Дифференциальный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь Советский патент 1979 года по МПК G01N29/04 H04R17/00 

Изобретение относится к ультразвуковой дефектоскопической и измерительной аппаратуре.

Известны бинарно-сравнительные ультразвуковые головки 1, содержащие пьезоэлемент, образованный кварцевым вибратором и электродами, и схему для согласования пьезоэлемента с приемником и генератором ультразвуковых колебаний.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является дифференциальный ультразвуковой пьезопреобразователь 2, содержащий пьезоэлектрический элемент с электродами, подключенными к возбуждающему генератору и приемному усилителю.

Недостатком такого пьезопреобразователя является узкополосность из-за применения в нем полуволновой принципиально резонансной пластины, что исключает на практике возможность излучать и принимать с его помощью короткие (2-5 10- с) одно- и двухполярные акустические импульсы и не позволяет плавно регулировать рабочую частоту в щироких пределах.

Цель изобретения - расширение полосы рабочих частот.

Это достигается тем, что пьезоэлектрический элемент выполнен в виде цилиндра, равномерно поляризованного по всему объему в направлении, перпендикулярном его основаниям, на одно из которых нанесены два электрода, выполненные в форме круговых сегментов, -и кольцевой электрод, при этом кольцевой электрод подключен к возбуждающему генератору через два соединенных встречнопараллельно диода, один из электродов в форме кругового сегмента подключен к приемному усилителю, а другой - заземлен, причем между собой электроды в форме круговых сегментов соединены двумя включенными встречно-параллельно диодами.

На фиг. 1 и 2 изображены две гфоекции описываемого дифференциально ультразвукового пьезопреобразователя.

Преобразователь содержит пьезоэлектрический элемент 1, электроды 2, 3, 4, диоды 5 в цепи его подключения к возбуждающему генератору и диоды 6 в цепи потислючения к приемкому усилителю. Электрод 4 подключен к генератору импульсов напряжения. Электрод 3 заземлен непосредственно, а электрод 2 практически заземлен через пару проводящих в обоих направлениях диодов 6, включенных . встречно-параллельно. Последнее условие выполняется при возбуждении пьеэопреобразователя импульсами напряжепия, превышающими по амплитуде напряжение (0,3-0,7 В) пятки на вольтамперной характеристике диодов. На практике это имеет место, так как амплитуда возбуждающего напряжения составляет обычнб 50-100 В и более. Возбуждающие импульсы напряжения создают около электродов 3, 4 и 5 электрическое поле, которое в силу обратного пьезоэффекта приводит к смещениям поверхности, на которую нанесе1П)1 электроды. Поскольку направление вектора поляризации пьезокерамики одинаково по отнощению ко всем электродам и, в частности, к электродам 2 и 3, то фаза колебаний поверхности пьезоэлемента, несущей эти электроды, одинакова. В.рехсиме приема ультразвуковых колебаний, излучеш1ых участками верхнего основания пьезоэлемента, несущего электроды 2, 3 и при одинаковых условиях распространения и отражения ультразвуковых лучей под каждым из этих электродов фаза, амплитуда и форма акустического сигнала, приходящего на эти же электроды, будут одинаковы. Это вызовет на каждом из симметричш)1х электродов 2, 3 появление одинаковых по величине и по знаку электрических зарядов, что не даст никакой . разности потенциалов между этими электродами, а значит, и электрического сигнала на входе приемного усилителя, вход которого включен (фиг, 1) между этими электродами. В режиме приема диоды 6 не шунтируют вход приемного усилителя, так как на практике амплитуды сигналов, снимаемых с пьезоэлемента, не превьпиают сотен мкВ - десятков мВ, что много меньще )Т1оминавщейся пятки диодов 6. Диоды 5, включенные встречно-параллельно пре дотвращают шунтирование в режиме приема через емкость между электродом 4 и электродами 2 и 3 сигналов на электродах 2 и 3 малым выходным сопротивлением возбуждающего генератора.

Появление любого обстоятельства, нарушающго симметрию в акустических лучах под электродами 2 и 3, неизбежно приведет к появлению разницы в величине электрических зарядов на электродах 2 и 3, а значит, и напряжения разбаланса на входе приемного усилителя. Нарушение этой симметрии может быть вызвано на практике появлением дефекта в объеме, прозвучиваемом предложенным пьезоэлектрическим преобразователем.

Поскольку НСТОЧШ1КО.М акустических колебаштй является только поверхность пьезоэлемента, несущая электроды, и толщина (высота) его не имеет принципиального значения и влияния на процесс возбуждения колебаний, то в силу линейности пьезоэффекта пьезоэлектрический преобразователь апериодичен и полоса его рабочих частот сверху ограничивается практически только чистотой поверхности, на которую нанесены электроды, то есть десятками и сотнями МГц. Это справедливо, если тыльная сторона пьезоэлемента имеет форму конуса - акустической ловушки, как это показано на фиг. 1 пунктиром, а также на отрезке времени, равном отнощению толщины (высоты) h пьезоэлемента 1 к скорости распространения продольных акустических волн в материале этого пьезоэлемента, если последний излучает не вверх по фиг. 1, как при наличии конуса (например, в иммерсионную среду), а вниз по фиг. 1, когда тело пьезоэлемента играет роль твердотельной ультразвуковой линии задержки- в контактном варианте контроля изделий.

Описанная конструкция преобразователя позволяет повысить чувствительность дефектоскопа, работающего по дифференциальному методу контроля. Кроме того, применение пьезепреобразователя позволяет количественно оценить степень искажения акустических полей ультразвуковых пьезопреобразователей отражателып 1ми или активными пьезоэлектрическими микрозовдами, применяющимися для снятия диаграмм направленности и кривых чувствительности стандартных и экспериментальных пьезопреобразователей.

Формула изобретения

Дифференциальный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезоэлектрический элемент с электродами, подключенными к возб)окдающему генератору и приемному усилителю, отличающийся тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот, пьезоэлектрический элемент выполнен в виде цилиндра, равномерно поляризованного по всему объему в направлении, перпендикулярном его основаниям, на одно из которых нанесены два электрода, выполненные в форме круговых сегментов, и кольцевой электрод, при этом кольцевой электрод подкпючен к возбуждающему Генератору через два соединенных встречно-параллельно диода, один из электродов в форме кругового сегмента под-ключен к приемному усилителю, а другой заземлен, причем между собой электроды в