УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБЪЕКТИВ Российский патент 2005 года по МПК G10K11/30 G01N29/04 

Изобретение относится к области неразрушающих ультразвуковых методов контроля и может быть использовано в приборах различного назначения, например акустических микроскопах и ультразвуковых дефектоскопах.

Известен ультразвуковой объектив, содержащий корпус, одна из торцевых поверхностей которого имеет вогнутую сферическую поверхность, а на другой расположен пьезоизлучатель, причем со стороны сферической поверхности корпуса имеется иммерсионная среда - жидкость (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. / Под ред. И.П.Голяминой. - М.: Сов. энциклопедия, 1979, с.217. 2. Дорожкин Л.М., Дороженко B.C. и др. Пленочный фокусирующий преобразователь для акустического микроскопа).

Недостатком этого объектива является низкая разрешающая способность вследствие большой поперечной апертуры поля звукового пучка, а также сложность электрического согласования пьезоизлучателя с волноведущим трактом.

Известен также Фокусирующий акустический преобразователь (Патент РФ №2091185, МПК В 06 В 3/04), состоящий из основания с выполненной в виде тела вращения фокусирующей поверхностью на стороне, обращенной к исследуемому образцу, и нанесенным на эту поверхность слоем пьезоэлектрического материала и иммерсионной средой.

Недостатки, описанные выше, характерны также и для данного преобразователя.

Наиболее близким к заявляемому является (JP №5077025, G 01 N 29/20) ультразвуковой объектив для фокусирования ультразвуковых лучей в акустическом микроскопе, содержащий корпус, на одном из торцов которого расположен пьезоизлучатель, а на противоположном имеется конический концентратор, имеющий акустический контакт с исследуемым образцом через иммерсионную жидкость и размещенный соосно с пьезоизлучателем.

Недостатком данного устройства является сложность электрического согласования пьезоизлучателя с линией, подводящей электромагнитную энергию.

Задачей изобретения является улучшение электрического согласования на высоких рабочих частотах при сохранении высокого пространственного разрешения и эффективности электроакустического преобразования.

Поставленная задача решается тем, что в ультразвуковом объективе, содержащем корпус, на одном из торцов которого расположен пьезоизлучатель, а на противоположном имеется конический концентратор, имеющий акустический контакт с исследуемым образцом через иммерсионную жидкость и размещенный соосно с пьезоизлучателем, согласно предлагаемому решению, корпус выполнен электропроводящим в виде коаксиальной линии, имеющей внешний и внутренний проводники, между которыми находится диэлектрическое заполнение, конический концентратор размещен основанием на одном из торцов корпуса посредством первого электропроводящего слоя, соединяющего концентратор с внешним электродом коаксиальной линии, а пьезоизлучатель расположен в центре основания концентратора и соединен с центральным проводником коаксиальной линии посредством второго электропроводящего слоя.

Концентратор состоит, по крайней мере, из двух частей, разделенных сферической поверхностью, причем акустическое волновое сопротивление части, близлежащей к основанию, имеет большее значение, чем акустическое волновое сопротивление части, близлежащей к вершине концентратора, а центр разделяющей сферической поверхности лежит на оси симметрии конуса в стороне, близлежащей к вершине конуса.

Основание концентратора имеет сферическую форму.

Внутренняя поверхность внешнего электрода коаксиальной линии выполнена конической, а внутренний электрод выполнен цилиндрическим.

Внутренний электрод коаксиальной линии выполнен коническим, а внутренняя поверхность внешнего электрода выполнена цилиндрической.

Оба электрода коаксиальной линии выполнены коническими.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на Фиг.1-4 представлены конструкции заявляемого устройства в продольном разрезе.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - корпус (внешний проводник коаксиальной линии); 2 - внутренний проводник коаксиальной линии; 3 - диэлектрическое заполнение; 4 - концентратор; 5 - первый электропроводящий слой; 6 - пьезоизлучатель; 7 - второй электропроводящий слой; 8 - первая часть концентратора (по п.2 формулы); 9 - вторая часть концентратора (по п.2 формулы).

Объектив состоит (см. Фиг.1) из корпуса 1, выполненного электропроводящим в виде коаксиальной линии, имеющей внешний 1 и внутренний 2 проводники, между которыми находится диэлектрическое заполнение 3, конический концентратор 4 размещен основанием на одном из торцов корпуса 1 посредством первого электропроводящего слоя 5, а пьезоизлучатель 6 расположен в центре основания концентратора 4 и соединен с внутренним проводником 2 коаксиальной линии посредством второго электропроводящего слоя 7.

