Устройство для управления ультразвуковыми пучками

 

О П И С А Н И Е (и)9ОР863

ИЗОВРЕТЕ Н ИЯ

Союз Советсиик

Социалистические

Республик

1 г г г

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 040 1.80 (21) 2867329/18-10 с присоединением заявки М(23)ПриоритетОпубликовано 070282 ° Бюллетень Юв5 °

Дата опубликования описания 070232 (5l)N. Кл.

В 06 В 3/04

3Ъауирстееииый комитет

СССР во делам иэаоретеиий и открытий (53) УДК 534.232 (088.8) (72) Авторы изобретения

H.À. Гусак, А.Г. Мащенко и В.В. филиппо

Ордена Трудового Красного Знамени инстит т 6 .-:: физики АН Белорусской ССР (7l ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ

ПУЧКАМИ

Изобретение относится к акустике

М ультразвуковой технике и может

/ быть использовано в акустооптических системах, в системах гидролокации и ультразвукового контроля и диагностики,,а также в других облас.тях науки и техники, где требуется управляемое сканирование ультразвуковых пучков.

Известно устройство для отклонения акустических пучков, в котором используется пьезопреобразователь, выполненный в виде клиновидной плас тины f1) .

Однако в этом устройстве распределение фазы на излучающей грани такого преобразователя зависит от частоты возбуждающего электрического поля; с ее изменением происходит изменение направления распространения излучаемого им акустического пучка. Это устройство также должно содержать специальную электронную систему для изменения частоты возбук;дающих сигналов. При этом зависимость угла отклонения акустического пучка от его частоты имеет существенно нелинейный характер и зависит от параметров пьезопреобразователя, что осложняет схему управления отклонением.

Известно также устройство для управления ультразвуковыми пучками, содержащее элемент для изменения фазы ультразвуковых колебаний, выполненный в виде звукопровода из пьезоэлектрического материала -(анизотропного кристалла), обладающего

15 упругоэлектрическим эффектом, на бо ковую поверхность которого наложены четыре цилиндрических электрода, подсоединенных к источнику питания, образующие которых параллельны нап20 равлению распространения .ультразву- ка, а форма электродов в ортогональном к оси распространения сечении имеет вид гиперболы 523.

902863

R = 0 (соз — )

3 ь

Внешнее электрическое поле,приложенное к электродам, изменяет величину коэффициентов упругости вещества звукопровода, Форма электродов обеспечивает линейное изменение коэффициентов упругости в зависимости от координаты, вдоль которой происходит отклонение пучка, благодаря чему за счет рефракции ультразвуковой пучок отклоняется от первоначального направления распространения.

Основным недостатком этого устройства является выполнение звукопровода из материала, обладающего упругоэлектрическим эффектом, при котором изменение скорости ультразвуковой волны линейно зависит .от напряженности создаваемого электродами поля.

Как известно, этот эффект мал. Поэтому для изменения относительной скорости ультразвуковой волны на десятые доли процента требуется изменение напряженности электрического поля в десятки или даже сотни киловоЛьт на сантиметр. При этом, конструктивное выполнение известного устройства, использующего упругоэлектрический эффект в материале, предполагает обязательное выполнение на поверхности кристалла (звукопровода) четырех электродов гиперболического сечения, что сопряжено со значительными технологическими трудностями.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для управления ультразвуковыми пучками, содержащее звуKoflpo вод с управляемыми параметрами, выполненный из материала, обладающего квадратичным .электроакустическим эффектом, на одной из боковых поверхностей которого выполнена вдоль акустической оси устройства канавка цилиндрической формы с нанесенными на ее стенку и противоположную ей боковую поверхность электродами (3).

Однако это устройство требует подачи на него высоких напряжений и не- позволяет изменять направления распространения пучка без его искажения.

Целью изобретения является снижение величины управляющего напряжения и обеспечение изменения направления распространения пучка без его искажения.

