Устройство для фокусированияультразвуковых пучков

 

Союз Советских

Социалистических республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ()822922 м ф

/ . (61) Дополнительное к ввт. свид-ву (22) Заявлено 1403.79 (2I ) 2737256/18-10 (51)М. Кл.

В 06 В 3/04 с присоединением заявки Мо

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 2-304.81. бюллетень Н9 15

f53) УДК 534. 000 (088. 8) Дата опубликования описания 2 30481 (72) Авторы изобретения

В.Н.Белый и Н.С.Казак ,/ х

Ордена Трудового Красного Знамени инсти У физики AH Белорусской CCP

I . (71) Заявитель

"" )"::;,; j

=/ (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ

ПУЧКОВ

Изобретение относится к акустике и ультразвуковой технике и может быть использовано, в частности, для фокусировки ультразвуковых волн в системах ультразвуковой технологии, дефектоскопии, подводной локации, звуковой голографии.

Известно устройство,.которое включает звукопровод, выполненный в виде цилиндрической камеры, ограниченной гибкими растягивающимися мембранами (Ъ) .

Однако известное устройство не позволяет осуществлять изменение фокусного расстояния с частотой порядка десятков МГц и выше из-за инер.ционности мембран.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее звукопровод с управляемыми параметрами, на боко- вых поверхностях которого выполнены четыре параллельные друг другу ци" линдрические канавки с нанесеннывы на их стенки электродами, и блок управления в виде источника электрического напряжения, к различным полюсам которого подсоединены соседние электроды, причем образующие в ортогональном к направлякщим цилиц рнческих канавок сечении описываются уравнением где х и у -. оси декартовой системы координат, ортогональные направляющим цилиндрических канавок с началом, в центре звукопровода; R - расстояние от начала координат до вершины канавок f2).

Однако это устройство требует высокого управляющего напряжения.

Цель изобретения - упрощение фокусирования ультразвука за счет уменьшения управлякщего напряжения.

Указанная цель достигается тем, что звукопровод выполнен из материала, обладаищего квадратичным электроакустическим эффектом.

На фиг. 1 схематически иэображе« но предлагаемое устройство; на фиг. 2 - звукопровод с нанесенными на него электродами, общий вид, на фиг. 3 - то же, сечение плоскостью хоу, Устройство содержит вибратор 1, создакщий ультразвуковой пучок, эвукопровод 2,.выполненный из материала, 822922 (О

8Х С. „а 1. П И Ж11, е

50

55 обладающего квадратичным электроакустическим эффектом, например, о6ладающего центром симметрии и высокими значениями компонент тензоров, описывающих линейную и квадратичную электрострикцию, систему .электродов

3, создающую в материале звукопровода неоднородное электрическое поле, линейно зависящее от координат в сечении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука, источник 4 высоковольтного напряжения, подключенный к электродам, внешняя среда 5.

Звукопровод (фиг,2) содержит нанесенные на него электроды 3, подсо единенные к отрицательным и положительным полюсам источника (фиг.3), входные б и 7 и выходные 8 и 9 грани звукопровода при работе его в качестве цилиндрической и сферической линзы соответственно. Поверхности электродов образуют в сечении плоскостью хоу равносторонние гиперболы (фиг. 3) .

Устройство работает следующим образом.

Если в качестве материала для изготовления звукопровода выбрана неполяризованная пьезокерамика, на основе ВаТ10, обладающем квадратичным электроакустическим эффектом, вы сокой диэлектрической проницаемосгде „ц - диэлектрический тензор и

С „„р„„ вЂ” упругие постоянные в отсутствие электрического поля. Электрическое поле, линейно зависящее от координат в сечении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука, вызывает в соответствии с формулой 2 квадратичное изменение в этом сечении скорости ультразвуковой волны. В результате каждая точка фазового фронта акустического пучка приобретает различную фазовую задержку, приводящую при таком законе изменения скорости к превращению ( например, плоского фронта волны в сферический или цилиндрический. Если величина электрического поля в указанном сечении линейно зависит от одной координаты, то пучок испытывает цилиндрическое фокусирование, если же она линейно изменяется вдоль радиуса ультразвукового пучка, то наблюдается сферическое фокусирование. Изменение потенциала на электродах приводит к управлению фокусным расстоянием.

Если изготовить звукопровод 2 так, как указано на фиг. 2, и нанести на его поверхность электроды„ то при подключении последних к источнику высоковольтного напряжения внутри 65! тью, а следовательно, и высокими значениями электрострикционных посто1. янных первого и второго порядка.

Наложенное электрическое поле вызывает за счет эффекта электрострикции первого и второго порядка изгленение скорости ультразвуковых волн в сечении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука. Относительное изменение скорости аУ дается выражением

Vo — (z)

ЬЧ 40 где z,V = U - Vp, G - параметр„характеризующий относительно изменение скорости; Ч1) — скорость ультразвука в отсутствие электрического поля;

Š— величина напряженности =-лектрического поля, вызывающая изменение эффективной упругой постоянной, а следовательно, и скорости упругой волны

При заданных направлениях распространения ультразвуковой волны и направления ее поляризации (1 и направления внешнего электрического поля 0 (if, U, e - единичные векторы) параметра С выражаются через соответствующие компоненты тензоров, g„. и d.; e „ описывающих эффект электрострйкции первого и второго порядка, следующим образом

0 о уи) 14e PSe1 "е" "Р " 11 (з) Г.-e (1П материала звукопровода установится р аспределение поте нци ал а вида e (x,÷) = — )(vp

РЯ .1l (4)

О .где — разность потенциалов между электродами. Потенциал этого вида удовлетворяет уравнению Лапласа и граничным условиям Ч=+ на элект? родах.

