МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗОЛИРОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01N29/22 

Изобретение относится к ультразвуковой дефектоскопии, в частности к производству пьезоэлектрических преобразователей (зондов) для ультразвуковой диагностики в медицине.

Известны применяемые в конструкциях пьезоэлектрических преобразователей звукогасящие материалы (материалы, реализующие акустическую развязку), например текстолит, наполненные эпоксидные смолы [1]
Однако такие звукогасящие материалы не обеспечивают изолирования акустической системы медицинских ультразвуковых зондов от воздействия ультразвуковых колебаний (УЗК) на ладонь оператора при проведении ультразвукового диагностирования пациентов. В связи с длительным характером этого воздействия возможно возникновение патологий у оператора.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является смесь, представляющая собой наполненный порошкообразным оксидом свинца, частицы которого имеют произвольную форму (игольчатые, пластинчатые), вулканизированный бутадиеновый каучук [2]
Недостатком этой смеси являются слабые звукогасящие свойства, так как процесс звукопоглощения обеспечивается за счет рефракции ультразвука от неоднородностей в материале. Кроме того, изготовление деталей пьезоэлектрических преобразователей из этой смеси связано с технологическими трудностями, обусловленными необходимостью изготовления сложной специальной оснастки для горячего прессования. Наличие в составе материала токсичного свинца делает невозможным увеличение объемов производства диагностических зондов в связи с экологическими ограничениями.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение звукопоглощающих свойств материала для изолирования акустической системы пьезоэлектрических преобразователей, упрощение технологии его формования в детали, исключение из состава токсичных и вредных веществ.

Это достигается тем, что материал для изолирования ультразвуковых колебаний содержит в качестве наполнителя полые микросферы, а в качестве связующего герметик Виксинт, при это объем связующего составляет 20-35% объема наполнителя.

Такое сочетание признаков является фактором, качественно изменяющим механизм работы звукоизолирующего материала, обеспечивая поглощение и рассеивание ультразвука следующим образом. В дозе порошка наполнителя, состоящего из полых микросфер, непременно существуют частички, имеющие размер, соответствующий четвертьволновой длине ультразвуковой волны, распространяющейся в толще звукоизолирующего материала (микросферы из корунда имеют диаметр частичек в диапазоне 20-70 мкм; стеклянные микросферы в диапазоне 100-150 мкм; микросферы из фенолформальдегидной смолы в диапазоне 200-300 мкм). В связи с плотной упаковкой микросфер в материале (открытая пористость в порошках из микросфер составляет 36%) четвертьволновые микросферы всегда находятся в контакте с другими частичками и на них попадает отраженная ультразвуковая волна, испытывая гашение. Кроме того, поскольку микросферы являются полыми (толщина стенки для частичек корунда составляет 1-5 мкм, стеклянных частичек 3-8 мкм, частичек из фенола 5-15 мкм), то обеспечивается полное внутреннее отражение ультразвуковой волны от частички с обязательным изменением направления распространения УЗК. При этом колебания, возбужденные в тонкой оболочке полых микросфер, излучают волны в связующем материале равномерно во все стороны, что вследствие относительно высоких звукопоглощающих свойств материала связки герметика холодного отверждения Виксинта, представляющего собой наполненный мелкодисперсными оксидами цинка, титана и др. кремнийорганический каучук, приводит к поглощению УЗК.

Применение в качестве связующего материала кремнийорганического герметика необходимо для обеспечения в процессе подготовки композиционной массы возможности равномерного перемешивания полых микросфер со связующим веществом с обеспечением плотной упаковки. Повышение равномерности перемешивания приводит к повышению звувкопоглощающих свойств материала за счет исключения каналов утечки ультразвука, обедненных микросферами.

