Двумодовый электроакустический преобразователь Российский патент 2024 года по МПК H10N30/00 

Двумодовый электроакустический преобразователь относится к устройствам, используемым для проведения ультразвуковых исследований твердых тел: обнаружения внутренних дефектов и измерения физико-механических характеристик материалов по скорости распространения упругих волн.

Для проведения подобных исследований в качестве излучающего и приемного преобразователей наиболее часто используются пластинчатые пьезоэлектрические преобразователи, изготовленные из различных пьезоматериалов.

Известен ряд электроакустических преобразователей для измерения скорости распространения упругих волн.

Известен электроакустический преобразователь с твердой акустической задержкой [Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. Под ред. И.Н.Ермолова. - М.: Машиностроение, 1986, с.211]. Он также содержит пьезопластину с нанесенными на ее грани электродами, одной стороной приклеенную к твердой акустической задержке, а другой к демпферу, размещенным в соответствующем корпусе. Наличие акустической задержки позволяет уменьшить износ пьезопластины, а также значительно расширить температурный рабочий диапазон преобразователя. Такой преобразователь является одномодовым, т.е. позволяющим излучать и принимать только продольные волны, что является его недостатком.

Известен электроакустический преобразователь, описанный в патенте RU 2105432 [«Монокристаллический пьезоэлемент резонансного преобразователя» МПК H04R17/10 H01L41/02], который выполнен в виде прямоугольной пластины из материала тригональной сингонии с матрицей пьезомодуля класса симметрии 3m (ниобат лития или танталат лития). Ориентировка пластины выполнена с поворотом относительно оси Y. При использовании пьезоэлемента обеспечивается оптимальное сочетание максимальной пьезоактивности основной моды колебаний и максимальной анизотропии пьезоэффекта. Задача, решаемая настоящим изобретением, - увеличение анизотропии пьезоэффекта для уменьшения влияния частоты поперечных (паразитных) колебаний на основную (несущую) частоту и сведения поперечных колебаний до уровня шумов. Такой преобразователь является одномодовым, т.е. позволяющим излучать и принимать только продольные волны, что является его недостатком.

Наиболее близким по совокупности признаков устройства является электроакустический преобразователь, описанный в патенте RU 2269840«Электроакустический преобразователь» МПК H01L41/02], который реализован в виде пьезоэлектрической пластины с нанесенными на ее грани электродами, одной стороной приклеенной к буферному стержню, а другой к демпферу, расположенному в корпусе, при этом пьезоэлектрическая пластина вырезана под углом к оси Z пьезокерамического материала, величина которого определяется возможностью максимального излучения и приема как продольных, так и поперечных волн.

Недостатком электроакустического преобразователя такого типа является низкая рабочая частота. Повышение рабочей частоты позволит уменьшить длину волны, а, следовательно, повысить точность результатов проводимых измерений. Повысить рабочую частоту преобразователя, выполненного из пьезокерамики, не представляется возможным из-за физико-механических особенностей материала.

Задачей настоящего изобретения является создание электроакустического преобразователя, позволяющего излучать и принимать последовательно продольные и поперечные волны на частотах более 10 МГц.

Возбуждение и приём упругих волн на частотах выше 10 МГц необходимы для задач, где требуются прецизионные измерения скоростей упругих волн.

Поставленная задача решается за счет того, что электроакустический преобразователь, также как и известный, содержит пластину, выполненную из пьезоматериала, позволяющую последовательно излучать продольные и поперечные волны на частотах более 10 МГц. Но в отличие от известного, в предлагаемом решении преобразователь выполнен из монокристалла ниобата лития (LiNbO₃)Y-среза, толщиной не более 0, 34 мм.Достигаемым техническим результатом является создание электроакустического преобразователя, позволяющего излучать и принимать последовательно продольные и поперечные волны на частотах более 10 МГц, т.е. техническим результатом является создание универсального электроакустического преобразователя, позволяющего проводить измерения на частотах выше 10 МГц.

Технический результат достигается за счет применения пьезопластины из монокристалла ниобата лития (LiNbO₃) Y-среза.

Сущность предлагаемого электроакустического преобразователя поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 схематично показана конструкция электроакустического преобразователя: где 1 – пьезопластина из монокристалла ниобата лития (LiNbO₃) Y-среза, с закрепленными электродами,  2 – буферный стержень (протектор), защищающий пьезопластину от механических повреждений, при соприкосновении с объектом, 3 – проводник, обеспечивающий электрический контакт, 4 - электрод на излучающей поверхности, который образован токопроводящим клеем, 5 - электрод на тыльной поверхности, сформированный путем нанесения металлической поверхности.

Частоты эффективного излучения и приема как продольной f_l, так и поперечной f_t волн, определяются из соотношения полуволнового резонанса:

f_l= c_l/2d

f_t= c_t/2d

где c_l - скорость распространения продольной волны, в материале пьезопластины вдоль кристаллографической оси Y ниобата лития, c_t - скорость распространения поперечной волны в материале пьезопластины вдоль кристаллографической оси Y ниобата лития, d – толщина пьезопластины.

Как известно c_l  = 6864 м/с, c_t = 4523 м/с. Так, для изготовления пьезопластины с резонансной частотой для продольной волны 10МГц толщина пьезопластины будет равна:

d= c_l/2 f_l=0,34 мм.

Соответственно, резонансная частота для поперечной волны составляет 6,65 МГц.

Таким образом, при определенной толщине пьезопластины обеспечивается эффективное излучение и прием как продольных, так и поперечных волн на различных частотах.

На фиг.2 показана схема измерителя скорости ультразвука в твердых средах. Измеряемый образец расположен между излучающим и приемным преобразователям и находится в акустическом контакте с ними. На излучающий преобразователь подается излучающий сигнал от генератора, сигнал с приемного преобразователя подается на интерфейс (например, цифровой осциллограф). Измеряемая скорость определяется путем фиксации разности времени прохождения сигнала через такую систему при наличии и отсутствии образца. Переключение частоты генератора позволяет генерировать и принимать либо сигнал от прошедшей продольной, либо поперечной волн.

На фиг. 3 представлен пример частотной зависимости коэффициента передачи для продольной (1) и поперечной (2) волны, тракта в котором в качестве излучателя и приемника используется преобразователь с пьезопластиной из монокристалла ниобата лития (LiNbO₃) Y-среза. Видно, что эффективное излучение и прием происходят на частотах 5,8 МГц и 9,8 МГц соответственно.

Использование: для обнаружения внутренних дефектов и измерения физико-механических характеристик материалов по скорости распространения упругих волн. Сущность изобретения заключается в том, что двумодовый электроакустический преобразователь выполнен на основе пьезопластины из ниобата лития, излучающая поверхность которой закреплена токопроводящим клеем на буферном стержне, тыльная поверхность которой покрыта электродом, при этом пластина выполнена из монокристалла ниобата лития Y-среза толщиной не более 0,34 мм. Технический результат: обеспечение возможности излучать и принимать последовательно продольные и поперечные волны на частотах более 10 МГц. 3 ил.

Двумодовый электроакустический преобразователь, выполненный на основе пьезопластины из ниобата лития, излучающая поверхность которой закреплена токопроводящим клеем на буферном стержне, тыльная поверхность которой покрыта электродом, отличающийся тем, что пластина выполнена из монокристалла ниобата лития Y-среза толщиной не более 0,34 мм.