупноструктурных и неоднородных материалов посредством ультразвука. Сущность изобретения заключается в том, что преобразователь содержит корпус, в котором расположены первый, второй, третий и четвертый пьезоэлементы.

Изобретение относится к метрологии. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь содержит звукопровод, пустотелый цилиндрический корпус, пьезоэлемент с электродами, изолятор, установленный своей нижней поверхностью на верхней поверхности звукопровода, а верхней поверхностью - на нижней поверхности пьезоэлемента.

Использование: для измерения расхода высокотемпературной текучей среды. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой датчик содержит пьезоэлектрический вибратор, выполненный из ниобата лития и имеющий в качестве поверхности выхода поверхность, полученную путем поворота поверхности, перпендикулярной оси Υ кристалла ниобата лития, на угол 36°±2° вокруг оси X; демпфер, выполненный из титана; и соединяющий слой для соединения одной поверхности демпфера с поверхностью выхода; при этом соединяющий слой выполнен из серебра и стеклянной фритты, причем стеклянная фритта имеет коэффициент линейного расширения в диапазоне от 5×10-6 K-1 до 15×10-6 K-1.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к конструкциям малогабаритных стержневых армированных пьезокерамических преобразователей, предназначенных для работы в составе многоэлементных антенн гидроакустических приемоизлучающих систем, например, для морского подводного оружия.

Использование: в качестве существенной части ультразвукового расходомера. Сущность изобретения заключается в том, что корпус (1) преобразователя имеет ультразвуковое окно (3), корпусную трубку и корпусной фланец (5), и преобразовательный элемент (2) предусмотрен либо на обращенном к среде, интенсивность расхода которой необходимо измерять, конце корпусной трубки, либо на обращенном от среды, интенсивность расхода которой необходимо измерять, конце корпусной трубки, и причем ультразвуковой преобразователь выполнен с возможностью крепления на держателе (6) преобразователя с помощью корпусного фланца (5) и для этого корпусной фланец (5) корпуса (1) преобразователя выполнен с возможностью зажима между фланцем (7) держателя держателя (6) преобразователя и контрфланцем (8) с помощью стяжных болтов (9) и контргаек (10), при этом корпусной фланец (5) корпуса (1) преобразователя на его обращенной к контрфланцу (8) стороне имеет внешний контур (12), который допускает затяжку контрфланца (8) по отношению к корпусному фланцу (5) корпуса (1) преобразователя без перекоса корпусного фланца (5).

Изобретение относится к блоку из ультразвукового преобразователя и держателя преобразователя. Блок из ультразвукового преобразователя (1) и держателя (2) преобразователя, причем ультразвуковой преобразователь (1) имеет корпус (3) преобразователя и преобразовательный элемент (4), причем корпус (3) преобразователя имеет ультразвуковое окно (5), корпусную трубку (6) и корпусный фланец (7), причем преобразовательный элемент (4) предусмотрен либо вблизи от ультразвукового окна (5) корпуса преобразователя или на удалении от ультразвукового окна корпуса преобразователя, причем держатель (2) преобразователя имеет фланец (8) держателя, и причем корпусный фланец (7) корпуса (3) преобразователя с помощью контрфланца (9) с промежуточным включением уплотнительного кольца (10) прижат к фланцу (8) держателя держателя (2) преобразователя.

Изобретение относится к акустике, в частности к пьезоэлектрическим преобразователям, снабженным мембраной. Преобразователь содержит генератор, цилиндрический корпус, соосно расположенные в нем круглый биморфный пьезоэлемент с выпуклой мембраной над ним и общий плоский кольцевой держатель, снабженный у основания выпуклой мембраны отштампованным на нем кольцевым V-образным диффузором с углом раскрытия от 15 до 60 град в радиальном сечении.

Изобретение относится к акустике, в частности к электроакустическим пьезоэлектрическим преобразователям. Электроакустический пьезокерамический преобразователь, содержащий корпус, соосно последовательно скрепленный диффузородержатель, диффузор и пакеты из двух пьезокерамических биморфов с межбиморфными узлами скрепления, отличающийся тем, что между вершиной диффузора и корпусом, с помощью центральных скрепляющих стоек, закреплены два или несколько пакетов, состоящих каждый из двух пьезокерамических биморфов, соединенных по периферии узлами скрепления, разделенных центральной скрепляющей стойкой, электрически соединенных таким образом, чтобы при подаче переменного напряжения заданной частоты, пьезокерамические биморфы в пакетах изгибались в противоположных направлениях, передавая механические колебания к вершине диффузора с амплитудой, равной сумме векторов + h всех пьезокерамических биморфов. Технический результат – увеличение акустического давления и повышение коэффициента полезного действия устройства. 3 ил.

Группа изобретений относится к ультразвуковой визуализации объектов.  Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах содержит генератор и блок обработки информации, корпус, лазер, первую и вторую двояковыпуклую оптическую линзы, полупрозрачное оптическое зеркало, отражающее оптическое зеркало, приёмную матрицу, плоско-выпуклую оптическую линзу, диск с первыми сквозными отверстиями, в каждом из которых размещён волновод с входным и выходным торцами, акустическую линзу, акустический излучатель. Генератор электрически соединён с акустическим излучателем и с блоком обработки информации, который соединён c приёмной матрицей. Акустический излучатель установлен с обеспечением возможности излучения сигналов во внешнюю среду. Диск установлен с обеспечением возможности поступления на входные торцы волноводов через акустическую линзу акустических сигналов, излучённых акустическим излучателем и отражённых внешней средой. Плоско-выпуклая оптическая линза установлена таким образом, что внутри корпуса возникает герметичное пространство. Волноводы устанавливают в первые отверстия в диске. Диск устанавливают в корпус, соблюдая зазор между вторым торцом диска и плоской стороной плоско-выпуклой оптической линзы. Диск герметично соединяют с корпусом. Блок обработки информации соединяют с дисплеем проводами. К генератору присоединяют второй кабель. Технический результат заключается в возможности работать на отражении акустических сигналов и возможности работы звуковизора в жидких, в том числе агрессивных и опасных средах, в широком диапазоне температур, с температурой от нескольких градусов Цельсия до пятисот градусов Цельсия. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение предназначено для использования при дефектоскопии, структуроскопии и толщинометрии изделий из бетона и горных пород. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности, при этом каждый из электродов на боковых поверхностях разделен на N идентичных секций, причем первая секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с второй секцией первой боковой поверхности, N-1 секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с N секцией первой боковой поверхности, а первая секция электрода первой боковой поверхности и N секция электрода второй боковой поверхности являются выходами пьезопреобразователя. Технический результат: повышение эффективности работы ультразвукового преобразователя в режиме приема. 1 ил.

Наверх