Широкополосный ультразвуковой преобразователь

Изобретение относится к акустике, в частности к широкополосным ультразвуковым преобразователям. Широкополосный ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, плоскопараллельные боковые поверхности и электроды, ориентированные перпендикулярно рабочей поверхности, нанесенные на боковые поверхности. Пьезоэлемент поляризован перпендикулярно поверхностям электродов и выполнен в виде гребенки с основанием в форме продолговатой прямоугольной пластины с расположенным на нем рядом разновысоких и разношироких зубцов в форме прямоугольных продолговатых пластин, ориентированных перпендикулярно основанию гребенки. В пьезоэлементе выполнены отверстия перпендикулярно рабочей поверхности на максимально возможную глубину. Технические результаты - расширение полосы частот преобразователя, уменьшение уровня излучаемых паразитных сигналов и повышение эффективности электроакустического преобразования. 3 ил.

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при построении 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 широкополосный преобразователь (Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. / Под ред. И.Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986, с. 86-87), содержащий пьезоэлемент переменной толщины, одну плоскую рабочую (излучающую) поверхность и одну - сферически вогнутую или выпуклую, электроды, нанесенные на рабочие поверхности, вектор поляризации пьезоэлемента перпендикулярен плоской рабочей поверхности.

Недостатки данного преобразователя заключаются в неравномерности амплитудно-частотной характеристики вследствие неравномерности электрического поля по плотности и направленности в сечении пьезоэлемента, что снижает достоверность контроля.

Наиболее близким к предложенному технической сущности является широкополосный ультразвуковой преобразователь (АС СССР №1786685, 11.05.87, МПК: B06B 01/02, H04R 17/10, опубл. 07.01.93), содержащий пьезоэлемент с плоской рабочей и вогнутой тыльной поверхностями, поляризованный перпендикулярно поверхностям электродов, боковые поверхности пьезоэлемента выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, электроды нанесены на боковые поверхности.

Однако его функциональные возможности и сфера использования ограничены рядом недостатков. Нижняя рабочая поверхность и верхняя поверхность не параллельны (за исключением приосевой области) и поэтому при возбуждении преобразователя кроме нормальных по отношению к рабочей поверхности акустических колебаний присутствует и тангенциальная компонента колебаний, которая вызывает появление паразитной подповерхностной головной волны в контролируемом объекте. Также вследствие непараллельности рабочих поверхностей для такого преобразователя, помимо нормальных по отношению к рабочей поверхности основных мод колебаний, в диапазоне частот ƒн…ƒв присутствует большое число паразитных мод колебаний, определяемых диагональными стоячими волнами в пластине, и которые являются причиной существенной неравномерности амплитудно-частотной характеристики. Чем шире рабочая полоса частот преобразователя и больше перепад высот hмакс-hмин, т.е. больше непараллельность верхней и рабочей поверхностей, тем сильнее проявляются указанные выше недостатки. Низкая эффективность электроакустического преобразования, так как каждая резонансно возбуждаемая на определенной частоте область пьезопластины оказывается механически демпфированной соседними, не резонансными по отношению к этой частоте областями пьезопреобразователя.

Технической задачей изобретения является расширение области применения и повышение эксплуатационных характеристик широкополосного ультразвукового преобразователя.

Технический результат изобретения заключается в расширении рабочей полосы частот преобразователя, уменьшении уровня излучаемых паразитных сигналов и повышении эффективности электроакустического преобразования.

Это достигается тем, что в известном широкополосном ультразвуковом преобразователе, содержащем пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, плоскопараллельные боковые поверхности и электроды, ориентированные перпендикулярно рабочей поверхности, нанесены на боковые поверхности, при этом пьезоэлемент поляризован перпендикулярно поверхностям электродов, пьезоэлемент выполнен в виде гребенки с основанием в форме продолговатой прямоугольной пластины с расположенным на нем рядом разновысоких и разношироких зубцов в форме прямоугольных продолговатых пластин, ориентированных перпендикулярно основанию гребенки, при этом в пьезоэлементе выполнены отверстия перпендикулярно рабочей поверхности на максимально возможную глубину.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан эскиз конструкции широкополосного ультразвукового преобразователя, на фиг. 2 приведена резонансная характеристика пьезопластины размером 14×11 мм, на фиг. 3 показана экспериментальная амплитудно-частотная характеристика изготовленного и исследованного пьезопреобразователя.

