ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ПОЛОСОВЫХ ПРИЕМНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК H04R17/00 B06B1/06 G01N29/04 

Изобретение относится к неразрушающему контролю различных объектов с помощью первичных пьезоэлектрических преобразователей, а именно к пьезоэлементам для полосовых преобразователей для приема акустических волн длиной, сравнимой с размерами пьезоэлемента, и может быть использовано, в частности, для датчиков акустической эмиссии, предназначенных для регистрации поверхностных и объемных волн (в дальнейшем по тексту - акустических волн) в частотном диапазоне от 50 до 1000 кГц.

К первичным преобразователям любых диагностических систем предъявляются весьма высокие требования к техническим характеристикам, определяющим разрешающую способность (коэффициенту электроакустического преобразования, ширине рабочего частотного диапазона, неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и др.). Для обеспечения этих требований конструкция преобразователя, в особенности чувствительного элемента, должна быть максимально простой, включать минимальное количество деталей и, желательно, без применения демпферов, резко снижающих коэффициент электроакустического преобразования в области собственных резонансов.

Известен ультразвуковой преобразователь для контроля прочности клеевых соединений, содержащий корпус и расположенные в нем дисковую аксиально поляризованную пьезопластину и протектор /1/. Выбор отношений размеров пьезопластины и протектора в определенных пределах обеспечивают повышение чувствительности и точности измерений. Однако применение данного преобразователя ограничено из-за весьма узкой полосы пропускания. Заданными соотношениями толщины пьезопластины и ее диаметра реализуется относительно близкое расположение двух основных резонансов колебаний пьезоэлемента (резонанса радиальных колебаний и резонанса колебаний по толщине), при котором области динамического подъема амплитудно-частотной характеристики практически полностью перекрывают друг друга и "сливаются" в один резонанс в виде колокола с узкой полосой пропускания.

Известен также пьезоэлемент для ультразвуковых преобразователей /2/, выполненный в виде кольца, размеры которого выбираются из условия, обеспечивающего совмещение резонанса толщинных колебаний с частотой третьей гармоники основной моды радиальных колебаний. Недостатками данного пьезоэлемента, как и ультразвукового преобразователя /1/, являются узкая полоса пропускания и изрезанная (существенно неравномерная) АЧХ.

Наиболее близким по технической сущности является пьезоэлектрический преобразователь для приема сигналов акустической эмиссии /3/. Преобразователь содержит пьезоэлемент в виде усеченного конуса, размеры которого выбраны из определенного условия, обеспечивающего высокую чувствительность в широкой полосе частот за счет исключения взаимного подавления радиальных колебаний на разных высотах усеченного конуса. Однако при совпадении резонансов радиальных и толщинных колебаний пьезоэлемента данный преобразователь также приобретает выраженные свойства резонансного датчика, что ограничивает полосу пропускания и ухудшает неравномерность АЧХ.

Задача, решаемая изобретением, направлена на создание пьезоэлемента для полосовых преобразователей для приема акустических волн в частотном диапазоне от 50 до 1000 кГц.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение полосы пропускания и синтез амплитудно-частотной характеристики по форме, приближающейся к трапеции.

Технический результат достигается тем, что в известном пьезоэлементе для полосовых приемных преобразователей, поверхности которого образованы вращением замкнутой плоской фигуры вокруг оси, перпендикулярной основанию пьезоэлемента, новое представляет собой то, что плоская образующая фигура является выпуклым многоугольником, а углы многоугольника и размеры пьезоэлемента выбраны из условий

где α - угол многоугольника;
h - высота пьезоэлемента;
D - средний диаметр наружной образующей поверхности.

С целью упрощения технологии изготовления пьезоэлемента образующий многоугольник является четырехугольником, одна из боковых сторон которого перпендикулярна основанию и совпадает с осью вращения. Частный вариант выполнения представляет собой пьезоэлемент в виде короткого цилиндра, размеры которого удовлетворяют заданным соотношениям высоты h/D.

