Ультразвуковой преобразователь

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОЬГИтЕНИЯ

К ASTOPCKOMJ СВИДИтИЛЬСтВЮ (I!) 539265

Со1ва Свветвкик

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 24.03.75 (21) 2115731/10 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 15.12.76. Бюллетень ¹ 46

Дата опубликования описания 16.12.76

I 51) М Кл G 01N 29,100

Государственный комитет

Совета Министров СССР ло делам изобретений и открытий (53) УДК 620.179.16 (088.8) (72) Авторы изобретения

А. И. Лукошевичюс и P.-И. 1О. Кажис

Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (71) Заявитель (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ H P ЕОБРАЗО ВАТЕЛЬ

Изобретение относится к технике ультразвукового неразрушающего контроля качества материалов и изделий и, в частности, может быть использовано в дефектоскопии, измерениях толщины, спектрометрических исследованиях структуры материалов и т. д.

Известен преобразователь (1), состоящий из тонкой пьезоэлектрической пластинки с нанесенными на противоположные поверхности электродами и прикрепленного демпфера из пьезокерамического материала. Недостатками такого преобразователя являются ограниченная полоса пропускания, так как она зависит от минимальной толщины пьезопластинки, а также значительные технологические трудности, возникающие при изготовлении тонкой пьезопластинки и обеспечении акустического контакта между ней и демпфером.

Известен также широкополосный преобразователь (2), выполненный на основе пьезопластинки, частично деполяризованной при помощи определенного температурного градиента и металлического демпфера, припаянного к пластинке. К недостаткам такого преобразователя относятся низкая технологичность и повторяемость параметров пьезопластинки, а также трудности обеспечения демпфирования согласованным демпфером.

Известен также преобразователь (3), в котором для расширения полосы пропускания пьезоэлектрический стержень с электродами на торцовых поверхностях поляризозан по длине нелинейно (иапример, при помощи специального способа поляризации поликристал5 лического пьсзоэлектрика, секциоиироваиия и т. д.) . При это,; вектор поляризации имеет иаиоольшее значеш1с у передней грани стержня и убывает ио определенному закону до H) ля в некотором расстоянии от нее. Это позво10 ляст при механическом демпфировании тыльной поверхности стержня расширить полосу пропускапия.

Существенными недостатками этого преоб15 разователя являются технологические трудности изготовления пьезоэлемента с переменной по длине поляризацией. При этом следует отметить, что эффективное расширение полосы пропускания получается только при оп20 ределенном законе изменения поляризации.

Кроме того, иет принципиальной возможности изготовления таких преобразователей из моно1;ристалли 1с I I!x пьезоэлсктриков, так как в шгх вектор поляризации постоянен. К

25 недост а гкам относится также необходимость механического демпфирования тыльной повсрхпос ги пьезоэлемента отдельным дсмпфсром, обеспсченис хорошего акустического контакта с которым представляет значительные

30 трудности. При рабогс преобразователя в ре539265

40

Эд (?0 жиме излучение — прием возбуждакицие и приемные электрические цепи не развязаны.

Для расширения полосы пропускания в режиме излучение — прием в предлагаемом преобразователе на боковую поверхность пьезоэлектрического стер?кня нанесены электроды в виде двух токопроводящих полос, а демпфер выполнен из пьезоэлектрического материала в виде единой конструкции с пьезоэлектрическим стержнем, Пьезоэлектрический стержень поляризован равномерно, но при помощи электродов, нанесенных на торцовую и на боковую поверхности, внутри стержня создается неоднородное электрическое поле. Это позволяет расширить полосу пропускания, одновременно упрощая конструкцию преобразователя. Выполнение второго электрода в виде двух полос позволяет развязать возбуждающие и приемные электрические цепи в режиме излучение — прием, что нельзя осуществить с преобразователем, рассмотренным выше (3).

