Устройство для управления пространственнымипАРАМЕТРАМи пучКОВ упРугиХ ВОлН Советский патент 1981 года по МПК B06B3/04 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ПУЧКСВ УПРУГИХ ВОЛН

Изобретение относится к акустике и улыраавуковой технш е и может испопьзоваться, в частности, дпя управления пространственными параметрами пучков упругих волн в системах ультразвуковой технопогии, дефектоскопии, подводной покации, а также в других областях науки и техники, где необходимо производить управление пространственными параметрами ультразвукового луча.

Известны устройства дпя управления направпением распространения пучка упругих волн, т.е. для его пространственного сканирования, используюшие рефлектор, механически поворачивающийся вокруг оси, перпендикулярной оси пучка fl. Отраженный луч осуществляет в результате сканирсжание определенной области пространства.

Однако такие устройства обладают невысокой скоростью сканирования. Кроме того, при вращении рефлектора практически невозможно осуществить управление

углом поворота ультразвукового пучка по заданному закону.

Известны также устрсЛстъа, кото| лв представляют акустических преобразователей, расположенных в oxhной плоскости 2. Преобразовательные элементы должны колебатьсяВ определенных фазах. Для изменения фазы колебаний соседних пьезопреобрааоватепей служит специальное фазирующее устройoство

Ошшко данному устройству присущ: ряд недостаТ1сш, связанных с дискретной структурой излучающей ультразвук системы.

5

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее звукопровод с управляемыми параметрами и блок уоравле .

Одаако это устройство имеет вязкую скорость управления.

