Устройство для управления пространственными параметрами пучков упругих волн

 

(71) Заявитель а

Ордена Трудового Красного Знамени институт физики AH Белорусской ССР. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ HPOCTPAHCTBEHHbMH

ПАРАМЕТРАМИ ПУЧКОВ УПРУГИХ ВОЛН

Изобретение относится к акустике и ультразвуковой технике и может быть использовано для целей ультразвуковой локации, дефектоскапии,микроскопии, голографии, а также в других областях науки и техники, где необходимо управляемое фокусирование ультразвуковых волн.

Известно устройство для управления пространственными параметрами пучков упругих волн, представляющее собой жидкостную линзу с гибкими поверхностями, способными изменять под действием давлением свою кривизну(1).

Однако эта устройство не позволяет достаточно быстро изменять фокусное расстояние и неспособно фокусировать сдвиговые волны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее звукапровод с управляемыми параметрами, на боковой поверхности которого выполнены параллельно направлению распространения пучка упругих волн четыре цилиндрические канавки с нанесенными на их стенки электродами (2).

Однако это устройство не позволяет производить сферическую фокусировку сдвиговых волн.

Цель изобретения — обеспечение управляемой сферической фокусировки сдвиговых упругих волн.

Указанная цель достигается тем, чта в устройства введен второй идентичный звукопровад с управляемыми параметрами и вращатель плоскости поляризации сдвиговых упругих волн на 90о, установленный между звукопроводами и жестко соединенный с ними, причем звукопроводы выполнены иэ сегнетаэлектрика в параэлектрической фазе, а образующие цилиндрических канавок в ортогональном к направлению распространения упругих волн сечении описываются уравнением х — у = R, О) где х и у — оси декартовой системы координат, о тогональные

20 направлению распростране" ния упругих волн с началом на акустической оси устройства, К - расстояния от начала ко25 ординат до вершины канавок.

При этом звукопроводы с управляемыми параметрами выполнены из непо30,ляризованной пьезокерамики.

Звукопроводы выполнены из центросимметричного кристалла.

856586 диэлектрической проницаемости от деформации.

При этом вращатель плоскости поляризации сдвиговых упругих волн на

90 выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из материала, обладающего естественной акустической активностью.

Вращатель плоскости поляризации выполнен в виде управляемого пьезоэлемента. 10

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - сечение звукопровода плоскостью ху.

Устройство включает звукопроводы

1 и 2, вращатель 3 плоскости поляризации„ сдвиговых упругих волн на угол

90о, цилиндрические электроды 4 и 5, подключенные к отрицательным:- и положительным полюсам источника электрического напряжения, входную (выход- що ную) грани 6 для ультразвукового пучка. Вращатель плоскости поляризации сдвиговой волны представляет собой плоскопараллельную пластинку из материала, обладающего естественной акустической .активностью, например кварца, либо управляемый пьезоэлемент °

Устройство работает следующим образом.

Ультразвуковой пучок из окружаю- 30 щей звукопроводящей среды проходит через входную грань линзы и распросо траняется в направлении оси Е. При отсутствии напряжения на электродах пучок является сдвиговой упругой 35 волной с вектором смещения, параллельным оси у. Он может быть создан плоским пьезопреобразователем, непосредственна расположенным на входной границе линзы. При подключении электродов к источнику питания в каждой точке поперечного сечения звукопровода устанавливается распределение потенциала вида

Ф (х,у) = — (х2 -. P ), (2)

Фо где ф - потенциал на электродах.

Потенциал (2) приводит к появлению составляющих электрического поля по осям х и у: 50

Ьф 2Фо

Е = — — = — — — х

2, х R е = — — = - " — у фф 2ь; бу В (3)

Согласно (3) напряженность электрического поля возрастает строго линейно по радиусу от центра звукопровода.

Так как звукопровод выполнен из сегнето-электрика в параэлектрической фазе (вещества с большой диэлект- ео рической проницаемостью), то внешнее электрическое поле оказывает влияние на скорость распространения упругой волны. Изменение скорости:ьу обусловлено электрострикцией - зависимостью 45

Дпя заданного направления распространения ультразвуковой волны и и вектора ее поляризации и .относительное изменение скорости v/÷ выражается

V B

"Зк"" 3<

S. к в;и, kf&PPC К С mUp ð > где Ч„„у, i d.„g >+ — электрострикционные постоянные первого и второго порядков соответственно;

C„" < -упругие и Е„ „— - диэлектри-— ческие постоянные1 скорость распространения упругих волн в отсутствие электрического поля (Е=О) . q(<р2 p2 (с, д. --(Д - д 1)ь | 2Ф

Р 4 g >44 55 2 1 255 155/

o . 44 (5) Аналогично для азимутально поляризованных лучей

Ыг Ф р2 дйс Р"((1ьзс би) 1K5) (*)

v, Из выражений (5) и (6) следует, что распределение потенциала (2) вызывает в поперечном -сечении звукопровода квадратичное по радиусу изменение скорости. При прохождении

Пусть звукопровод выполнен из центросимметричного кристалла изотропной или кубической системы. После прохождения входной границы линзы ультразвуковая волна внутри первого звукопровода распространяется в виде двух собственных волн с различными фазовыми скоростями. Смещения частиц в первой волне направлены по радиусам от центра звукопровода (радиально поляризованная волна), а упругие смещения во второй собственной волне направлены по касательным к окружностям, проведенным из центра звукопровода (азимутально поляризованная волна).