В одном из вариантов ультразвукового объектива концентратор 4 состоит, по крайней мере, из двух частей (8 и 9), разделенных сферической поверхностью, причем акустическое волновое сопротивление части 9, близлежащей к основанию, имеет большее значение, чем акустическое волновое сопротивление части 8, близлежащей к вершине концентратора, а центр разделяющей сферической поверхности лежит на оси симметрии конуса в стороне, близлежащей к вершине конуса.

В другом варианте ультразвукового объектива основание концентратора 4 имеет сферическую форму (см. Фиг.2).

Один из вариантов заявляемого устройства (Фиг.1, 2) предусматривает конструкцию, в которой внутренняя поверхность внешнего электрода коаксиальной линии выполнена конической, а внутренний электрод выполнен цилиндрическим.

В другом варианте ультразвукового объектива (Фиг.3) внутренний электрод коаксиальной линии выполнен коническим, а внутренняя поверхность внешнего электрода выполнена цилиндрической.

Еще в одном из вариантов ультразвукового объектива (см. Фиг.4) оба электрода коаксиальной линии выполнены коническими.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Электрический сигнал с помощью высокочастотного тракта, имеющего стандартное волновое сопротивление, подводится к коаксиальной линии 1, 2, 3, трансформирующей волновое сопротивление до значения, соответствующего модулю импеданса пьезоизлучателя 6. Внешний 1 и внутренний 2 электроды коаксиальной линии посредством электропроводящий слоев 5 и 7 электрически соединены с пьезоизлучателем 6. Пьезоизлучатель 6 посредством электропроводящего слоя 5 находится в акустическом контакте с концентратором 4. Электрический сигнал с коаксиальной линии поступает на пьезоизлучатель 6, где преобразуется в акустическое поле, которое распространяется со скоростью звуковой волны в концентраторе 4 от его основания до вершины конуса. В коническом концентраторе 4 происходит увеличение плотности акустической энергии с одновременным сжатием акустического потока в поперечном сечении до значения, соответствующего диаметру сечения конуса вблизи его вершины. Концентратор 4 акустически соединен с исследуемым объектом с помощью иммерсионной жидкости. Вершина концентратора 4 является источником излучения акустического поля высокой плотности и малого поперечного сечения, что определяет высокое пространственное разрешение при исследовании микрообъектов. Акустическая волна с вершины концентратора 4, претерпев преломление на границе раздела: концентратор - иммерсионная жидкость, пройдя сквозь последнюю, падает на поверхность исследуемого образца, где частично отражается и вновь возвращается на концентратор 4, а затем на пьезоизлучатель 6. Возвратившаяся на пьезоизлучатель 6 акустическая волна, преобразуется затем в электрический сигнал, несущий информацию об исследуемом объекте.

Заявляемое устройство обеспечивает улучшение электрического согласования между стандартным высокочастотным трактом и пьезоизлучателем 6, что приобретает первостепенное значение при увеличении рабочих частот.

Ультразвуковой объектив может иметь конический концентратор 4, состоящий, по крайней мере, из двух частей 8 и 9, разделенных сферической поверхностью, причем акустическое волновое сопротивление части 9, близлежащей к основанию, имеет большее значение, чем акустическое волновое сопротивление части 8, близлежащей к вершине концентратора, а центр разделяющей сферической поверхности лежит на оси симметрии конуса в стороне, близлежащей к вершине конуса. Такая конструкция концентратора 4 обеспечивает дополнительную фокусировку акустического пучка внутри концентратора 4 на сферической преломляющей поверхности и, таким образом, уменьшает паразитные отражения акустических волн от стенок концентратора 4, что повышает эффективность работы устройства.

Выполнение основания концентратора сферической формы также обеспечивает эффект дополнительной фокусировки ультразвукового пучка в концентраторе за счет излучения акустических волн непосредственно сферической поверхностью.

Другие варианты исполнения коаксиальной линии, как это показано выше, позволяет оптимизировать конструкцию, применительно к конкретным характеристикам устройства, в котором используется ультразвуковой объектив.

Пример конкретного выполнения.