Кроме того, демпфер не приклеивается к торцовой поверхности стержня, а выполнен в виде единого целого с преобразовательной частью пьезоэлемента и выполнен из того же пьезоэлектрического материала, который может быть как поликристаллическим, так и монокристаллическим.

Изобретение поясняется чертежом. Преобразователь состоит из круглого пьезоэлектрического стержня 1, торцового электрода 2, боковых электродов 3 и 4 и демпфера 5. При этом из боковых электродов подключен к генератору возбуждающего напряжения 6, а второй — к приемному усилителю 7.

Преобразователь работает следующим образом.

При подключении электрического напряжения к электродам 2 и 3 в пьезоэлектрическом стержне создается неоднородное электрическое поле. Величина компоненты напряженности этого поля, совпадающая с продольной осью преобразователя, имеет наибольшее значение у электрода 2 и постепенно уменьшается до нуля в зоне бокового электрода 3.

Источником ультразвуковых волн в пьезоэлектрике являются те его места, где существует градиент произведения напряженности электрического поля на пьезомодуль, Поскольку из-за распределения силовых линий электрического поля этот градиент по оси преобразователя во много раз больше у электрода 2, чем в остальной части стержня, источником объемной ультразвуковой волны является торцовая поверхность пьезоэлектрического стержня у электрода 2. Ультразвуковая волна, распространяющаяся в стержне, поглощается интегральным согласованные демпфером. Таким образом, электроакустнчсское п1?еобразование производится в широком диапазоне частот, обуславливаемом физической структурой применяемого пьезоэлектрика. В режиме приема волна принимаемого колебательного давления вызывает nosIâëåíèå элекгрического заряда пг рабочих электродах только при переходе через торцовую поверхность преобразователя. При этом электрическое напряжение, соответствующее принимаемомуу ультразвуковому сигналу, снимается с электродов 2 II 4. Прп помощи согласованного интегрального демпфера 5 обеспечивается режим бегущей волны, и преобразователь в режиме приема тоже является апериодичным и широкополосным. Из-за наличия двух боковых электродов 3 и 4 достигается электрическая развязка возбу?кдающих и приемных цепей. Это позволяет уменьшить длительность мертвой зоны и перегрузку приемного усилителя во время действия зондирующсго сигнала, а также улучшить согласование пьезопреобразователя с электрическими цепями в режиме излучение — прием.

Предлагаемый широкополосный ультразвуковой преобразователь позволяет увеличить точность и разрешающую способность приборов неразрушающего контроля качества материалов и изделий. Возможность применения монокристаллических пьезоэлектриков позволяет изготовить преобразователи для сверхвысоких акустических частот. Это находит широкое применение в спектроскопических исследованиях структуры контролируемых материалов и изделий. Технология преобразователя проста и позволяет достичь хорошей повторяемости параметров, так как отсутствуют такие ответственные операции, как поляризация по заданному закону и клейка с обеспечением хорошего акустического контакта.

Формула изобретения

Ультразвуковой преобразователь, содержащий поляризованный по длине пьезоэлектрический стержень с нанесенным на его торцовую поверхность электродом, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения полосы пропускания в режиме излучение — прием, на боковую поверхность пьезоэлектрического стержня нанесены электроды в виде двух токопроводящих полос, а демпфер выполнен из пьезоэлектрического материала в виде единой конструкции с пьезоэлектрическим стержнем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Л. F. 13roiin aud Жeigut L. Р., Generatiou

aud reception of wideband ultrasound, «Ultrasonic», 1974, vol 12, NI 4, 161-163.

2. Лвт. св. СССР,¹" 381021, М. Кл. G 01N

29/04, 1970.

3. Патент Великобритании ¹ 1208154, Н 04Н 17/00, 1970 (прототип).

539265 ф

Составитель Е. Артамонова

Техред M. Семенов

Редактор С. Хейфиц

Корректор Н. Аук

Типография, пр. Сапунова. 2

Заказ 2752/12 Изд, № 1839 Тираж 1029 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5