Способ изготовления ультразвукового фокусирующего пьезопреобразователя Советский патент 1988 года по МПК B06B1/06 

i (Л

выполнены четыре пары электродов: 2-3, 4-5, 6-7 и 8-9. Электроды 2, А,

6и 8 расположены на верхнем основании пьезоэлемента, электрод 2 выполнен в виде круга, а электроды 4, 6

и 8 - в виде колец. Электроды 3, 5,

7и 9 расположены на нижнем основании пьезоэлемента, электрод 3 выполнен в виде круга, а электроды 5, 7

и 9 - в виде концентрических колец. На нанесенга.1е на основания электроды подают возбуждающее электрическое напряжение. Распределение нормальной к

основаниям составляющей напряженности возбуждаюп1его электрического поля вдоль радиуса однородно. В результате электромеханического преобразования в пьезоэл-гменте возникает акустическое давление, распределение которого на поверхности имеет вид функции Бесселя. Пьезоэлемент формирует во внешней среде узкий слаборасходя- 1ЦИЙСЯ пучок, т.е. ультразвуковое поле с узким основным и малым боковыми лепестками диаграммы направленности. I ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля качества материалов и изделий. Цепь изобретения - сужение и уменьше1ше расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезопреобразователем во внеяг- ней среде. Пьезопреобразователь содержит пьезозлемент J, на котором

1

Изобретение относится к области неразрушающего контроля качества материалов и изделий и может быть ис тюльзовано в приборах ультразвуковой дефектоскопии или толщинометрии различных изделий.

Цепью изобретения является сужение и уменьшение расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезо- преобразователем во внешней среде.

На чертеже изображен из1 отовлен- ный в соответствии с предложенным способом пьезопреобразователь в координатах гиги распределение нормальной к основаниям составляющей напряженности поляризующего электрического поля Ег(г) вдоль радиуса г на одном из оснований преобразователя (сплошная кривая), а также график функции Бесселя Jo(х) - пунктирная кривая.

Пьезопреобразователь содержит пье- зоэлемент 1, на котором выполнены четыре пары электродов: 2-3, 4-5, 6-7 и 8-9. Электроды 2, 4, 6 и 8 расположены на верхнем основании пьезоэле- мента, электрод 2 выполнен в виде круга, а электроды 4, 6 и 8 - в виде колец.

Электроды 3, 5, 7 и 9 расположены на нижнем основании пьезоэлемента, электрод 3 имеет вид круга, а электроды 5, 7 и 9 имеют вид концентрических колец, причем диаметр кругового электрода 3 втрое меньще диаметра кругового электрода 2, толщи№1 кольцевых электродов 5, 7 и 9 втрое

5

меньше толщин кольцевых электродов 4, 6 и 8 соответственно, а средние диаметры пар электродов 4-5, 6-7 и 8-9 равны для каждой пары. На первую па-

РУ электродов 2-3 подают при поляризации пьезопреобразователя постоянное напряжение U, причем плюс - на электрод 2, на электроды 4-5 - напряжение , причем плюс - на элект0 род 5, на электроды 6-7 - напряжение 0,3и, причем плюс - на электрод 6, на электроды 8-9 - напряжение 0,250, причем плюс - на электрод 9.

Изготовление пьезоэлемента с системами кольцевых электродов на обоих основаниях проводят путем обработки на токарном станка или с помощью травления пьезодиска со сплошными электродами на основаниях. Затем Пьезоэлемент помещают в муфельную печь, где нагревают его до . Потом на каждую пару электродов пьезо- элемента, остающегося в печи, подают поляризукяцие электрические напряжения с соответствуюошми амплитудами и по- лярностякш. В результате внутри пье- зоэлемента возникает сложное распределение иапр яженности поляризующего электрического поля. Зависимость нормальной к электродам составляющей напряженности поляризующего электрического поля Ej(г) для нижнего основания пьезоэлемента (т.е. при z 0) показана на чертеже (сплошная кривая).

5 Размеры узких электродов 3, 5, 7, 9 должны быть в 2,5-3,5 раза меньше, чем размеры широких. Лишь при этом

0

5

0

где 9 - угол наблюдения;

N - нор 1ировочный коэффициент; К волновое число. Из (I) в результате применения теоремы обращения Ганкеля следует ь

Р Г i D(e) J.(Kra) 6 df9, (2)

Задавая D(6) в виде (5 -функции Дирака от угла, т.е. считая, что D(0)

условии после подачи поляризующих напряжений на каждую пару электродов распределение Ej(r) между каждой парой электродов будет в наибольшей степени напоминать полуволну функции Бесселя Jo(х) . Для того, чтобы полуволны в распределении ) меняли поочередно знак и убывали по амплитуде (как полуволны функции J,) Q на каждую соседную пару электродов надо подавать противофазные напряжения через соответствующие делители так, чтобы обеспечить следующую последовательность амплитуд напряжений: 15 1; 0,4; 0,3; 0.25 и т.д. Именно такова последовательность амплитуд в полуволнах функции Бесселя J(x). В процессе поляризации пьезоэле- мент находится в печке, а температу- 20 ру в ней медленно (в течение 2ч) понижают с 500 до 20 С. В результате распределение поляризации, т.е. пье- зомодуля djj (г), по радиусу пьезодис- ка имеет такой же вид, как и распре- 25 жится на этой поверхности, тем точнее

( б - во ) , можно найти, что

рС г) - -ллк&.г).

