Пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1986 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к ультразвуковым контрольно-измерительным приборам и может быть использовано в приборах для неразрушающего контроля и медицинской диагностики.

Целью изобретения является расширение полосы пропускания преобразователя за счет механического демпфирования пьезоэлемеитов.

Па чертеже схематически представлен пьезоэлектрический преобразователь..

Преобразователь содергкит пьезо- элементы 1 и 2, nanpiiMep, диски одинакового диаметра D и одннаков ой ТОЛ1ДИПЫ 1р,поляризованные по толщине в противопололсных направлениях. Основания пьезоэлемеитов покрыты то- копроводящими электродами 3-5.Пьезо- элементы между собой электрически . согдинепы параллельно, а механически - последовательно, например, путем склеивания их оснований токо- лрОБодящим клеем. Электроды 3 и 5 соединены между собой и заземлены, а электрод 5 является рабочим.

К осноБанию с злектродо 5 пьезо- элемента 2 прикреплен набор гибких твердотельных волноводов 6. Волноводы изготовлены из материала с волновьЕ акустическим сопротивлением, близким к волновому сопротив- леиию пьезоэлемента, например лату- :.-:и или меди. Поперечные размеры каждого волновода выбраны меньше длины акустической волньз наивысшей часто- в вс:п оводе. Длина отдельных волноводов неодинакова и линейно увеличивается от края к центру демпфера, а свободные концы волноводов изогнуты от оси симметрии демпфера под .углом по отношению к самому короткому волноводу таким образом, что набор волноводов образует цилиндр.

Преобразователь в режиме приема механических колебаний работает.сле- ДУ101Д1Ш образом.

При воздействии на основание с гзлектродом 3 пьезоэлемента 1 механических колебаний на поверхности пьезоэлемента появляются электрические заряды, которые между электродами 3 и 4 создают разность потенциалов Так как пьезозлемеи- ты 1 и 2 соединены жестко между собой, . например склеены токопроводящим клеем, соответственно при деформации пьезоэтузмента 1 также между электродами 4 и 5 пьезозлемента 2 появляется разность потенциалов 1 - fs При одинаковых толщинах пьезоэле- ментов 1 и 2 и при заземленных электродах 3 и 5 наиряжение U будет равно напряжению U2 (параллельное соединение).

Коэффициент преобразования преобразователя К U 1/pj где р - колебательное давление, получается макси- мальньм на антирезонансной частоте fp, на которой ;1о/2 21с где о- длина падающей акустическо й волны, а IQ - толщина одного пьезоэлемента.

Для расширения полосы пропускания основание с электродом 5 пьезоэлемента 2 нагружено демпфером, состоящим из гибких твердотельных волноводов 6.

Поперечные размеры каж,цого волновода d выбраны меньше половины длины акустической волны наивысшей возбуждаемой ультразвуковой волны, поэтому в волноводах могут возбуждаться и распространяться только первая продольная нормальная волна. Дня этой BOJHH) в указанном диапазоне частот активная составляющая вход-, ного акустического импедапса каждого

волновода близка к волпювому сопротивлению материала, из которого изготовлен волновод . Поэтому при выборе материала, волновое акустическое сопротивление которого равно волновому сопротивлению пьезоэле1-1ента Zo (например, в случае пьезокерамики волновод изготовляется из меди или латуни), пьезоэлемент нагружается демпфером, входное акустическое сопротивление которого близко к AoZo, где АО - площадь торцовой поверхности, т.е. представляет согласованную нагрузку.

Волна, возбужденная в тонких волноводах, из-за поверхностных дефектов и неоднородпостей, а также при отра- жении от конца волновода, гфеобразу- ется в высшие типы норма.льных волн,

которые в волноводе с данными размерами (d Л9/2) распространяться не могут и затухают из-за внутренних потерь в материале. В связи с этим, от конца волновода к пьезоэлементу возвращается ничтожная часть падаю- .

