Устройство для генерации ультразвуковых импульсов Советский патент 1990 года по МПК H04R17/00 

СП

-U kl

Изобретение может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии, медицинской акустике и акустоэлектронике. Цель изобретения - увеличение амплитуды генерируемых ультразвуковых импульсов в диапазоне частот до 1 МГц. Устройство содержит расположенные соосно активный пьезоэлемент 1, согласующий акустический элемент связи 10, стержневой акустический резонатор 2, параметры которых выбраны из условия φNС/L=√K/M, где K - коэффициент упругости согласующего элемента связи:M - масса активного пьезоэлемента

C - скорость распространения продольных звуковых волн в акустическом резонаторе

L - длина акустического резонатора

N = 1,2,3... Акустический элемент 10 связи жестко скреплен контактными поверхностями с обращенными друг к другу торцом резонатора 2 и рабочей поверхностью активного пьезоэлемента 1. При подаче напряжения на активный пьезоэлемент, собственная частота которого совпадает с частотой основной моды колебаний, излучаемый сигнал, усиливаясь, подается в акустический резонатор 2 через акустический элемент 10 связи. 2 ил.

ю/

/

/

/

t

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии, медицинской акустике и акустоэлектронике.

Целью изобретения является увеличение амплитуды генерируемых ультразвуковые импульсов в диапазоне частот до 1 МГц.

На фиг.1 схематично представлена конструкция устройства для генерации ультразвуковых импульсов; на фиг.2 - распределение амплитуд колебаний в акустическом резонаторе и активном пьезоэлементе.

Устройство для генерации ультразвуковых импульсов содержит активный пьезоэлемент 1 стержневой акустический резонатор 2, акустически нагруженный на внешнюю среду 3 через управляющий пьезоэлемент t, причем плоскость -активного пьезоэлемеита 1 ортогональна продольной оси акустического резонатора 2. При этом активный пьезоэлемент 1 может быть выполнен из монокристаллического или пьезокерамического материала и иметь форму прямоугольной или круглой пластины с проводящими электродами на боковых рабочих поверхностях. Управляющий пьезоэлемент k электрически соединен с управляемой электрической нагрузкой 5 и входом делителя 6 электрического напряжения, выход которого электрически соединен с входом фазосдвигающего устройства 7 Выход последнего электрически соединен с входом управляемого усилителя 8 электрических сигналов, выход которого электрически соединен с проводящими электродами активного пьезоэлемента 1. Между активным пьезоэлементом 1 и акустическим резонатором 2 размещен согласующий акустический элемент 10 связи, который может быть выполнен в виде трубки или сплошного стержня с переменным или постоянным сечением по длине. При этом по форме сечение согласующего акустического элемента 10 связи может быть произвольным, например круглым или прямоугольным. Одним своим концом согласующий акустический элемент 10 связи жестко соединен с активным пьезоэлементом 1 в центре его геометрической симметрии,, а дру- гим - с акустическим резонатором 2 в точке пересечения торцовой плоскости акустического резонатора 2 с его

продольной осью симметрии. Параметры активного.пьезоэлемента 1, акустического резонатора 2 и согласующего акустического элемента 10 связи выбраны из условия

Т

с |Г

П Tim

5

0

5

Q

5 0 5

0

0

5

где k - коэффициент упругости согласующего акустического элемента 10 связи; m - масса активного пьезоэлеменva 1;

с - скорость распространения продольных звуковых волн в акустическом резонаторе 2; L - длина акустического резонатора 2;

, 2, 3, ...

Устройство работает следующим об- .

В исходном положении добротность управляемой активно-индуктивной эле - трической нагрузки 5 управляющего пьезоэлемента 4 устанавливают максимально возможной, причем одновременно путем подачи на шину 9 управления х управляющего электрического сигнала открывают усилитель 8 электрических сигналов С помощью управляющего пьеаоэлемента k преобразуют тепло вые шумы акустического резонатора 2 в электрический сигнал, который в виде высокочастотного электрического напряжения снимают с управляемой активно-индуктивной электрической нагрузки 5 и подают его на вход делителя 6 электрического напряжения. С помощью делителя 6 электрического напряжения, фазосдвигающего устройства 7 и управляемого усилителя 8 электрических сигналов путем последовательной обработки электрического сигнала указанными устройствами увеличивают амплитуду и формируют фазу электрического сигнала и с выхода управляемого усилителя 8 электрических сигналов подают электрический сигнал на проводящие электроды активного пьезоэлемента 1. С помощью активного пьезоэлемента 1 преобразуют электрический сигнал в акустический и излучают его в акустический резонатор 2 через согласующий акустический элемент 10 связи с амплитудой, превышающей первоначальный шумовой сигнал. При этом ультразвуковая волна почти полностью отражается от управ

