Способ получения акустической линзы Советский патент 1983 года по МПК B06B3/04 

Акустический луч 1

Фромти паSatoufet/ fejftf

а

САЭ

;

оо Изобретение относится к техниче кой акустике и может найти примене ние при создании линз для ультразв новой дефектоскопии, медицинской диагностики и акустической гологра фии. . Известны способы изготовления однородных и Неоднородных акустических линз различных конструкций, выполненных из.разнообразных материалов с применением для придания им формы ограничивающих поверхност/вй Cll. Однако линзы,, изготовленные известными способами, имеют недостат ки, связанные со сложностью изготовления прецизионных криволинейных поверхностей и отсутствием в н плоских рабочих корректирующих поверхностей, что не дает возможност применять их для фокусировки акустических волн в твердых телах без промежуточного иммерсионного сло.я , Известен также способ создания акустической линзы с управляемым звукопроводом и блоком управления (звукопровод выполнен из монокристалла с линейным электроакустическим эффектом), в котором на боково поверхности звукопровода выполняют параллельно направлению распростра нения пучка упругих волн цилиндрические канавки, на поверхности которых наносят электроды 2 J. Однако и при таком способе изготовления -линза обладает недостат ками : сложна -и трудоемка в изготов нии, требует применения искусствен НО выращенных кристаллов для изгот ления звукопроводов при специальной их ориентации перед вырезкой с помощью оптических или рентгенов ских методов, нанесения сложных по форме и технологии изготовления электродов и принятия специальных мер по защите поверхности монокрис талла от электрического пробоя, кроме того линза не может быть про контролирована в процессе изготовления, так как требует подключения к блоку управления. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления акустической ли|1зы путем формирования распределения показателя преломления в стеклянном стержне с помощью ионообменной диффузии из расплава СЗ Однако согласно этому способу изготовления линзы не удается полу чить фокусирования упругих волн в заданных пределах, так как способ основан на методе ионообменной диффузии, лрово.димой в образце стекла, содерж 1щего литий и погруженного в расплав солей, содержащих натрий, что не позволяет получить нужное фокусирующее распределение упругих свойств из-за увеличения скррости упругих волн от поверхности к оси линзы, а также из-за малого абсолютного и относительного изменения скорости упругих волн вдоль радиуса линзы. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и улучшение фокусирующих свойств линзы, i-Указанная цель достигается тем, что согласно способу изготовления акустической линзы путем формирования распределения показателя преломления в стеклянном стержне с помощью ионообменной диффузии из расплава, в качестве материала стержня используют стекло, содержащее натрий, в качестве расплава расплав солей, содержащих литий, а ионообменную диффузию осуществляют при температурах/ превышающих температуру стеклования исходного стекла стержня на 50-100 С, На фиг. 1 показана схема работы полученной предлагаемым способом акустической линзы с.ходом акустичейкого луча в ней; на фнг, 2 схема способа создания в стержне аксиально-симметричного распределения упругих свойств; на фиг, 3 график, иллюстрирующий распределение акустических свойств вдоль радиуса акустической линзу Акус.тическая линза 1, контактирующая со средой 2, (фнг,1) выполнена в виде стержня с -плоскопарал- лельными торцами, перпендикулярными его ос,и Линза изготовлена из звукопроводящего материала, например стекла, причем создано аксиально-симметричное распределение акустического .показателя преломления но закону где Пд и п(.г|- акустические, показатели преломления на оси линзы и на расстоянии г от нее соответственно; 1 - длина периодичности осцилляции акустического луча в теле стержня (линзы) В такой линзе согласно распределению (1) скорость упругих волн возрастает от оси стержня (линзы )к поверхности вдоль радиуса, что приводит к искривлению первоначального фронта акустической волны в теле линзы, а следовательно/ к фокусировке упругой волны на определенном расстоянии от входного . торца линздл. Далее акустические луЧи становятся расходящимися, но за счет рефракции в неоднородной среде снова сходятся на оси линзы через определенное расстояние вдол не.е. Таким образом/ акустический луч/ г.