Устройство для управления пространственными параметрами пучков упругих волн Советский патент 1981 года по МПК B06B3/04 

1

Изобретение относится к акустике и ультразвуковой технике и может быть использовано для целей ультразвуковой локации, дефектоскопии,микроскопии, голографии, а также в других областях науки и техники, где необходимо управляемое фокусирование ультразвуковых волн.

Известно устройство для управления пространственными параметрами пучков упругих волн., представляющее собой жидкостную линзу с гибкими поверхностями, способными изменять под действием давлением свою кривизну }.

Однако это устройство не позволяет достаточно быстро изменять фокусное расстояние и неспособно фокусировать сдвиговые волны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее звукопровод с управляемыми параметрами, на боковой поверхности которого выполнены параллельно направлению распространения пучка упругих волн четыре цилиндрические канавки с нанесенными на их стенки электродами 2J.

Однако это усу.ройство не позволяет производить сферическую фокусировку сдвиговых волн.

Цель изобретения - обеспечение управляемой сферической фокусировки сдвиговых упругих волн.

Указанная цель достигается тем, что в устройство введен второй идентичный звукопровод с управляемыми параметрами и вращатель плоскости поляризации сдвиговьк упругих волн на 90°, установленный между звуко10проводами и жестко соединенный с ними, причем звукопроводы выполнены из сегнетоэлектрика в параэлектрической фазе, а образукицие цилиндрических канавок в ортогональном к нап15равлению распространения упругих волн сечении описываются уравнением

х - у R, (1) где X и у оси декартовой системы

координат, о втогональные

20 направлению распростране ния упругих волн с началом на акустической оси устройства,

R - расстояния от начала ко25ординат до вершины канавок.

При этом звукопроводы с управляемыми параметрами выполнены из непо30:ляризованной пьезокерамики.

Звукопроводы выполнены из центpocHNiMeTpH4Horo кристалла.

При этом вращатель плоскости поляризации сдвиговых упругих волн на 90 выполнен в виде плоскопараллельной пластинки из материала, обладающего естественной акустической активностью.

Вращатель плоскости поляризации выполнен в виде управляемого пьезоэлемента.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - сечение звукопровода плоскостью ху.

Устройство включает звукопроводы 1 и 2, вращатель 3 плоскости поляризацик- сдвиговых упругих волн на угол 90°, цилиндрические электроды 4 и 5, подключенные к отрицательным . и положительным полюсам источника электрического напряжения, входную (выходную) грани б для ультразвукового пучка. Вращатель плоскости поляризации сдвиговой волны представляет собой плоскопараллельную пластинку из материала, обладающего естественной акустической .активностью, например кварца, либо управляемый пьезоэлемент.

Устройство работает следующим образом.

Ультразвуковой пучок из окружающей звукопроводящей среды проходит через входную грань линзы и распространяется в направлении оси Z. При отсутствии напряжения на электродах пучок является сдвиговой упругой волной с вектором смещения, параллельным оси у. Он может быть создан плоским пьезопреобразователем, непосредственно расположенным на входной границе линзы. При подключении электродов к источнику питания в каждой точке поперечного сечения звукопровода устанавливается распределение потенциала вида

Ф (х,у) Jl (х

У), (2)

где Фо - потенциал на электродах.

Потенциал (2) приводит к появлению составляющих электрического поля по осям X и у:

2 Фо

Е - t X Е АФ у , О у R1 Согласно (3) напряженность электрического поля возрастает строго линей но по рсщиусу от центра звукопровода Так как звукопровод выполнен из сегнето-электрика в параэлектрической фазе (вещества с большой диэлект рической проницаемостью), то внешнее электрическое поле оказывает влияние на скорость распространения упругой волны. Изменение скорости ду обуслов лено электрострикцией - зависимостью

диэлектрической проницаемости от деформации.

Для заданного направления распространения ультразвуковой волны п и 5 вектора ее поляризации и .относитель,ное изменение скорости .V/VQ выражается

. (....Ча.с

о S. I &:

П:П,

Чk6mp c к e m Vg I

5 где , , - электрострикционные постоянные первого и второго порядков соответственно;

-упругие и 5 k;- диэлектри-

ческие постоянные;

ч, скорость распространения упругих волн в отсутствие электрического поля ().

