Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах (варианты)



Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах (варианты)
Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах (варианты)
Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах (варианты)
Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах (варианты)
Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах (варианты)
Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах (варианты)
Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах (варианты)
Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах (варианты)
Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах (варианты)
Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах (варианты)
G01N29/2418 - Исследование или анализ материалов с помощью ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн; визуализация внутреннего строения объектов путем пропускания через них ультразвуковых или звуковых волн через предметы (G01N 3/00-G01N 27/00 имеют преимущество; измерение или индикация ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн вообще G01H; системы с использованием эффектов отражения или переизлучения акустических волн, например акустическое изображение G01S 15/00; получение записей с помощью способов и устройств, аналогичных используемым в фотографии, но с использованием ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн G03B 42/06)

Владельцы патента RU 2650348:

Свет Виктор Дарьевич (RU)

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.

 

Область техники

Изобретение относится к устройствам ультразвуковой визуализации (УЗВ) объектов, расположенных в жидких средах, в том числе и высокотемпературных типа расплавленных металлов.

Уровень техники

Известно устройство ультразвуковой визуализации в оптически непрозрачной среде (патент РФ № 2186408, дата опубликования 27.07.2002). Устройство содержит антенну с закреплёнными на ней преобразовательными элементами и электронную систему обработки ультразвуковых сигналов. Каждый преобразовательный элемент состоит из корпуса, выполненного, например, из нержавеющей стали, амортизирующего слоя, керамического слоя, выполненного из специального пьезокомпозитного материала, слоя устойчивой к высоким температурам смолы и слоя силикона. Частота излучаемых антенной устройства ультразвуковых колебаний составляет 1,6 МГц. Преобразовательные элементы на антенне могут быть расположены различными способами, при этом образуя решётку для приёма и/или передачи ультразвуковых волн. В данном случае антенна погружена в жидкий натрий и соединена с электронной системой обработки при помощи кабелей.

Практическая реализация таких систем для высокотемпературных жидких сред связана с решением многих технологических проблем, а именно: низкой чувствительностью высокотемпературной пьезокерамики; малой величиной ёмкости пьезоэлементов антенных решёток из-за их малых размеров, которая составляет доли и единицы пикофарад и большой погонной ёмкостью соединительных кабелей (до 120 пФ/м), при их требуемой длине более 5-10 метров, что резко снижает качество получаемого изображения объекта; большими фазовыми разбросами в элементарных каналах из-за температурных флуктуаций и крайне высокой чувствительности параметров пьезокерамики к таким флуктуациям.

По указанным причинам качество получаемых ультразвуковых (УЗ) изображений оказывается низким, оно имеет низкий контраст и невысокое пространственное разрешение.

Недостатками известного технического решения являются высокая чувствительность пьезокерамики к температурным флуктуациям и невысокое качество получаемых УЗ изображений.

Наиболее близким техническим решением (прототип) является устройство, которое может быть использовано в качестве звуковизора для отображения объектов, находящихся в жидкой среде (E.Zhang, P.Beard «Broadband Ultrasound Field Mapping System Using a Wavelength Tuned, Optically Scanned Focused Laser Beam to Address a Fabry Perot Polymer Film Sensor», IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, том 53, номер 7, июль 2006, с.1331-1334). Устройство состоит из датчика Фабри-Перо, выполненного в виде интерферометра Фабри-Перо из чувствительной полимерной плёнки, лазера, гальванометра, зеркала, соединённого с гальванометром, линзы, выполненной в виде ахроматического дуплета, светоделителя, акустического излучателя, фотодиода, осциллографа и компьютера. При этом компьютер соединён с лазером, гальванометром, фотодиодом и осциллографом. Зеркало расположено таким образом, что фокус линзы находится на поверхности зеркала.

Датчик Фабри-Перо контактирует одной из сторон с жидкой средой, акустический излучатель погружён в жидкую среду, а все остальные элементы устройства расположены вне жидкой среды. Для получения изображения объекта, находящегося в жидкой среде, объект может быть расположен между акустическим излучателем и датчиком Фабри-Перо. Волны акустического поля, создаваемого акустическим излучателем, проходя через объект, попадают на датчик Фабри-Перо.

