Ультразвуковая линза

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

OUIV

РЕСГ1УБЛИК щ) В 06 В 3/04 (53) 534,000(088.8) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ (21) 2756113/10 (22) 18. 04; 79 (46) 07.04.92. Бюл. М 13 (71) Институт физики АН БССР (72) В.Н. Белый, Г.А. Пашкевич и A.Г.Хаткевич (54)(57) УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЛИНЗА, содер жащая заполненный жидкостью сосуд, отличающаяся тем, что, с целью повышения скорости перестройки фокусного расстояния, сосуд выполнен в виде кругового цилиндра, заполнен": ного феррожидкостью, и помещен между шестью последовательно чередующимися

Изобретение относится к области акустики и ультразвуковой техники и может использоваться, в частности,для фокусировки ультразвуковых волн в системах ультразвуковой технологии, дефектоскопии, подводной локации,звуковой голографии, а также для опера-. тивного управления фокусным расстоянием фокусирующих узлов в подобных системах.

Известно ультразвуковое фокусирующее устройство, содержащее рефлекторные кристаллический звуковод и систему электродов.

Однако это устройство дорого из-за использования специальных кристаллов и их обработки, Наиболее близким- по технической сущности к изобретению является уст..

„.80„„794835 А 1

2 по полярности полюсными наконечниками электромагнита, расположенными симметрично относительно оси линзы, причем полюсные наконечники имеют форму частей цилиндров, образующие которых параллельны оси линзы, а направляющие цилиндров s поперечном ортогональном . .сечении определяются соотношением

3 2 3 у-Зху=К где х, у — оси прямоугольной системы координат с началом на оси кругового цилиндра, а R-расстояние от начала координат до вершины полюсного наконечника. ройство для изменения фокусировки ультразвука, содержащее заполненный ° жидкостью сосуд. Однако зто устройство а ф при своей красоте не позволяет доста- © точно быстро изменить фокусное рас- д, стояние.

Q©

Целью изобретения является повышение скорости перестройки .фокуснбго расстояния. I

Цель достигается тем, что сосуд выполнен в виде кругового цилиндра, за" полненного феррожидкостью, и помещен между шестью последовательно череду- фр ющимися по полярности полюсными наконечниками электромагнита, расположенными симметрично относительно оси линзы, причем полюсные наконечники имеют форму частей цилиндров,. обр®зующие которых параллельны оси линзы, в

3 79 "1)3S направляющие цилиндров в поперечном ортогональном сечении определяются соотношением а ЗЧ

Н = (х -у ) .

Эу 2R (3) (1) З Согласно выражению (3) напряженность магнитного поля возрастает квадратично по радиусу от центра звукового провода.

Так как звукопроводом является феррожидкость, то внешнее магнитное

16 поле оказывает влияние на скорость распространения упругой волны. Изменение скорости обусловлено ориентацией магнитных моментов частиц, колеблющихся в поле ультразвука.

1$

Относительное изменение скорости

hv ультразвука в феррожидкости лий сонейно зависит от величины магнитного поля Н: э г 3 у-Эху К, Дч — — = н е

2 L причем Н = Нн + Н, 6L - коэффициент пропорциональности.

Эта зависимость выполняется вплоть до полей, при которых наступает насы" щение.

Согласно (2) и (3) находим, что магнитное поле выбранной конфигурации вызывает квадратичное по поперечному сечение изменения скорости:

d9 1 37 и « (6) о ф . где 9 - угол между касательной к лучу и осью звукопровода 7.

Из уравнений (5) и (6) следует, что йосле прохождения пучком звукопровода длиной 1 каждый акустический л и отклоняется на угол g, равный

Я Ъ 2

M — (у-Зху)

2кэ (2) р 3 0(Va

3М ЗЧо

Н - — --- - — — ху; ах R где х, у - оси прямоугольной сис координат с началом на оси круго

Цилиндра (линзы); R - расстояние начала координат до вершины полю накрнечника.

На фиг. 1 показан внешний вид зы; на фиг. 2 - расположение пол ных наконечников и силовых линии нитного поля относительно осей к динат; на фиг. 3 - эскиз, поясня выбор формы наконечников.

