Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1992 года по МПК B06B1/06 

Изобретение относится к устройствам для получения ультразвуковых колебаний с использованием пьезоэлектрических свойств, может найти применение в процессах, где требуется широкий диапазон изменения рабочей частоты, в частности, при определении резонансных свойств элементов или при акустико-топографическом неразрушающем методе контроля слоистых материалов и сотовых конструкций.

Известны широкополосные пьезоэлектрические преобразователи, в которых пластины установлены одна напротив другой, на каждую пластину нанесены обкладки, причем, пьезопластины установлены с зазором, причем, толщина обкладок и соотношение сторон и зазоров между пьезопластинами имеет определенные зависимости, что при одинаковой зависимости

для всех равных между собой пьезоэлемен- тах может только снизить добротность всего преобразователя, т.е. только расширить полосу частот в районе резонанса или нескольких кратных между собой по частоте резонансов, а это приводит к тому, Что работоспособность такого преобразователя может быть осуществлена на отдельных полосах рабочего спектра частот.

Известно, что на спектр рабочих частот влияют и поперечные колебания тел. Известен преобразователь, в котором пассивные накладки выполнены в виде полушаров, диаметр образующегося шара равен половине длины волны. В данном случае, единственным резонансным размером является диаметр шара, что и позволяет исключить побочные резонансные частоты и работать строго на одной рабочей частоте или на

3

Х| XI СЬ О

кратных частотах без каких-либо промежуточных, что также приводит к узкополосному возбуждению объектов в пределах диапазона рабочих частот.

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению по числу общих признаков и решаемой задаче является пьезоэлектрический преобразователь, со- держаидий пассивные накладки разных про- дольных и поперечных размеров, пьезокерамические элементы разных поперечных размеров, расположенные между пассивными накладками, причем, поперечные размеры пьезокерамических элементов уменьшаются от пассивной накладки с минимальным поперечным размером к пассивной накладке с минимальным поперечным размером, а площади торцевых поверхностей пассивных накладок равны площади торцевых поверхностей контактирующих с ними пьезокерамических элементов.

Недостатком известного пьезокерами- ческого преобразователя является то, что он также работоспособен в пределах узких полос частот, непосредственно примыкающих к ярко выраженным резонансным частотам, численно кратным между собой, т.е, при высокой добротности колебательной системы она оказывается работоспособной только на ограниченных, нигде не перекрывающих друг друга полосах частот.

Высокая добротность колебательной системы для источников ультразвуковых колебаний, применяемых для определения резонансных свойств объектов (пластин, оболочек и т.п.) а также для акустикотопог- рафического контроля, влечет за собой не только пропуск диапазонов возбуждения объектов, что снижает достоверность полученных результатов, но и для поддержания постоянны параметров колебательного процесса в зависимости от частоты колебаний, требует обратной отрицательной связи с излишне завышенным динамическим диапазоном, что усложняет конструктивное ис- полнениесопрягаемыхс

пьезокерамическим преобразователем систем.

Целью изобретений является повышение равномерности частотной характеристики в пределах рабочего диапазона.

Данная цель достигается тем, что в преобразователе, включающем в себя пассивные накладки разных продольных и поперечных размеров, пьезокерамические элементы разных поперечных размеров, расположенные между пассивными накладками, площади торцевых поверхностей ко- торых равны площадям торцевых

поверхностей контактирующих с ними пьезокерамических элементов, размеры которых уменьшаются от пассивной накладки с максимальным поперечным размером к

пассивной накладке с минимальным поперечным размером , согласно изобретению, пассивная накладка с максимальным поперечным сечением выполнена в виде полусферы, внешние боковые поверхности

0 пьезокерамических элементов имеют цилиндрическую форму, продольные размеры пассивных накладок выбраны некратными между собой, а пассивные накладки, установленные между пассивными накладками

5 с максимальным и минимальным поперечными размерами выполнены в виде усеченных конусов.

