Ультразвуковой преобразователь Советский патент 1976 года по МПК G01H29/00 

1

Изобретение относится к технике ультразвукового неразрушаюпл.его контроля качества материалов и изделий и, в частности, может быть использовано в дефектоскопии, измерениях толщины, спектрометрических исследованиях структуры материалов и т. д.

Известен преобразователь (1), состоящий из тонкой пьезоэлектрической пластинки с нанесенными на противоположные поверхности электродами и прикрепленного демпфера из пьезокерамического материала. Недостатками такого преобразователя являются ограниченная полоса пропускания, так как она зависит от минимальной толщины пьезопластинки, а также значительные технологические трудности, возникающие при изготовлении тонкой пьезопластинки и обеспечении акустпческого контакта между ней и демпфером.

Известен также широкополосный преобразователь (2), выполненный на основе пьезопластинки, частично деполяризованной при помощи определепного температурного градиента и металлического демпфера, припаянного к пластинке. К недостаткам такого преобразователя относятся низкая техпологичпость и повторяемость параметров пьезопластинки, а также трудности обеспечения демпфирования согласованным демпфером.

Известен также преобразователь (3), в котором для расширения полосы пропускания

пьезоэлектрический стержень с электродами на торцовых поверхностях поляризован но длине нелинейно (например, при помощи спспиального способа поляризации поликристаллического пьезоэлектрика, секционирования и т. д.). При этом вектор поляризации имеет наибольшее значение у передней грани стерл-сня и убывает по определенному закону до нуля в некотором расстоянии от нее. Это позволяет при механическом демпфировании тыльной поверхности стержня расширить полосу пропускания.

Существенными недостатками этого преобразователя являются технологические трудности изготовления пьезоэлемента с неременной по длине поляризацией. При этом следует отметить, что эффективное расширение полосы пропускания получается только при определенном законе изменения поляризации. Кроме того, нет прппципиальпой возможности изготовления таких преобразователей пз монокристаллических пьезоэлектриков, так как Б иих вектор полярпзацин постоянен. К недостаткам относится также необходимость механического демнфирования тыльной новерхпости пьезоэлемента отдельным демпфером, обеспечение хорошего акустического контакта с которым представляет значительные трудности. При работе преобразователя в режиме излучение - прием возбуждающие и приемные электрические цепи не развязаны.

Для расширения полосы пропускания в режиме излучение - прием в предлагаемом преобразователе на боковую поверхность пьезоэлектрического стержня нанесены электроды в виде двух токопроводящих полос, а демпфер выполнен из пьезоэлектрического материала в виде единой конструкции с пьезоэлектрическим стержнем.

Пьезоэлектрический стержень поляризован равномерно, но при помощи электродов, нанесенных на торцовую и на боковую поверхности, внутри стержня создается неоднородное электрическое поле. Это позволяет расщирить полосу пропускания, одновременно упрощая конструкцию преобразователя. Выполнение второго электрода в виде двух полос позволяет развязать возбуждающие и приемные электрические цепи в режиме излучение - прием, что нельзя осуществить с преобразователем, рассмотренным выще (3). Кроме того, демпфер не приклеивается к торцовой поверхности стержня, а выполнен в виде единого целого с преобразовательной частью пьезоэлемента и выполнен из того же пьезоэлектрического материала, который может быть как поликристаллическим, так и монокристаллическим.

Изобретение поясняется чертежом. Преобразователь состоит из круглого пьезоэлектрического стержня 1, торцового электрода 2, боковых электродов 3 и 4 и демпфера 5. При этом из боковых электродов подключен к генератору возбуждающего напряжения 6, а второй - к приемному усилителю 7.

Преобразователь работает следующим образом.

При подключении электрического напряжения к электродам 2 и 3 в пьезоэлектрическом стержне создается неоднородное электрическое поле. Величина компоненты напряженности этого поля, совпадающая с продольной осью преобразователя, имеет наибольшее значение у электрода 2 и постепенно уменьшается до нуля в зоне бокового электрода 3.

Источником ультразвуковых волн в пьезоэлектрике являются те его места, где существует градиент произведения напряженности электрического поля на пьезомодуль. Поскольку из-за распределепия силовых линий электрического поля этот градиент по оси преобразователя во много раз больше у электрода 2, чем в остальной части стержня, источником объемной ультразвуковой волны является торцовая поверхность пьезоэлектрического стержня у электрода 2. Ультразвуковая волна, распространяющаяся в стержне, поглощается интегральным согласованные демпфером. Таким образом, электроакустическое преобразование производится в широком диапазоне частот, обуславливаемом физической структурой применяемого пьезоэлектрика. В режиме приема волна принимаемого колебательного давления вызывает появление электрического заряда па рабочих электродах только прп переходе через торцовую поверхность преобразователя. При этом электрическое напряжение, соответствующее приппмаемому ультразвуковому сигналу, снимается с

электродов 2 п 4. При помощи согласованного интегрального демпфера 5 обеспечивается режим бегущей волны, и преобразователь в режиме приема тоже является апериодичным и широкополосным. Из-за наличия двух боковых электродов 3 и 4 достигается электрическая развязка возбуждающих и приемных цепей. Это позволяет уменьшить длительность мертвой зоны и перегрузку приемного усилителя во время действия зопдирующего сигнала. а также улучшить согласование пьезопреобразователя с электрическими цепями в режиме излучение - прием.

Предлагаемый широкополосный ультразвуковой преобразователь позволяет увеличить

точность и разрешающую способность приборов неразрушающего контроля качества материалов и изделий. Возможность применения монокристаллических пьезоэлектриков позволяет изготовить преобразователи для сверхвысоких акустических частот. Это находит широкое применение в спектроскопических исследованиях структуры контролируемых материалов и изделий. Технология преобразователя проста п позволяет достичь хорошей повторяемости параметров, так как отсутствуют такие ответственные операции, как поляризация по задапному закону и клейка с обеспечением хорошего акустического контакта.

Формула изобретения

Ультразвуковой преобразователь, содержащий поляризованный по длипе пьезоэлектрический стержень с нанесенным на его торцовую поверхность электродом, отличающнйся тем, что, с целью расщирения полосы пропускания в режиме излучение - прием, на боковую поверхность пьезоэлектрического стержня нанесены электроды в виде двух токопроводящих полос, а демпфер выполнен из пьезоэлектрического материала в виде единой конструкции с пьезоэлектрическим стержпем. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. А. F. Brown aud Vveigut L. P., Generatiou aud reception of wideband ultrasound, «Ultrasonic, 1974, vol 12, Nr4, 161-163.

2. Авт. св. СССР ДГо 381021, М. Кл. G 01N 29/04, 1970.

3. Патент Великобритании N° 1208154, П 04R 17/00, 1970 (прототип).

f-,q: 7T p7J-t---- Ma.