Пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1991 года по МПК G01N29/24 

Изобретение относится к средствам измерений и может быть использовано для приема акустических импульсных сигналов и упругих волн Рэлея и Лэмба, а также динамических деформаций при акустическом контроле тонкостенных и обьемных конструкций.

Целью изобретения является повышение равномерности амплитудно-частотной характеристики в широком диапазоне частот.

На фиг.1 схематически показан прямоугольный пьезоэлектрический преобразователь со ступенчатой боковой поверхностью; на фиг. 2 - схематически показан пьезоэлектрический преобразователь со скошенной боковой поверхностью.

Пьезоэлектрический преобразователь содержит выполненные в виде круглых прямоугольных пластин слои верхнего электрода 1, пьезоэлемента 2, нижнего электрода 3, протектора 4.

Преобразователь установлен на поверхности контролируемого объекта 5 и имеет толщины пластин hi, ha, ha, h4 соответственно. Активная ширина преобразователя определяется активной шириной пьезоэлемента 2 или, что одно и то же, шириной bi верхнего электрода 1: Ь2. Ьз, Ь4 - ширина каждой из последующих пластин соответственно. Преобразователь сцеплен

о а со

Ч) CJ 00

своей нижней поверхностью протектора 4 с поверхностью обьекта 5 по всей площади контакта, например, надежным приклеиванием.

Преобразователь работает следующим образом.

Акустические колебания, например волны Рэлея и Лэмбэ, вызывают деформации поверхности обьекта 5. Эти деформации через протектор 4 и далее через электрод 3 передаются пьезоэлементу 2, который за один период волны то сжимается, то растягивается.

Деформации поверхности обьекта 5 передаются через протектор 4 со скоростью

С4 сдвиговых полн в материале протектора, затем через электрод 3 со скоростью сз и

далее со скоростью с принимаются пьезо- элементом 2. При этом чем тоньше суммарная толщина h преобразователя и чем выше

скорости cf в пластинах преобразователя, тем быстрее (с меньшей задержкой) и без искажения передается акустический сигнал пьезоэлементу 2.

За время ti -4 прохождения сигналом

cf

1-й пластины поверхностная волна со скоростью CR перемещается по объекту на расстоhi ,- яние CR -. Это обусловливает краевой

cf

эффект в 1-й пластине, играющий отрицательную роль при передаче акустического воздействия. Для уменьшения краевого эффекта ширина (1-1)-й и i-й пластин выбирается из соотношения

ДЬ| hi

CR

cf

(1)

где ДЬ,,

1 1.

Выражение (1) характеризует фактически величину минимального уширения 1-й пластины по отношению к (1-1)-й пластине или ширину полоски, окаймляющей (1-1}-ю и l-ю пластины.

Ширина верхнего электрода bi (активная ширина) должна удовлетворять соотношению

АМИН

bi

(2)

CR

где Ямин - 77 минимальная длина волны

тв

частотного диапазона преобразователя;

fb - верхняя граница частотного диапазона.

Кроме того, для повышения эффективности преобразования суммарная толщина

h преобразователя должна удовлетворять соотношению

0,36-10 4-мин {cF}.

(3)

Нормальные смещения точек поверхности объекта 5 под действием акустической волны вызывают толщинные колебания в объеме пьезоэлемента 2. Однако их вклад в электрический сигнал на выходе незначительный. Физически это следует из-за малой разности фаз колебаний по толщине пьезоэлемента 2 в частотном диапазоне преобразователя. По этой причине преобразователь нечувствителен к приему продольных волн, приходящих из глубины обьекта 5, которые являются помехой при приеме поверхностных волн. Радиальные переотражения, обусловленные конечностью элементов преобразователя, шунтируются

самим объектом 5, чему способствует использование пирамидальной слоистой структуры преобразователя и выполнение соотношений (1)-(3).

Преобразователь в силу своей незначительной толщины и массы не влияет на поле деформаций обьекта. Таким образом, обеспечивается высокая степень адекватности преобразования акустического сигнала в электрический.

Эффективность работы преобразователя можно повысить за счет более интенсивного отвода радиальных переотражений в элементах преобразователя в объект. Это достигается тем, что боковые поверхности

слоев выполняются со скосами под углами а к поверхности основания (а 90°). Однако наиболее технологичен преобразователь, у которого боковые поверхности слоев имеют общую образующую (фиг.2) с

углом скоса а к нижней поверхности, удовлетворяющим соотношению

а arctg

мин jcfI 36(Ю J

5

0

Формула изобретения 1. Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий выполненный в виде прямоугольных пластин пьезоэлемент с двумя активными параллельными поверхностями, верхний и нижний электроды, установленные на активных поверхностях пьезоэлемента, и протектор, на который установлен пьезоэлемент, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности амплитудно-частотной характеристики в широком диапазоне частот, слои электродов, пьеаоэлемента и протектора выполнены увеличивающимися по площади в

направлении протектора, а суммарная толщина h слоев электродов пьезоэлемента и протектора, ширина bi верхнего электрода и ширины bi и bi-i смежных слоев преобразователя выбраны удовлетворяющими следующим условиям:

Ј 0,36-10 4-мин {сГ};

Ath hi

3600 cF

где bi, hi - соответственно ширина и толщина 1-го слоя преобразователя;

сг скорость сдвиговых волн в материале 1-го слоя, м/с1

Ab, bL-bL-JL.,

1.

2. Преобразователь по п. 1.отличающий с я тем, что боковые поверхности слоев электродов, пьезоэлемента и протектора выполнены со скосом и имеют общую образующую под углом а к рабочей поверхности преобразователя, удовлетворяющим следующему условию:

а arctg

мин jcFjf Л

3600

Изобретение относится к средствам измерений и может быть использовано для приема акустических импульсов сигналов, упругих волн Рэлея и Лэмба, а также для измерения динамических деформаций при акустическом контроле тонкостенных и объемных конструкций. Цель изобретения-повышение чувствительности за счет повышения эффективности преобразования. Преобразователь содержит выполненные в виде прямоугольных пластин пьезоэлемент с электродами и протектор и представляет собой слоистую пирамидальную структуру с расширяющимися по площади в направлении от верхнего электрода к протектору пластинами, при этом соотношения суммарной толщины H преобразователя с шириной B₁ верхнего электрода, а также ширины B_I каждой последующей пластины с шириной B_I-1 предыдущей пластины выражаются зависимостями H/B₁≤ 0,36 ^. 10^-4 мин {C_I

ΔВ_I≤H_I^. 3600/ C_I, где H = εH_I - суммарная толщина преобразователя

H_I - толщина I-й пластины

B_I - ширина I-й пластины

C_I - скорость сдвиговых волн в I-й пластине, м/с

ΔВ_I = (B_I - B_I-1)/2, I*98 1. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

5 -t1 PVWWW 1

X W , ,„у, . I J. F . ..У..У.

#&УЖШ$Ш

Редактор И. Шулла

Фиг. 2

Составитель С. Волков Техред М.Моргентал

-Ј,

Корректор Т Палий