Объем связующего вещества, а именно кремнийорганического герметика, необходимо выдерживать в пределах 20-35% от объема насыпки порошка из микросфер. В случае меньшего процентного содержания связующего уменьшается компонента звукопоглощения в высокоэластичном материале. В случае повышения процентного содержания связующего относительно указанного оптимального диапазона наблюдается резкое снижение звукоизолирующих свойств материала за счет исключения плотной упаковки микросфер и образования многочисленных каналов утечки ультразвука, характеризующихся только звукопоглощающими свойствами самого герметика.

Таким образом, для протекания процесса звукопоглощения, реализованного в предлагаемом материале, необходимы плотная упаковка тонкостенных микросфер, поскольку должно гарантироваться обязательное вступление в контакт с ультразвуковой волной частичек, имеющих четвертьволновую длину; материал связки, сочетающий в себе как свойства требуемой адгезии к частичкам наполнителя, так и высокие звукопоглощающие свойства (таким свойством обладает Виксинт).

Достоинством предлагаемого материала является также отсутствие токсичности и вредных веществ в технологическом процессе.

Для экспериментальной проверки были подготовлены составы материалов для акустической развязки на основе полых микросфер из корунда размером 20-70 мкм с толщиной стенки 1-5 мкм, из стекла размером 100-150 мкм с толщиной стенки 3-8 мкм, из фенолформальдегидной смолы размером 200-300 мкм с толщиной стенки 5-15 мкм, и связующего герметика Виксинта марок V-I и V-2 в объеме от 12 до 40% от объема микросфер. При меньшей концентрации связующего не удается обеспечивать прочность материала, достаточную для формования из него исследуемых образцов.

Проверку проводили на образцах диаметром 30 мм и толщиной 1,5-2,0 мм. Метод измерения основан на вычислении логариф- ма отношения амплитуд двух принятых сигналов, один из которых регистрируется при введении образца из исследуемого материала между излучателем и приемником, а другой при наличии эталонной среды. Использование дополнительной эталонной среды (оргстекла) в качестве буфера между преобразователями и образцом исследуемого материала снижает обусловленные дифракционными потерями погрешности измерения, которые не превышали 10%
Измерения проводили на специальном стенде, включающем ультразвуковой генератор с кварцевой стабилизацией частоты f 880 кГц ± 8,8 Гц и выходным напряжением при согласованной нагрузке 6-120 В; осциллограф С1-77; универсальный милливольтметр В3-38; стыковочный узел, включающий корпус, изготовленный из оргстекла, излучатель аппарата для ультразвуковой терапии УЗТ-103 ИУТ 0,88-1,03 Ф с мощностью излучения до 5 Вт, диагностический зонд ультразвукового эхоофтальмоскопа ЭХО-12, применявшийся в качестве приемника. Надежность акустического контакта в стыковочном узле обеспечивали смачиванием контактирующих поверхностей касторовым маслом и водой.

Результаты измерений приведены в таблице.

Предлагаемый материал позволяет освоить массовое производство ультразву- ковых диагностических зондов с повышенными эксплуатационными характеристиками, а также может быть использован при разработке и изготовлении других изделий ультразвуковой эходефектоскопии.

Изобретение может быть использовано для изолирования ультразвуковых колебаний в конструкциях пьезоэлектрических преобразователей для ультразвуковой диагностики в медицине. Цель - повышение звукопоглощающих свойств материала, упрощение технологии его формования в детали, исключение из состава токсичных и вредных веществ. Материал для изолирования ультразвуковых колебаний содержит в качестве наполнителя полые микросферы, а в качестве связующего - герметик Виксинт. Объем связующего составляет 20 - 35% объема наполнителя. Материал позволяет освоить массовое производство ультразвуковых диагностических зондов с повышенными эксплуатационными характеристиками, а также может быть использован при разработке и изготовлении других изделий ультразвуковой эходефектоскопии. 1 табл.

МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗОЛИРОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ, содержащий наполнитель и связующее эластомер, отличающийся тем, что он содержит в качестве наполнителя полые микросферы, а в качестве связующего герметик Виксинт, а объем связующего составляет 20-35% объема наполнителя.