Недостатками прототипа является необходимость расположения генератора ультразвуковых волн и приёмника сигналов по разные стороны от объекта (т.е. получения изображения только на просвет). Кроме того, недостатком прототипа является невозможность устройства работать в высокотемпературных средах.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность расположения генератора ультразвуковых волн и приёмника сигналов с одной стороны от объекта (например, в одном корпусе), что позволяет работать на отражении акустических сигналов, что расширяет функциональные возможности устройства. Кроме того, возможна работа звуковизора в жидких, в том числе агрессивных и опасных средах, в широком диапазоне температур, с температурой от нескольких градусов Цельсия до пятисот градусов Цельсия.

Указанный технический результат достигается за счёт того, что в устройстве ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах по первому варианту, содержащем генератор и блок обработки информации, а также корпус, в котором размещены лазер, первая двояковыпуклая оптическая линза, полупрозрачное оптическое зеркало, отражающее оптическое зеркало, вторая двояковыпуклая оптическая линза, приёмная матрица, плоско-выпуклая оптическая линза, диск с первыми отверстиями, выполненными сквозными, в каждом из которых размещён волновод с входным торцом и выходным торцом, акустическая линза, акустический излучатель, причём 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 со стороны диска, противоположной акустической линзе, с зазором между её плоской стороной и выходными торцами волноводов, первая двояковыпуклая оптическая линза установлена со стороны плоско-выпуклой оптической линзы, противоположной диску, между первой двояковыпуклой оптической линзой и плоско-выпуклой оптической линзой под углом к оптической оси плоско-выпуклой оптической линзы размещено полупрозрачное оптическое зеркало, лазер размещён со стороны первой двояковыпуклой оптической линзы, противоположной плоско-выпуклой оптической линзе, отражающее оптическое зеркало установлено вне хода световых лучей от лазера до плоско-выпуклой оптической линзы (её рабочей части) с обеспечением попадания на него световых лучей, распространяющихся по направлению от плоско-выпуклой оптической линзы к полупрозрачному оптическому зеркалу и отражающихся от него, вторая двояковыпуклая оптическая линза размещена с обеспечением попадания на неё указанных световых лучей, отражённых от отражающего оптического зеркала, приёмная матрица размещена со стороны второй двояковыпуклой оптической линзы, противоположной отражающему оптическому зеркалу, а в устройстве по второму варианту, содержащем генератор и блок обработки информации, а также корпус, в котором размещены лазер, первая двояковыпуклая оптическая линза, полупрозрачное оптическое зеркало, отражающее оптическое зеркало, вторая двояковыпуклая оптическая линза, приёмная матрица, плоско-выпуклая оптическая линза, диск с первыми отверстиями, выполненными сквозными, в каждом из которых размещён волновод с входным торцом и выходным торцом, акустический излучатель, причём 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 акустических сигналов, излучённых акустическим излучателем и отражённых внешней средой, плоско-выпуклая оптическая линза установлена с внутренней стороны диска, с зазором между её плоской стороной и выходными торцами волноводов, первая двояковыпуклая оптическая линза установлена со стороны плоско-выпуклой оптической линзы, противоположной диску, между первой двояковыпуклой оптической линзой и плоско-выпуклой оптической линзой под углом к оптической оси плоско-выпуклой оптической линзы размещено полупрозрачное оптическое зеркало, лазер размещён со стороны первой двояковыпуклой оптической линзы, противоположной плоско-выпуклой оптической линзе, отражающее оптическое зеркало установлено вне хода световых лучей от лазера до плоско-выпуклой оптической линзы (её рабочей части) с обеспечением попадания на него световых лучей, распространяющихся по направлению от плоско-выпуклой оптической линзы к полупрозрачному оптическому зеркалу и отражающихся от него, вторая двояковыпуклая оптическая линза размещена с обеспечением попадания на неё указанных световых лучей, отражённых от отражающего оптического зеркала, приёмная матрица размещена со стороны второй двояковыпуклой оптической линзы, противоположной отражающему оптическому зеркалу.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1,2,3), где на фиг. 1 показана схема первого варианта устройства, на фиг. 2 показана схема второго варианта устройства, на фиг. 3 показана модуляция оптического сигнала.