Широкополосный ультразвуковой преобразователь содержит электроды, нанесенные на боковые поверхности 1, прямоугольную продолговатую балку основания 2 размером K×D×S, в которой выполнены N-1 отверстий, перпендикулярно рабочей поверхности 3. Таким образом, преобразователь имеет N разношироких и разновысоких зубцов, имеющих форму прямоугольных продолговатых пластин, ориентированных перпендикулярно основанию 2 гребенки. Каждый из зубцов имеет размер hN×kN×S, где частотоопределяющими являются размеры h и k. При высоте основания 2 D<10% hмин акустическая связь между резонирующими пьезопластинами - зубцами минимальна и они не оказывают взаимного влияния, и потому амплитудно-частотная характеристика каждого определяется резонансными размерами h и k. Для определения значений N и размеров h и k задаются значениями ƒв и ƒн, а также значениями Сзв и Q - экспериментально определенной механической добротностью демпфированного пьезорезонатора.

Для преобразователя, состоящего из шести зубцов при заданных значениях ƒв=200 кГц, ƒн=100 кГц, Сзв=2950 м/с и Q=13 резонансные размеры зубцов равны:

Расстояние между зубцами (пластинами) ΔR, определяемое шириной фрезы, которой выполняются пропилы в пьезопластине, некритично и может составлять величину от нескольких десятков мкм и более.

Из резонансной характеристики пьезопластины размером 14×11 мм видно, что эффективность поперечного резонанса приблизительно в два раза меньше и потому в конструкции гребенки число пластин с одинаковым поперечным размером k должно быть удвоено. Таким образом, соответствующий подбор значений поперечных размером позволяет на 50% дополнительно увеличить широкополосность пьезопреобразователя.

Из экспериментально полученной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) изготовленного и исследованного пьезопреобразователя видно, что при допустимой равномерности амплитудно-частотной характеристики рабочий диапазон частот составил Δƒ=98 кГц при ƒв=200 кГц и ƒн=104 кГц, что достаточно хорошо согласуется с расчетными величинами.

Использование изобретения, обладающего при широкополосной АЧХ высокой эффективностью электроакустического преобразования, уменьшенным уровнем излучаемых паразитных сигналов, позволяет ему широкое применение в качестве конструктивной основы фазированных антенных решеток ультразвуковых томографов, предназначенных для толщинометрии и дефектоскопии различных изделий и конструкций из бетона в строительной индустрии.

Широкополосный ультразвуковой преобразователь, содержащий пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, плоскопараллельные боковые поверхности и электроды, ориентированные перпендикулярно рабочей поверхности, нанесенные на боковые поверхности, при этом пьезоэлемент поляризован перпендикулярно поверхностям электродов, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен в виде гребенки с основанием в форме продолговатой прямоугольной пластины с расположенным на нем рядом разновысоких и разношироких зубцов в форме прямоугольных продолговатых пластин, ориентированных перпендикулярно основанию гребенки, при этом в пьезоэлементе выполнены отверстия перпендикулярно рабочей поверхности на максимально возможную глубину.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к испытательному оборудованию и может быть использовано для испытаний упругих элементов виброизоляторов. Стенд содержит основание, на котором посредством, по крайней мере, трех виброизоляторов закреплена переборка, представляющая собой одномассовую колебательную систему массой и жесткостью соответственно m2 и с2, а в качестве генератора гармонических колебаний использован эксцентриковый вибратор, расположенный на переборке.

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Стенд содержит основание, на котором посредством по крайней мере трех виброизоляторов закреплена переборка, представляющая собой одномассовую колебательную систему массой и жесткостью соответственно m2 и c2.

Изобретение относится к испытательному оборудованию и может быть использовано для испытаний систем виброизоляций. Стенд содержит основание, на котором посредством по крайней мере трех виброизоляторов закреплена переборка, представляющая собой одномассовую колебательную систему массой и жесткостью соответственно m2 и c2, в качестве генератора гармонических колебаний использован эксцентриковый вибратор, расположенный на переборке.

