Ультразвуковой преобразователь Российский патент 2018 года по МПК H04R17/00 

Описание патента на изобретение RU2648301C1

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при построении высокочувствительной аппаратуры для дефектоскопии, структуроскопии и толщинометрии, работающих в широком диапазоне частот, в частности, при исследовании крупноструктурных и неоднородных материалов, таких как бетоны, пластики и горные породы.

Известен ультразвуковой преобразователь, работающий на продольной моде колебаний (Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении / СПб.: СВЕН, 2007. - 296 с.) и содержащий пьезоэлемент, выполненный в виде плоского диска, рабочая поверхность которого акустически контактирует с контролируемым объектом, и демпфер, закрепленный с возможностью акустического контакта на противоположной поверхности пьезоэлемента, причем пьезоэлемент поляризован перпендикулярно своей рабочей поверхности, а электроды нанесены на рабочую и противоположную поверхности.

Недостатком известного технического решения являются невозможность оперативной подстройки резонансной частоты, т.к. эта операция предполагает изменение резонансной высоты пьезоэлемента, что сопровождается разрушением электрода на поверхности пьезоэлемента, противоположной рабочей поверхности, а также низкая эффективность электроакустического преобразования в режиме приема вследствие высокого значения электрической емкости пьезоэлемента.

Наиболее близким к изобретению по технической является ультразвуковой преобразователь (АС СССР №1786685, МПК В06В 01/02, H04R 17/10, опубл. 07.01.1993), содержащий пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности. Такой пьезоэлемент, работая на поперечной моде колебаний в режиме излучения зондирующего сигнала, особенно в низкочастотном ультразвуковом диапазоне, по эффективности формирования ультразвуковой волны в контролируемом объекте превосходит преобразователь, работающий на продольной моде колебаний, при которой направление излучения (приема) акустической волны совпадает с направлением вектора поляризации. Это объясняется тем, что при одинаковых амплитуде возбуждающего сигнала на выходе генератора зондирующего сигнала и площади рабочей поверхности напряженность электрического поля внутри пьезоэлемента с поперечной модой колебаний, а значит и амплитуда генерируемого акустического сигнала, в десятки раз больше, чем напряженность электрического поля в пьезоэлементе, возбуждаемого в режиме излучения на продольной моде колебаний.

Однако функциональные возможности и сфера использования технического решения, принятого в качестве прототипа, ограничены существенным недостатком, суть которого состоит в том, что эффективность его работы в режиме приема значительно ниже эффективности работы в аналогичном режиме пьезопреобразователя с продольной модой возбуждения.

Техническая задача изобретения заключается в повышении эффективности его работы в режиме приема.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик ультразвукового преобразователя за счет разделения по площади каждого из пары исходных электродов, расположенных на боковых поверхностях пьезоэлемента, на N пар электродов по площади меньших размеров и электрически последовательного соединения вновь сформированных электродов.

Это достигается тем, что в известном ультразвуковом преобразователе, содержащем пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности, каждый из электродов на боковых поверхностях разделен на N идентичных секций, причем первая секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с второй секцией первой боковой поверхности, N-1 секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с N секцией первой боковой поверхности, а первая секция электрода первой боковой поверхности и N секция электрода второй боковой поверхности являются выходами пьезопреобразователя.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен пьезопреобразователь с тремя электрически независимыми секциями пьезоэлемента с вертикальной ориентацией секций ультразвукового преобразователя. Однако в общем случае пространственная ориентация секций может быть произвольной.

Ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлемент 1, первая боковая поверхность 2 и вторая боковая поверхность 3 которого выполнены плоскопараллельными, рабочая поверхность 4 пьезоэлемента 1 ориентирована перпендикулярно боковым поверхностям 2 и 3, пьезоэлемент 1 поляризован перпендикулярно боковым поверхностям 2 и 3, электрод 2.1 первой боковой поверхности 2 нанесен на первую боковую поверхность 2, а электрод 3.1 второй боковой поверхности 3 нанесен на вторую боковую поверхность 3, на первую боковую поверхность 2 нанесены дополнительно N электродов 2.2…2⋅(N+1), где N - целое число и N>1, и на вторую боковую поверхность 3 нанесены дополнительно N электродов 3.2…3⋅(N+1), все 2⋅(N+1) электродов имеют одинаковую конфигурацию, ориентацию и размер, причем первый электрод 3.1 второй боковой поверхности 3 электрически соединяется со вторым электродом 2.2 первой боковой поверхности 2, второй электрод 3.2 второй боковой поверхности 3 электрически соединяется с третьим электродом 2.3 первой боковой поверхности 2, …, N-й электрод 3⋅N второй боковой поверхности 3 электрически соединяется с N+1 электродом 2⋅(N+1) первой боковой поверхности 2, а первый электрод 2.1 первой боковой поверхности 2 и (N+1)-й электрод 3⋅(N+1) второй боковой поверхности 3 используются в качестве выходов 5 и 6 ультразвукового преобразователя.

Ультразвуковой преобразователь работает следующим образом.

Пьезоэлемент 1 с нанесенными на него электродами представляет собой конденсатор, обладающий емкостью С. Напряжение V на этом конденсаторе определяется следующим выражением [2]:

где Q - заряд, накопленный в конденсаторе; d31 - пьезомодуль; F - сила, приложенная к пьезоэлементу; Sэ - площадь электрода; ε0 - электрическая постоянная; ε- диэлектрическая проницаемость.