щей волны. Например, в мегагерцовом диапазоне частот амплитуда отраженной волны в демпфере, изготовленном из медных волноводов с наибольшей

длиной 50 мм и диаметром 0,2 мм, уменьшается по сравнению с падающей более чем на 60 дБ.

Так как все волноводы имеют разную длину, отраженные сигналы на пьезоэлемент возвращаются в разные моменты време1ги с разньми фазами. Таким образом, остающаяся небольшая часть отраженных сигналов складывается несинфазно, и остаточный сигнал получается меньшим, чем в случае :их.синфазного суммирования. Цосколь- ку демпфер согласован с пьезоэлемен- том, а паразитная акустическая волна, отраженная от конца демпфера, практически отсутствует, полоса про- лускания преобразователя значитель- рю увеличивается.

В том случае, если демпфер выполнен из металлических волокон и имеет нулевой потенциал, то в режиме приема преобразователь уже не является антенной, пр1 нимающей электрические наводки, а в режиме излучения также не излучает мешающие электрические колебания. Это позволяет сзлцествен- по упростить конструкцию преобразователя, поскольку в данном случае не требуется электрический экран для защиты преобразователя от внешних электрических помех.

Выполнение конца демпфера в виде изогнутых под прямым углом волноводо позволяет существенно уменьшить геометрические размеры преобразователя при одновременном улучшении точности преобразования за счет З меньшения уровня отраженных сигналов .

Поскольку демпфер выполняется из гибких волноводов, например тонких металлических проволок, то весь демпфер может быть изогнут произвольным образом, что позволяет уменьшить размеры всего преобразователя.

5

0

5

0

5

0

5

например максимальную его длину,а также расширить его функциональные возможности, например применять для измерений в трудно доступных местах. Емкость преобразователя увеличивается в два раза по сравнению с емкостью Со одного пьезозлемента, поскольку пьезоэлемёнты электрически соединены параллельно. Поэтому при подключении к преобразователю усилителя с входной паразитной емкостью Ср, влияние этой емкости на выходное электрическое напряжение преобразователя будет меньше. Это обьясняется тем, что в данном случае коэффициент передачи преобразователя, нагруженного паразитной

Ор

емкостью Со равно К Кр - - СО+СР

где KO - коэффициент преобразователя на электрически холостом ходу.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из двух пьезоэлемен- тов, поляризованных по толщине в противоположных направлениях и соединенных между собой электрически параллельно и механически последовательно, с нанесенными на их основания электродами, отличающийся тем, что, с целью расширения полосы пропускания, он снабжен демпфером, прикрепленным к основанию одного из пьезоэлементов и выполненным в виде образующего цилиндр набора гибких изогнутых волноводов различной длины, причем длина волноводов линейно увеличивается от края к центру цилиндра, диаметр каждого вохшовода меньше половины длины акустической волны наивысшей частоты в волноводе, а волновое сопротивление каждого волновода соответствует волновому сопротивлению пьезрэлемента. .

Редактор Ю. Середа

Составитель С. Волков

Техред Л.Олеиник Корректор С. Шекмар

Заказ 3910/48 Тираж 778 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Пр1оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,4

Изобретение относится к ультразвуковым контрольно-измерительным приборам и может быть использовано в приборах для неразрушающего контроля и медицинской диагностики. Цель изобретения - расширение полосы пропускания преобразователя за счет механического демпфирования пьезо- элементов. Демпфер, подсоединенный к одному из оснований пьезозлемен- тов,; выполнен в виде набора гибких твердотельных волноводов различной длины, причем длина волноводов линейно увеличивается от края к центру демпфера, а свободные концы волноводов изогнуты от оси симметрии демпфера под углом таким образом, что демпфер образует цилиндр, основание которого соединено с заземляемым основанием пьезоэлемента, а диаметр каждого волновода меньше половины длины акустической волны наивысшей частоты в волноводе, волновое сопротивление которого соответствует волновому сопротивлению пьезоэлемента. 1 ил. i (Л кэ 4; 4: сл 00