На фиг. 1 представлена схема преобразователя с пассивными элементами между

0 пьезоэлрментами (основной вариант); на фиг 2 - схема преобразователя без пассивных элементов между пьезоэлементами (частный случай).

Пьезоэлектрический преобразователь

5 включает в себя торцевые накладки 1, 2, преимущественно, со сферическими участками поверхности, причем, к накладке меньшего диаметра 2 присоединен (например, выполнен с ней заодно целое) волновод 3.

С Между торцевыми пассивными накладками (их плоскими поверхностями) располагаются группы пьезоэлементов 4, 5, 6, объединенные в группъ- по одинаковому между собой поперечному и продольному размеру,

5 причем, для /добства подключения к источнику питания (ультразвуковому генератор,) число пьезозлемечтов устанавливают четным в сумме всех гругп и каждую соседнюю пару пьезоэлементов при сборке преобра0 зователяустанавпиваюттак, чтобы их стороны с одинаковой полярностью оказались соседствующими Между группами пьезоэ- лемечтов 4, 5 и 6 установлены накладки 7 и 8 из металла, или они могут быть выполнены

5 из пьезоэлемеитов 9 и 10, как это показано на фиг 2. Пьезоэлектрический преобразователь быть соединен посредством центральной шпильки 11, стягивающей торцевые накладки 1 и 2 между собой, для чего

0 последние имеют отверстия с резьбой Для предотвращения короткого замыкания медных электродов, выполненных и фольги и расположенных между поверхностями пьезоэлементов (не показаны), обращенных

5 друг к другу, а также между накладками 7 и 8, если имеются группы с нечетным числом пьезоэлсментов в них (например, как в группах 4 и 6), на шпильку 11 по длине между накладками 1 и 2 одета диэлектрическая втулча (например, из фторопласта, хлорви нила и т.п.). или она обмотана на этой длине изолирующей лентой 12. Грушевидная форма преобразователя аппроксимируется на участке между накладками 1 и 2, либо ступенчато, подбором по длине и диаметру групп пьезоэлектрических преобразователей 4, 5, 6. 9, 10 (если есть возможность и более), или цилиндро-коническими поверхностями групп преобразователей 4, 5, б и накладок 9 и 10.

Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

При подаче на электроды преобразователя переменного напряжения пьезоэле- менты изменяют свои размеры в соответствии с изменением напряженности электрического поля. При этом, если продольные или поперечные размеры колеблющихся элементов системы удовлетворяют на какой-либо частоте возбуждения условию резонанса - размеры кратны половине длины волны, соответственно, продольной или поперечной, то происходит резонансное увеличение амплитуды колебаний этих элементов. Но в данном преобразователе все элементы, активные и пассивные, акустически связаны между собой, причем, все эти элементы имеют отличные между собой продольные и поперечные размеры, следовательно, если наступает резонанс для какого-либо элемента в продольном или поперечном направлении, то для остальных элементов эта частота является нерезонансной. Присоединение к резонансной системе нерезонансной снижает добротность всей системы. Кроме того, при возбуждении преобразователя на более высоких частотах, чем наинизшая резонансная частота, т.е. при частоте изменения электрического напряжения выше частоты которой соответствует длина преобразователя (между крайними точками накладок) более половины длины продольной волны, часть пьезоэле- ментов или групп пьезоэлементов будут работать в противофазе по отношению к механическим колебаниям других пьезоэлементов и групп, что приводит к снижению добротности. К снижению добротности приводит и конусность элементов для поперечных колебаний элементов - поперечные колебания и продольные связаны между собой через коэффициент Пуансона. Также снижает добротность колебаний присоединение к резонансному элементу иных элементов, отличающихся от резонансного по поперечному размеру, поскольку они уже выступают потребителями механической энергии. Следовательно, последовательно возбуждая преобразователь на частотах выше, чем резонансная частота, соответствующая резонансному размеру преобразователя, равного по длине одной половине волны (продольной), он последовательно возбуждается на частотных резонансах элементов, в том числе, если эти резонансы соответствуют кратным частотам для одно- полуволновых размеров, но в каждом случае, к резонансному элементу оказываются присоединенными акустически нерезонанс0 ные элементы. Учитывая, что в предложенной конструкции и продольные, и поперечные размеры элементов последовательно от элемента к элементу имеют отличия, а число отличий достаточно велико, то