С целью уменьшения неравномерности АЧХ пьезоэлемент выполнен в виде кольца, полученного вращением образующего многоугольника вокруг оси, расположенной за его пределами, при этом размеры кольца выбраны из условий

где d - средний диаметр внутренней образующей поверхности.

С целью упрощения технологии изготовления кольцевого пьезоэлемента образующий многоугольник является прямоугольником.

С целью уменьшения неравномерности АЧХ в теле пьезоэлемента выполнены не пересекающие основание выемка или плоский срез. При этом секущая плоскость не параллельна основанию.

Форма пьезоэлемента и пространственная ориентация вектора поляризации определяют вид АЧХ и ее неравномерность. Вектор поляризации может находиться в двух пространственных положениях: параллельно или радиально оси вращения образующего многоугольника. Преимущественно, вектор поляризации направлен параллельно оси пьезоэлемента, что является наиболее технологичным вариантом при совпадении технологических электродов, используемых при поляризации, и электродов для съема электрического сигнала. В тоже время при радиальной поляризации кольцевого пьезоэлемента может быть получена более равномерная характеристика за счет уменьшения динамического подъема на резонансе осевых колебаний.

При нанесении электродов на основание и противолежащую сторону технологические электроды, которые используются для поляризации пьезоэлемента вдоль его оси, применяются для съема электрического сигнала. Также и при выполнении электродов на образующих поверхностях и радиальной поляризации технологические электроды совпадают с электродами для съема сигнала. В противном случае, если технологические электроды не совпадают с электродами для съема сигнала, например, при осевой поляризации кольцевого пьезоэлемента и нанесении электродов на образующие поверхности, то после завершения процесса поляризации пьезоэлемента технологические электроды удаляются и затем окончательно наносятся электроды для съема сигнала.

С точки зрения многообразия форм выполнения возможным вариантом является пьезоэлемент, образованный вращением плоской фигуры, представляющей собой произвольную плоскую кривую, замкнутую с концов прямой, образующей основание. Полученное при вращении геометрическое тело (например, шаровой сегмент, круговая бочка и т.п.) представляет собой частный вид формы, созданной при вращении многоугольника, которую можно рассматривать как "сглаженную" форму, образованную при вращении многоугольника с достаточно большим числом сторон. Практически такой "многогранный" пьезоэлемент неотличим от геометрического тела, созданного вращением плоской замкнутой кривой. Все его технические характеристики аналогичны характеристикам пьезоэлемента, полученного перемещением кривой линии.

Расширение рабочего диапазона частот и форма АЧХ, приближающаяся к трапеции, достигаются синтезом амплитудно-частотной характеристики из частично перекрывающих друг друга мод колебаний пьезоэлемента (в окружном, радиальном и осевом направлениях). Области динамического подъема смежных резонансов частично перекрывают друг друга и образуют АЧХ в виде трапеции с широкой полосой пропускания. При этом положение резонансных частот в окружном, радиальном и осевом направлениях, при котором данные резонансы частично перекрываются и синтезируются в трапециевидную АЧХ с широкой полосой пропускания, определяется соотношением размеров пьезоэлемента (0,08 ≤h/D≤0,5). Верхняя граница соотношения размеров пьезоэлемента (0,5) обуславливается потерей полосовых свойств в результате сближения резонансов радиальных и осевых колебаний. При соотношении h/D > 0,5 АЧХ принимает форму колокола, характерную для резонансных преобразователей. Кроме того, уменьшается ширина полосы пропускания и ухудшается неравномерность АЧХ. Нижняя граница соотношения (0,08) определяется потерей полосовых свойств в результате существенного разнесения смежных резонансных частот и резкого увеличения изрезанности АЧХ за счет провала между резонансами.

Выпуклая форма многоугольника и ограничение его углов (α ≥ 45^°) способствует устранению многократных отражений акустической волны и краевых эффектов, возникающих в острых гранях пьезоэлемента (при угле α < 45^°) и вызывающих изрезанность АЧХ. При падении акустической волны на поверхность острой грани возникают дополнительные резонансы, соответствующие размерам грани. К тому же выполнение пьезоэлемента, содержащего вогнутые или острые грани, является не технологичным из-за ограничения доступа инструмента, а также из-за сколов и трещин, образуемых при изготовлении острых граней и приводящих к ухудшению АЧХ.