падающий первоначально в направлении./ параллельном оси стержн осциллируется с некоторым периодом (), определяемым параметром ра спределенйя упругих свойств. Опи санные явления имеют место в случае параболического распределения упругих свойств (1)/ при этом небольшие отклонения от этого распре ления (фиг. 3) не нарушают существе но общей картины распространения упругих волн в линзе. При первом tтpиближeнии все акустические лучи, лежащие в меридиональной плоскости линзы, испытывают периодические осцилляции внутри ее, при этом длина линзы вдоль оси определяет её интегральное свойство в смысле фокусировки или дефокусировки этих луче,й например, при 2 L/4 линза является собирающей, а при L,,/2 - рассеивающей; при 2sL/2 линза не изменяет характера пучка Очевидно, что . эти условия сохраняются, если к полученной расчетом длине z добавлять 1сL/ где ,1,2,:3, Следовательно, получив после обработки стержень с распределением упругих свойств (1), можно отрезать от него нужные по длине 2 куски, которые будут служить.либо собирающими/либо рассеивающими акустическими линзами« в случае, показанном на фи;г« 1, длина линзы (4+2)1,, ,т,,е линза является собирающей. Расчеты показывают, что фокусно расстояние предлагаемой линзы f .и ее рабочий отрезок 5., можно опр делить из соотношений n.2ystn(4|i:) -ч (-) где h С/С о (СдИ С - скорости упругих волн на оси линзы и в окружа-. .ющей ее среде соответственно.) ,. Таким образом, линза может фокусировать или дефокусировать упругие волны в любой среде, при этом f и Spi будут зависеть от величины скорости звука в конкрётг ной окружающей линзу среде. Она может фокусировафь и сдвиговые вол ны по причине очевидной связи скор тей продольных и поперечных упругих волн в изотропной среде, которой является тело, линзы ., Значения L, f и 5 отличны от аналогичных значений для продольных волн« На Фнг, 1 показано фокусирование упругих волн (сдвиговых или продольных) в твердой среде 2 при непосредственном (без иммерсии) контакте линзы и среды. Плоские торцы создают дополнительное удобство применения по сравнению с известными однородными линзами с криволинейными поверхностями. . Способ осуществляют следующим образом. Заготовка для линзы 3, представляющая собой стержень с размерг ми, определенными из соотношения (1-3) выполненная из силикатного стекла, содержащего натрий, предварительно разогревается до нужной температуры внутри шахтной вертикальной печи 4, после чего погружается в расплав солей, содержащих литий 5, находящийся в термостойком стакане б| Температура расплава измеряетсятермопарой 7 и поддерживается автоматическим управляквдим прибором 8 в течение всего заданного времени После окончания процесса печь выключают, открывают крышку 9 и охлаждают заготовку 3, вынутую из расплава, над его поверхностью или , в любом месте внутри остывающей . . После остывания полученной линкзы вместе с печью до температуры 60-100°С ее вынимащт Линза готова к использованию, так как дополнительной механической обработки производить не требуется, кроме небольшой шлифовки торцевых поверхностей (при необходимости). Во время протекания описываемого процесса, когда заготовка находится в расплаве, в ее поверхностном слое происходит процесс ионообменной диффузии, результатом которой является замещение ионов- натрия в исходном стекле на ионы лития из расплава, что приводит с течением времени к созданию распределенной вдоль всего радиуса линзы и уменьшающейся к оси концентрации ионов литня. Такая взаимная замена ионов в силикатных стеклах, содержгицих натрий, полученная методом ионообменной диффузии при температурах выше стеклования, приводит к созданию вдоль направления радиуса линзы градиента скоростей упругих волн, при котором их скорость увеличивается к поверхности линзы, причем закон распределения практически совпадает с у :сазанным в соотнесении (li) . Оптимальной температурой ведения процесса является температура на 50-100 С выие температуры стеклования исходного стекла . Это об- асняется TBMf что в этих условиях происходит сравнительно быстрая релакса ция структуры искодного стекла после внедреннн ионон из расплава и,кроме того, коэффициент взаимодиффузии относительно велик.- Повышени температуры может приводить к явлению микроликвации г Тае , значитель ному и резкому измен.ению состава материала в микрообъемах вследств чего ухудшаются механическ.ие свойства линзы/В то же время .