Широкополосный ультразвуковой преобразователь Советский патент 1993 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к технике излучения и приема ультразвука (УЗ) и может быть использовано в различной УЗ аппаратуре, в том числе, в ультразвуковых дефектоскопах, работающих в широком диапазоне частот.

Известны широкополосные УЗ преобразователи, обладающие широкой полосой рабочих частот, что достигается за счет их механического и/или/ электрического демпфирования.

К недостаткам этих способов следует отнести значительное снижение коэффициента преобразования и, следовательно, низкую эффективность широкополосных УЗ преобразователей.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь в виде пье- зозлемента переменной толщины, одна рабочая (излучающая) поверхность которого выполнена плоской, а вторая - сферически

вогнутой (выпуклой), электроды нанесены на рабочие поверхности, вектор поляризации пьезоэлемента перпендикулярен плоской рабочей поверхности. Такой пьезоэлемент, работая на продольной моде колебаний, определяемой пьезомодулем . при сравнительно высоких коэффициентах Кпр(злектро.акустического и Кри(акустоэ- . лектрического) преобразования имеет . широкую полосу рабочих частот Af

Af- f -У - Сза . AT - TB - TH, IB 2 hmin

fH

Сзв

(1)

2 Птах

где fB, V соответственно, верхняя и нижняя рабочие частоты пьезоэлемента;

Сзв - скорость звука в пьезоматериале;

hrnin. hmax соответственно, минимальная и максимальная высоты пьезоэлемента. измеряемые между рабочими поверхностями..

Этот пьезоэлемент нашел применение в качестве активного элемента в широкополосных УЗ искателях.

Недостатки данного пьёзозлемента заключаются в неравномерности частотной характеристики, что снижает достоверность контроля, и небольшом сроке службы. Все это является следствием существенной неравномерности электрического поля по плотности направленности в сечении пье- зоэлём ента. .

Кроме того, изготовление таких пьезоэ- лементов сопряжено со значительными технологическими трудностями, т.к. для точной подгонки частотного диапазона пьезоэле- мента необходимо после каждого контрольного испытания полностью разрушать металлизированный слой (электрод) рабочей поверхности, подлежащей дополнительной механической обработке и после проведения такой операции каждый раз наносить его заново. :. . ../

Целью настоящего изобретения является упрощение технологии изготовления при обеспечении однородности возбуждающе- гб поля в объеме пьёзоэлемента.

Поставленная цель достигается тем, что о широкополосном ультразвуковом преоб- разователе, представляющем собой пьезоэлемент с плоской рабочей и вогнутой тыльной поверхностями, поляризованный перпендикулярно поверхностям электро- дов, боковые поверхности пьёзоэлемента выполнены плоскопараллельными и ориен- тированы перпендикулярно рабочей повер- хности, а электроды йанесены на боковые поверхности. .

На фиг. 1 схематически показан пьезрэлемент широкополосного УЗ преобразователя; на фиг. 2 - экспериментально полученная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).

Такой пьезоэлемент, работая н.а попе- речной моде колебаний, определяемой пьезомодулем J3ii который с учетом технологического разброса для широко распространенной пьезокерамики ЦТС-19 является близким по величине значению пьезомодуля излучает в широкой полосе частот Af, определяемых выражением). Наряду с этим вследствие параллельности электродов электрическое напряжение, прикладываемое к пьезоэлементу, создает в нем однородное по плотности и направленности электрическое поле, а, значит, пьезоэффект в таком пьезоэлементе проявляется одинаково на всех частотах.

Таким образом, пьезозлемент одинаково возбуждается на всех частотах рабочего диапазона, а однородность по плотности электрического поля в пьезоэлементе позволяет продлить срок его службы. Вследствие того, что электроды вынесены с рабочих поверхностей, технология изготовления пьёзоэлемента значительно упрощается.

Для проверки решения был изготовлен пьезоэлемент из плоскопараллельной пье- зопластины с размерами 0x15x3 мм, у которого электроды 1 нанесены на поверхность с размерами 60x15 мм, при этом вектор поляризации перпендикулярен электродам. . ...

Одной из рабочих поверхностей пьёзоэлемента является поверхность с размерами 60x3 мм, а второй.- противоположная ей механически обработанная вогнутая поверхность. При этом максимальная и минимальная высоты пьёзоэлемента, измеряемые между рабочими поверхностями, соответственно, составили: hmax 15 мм, hmin 7 мм.

Рассчитанные согласно выражениям (1) полоса и крайние частоты рабочего диапазона При УСЛОВИИ Взв: 3 ММ/МКС СОСТАВИЛИ

. Af 100 кГц; fB 200 кГц; fн 100 кГц. На фиг. 2 показана экспериментально снятая АЧХ изготовленного пьёзоэлемента. Видно, что при практически равномерной АЧХ реальной диапазон рабочих частот составил Af 108 кГц при fB 203 кГц и fH 95 кГц, что достаточно хорошо согласуется с расчетными величинами.

Фор мул а изобретения Широкополосный ультразвуковой преобразователь, представляющий собой пьезоэлемент с плоской рабочий и вогнутой тыльной поверхностями, поляризованный перпендикулярно поверхностям электродов, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии изготовления при обеспечении однородности возбуждающего поля в объеме пьёзоэлемента, боковые поверхности пьёзоэлемента выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, при этом электроды нанесены на боковые поверхности.

Щиг.1

Изобретение относится к технике излучения и приема ультразвука и может быть использовано в различной ультразвуковой (УЗ) аппаратуре, в том числе в УЗ дефектоскопах, работающих в широком диапазоне частот. Целью изобретения является упрощение технологии изготовления при обеспечении однородности возбуждающего поля в объеме пьезоэлемента. Цель достигается благодаря тому, что в Широкополосном УЗ преобразователе, представляющем собой пьезоэлемент с плоской рабочей и вогнутой тыльной поверхностями, поляризованный перпендикулярно поверхностям электродов, боковые поверхности пьезоэлемента выполнены плЬскопарал- лельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, а электроды нанесены на боковые поверхности. Технология нанесения электродов вследствие плоскопараллельности боковых поверхностей значительно упрощается. 2 ил. ел С