Цепь изобретения - повышение слепое, ти управления. 3A Поставленная цель достигается тем, что в качестве авукопровода применен кристалл с линейным эпектроакустическим эффектом, на боковой поверхности которого выполнены /1араплепьно направлению распространения пучка упругих води.; цилиндрические канавки с нанесенными на их стенки электродами, а блок управления выполнен в виде источника электрического напряжения, к различным полосам которого подсоединены соседние элек роды. С целью сканирования продольно-поляризованного пучка упругих волн, а также упрощения управления и устранения потерь звуковой мощности, звукопровод изготовлен из кристалла кубической симмет рии, а на его боковой поверхности выполнены четыре цилиндрические канавки, направляющие которых параллельны оси (l 10 и направлению распространения упругих волн, а образующие в ортогональном к ос у.1О сеченки описываются уравнением где 2R- расстояние между вершинами электродов, ось X параллельна 110, а ось У - OOl|,a начало координат лежит на оси устройства. Для сканирования поперечно-поляризов ного пучка упругих волн направляющие цилиндрических канавок параллельны направлению распространения упругих волн, поляризованных в плоскости симметрии кристалла, и оси, пенсащей в той же плоскости и составляющей с угол 22,5 . С целью осуществления одновременной фокусировки и дефокусировки во взаимно ортогональных направлениях пучка упругих продольно-поляризованных волн звукопрсжод изготовлен из кристалла кубиче кой симметрии, а на его боковой пшерхности выполнено шесть цилиндрических кш1авок, направляющие которых параллетп ны оси но и направлению распростране ния упругих волн, а образующие в ор тх)гональном к оси 11О сечении описыва ются уравнением 5 Зх У -.У где 2Я - расстояние между вершинами йлектродею в направлении оси, ось X параллельна 110, а ось У . Для осуществления одновременных фокусировки и дефокусировки во взаимно opjoгональных направлениях пучка упругих аоVперечно-поляризованных волн, направляющие цилиндрических канавок параллельны направлению распространения упругих волн, поляризованных в плоскости сга метрии кристалла и оси, лежащей в той же плоскости и составляющей с осью 22,5 С 1епью осуществления чисто цилиндрической фокусировки пучка упругих волн, звукопрсяаод выполнен из кристалла тригональной симметрии, а направляющие цилиндрических канавок параллельны крис таллографической оси третьего порядка Z и перпендикулярны направлению распрсютранения упругих волн, вектор поляри aanVK которых совпадает с кристаляофизической осью X, причал образующие канавок в ортогональном к оси Z сечении описываются уравнением где 2R - расстояние между вершинами электродов в направлении кристаллографической оси У, а начало координат лежит на оси устройства. Наложенное электрическое поле вызывает за счет электроупругого, эффекта линейное изменение скорости ультразвука в сечении, ортогональном направлению распространения звуковой волны. Очгносительное изменение скорости /b.V/Vo дается выражением где Q- электрический нелинейный параметр;/Q- невозмушенная скорость ультра Е - компонента электрического поля, вызывающая изменение скорости упругой волны. Для заданного направления распространения ультразвука 1т, направления поляризации звуковой волны р и направления е электрическ мго поля параметр Q выражается через соответствующие компоненты эпектроупругого тензорас. „и тензора пос1оянныхС- следующим обраr-ijice Y- i Pj K Pg -2G:. .. Бели на звукопровод накладывают электрическое поле, величина которого линейно зависит от координат в сечении, ортогональном направлению распространения пучка упругих волн, то фазовая скорость также линейно зависит по сече58шло пучка. В результате фазовые фронты приобретут наклон и пучок, отклоняется как целое. Степень отклонения зааисит от того, несколько меняется фазовая скорость по сечению пучка, - Бспи на авукопрсвод накладывают электрическое попе, величина KOTOptjro квадратично зависит от координат в сечении, ортогональном направлению распространения пучка упругих вопн, то фазе аа скорость по сечению пучка приобретает квадратичную фазовую задержку. Это приводит, например, к превращению плоского фронта в сферический или ципиндрический. Поэтому звуковой пучок FC пь1тывает сферическое или цилиндрическо , фокусирование.. На фиг. 1 представлено устройство для сканирования продольно-поляризованного пучка, общий вид, на фиг. 2 - устройство для сканирования поперечно-поля зованного пучка, на фиг. 3 - сечение устройств плоскостью ХУ; на фиг. 4 и 5 - устройства для фокусировки (дефокусировки) во взаимно ортогональных направленй51Х пучков соответственно продольно- и поперечно-попяризованных упругих волн, общий вид, иа фиг, 6 - устройство для чисто цилиндрического фокусирования пучка упругих вопн j на . 7 - сечение этого устройства плоскостью ХУ. Устройство состоит ИЗ звукопрсвода 1 выполненного из материала, обладающего электроупругим эффектом, диливдрических электродов 2 и 3, подключенных к Ътрниательным и положитель 1Ым источника питания, входной (выходкой) грани 4 для пучка упругих волн и источника 5 эпектрического напряжения. Устройство работает следуклцим образом. При подключении электродов к источт {ку питания в каждой точке внутри звукопрсеода установится распределе1гае потен циала вида n { х,у) а ,(3) Где fo- разность потенциалов между элект родами. Выражениб ( 3) удовлетворяет уравнению Лапласа и граничным условиям Н ± на заряженных электродах. Из выражения (3) можно определить величину напряженности электрического поля в направлениях X и У : Ъ±Чо х -44/ т 5 7 В описанных устройствах ориентация осейХУ относительно кристаллографических осей кубического кристалла выбрана так, что только компонента Е оказывает влияние на скорость упругой волны. Согласно (l) и (4) компонента Еувызовет линейное вдоль оси X изменение ско рости упругой волны : VoMo Q V VoR2Пучок упругих волн из окружающей эвукопрсводяшей среды проходит через входную грань устройств и распростракяется в навравпении оси Z . При о-гсутствии напряжения на электродах пучок внутри крист::лла должен иметь либо продольную поляр 1зацию с вектором смещения, парышепьнмм оси Z для устройства на фиг. 1, либо квазипоперечную поляризаиию с вектором смешения, лежащим в плоскости симметрии кристалла, для устройства на фиг. 2. Пучок может быть создан плоским пьезопреобразсеателем, непосредственно расположенным на входной границе звукопровода 1. При подаче напряжения на электроды 2 и 3 пучок отклоняется как целое в - сторону уменьшения акустической скорссni. Угол отклонения луча после прохождения авукопровода толпшной 6 опреде ляется выражением uL.L.3V ® Vo ЭХ Подставляя (5) в (б), получим Иэ-за преломления на граншю контакта пьезоматериала и акустической среды угол отклонения изменяется на величину И , равную отношению VQ скорости в акусткческой среде к скорости звука VQ в авукопроводе. С учетом этого окончательно для yi ла отклбнения ультразвукового пучка получим фор«лулу Угол отклонения пучка пропоршюнаяен раз-нести потаншталов, электрическся нелинейному параметру Q , длине звукопровода С я обратно пропорционален квадрату anepTyjsa. 1 змеаяя разность потенциалов fo на электродах, можно менять угол в- , т.е. управлять с помощью электрического попя направлением распространения ультразвуковых пучке. FfycTb авукопровод выполнен из криста ла германата висмута 6 ..Тогда, согласно формуле (2), значение 6 для устройства на фиг. 1 равно : а для устройства на фиг, 2 : У 32.6 316 ЧИ 10-(cMle), (О 2(С,,-С,.) Подставляя (9) и.(1О) в (8) при R О,5 см, ( см, ц -1 и изменен ИИ поте циапа на электродах от нуля до 1О кВ, получим, что угол отклонения меняется для устройства на фиг. 1 в пределах 10 а для устройства на фиг. 2 в пределах 5 Устройства для фокусировки (дефокус ровки) работают следующим о6раз(%4. При подключении электродов к источнику питания в каждой точке звукопровод устанавливается распредел эние потендиала вида f(x.v)-- - (11) где fo разность потенциалов между эле родами; 2R- расстояние между в.ершинами электродов в направлении оси У. Потенвдал (11) приводит к появлению составляющих электрического поля по осям X и у : , г гл Ъ 2R3 г . ЭЧ . Х МЪ В устройствах (фиг. 4 и 5) компонента Еу вызовет, согласно (1) и (12) квад ратичное по поперечному сечению пучка упругих волнн изменение скорости .3VoVoQ, () В устройстве на фиг. 6 компонента Е создает для продольно-поляризованного пучка, распростран5пощегося вдоль оси X изменение скорости вида v-.v Sifev., а для поперечно поляризованного пучка, распространяющегося в направлении оси 8 78 X со смещением частиц впопь оси X, изменение скорости вида : 3foVoQ ,-, А Г(учок упругих вопн из окружающей знукопроводяшей среды распространяется цопль сси 2 (фиг. 4 и 5), либо вдоль осей X или У (фнг.б),,8 устройстве на фиг. 4 пучок является продольно-поляр oofiOHHOft волной; в устройстве на фиг. 5кг ааиспеигооой волной, поляризсюанной в координатной плоскости симметрии куб1гческого кристалла, в устройстве на j фиг. 6 - продольн поляризованным при распространении вдоль оси X, либо Поперечнр-поляризованюым при распространи-, шш вдоль оси У. При подаче напряжения акустические лучи изг fбaютcя в сторону Уменьшения; скорости, причем траектория их движения определяется уравнением dG . .. где 0 - угол между касательной к лучу и осью пучка; поперечный градиент скорости. В устройствах на фиг. 4 и 5 осуществляется в случае положительного параметра Q цилиндрическое фокусирование по оси У и однсжременно дефокусирежание по оси X. В устройстве на фиг. 6 осуществляется чисто цилиндрическое }и сиршание по оси У дпя пучка, распространяюшагося вдоль оси X, либо чисто ййлиндрическое фокусирование по оси X для пучк распространяющегося в направлении. ОСИ У. При фокусировании по оси У все лучи звукового пучка собираются в линию, рас-, положенную на некЬторсм ра:стоянш от выходной грани устройств, где -i причем у- угол отклонения звуковых лу- чей от о I пучка после прохождения толщины звукопровода С , который дается выражением ±Г51,, VVobr Из-за преломления на выходной грани устройств угол отклонения изменяется на величину отношения скорости