Раскрытие изобретения

На фигуре обозначены: среда 1, акустическая линза 2, акустическое поле давления 3, диск 4, волновод 5, зазор d0 6, плоско-выпуклая оптическая линза 7, отражающее оптическое зеркало 8, вторая двояковыпуклая оптическая линза 9, приёмная матрица 10, первый кабель 11, второе отверстие 12, блок обработки информации 13, входной сигнал 14, дисплей 15, генератор 16, второй кабель 17, лазер 18, первая двояковыпуклая оптическая линза 19, корпус 20, полупрозрачное оптическое зеркало 21, интерференционное световое поле 22, выходной торец 23, второй торец 24, первое отверстие 25, первый торец 26, входной торец 27, третье отверстие 28, четвёртое отверстие 29, акустический излучатель 30, рабочая точка 31, промодулированная интенсивность света 32, модулирующий акустический сигнал 33.

Устройство может быть выполнено по двум вариантам. В первом и втором вариантах основными элементами устройства ультразвуковой визуализации являются корпус 20, волноводы 5, система оптических линз и зеркал, лазер 18, приёмная матрица 10 и акустический излучатель 30.

Корпус 20 устройства выполнен в виде трубки, один из концов которой закрыт. С противоположной стороны в трубку вставлен диск 4. Внутри корпуса 20 образовано герметичное пространство. Диск 4 установлен первым торцом 26 наружу корпуса 20, вторым торцом 24 - внутрь. Второй торец 24 выполнен плоским. Второй торец 24 перпендикулярен оси внутренней цилиндрической поверхности корпуса 20.

В диске 4 выполнены первые отверстия 25. Каждое первое отверстие 25 выполнено сквозным, и ось каждого первого отверстия 25 параллельна оси диска 4. Первые отверстия 25 выполнены таким образом, что между каждыми соседними первыми отверстиями 25 расположен слой материала, из которого выполнен диск 4. Первые отверстия 25 расположены в диске 4 с образованием двумерной матрицы первых отверстий 25. Расстояние от крайних первых отверстий 25 этой матрицы до края диска 4 значительно больше расстояния между соседними первыми отверстиями 25. В каждое первое отверстие 25 установлен волновод 5, имеющий форму прямого кругового цилиндра. Каждый волновод 5 выполнен из твёрдого материала с достаточно малым акустическим поглощением. Ось каждого волновода 5 совпадает с осью соответствующего первого отверстия 25. Входные торцы 27 волноводов 5 лежат в плоскости первого торца 26 диска 4, выходные торцы 23 волноводов 5 лежат в плоскости второго торца 24 диска 4.

Система оптических линз и зеркал состоит из плоско-выпуклой оптической линзы 7, первой двояковыпуклой оптической линзы 19, второй двояковыпуклой оптической линзы 9, полупрозрачного оптического зеркала 21 и отражающего оптического зеркала 8.

Плоско-выпуклая оптическая линза 7 установлена в корпусе 20 таким образом, что плоская сторона плоско-выпуклой оптической линзы 7 обращена ко второму торцу 24 диска 4 (т.е. внутренней стороне диска). Главная оптическая ось плоско-выпуклой оптической линзы 7 совпадает с осью диска 4. Диск 4 и плоско-выпуклая линза 7 установлены с зазором d0 6 между вторым торцом 24 и плоской стороной плоско-выпуклой оптической линзы 7. Плоская сторона плоско-выпуклой оптической линзы 7 параллельна второму торцу 24.

Между плоско-выпуклой оптической линзой 7 и концом корпуса 20, который закрыт, установлен лазер 18. Лазер 18 представляет собой источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул, характеризующегося высокой степенью монохроматичности, когерентностью, направленностью и большой плотностью энергии. Лазер 18 установлен таким образом, что пучок света, создаваемый лазером 18, направлен по главной оптической оси плоско-выпуклой оптической линзы 7 в сторону плоско-выпуклой оптической линзы 7.

Между плоско-выпуклой оптической линзой 7 и лазером 18 расположена первая двояковыпуклая оптическая линза 19. Главная оптическая ось первой двояковыпуклой оптической линзы 19 совпадает с главной оптической осью плоско-выпуклой оптической линзы 7. Первая двояко выпуклая оптическая линза 19 и плоско-выпуклая оптическая линза 7 установлены конфокально.

В данном случае лазер 18 является источником узконаправленного потока излучения, поэтому для увеличения площади светового пятна лазера 18 между ним и двояковыпуклой оптической линзой 7 расположена дополнительная линза (на фиг. не отображена).

Между первой двояковыпуклой оптической линзой 19 и плоско-выпуклой оптической линзой 9 расположено полупрозрачное оптическое зеркало 21. Полупрозрачное оптическое зеркало 21 установлено под углом к главной оптической оси плоско-выпуклой оптической линзы 7.

