Устройство для управления пространственнымипараметрами пучков упругих волн

 

т;оюз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 05.02. 79 (2 l ) 2720004/18-10 (St)N Кл. с присоединением заявки Ж 2720000/10

27 207 18/10 (23) Приоритет

В 06 3/04

Гееудеретееннмй камитет

COOl

IID делам иэобретеннй и вткрмтий

Опубликовано 28.02.81. бюллетень М 8

Дата опубликования описания 28.02.8l

C (53) УДК 534.000 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. Н. Белый и Н. С. Казак

Ордена Трудового Красного Знамени институт.физики

AH Белорусской ССР (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ

ПАРАМЕТРАМИ ПУЧКОВ УПРУГИХ ВОЛН

Изобретение относится к акустике и ультразвуковой технике и может использоваться, в частности, для управления пространственными параметрами пучков упругих волн в системах ультразвуковой технологии, дефектоскопии, подводной ло5 капни, а также в других областях науки и техники, где необходимо производить управление пространственными параметрами ультразвукового луча.

Известны устройства для управления направлением распространения пучка упругих волн, т.е. для его пространственного сканирования, использующие рефлек!

5 тор, механически поворачивающийся вокруг оси, перпендикулярной осн пучка P), Отраженный луч осуществляет в результате сканирование определенной области пространства.

Однако такие устройства обладают невысокой скоростью сканирования, Кроме того, при вращении рефлектора практически невозможно осуществить управление углом поворота ультразвукового пучка по заданному закону.

Известны также устройства, которые представляют со >ой набор акустических преобразователей, расположенных в одной плоскости(21. Преобразовательные элементы должны колебаться-в определенных фазах. Для изменения фазы колебаний соседних пьезопреобразователей служит специальное фазирующее устройство.

Однако данному устройству присущ: ряд недостатков, связанных с дискретной структурой излучающей ультразвук системы.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее звукоправод с управляемыми параметрами H блок управле ння Pg.

Однако это устройство имеет низкую скорость управления.

Бель изобретения - повышение скорос. ти управления.

3х у — у

2 3 3 М вЂ” QE, Чр

2. 3 й3

Эху-у +а

Поставленная цель достигается тем, что в качестве звукопровода применен кристалл с линейныл электроакустическим эффектом, на боковой поверхности которого выполнены параллельно направлению распространения пучка упругих волн, Йилиндрические канавки с нанесенными на их стенки электродами, а блок управления выполнен в виде источника электрического напряжения, к различным поло- i0 сам которого подсоединены соседние электроды °

С целью сканирования продольно-поляризованного пучка упругих волн, а также упрощения управления и устранения потерь звуковой мощности, звукопровод изготовлен иэ кристалла кубической симмет рии, а на его боковой поверхности выполнены четыре цилиндрические канавки, направлякнпие которых параллельны оси (1 lOJ и направлению распространения упругих волн, а образующие в ортогональном к оси

10)сечении описываются уравнением

«pZ ху = + — ° 25 где 2R- расстояние между вершинами электродов, ось Х параллельна (110), а ось У вЂ” Eood, а начало координат лежит на оси устройства.

30 .Пля сканирования поперечно-поляризованного пучка упругих волн направляющие цилиндрических канавок параллельны направлению распрос,гранения упругих волн, поляризованных в плоскости симметрии

35 кристалла и оси, лежащей в той же плоскости и составляющей с осью $100) угол 22,5

С целью осуществления одновременной фокусировки и дефокусировки во взаимно

40 ортогональных направлениях пучка упругих продольно-поляризованных волн эвукопровод изготовлен из кристалла кубической симметрии, а на его боковой поверхности выполнено шесть цилиндрических

45 канавок, направляющие которых параллельны оси (110) и направлению распространения упругих волн, а образующие в ортогональном к оси (110)сечении описыва ются уравнением перечно-поляризованных волн, направляющие цилиндрических канавок параллельны направлению распространения упругих волн, поляризованных в плоскости симметрии кристалла и оси, лежащей в той же плоскосо ти и составляющей с осью (100)угол 22,5.