B соответствии с (4) для компонента электрического поля имеем 1 о аЧ Vp

=- — Ч Е =- — — — Х (5) аХ «(У ЭЧ

0 о

Пусть продольная ультразвуковая волна распространяется вдоль оси х, В этом случае для относительного изменения скорости распространения волны из-за наложенного электрического поля получаем, воспользовавшись (2),(3) и (4), следующее выражение

Из (7) следует, что ультразвуковые лучи, распространяясь вдоль оси испытывают отклонение в направлении оси у, поскольку в среде 2 с

822922 помощью электрического поля создан поперечный градиент скорости

Так как градиент скорости зависит от координаты у, то и акустические лучи отклоняются на различные углы, величина которых определяется значением у.

Траектория движения акустических лучей в среде с поперечным градиентом скорости определяется уравнением, v q=- — " "—, (9)

АЪ ЧО Х ЧО д где 8 — угол между касательной к лучу и осью х, й„Ч вЂ” поперечный градиент скорости.

После прохождения через среду толщиной К с поперечным градиентом скорости угол отклонения луча от оси пучка (оси х) определяется выражением

8 2 ье

Отсюда можно сделать вывод, что акустические лучи на выходе из звукопровода 2 собираются в линию, параллельную оси Z, на расстоянии

У—

V у

От выходной грани звукоМ провода (8g — угол отклонения луча от оси х во внешней среде 5, связан

Ч с Qч соотношением О --п9 — 6

Ч, где V — скорость ультразвука в среде 5)., Окончательно для 1 получаем форМ мулу

4 из которой следует, что не зависит от > т.е. все лучи пучка независи- мо от их координаты, собираются в одну и ту же линию, параллельную оси

2, в результате чего наблюдается цилиндрическое фокусирдвание ультразвукового пучка. При <й„„„ звукопровод 2 является собирающей линзой, Я. при ф э4, — рассеивающеф.

Аналогичный результат получается, если вдоль оси х распространяются поперечные ультразвуковые волны. Фокусное расстояние при этом будет определяться формулой типа (11), в которую однако будут входить другие компоненты тенэоров с„ Я,2.

Рассмотрим теперь случай, когда продольная ультразвуковая волна распространяется в звукопроводе 2 вдоль оси Z. Электрическое поле, определяемое (5), вызывает здесь следующее изменение акустической скорос.ти

2. 2

Ч0 вл-с R4 в.л-с„,к

0 0 гаера &тат- расстояние от начала координат.

Из (12) следует, что поперечный градиент скорости в этом случае направлен вдоль радиуса акустического

i5 пучка. дv vo ч08133 Р 4>С„,, ) ф

Это означает, что акустические лучи будут испытывать отклонение от первоначального направления распространения в сторону уменьшения акустической скорости, т.е. собираться в точ25 ку на оси Z на расстоянии f от звукопровода 2.

С учетом преломления определяется фокусное расстояние сферической линзы, образовавшейся в результате на30 ложения на звукопровод 2 электричесКОГО ПОЛЯ

4УС«Ro () Г 81 и. Чх.4„

Отсюда следует, что все акустические лучи пучка независимо от значения р собираются в точку на оси Z, т.е. звукопровод 2 работает как сфе40 рическая линза.

Из формул (11) и (14) видно, что изменение величины потенциала на электродах звукопровода 2 приводит к изменению фокусного расстояния Ф

45 как цилиндрической, так и сферической линзы, Воспользовавшись данными измерений компонент тензоров 9 и 3, рассчитываем для выбранного конкретного случая фокусное расстояние, соответствующее цилиндрической линзе.

Подставив в формулу (11) значения электрострикционных коэффициентов, выраженных в системе СИ, д

= -9,4. 10 и d«„= 8,1- 10, также значения других параметров: С„

16,9 10"0 н/мР, Rg = 2.10Г м, В =

5 10 м, Yp = 104 B, n 1, получаем для фокусного расстояния значение

f х 10 см. Такие же значения фокус60 ного расстояния получаем и в случае сферического фокусирования. Изменяя разность потенциалов от нуля до 10 кВ, можно изменять фокусные расстояния предлагаемых линз от аз до

Я единиц и десятков сантиметров.

822922

Формула изобретения,ул.Проектная,4

Таким образом,. предлагаемое устройство позволяет с помощью электрического поля, величиной до 10 кВ/см осуществлять фокусировку и оперативное управление фокусным расстоянием в широких пределах: от нескольких сантиметров до 10 кВ/см . Задавая определенный закон изменения напряжения на электродах можно осуществлять в соответствий с формулами (11) и (14) и изменение по соответствующему закону фокусного расстояния;

Предлагаемое устройство может использоваться как в качестве цилиндрической, так .и в качестве сферической линзы.

Устройство для фокусирования ульт развуковых пучков, содержащее звукопровод с управляемыми параметрами, на боковых поверхностях которого выполнены четыре параллельные друг другу цилиндрические канавки с нанесенными на их стенки электродами, и блок управления в виде источника электрического напряжения, к различдым полюсам которого подсоединены воседние электроды, причем образующие в ортогональном к направляющим цилиндрических канавок сечении описываются уравнением

Я

5 Хч =т.— 1 где х и у — оси декартовой системы координат, ортогональные направляющим цилиндрических канавок с началом в центре звукопровода; R — расстояния от начала координат до вершин канавок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения фокусирования ультразвука за счет уменьшения управляющего напряжения, звуко15 провод выполнен из материала облаI

Ъ ,дающего квадратичным электроакустическим эффектом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

20 1. Каневский H.H и др. Ультразвуковая трехкамерная линза с переменным фокусным расстоянием. — "Акустический журнал". М., "Недра", 1978, т,24, ч. Р 2, с. 300-301.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2720004/18-10, кл; В Об В 3/04, 05.07.79.