Ультразвуковой объектив, рассчитанный на центральную частоту 1 ГГц, имеет пьезоизлучатель 6 с полосой 1000 МГц (500 МГц - 1500 МГц) из окиси цинка. Конический концентратор 4 имеет диаметр основания 3 мм и длину 4 мм. Корпус объектива имеет длину 40 мм и выполнен в виде коаксиальной линии с плавно меняющимся волновым сопротивлением (в соответствии с п.4 формулы). Диаметр внутреннего цилиндрического проводника 2 составляет 1.50 мм. Внутренняя поверхность внешнего проводника 1 выполнена конической, при этом внутренний диаметр внешнего проводника изменяется от 1.53 мм в плоскости соединения с концентратором до 7.5 мм - на противоположном конце коаксиальной линии в месте соединения со стандартным коаксиальным трактом. Коаксиальная линия имеет фторопластовое диэлектрическое заполнение. Перепад значений волнового сопротивления составляет 10 (с 50 Ом - стандартный коаксиальный кабель, до значения 5 Ом). Пьезоизлучатель из окиси цинка толщиной 3 микрометра и диаметром 0,7 мм, рассчитанный на центральную частоту в 1 ГГц, имеет модуль импеданса преобразователя, равный значению в 5 Ом. Расчеты показывают, что согласованный таким образом ультразвуковой объектив характеризуется коэффициентом преобразования, в примерно, - 5 дБ в полосе частот от 500 до 1500 МГц. Так как для обеспечения высокой разрешающей способности необходимо иметь широкую полосу пропускания, то вопрос электрического согласования для акустического объектива в широкой полосе частот имеет существенное значение. Особенно это становится важным на высоких частотах (в области 1 ГГц). Так, чтобы обеспечить возбуждение и обработку сигнала с помощью короткого импульса, длительностью 1 нс, требуется полоса частот в 1000 МГц. Заявляемое устройство позволяет обеспечить согласование пьезоизлучателя ультразвукового объектива со стандартной волноведущей линией с заданной частотной характеристикой в частотном диапазоне до нескольких гигагерц.

Расчеты показывают, что дополнительная фокусировка акустического поля внутри концентратора 4, которая обеспечивается разделением концентратора 4 сферической поверхностью на две части 8 и 9 (п.2 формулы), а также выполнением основания концентратора 4 в форме сферической поверхности, позволяет уменьшить паразитные отражения акустических волн от боковой поверхности концентратора 4 и тем самым увеличить, по крайней мере, на 3 дБ чувствительность ультразвукового объектива.

Можно показать, что аналогичные характеристики имеют варианты выполнения ультразвукового объектива в соответствии с п.5 и 6 формулы.

Заявляемое устройство отличается улучшенным электрическим согласованием пьезоизлучателя с волноведущим трактом и высокой разрешающей способностью, что позволяет использовать его в акустических микроскопах, работающих на высоких частотах для анализа микрообъектов, в том числе в биофизике и биомедицине.

Изобретение относится к области неразрушающих ультразвуковых методов контроля. Результатом является улучшение электрического согласования на высоких рабочих частотах при сохранении высокого пространственного разрешения и эффективности электроакустического преобразования. В предложенном ультразвуковом объективе, содержащем корпус, на одном из торцов которого расположен пьезоизлучатель, а на противоположном имеется конический концентратор, имеющий акустический контакт с исследуемым образцом через иммерсионную жидкость и размещенный соосно с пьезоизлучателем, корпус выполнен электропроводящим. Корпус включает коаксиально расположенные внешний и внутренний проводники, между которыми находится диэлектрическое заполнение. Конический концентратор размещен основанием на одном из торцов корпуса посредством первого электропроводящего слоя, соединяющего концентратор с внешним электродом. Пьезоизлучатель расположен в центре основания концентратора и соединен с центральным проводником коаксиальной линии посредством второго электропроводящего слоя. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ультразвуковой объектив, содержащий корпус с расположенными на нем соосно пьезоизлучателем и коническим концентратором, имеющим акустический контакт с исследуемым образцом через иммерсионную жидкость, при этом пьезоизлучатель расположен между первым и вторым электропроводящими слоями, отличающийся тем, что корпус выполнен электропроводящим и включает коаксиально расположенные внешний и внутренний проводники, пространство между которыми заполнено диэлектриком, первый электропроводящий слой расположен на основании концентратора и соединен с внешним проводником, а второй - на торце внутреннего проводника.2. Ультразвуковой объектив по п.1, отличающийся тем, что концентратор состоит, по крайней мере, из двух частей, разделенных сферической поверхностью, причем акустическое волновое сопротивление части, близлежащей к основанию, имеет большее значение, чем акустическое волновое сопротивление части, близлежащей к вершине концентратора, а центр разделяющей сферической поверхности лежит на оси симметрии конуса в стороне, близлежащей к вершине конуса.3. Ультразвуковой объектив по п.1, отличающийся тем, что основание концентратора имеет сферическую форму.4. Ультразвуковой объектив по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность внешнего проводника коаксиальной линии выполнена конической, а внутренний проводник выполнен цилиндрическим.5. Ультразвуковой объектив по п.1, отличающийся тем, что внутренний проводник коаксиальной линии выполнен коническим, а внутренняя поверхность внешнего проводника выполнена цилиндрической.