При выполнении пьезоэлемента в виде сплошного геометрического тела, одна из боковых сторон которого перпендикулярна основанию и совпадает с осью вращения образующего многоугольника, АЧХ синтезируется в трапециевидную форму из трех частично перекрывающих друг друга мод колебаний в следующей последовательности по возрастанию частоты: окружная мода, радиальная мода и осевая мода колебаний. Следует отметить, что АЧХ пьезоэлементов в виде короткого цилиндра (или приближающих к такой форме) может быть существенно неравномерна в пределах радиального резонанса (в зависимости от материала до 10 дБ). С этой точки зрения предпочтительной формой пьезоэлемента является геометрическое тело вращения с нецилиндрической боковой поверхностью (усеченный конус, бочка и т.п.).

Кольцевая форма пьезоэлемента в результате подавления радиальной моды колебаний обеспечивает равномерную трапециевидную АЧХ. Неравенство (0,03 ≤(D-d)/(2•D)≤ 0,2), определяющее толщину кольца, устанавливает положение радиального резонанса колебаний пьезоэлемента за пределами верхней границы рабочего частотного диапазона. АЧХ пьезоэлемента синтезируется из двух мод колебаний: низкочастотного резонанса в окружном направлении и высокочастотного резонанса в осевом направлении. Верхняя граница соотношения диаметров кольца (0,2) определяется условием подавления радиальной моды колебаний (условием смещения радиального резонанса за пределы полосы пропускания), а нижняя граница (0,03) - технологически допустимой минимальной толщиной кольца и уменьшением площади основания пьезоэлемента, что снижает эффективность работы преобразователя. При соотношениях средней толщины кольца и среднего диаметра (D-d)/(2•D)> 0,2 радиальная мода оказывается в пределах рабочего диапазона частот, что существенно увеличивает неравномерность АЧХ, а при совпадении резонанса радиальных колебаний с резонансом осевых колебаний к тому же изменяется вид АЧХ. При соотношениях (D-d)/(2•D) <0,03 размеры дефектов изготовления пьезоэлемента (сколы, пустоты и раковины) становятся сравнимыми с толщиной и существенно ухудшают вид и неравномерность АЧХ. Причем при нанесении электродов на основание и противолежащую сторону электрическая емкость становится меньше емкости соединительного кабеля (например, 100 пФ - электрической емкости короткого кабеля длиной 1 м), что уменьшает эффективность работы пьезоэлемента с нагрузкой соединительного кабеля и входной цепи усилительно-преобразовательной аппаратуры.

Выполнение в теле пьезоэлемента выемки и плоского косого среза, не пересекающих основание, способствует уменьшению динамического подъема АЧХ на соответствующей резонансной частоте и расширению полосы пропускания за счет разноразмерности (разной высоты или радиуса) соответствующих цилиндрического или кругового слоя пьезоэлемента. Выемка может быть образована сечением тела пьезоэлемента любой криволинейной поверхностью, обеспечивающей заданную коррекцию АЧХ, например, в виде цилиндрического паза, пересекающего образующую и верхнюю поверхности пьезоэлемента. При этом выбранный объем выемки может достигать до 10-30% от объема пьезоэлемента.

На фиг. 1 - 6 изображены различные варианты выполнения пьезоэлемента для полосовых приемных преобразователей. На фиг. 7 приведена типовая АЧХ пьезоэлемента в виде кольца ⊘18×⊘15×3 мм, образующий многоугольник которого является прямоугольником, из пьезокерамического материала ЦТС-19.

На фиг. 1 - 6 показано: ⊘D - средний диаметр наружной образующей поверхности; ⊘d - средний диаметр внутренней образующей поверхности; h - высота пьезоэлемента; α_1,2,...6 - углы образующего многоугольника; В - выемка; С - плоский срез; Е - вектор поляризации; О - ось вращения образующего многоугольника; Q - электроды; S - основание. На приведенных фигурах выделены контуры образующих многоугольников.