(3)

Формула (3) показывает, что если на излучающей поверхности р(г) имеет вид функции Бесселя , то ультразвуковые волны излучаются только под углом во относительно нормали к поверхности. Причем, чем больше радиус из- лучакяцей поверхности и чем большее количество полуволн функции Jc уло-

D(6) будет приближаться к иглообразной фуикции Дирака ti(9).

деление ). После извлечения остывшего пьезоэленента из печки на каждое из его оснований наносят сплошной электрод. Это можно сделать путем напыления или с помощью токо- проводящего клея.

Пьезопреобразователь, изготовленный по предлагаемому способу, работает следующим образом.

На вновь нанесенные на его основания сплошные электроды подают возбуждающее электрическое напряжение. Распределение нормальной к основаниям составляющей напряженности возбуждающего электрического поля вдоль радиуса - однородное. В результате электромеханического преобразования в пьезоэлементе возникает акустическое давление, причем распределение этого давления вдоль радиуса (т.е. р(г)) совпадает с распределением

diaCr).

Таким образом, для пьезопреобразо- вателя, изготовленного по предлагаемому способу распределение р(г) на поверхности z О имеет внц функции Бесселя Jo (х).

Способ изготовления ультразвукового фокусирующего пьезопреобразовате- ля, заключающийся в неоднородной поляризации дискового пьезоэлемента и нанесении электродов на его основания, отличающийся тем, что, с целью сужения и уменьшения расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезопреобразователем во внешней среде, на основаниях пьезоэлемента вьтолняют пары электродов, один электрод из каждой пары располагают на одном основании, а другой - на другом, центральную пару выполняют в внде кругов, а все остальные - в

Как известно, дисковый излучатель формирует во внешней среде упьтразву-

ковое поле, диаграмма направленности 55 виде колец с зазорамн между нимн.дна- которого D(6) равнаметр кругового электрода н ширина

D(e) N J (Krsin0).p(r)Tdr,(l)

каждого из кольцевых электродов на одном ог.нованин в 2,5-3,5 раза меньгде 9 - угол наблюдения;

N - нор 1ировочный коэффициент; К волновое число. Из (I) в результате применения теоремы обращения Ганкеля следует ь

Р Г i D(e) J.(Kra) 6 df9, (2)

Задавая D(6) в виде (5 -функции Дирака от угла, т.е. считая, что D(0)

жится на этой поверхности, тем точнее

ся на этой поверхности, тем точнее

( б - во ) , можно найти, что

рС г) - -ллк&.г).

(3)

жится на этой поверхности, тем точнее

Формула (3) показывает, что если на излучающей поверхности р(г) имеет вид функции Бесселя , то ультразвуковые волны излучаются только под углом во относительно нормали к поверхности. Причем, чем больше радиус из- лучакяцей поверхности и чем большее количество полуволн функции Jc уло-

0

5

0

5

0

D(6) будет приближаться к иглообразной фуикции Дирака ti(9).

Поскольку на излучающем основании пьезоэлемента, изготовленного по предлагаемому способу, распределение акустического давления р(г) как раз имеет вид функции Jo, этот пьезоэле- мент формирует во внешней среде узкий слаборасходящийся пучок, т.е. ультразвуковое поле с узким основным и малыми боковыми лепестками диаграммы направленности.

Формула изоб ретения

Способ изготовления ультразвукового фокусирующего пьезопреобразовате- ля, заключающийся в неоднородной поляризации дискового пьезоэлемента и нанесении электродов на его основания, отличающийся тем, что, с целью сужения и уменьшения расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезопреобразователем во внешней среде, на основаниях пьезоэлемента вьтолняют пары электродов, один электрод из каждой пары располагают на одном основании, а другой - на другом, центральную пару выполняют, в внде кругов, а все остальные - в

виде колец с зазорамн между нимн.дна- метр кругового электрода н ширина

каждого из кольцевых электродов на одном ог.нованин в 2,5-3,5 раза мень513808036

ше, чем на другом, средние диаметрыподавая на соседние пары электродов

кольцевых электродов из каждой парыпротивофазные напряжения, амплитуда

равны, внешний радиус каждого широко- которых уменьшается от центральной

го электрода соответствует данному -пары в последовательности, соответст

нулю функции Бесселя первого рода ну-вующей последовательности убывания

левого порядка, при этом внешний ра- амплитуд в полуволнах функции Бес

диус последнего широкого- кольцевогоселя, после чего наносят на оба осно-

электрода равен радиусу пьезоэлемен-вания пьезоэлемента сплошные электро-

та- затем пьезоэлемент поляризуют, ю,ДЬ1.