С целью осуществления чисто цилиндрической фокусировки пучка упругих волн, звукопровод выполнен из кристалла тригональной симметрии, а направляющие цилиндрических канавок параллельны крис таллографической оси третьего порядка

Z и перпендикулярны направлению распространения упругих волн, вектор поляри= задки которых совпадает с кристаллофизической осью Х, причем образующие канавок в ортогональном к оси Z сечении описываются уравнением где 2R — расстояние между вершинами электродов в направлении кристаллографической оси У, а начало координат лежит на оси устройства.

Наложенное электрическое поле вызывает за счет электроупругого эффекта линейное изменение скорости ультразвука в сечении, ортогональйом направлению распространения звуковой волны, Относительное изменение скорости

h. Ч / Чо дается выражением где Q- электрический нелинейный параметр, .

Чр- невозмущенная скорость ультра— звука;

Е - компонента электрического ноля, вызывающая изменение скорости упругой волны.

line заданного направления распространения ультразвуками,, направления поляризации звуковой волны р и направления е электрического ноля параметр Q выражается через соответствующие компоненты электроупругого тензорное„- е и махе тензора пос;оянных С ° .„g следующйм образом

Ят ф. к Ег И Р5 "g Р р

ZC„. и„р; и„р Е (2) где 29 — расстояние между вершинами электродов в направлении оси, ось Х параллельна t110), а ось У вЂ” (001).

Для осуществления одновременных фокусировки и дефокусировки во взаимно ортогональных направлениях пучка упругих поH а звуко провод накл адыв ato электрическое поле, величина которого линейно зависит от координат в сечении, ортогональном направлению распространения пучка упругих волн, то фазовая « скорость также линейно зависит по сече8167 о

В описанных устройствах ориентация осей)(УЕ относительно кристаллографических осей кубического кристалла выбрана так, что только компонента Е оказыS вает влияние на скорость упругой волны.

Согласно (l) н (4) компонента Е выэовет линейное вдоль оси Х изменение скорости упругой ватны: (6) мове (8) 50

Угол отклонения пучка пропорционален psa-ности потенциалсе, электрическому нелинейному параметру Q, длине звукопро-.

5$ вода (и обратно пропорционален квадрату апертуры.

Изменяя разность потенциалов то на электродах, можно менять угол 9, т.е. управлять с помощью электрического по34 Чо

Е = У, х ъи R2

ЭУ fo

Е=- = — — Х, 5 &О нию пучка. B результате фазовые фронты приобретут наклон и пучок отклоняетса как целое. Степень отклонения зависит от того, насколько меняетса фазоваа скорость по сечению пучка.

Если на эвукопровод накладывают электрическое поле, величина которого квадратично зависит от координат в сечении, ортогональном направлению распространения пучка упругих волн, то фазоваа скорость по сечению пучка приобретает квадратичную фаэовую задержку.

Это приводит, например, к превращению щтоского фронта в сферический или цилиндрический. Поэтому звуковой пучок испытывает сферическое или цилиндрическое, фокусирование,, На фиг. 1 представлено устройство для сканирования продольно-поляризованного пучка, общий вид; на фиг. 2 - устройство для сканирования поперечно-поляризованного пучка, на фиг. 3 - сечеше устройств плоскостью ХУ; на фиг. 4 и

5 - устройства для фокусировки (дефокусировки) во взаимно ортогональных нап» равлениях пучков соответственно продольно- и поперечно-поляризованных упругих . волн, обтпий вид, на фиг. б - устройство для чисто цилиндрического фокусирования цучка упругих волн на фиг. 7 - сечение этого устройства плоскостью ХУ.

Устройство состоит яз звукопровода 1, выполненного иэ материала, обладающего электроупругим эффектом цилиндрических, электродов 2 и 3, подключенных к Отрицательным и положительным полюсам источника питания, входной (выходной) грани 4 для пучка упругих волн и источника . 5 электрического напряженна.