Пусть звукопровод выполнен из

центросимметричного кристалла изотропной или кубической системы. После прохождения входной границы линзы ультразвуковая волна внутри первого

звукопровода распространяется в виде двух собственных волн с различными фазовыми скоростями. Смещения частиц в первой волне направлены по радиусам от центра звукопровода (радиально поляризованная волна), а упругие смещения во второй собственной волне направлены по касательным к окружностям, проведенным из центра звукопровода (азимутально поляризованная волна).

Положение каждого луча в поперечном сечении звукопровода описывает в полярных координатах р и Ф , связанных с декартовыми соотношениями X , у р . Подставив в

(4) значения компонент тензоров для кристаллов изотропной или кубической симметрии, получаем для изменения скорости радиально поляризованных лучей выражение

Р i . .i(d -d kn4« аГоС.й L 156 Д Аналогично для азимутально поляриэованных лучей Р « ksB-O - ass (ь) Vo2« S Из выражений (5) и (6) следует, что распределение потенциала (2) вызывает в поперечном сечении звукопровода квадратичное по радиусу из.менение скорости. При прохождении

через такой звукопровод, где создан поперечный градиент скорости, акустические лучи изгибаются в сторону уменьшения скорости, причем траектория их движения определяется уравнениемгде 0 - угол между касательной к лу чу и осью звукопровода Z. Из уравнения (7) с учетом (5) и (6) находят углы отклонения лучей от перпендикуляров, восстановленных к входной границе устройства, после прохождения первого звукопровода то щиной 1. При этом радиально поляризованные лучи отклоняются на угол 0Р , равный ,1 0 г п п. ..Xb«s-..)-а азимутально поляризованные - на угол &J , равный fe{--() ° После прохождения акустического пучка через вращатель плоскости пол ризации каждый луч с радиальной пол ризацией становится азимутально по ляризованным и наоборот. Поэтому по ле прохождения второго звукопровод дополнительный угол отклонения Q тех лучей, которые были радиально ляризованы в первом моноблоке, раве St et , а угол 0, тех лучей, которые были азимутально поляризованы в первом звукопроводе, равен 9 вЛ Полный угол & отклонения ультра звуковых лучей на всей длине звукопровода не зависит от.азимутального угла О и равен О 4. j.ef,. g,). («) , Поэтому все ультразвуковые лучи собграются в точку на расстоянии F от входной грани звукопровода, причем В формуле (11) из-за преломления на выходной грани угол отклонения изменяется на величину п, равную от ношению скорости во внешней сре де к скорости УО в материале звукопровода .

Согласно (10) и (11) , фокусное расстояние линзы определяется по формуле

itc

ч

4d --«у )

ass &&J(1/ Таким образе, выбранная конфигурация электродов создает линейно изменяющееся по радиусу электрическое поле в звукопроводе, которюе из-за электрострикционного эффекта обеспечивает квадратичное по радиусу распределение акустической скорости, необходимое для сферической фокусировки поперечно поляризованного ультразвукового пучка. Величина фокусного расстояния линзы меняется путем изменения разности потенциалов, приклс1дываемых к электродам. При отсутствии напряжения на электродах линза действует как плоскопараллельная пластинка. Пример. Рассмотрим линзузвукопровод, который выполнен из неполяризованной пьезокерамики на осt нове BaTi. О-з. Сдвиговая упругая волна внутри звукопровода создается кварцевым преобразователем, рассчитанным на частоту 13 МГц. Длина каждого моноблока равна 5 см, а расстояние между вершинами электродов 2R 4 см. Данные для электрострикционных коэффициентов этой пьезокерамики равны С, - 5,110 , б 510. Тогда ри управляющем потенциале Ф 5 кВ фокусное расстояние равно F 10 см. При изменении потенциала на электродах от нуля до 5 кВ фокусное расстояние устройства меняется от оо до F 10 см. Предлагаемое устройство позволяет перестраивать фокусное расстояние в широком диапазоне и его можно менять по любому, наперед заданному закону путем изменения по такому же закону управляющего потенциала на электродах. Формула изобретения 1. Устройство для управления пространственными параметрами пучков упругих волн, содержащее звукопровод с управляемыми параметрами, на боковой поверхности которого выполнены параллельно направлению распространения пучка упругих волн четыре цилиндрические канавки с нанесенными на их стенки электродами, отличающееся тем, что, с целью обеспечения управляемой сферической фокусировки сдвиговых упругих волн, в него введен второй идентичный звуопровод с управляемыми параметрами и вращатель плоскости поляризации двиговых упругих волн на 90, устаовленный между звукопроводами и жес