Поставленная цель достигается .благодаря тому, что поверхность звукопровода, противоположная поверхности с цилиндрической канавкой выполнена в форме двугранного угла, симметричного относительно акустической оси устройства, при этом форма цилиндрической поверхности канавки выполнена согласно уравне10 нию направляющей где 0 - расстояние между вершина15 ми двугранного угла и цилиндрической канавки1 - угол, отсчитываемый от прямой, соединяющей эти вершины;

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство состоит из звукопровода 1, выполненного из материала, обладающего квадратичным электроакустическим эффектом. На боковой поверхности звукопровода выполнена цилиндрическая канавка 2, а противоположная ей боковая поверхность 3 выполнена в виде двугранного угла. На эти

1 поверхности нанесены электроды (на чертеже не показаны). Образующая канавки и ребро двугранного угла параллельны акустической оси устройства. Направляющая цилиндрической поверхности канавки определяется

35 уравнением

R = D(cos -0-), (1)

3 Ь

40 где R — - расстояние от начала координат, лежащего на ребре, двугранного угла до произвольной точки направляющей.

Устройство работает следующим

45 образом.

При подаче на электроды потенциала 10, в звукопроводе устанавливается распределение потенциала (у ф,(я соз(.ф1 — (2) о

Лз выражения {2) можно определить

0 0 компоненты электрического поля Ед =щ

55 щ Р и Е = - p . Нахождение Е дает

3 ф

Е = 4Ф вЂ” R

0Ь

902863 (3) формула изобретения

3 -%

R 0 (cos -4) (6) где 0

Следовательно, изменение скоросФ ти волн пропорционально R

Vg = V„- + 4 с .„R, i = 1, 2, 3

rpe V<, -, скорость звуковых волн при о отсутствии электрического поля.

Коэффциенты Ф„ определяются выражениями с32 ДЯ Q5cfg 4-м ч„* ° ьк ч где д,с1,d - компоненты тензора пятого ранга, описывающего электрострикцию; плотность среды;

\/ и V< — фазовые скорости поперечных и продольных волн в отсутствии электрического поля.

При прохождении вдаль оси z ультразвуковой пучок отклоняется в сторону уменьшения акустической скорости. Угол отклонения луча после прохождения звукопровода длиной 1

I определяется выражением Ь„= — 1, i= 1,2,3. (5)

Ь= l ©/ь

Подставляя выражения (3) и () для величины угла отклонения имеем

Из-за преломления на границе звукояровода и акустической среды угол отклонения можно увеличить в

Чсщ и> раз; где и-„= м рость звука в среде. С учетом этого окончательно для, угла отклонения ультразвукового пучка получим формулу

При приложении к электродам разности потенциалов в дефлекторе создается неоднородное электрическое поле. По направлению к электроду напряженность его больше в соответствии с выражением (2). Таким образом, чем ближе лучи исходного пучка, сечение которого ограничено на чертеже пунктирной линией к электроду, тем, согласно выражению (4), меньше их скорости. По мере. прохождения дефлектора лучи пучка постепенно отклоняются вдоль радиусов-векторов в сторону электрода.

Устройство для управления ультразвуковыми пучками, содержащее звукопровод с управляемыми параметрами, I5 выполненный из материала, обладающего квадратичным электроакустйческим эффектом, на одной из боковых поверхностей которого выполнена вдоль акустической оси устройства щ канавка цилиндрической формы с нанесенными на ее стенку и противоположную ей боковую поверхность электро, дами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения величины уп25 равляющего напряжения и обеспечения изменения направления распространения пучка без его искажения, поверхность звукопровода, противоположная поверхности с цилиндрической

5О канавкой выполнена в форме двугран-. ного угла, симметричного относитель- но акустической оси устройства, при этом форма цилиндрической поверхности канавки выполнена согласно уравнению направляющей расстояние между вершинами двугранного угла и цилиндрической канавки; - угол, отсчитываемый от прямой, соединяющий эти вершины.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.6алакший В.И. и др.Угловое смещение акустического пучка, возбуждаемого клиновидным пьезопреобразователем.-"Акустический журнал", т.24, вып. 4, 1976, с. 420-426.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке N 2720718/18-10, кл. В 06 В 3/04, 1979

3.Авторское свидетельство СССР по заявке N 2737256, кл. В 06 В 3/04, 1979 (прототип).

902863

Составитель В, Пирогов

Редактор С. Титова Техред Е.Харитончик Корректор Н. Швыдкая

Заказ 12505/9 Тираж 498 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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