Устройство для фокусированияульТРАзВуКОВыХ пучКОВ Советский патент 1981 года по МПК B06B3/04 

Изобретение относится к акустике и ультразвуковой технике и может быть использовано, в частности, для фокусировки ультразвуковых волн в системах ультразвуковой технологии, дефектоскопии, подводной локации 3 вуковой голографии.

Известно устройство,.которое вклчает звукопровод, выполненный в вид цилиндрической камеры, ограниченной гибкими растягивающимися мембранами 1 .

Однако известное устройство не позволяет осуществлять изменение фокусного расстояния с частотой порядка десятков МГц и выше из-за инерционности мембран.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее звукопровод с управляемыми параметрами, на бокоч йых поверхностях которого выполнены четыре параллельные друг другу цилиндрические канавки с нанесенными на их стенки электродами, и блок управления в виде источника электрического напряжения, к различным полюсам которого подсоединены соседние электроды, причем образующие в ортогональном к направляющим цилк-чдрических канавок сечении описываются

уравне нйем

о1 О)

где X и у - оси декартовой систег«л координат, ортогональные направляющим цилиндрических канавок с началом

0 в центре звукопровода; R - расстояние от начала координат до вершины канавок 21

Однако это устройство требует высокого управляющего напряжения.

5

Цель изобретения - упрсидение фокусирования ультразвука за счет уменьшения управлякщего напряжения.

Указанная цель достигается тем, что звукопровод выполнен из материаtiла, обладсцсщего квадратичным электроакустическим эффектом.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - звукопровод с нанесенными

i на него электродами, общий вид; на фиг. 3 - то же,, сечение плоскостью хоу.

Устройство содержит вибратор 1, создающий ультразвуковой пучок, sJ yкопровод 2, выполненный из материала.

ббладанвдего квадратичным электроакустическим эффектом, например/ обладающего центром симметрии и высокими значениями компонент тензоров, описывающих линейную и квадратичную электрострикцию, систему электродов 3, создающую в материале звукопровода неоднородное электрическое поле, линейно зависящее от координат в сечении, перпендикулярном направлени распространения ультразвука, источник 4 высоковольтного напряжения, подключенный к электродам, внешняя среда 5.

Звукопровод (фиг.2) содержит нанесенные на него электроды 3, подсоединенные к отрицательным и положительным полюсам источника (фиг.З), входные 6 и 7 и выходные 8 и 9 грани звукопровода при работе его в качестве цилиндрической и сферической линзы соответственно. Поверхности электродов образуют в сечении плоскостью хоу равносторонние гиперболы (фиг.З).

Устройство работает следующим образом.

Если в качестве материала для изготовления звукопровода выбрана неполяризоваиная пьезокерамика, на основе BaTiOjj, обладающем квадратичным электроакустическим эффектом, высокой диэлектрической проницаемосG: .104-1; о где yj - диэлектрический тензор и С - упругие постоянные в отсутствие электрического поля. Электрическое поле, линейно зависящее от координат в сечении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука, вызывает в соответствии с формулой 2 квадратичное изменение в этом сечении скорости ультразвуковой волны. В результате каждая точка фазового фронта акустического пучка приобретает различную фазовую задержку, приводящую при таком законе изменения скорости к превращению например, плоского фронта волны в сферический или цилиндрический. Если величина электрического поля в указанном сечении линейно зависит от одной координаты, то пучок испытывает цилиндрическое фокусирование, если же она линейно изменяется вдоль радиуса ультразвукового пучка, то наблюдается сферическое фокусирование. Изменение потенциала на электродах приводит к управлению фокусным расстоянием. Если изготовить Звукопровод 2 та как указано на фиг. 2, и нанести на его поверхность электроды, тс пр подключении последних к источнику высоковольтного напряжения внутри

тью, а следовательно, и высокими значениями электрострикционных постот явных первого и второго порядка. Наложенное электрическое поле вызывает за счет эффекта электрострикции первого -и второго порядка изменение скорости ультразвуковых волн в сечении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука. Относительное изменение скорости

f.

дается выражением

()

0

где-дУ V - Vg ; G - параметр, характеризукяций относительно изменение

cкopoqти Vg - скорость ультразвука в отсутствие электрического поля; Е - величина напряженности электрического поля, вызывающая изменение эффективной упругой постоянной, а

следовательно, и скорости упругой волны.