Положение каждого луча в поперечном сечении звукопровода описывает в полярных координатах Р и Ф, связанных с декартовыми соотношениями х =Ф созф, у = p sinР . Подставив в (4) значения компонент тензоров для кристаллов изотропной нли кубической симметрии, получаем для изменения скорости радиально поляризованных лучей выражение

856586

I через такой звукопровод, где создан поперечный градиент скорости, акустические лучи изгибаются в сторону уменьшения скорости, причем траектория их движения определяется уравнением

После прохождения акустического пучка через вращатель плоскости поля- 30 ризации каждый луч с радиальной поля ризацией становится азимутально поляризованным и наоборот. Поэтому после прохождения второго звукопровода дополнительный Угол отклонения eq 35

Ъ тех лучей, которые были радиально поляризованы в первом моноблоке, равен ет, @т, 1 Р а угол 9 тех лучей, которые были

2 40 азимутально поляризованы в первом звукопроводе, равен

О =еР, Полный угол О отклонения ультразвуковых лучей Hà всей длине звукопровода не зависит от азимутального угла Р и равен

Поэтому все ультразвуковые лучи собтраются в точку на расстоянии F от вход ой р ни звукопровода, пр ем 55

F-—

rl8

В формуле (11} из-за преломления на выходной грани угол отклонения изменяется на величину п, равную отношению скорости С1 во внешней среде к скорости ч„ в материале звукопровода.

5 а9 1а (7)

az где 0 — угол между касательной к лучу и осью звукопровода Z ° из уравнения (7) с учетом (5) и (Q (6) находят углы отклонения лучей от перпендикуляров, восстановленных к входной границе устройства, после прохождения первого звукопровода тол. щиной 1. При этом радиально поляризованные лучи отклоняются на угол

gP, равный .е - и - -g 2д фдць о) " ) р» »» SS » (в)

1 а азимутально поляризованные — на угол 9, равный д = o 2д -td -d )ь!1122@) (9) ф р6 1 g5

4 2ВС яц 255 255 5)

»»

Согласно (10) и (11), фокусное расстояние линзы определяется по формуле

Хс Р

0 155 255, К»и/

Таким образом, выбранная кОнфигурация электродов создает линейно изменяющееся по радиусу электрическое поле в звукопроводе, которое из-за электрострикционного эффекта обеспечивает квадратичное по радиусу распределение акустической скорости, необходимое для сферической фокусировки поперечно оляризованного ультразвукового пучка.. Величина фокусного расстояния линзы меняется путем изменения разности потенциалов, прикладываемых к электродам.

При отсутствии напряжения на электродах линза действует как плоскопараллельная пластинка.

Пример. Рассмотрим линзузвукопровод, который выполнен из неполяризованной пьезокерамики на ос,нове ВаТ„ On. Сдвиговая упругая волна внутри звукопровода создается кварцевым преобразователем, рассчитанным на частоту 13 ИГц. Длина каждого моноблока равна 5 см, а расстояние между вершинами электродов 2R = 4 см.

Данные для электрострикционных коэффициентов этой пьезокерамики равны

С»» = 5,1 ° 10 -, < = 510 . Тогда,ри

Н Ъ 1 м2 управляющем потенциале Фо = 5 кВ фокусное расстояние равно F = 10 см.

При изменении потенциала на электродах от нуля до 5 кВ фокусное расстояние устройства меняется от оо до

F = 10 см.

Предлагаемое устройство позволяет перестраивать фокусное расстояние в широком диапазоне и его можно менять по любому, наперед заданному закону путем изменения по такому же закону управляющего потенциала на электродах.

Формула изобретения

1. Устройство для управления пространственными параметрами пучков упругих волн, содержащее звукопровод с управляемыми параметрами, на боковой поверхности которого выполнены параллельно направлению распространения пучка упругих волн четыре цилиндрические канавки с нанесенными на их стенки электродами, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения управляемой сферической фокусировки сдвиговых упругих волн, в него введен второй идентичный звукопровод с управляемыми параметрами и вращатель плоскости поляризации

O сдвиговых упругих волн на 90, установленный между звукопроводами и жес856586

Составитель B.Ïêðîãîâ

Редактор М.Ликович Техред М. Табакович Корректор И.Демчнк

Заказ 7066/10 Тираж 527 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11.3035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

° Ф филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4.тко соединенный с ними, причем звукопроводы выполнены из сегнетозлект- рика в паразлектрической фазе, а образующие цилиндрических канавок в ортогональном к направлению распространения упругих волн сечении описываются уравнением х -у Rl где х и у - оси декартовой системы координат, ортогоналъные направлению распространения упругих волн с началом иа акустической оси устройства;

R - расстояния от начала координат до верщик канавок. 35

2.„устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что звукопроводы с управляемыми параметрами выполнены из неполяриэованной пьеэокерамики. 2О

3 ° Устройство по п. l, о т л н ч а ю щ е е с я тем, что звукопро воды выполнены из центросимм трнчного кристалла.

4 ° Устройство по и. 1 n .л ив ч а ю щ е е с я тем, что з ащ .тель плоскости поляризации сдвиговых упругих волн на 90 выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из материала, обладающего естественной акустической активностью.

5. Устройство по п. l, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что вращатель плоскости поляризации выполнен в виде управляемого пьезоэлемента.

Источники информации, поинятые во внимание при экспертизе, 1. Каневский И.Н. н др. Ультраэвуаовая трехкамерная линза с переменным фокусным расстоянием.-акустический журнал, N,, Наука™, 1978, т. 24, 9 2, с. 300-301.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2720004/18-10, рл, В 06 В 3/04, 05.02.79.