Устройство работает следующим образом.

При подключении электродов к источтп ку питания в каждой точке внутри звукопровода установится распределение потен:.циала вида то Р(х,у) . - ху, (3) где fo- разность потенциалов между электродами.

Выражений (3) удовлетворяет уравнению

Лапласа и граничным условиям f""- -3 йа заряженных электродах.

Из выражения (3) можно определить величину напряженности электрического пола в направлениях Х и У : (5)

Пучок упругих волн из окружающей звукопроводящей среды проходит через входную грань устройств и распростра35 нается в направлении осн Z.,При о сутствии напряжения иа электродах пучок внутри крист=ила должен иметь либо продольную поляризацию с вектором сме щения, парьллельннм оси Z дла устройст20 ва на фиг. 1, либо кваэипоперечную поляризацию с вектором смептениа, лежащим в плоскости симметрии кристалла, дла устройства на фиг. 2. Пучок может бы1ь создан плоским пьезопреобразователии, 2$ непосредственно расположенным на входной границе звукопровода 1.

При подаче нанряження на электроды

2 и 3 пучок отклоняетса как целое в сторону уменьшения акустической скорссЗ0 ти. Угол отклонения луча после прохождения звукопровода толщиной 6 опреде» лается выражением

4 ЗЧ

e=- — — 6

"о

Подставляя (5) в (6), получим Ро 8С (7) я

40 Из эа преломления HB границе контакта пьезоматериала и акустической среды угол отклонения изменяется на величину И равную отношению Ч скорости в акустн ческой среде к скорости звука Но в эвукопрсводе.

С учетом этого окончательно дла Уг-. ла отклонения ультразвукового пучка получим формулу

m направлением распространения ультразвуковых пучков.

Пусть звукопровод выполнен из криста па германата висмута Bi<

10 а для устройства на фиг. 2:

9 - z c c } "<1 1О (Cral ), (згь (} мь (0)

9(X 3) (3a У ), (11) 30 где Vo- разность потенциалов между электродами и, 2Q.- расстояние между вершинами электродов в направлении оси У.

Потенпиал (11) приводит к появлению составляющих электрического поля по осямХ и У:

ЗЧ «Э о

3У 2R>

Е = — — =- - х/

ЭФ 3 о

Х дК (12)

40. В устройствах (фиг. 4 и 5) компонента . Ey вызовет, согласно (1) и (12) квадратичное по поперечному сечению пучка упругих волны изменение скорости ч =ч„ —, (х }

3 оЧоО а

В устройстве на фиг. 6 компонента Е создает для продольно-ноляризованного цучка, распространяющегося вдоль оси Х, изменение скорости вида ЬЧоО

Чо gg3 а для поперечно поляризованного пучка, распространяющегося в направлении оси

Подставляя (9) и (10) в (8) при

Я О,5см, 6 =10см, rl-1иизменениипотекииапа на электродах от нуля Ао 1(1 кв, получим, что угол отклонения меняется для устройства на фиг. 1 в предепах LD, 20 а дпя устройства на фиг. 2 в пределах 5 .

Устройства для фокусирсвки (дефокуси ровки) работают следующим образом.

При подключении электродов к источнику питания в каждой точке звукопровода 25 устанавливается распределение потендиапа вида

Х со смещением частип вдоль оси Х, из менение скорости вида: у - Ж @ )х2 о

Пучок упругих воин из окружающей звукопроводящей среды распространяется волли сси Z (фиг. 4 и 5) пибо вдоль асей Х или У (фиг.6)..В устройстве на фиг. 4 пучок ляется продопьнс -поляризованной волной; в устройстве ив фиг. 5квазисдвиговой волной, поляризованной в координатной плоскости симметрии кубического кристалла; в устройстве на фиг. 6 - продольн -поляризованным при распространении вдоль оси Х, либо попе речно-поляризованным при распростране, нии вдоль оси У.

