Ультразвуковой дефлектор Советский патент 1983 года по МПК B06B3/04 

Изобретение относится к акустике 1и ультразвуковой технике и может бы использовано в акустических системах, дефектоскопии, подводной локации и ультразвуковой технологии, а также в других областях науки и тех ники, где требуется управляемое ска нирование ультразвуковых пучков, Известно устройство для управления направлением распространения ультразвуковых пучков, содержащее элемент для изменения фазы ультразвуковых колебаний, выполняющий фун цию звукопровода из пьезоэлектричес кого материала (анизотропного кристалла) , обладающего, электроупругим эффектом, на боковую поверхность ко торого наложены четыре цилиндрических электрода, подсоединенных к источнику питания, направляющие которых параллельны направлению распрос ранения ультразвука, а форма электродов в ортогональном к оси распрос ранения сечении имеет вид гипербол, Впешнее электрическоеполе, приложенное к электродам, изменяет величину коэффициента упругости вещес ва звукопровода. Форма электродов обеспечивает линейное изменение коэффициента упругости в зависимости от координаты, вдоль которой проис ходит отклонение пучка, благодаря чему за счет рефракции ультразвуковой пучок отклоняется от первоначаль , направления распространения 1 Недостатками данного устройства являются, необходимость больших электрических полей, а также значительные технологические трудности, связанные с необходимостью конструктивного выполнения на поверхность кристалла звукопровода четырех элект

родов гиперболического сечения.

Наиболее близким к изобретению является ультразвуковой дефлектор, содержащий звукопровод, из изотропного электрострикционного материала с большим значением диэлектрической проницаемости, снабженный двумя подключенными к источнику управляющего напряжения электродами. Внешнее электрическое поле, приложенное к электродам, вызывает квадратичное изменение скорости ультразвука. Форма электродов обеспечивает линейное по сеченик; пучка изменение фазовой сцкорости, благодаря чему за счет реk ,«« ч г rs t fl фракции ультразвуковой пучок откло няется от первоначального направлению расптространения 2. Недостаткаили известного устройства являкотся необходимость конструктивного выполнения электродов сложной формы, что сопряжено со значительными технологическими трудностями, а также невозможность отклонения пучков большой апертуры, обусловлен-- 5

сечение звукопровода плоскостью, перпендикулярной оси звукового пучка; на фиг. 3. - отклонение направления рас.пространения потока энергии УЗволны от первоначального направления.... ...

Устройство содержит звукопровод 1, выполненный в форме прямого .параллелепипеда из материала, .обладающего электрострикцией (например, пьезокерамики на основе .BaTiO); плоские электроды 2 и 3, нанесенные на противоположные боковые грани параллелепипеда и подключенные к источная тем, что лднейноа изменение скорости упругой волны формируется в поперечном сечении звукопровода только в узкой области вдоль направления, соединяющего вершины электродов. Поэтому также устройство позволяет отклонять без искажения пучки ТОЛЬКО с малой апертурой в поперечном Сечении, При атом основная часть материала звукопровода не используется. Цель изобретения - упрощение конструкции и увеличение.апертуры отклоняемых ультразвуковых пучков путем создания однородности электрического поля во всем объеме звукопровода. Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковом дефлекторе, содержащем звукопровод из изотропного электрострикциЪнного материала с большим значением диэлектрической проницаемости, снабженный двумя подсоединенными к источнику управляю щего напряжения электродами, звукопровод выполнен в виде параллелепи вдз одна пара противоположных граней которого - параллелограммы с острыми углами, определяемыми выражениемСР Torccos , fl u«ie«444 линейные;(},,,,d,, квадратичные константы электрострикции, при эгом электроды нанесены на одну пару противоположных прямоугольных граней, а входной является любая из другой пары прямоугольных граней. : На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, общий вид на фиг.2 нику электрического напряжения, вход ную грань d для ультразвукового гч-г rtf . /V гч rre «i-i-tT riv- - ГЧЛ т лгчтч пучка. Устройство работает следующим образом. Ультразвуковой пучок- из окружающей среды проходит через входную грань дефлектора и распространяется в звукопроводе в направлении оси 2 . При отсутствии напряжения на электРОдах упругие свойства звукопровода являются изотропными, и падающая ультразвуковая волна в звукопроводе является либо чисто продольной, либ чисто поперечной с поляризацией по осиУ . Вследствие этого направлени распространения энергии упругой воЛ ны (вектор лучевой скорости S) совпадае.т с направлением распространения фазы (волновым вектором К ). пр подключении электродов к источнику питания в объеме Йвукопровода появляется однородное электрическое поле, которое благодаря электрострикции приводит к изменению коэффициен тов упругости вещества. Упругие свой ства вещества становятся анизотропны ми, причем -ось анизотропии направлена под углом 6 к оси 2 (фиг. 3). .Вследствие наведенной полем упругой анизотропии происходит отклонение направления распространения потока энергии УЗ-волнЫ от первоначаль ного направления распространения оси 2 ). Это позволяет отклонять акустический пучок путем изменений разности потенциала, подаваемой на электроды. Зависимость угла отклонения S от напряженности электрического поля & для продольной 1 и поперечной fl волн показана на фиг. 4, из котЪрой видно, что отклонение луча происходит в противоположные стороны. Если на входную грань дефлектора падает чисто сдвиговая волна с поля)йзацией по оси Y , то в звукопроводе с полем она остается чисто сдвиговой. Если падает чисто продольная ультразвуковая волна, то внутри звукопровода онастановится квазипро.дольной..При этом часть звуковой энергии продольной волны .преобразуется в поперечную волну, однако коэффициент потерь составляет менее одного процента. В звукопроводе из керамики на он основе титанат,а бария в поле напряженностью 7 , для продольной волны получается угол отклонения, равный 7, а для поперечной волны угол отклонения составляет 13 прис 33. По сравнению с дефлектором, предлагаемое устройство позволяет как существенно упростить конструкцию дефлектора за счет простоты изготовления обоих электродов, так и увеличить апертуру отклоняемого ультра звукового пучка в 3 раза путем создания однородного электрического поля во всем объеме звукопровода. Предлагаемое устррйство позволяет производить сканирование УЗ пучков круглого сечения с более, чем в 3 раза большей апертурой. Это дает выигрыш по площади поперечного сечения пучка в vio раз, на порядок okpaaiaH время обнаружения наличии дефекта в исследуемом объекте при ультразвуковой дефектоскопии. Кроме этого, более чем в 4 раза уменьшается расходимость отклоняемого УЗ-пучка, что при-одинаковых углах отклонения дает увеличение разрешающей способности устройства также-VB 4 раза, обеспечивая возможность более точного определения положения дефека.

х

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ даФЛЕКТОР, содержащий звукопровод из изотропного электрострикционного Материала с большшл значением диэлектрической пpoницae 4pcти, снабженный двумя ,соединенными к источнику управляюцбЦ f напряжения электродами, о т л и ч а ю щ и и с я тем, чтб, с целью упрощения конструкции и увеличения апертуры отклоняемых пучков, звукопровод выполнен в виде параллелепипеда, одна пара противоположных граней которого - параллёлограм1Ф1 с острыми углами, определяемыми выражением - агссо V . gVgV b - jt v 3Weg,,,g,,.444 - линейные, ad,4.d,«.J,«квадратичные константы электрострикции при этом электроды нанесены на г одну пару противоположным прямоугольных граней, а входной 9вляется любая из другой пары прямоугольных граней, р :л о 0 эо