Широкополосный ультразвуковой преобразователь Российский патент 2018 года по МПК B06B1/00 

Описание патента на изобретение RU2649061C1

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при построении 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 широкополосный преобразователь (Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. / Под ред. И.Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986, с. 86-87), содержащий пьезоэлемент переменной толщины, одну плоскую рабочую (излучающую) поверхность и одну - сферически вогнутую или выпуклую, электроды, нанесенные на рабочие поверхности, вектор поляризации пьезоэлемента перпендикулярен плоской рабочей поверхности.

Недостатки данного преобразователя заключаются в неравномерности амплитудно-частотной характеристики вследствие неравномерности электрического поля по плотности и направленности в сечении пьезоэлемента, что снижает достоверность контроля.

Наиболее близким к предложенному технической сущности является широкополосный ультразвуковой преобразователь (АС СССР №1786685, 11.05.87, МПК: B06B 01/02, H04R 17/10, опубл. 07.01.93), содержащий пьезоэлемент с плоской рабочей и вогнутой тыльной поверхностями, поляризованный перпендикулярно поверхностям электродов, боковые поверхности пьезоэлемента выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, электроды нанесены на боковые поверхности.

Однако его функциональные возможности и сфера использования ограничены рядом недостатков. Нижняя рабочая поверхность и верхняя поверхность не параллельны (за исключением приосевой области) и поэтому при возбуждении преобразователя кроме нормальных по отношению к рабочей поверхности акустических колебаний присутствует и тангенциальная компонента колебаний, которая вызывает появление паразитной подповерхностной головной волны в контролируемом объекте. Также вследствие непараллельности рабочих поверхностей для такого преобразователя, помимо нормальных по отношению к рабочей поверхности основных мод колебаний, в диапазоне частот ƒн…ƒв присутствует большое число паразитных мод колебаний, определяемых диагональными стоячими волнами в пластине, и которые являются причиной существенной неравномерности амплитудно-частотной характеристики. Чем шире рабочая полоса частот преобразователя и больше перепад высот hмакс-hмин, т.е. больше непараллельность верхней и рабочей поверхностей, тем сильнее проявляются указанные выше недостатки. Низкая эффективность электроакустического преобразования, так как каждая резонансно возбуждаемая на определенной частоте область пьезопластины оказывается механически демпфированной соседними, не резонансными по отношению к этой частоте областями пьезопреобразователя.

Технической задачей изобретения является расширение области применения и повышение эксплуатационных характеристик широкополосного ультразвукового преобразователя.

Технический результат изобретения заключается в расширении рабочей полосы частот преобразователя, уменьшении уровня излучаемых паразитных сигналов и повышении эффективности электроакустического преобразования.

Это достигается тем, что в известном широкополосном ультразвуковом преобразователе, содержащем пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, плоскопараллельные боковые поверхности и электроды, ориентированные перпендикулярно рабочей поверхности, нанесены на боковые поверхности, при этом пьезоэлемент поляризован перпендикулярно поверхностям электродов, пьезоэлемент выполнен в виде гребенки с основанием в форме продолговатой прямоугольной пластины с расположенным на нем рядом разновысоких и разношироких зубцов в форме прямоугольных продолговатых пластин, ориентированных перпендикулярно основанию гребенки, при этом в пьезоэлементе выполнены отверстия перпендикулярно рабочей поверхности на максимально возможную глубину.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан эскиз конструкции широкополосного ультразвукового преобразователя, на фиг. 2 приведена резонансная характеристика пьезопластины размером 14×11 мм, на фиг. 3 показана экспериментальная амплитудно-частотная характеристика изготовленного и исследованного пьезопреобразователя.

Широкополосный ультразвуковой преобразователь содержит электроды, нанесенные на боковые поверхности 1, прямоугольную продолговатую балку основания 2 размером K×D×S, в которой выполнены N-1 отверстий, перпендикулярно рабочей поверхности 3. Таким образом, преобразователь имеет N разношироких и разновысоких зубцов, имеющих форму прямоугольных продолговатых пластин, ориентированных перпендикулярно основанию 2 гребенки. Каждый из зубцов имеет размер hN×kN×S, где частотоопределяющими являются размеры h и k. При высоте основания 2 D<10% hмин акустическая связь между резонирующими пьезопластинами - зубцами минимальна и они не оказывают взаимного влияния, и потому амплитудно-частотная характеристика каждого определяется резонансными размерами h и k. Для определения значений N и размеров h и k задаются значениями ƒв и ƒн, а также значениями Сзв и Q - экспериментально определенной механической добротностью демпфированного пьезорезонатора.

Для преобразователя, состоящего из шести зубцов при заданных значениях ƒв=200 кГц, ƒн=100 кГц, Сзв=2950 м/с и Q=13 резонансные размеры зубцов равны:

Расстояние между зубцами (пластинами) ΔR, определяемое шириной фрезы, которой выполняются пропилы в пьезопластине, некритично и может составлять величину от нескольких десятков мкм и более.

Из резонансной характеристики пьезопластины размером 14×11 мм видно, что эффективность поперечного резонанса приблизительно в два раза меньше и потому в конструкции гребенки число пластин с одинаковым поперечным размером k должно быть удвоено. Таким образом, соответствующий подбор значений поперечных размером позволяет на 50% дополнительно увеличить широкополосность пьезопреобразователя.

