ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ЗОНДА Российский патент 2005 года по МПК H04R17/00 G01N29/24 

Изобретение относится к технике ультразвуковой диагностики, в частности к пьезоэлектрическим преобразователям для медицинских одномерных зондов (эхоэнцефалоскопических, эхоофтальмоскопических).

Известен способ изготовления демпфера ультразвукового преобразователя вибрационным нанесением демпфирующей массы на поверхность пьезоэлемента, размещенного в корпусе преобразователя, причем в качестве демпфирующей массы используют шликер, включающий жидкое стекло как связующее, пьезокерамический порошок в качестве наполнителя и глицерин в качестве пластификатора. При этом шликер находится в незатвердевающем состоянии [1].

Недостатком преобразователя, изготовленного по данному способу, является высокая дисперсность наполнителя шликера - пьезокерамического порошка. Размеры частичек такого порошка не превышает 3-5 мкм, что приводит к недостаточной способности данного шликера к поглощению ультразвука, поскольку коэффициент поглощения ультразвука в композиционном материале снижается пропорционально 6-й степени размера частичек наполнителя.

Кроме того, данный пьезоэлектрический преобразователь не достаточно надежно экранирован, что не позволяет принимать и выделять на фоне шумов акустических сигналов особо малой мощности. Вместе с тем, незатвердевающее вещество связующего не гарантирует исключения перераспределения керамического порошка по объему демпфера в процессе эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является пьезоэлектрический преобразователь ультразвукового диагностического зонда, содержащий втулку акустической развязки, демпфер, который изготовлен с переменными по длине акустическими свойствами: максимальным характеристическим импедансом вблизи пьезоэлемента и минимальным - в противоположном конце демпфера. При этом материал демпфера представляет собой полимерную композицию, включающую эпоксидную смолу, а также порошок вольфрама зернистостью 40-80 мкм, порошок электрокорунда зернистостью 400-1000 мкм и полые микросферы зернистостью 50-100 мкм, расположенную в три слоя: первый - прилегающий к пьезокерамической пластине, содержащий в качестве наполнителя указанный порошок вольфрама, второй, содержащий указанный порошок электрокорунда, и третий, прилегающий к торцевой поверхности втулки акустической развязки, содержащий указанные полые микросферы [2].

Недостатком данного пьезоэлектрического преобразователя является то, что связующее вещество композиционного материала демпфера (эпоксидная смола) находится в затвердевшем (твердом) состоянии. Это ограничивает возможности обеспечить высокое затухание ультразвука в материале демпфера. Соответственно, использование такого демпфера не позволяет изготовить пьезоэлектрический преобразователь с особо малой мертвой зоной. Кроме того, повышенная жесткость материала демпфера не дает возможности обеспечить особо высокую чувствительность пьезоэлектрического преобразователя, т.е. его способность регистрировать особо слабое акустическое воздействие.

Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента затухания, чувствительности, технологичности конструкции и надежности экранирования преобразователя.

Он достигается тем, что пьезоэлектрический преобразователь УЗК диагностического зонда, включающий пьезокерамическую пластину, установленную во втулку акустической развязки, демпфер, который изготовлен с переменными по длине акустическими свойствами: максимальным характеристическим импедансом вблизи пьезоэлемента и минимальным - в противоположном конце демпфера, он дополнительно содержит катушку индуктивности плоской формы, установленную на втулку акустической развязки со стороны, противоположной пьезокерамической пластине, демпфер, полученный вибрационной заливкой незатвердевающего вещества, наполненного керамическим порошком, в полость, образованную пьезокерамической пластиной и втулкой акустической развязки, дополнительно содержит гранулы из керамического порошка, а на внутренней поверхности втулки акустической развязки находится слой магнитострикционного металла. При этом размеры гранул пьезокерамического порошка составляют 0,1...1,0 длины волны на рабочей частоте пьезоэлектрического преобразователя в среде незатвердевающего вещества, входящего в состав демпфера, причем размеры гранул в указанном диапазоне распределены по закону равной вероятности, а в качестве слоя магнитострикционного металла применяется химически осажденный никель толщиной 20-30 мкм.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Пьезоэлектрический преобразователь состоит из пьезокерамической пластины 1, втулки акустической развязки 2, катушки индуктивности плоской формы 3, а также демпфера, образованного заливкой в полость, образованную пьезокерамической пластиной, втулкой акустической развязки и катушкой индуктивности, наполнителя из незатвердевающего вещества. В состав наполнителя для материала демпфера входят гранулы из пьезокерамического порошка 4 и собственно пьезокерамический порошок. Восстановление требуемого распределения гранул по размеру вдоль демпфера осуществляется путем наложения вибрации на объем демпфера посредством сочетания слоя металла 5 на втулке акустической развязки и витков 6 катушки индуктивности. Возбуждающее напряжение на электроды пьезокерамической пластины и на катушку индуктивности подается через провод коммутации 7.