На чертежах 1 - цилиндрически суд, заполненный феррожидкостью .полюсные наконечники с положительным (И) и 3 - отрицательным (s) магнитным потенциалом, соединенные замкнутым магнитопроводом, 4,5 - подмагничивающие катушки. 2$ феррожидкость состои из магнитных частиц, размером -50-100А, взвешенных в различных жидких носителях.

Полюсные наконечники, описываемые уравнением (1), имеют сложную форму.

Однако на практике их легче изготовить в виде частей круглых цилиндров.

Такая замена не вызывает больших искажений поля линзы.

Устройство работает следующим образом. Зз

Ультразвуковой пучок из окружающей звукопроводящей среды проходит через входную грань линзы и распространяется в феррожидкости в направлении оси 46 кругового цилиндра, являющейся осью устройства. При наличии тока в обмот,ках электромагнитов в каждой точке поперечного сечения эвукопровода уста- навливается распределение магнитного 45 потенциала вида

Я где M - разность магиитных потенциа0 лов между двумя соседними полюсами.

Потенциал (2) приводит к появлению .составляющих магнитного поля по осям

X И

= о+ Я7 0(o P ° ®

ЗИо где р = z+y — расстояние от аси линзы до любой точки поперечного сечения.

При прохождении через такой звукопровод, в котором создан поперечный градиент скорости, акустические лучи изгибаются в сторону уменьшения ско- рости, причем траектория их движения определяется

Поэтому по выходе из линзы все ультразвуковые лучи соберутся в точку,назы" ваемую фокусом, расположенную от вы5

79<83 ходной грани звукопровода на расстоянии (8).

В формуле (8) учтено, что из-за преломления на выходной грани угол отклонения изменяется на величину и, равную отношению скорости Ч во внеш" вк ней акустической среде .к скорости V о

Ь феррожидкости.

Окончательно, согласно (7) и (8), фокусное расстояние линзы определяет- д ся по формуле

R

F = (9)

ЗпИ, ь61

Таким обра зом, выбра нная конфигура" 20 ция полюсов электромагнита создает .квадратично изменяющееся по радиусу магнитное поле в звукопроводе, которое в свою очередь, обеспечивает такое же изменение акустической скорости, И необходимое для сферической фокусировки продольно поляризованного ультразвукового пучка. Величина фокусного рас". стояния линзы меняется путем изменения величины тока в подмагничивающих. ЗО обмотках.

При отсутствии тока в обмотках линза действует как плоскопараллельная пластинка.

Пример. Рассмотрим линзу, звукопро" водом которой является Феррожидкость, состоящая из частиц магнетита Ге О 1.

5 d объемной концентрации 2,8Ô и размерой

50-!00A, взвешенных в керосине. Продольная упругая волна с частотой 2 ИГц создается пьезоэлектрическим преобразователем, прикрепленным к одному из торцов звукопровода. Полюсные наконечники выполнены из мягкой малоуглеродистой стали. Длина линзы равна 5 см, а ее апертура равна 2R 2 см. Из опытных данных коэффициент 0L

= 2,8 10 гаусс, тогда фокусное расстояние линзы согласно формуле (9) при

n = 1 и управляющем магнитном потенци" але и = 13,3 гаусс. см.равно F

= 1;8 см.

При изменении магнитного потенциала на полюсах электромагнита от нуля до

13,3 гаусс.см фокусное расстояние ме" няется от оо до F = 1,8 см. Ско рость изменения фокусного расстояния при этом ограничивается лишь временем прохождения ультразвука через фокусирующую среду (ИГ с), так как свойст« ва среды, связанные с изменением вкус» тической скорости, успевают установиться при быстром изменении величины потенциала полюсных наконечников за время (10 - 10 с). В устройстве отсутствуют механически движущиеся час" ти, поэтому линза не дает искажений изображений источника ультразвука изза механических вибраций, а возможность управления ее свойствами позволяет добиться значительной скорости управления фокусным расстоянием.

79.483 5

Редактор О. Рркова ееее

Производственно-издательский комбии»т Патент", г. Ужгород, ул. Гаг»рида, 301

Заказ 2307

ВНИИПИ Государственного

113035, Составитель В. Пирогов .

Техред А,Кравчук Корректор С. Шекмар айюююююююююеюеюееаееайаеВе

Тираж Подписное коввтет» по изобретениям и открытиям ври ГМЖ СССР

Иоскв», З 35, Рауиская наб., д..4/5