Отражающее оптическое зеркало 8 установлено параллельно полупрозрачному оптическому зеркалу 21 на некотором расстоянии от главной оптической оси плоско-выпуклой оптической линзы 7.

Вторая двояковыпуклая оптическая линза 9 установлена таким образом, что её главная оптическая ось параллельна главной оптической оси плоско-выпуклой оптической линзы 7. Один из фокусов второй двояковыпуклой оптической линзы 9 расположен на отражающей поверхности отражающего оптического зеркала 8. Со стороны другого фокуса второй двояковыпуклой оптической линзы 9 расположена приёмная матрица 10.

Приёмная матрица 10 может быть выполнена, в частности, в виде прибора с зарядовой связью, который представляет собой полупроводниковую пластину, на которой образовано много ячеек - пикселей, каждая из которых - это маленький фотоприёмник, преобразующий падающий свет в электрический сигнал. Приёмная матрица 10 установлена на фокусном расстоянии второй двояковыпуклой оптической линзы 9 от неё. Приёмная матрица 10 расположена перпендикулярно главной оптической оси второй двояковыпуклой оптической линзы 9. Центральная часть приёмной матрицы 10 расположена на главной оптической оси второй двояковыпуклой оптической линзы 9.

Расположение плоско-выпуклой оптической линзы 7, полупрозрачного оптического зеркала 21, отражающего оптического зеркала 8 и второй двояковыпуклой оптической линзы 9 обеспечивает конфокальность плоско-выпуклой оптической линзы 7 и второй двояковыпуклой оптической линзы 9.

Приёмная матрица 10 соединена с блоком обработки информации 13 первым кабелем 11. В конце корпуса 20, который закрыт, просверлено второе отверстие 12. Второе отверстие 12 выполнено сквозным. Первый кабель 11 проложен через второе отверстие 12 таким образом, что герметичность внутреннего пространства корпуса 20 не нарушена. Блок обработки информации 13 соединён с дисплеем 15, например, проводами, а также с генератором 16. Блок обработки информации 13, дисплей 15 и генератор 16 расположены за пределами среды 1, в которую погружены корпус 20 устройства и акустический излучатель 30.

Генератор 16 соединён вторым кабелем 17 с акустическим излучателем 30, расположенным в четвёртом отверстии 29 в акустической линзе 2. Генератор 16 предназначен для питания акустического излучателя 30 посредством преобразования энергии, например, промышленной частоты (50 Гц) в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты. Акустический излучатель 30 служит для возбуждения звуковых волн в среде 1.

По первому варианту устройство характерно тем, что со стороны первого торца 26 диска 4 на некотором расстоянии от первого торца 26 в корпусе 20 установлена акустическая линза 2. Акустическая линза 2 предназначена для построения акустического изображения объекта. На больших расстояниях (дальней волновой зоне) это изображение может располагаться в фокусе акустической линзы 2, а на малых расстояниях (ближней волновой зоне) в плоскости её изображения. Акустическая ось акустической линзы 2 совпадает с осью внутренней цилиндрической поверхности корпуса 20. В центральной части (или центре) акустической линзы 2 выполнено четвёртое отверстие 29. В четвёртое отверстие 29 установлен акустический излучатель 30.

Второй кабель 17 проложен через третье отверстие 28. Третье отверстие 28 выполнено в стенке корпуса 20 между акустической линзой 2 и диском 4.

Первый торец 26 диска 4 выполнен вогнутым в форме параболоида вращения. Параболоид вращения образуется при вращении параболы вокруг своей оси (определение параболоида вращения приведено, например, на сайте http://www.propro.ru/graphbook/graphbook/book/001/038/01.htm, дата обращения 25.07.2014). При этом волноводы 5 выполнены таким образом, что входные торцы 27 волноводов 5 расположены на этой кривой поверхности. Поверхность входных торцов 27 волноводов 5 имеет параболическую форму. Это сделано для того, чтобы в режиме построения изображения с использованием акустической линзы 2 минимизировать её аберрации, поскольку в угле обзора более 30 градусов фокальные точки будут располагаться не на прямой линии, а на некоторой кривой поверхности.

По второму варианту исполнения устройства акустическая линза 2 отсутствует, а акустический излучатель 30 расположен рядом с корпусом 20 в среде 1. Первый торец 26 выполнен плоским и параллельным второму торцу 24.