внешней среде и скорости звука Vo в ма-териапе пинэы :

П-- (VOK/VO)

Оьончательно, согпасно (14)-(1б), фокусное расстояние устройств определяется по формуле

Величина фокусного расстояния F ус-гройств 4, 5 и 6 также определяется фо{ МУПОЙ (17), причем F з: - Р у .

Таким образом, величина фокусного расстояния устройств пропорциональна кубу апертуры и обратно пропорциональна разности потенциалов, элакрическому нелинейному параметру и длине звукопровода & . Величина фокусного расстояния устройств меняется путем изменения разности потенциалов, прикладываемых к электродам.

При отсутствии напряжения на электродах устройства действуют как плоскопаралпельные пластинки. Пусть авукопровод в устройствах (фиг, 4 и 5) выполнен из кубического кристалла германа висмута. Тогда для, устройства (фиг. 4) при t 10 см, Т О,5 cKf и % 10 кВ и Q 0,3-10 , согласно (17) р„а 14 О см; а для устройства (фиг. 5) при R 0,5 см и О 1,

см

I

в

р s 4 см,

Рассмотрим устройство (фиг, 6), звукопроводом которого является кристалн ниобата лития. Для 6-5 см, R 1 см, % 1О кВ при распространении звуковой го пучка вдоль оси XQ -O,O4-l6 и - 20 м, а при распространении вдоль оси y.Q . 0,93l6°§ii

Использование предлагаемых устройств позволяет сканировать пучком упругих перестраивать фокусное расстояние в широком диапазоне при фокусировании. Устройства характеризуются высокой скоростью управления пространствешшши параметрами ультразвуковых пучков, так как управляются внешним электрическим полем. Скорость изменения фокусного рас тояния ограничивается лишь вретленем прохождения ультразвука через фокусирую ую среду - 10с, Это примерно на четыре порядка лучше, чем для известного устройства, в котором изменение давления осуществляется за время от сятых долей секунды до единиц и десят к ж секунд.