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Стенд для акустических испытаний звукопоглотителей содержит металлический корпус со съемной передней крышкой, стенки которого облицованы исследуемым звукопоглотителем, отличающийся тем, что на днище корпуса через упругодемпфирующую прокладку установлен регулируемый источник шума, причем регулировка осуществляется по громкости звука и частоте сигнала с помощью усилителя мощности сигнала и осциллографа, а на расстоянии 1 м от крышки корпуса закреплен микрофон, сигналы уровней звукового давления от которого поступают на анализатор спектра частот, а затем на компьютер для обработки полученной информации, при этом уровень звуковой мощности Lp определяют по результатам измерений среднего уровня звукового давления Lcp на измерительной поверхности S, м2, за которую принята площадь полусферы: , где S=2πr2; r - расстояние от центра источника до точек измерений; S0=1 м2, а корректированный уровень звуковой мощности LpA: , где LAcp - средний уровень звука на измерительной поверхности, а величину снижения уровня звукового давления ΔL в отраженном звуковом поле образца рассчитывают по формуле где L - уровень звукового давления в расчетной точке до акустической обработки помещения, дБ; Lобл - уровень звукового давления в расчетной точке после акустической обработки помещения, дБ, В - постоянная каюты судна до его акустической обработки, м2; B1 - постоянная помещения после его акустической обработки, м2, которая определяется по формуле где А1=α(Sобщ-Sобл) - эквивалентная площадь звукопоглощения поверхностями, не занятыми звукопоглощающей облицовкой; α=B/(B+Sобщ) - средний коэффициент звукопоглощения в помещении до его акустической обработки; α1 - средний коэффициент звукопоглощения акустически обработанного помещения, определяемый соотношением где ΔА - величина суммарного добавочного поглощения, вносимого конструкцией звукопоглощающей облицовки или штучными звукопоглотителями, определяемого по формулеΔA=αоблSобр+Аштn, где αобл - реверберационный коэффициент звукопоглощения конструкции облицовки; Sобл - площадь этой конструкции, м2; Ашт - эквивалентная площадь звукопоглощения одного штучного поглотителя, м2; n - количество штучных звукопоглотителей в помещении, отличающийся тем, что для исследования эффективности акустического потолка, облицованного звукопоглотителем, с боковых стенок металлического корпуса снимают звукопоглотитель, а эффективную часть регулируемого источника шума направляют на потолочную часть корпуса и включают его, последовательно изменяя громкость звука и частоту сигнала, затем с микрофона подают сигналы на усилитель мощности, например тензометрический, а с него подают сигналы на осциллограф и записывают осциллограммы уровней звукового давления, по которым определяют эффективность акустического потолка.

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Стенд для виброакустических испытаний образцов и моделей содержит основание, на котором посредством по крайней мере трех виброизоляторов закреплена переборка, представляющая собой одномассовую колебательную систему массой и жесткостью соответственно m2 и c2, а в качестве генератора гармонических колебаний использован эксцентриковый вибратор, расположенный на переборке, отличающийся тем, что на переборке установлена стойка для испытания собственных частот упругих элементов рессорных и тарельчатых виброизоляторов разной длины, геометрических параметров, а также разной величины масс, закрепленных на концах этих испытываемых элементов, при этом колебания массы, закрепленной на каждом упругом элементе, фиксируется индикатором перемещений, по показаниям которого определяется резонансная частота, соответствующая параметрам каждого упругого элемента, причем на основании и переборке закреплены датчики виброускорений, сигналы от которых поступают на усилитель, затем осциллограф, магнитограф и компьютер для обработки полученной информации, при этом для настройки работы стенда используются частотомер и фазометр, а для определения собственных частот каждой из исследуемых систем виброизоляции производится имитация ударных импульсных нагрузок на каждую из систем и записываются осциллограммы свободных колебаний, при расшифровке которых определяют собственные частоты систем виброизоляции и логарифмический декремент затухания колебаний по формуле где c1 и m1 - соответственно жесткость упругих элементов виброизоляторов и масса основания, c2 и m2 - соответственно жесткость и масса переборки, h1 - абсолютная величина вязкого демпфирования в системе, которая связана с логарифмическим коэффициентом затухания δ1 колебательной системы, при этом уровень звуковой мощности Lp определяют по результатам измерений среднего уровня звукового давления Lcp на измерительной поверхности S, м2, за которую принята площадь полусферы ,где S=2πr2; r - расстояние от центра источника до точек измерений; S0=1 м2, а корректированный уровень звуковой мощности LpA ,где LAср - средний уровень звука на измерительной поверхности, при этом величину снижения уровня звукового давления ΔL в отраженном звуковом поле образца рассчитывают по формуле где L - уровень звукового давления в расчетной точке до акустической обработки помещения, дБ; Lобл - уровень звукового давления в расчетной точке после акустической обработки помещения, дБ; В - постоянная каюты судна до его акустической обработки, м2; В1 - постоянная помещения после его акустической обработки, м2, которая определяется по формуле где A1=α(Sобщ-Sобл) - эквивалентная площадь звукопоглощения поверхностями, не занятыми звукопоглощающей облицовкой; α=B/(B+Sобщ) - средний коэффициент звукопоглощения в помещении до его акустической обработки; α1 - средний коэффициент звукопоглощения акустически обработанного помещения, определяемый соотношением где ΔА - величина суммарного добавочного поглощения, вносимого конструкцией звукопоглощающей облицовки или штучными звукопоглотителями, определяемого по формулеΔA=αо6лSобл+Aштn,где αобл - реверберационный коэффициент звукопоглощения конструкции облицовки; Sобл - площадь этой конструкции, м2; Ашт - эквивалентная площадь звукопоглощения одного штучного поглотителя, м2; n - количество штучных звукопоглотителей в помещении, причем на каждом из исследуемых упругих элементов разной длины, геометрических параметров, а также разной величины масс, закреплены тензодатчики на концах этих испытываемых элементов, при этом колебания массы, закрепленной на каждом упругом элементе, фиксируется как индикатором перемещений, так и тензодатчиками, причем по показаниям индикатора проводится экспресс-оценка характеристик, а при обработке сигналов с тензодатчиков, поступающих на усилитель, затем осциллограф, магнитограф и компьютер для обработки полученной информации, определяются амплитудно-частотные характеристики и выявляются оптимальные характеристики: жесткость и коэффициент демпфирования каждого из упругих элементов.