Осуществление изобретения

Изобретение реализуется следующим образом. В обоих вариантах исполнения устройства корпус 20 изготавливают из металла, например нержавеющей стали, с помощью механической обработки. В корпусе 20 сверлят второе отверстие 12. В корпус 20 устанавливают приёмную матрицу 10 и прокладывают через второе отверстие 12 первый кабель 11. Первый кабель 11 соединяют с блоком обработки информации 13. В корпус 20 устанавливают лазер 18, первую двояковыпуклую оптическую линзу 19, вторую двояковыпуклую оптическую линзу 9, полупрозрачное оптическое зеркало 21, отражающее оптическое зеркало 8 и плоско-выпуклую оптическую линзу 7. Плоско-выпуклая оптическая линза 7 установлена таким образом, что внутри корпуса 20 возникает герметичное пространство. Волноводы 5 устанавливают в первые отверстия 25 в диске 4. Диск 4 изготавливают из материала, акустический импеданс которого значительно меньше акустического импеданса материала волноводов 5. Таким образом обеспечивают независимость колебаний выходных торцов 23 и минимизацию их взаимного влияния. Диск 4 устанавливают в корпус 20, соблюдая зазор d0 6 между вторым торцом 24 диска 4 и плоской стороной плоско-выпуклой оптической линзы 7. Диск 4 герметично соединяют с корпусом 20. Пространство между диском 4 и плоско-выпуклой оптической линзой 7 может быть заполнено газом (воздухом), или в нем создают вакуум. Блок обработки информации 13 соединяют с дисплеем 15, например, проводами. К генератору 16 присоединяют второй кабель 17. Блок обработки информации 13, дисплей 15, генератор 16 и лазер 18 подключают к источнику питания (на фиг. не показан).

По первому варианту исполнения устройства в корпус 20 устанавливают акустическую линзу 2 с акустическим излучателем 30. Для этого в центре акустической линзы 2 выполняют четвёртое отверстие 29, в которое устанавливают акустический излучатель 30. В стенке корпуса 20 на некотором расстоянии от диска 4 выполняют третье отверстие 28. В третье отверстие 28 пропускают второй кабель 17. Второй кабель 17 соединяют с акустическим излучателем 30. Акустическую линзу 30 устанавливают со стороны первого торца 26 диска 4 на некотором расстоянии от него. При таком варианте исполнения устройства первый торец 26 выполняют вогнутым с параболоидной поверхностью. При погружении корпуса 20 в среду 1 пространство между акустической линзой 2 и диском 4 заполняется веществом среды 1. Корпус 20 погружают в среду 1. Акустическую линзу 2 с акустическим излучателем 30 направляют в сторону объекта, изображение которого необходимо получить.

По второму варианту исполнения генератор 16 соединяют с акустическим излучателем 30, расположенным рядом с корпусом 20 в среде 1. Первый торец 26 выполняют плоским и параллельным второму торцу 24. Корпус 20 и акустический излучатель 30 погружают в среду 1. Акустический излучатель 30 направляют в сторону объекта, изображение которого необходимо получить.

Акустический излучатель 30, находящийся в среде 1, генерирует акустическое излучение. При достижении акустическим излучением границы двух сред с различным акустическим импедансом (например, при достижении объекта) часть акустического излучения отражается. Акустическая волна, отражённая объектом, далее проходит акустическую линзу 2, формирующую мгновенное распределение акустического поля P(x,t), которое описывает акустическое изображение объекта, которое воздействует на входные торцы 27 волноводов 5, создавая на них мгновенное распределение акустического поля давления P(x,t). Таким образом на поверхности каждого входного торца 27 возникает локальное значение давления. Волноводы 5 выполняют роль приёмных элементов антенной решетки. По волноводам 5 распространяются продольные акустические волны, которые приводят к колебательным смещениям выходных торцов 23 вдоль осей волноводов 5. Величина смещения пропорциональна величине локального акустического давления. Таким образом, входное акустическое поле давления 3, описывающее акустическое изображение объекта P(x,t), преобразуется в распределение поля смещений ξ(x,t) выходных торцов 23 волноводов 5.

Лазер 18 генерирует когерентное, монохроматическое, поляризованное и узконаправленное излучение, которое проходит через дополнительную линзу (на фиг. не отображена), вследствие этого площадь светового пятна лазера 18 увеличивается. Далее генерируемое лазером 18 излучение проходит через коллиматор, образованный первой двояковыпуклой оптической линзой 19 и плоско-выпуклой оптической линзой 7. В результате коллиматор формирует параллельный пучок света, который освещает выходные торцы 23.