более низкая тура способа может привести к замораживанию не успевшей о-з:релаксировать структуры стекла,, т , е , к остаточным механичес ким напряженияЕ в линзе,, которые могут значительно изменить распределение упругих свойств вдоль направления радиуса линза и ухудшить ее фокусирующие свойства,Важным параметром пред/гага.емого способа,- кроме температуры, является время процесса f, Оно определяется, во-первых,, коэффициентом вэаимодиффузии D ионозЬ йое для ка дого конкретного состава исходного стекла и, во-вторых, линейным раз-меройг вдоль которого происходит изменение свойства, т, .е радиусом линзы,г Оптимальным временем проведения протдесса является С , опреде емое из с:;оотгЮшения Величина коэффициента ззаимодиффу.зии Л либо HL ;BecTHa из литературы, либо определяется в предварит ель Нсз экспериментах.. Выбор вреь- ени I , меньшего по сравнению с расчетным по формуле (4), приводит к неполно проработке заготовки вдоль радиуса а большего времени - к искажению закона аксйальног симметричного рас пределения (1). Таким образом, существенньили и определяюЬдими признаками способа являются выбор исходного материала .выбор расплава и тегдпературно-врем ной режим иоЕ-5оо6менной обработки в расплаве . В пре,цлагаемом способ происходит замена ионов натрия из силикатного стекла на ионы лития из расплава, а ю время как в прототипе проводится обратная замена. В соответствии с этим, расплав должен содержать литий.« а не натрий. Кроме того г температуру выбирают обязательно выше температуры стеклования исходного материала, а в прототипе она. может быть и тем пературы стеклования . Дополнитель ным преимуществом предлагаемого способа является упрочнение-поверх ностного слоя получаемой линзы, что улучшает ее механи-ческие свойства. П р и м а р, 4Исходный образец в виде круглого стержня радиуса Rs5 мм из силикатного стекла, содержащего натрий, состава,моль %s S-iOj 60| t-i 2 10 Нам Ю температура стеклования , Образец после предварительного прогрева погружают в расплав литиевых солей состава, мол:. %: С 16; тег-шарат фОй{1 равной 650°С,- которая поддерживается во время всего процесса с точностью 5 С коэффициент взаимодиффузии В определен из.предварительных измерений и составляет (1-3) с, авремя процесса t, необходимое для полной проработки образца - 24 ч. Это соответствует значениям так называ.,емого приведенного времени .J - ;; |03b-0,f08. На фиг. 3 показаны зависимости скорости продольных упругих волн Cj от радиуса г в акустической, линзе (кривая а). На б пок.азано (идеальное ) параболическое распределение, построенное по формуле (1). Из фиг, 3 следует г что реальное .распределение Cg практически совпадает с нужным фокусирующим из соотношения (1). Экспериментальные точки на кривой а построены с помощьм расчетного метода, состоящего в вычислении скорости ультразвука по известному значению оптического показателя преломления, при этом распределени.е его в плоскости поперечного-сечения линзы получено из анализа интерферограммы тонкого среза линзы. Таким образом, для контроля готовой акустической линзы достаточно иметь интерферограмму одного тонкого среза, перпендикулярного оси стержня/ которая позволяет определить параметр периодичности L, и, следовательно, при выбранном 2 вычислить иЗ|.Для акустической лин.-;. зы, упругие данные которой приведены на фиг.3, параметр распределения L 153MM, экспериментальные значения рабочего отрезка в дистиллированной воде5- 0 мм при мм,Для этой же линзы, используемой для фокуе. сировки продольньгх волн в твердом сплаве АМГ, расчет дает значение рабочего отрезка S. 7 мм Предлагаемый способ может быть успешно применен для стержней, любых размеров для создания, во всем их объеме фокусирующего распределения упругих свойств, т,,е„ позволяет получить неоднородную акустическую линзу с плоскими рабочими поверхностями, способную как фокусировать , так и дефокусировать продольные и сдвиговые упругие волны в любой окружающей линзу среде.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ линзы путем формирования распределения показателя прелом- ления в стеклянном стержне с помощью ионообменной диффузии из расплава, отличающийс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и улучшения фокусирующих свойств линзы, в качестве материала стержня используют стекло, содержащее натрий, в качестве расплава - расплав солей, содержащих дитий, а ионообменную диффузию осуществляют при температурах, превышающих температуру стеклования исходного стекла стержня на 50-100°;С g т