Изобретение может быть использовано для безреагентной очистки сапонитсодержащей воды и уплотнения сапонитсодержащего осадка. Для осуществления способа формируют излучение бегущих гидроакустических волн звукового и ультразвукового диапазонов частот, воздействуют излучением на загрязненную сапонитсодержащую воду, осуществляют гидроакустическую коагуляцию и осаждение сапонитсодержащих частиц, уплотнение тел водоупорных дамб и акустическую сушку осадка.

Предложен способ регулирования резонансных колебаний, заключающийся в том, что резонансные колебания центральной цилиндрической или сферической массы (или физического поля), связанной с внешней цилиндрической или сферической массой (или взаимно проникающим полем), концентричной с центральной массой, возбуждают путем принудительного периодического возбуждения, создаваемого, например, электромагнитным вибратором.

Изобретение относится к вибрационной технике, в частности к технике агропромышленного комплекса, и может быть использовано на зерноперерабатывающих предприятиях в технологическом и транспортном оборудовании.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве генератора дозированных акустических импульсов при тестировании диагностической высокочастотной датчиковой аппаратуры.

Изобретение предназначено для отделения примесей от жидкости. Способ отделения примесей от основной жидкости содержит этапы, на которых создают проточную камеру, имеющую источник акустической энергии, а на противоположной стороне проточной камеры отражатель акустической энергии, обеспечивают протекание основной жидкости через проточную камеру, применяют источник акустической энергии к основной жидкости, чтобы создать трехмерную ультразвуковую стоячую волну, причем трехмерная ультразвуковая стоячая волна приводит к образованию силы акустического излучения, имеющей осевой компонент и поперечный компонент, которые имеют один порядок величины.

Изобретение относится к акустике, в частности к широкополосным ультразвуковым преобразователям. Широкополосный ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, плоскопараллельные боковые поверхности и электроды, ориентированные перпендикулярно рабочей поверхности, нанесенные на боковые поверхности. Пьезоэлемент поляризован перпендикулярно поверхностям электродов и выполнен в виде гребенки с основанием в форме продолговатой прямоугольной пластины с расположенным на нем рядом разновысоких и разношироких зубцов в форме прямоугольных продолговатых пластин, ориентированных перпендикулярно основанию гребенки. В пьезоэлементе выполнены отверстия перпендикулярно рабочей поверхности на максимально возможную глубину. Технические результаты - расширение полосы частот преобразователя, уменьшение уровня излучаемых паразитных сигналов и повышение эффективности электроакустического преобразования. 3 ил.

Наверх