Выходные торцы 23 волноводов 5 совместно с плоской поверхностью плоско-выпуклой оптической линзы 7 образуют многоканальный оптический резонатор Фабри-Перо. Зазор d0 6 между выходными торцами 23 и плоской поверхностью плоско-выпуклой оптической линзы 7 выбирают из условия квадратурного детектирования: , где n – целое число, а λ – длина волны света, создаваемого лазером 18. При этом дифракционная расходимость отражённого от каждого выходного торца 23 света мала, и отражённые от выходных торцов 23 световые пучки света не пересекаются. Это минимизирует взаимное влияние отражённых оптических волн друг на друга.

При смещении выходных торцов 23 локальное расстояние d в резонаторе Фабри-Перо между каждым выходным торцом 23 и плоской поверхностью плоско-выпуклой оптической линзы 7 определяется следующим образом: d=d0+ξCos(ωact), где ξ – колебательное смещение выходного торца 23 акустического волновода, ωac – круговая частота УЗ.

Волны лазерного излучения, достигнув выходных торцов 23, отражаются от них и идут в обратном направлении, затем отражаются от плоской поверхности плоско-выпуклой линзы 7. Отражённые от выходных торцов 23 световые волны интерферируют со световыми волнами, отражёнными от плоской поверхности плоско-выпуклой оптической линзы 7, в результате чего образуется интерференционное световое поле, I(x,t). Выходная интенсивность света интерференционного светового поля I(x,t) равна: I=(I1+I2)[1+χCosϕ], где I1 и I2 – интенсивности световых волн, отражённых от выходных торцов 23 волноводов 5 и от плоской поверхности плоско-выпуклой оптической линзы 7 соответственно, а .

При наличии поля смещения ξ(x,t) в интерферометре Фабри-Перо модулирующий акустический сигнал 33 вызывает соответственное изменение интенсивности интерференционного светового поля. Из-за фазовой модуляции за счёт изменения локального расстояния d в резонаторе интенсивность светового поля I(x,t) пропорциональна полю смещений ξ(x,t) и акустическому полю давления P(x,t). Фазовая модуляция имеет вид: . При этом выходная интенсивность света в каждой точке будет равна: , где I0=I1+I2. При колебательном смещении выходного торца 23 много меньшем длины волны света (ξ<<λ) выражение выходной интенсивности света принимает вид: . В итоге выходная интенсивность света пропорциональна амплитуде колебательного смещения (или акустического давления) данного локального акустического волновода 5 при выборе рабочей точки (Imax+Imin)/2.

Промодулированная (акустическим полем P(x,t)) интенсивность света 32 I(x,t) с помощью полупрозрачного оптического зеркала 21, отражающего оптического зеркала 8 и второй двояковыпуклой оптической линзы 9 проецируется на приёмную матрицу 10. Приёмная матрица 10 преобразовывает проецированное на неё световое поле в аналоговые входные электрические сигналы U(x,t).

Далее входные электрические сигналы U(x,t) по первому кабелю 11 поступают в блок обработки информации 13. После обработки входного сигнала U(x,t) блоком обработки информации 13 на дисплее 15 формируется изображение объекта.

По первому варианту исполнения акустический излучатель 30 имеет возможность работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах излучения. При этом импульсный режим излучения позволяет формировать трёхмерное изображение объекта. Дальнейший алгоритм обработки сигналов сводится к квадратичному детектированию и усреднению распределения мгновенных входных сигналов U(x,t): , где Т – длительность акустического импульса. Длины волноводов 5 из-за их расположения на криволинейной поверхности различны, но известны. Скорость распространения продольных волн в волноводах 5 также известна. Поэтому небольшие различия во времени распространения продольных волн в волноводах 5 компенсируются в блоке обработки информации 13, для того чтобы избежать возможной небольшой расфокусировки изображения.

Во втором варианте акустический излучатель 30 работает только в импульсном режиме. Для пространственной обработки входных сигналов U(x,t) типовыми алгоритмами являются преобразование Фурье или Френеля, а временная обработка может осуществляться аналогично первому варианту, но со стробированием импульсных сигналов по дальности. При этом формируется трёхмерное изображение объекта.