Преобразователь работает следующим образом. Так как демпфер состоит из незатвердевающего вещества, наполненного гранулами пьезокерамического порошка и пьезокерамическим порошком, то во время работы и хранения преобразователя возможно перераспределение гранул в объеме демпфера. Перед началом работы необходимо восстановить исходную структуру демпфера. Для этого на катушку индуктивности плоской формы подается синусоидальный сигнал, который создает в слое магнитострикционного металла переменное магнитное поле, что вызывает вибрацию в объеме демпфера. При этом происходит перераспределение гранул пьезокерамического порошка: более крупные частицы поднимаются вверх, а более мелкие опускаются вниз, что соответствует исходной структуре демпфера. После этого при подаче на пьезокерамическую пластину импульса электрического напряжения возникает упругая волна, которая движется в толще демпфера от тыльной стороны пьезокерамической пластинки к торцу катушки индуктивности. Благодаря тому что в тонком поверхностном слое демпфера, контактирующем с пьезокерамической пластинкой, обеспечен акустический импеданс пьезокерамики, в демпфер уходит большая часть энергии, накопленной в пьезокерамической пластинке, а продолжительность колебания самой пластинки таким образом минимизируется. Наличие незатвердевающего вещества в качестве связующего для композиционного материала демпфера обеспечивает высокое затухание ультразвука в материале демпфера. Наличие рельефа на поверхности катушки индуктивности, контактирующей с демпфером, обеспечивает дополнительное рассеивание УЗ-волны. Таким образом обратно к пьезокерамической пластине эта волна не доходит.

Таким образом, каждый существенный признак сам по себе известен, но их сочетание представляет новизну качества, т.е. является фактором, качественно изменяющим механизм работы пьезоэлектрического преобразователя. Этот механизм заключается в том, что собственно демпфер имеет структуру, которая обладает способностью поглощать и рассеивать УЗК, достаточной для того, чтобы погасить волну, идущую от пьезокерамической пластины, а также отраженную от границы раздела демпфер - плоская катушка индуктивности. Экспериментальные исследования применения в связующем гранул из керамического порошка показывают, что хотя размеры гранул намного меньше длины ультразвуковой волны и влияние каждой гранулы в отдельности пренебрежимо мало, тем не менее совокупность гранул существенно рассеивает ультразвуковую волну. Под действием вибрации гранулы распределяются в объеме демпфера следующим образом: более мелкие гранулы расположены ближе к пьезокерамической пластине и смешаны с пьезокерамическим порошком, а более крупные гранулы расположены у плоской катушки индуктивности (противоположный конец демпфера). При этом обеспечивается плавность структуры демпфера. Таким образом применение керамических гранул в связующем обеспечивает полное гашение УЗК энергии в демпфере.

Слой магнитострикционного металла на втулке акустической развязки повышает надежность экранирования преобразователя от внешних высокочастотных помех, что позволяет выделять полезный сигнал меньшей мощности на фоне шумов, тем самым увеличивая качество преобразователя. Кроме того, магнитострикционные свойства металла позволяют накладывать вибрацию на объем демпфера и тем самым возвращать демпферу, содержащему незатвердевающее связующее вещество, требуемую исходную структуру, что удовлетворяет критерию изобретательский уровень. Слой металла также способствует увеличению механической прочности втулки акустической развязки, что приводит к общему увеличению надежности пьезоэлектрического преобразователя.

Катушка индуктивности плоской формы, установленная на втулку акустической развязки со стороны, противоположной пьезокерамической пластине, обеспечивает подачу возбуждающего напряжения на электроды пьезокерамической пластины. Применение катушки индуктивности плоской формы значительно увеличивает технологичность собственно пьезокерамического преобразователя в целом ввиду того, что операция сборки преобразователя упрощается за счет исключения трудоемких операций по сборке и монтажу согласующего трансформатора. Также плоская форма катушки индуктивности обеспечивает возможность создания магнитного поля в магнитострикционном материале металлизации, что в свою очередь дает возможность наложения вибрации на объем демпфера. Вследствие упрощения конструкции катушки индуктивности она становится более надежной, что приводит к общему увеличению качества преобразователя. Катушка индуктивности плоской формы обеспечивает возможность дополнительного рассеивания ультразвуковой волны в демпфере за счет рельефа, выполненного на поверхности катушки, контактирующей с демпфером.

