Широкополосный пьезоэлектрическийпРЕОбРАзОВАТЕль Советский патент 1981 года по МПК H04R17/00 G01N29/04 B06B1/06 

1

Изобретение относится к технике излучения и приема ультразвука и может быть использовано в различной ультразвуковой аппаратуре, работающей в широком диапазоне исследуемых глубин, включая нулевую, в частности в медицинских и дефектоскопических приборах с высокой разрешающей способностью по фронту и глубине.

Известен широкополосный пьезопреобразователь, используемый в ультразвуковой дефектоскопической аппаратуре, содержащий пьезоэлемент и два электрода, нанесенные на его плоскую и сферически вогнутую поверхность 1.

Недостатком данного преобразователя является узкий диапазон контролируемых глубин и низкая чувствительность.

Известен широкополосный пьезопреобразователь, содержащий пьезоэлемент в виде конуса и два электрода, нанесенные на его основание, который позволяет прозвучивать большие глубины исследуемых объектов, ограничиваемые чувствительностью приемной аппаратуры, но вследствие наличия в его акустическом поле ближней зоны диапазон прозвучиваемых глубин ограничен снизу ее протяженностью 2.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является широкополосный пьезокерамический преобразователь, содержащий цилиндрический пьезоэлемент, коническую акустическую ловушку, прикрепленную к одному из оснований пьезоэлемента соосно с ним, причем диаметр пьезоэлемента превышает диаметр основания конической ловушки, а также первый и второй электроды, нанесенные соответственно на свободную часть основания пьезоэлемента со стороны ловущки и на его второе основание, при этом фронтальная часть пьезоэлемента выполнена в виде усеченного конуса с диаметром сечения, меньшим диаметра основания конической ловушки .

Недостатком его является низкая чувствительность и ограниченный диапазон контролируемых глубин вследствие того, что он излучает расходящийся пучок ультразвуковых волн, поперечные размеры которого соизмеримы с диаметром пьезоэлемента.

Целью изобретения является увеличение чувствительности преобразователя и расширение диапазона контролируемых глубин.

Поставленная цель достигается за счет того, что широкополосный пьезокерамический преобразователь, содержащий цилиндрический пьезоэлемент, коническую акустическую ловушку, прикрепленную к одному из оснований ньезоэлеменга соосно с ним, причем диаметр ньезоэле.мента нревышает диаметр основания конической ловушки, а также иервый и второй электроды, нанесенные соответственно на свободную часть основания ньезоэлемента со стороны ловушки и на его второе основание, снабжен третьим электродом, нанесенным на боковую поверхность ньезоэлемента и электрически изолированным от электродов, нанесенных на его основания.

На чертеже изображена конструкция ньезопреобразователя.

Пьезонреобразователь содержит цилиндрический ньезоэлемент , систему электродов 2, 3, 4 и акустическую ловушку 5, прикреиленную к одному из оснований ньезоэлемента 1 соосно с ним.

Пьезоиреобразователь изготавливается нутем склеивания составом, не отражающим ультразвук, поляризованного но высоте ньезоэлемента 1 с акустической ловушкой 5. Далее на ньезоэлемент 1 наносится сплошная металлизация, а электрическая изоляция между электродами получается в результате снятия фасок ио периметру оснований пьезоэлемента. Ширина фасок должна быть минимальной, отвечающей требованиям электрической прочности. Высота конуса акустической ловушки 5 должна не менее, чем в нять раз, превышать диаметр основания.

Преобразователь работает следующим образом.

Электрическое напряжение, возбуждающее ньезоиреобразователь, подается на кольцевой электрод 2 и электрод 3, покрывающий цилиндрическую поверхность пьезоэлемента. Между этими электродами возникает электрическое поле, причем пайбольшая напряженность его получается там, где расстояние между электродами минимально. Известно, что продольные ультразвуковые колебания в ньезоэлементах возннкают там, где существует градиент иоляризации пьезоэлемеита или напряженности электрического поля, то есть, в частности, на новерхностях, где находятся электроды. Такнм образом, в нредлагаемом ньезопреобразователе ультразвуковые колебания излучаются узкой кольцевой частью поверхности основания иьезоэлемента. При такой форме излучателя ультразвуковые волны на некотором расстоянии от него собираются в слаборасходящийся пучок диаметром в несколько раз .меньшим диаметра получателя. Высота цилиндрического тела пьезоэлемента выбирается несколько большей этого расстояния, иоэтому во внешнюю среду выходит уже сформировавшийся ультразвуковой луч, т. е. вся ближняя зона акустического поля излучателя оказывается заключенной внутри пьезоэлемента. Часть энергии ультразвука при выходе во внеп1Н ою среду

отражается от основания пьезоэлемента и благодаря узости ультразвукового пучка (его диаметр даже на иизшей частоте рабочего диапазона не превышает половины диаметра пьезоэлемента) полностью notiaдает в акустическую ловушку, устраняюшую многократные отражения ультразвуковых волн внутри иьезоэлемента. Концентрация излучаемых ультразвуковых колебаний в узкий иучок обеспечивает повышение чувствительности, высокое фронтальное разрешение ультразвуковых приборов и способствует увеличеиию глубины прозвучиваиия, иачиная непосредственно

с пуля.

Для приема ультразвуковых колебаний в даином пьезопреобразователе служит основание пьезоэлемента 1, полностью покрытое электродом 4. На нем по отношению к электроду 3, расположенному на цилиндрической новерхности пьезоэлем-ента, возникают электрические сигналы. Введеиие снецнального «приемного электрода необходнмо, носкольку большая часть

энергии ультразвуковых колебаний при отсутствии его попадала бы в акустическую ловушку и лишь незиачительпая ее часть на поверхность с кольцевым электродом 2. Введение этого электрода обеспечивает

разделение электрических цепей генератора и усилителя в ультразвуковой аппаратуре, что облегчит построение последней и улучшит ее характеристики.

Предлагаемый пьезопреобразователь

обеспечивает высокую чувствительность и разрешающую способность ультразвуковой аппаратуры как по фронту, так и по глубине коитролируемого объекта, имеет широкую полосу рабочих частот, большой

диапазон прозвучиваемых. глубин, он несложен по конструкции и прост в изготовлении. Поэтому он может выполняться как унифицированный ультразвуковой искатель для аппаратуры неразрушающего

контроля. Пм могут комплектоваться приборы как импульсного, так и непрерывного (при использовании двух искателей) излучения, прнборы спектроскопической диагностики, а также универсальные толщинометры.

Формула изобретения

Широкополосный пьезоэлектрический преобразователь, содержащий цилиндрический иьезоэлемент, коническую акустическую ловушку, прикрепленную к одному из оснований пьезоэлемента соосно с ним, причем диаметр пьезоэлемента превышает диаметр основания конической ловушки, а также первый и второй электроды, нанесенные соответственно на евободпую часть основания ньезоэлемента со стороны ловушки и на его второе основание, отл ичающийся тем, что, с целью увеличения

чувствительности, он снабжен третьим электродом, нанесенным на боковую новерхность ньезоэлемента и электрически изолированным от электродов, нанесенных на его основания.

Источники информации, принятые во внимание нри экспертизе

1.Вонилкин А. X. и др. - «Дефектоскопия, изд-во АН СССР, 1977, № 3, с. 34.

2.Авторское свидетельство СССР № 507815, кл. В 06 В 1/06, 1975.

3.Авторское свидетельство СССР № 434623, кл. Н 04 R 17/00, 1972.

-/ -J