Ультразвуковой широкополосный преобразователь Советский патент 1987 года по МПК B06B1/06 H04R17/00 

I13

Изобретение относится к пьезоэлектрическим преобразователям, предназначенным для приема и излучения ультразвуковых колебаний, и может быть использовано в тех случаях, когда требуется импульсный или непрерывный контроль больших объемов среды, например, в медицинских терапевтических или хирургических приборах и инструментах.

Известны точечные широкополосные преобразователи, с размерами порядка длины волны и менее, которые имеют требуемую диаграмму направленности. Однако, в силу того, что интенсив- ность ультразвукового сигнала, создаваемая таким преобразователем (или уровень сигнала при приеме от фиксированного точечного источника) , уменшается обратно пропорционально квад- рату расстояния до выбранной точки среды, область его эффективной работ ограничена лишь участками среды, находящимися в непосредственной близости к поверхности преобразователя.

Известны также широкополосные преобразователи - плоские демпфированны Такие преобразователи имеют угловую ширину диаграммы направленности главного лепестка, определяемую выраже- нием

об arcsin 0,52 , (I)

где об - угловая ширина направленност

на уровне 0,707;-

- длина волны в среде; D - диаметр преобразователя.

Как следует из (I), для больших объемов сред, т.е. для 0, область контролируемого пространства ограничена в двух измерениях диаметром преобразователя, что, как правило, не может быть реализовано. Для приема и излучения сигналов в объеме среды такие преобразователи вообще неприменимы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаем-ому является IUH рокополосный ультразвуковой преобра зователь в Риде тела вращения с профилированными поверхностями, одна из которых выпуклая, а другая вогнутая, выполненный из пьезоматериала с переменной толщиной. Данн1,1Й преобра- зователь учмеет угловую ширину диаграммы направленности

(с + У),(2)

где oi определяется выражением (1) н

У if -arcsin(0,707 ) , (3)

- и

где V - скорость ультразвука в среде;

V - скорость ультразвука в материале преобразователя. Поско.чьку оС мало для размеров преобразователей i: 10 длин волн, то / всегда меньше 180 для сред, скорост звука в которых меньше скорости в материале преобразователя, т.е. и в биологических тканях. Поэтому такие преобразователи неприменимы для контроля больших объемов среды.

I

Цель изобретения - расширение диаграммы направленности преобразователя .

Указанная цель достигается тем, что в ультразвуковом широкополосном преобразователе в виде тела вращения с профилированными поверхностями, одна из которых вогнутая, а другая выпуклая, выполненном из пьезоэлектрического материала, переменной толщины, толщина преобразователя возрастает от центра к краям, а радиусы выпуклой и вогнутой поверхностей соответственно равны D

R

251пФд r Rp-cosC3 +sinSO -ctg(,+

Ф Й(4)

причем где R

Со -arcsin(0,56 у) ti

г

D

0

V.

радиус вьтуклой рабочей поверхности;

радиус вогнутой поверхности; диаметр преобразователя; минималь-ная толщина преобразователя ;

угловая ширина диаграммы направленности ;

скорость ультразвуковой волны в среде;

скорость ультразвуковой волны в преобразователе. В преобразователе возн1гкает дополнительная расходимость диаграммы направленности, обусловленная совместным действием нак.чона участка поверхности преобразователя относительно его нейтральной оси на некоторый угол, определяемый выпуклостью рабочей поверхности преобразователя н;а периферии, и наклона фронта ультразвуковой волны внутри преобразователя, зависящего от характера увеличения толщины от периферии к центру

313

толщины. Поэтому угловая расходимость диаграммы направленности преобразователя всег да превышает расходимость диаграммы прототипа и для любых параметров сред может быть выб- рана равной 180 .

Однако это свойство может быть реализовано лишь при определенной взаимосвязи значения радиуса внешней сферической поверхности R и радиуса внутренней сферической поверхности г.определяющих изменение толщины преобразователя, когда D

R

2sin Ф„

cos9 ctg(

(5)

(6)

- угол наклона периферического участка выпуклой рабочей поверхности относительно оси 20 преобразователя.

-об -arcsin К (гг)

где oi - угловая ширина диаграммы направленности.

л об arcsin 0,52 - ,

где - длина ультразвуковой волны в

среде;

V ,V - скорости ультразвуковой вол- ны в среде и преобразователе соответственно; D - диаметр преобразователя; t - минимальная толщина преобразователя. Если внешняя и внутренняя поверхности не сферические, то из-за неравномерности изменения свойств преобразователя по диаметру, уменьшается ег эффективность и появляется изрезан- ность амплитудно-частотной характеристики и диаграимы направленности.

Поскольку толщина стенок преобразователя возрастает к краю, в этом же направлении происходит и наклон диаграммы направленности. В результате действия этих факторов угловая ширина диаграммы направленности всегда может быть реализована равной требуемой.

На чертеже изображен ультразвуковой широкополосный преобразователь. Преобразователь представляет собой тело 1 вращения переменной толщи-55 с заданным радиусом и определенном ны, на выпуклую 2 рабочую и вогнутую

радиусе внутренней поверхности. I

вниипи

Заказ 2896/8

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

0

5

0

5

0 5 0

5 0

414

3 поверхности которого нанесены электроды А и 5. Толщина преобразователя увеличивается от центральной части к периферии. Периферическая часть преобразователя выполнена в виде акустических ловушек 6.

Преобразователь работает следующим образом.

При приложении переменного напряжения к электродам возбуждаются коле-, бания во всех участках преобразователя. Однако, в зависимости от рабочей частоты, участки с максимальной амплитудой колебаний расположены различным образом. Для низких рабочих частот,- близких к нижней граничной частоте, максимальная амплитуда колебаний достигается на периферической части преобразователя. В то же время достаточно эффективно колеблются и центральные участки, поскольку напряженность электрического поля возрастает из-за уменьшения толщины. В результате преобразователь работает в различных направлениях приема и излучения.

Для высоких рабочих частот по поверхности преобразователя образуется ряд участков с максимальной амплитудой колебаний, соответствующих толщинам, кратным полуволновым резонансным. В результате образуется ультразвуковое поле во всех требуемых направлениях. Эффективность преобразователя в различных направлениях в этом случае сравнима, но различается, т.е. появляется некоторая неравномерность ультразвукового поля. Это несущественно для ряда практических задач.

Изрезанность амплитудно-частотной характеристики преобразователя уменьшается с помощью ловушек 6, устраняющих накопление и интерференцию колебаний, возникающих при отражении ультразвуковой волны от поверхности преобразователя и распространяющихся вдоль его диаметра.

Использование пред-пагаемого преобразователя увеличивает контролируемый объем, что достигается при взаимосвязи толшины преобразователя, увеличивающейся от центра к периферии, выполнении рабочей поверхности вьп1уклой

с заданным радиусом и определенн

радиусе внутренней поверхности. I

Тираж 437

Подписное