На фиг. 7 изображено: f₁ - пик резонанса колебаний в окружном направлении; f₃ - пик резонанса колебаний в осевом направлении; Н - неравномерность амплитудно-частотной характеристики; Ш - ширина рабочего диапазона частот. Штриховой линией показана идеальная трапециевидная форма АЧХ пьезоэлемента.

На фиг. 1 показан вариант выполнения пьезоэлемента для полосовых приемных преобразователей в виде сплошного геометрического тела, поверхности которого образованы вращением выпуклого шестиугольника вокруг оси О, перпендикулярной основанию S. Боковая сторона многоугольника совпадает с осью О. Углы многоугольника α_1,2,...6 и отношение высоты h к среднему диаметру наружной образующей поверхности D удовлетворяют условию:

Пьезоэлемент содержит электроды Q, нанесенные на основание S и на противолежащую плоскую поверхность, параллельную основанию. Вектор (ось) поляризации направлен параллельно оси вращения O. Трапециевидная АЧХ пьезоэлемента с широкой полосой пропускания синтезируется из трех мод колебаний в окружном, радиальном и осевом направлениях. Резонансная частота колебаний в окружном направлении определяется периметром цилиндрического слоя соответствующего радиуса r (2•π•r), резонанс в радиальном направлении - радиусом r кругового слоя пьезоэлемента на соответствующей высоте, а резонансная частота в осевом направлении - высотой h цилиндрического слоя соответствующего радиуса r. Варьируя размерами и формой пьезоэлемента (формой образующего многоугольника), можно изменять полосу пропускания и равномерность АЧХ (от изрезанной до равномерной АЧХ).

На фиг. 2 приведен вариант выполнения пьезоэлемента для полосовых приемных преобразователей в виде сплошного геометрического тела, поверхности которого образованы вращением выпуклого четырехугольника вокруг оси О, перпендикулярной основанию S. Боковая сторона многоугольника совпадает с осью О. Электроды Q нанесены на основание S и на противолежащую коническую поверхность. Вектор (ось) поляризации направлен параллельно оси вращения О.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения пьезоэлемента для полосовых приемных преобразователей в виде кольца, поверхности которого образованы вращением выпуклого четырехугольника вокруг оси О, перпендикулярной основанию S и находящейся за пределами образующего многоугольника. Электроды Q нанесены на основание S и на противолежащую коническую поверхность). Вектор (ось) поляризации направлен параллельно оси вращения О.

На фиг. 4 изображен вариант выполнения пьезоэлемента для полосовых приемных преобразователей в виде кольца, поверхности которого образованы вращением прямоугольника вокруг оси О, перпендикулярной основанию S и находящейся за пределами прямоугольника. Электроды Q нанесены на торцовые поверхности пьезоэлемента. Вектор (ось) поляризации направлен параллельно оси вращения О.

На фиг. 5 показан вариант выполнения пьезоэлемента для полосовых приемных преобразователей в виде кольца, поверхности которого образованы вращением прямоугольника вокруг оси О, перпендикулярной основанию S и находящейся за пределами прямоугольника. Вектор (ось) поляризации направлен радиально оси вращения О. В теле пьезоэлемента выполнена выемка В, ограниченная цилиндрической поверхностью, секущая наружную и внутреннюю боковые образующие поверхности и не пересекающая основание S. Электроды Q нанесены на образующие поверхности пьезоэлемента.

На фиг. 6 показан вариант выполнения пьезоэлемента для полосовых приемных преобразователей в виде кольца, поверхности которого образованы вращением прямоугольника вокруг оси О, перпендикулярной основанию S и находящейся за пределами прямоугольника. Вектор (ось) поляризации направлен радиально оси вращения О. Пьезоэлемент усечен плоскостью С, не параллельной основанию S и не пересекающей его. Электроды Q нанесены на основание S и на поверхность плоского среза С.