Таким образом, выполнение описанных выше вариантов обеспечивает возможность расположения генератора ультразвуковых волн и приёмника сигналов с одной стороны от объекта (например, в одном корпусе), что позволяет работать на отражении акустических сигналов, что расширяет функциональные возможности устройства, увеличивает доступность и снижает требования к толщине обследуемой среды. Кроме того, возможна работа звуковизора в жидких, в том числе агрессивных и опасных средах, в широком диапазоне температур, с температурой от нескольких градусов Цельсия до пятисот градусов Цельсия.

1. Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах, содержащее генератор и блок обработки информации, а также корпус, в котором размещены лазер, первая двояковыпуклая оптическая линза, полупрозрачное оптическое зеркало, отражающее оптическое зеркало, вторая двояковыпуклая оптическая линза, приёмная матрица, плоско-выпуклая оптическая линза, диск с первыми отверстиями, выполненными сквозными, в каждом из которых размещён волновод с входным торцом и выходным торцом, акустическая линза, акустический излучатель, причём 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 со стороны диска, противоположной акустической линзе, с зазором между её плоской стороной и выходными торцами волноводов, первая двояковыпуклая оптическая линза установлена со стороны плоско-выпуклой оптической линзы, противоположной диску, между первой двояковыпуклой оптической линзой и плоско-выпуклой оптической линзой под углом к оптической оси плоско-выпуклой оптической линзы размещено полупрозрачное оптическое зеркало, лазер размещён со стороны первой двояковыпуклой оптической линзы, противоположной плоско-выпуклой оптической линзе, отражающее оптическое зеркало установлено вне хода световых лучей от лазера до плоско-выпуклой оптической линзы с обеспечением попадания на него световых лучей, распространяющихся по направлению от плоско-выпуклой оптической линзы к полупрозрачному оптическому зеркалу и отражающихся от него, вторая двояковыпуклая оптическая линза размещена с обеспечением попадания на неё указанных световых лучей, отражённых от отражающего оптического зеркала, приёмная матрица размещена со стороны второй двояковыпуклой оптической линзы, противоположной отражающему оптическому зеркалу.

2. Устройство ультразвуковой визуализации объектов в жидких средах, содержащее генератор и блок обработки информации, а также корпус, в котором размещены лазер, первая двояковыпуклая оптическая линза, полупрозрачное оптическое зеркало, отражающее оптическое зеркало, вторая двояковыпуклая оптическая линза, приёмная матрица, плоско-выпуклая оптическая линза, диск с первыми отверстиями, выполненными сквозными, в каждом из которых размещён волновод с входным торцом и выходным торцом, акустический излучатель, причём 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 акустических сигналов, излучённых акустическим излучателем и отражённых внешней средой, плоско-выпуклая оптическая линза установлена с внутренней стороны диска, с зазором между её плоской стороной и выходными торцами волноводов, первая двояковыпуклая оптическая линза установлена со стороны плоско-выпуклой оптической линзы, противоположной диску, между первой двояковыпуклой оптической линзой и плоско-выпуклой оптической линзой под углом к оптической оси плоско-выпуклой оптической линзы размещено полупрозрачное оптическое зеркало, лазер размещён со стороны первой двояковыпуклой оптической линзы, противоположной плоско-выпуклой оптической линзе, отражающее оптическое зеркало установлено вне хода световых лучей от лазера до плоско-выпуклой оптической линзы с обеспечением попадания на него световых лучей, распространяющихся по направлению от плоско-выпуклой оптической линзы к полупрозрачному оптическому зеркалу и отражающихся от него, вторая двояковыпуклая оптическая линза размещена с обеспечением попадания на неё указанных световых лучей, отражённых от отражающего оптического зеркала, приёмная матрица размещена со стороны второй двояковыпуклой оптической линзы, противоположной отражающему оптическому зеркалу.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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).

Использование: для определения изменяющихся во времени термомеханических напряжений и/или градиентов напряжения по толщине стенок металлических тел, в частности трубопроводов.

Использование: для ультразвукового контроля. Сущность изобретения заключается в том, что для увеличения динамического диапазона сигналов, измеряемых при проведении ультразвукового контроля, восстанавливают исходную форму сигнала, искаженную за счет ограничения его амплитуды по заданным положительному и/или отрицательному уровням (клиппирование), при этом исходная форма сигнала восстанавливается (деклиппируется) итерационным способом, при котором спектр эхосигнала предыдущей итерации ограничивается в заданном частотном диапазоне, выполняется обратное преобразование Фурье, в полученном сигнале его значения на временных интервалах, где сигнал не искажен, заменяются значениями клиппированного сигнала, а на временных интервалах, где сигнал клиппирован, значения сигнала по модулю, меньшие уровня клиппирования, заменяются значениями уровня отсечки, после чего выполняется следующая итерация.