При подаче напряжения акустические лучи изгибаются в сторону уменьшения, скорости, причем траектория их движения определяется уравнением

18 1

V1Ч

{14) При фокусировании по оси У все лучи звукового пучка собираются в пинию, рас-, положенную на некотором расстояний 7> от выходной грани устройств, где

3 у д (15} ( причем8- угол отклонения звуковых лучей от c ë пучка после прохождения топщины звукоправода 5, который дается выражением

d — J—

3Ч

"оо Э) (16) Из-за преломления на выходной грани устройств угол отклонения изменяется на величину отношения скорости Чоп во где 6- угол между касательной к лучу и осью пучка, Я,ф- поперечный градиент скорости., В устройствах на фиг. 4 и 5 осущес является в спучае положительного параметра 0 цилиндрическое фокусирование но оси У и одновременно дефокусирование по оси Х. В устройстве на фиг. 6 осуществляется чисто пипиндрическое фокусирование по оси У для пучка, распространяющегося вдоль оси Х, либо чисто Ълиндрическое фокусирование по оси Х дпя пучка, распространяющегося в направлении, оси У, 08167 10

Задавая определенный закон измене.ния напряжения на электродах, можно осуществлять в соочэетствии с формулой (17) и изменение по соочзеас 1вувщему закону фокусного расстояния.

Предлагаемые устройства пригодны для управляемого фокусирования высокчастотных ультразвуковых волн, так как в качестве фокусирующей среды использу10 ются твердые изотропные и кристаллкчес« кие материалы, в которых, как известно, поглощение на высоких частотах (десятки и сотни мат) значительно меньшэ, чем в газах и жидкостях. йэ

ЪиЧ О

Величина фокусного расстояния Рх устройств 4, 5 и 6 также определяется формулой (17), причем F = — 1- у

Таким образом, величина фокусного расстояния ус тройств пропорпиональна кубу апертуры и обратно пропорциональна разности потенпиалов, элекрическому нелинейному параметру и длине звукопровода 1 . Величина фокусного расстояния устройств меняется путем изменения разности нотенциалов, прикладываемых к электродам.

При отсутствии напряжения на электродах устройства действуют как плоскопараллельные пластинки.

Пусть звукопровод в устройствах (фиг. 4 и 5) выполнен из кубического кристалла германа висмута. Тогда для устройств (фиг. 4) при t. — 10 см, Я 0,5сми 9„=10кВи

g=--. 0,3 10 ф, согласно (17) „= 140 см, а для устройства (фиг. 5) при 1= 0,5сми Q = 1, 10™см в »- 4 см.

Рассмотрим устройспзо (фиг. 6), звукопроводом которого является кристали ниобата лития. Йля К= 5 см, 9, = 1 см. фо 10 кВ при распространении звуково го пучка вдоль оси XQ =0,04 10 -и;-Всм и Г 1 = 20 м, а при распространении вдоль оси У,Q = 0,93 ° 10, » и = pO cì.

Использование предлагаемых устройств позволяет сканировать пучком упругих волн или перестраиватьфокусное расстояние в широком диапазоне при фокусировании. Устройства характеризуются высокой скоростью управления пространственными параметрами ультразвуковых пучков, так как управляются внешним электрическим полем. Скорбь изменения фокусного расстояния ограничивается лишь временем прохождения ультразвука через фокусирующую среду 10" с. Зто примерно на четыре порядка лучше, чем для известного устройства, в котором изменение давления осуществляется за время от де= сятых долей секунды до единим и десятков секунд.

xg= + Ie/2., 9 Я внешней среде и скорости звука Vg в ма. териале линзы:

""- (ОКйо}

Окончательно, согласно (14)-(16), фокусное расстояние устройств определяется по формуле

Формула изобретения

l. Устройство для управления просэранственными параметрами пучков упру- гих волн, содержащее звукопрсвод с управляемыми параметрами и блок управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что с целью повышения скорости управления, в качестве эвукопровода применен крислалл с линейным электроакус 1мческим эффектом, на боковой поверхности которого выполнены параллельно направлению распространения пучка упругих волн пилиндрические канавки с нанесенными на их стенки электродами, а блок управления выполнен в виде источника электрического напряжения, к различным полюсам которого подсоединены соседние электроды.