На фиг. 7 приведена типовая амплитудно-частотная характеристика пьезоэлемента, выполненного в соответствии с фиг. 4 в виде кольца из пьезокерамического материала ЦТС-19 размерами ⊘18×⊘15×3 мм. АЧХ получена на метрологической установке (импеданс ≈ 31•10⁶ кг/м² с) в условиях нормально падающих на основание пьезоэлемента продольных волн.

В приведенном примере кольцевого пьезоэлемента все углы образующего многоугольника α = 90^°. Отношение высоты к среднему диаметру наружной образующей поверхности h/D = 0,167, а отношение (D-d)/(2•D) = 0,083, что соответствует заданным условиям. Ширина полосы пропускания Ш составляет 750 кГц (от 80 до 830 кГц). Неравномерность АЧХ Н относительно значения на частоте ≈ 400 кГц (через данную точку проходит идеальная АЧХ) не превышает ± 3,5 дБ. АЧХ синтезируется из двух мод колебаний: резонанса колебаний в окружном направлении (пиковое значение на частоте f₁ ≈ 90 кГц) и резонанса колебаний в осевом направлении (пиковое значение на частоте f₃ ≈ 625 кГц). Радиальная мода колебаний пьезоэлемента подавлена путем смещения в область высоких частот за пределы полосы пропускания (> 1000 кГц). Изменяя диаметры D и d, можно смещать резонанс f₁ в область или нижних или высоких частот. Варьируя высотой пьезоэлемента h, можно сдвигать резонанс f₃ в ту или иную сторону и таким образом изменять полосу пропускания пьезоэлемента.

Пьезоэлемент работает следующим образом.

При приеме акустической волны пьезоэлемент находится в объемном напряженно- деформированном состоянии и испытывает деформации в окружном, радиальном и осевом направлениях, приводящие к появлению электрического заряда на поверхностях пьезоэлемента. С электродов Q снимается электрический заряд, пропорциональный деформациям пьезоэлемента. Смежные резонансы колебаний частично перекрываются и синтезируются в амплитудно-частотную характеристику с широкой полосой пропускания и по форме близкую к трапеции. Заданные соотношения размеров определяют относительное положение резонансов, а форма пьезоэлемента - неравномерность АЧХ и, соответственно, степень приближения к трапециевидной форме. Выемка и косой срез позволяют уменьшить неравномерность АЧХ.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1128159, М.кл. G 01 N N 29/04, 1980, БИ N 45, 1984.

2. Авторское свидетельство СССР N 1147980, М.кл. G 01 N 29/04, 1983, БИ N 12, 1985.

3. Авторское свидетельство СССР N 1107043, М.кл. G 01 N 29/04, 1983, БИ N 29, 1984.

Изобретение относится к неразрушаещему контролю различных объектов с помощью первичных пьезоэлектрических преобразователей. Расширение полосы пропускания и синтез амплитудно-частотной характеристики по форме, приближающейся к трапеции, достигается тем, что поверхности пьезозлемента образованы вращением замкнутой плоской фигуры вокруг оси, перпендикулярной основанию пьезоэлемента. Плоская образующая фигура является выпуклым многоугольником с числом сторон не менее четырех. Углы многоугольника и размеры пьезоэлемента выбираются из определенных условий. Кроме того, пьезоэлемент может быть выполнен в виде кольца, полученного вращением образующего многоугольника вокруг оси, расположенной за его пределами, при этом размеры кольца выбираются из определенных условий. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Пьезоэлемент для полосовых приемных преобразователей, работающих в ультразвуковом диапазоне, поверхности которого образованы вращением замкнутой плоской фигуры вокруг оси, перпендикулярной основанию пьезоэлемента, отличающийся тем, что плоская образующая фигура является выпуклым многоугольником с числом сторон не менее четырех, а углы многоугольника и размеры пьезоэлемента выбраны из условий

где α - угол многоугольника;
h - высота пьезоэлемента;
D - средний диаметр наружной образующей поверхности. 2. Пьезоэлемент для полосовых приемных преобразователей по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен в виде кольца, полученного вращением образующего многоугольника вокруг оси, расположенной за его пределами, при этом размеры кольца выбраны из условий

где d - средний диаметр внутренней образующей поверхности.