Фокусирующий ультразвуковой преобразователь с переменным фокусным расстоянием Советский патент 1992 года по МПК G01N29/24 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля качества материалов и изделий.

Известны применяемые в акустической дефектоскопии и микроскопии фокусирующие ультразвуковые преобразователи, содержащие пьезоэлемент с электродами, прикрепленный к подвижной плосковогнутрй линзе, позволяющий производить фокусировку (концентрацию) ультразвуковой энергии преобразователя в точке, называемой акустическим фокусом преобразователя, расположенной относительно линзы на расстоянии

F R(1-n),

где R - радиус кривизны линзы: п-коэффициент преломления,

п Сс/Сл,

где Сс - скорость ультразвуковой волны в среде фокусировки;

Сл -.скорость ультразвуковой волны в материале линзы.

Такие фокусирующие ультразвуковые преобразователи обеспечивают возможность изменения положения акустического Фокуса в исследуемой среде путем его пере мещения а иммерсионной среде (звукопроводящей жидкости) вдоль акустической оси линзы.

Наиболее близким к изобретению является акустическое многолинзовое устройство с переменным увеличением и фокусным расстоянием, содержащее две линзы, одна из которых плосковогнутая, а другая связана с первой через звукопроводящую среду и размещена вблизи ее конфокальной зоны, и пьезоэлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы. Вторая линза вместе с выходной линзой образуют двояковогнутую акустическую линзу, за которой в проводящей ультразеуковой среде помещен исследуемый образец. Изменяя относительное положение второй линзы, можно анализировать образец по всему обьему, получая ультразвуковое изображение.

Недостатком известного акустического Многолинзового устройства с переменным увеличением и фокусным расстоянием является ограничение его использования на высоких частотах, поскольку такое положение линз требует большого слоя звукопроводящей жидкости (большего суммы фокусных расстояний первой и второй линз), а все известные звукопроводящие жидкости, включая жидкие металлы и газы, на частотах свыше 100 МГц имеют большие затухания ультразвука. Такое положение акустических линз и их тип уменьшают коэффициент фокусировки ультразвуковой энергии преобразователя, поскольку коэффициент фокусировки

Sa

Kf

прямо зависит от активной площади преобразователя Sa и обратно от фокусного расстояния F.T.e. расстояния от пьезоэлемента до точки концентрации ультразвуковой энергии. Использование увеличения дополнительно уменьшает коэффициент фокусировки и увеличивает толщину

звукопроводящей жидкости, поскольку для этого необходима вторая линза с большим фокусным расстоянием, чем первая, ив результате приводит к снижению чувствительности за счет затухания

ультразвука в звукопроводящих средах и уменьшения коэффициента фокусировки ультразвуковой энергии в фокусе из-за увеличения радиуса фокального пятна

/эь 0,61 FA/a .

Целью изобретения является увеличение чувствительности фокусирующих ультразвуковых преобразователей с

переменным фокусным расстоянием.

Поставленная Цель достигается тем, что в фокусирующем ультразвуковом преобразователе с переменным фокусным расстоянием, содержащем две линзь, одна из

KOTOpifix плосковогнутая, а другая связана с первой через звукопроводящую среду и размещена вблизи ее крнфокальной зоны, и пьезоэлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы, вторая линза выполнена плосковыпуклой с радиусом кривизны больше радиуса кривизны плосковогнутой линзы.

Замена двояковогнутой линзы плосковыпуклой приводит к уменьшению слоя звукопров:одящей жидкости между линзами и между плрсковыпуклой линзой и исследуемым обьектом. Уменьшается расстояние от пьезоэлемента до фокуса, что ведет к повышению чувствительности за счет увеличения коэффициента фокусировки. Равенство акустических импедансов материала линз и звукопроводящей жидкости ведет к оптимальному акустическому согласованию акустического тракта, что значительно уменьшает потери на прохождение границ раздела линзы - звукопроводящая среда, и также уменьшается акустический шум, вызванный переотражениями в линзах. Комбинация

фокусирующей и расфокусирующей линз уменьшает акустические аберрации, что также повышает чувствительность преобразователя.

На фиг. 1 представлена схема фокусирующего ультразвукового преобразователя; на фиг.2 пример конкретного преобразователя.

Фокусирующий ультразвуковой преобразователь с переменным фокусным рас.стоянием содержит пьезоэлемент 1, закрепленный на плоской прверхности плосковогнутой линзы 2, связанной с плосковыпуклой линзой 3 через звукопроводящую жидкость 4.