При заданных направлениях распространения ультразвуковой волны п, направления ее поляризации U и направления электрического поля (if, и, - единичные векторы) параметра G выражаются через соответствующие компоненты тензоров, OiKEw d,-.Evript описывающих эффект

электрострикции Первого и второго

порядка,следующим образом )(gpctr,,r) .5 1,Л, itci 4t ( материала звукопровода установится распределение потенциала вида (x. .где Чд - разность потенциалов между электродами. Потенциал этого вида удовлетворяет уравнению Лапласа и на электграничным условиям родах. В соответствии с (4) для компонента электрического поля имеем 5, Jfo.v, с -X (5) Пусть продольная ультразвуковая волна распространяется вдоль оси х, В этом случае для относительного изменения скорости распространения волны из-за наложенного электрического поля получаем, воспользовавшись (2),(3) и (4), следующее выражение f-йо;; (.К-а«Е М , -.j.la., „ Из (7) следует, что ультразвуковые лучи, распространяясь вдоль оси х; испытывают отклонение в направлении , поскольку в среде 2 с помощью электрического поля создан поперечный градиент скорости уу, dv , /я а VY /8 aV -Mt) ( Так как градиент скорости зависит от координаты у, то и акустические лучи отклоняются на различные углы, величина которых определяется значением у. Траектория движения акустических луяей в среде с поперечным градиентом скорости определяется уравнением 0 где 9 - угол между касательной к лучу и осью х; - поперечный градиент скорости. После прохождения через среду тол щиной Е. с поперечным градиентом скорости угол отклонения луча от оси пучка (оси х) определяется выражениv-i)-J( Отсюда можно сделать вывод, что акустические лучи на выходе из звукопровода 2 собираются в линию, параллельную оси Z, на расстоянии а от выходной грани звукопровода ( 9vj - отклонения луча от оси X во внешней среде 5, связан I v с 9v соотношением 9(in9j(2:--ej( где v- скорость ультразвука в ереде 5). , Окончательно для f,j получаем формулу4X0-1 RO f { fv 1- . - ГчГчаиТТ из которой следует, что не зависит отS , т.е. все лучи пучка независиМО от их координаты jf , собираются в одну и ту же линию, параллельную оси Z, в результате чего наблюдается цилиндрическое фокусирование ультразву кового пучка. При звукопроаод 2 является собирающей линзой. пР«-| г, - рассеивающей. Аналогичный результат получается, если вдоль оси х распространяются по перечные ультразвуковые волны. Фокусное расстояние при этом будет определяться формулой типа (11), в которую однако будут входить другие компоненты тензоров с,3,.. Рассмотрим теперь случай, когда продольная ультразвуковая волна распространяется в звукопроводе 2 вдоль оси Z. Электрическое поле, определяемое (5), вызывает здесь следующее изменение акустической скорос.ти. ЧО ЪЪ .)- fp р ) 8Т.С 04 ЙТ-С.-Я 8J. гдер расстояние от начала координат. Из (12) следует, что поперечный градиент скорости в этом случае направлен вдоль радиуса акустического пучка. - o УО лъъ А 4TC,,R4 Это означает, что акустические лучи будут испытывать отклонение от первоначального направления распространения в сторону уменьшения акустической скорости, т.е. собираться в точку на оси Z на расстоянии f от звукопровода 2. С учетом преломления определяется фокусное расстояние сферической линзы, образовавшейся в результате наложения на звукопровод 2 электрического поля о -..Ro . , Отсюда следует, что все акустические лучи пучка независимо от значения р собираются в точку на оси Z, т.е. звукопровод 2 работает как сферическая линза. Из формул (11) и (14) видно, что изменение величины потенциала на электродах звукопровода 2 приводит к изменению фокусного расстояния- if как цилиндрической, так и сферической линзы. Воспользовавшись данными измерений компонент тензоров и 3, рассчитываем для выбранного конкретнрго случая фокусное расстояние, соответствующее цилиндрической линзе. Подставив в формулу (11) значения электрострикционных коэффициентов, выраженных в системе СИ, д -9,4-10 и d 8,1-10, также значения других параметров: 16,9: Ю н/м, RO 2-1(, г , % 10 В, п «.1, получаем для фокусного расстояния значение f «.10 см. Такие же 31 ачения фокусного расстояния получаем и в случае сферического фокусирования. Изменяя разность потенциалов от нуля до « 10 КБ, можно изменять фокусные расстояния предлагаемых линз от о до единиц и десятков сантиметров.