Задавая определенный закон изменения напргження на эпектродах, можно осуществлять в соотеетсгеии с формулой (17) и измевенЕе по соответствукщему закону фокусного расстояния.

Предлагаемые устройства пригодны для управляемого фокусирования высоко частотных ультразвуковых вопв, так как в качестве фокусируюшей среды вспользуются твердые аотропные и кристаллические материалы, в которых, как иаэеспю, поглощение на высоких частотах ( десятки и сотни krfV) значительно мевЕипс чем в газах и жидкостях.

Формула изоб-ретёния

1, Устройство для управления npoci ранственнымн параметрами пучков упругих волн, содержащее звукопровод с управляемыми параметрами и блок управления, отличающееся тем чго, с целью повышения скорости управления, в качестве звукопрсвода применен Kpticлалл с линейным электроакустическим эффектом, на псверхностн которого выполнены параллельно направлению распространения пучка упругих волн цилиндркческие канавки с нанесевнымя на их ств

ки электродами, а блок управления выполнен в виде источника эяектрического напряжения, к различным полюсам которого подсоединены соседние электрояы

2,Устройство по п, 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью скан1фОвания продольно-поляризованнетю пучка упругих волн , а также упрсииеяия управления и устранения потерь звуковой моп ности, звукопровод изготовлен из кристалла кубической симметрии, а на его боковой поверхности выполнены четыре цилиндрические канав.ки, направляющие которых параллельны направлению распространения упругих волн а образующие в ортогонапьнс к ocHCHOjfceчениии описываются уравнением

Х - ± ,

где 2Й. - расстояние вершинами электродов,ось У параллельна OOl, ось X , а начало координат л&жит на оси устройства ,

3,Устройство по п, 1 и 2, о т л и - чающееся тем, что, с целью сканирования поперечно-поляризованного пучка упругих волн, направляющие диливдрическ1-:х канавок параллельны направлению распространения упругих волн, аопяриао ванных в плоскости симметрии кристапла, и СОР, лежащей в той же плоскости с осью lOOJyrcwi 22,. 4. Устройство по п. 1, л и ч аю ш е е с я тем, что, с целью осуществ пения одновременной фокусировки и дефокусировки пучка упругих продольно-поляри зованных волн, звукопр(жод изготовлен ид кристалла кубической симметрии; а- на его воктЗеой поверхности выполнено шесть цилиндрических канавок, напрарпяюшие которых параллельны направлю нию распространения упругих волн, а образующие в ортогональном к ocH ilOjce чении описываются уравнением зхЪ-: г±к, где 2R - расстояние между вершинами электродов в направлении оси, ось У параллельна О01, а ось X llO, 5. Устройство по пп. 1и4, отличающееся тем, что, с целью осуществления одн(жременных фокусировки и дефокусиреюки пучка упругих поперечно-поляризованн 1х волн, направляющие цилиндрических канавок параллельны направлению распространения упругих волн, поляризованных в плоскости симметрии кристапла и оси, лежащей в той нее плоскости и составляющей с осью 10О угол 22,5.

Y,aorj 6.Устройство ПО П. 1, О Т Л И. Ч а ю щ е е с я тем, что, с целью осуществления чисто цилиндрической фокусировки пучка упругих волны, звукопр жод выполнен из кристапла тригональной симмет{ши, а направляюпдае дияиидрических какавок параллельны кристаллографической оси третьего порядка Z и перпевдикуля{ ны направлению распространения упругих вопн, вектор поляризации которых совпадает с кристаллографической осью X, причем образующие канавок в ортогональном к оси Z сечении описываются уравнени зхЪ- ±л, где 2R- расстояние между вершинами электроде Б направлении кристаллографической оси У, а начало координат лежит на оси устройства. Источники информации принятые во внимание при экспертизе 1, Бергман Л, Ультразвук и его применение Б науке и технике, изд. 2, ИЛ., М., 1957, с. 48-5О. 2.Koi-pet А. and ot1ie s,Resea -oti о Лсои51чса. S jstew о Modulation Coherent Lijyht for Tetevision Picture-.-Appt-Optice.1966,5,f/eio,p.l66. 3. Каневский И. Н. и др. Ультразвуковлая трехкамерная линза с переменным я фокусным расстоянием. Акустический журнал. М., Наука, 1978, т. 24, № 2, с. 300-301.

f.LOOl

х 1-п5гг,$ Sin2l,S;of

ОУиг. i X,1110J

ZJCffSif S;

Sin22, 2,1110

Xfm;

Х L-ces 2,5; Sin 22,

Риг.5

X -

W. 6

г, rcof гг, n ii, s

X -