ляющего пьезоэлемента Ц, и в акустическом резонаторе за счет положительной обратной связи идет процесс накопления акустической энергии, который проявляется в многократном увеличении амплитуды стоячей ультразвуковой волны в нем. При достижении амплитудой стоячей ультразвуковой волны в акустическом резонаторе 2 стационарного значения резко уменьшают величину добротности управляемой активно-индуктивной электрическо нагрузки 5 ло минимального значения, причем одновременно путем подачи на шину 9 управления управляющего электрического сигнала запирают управляемый усилитель электрических сигналов 8. При этом коэффициент прохождения звука через управляющий пьезоэлемент 1 возрастает до единицы. Накопленную в акустическом резонторе 2 энергию излучают во внешнюю среду 3 в виде прямоугольного ультразвукового импульса.

Приведенное математическое выражение является условием возбуждения колебаний акустического резонатора 2 с максимальной амплитудой при заданой величине силы F на границе между активным пьезоэлементом и согласующим акустическим элементом 10 связи.

Максимум силы F достигается для основной резонансной моды колебаний активного пьезоэлемента 1 в центре его геометрической симметрии, совпадающем с узлом колебаний активного пьезоэлемента 1 в своей плоскости. За счет коэффициента Пуассона колебания активного пьезоэлемента 1 в его плоскости с амплитудой Ur (фиг.2 сопровождаются нормальными смещениями активного пьезоэлемента 1 вдоль продольной оси акустического резонатора с амплитудой U0, причем пучность механических колебаний активного пьезоэлемента вдоль оси акустического резонатора 2 совпадает с узлом колебаний активного пьезоэлемента 1 в его плоскости. На фиг.2 также показано распределение механических смещений Up вдоль продольной оси в акустическом резонаторе 2. Наряду с достижением максимальной возбуждающей силы F жесткое соединение согласующего акустического элемента 10 связи одним концом с активным пьезоэлементом 1 в центре его геометрической симметрии, а другим концом

5

0

5

0

с акустическим резонатором 2 в точке пересечения торцовой плоскости акустического резонатора 2 с его продольной осью симметрии позволяет избежать возбуждения паразитных мод колебаний, например изгибных, отсоса части акустической энергии в паразитные моды и снижения амплитуды колебаний акустического резонатора 2 вдоль продольной оси.Кроме генерации ультразвуковых импульсов, предлагаемое устройство может быть также использовано для генерации радиоимпульсов. В последнем случае внешняя среда 3 отсутствует, а управляющий пьезоэлемент k выполняет роль пьезоэлектрического поглотителя ультразвука. При этом накопленная в акустическом резонаторе 2 ультразвуковая энергия преобразуется управляющим пьезоэлементом 1 в электрическую энергию, которая в виде радиоимпульса поглощается на стадии генерации (режим накопления акустической энергии в акустичес- остается неизмен- электрической нагком резонаторе 2 ным) управляемой рузкой 5.

(

5

5

0

Формула изобретения

Устройство для генерации ультразвуковых импульсов, содержащее стержневой акустический резонатор, на торцах которого расположены управляющий и активный пьезоэлементы в виде пластин с электродами на рабочих поверхностях, причем к электродам управляющего пьезоэлемента подключена управляемая нагрузка, а к электродам активного пьезоэлемента - усилитель, связанный с управляемой нагрузкой через последовательно соединенные фазосдвигающий блок и делитель напряжения, отличающийся тем, что, с целью увеличения амплитуды генерируемых импульсов в диапазоне частот до 1 мГц, между резонатором и активным пьезоэлементом расположен согласующий акустический элемент связи, жестко скрепленный контактными поверхностями с обращенными друг к другу торцом резонатора и рабочей поверхностью активного пьезоэлемента, собственная частота которого совпадает с частотой основной моды колебаний, причем резона-

акустический элемент пьезоэлемент распоих параметры выбраны

гд

с Г

п Нш-

Ь , 2, 3,

Риг.2

8

- скорость распространения продольных звуковых волн в акустическом резонаторе;

- длина акустического резонатора;

- коэффициент упругости согласующего акустического элемента связи;

- масса активного пьезоэлемента,