2, Устройство Ho II 1, о т л и ч 8

35 ю щ е е с я тем, что, с делью сканирования продольно-поляризов анного пучка упругих волн, а также упрощения управления и устранения потерь звуковой мощ

40 ности звукопровод изготовлен из кристалла кубической симметрии. а на его б ковой поверхности выполнены четыре гггглиндрические канавки, направляющие ко торых параллельны оси(110)и направлению распространения упругих волн, а об4 .раэующие в ортогональном к оси 1 lOgceчениии описываются уравнением где 2 - расстояние между вершинами электродов, ось У параллельна(001),. ось Х - (110), а начало координат лежит на оси устройства .

3. Устройство по и. 1 и 2, о т л ич а ю m е е с я тем, что, с иелью сканирсвания поперечно-поляризованного пучка упругих волн, направляющие дилиндрическкх канавок параллельны направлению распространения упругик волн, поляризованных в плоскости симметрии кристалла, и оси, лежащей в той же плоскости с ью (300)y 22,5 .

4. Устройство по п. 1, о т л и ч аю m е е с я тем, что, с иелью осуществления одновременной фокусировки и дефокусировки пучка упругик продольно-поляризованнык волн, звукопровод изготовлен из кристалла кубической симметрии, а- на о его боковой поверхности выполнено шесть цилиндрических канавок, направчяюшие которых параллельны оси (11 3)и направле -> нию распространения упругих волн, а образующие в ортогональном к оси (110 сечении описываются уравнением

Зх У-У =+R где 2p — расстояние между вершинами 20 электродов в направлении оси, ось У параллельна (001), в ось Х -tll0), 5. Устройство по пп. 1 и 4, о т л и— ч а ю m е е с я тем, что, с иелью осуществления одновременных фокусировки и дефокусировки пучка упругих поперечно-поляризованных волн, направляющие дилиидрических канавок параллельны направлению распространения упругих волн, поляризованных в плоскости симметрии 30 кристалла и оси, лежащей в той же плоскости и составляющей с осью (100)

22 о

67 12

6.Устройство по п. 1, о т л и, ч аю m е е с я тем, что, с пелью осуществления чисто дилиндрической фокусировки пучка упругик волин, звукопровод выполнен из кристалла тригональной симмет рии, а направляющие цилиндрических какавок параллельны крис таллографической оси третьего порядка Z и перпендикулярны направлению распространения упругих, волн, вектор поляризадии которык совпа дает с кристаллографической осью Х, причем образующие канавок в ортогональном к оси Z сечении описываются уравнени3x g-> =+к, где 2R- расстояние между вершинами электродов в направлении кристаллографической оси У, а начало координат лежит на оси устройс тва, Источники информаиии, принятые во внимание при экспертизе

1. Бергман Л. Ультразвук и его npu менение в науке и технике, изд. 2, ИЛ., Мч 1957 с. 48-50.

2.Ко .рай А. ап6 оОщ.ь, Research о%

Acousk cak Я ьМм о1 МойЖоМоп Coher eat ИрМ 1вг Great e Те е vis on

Р с е.е,.— Appf,.ОрОсв.1966, 5,М -ЧО,р.166.

3. Каневский И. Н. и др. Ультразвуксь лая трехкамерная линза с переменным и фокусным расстоянием, Акустический журнал. М., "Наука", 3978 т. 24, K 2, с. 300-301.

ЧЬг, 7

Составитель В. Пирогов

Техред Е. Гаврипешко Корректор B. Бутщ а

Редактор П. Макаревич

Заказ 10888/8 Тираж 538

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и отйрйтий

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., д.

Подписное

4/5

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, Ул. Проектная, 4