Пьезоэлектрический преобразователь и способ его изготовления Советский патент 1992 года по МПК H04R17/00 H04R31/00 

Изобретение откосится к ультразвуковой измерительной технике, а именно к ультразвуковым широкополосным пьезоэлектри ческим преобразователям, технологии их изготовления и может быть использовано при разработке средств неразрушающего контроля.

Известны пьезоэлектрические преобразователи, содержащие опытный пьезоэле- мент и механический демпфер, состоящий с ним в акустическом контакте.

При изготовлении преобразователя активный пьезоэлемент приклеивают или припаивают к демпферу.

Для обеспечения эффективной работы преобразователя материал демпфера должен иметь характеристический импеданс,

близкий к волновому сопротивлению пьезо- элемента и большой коэффициент затухания ультразвука. Для удовлетворения этих требований в качестве материала демпферов применяют компаунды из гелия, олова и никеля, порошка вольфрама и олова, а также композиционные материалы, состоящие из рассеивателей и связующего компонента. В качестве первых используются порошки тяжелых металлов и их окислов, а в качестве вторых - смолы или компаунды. Недостатком известных пьезоэлектрических преобразователей, изготовленных описанным способом, является весьма ограниченный температурный диапазон их Функционирования из-за присутствия в материале демпфера в качестве связующего

ч

00

компонента клея, разлагающегося при температурах 200-250 -; С.

Наиболее близким аналогом к заявленному устройству является преобразователь, содержащий активный пьезоэлементс электродами, демпфер, жестко связанный с электродами пьезоэлемента. причем демпфер выполнен с монотонно убывающей вдоль продольной бей преобразователя в сторону его свободйо 6 ко нца плотностью.

Наиболее близким аналогом к заявленному способу изготовления преобразовате- ля является способ, заключающийся в формировании заготовки активного пьезоэлектрического элемента, ее поляризацию, формирование заготовки демпфера, сопряжение частоты активного пьезоэл ектриче- ского элемента и заготовки демпфера, жесткое соединение заготовок.

В способе-прототипе демпфер изготавливают следующим образом. Мабсу компаунд-наполнитель в процессе ее отвердения подвергают вибрационной обработке, в результате которой более тяжелые частицы наполнителя опускаются вниз к Поверхности, которая в дальнейшем приклеивается к пьезопластине. Характеристический импеданс массы демпфера достигает в м аксиму- . ме (12-18}10r HQM/M.

Недостатком акустического пьезообра- зователя-прототипа является ограничен- ный температурный диапазон, а способ йзготовления-прототип характеризуется наряду с этим сложностью и нетехнологичностью.

Кроме того, характеристический импеданс демпфера практически не удается сравнять с волновым сопротивлением пьезоэлемента, что в конечном счете приводит к отражению акустических волн на границе пьезоэлемент-демпфер и, следовательно, к искажению акустических характеристик преобразователя и снижению эффективности ее работы.

При известном способе изготовления преобразователя наличие клеевого (или паянного) соединения между пьезоэлементом и демпфером значительно снижает еходное сопротивление демпфера, а сильное различие температурных коэффициентов линейного расширения материалов демпфера и пьезоэлемента, выполненных из различных материалов, огргашчйвТет температурный диапазон работы преобразователе

Целью настоящего предполагаемого изобретения является расширение диапазона рабочих температур, улучшение акустических характеристик и упрощение способа изготовления пьезоэлектрического преобразователя.

Поставленная цель достигается при совместном использовании заявляемых пьезоэлектрического преобразователя и способа его изготовления.

Для этого в пьезоэлектрическом преобразователе активный пьезоэлемент связан с демпфером диффузно, демпфер выполнен из пьезокерамического материала того же состава, что и активный пьезоэлектриче0 ский элемент, а акустические имп едансы ак- тивного пьезоэлектрического элемента и демпфера в зоне их сопряжения равны.

Способ изготовления предлагаемого преобразователя заключается в том, что де5 мпфер и заготовку активного элемента изго- тавливают из пьезокерамического материала одного и того же состава, при формировании заготовки демпфера в его материал вводят органическую добавку, за0 тем сопрягают заготовки в области нулевой концентрации органической добавки в демпфере и обеспечивая равномерный градиент концентрации добавки вдоль продольной оси демпфера, спрессовывают

5 заготовки и подвергают термообработке, после чего осуществляют поляризацию заготовки активного элемента.

Выполнение пьезоэлектрического преобразователя в виде моноблока, образован0 ного активным пьезоэлементом ц демпферогй, изготовленными из одного итого же пьезокерамического материала, ооес- печиваегего работоспособность в широком диапазоне температур, совпадающем с ра5 бочим диапазоном температур применяемого пьезоэлектрика, т.е. температурные коэффициенты линейного расширения пьезоэлемента и демпфера совпадают благодаря отсутствию в материале демпфера

0 органических связующих

Совпадением характеристических им- педансов активного пьезоэлемента и демпфера в области их сопряжения обеспечивает высокую эффективность пье5 зопреобразователя благодаря отсутствию отраженного сигнала, т.к. акустический сигнал полностью затухает в материале демпфера, который выполнен так, что плотность и скорость звука его монотонно

0 убывает в сторону свободного конца демпфера, обеспечивая монотонное быстрое увеличение коэффициента затухания.

Это достигается предполагаемой технологией изготовления демпфера с перемен5 ной по длине концентрацией органической добавки, вводимой в материал демпфера.

После обжига демпфер обладает переменными по длине плотностью и скоростью звука. Регулируя концентрацию вводимой в материал демпфера органической добавки,

получают заданные значения указанных параметров.

На фиг. 1 изображен предполагаемый пьезопреобразователь; на фиг. 2 - осциллограммы полезного сигнала устройства-прототипа (фиг. 2а) и заявляемого устройства (фиг. 26).

Пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде моноблока из сегментопь- езокерамики, разделенного электродом 1 на поляризованный активный пьезоэлёмент 2 и демпфер 3 с переменными по длине плотностью и скоростью звука, убывающими по величине значениями в сторону свободного конца демпфера от электрода. В качестве материала моноблока используются пьезокерамические материалы ЦТС-26 или ТНа В-1 (ОСТ 11-0444-87), которые обладают высокой стабильностью параметров в диапазонах температур от - 196 до 300 и 500° С. В качестве органической добавки, вводимой в материал демпфера, используют например, муку.

Заявляемый пьезоэлектрический преобразователь изготавливают следующим образом.

Заготавливают пресс-порошок пьезо- керамического материала с различной концентрацией органического вещества (0; 5; 10; 15; 20; и 25 мае. %). Последнее, как будет показано далее, достаточно для получения керамического материала разной плотности- и скорости звука. Далее производят необходимую дозировку материалов с приведенными выше концентрациями и предварительное прессование заголовок.

На одной из торцевых поверхностей заготовок с нулевой концентрацией добавки наносят электрод из плотносодержащей пасты..ГЧ.-14

Затем заготовки размещают в пресс- форме в следующей последовательности; на нижнем пуансоне размещают заготовку будущего чувствительного элемента, электрод, на нем размещают элементы будущего демпфера в последовательности нарастания концентрации органического вещества, после чего производят одноосное прессование под давлением 800-1000 кг/см .

Обжиг производят двухсторонний. При температуре 300° С в течение 4-х ч испаряют органическую добавку (в этом заключается механизм получения разных плотности и скорости звука) .затем производят спекание заготовки пьезопреобразователя при оптимальной температуре обжига данного конкретного пьезоматериала Далее производят шлифовку активного пьезоэлемента пьезопреобразователя с учетом требования получения заданной резонансной частоты,

металлизацию и поляризацию пьезоэлемента в составе моноблока.

В таблице представлены экспериментальные результаты измерения зависимо1

сти плотности и скорости звука пьзоматериала ЦТС-26 от количества внесенного органического вещества..

Видно, что внесение в исходный материал до 25 мас.% органической добавки

снижает плотность до 5,5-10 кг/м , а скорость звука до 800 м/с. Последнее приводит к резкому увеличению коэффициента затухания.

Проведенные эксперименты показали,

что в изготовлении к заявленному способу демпфера из материала ЦТС-26, имеющему размеры (Ф20 х 30) плотностью отсутствует отраженный сигнал, т.е. демпфер является

хорошим поглощающим элементом.

Из представленного описания видно, что предлагаемый способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя значительно проще по сравнению с известными

аналогами, обеспечивает механическую прочность конструкции, высокую термоударную прочность и высокую стабильность характеристик преобразователя как в области низких (1-196° С), так и в области высоких температур (до +300-500° С).

Использование указанного решения позволит реализовать ранее невозможную дефектоскопию объектов в области высоких температур.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 1 Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий активный пьезоэлектрический, элемент, два электрода,

расположенных на противоположных поверхностях активного пьезоэлектрического элемента, демпфер с переменным по продольной оси акустическим импедансом, жестко связанный с пьезоэлементом через

один из электродов, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих температур и увеличения разрешающей способности, активный пьезоэлектрический элемент связан с демпфером

диффузно, демпфер выполнен из пьезоке- рамического материала того же состава, что и активный пьезоэлектрический элемент, а акустические импедансы активного пьезоэлектрического элемента и демпфера в зоне

их сопряжения равны.

2. Способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя, включающий формирование заготовки активного пьезоэлектрического элемента, размещение электродов на противоположных поверхностях

заготовки активного пьезоэлектрического элемента, ее поляризацию, формирование заготовки демпфера, сопряжение Заготовки активного пьезоэлектрическогр элемента и заготовки демпфера, жесткое соединение заготовок, отличающий ей тёй, что,с целью упрощения технологии изготовления, обеспечения возможности расширения диапазона рабочих температур и разрешающей способности преобразователя, заготовки демпфера и активного пьезоэлектрического элемента формируют из пьезокерамического материала одного и тбго же состава, а сопряжение и жесткое соединение заготовок производят до поля- риза ции заготовки активного п ьёзоэлектри0

5

ческого элемента, причем при формировании заготовки демпфера в ее материал вводят органическую добавку, сопряжение заготовки активного пьезоэлектрического элемента с заготовкой демпфера осуществляют в области нулевой концентрации органической добавки, обеспечивая равномерный градиент концентрации органической добавки по продольной оси заготовки демпфера, жесткое соединение заготовок производят их спрессованием, после жесткого соединения заготовок их подвергают термообработке, а поляризацию заготовки активного пьезоэлектрического элемента осуществляют после термообработки. { - Г ;.

Использование: в средствах неразруща- ющего контроля. Сущность изобретения: преобразователь содержит активный пьезоэлектрический элемент и демпфер, выполненные из одного пьезокерамического материала. В материал демпфера введена органическая добавка в количествах, обеспечивающих при формировании демпфера равномерный градиент концентрации последней вдоль продольной оси демпфера. Заготовку активного элемента сопрягают через электрод с демпфером в области нулевой концентрации органической добавки в материале последнего спрессовывают и подвергают термообработке. При этом значения плотности и скорости звука материала демпфера монотонно убывают вдоль оси преобразователя в направлении свободного конца стержня при равенстве значений указанных параметров в месте сопряжения с соответствующими параметрами активного элемента. Поляризацию заготовки активного элемента осуществляют после соединения его с демпфером. 2 с .п.ф-лы, 2 ил.

s

8 S3ч

$

03

&

о