Из экспериментально полученной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) изготовленного и исследованного пьезопреобразователя видно, что при допустимой равномерности амплитудно-частотной характеристики рабочий диапазон частот составил Δƒ=98 кГц при ƒв=200 кГц и ƒн=104 кГц, что достаточно хорошо согласуется с расчетными величинами.

Использование изобретения, обладающего при широкополосной АЧХ высокой эффективностью электроакустического преобразования, уменьшенным уровнем излучаемых паразитных сигналов, позволяет ему широкое применение в качестве конструктивной основы фазированных антенных решеток ультразвуковых томографов, предназначенных для толщинометрии и дефектоскопии различных изделий и конструкций из бетона в строительной индустрии.

Похожие патенты RU2649061C1

название год авторы номер документа
ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ПОЛОСОВЫХ ПРИЕМНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 1997
  • Яровиков В.И.
  • Баженов А.А.
RU2152140C1
Двумодовый электроакустический преобразователь 2023
  • Баранов Андрей Дмитриевич
  • Староверова Ясемин
  • Перегудов Александр Николаевич
  • Шевелько Михаил Михайлович
RU2814451C1
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2019
  • Волощенко Вадим Юрьевич
  • Плешков Антон Юрьевич
  • Тарасов Сергей Павлович
  • Воронин Василий Алексеевич
  • Пивнев Петр Петрович
  • Волощенко Александр Петрович
RU2784885C1
Широкополосный пьезоэлектрический преобразователь 1975
  • Поляков В.Е.
  • Потапов А.И.
  • Карапетян О.О.
  • Усманов А.Г.
  • Дронов Ю.В.
SU548096A1
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 1997
  • Вусевкер Ю.А.
  • Гориш А.В.
  • Доля В.К.
  • Ефремов О.И.
  • Каспин А.И.
  • Ладакин Г.К.
  • Новиков Ю.А.
  • Панич А.Е.
RU2121241C1
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 2004
  • Паврос Сергей Константинович
  • Перегудов Александр Николаевич
  • Шевелько Михаил Михайлович
RU2269840C1
МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ РЕЗОНАНСНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА 1989
  • Голубева Г.Х.
  • Елфимов Б.М.
RU2087082C1
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2005
  • Рахимов Вадим Фазылович
  • Хоруженко Сергей Николаевич
RU2294061C1
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИЕМНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 1998
  • Яровиков В.И.
  • Баженов А.А.
RU2159427C2
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ 2012
  • Разуваев Игорь Владимирович
RU2504766C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 649 061 C1

Реферат патента 2018 года Широкополосный ультразвуковой преобразователь

Изобретение относится к акустике, в частности к широкополосным ультразвуковым преобразователям. Широкополосный ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, плоскопараллельные боковые поверхности и электроды, ориентированные перпендикулярно рабочей поверхности, нанесенные на боковые поверхности. Пьезоэлемент поляризован перпендикулярно поверхностям электродов и выполнен в виде гребенки с основанием в форме продолговатой прямоугольной пластины с расположенным на нем рядом разновысоких и разношироких зубцов в форме прямоугольных продолговатых пластин, ориентированных перпендикулярно основанию гребенки. В пьезоэлементе выполнены отверстия перпендикулярно рабочей поверхности на максимально возможную глубину. Технические результаты - расширение полосы частот преобразователя, уменьшение уровня излучаемых паразитных сигналов и повышение эффективности электроакустического преобразования. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 649 061 C1

Широкополосный ультразвуковой преобразователь, содержащий пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, плоскопараллельные боковые поверхности и электроды, ориентированные перпендикулярно рабочей поверхности, нанесенные на боковые поверхности, при этом пьезоэлемент поляризован перпендикулярно поверхностям электродов, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен в виде гребенки с основанием в форме продолговатой прямоугольной пластины с расположенным на нем рядом разновысоких и разношироких зубцов в форме прямоугольных продолговатых пластин, ориентированных перпендикулярно основанию гребенки, при этом в пьезоэлементе выполнены отверстия перпендикулярно рабочей поверхности на максимально возможную глубину.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2649061C1

Широкополосный ультразвуковой преобразователь 1987
  • Питолин Александр Иванович
  • Попко Валентин Павлович
  • Рябов Геннадий Юрьевич
SU1786685A1
Синицын А.А
Разработка и создание ультразвуковых низкочастотных широкополосных мозаичных раздельно-совмещённых пьезопреобразователей с ограниченной апертурой // диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук
М.: МЭИ, 2013 (с
Устройство для выпрямления многофазного тока 1923
  • Ларионов А.Н.
SU50A1
US 5938612 A1, 17.08.1999
US 5792058 A1, 11.08.1998
WO 2014084824 A1, 05.06.2014
US 5099459 A1, 24.03.1992
US 8853918 B2, 07.10.2014
WO 2003024625 A1, 27.03.2003
US 6656124 B2, 02.12.2003.

RU 2 649 061 C1

Авторы

Соколов Игорь Вячеславович

Качанов Владимир Климентьевич

Караваев Михаил Алексеевич

Лебедев Сергей Владимирович

Федоров Максим Борисович

Даты

2018-03-29Публикация

2016-12-22Подача