Группа изобретений относится к способу, системе и ее применению для скважинного мониторинга гидравлического разрыва пласта. Способ включает этапы, на которых: опрашивают оптическое волокно, размещенное вдоль траектории ствола скважины, для формирования распределенного акустического датчика; собирают данные от многочисленных продольных участков волокна; и обрабатывают указанные данные для получения индикации вымывания проппанта.

Использование: для определения вклада пластической деформации в величину акустической анизотропии при измерении в деталях машин и элементах конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют ультразвуковое измерение акустической анизотропии, позволяющее определить величину вклада пластической деформации в величину акустической анизотропии путем сравнения значений акустической анизотропии, измеренной в контрольной точке детали или элемента до и после шлифования его поверхности на глубину не менее половины характерного размера зерна металла, при этом, циклы шлифования и последующего измерения акустической анизотропии на шлифованной поверхности в контрольной точке продолжают до тех пор, пока относительная разница значений акустической анизотропии в двух соседних циклах не составит значение, не превышающее 10%.
Изобретение относится к сфере космических исследований и технологий и может быть использовано для экспериментальной отработки технологии ускорения осаждения пыли в марсианской атмосфере.

Использование: для определения структуры дисперсных сред. Сущность изобретения заключается в том, что заполняют сосуд дисперсной средой, которую облучают продольной ультразвуковой волной с частотой, при которой длина волны λ больше размеров частиц R, фиксируют величину импульса А0, прошедшего через дисперсную фазу (жидкость без частиц), затем вносят частицы, фиксируют величину амплитуды Аn импульсов, прошедших расстояние L через исследуемую систему и времена tn, определяют разность А0-Аn величин импульсов в разные моменты времени tn и на основе массива А0-Аn/А0 судят о структуре дисперсной системы.

Использование: для ультразвуковой дефектоскопии. Сущность изобретения заключается в том, что присвоение значения 0 или 1 каждому элементу матрицы осуществляется по вероятностному закону, заданному индивидуально для каждого элемента, отличается тем, что вероятность присвоения значения принимается такой, чтобы при соединении центров излучающих и приемных элементов АР геометрическими лучами, в соответствии с выбранным способом контроля и с учетом известных законов прохождения и отражения, проходящими через поверхности объекта контроля и, возможно, отражающимися от поверхностей контроля и проходящими через возможный дефект или отражающимися от возможного дефекта в месте возможного положения дефекта, обеспечить заданное распределение геометрических лучей по коридорам между лучами от излучающих элементов к приемным элементам АР с одинаковыми номерами.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для контроля вращающихся элементов авиационного двигателя. Объектами изобретения являются система и способ обнаружения дефектов на объекте, содержащий этапы, на которых: формируют изображение (13), характеризующее указанный объект (11), на основании сигналов (9), связанных с объектом, разбивают указанное изображение на участки (15) в соответствии с самоадаптирующимися разрешениями и вычисляют расхождения между различными участками для обнаружения аномального участка, указывающего на возможность повреждения.

Изобретение относится к акустике. Способ измерения скорости распространения головной ультразвуковой волны предполагает возбуждение и прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов, оцифровку импульсов, запись в компьютер и определение временных интервалов между этими импульсами.

Использование: для определения параметров деталей, изготовленных из композитного материала. Сущность изобретения заключается в том, что определяют характеристики продольной ультразвуковой волны, проходящей по пути внутри детали, при этом измеряют время прохождения продольной ультразвуковой волны, пропускаемой деталью, и измеряют время прохождения прошедшей волны путем наблюдения начала волны.

Предложены способ и устройство испытания испытуемого объекта (204). Способ испытания прочности соединений композитного объекта (204) включает: генерирование волны (228) напряжения в текучей среде (306) в полости (302) в конструкции (300) генератора волн; направление волны (228) напряжения через текучую среду (306) в полости (302) в композитный объект (204) и задание определенного количества свойств (310) волны (228) напряжения в текучей среде (306) на основании конфигурации (308) полости (302) в конструкции (300) генератора волн.

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.

Наверх