5 и оказывается достаточно большим, и число частных резонансов во всей колебательной системе, причем, в этом преобразователе предопределены и условия существования многочисленных частных резонансов - от0 личием в продольных и поперечных размерах элементов и достаточно большим числом элементов, а также предопределены условия низкой добротности, путем акустического контакта резонансных, для конкретной

5 частоты, элементбв с нерезонансными на этой частоте элементами одной колебательной системы. Следует также отметить, что ,гэже для условия однополуволновой, для конкретной частоты, колебательной си0 с.темы, состоящей из чередующихся по вол- новому сопротивлению элементов - пассивных и активных элементов из различных материалов - или из элементов со ступенчато изменяющемуся поперечному

5 размеру, причем, эти элементы из материала с достаточно низкой добротностью по сравнению с металлами, добротность всей колебательной системы существенно снижается по сравнению С системой, в которой

0 пьезоэлемент по длине преобразователя (с° накладками) составляет малую часть и расположен в одном месте.

Таким образом, в преобразователе, согласно изобретению, последовательно, по

5 мере изменения частоты возбуждения, происходит перекрытие резонансных полос частот от отдельных резонансов элементов вплоть до максимально возможной рабочей частоты, определяемой минимальным раэ0 мером (толщиной) у пьезоэлементов в группах, С учетом трансформации (усиления амплитуд колебаний на сужающихся в направлении распространения волны элементах) высокочастотные пьезоэлементы, т.е.

5 самые тонкие, предпочтительно выбирать самого большого диаметра, поскольку и потери на возбуждение, а следовательно, и добротность колебательной системы любого типа на высших частотах будет ниже, чем на низких частотах.

Формула изобретения Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пассивные накладки разных продольных и поперечных размеров, пьезокерамические элементы разных поперечных размеров, расположенные между пассивными накладками, причем поперечные размеры пьезокерамических элементов уменьшаются от пассивной накладки с максимальным поперечным размером к пассивной накладке с минимальным -поперечным размером, а площади торцевых .- поверхностей пассивных накладок равны площади торцевых поверхностей контактирующих С ними пьезокерамических элемен7

Редактор Е.Егорова

Фиг.1

Фиг. 2

Составитель И.Игумнова

Техред М.МоргенталКорректор и.Кравцова

тов. отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности частотной характеристики в пределах рабочего диапазона, пассивная накладка с максимальным

поперечным сечением выполнена в виде полусферы, внешние боковые поверхности пьезокерамических элементов имеют цилиндрическую форму, продольные размеры пассивных накладок выбраны

некратными между собой, а пассивные накладки, установленные между пассивными накладками с максимальным и минимальным поперечными размерами выполнены в виде усеченных конусов.

Изобретение относится к ультразвуковой технике. Цель изобретения - повышение равномерности частотной характеристики в пределах рабочего диапазона. Преобразователь содержит пассивные накладки, продольные размеры которых некратны между собой, Пьезокера- мические элементы с внешними боковыми поверхностями в виде цилиндров расположены между пассивными накладками. Попе- речные размеры пьезокерамических элементов уменьшаются от пассивной накладки с максимальным поперечным размером к пассивной накладке с минимальным поперечным размером, а площади торцовых поверхностей пассивных накладок равны площади торцовых поверхностей контактирующих с ними пьезокерамических элементов. Пассивная накладка с максимальным поперечным сечением выполнена в виде полусферы. Пассивные накладки,установленные между пассивными накладками с максимальным и минимальным поперечными размерами, выполнены в виде усеченных конусов. 2 ил. Ё