Оптимальная разница в радиусах кривизны линз составляет 1-20% и определяется диапазоном перемещения фокуса устройства. Замена двояковогнутой линзы на плосковыпуклую приводит к уменьшению слоя звукопроводящей жидкости меж;ду линзами в результате того, что мнимый фокус плосковыпуклой линзы F2 всегда будет лежать вблизи действительного фокуса плосковогнутой линзы Р1(фиг.1). Это необходимо для выполнения условия работы такого фокусирующего преобразователя с переменным фокусным расстоянием: Перемещение Д плосковогнутой линзы относительно плосковыпуклой (фокус плосковогнутой линзы перемещается от точки FI до точки FI) вызывает перемещение фокуса преобразователя с точки Fn поверхности контролируемого объекта до точки Fn, лежащей на противоположной стороне того же объекта (фиг.1). Позтому слой звукопроводящей жидкости между линзами всегда меньше фокусного расстояния плосковогнутой линзы, а это приводит к уменьшению затухания звука в преобразователе, уменьшению расстояния от пьезозлемента до фокуса Fn и, в результате, к повь1шению чувствительности за счет повышения козффициента фокусировки. Дополнительное повышение чувствительности достигается применением звукопроводяг щей жидкости с акустическим импедансом равным импедансу линз.

Необходимым условием выполнения такого преобразователя является наличие как минимум двух акустических линз - одной фокусирующей, другой рассеивающей, при этом радиус кривизны рассеивающей линзы должен быть больше фокусирующей. Фокус плосковыпуклой линзы отстоит от фокуса плосковогнутой линзы и лежит на акустической оси преобразователя, при этом расстряние между акустическими фокусами плосковогнутой и плосковыпуклой линз определяет фокусное расстояние преобразователя (фиг.1). Таким образом, повышается чувствительность фокусирующего ультразвукового преобразователя с переменным фокусным расстоянием.

Примером конкретного выполнения фокусирующего преобразователя является преобразователь (фиг.2), состоящий из корпуса 5, в нижней части которого закреплена плосковыпуклая линза 3, а внутри закреплена на подвижной втулке 6 плосковогнутая линза 2, на плоской части которой размещен пьезоэлемент 1. Пространство между линзами 3 и 2 заполнено ртутью 4. Выводы преобразователя подключены через гибкий кабель к разъему 7.

В верхней части корпуса закреплена гофрированная подвижная перегородка 8, служащая для полной герметизации внутреннего объема преобразователя от воздействия внешней среды, а также возможности передачи движения штоку 9, прикрепленному одной стороной к втулке, а другой выходя щему наружу. Гофрированная перегородка закреплена в корпусе крышкой 10. Верхняя наружная часть прербразователя выполнена с резьбой для точной фиксации преобразователя на каретке сканирующего устройства. Винт 11 служит для заливки в преобразователь ртути. В дан-. ном фокусирующем преобразователе используется пьезоэлемент на основе пьезополупроводника ZnO и акустические линзы из стекла марки ТК-21 (разновидность тяжелого крона). Звукопроводящей жидкостью является насыщенная медью и никелем ртуть, при этом для обеспечения смачиваемости линз и получения хорошего акустического контакта между Линзами и ртутью линзы покрыты подслоем никеля толщиной 0,04 мкм, затем слоем меди 0,8 мкм и слоем индия 0,8 мкм. Покрытие линз слоями никеля, меди и индия определяет технологичность, адгезионную прочность и смачиваемость линз без изменения характеристик во времени. Толщина слоев выбрана исходя из того, чтобы не вносить рассогласований в акустический тракт преобразователя. Вместо индия можно наносить платину, золото, серебро, они также отлично смачиваются и защищают медь от окисления.

Ртуть и стекло марки ТК-21 оптимально согласованы по акустическому импедансу, исходя из чего реверберационныё акустические шумы преобразователя гораздо ниже полезного акустического сигнала во всем диапазоне измерений. Подвижная втулка выполнена с продольными пазами для забора ртути врежиме опускания подвижной линзы.

Фокусирующий преобразователь предназначен для контроля изделий из конструкционной керамики на частотах свыше 100 МГц.

Формула изобретения 1. Фокусирующий ультразвуковой преобразователь с переменным фокусным расстоянием, содержащий две линзы, одна из которых плосковогнутая, а другая связана с первой через звукопроводящую среду и размещена вблизи ее конфокальной зоны, пьеЮ

Фиа.1

зозлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы , о т л и ч а ю щи и - с я тем, что, с целью увеличения чувствительности, вторая линза выполнена плосковь)5 пуклой с радиусом криви зны, большим радиуса кривизны плосковогнутой линзы.

2. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ющ и и с я тем, что акустический импеданс 10 материала линз равен акустическому импедансу звукопроводящей жидкости.

Изобретение относится к неразрушаю- щему контролю качества материалов и изде- лий. Целью изобретения является увеличение чувствительности. Для этого в преобразователе, содержащем две линзы, линза 2 выполнена плосковогнутой, а линза 3 - плосковыпуклрй с радиусом кривизны, большим радиуса кривизны плосковогнутой линзы 2. Кроме ТОГО; акустический импеданс материалов линз равен акустическому импедансу звукопроводящей жидкости 4. При этом добиваются минимальных акустических аберраций в требуемом интервале перемещения фокуса. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.•: • :•;'.' '.'• ; '••'" '^' •:"''' :•' •" '•'• '"'•'..• ^