Такой механизм работы пьезоэлектрического преобразователя в корне отличается от известного, при котором затухание УЗК обеспечивается за счет однократного (в процессе изготовления) создания структуры демпфера.

Для протекания процесса затухания УЗК, реализованного в предлагаемом пьезоэлектрическом преобразователе, необходимо следующее:

1. Наличие крупных частиц - гранул пьезокерамического порошка в составе материала демпфера.

2. Оптимальность распределения частиц наполнителя (пьезокерамический порошок и гранулы из него) по размерам вдоль демпфера с незатвердевающим связующим веществом.

3. Наличие слоя металла на втулке акустической развязки, причем металл является магнитострикционным.

4. Наличие катушки индуктивности плоской формы, обеспечивающей создание переменного магнитного поля в слое металла, нанесенного на втулку.

Следовательно, проявляется новое свойство - гашение энергии ультразвуковой волны в незатвердевающем веществе с наполнителем, частицы которого распределены вдоль волны в соответствии со своими размерами, с возможностью восстановления требуемого (исходного) распределения этих частиц.

Распределение частиц - гранул по размеру в пределах 0,1-1,0 длины волны - обеспечивает сверхэффект - плавность изменения свойств демпфера.

Слой металла из никелевого сплава в сочетании с катушкой индуктивности плоской формы обеспечивает сверхэффект - восстановление требуемого распределения гранул по размеру вдоль демпфера.

Пьезоэлектрический преобразователь при его осуществлении предназначен для использования в качестве медицинского одномерного зонда (эхоэнцефалоскопического, эхоофтальмоскопического) для ультразвуковой диагностики. Для заявленного преобразователя в том виде, как он охарактеризован и изложен в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления. В настоящее время осуществлена и испытана опытно-промышленная партия предлагаемого изобретения на Московском заводе электронной медицинской аппаратуры. Данный пьезоэлектрический преобразователь рекомендован для использования в составе эхо-энцефалоскопа ЭЭС-12 и эхо-офтальмоскопа ЭХО-12.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №1797047, кл. G 01 N 29/22, 1993 г.

2. Патент РФ №2078340, кл. G 01 N 29/24, 1997 г. (прототип).

Пьезоэлектрический преобразователь ультразвукового диагностического зонда относится к технике ультразвуковой диагностики, в частности к пьезоэлектрическим преобразователям для медицинских одномерных зондов (эхоэнцефалоскопических, эхоофтальмоскопических). Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента затухания, чувствительности, технологичности конструкции и надежности экранирования преобразователя. Пьезоэлектрический преобразователь включает пьезокерамическую пластину, установленную во втулку акустической развязки, а также демпфер, содержащий частицы разного размера, распределенные вдоль оси демпфера в соответствии со своими размерами. При этом дополнительно содержит катушку индуктивности плоской формы, установленную на втулку акустической развязки со стороны, противоположной пьезокерамической пластине. Демпфер в качестве частиц разного размера содержит смесь пьезокерамического порошка и гранул, изготовленных из пьезокерамического порошка. В качестве связующего - незатвердевающее вещество. На внутренней поверхности втулки акустической развязки находится слой магнитострикционного металла. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пьезоэлектрический преобразователь, включающий пьезокерамическую пластину, установленную во втулку акустической развязки, а также демпфер, содержащий частицы разного размера, распределенные вдоль оси демпфера в соответствии со своими размерами, отличающийся тем, что он дополнительно содержит катушку индуктивности плоской формы, установленную на втулку акустической развязки со стороны, противоположной пьезокерамической пластине, демпфер в качестве частиц разного размера содержит смесь пьезокерамического порошка и гранул, изготовленных из пьезокерамического порошка, в качестве связующего - незатвердевающее вещество, а на внутренней поверхности втулки акустической развязки находится слой магнитострикционного металла.2. Пьезоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что размеры гранул из пьезокерамического порошка составляют 0,1-1,0 длины волны на рабочей частоте пьезоэлектрического преобразователя в среде незатвердевающего вещества, входящего в состав демпфера, причем размеры гранул в указанном диапазоне распределены по закону равной вероятности.3. Пьезоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве слоя магнитострикционного металла применяется химически осажденный никель толщиной 20-30 мкм.