При делении каждого пьезоэлемента 1 на N секций, площадь Sc секции электрода равна Sc=Sэ/N, а сила, воздействующая на рабочую поверхность 4 секции пьезоэлемента Fc=F/N. Таким образом, напряжение Vc, снимаемое с каждой секции, оказывается равным напряжению V, снимаемому с общей площади электрода.

Электрически последовательное соединение трех секций пьезоэлемента, показанное на чертеже, приводит к тому, что напряжение V, снимаемое с пьезоэлемента, возрастает также в три раза.

Значение N следует выбирать с учетом величины суммарной паразитной электрической емкости СΣ соединительных цепей и входного каскада приемного тракта, а именно: Сп/N2 >> СΣ, где Сп - величина электрической емкости пьезоэлемента. Так, для пьезопреобразователя, обладающего величиной электрической емкости Сп=10000 пФ и значении паразитной емкости СΣ=25 пФ, значение N<3…5.

Использование изобретения при приеме ультразвуковых колебаний обладает высокой эффективностью электроакустического преобразования и может найти широкое применение в качестве конструктивной основы раздельно-совмещенных фазированных антенных решеток ультразвуковых томографов, предназначенных для толщинометрии и дефектоскопии различных изделий и конструкций из бетона в строительной индустрии.

Похожие патенты RU2648301C1

название год авторы номер документа
Широкополосный ультразвуковой преобразователь 2016
  • Соколов Игорь Вячеславович
  • Качанов Владимир Климентьевич
  • Караваев Михаил Алексеевич
  • Лебедев Сергей Владимирович
  • Федоров Максим Борисович
RU2649061C1
СЕЛЕКТИВНЫЙ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УПРУГИХ ВОЛН 2011
  • Несмашный Евгений Васильевич
  • Гуменюк Владимир Алексеевич
  • Казаков Николай Александрович
RU2493672C2
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ТИПА ВОЛН 2001
  • Козлов В.Н.
  • Самокрутов А.А.
  • Шевалдыкин В.Г.
RU2224250C2
Ультразвуковой пьезопреобразователь 1986
  • Шмаков Юрий Георгиевич
SU1357833A1
Широкополосный ультразвуковой преобразователь 1987
  • Питолин Александр Иванович
  • Попко Валентин Павлович
  • Рябов Геннадий Юрьевич
SU1786685A1
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 2015
  • Соколов Игорь Вячеславович
  • Качанов Владимир Климентьевич
  • Концов Роман Валерьевич
  • Караваев Михаил Алексеевич
RU2584063C1
Широкополосный пьезопреобразователь 1979
  • Королев Михаил Викторович
SU847525A1
Дифференциальный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 1977
  • Королев Михаил Викторович
SU658469A1
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1994
  • Козлов В.Н.
  • Самокрутов А.А.
  • Шевалдыкин В.Г.
RU2082163C1
Ультразвуковой преобразователь 1985
  • Тамулис Альгирдас Винцович
  • Владишаускас Альфонсас Антанович
  • Дикавичюс Видмантас Йонович
SU1273788A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 648 301 C1

Реферат патента 2018 года Ультразвуковой преобразователь

Изобретение предназначено для использования при дефектоскопии, структуроскопии и толщинометрии изделий из бетона и горных пород. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности, при этом каждый из электродов на боковых поверхностях разделен на N идентичных секций, причем первая секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с второй секцией первой боковой поверхности, N-1 секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с N секцией первой боковой поверхности, а первая секция электрода первой боковой поверхности и N секция электрода второй боковой поверхности являются выходами пьезопреобразователя. Технический результат: повышение эффективности работы ультразвукового преобразователя в режиме приема. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 648 301 C1

Ультразвуковой преобразователь, содержащий пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности, отличающийся тем, что каждый из электродов на боковых поверхностях разделен на N идентичных секций, причем первая секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с второй секцией первой боковой поверхности, N-1 секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с N секцией первой боковой поверхности, а первая секция электрода первой боковой поверхности и N секция электрода второй боковой поверхности являются выходами пьезопреобразователя.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2648301C1

Широкополосный ультразвуковой преобразователь 1987
  • Питолин Александр Иванович
  • Попко Валентин Павлович
  • Рябов Геннадий Юрьевич
SU1786685A1
Ультразвуковой мозаичный преобразователь 1986
  • Коряченко Владимир Дмитриевич
  • Дружаев Юрий Авраамович
  • Фак Иосиф Ицкович
  • Ткаченко Андрей Акимович
SU1376041A1
Ультразвуковой преобразователь 1982
  • Громогласов Николай Михайлович
  • Конюхов Борис Анатольевич
  • Мишакин Василий Васильевич
SU1024824A2
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2005
  • Рахимов Вадим Фазылович
  • Хоруженко Сергей Николаевич
RU2294061C1
JPS 58170199A, 06.10.1983
JPH 11204852A, 30.07.1999.

RU 2 648 301 C1

Авторы

Соколов Игорь Вячеславович

Качанов Владимир Климентьевич

Караваев Михаил Алексеевич

Лебедев Сергей Владимирович

Федоров Максим Борисович

Даты

2018-03-23Публикация

2016-12-23Подача