Устройство для управления ультразвуковыми пучками Советский патент 1982 года по МПК B06B3/04 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ

1

Изобретение относится к акустике (и ультразвуковой технике и может, быть использовано в акустооптических системах, в системах гидролокации и ультразвукового контроля и диагностики,,а также в других областях науки и техники, где требуется управляемое сканирование ультразвуковых пучков.

Известно устройство для отклонения акустических пучков, в котором используется пьезопреобразователь, выполненный в виде клиновидной плас тины И .

Однако в этом устройстве распределение фазы на излучающей грани такого преобразователя зависит от частоты возбуждающего электрического поля; с ее изменением происходит изменение направления распространения излучаемого им акустического пучка. Это устройство также должно содержать специальную электронную систему для изменения частоты возПУЧКАМИ

бу :;дающих сигналов. При этом зависимость угла отклонения акустического пучка от его частоты имеет существенно нелинейный характер и зависит от параметров пьезопреобразователя, что осложняет схему управления отклонением.

Известно также устройство для управления ультразвуковыми пучками, содержащее элемент для изменения фазы ультразвуковых колебаний, выполненный в виде звукопровода из пьезоэлектрического материала (анизотропного кристалла), обладающего упругоэлектрическим эффектом, на бо ковую поверхность которого наложены четыре цилиндрических электрода, подсоединенных к источнику питания, образующие которых параллельны направлению распространения .ультразвука, а форма электродов в ортогональном k оси распространения семении имеет вид гиперболы 121.

390

Внешнее электрическое поле,приложенное к электродам, изменяет величину коэффициентов упругости вещества звукопровода. Форма электродов обеспечивает линейное изменение коэффициентов упругости в зависимости от координаты, вдоль которой происходит отклонение пучка, благодаря чему за счет рефракции ультразвуковой пучок отклоняется от первоначаль ного направления распространения.

Основным недостатком этого устройства является выполнение звукопровод из материала, обладающего упругоэлектрическим эффектом, при котором изменение скорости ультразвуковой волны линейно зависит от напряженности создаваемого электродами поля. Как известно, этот эффект мал. Поэтому для изменения относительной скорости ультразвуковой волны на десятые доли процента требуется изменение напряженности электрического поля в десятки или даже сотни киловоЛьт на сантиметр. При этом, конструктивное выполнение известного устройства, использующего упругоэлектрический эффект в материале, предполагает обязательное выполнение на поверхности кристалла (звукопровода) четырех электродов гиперболического сечения, что сопряжено со значительными технологическими трудностями.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для управления ультразвуковыми пучками, содержащее звукопровод с управляемыми параметрами, выполненный из материала, обладающего квадратичным электроакустическим эффектом, на одной из боковых поверхностей которого выполнена вдоль акустической оси устройства канавка цилиндрической формы с нанесенными на ее стенку и противоположную ей боковую поверхность электродами 13) .

Однако это устройство требует подачи на него высоких напряжений и не позволяет изменять направления распространения пучка без его искажения .

Целью изобретения является снижение величины управляющего напряжения и обеспечение изменения направления распространения пучка без его искажения.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что поверхность звукопровода, противоположная поверхности с цилиндрической канавкой выполнена в форме двугранного угла, симметричного относительно акустической оси устройства, при это форма цилиндрической поверхности канавки выполнена согласно уравнению направляющей

R D (cos Й ,

где D - расстояние между вершинами двугранногр угла и цилиндрической канавки угол, отсчитываемый от прямой, соединяющей эти вершины .

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство состоит из звукопровода 1, выполненного из материала, обладающего квадратичным электроакустическим эффектом. На боковой поверхности звукопровода выполнена цилиндрическая канавка 2, а противоположная ей боковая поверхность 3 выполнена в виде двугранного угла. На эти поверхности нанесены электроды (на чертеже не показаны). Образующая канавки и ребро двугранного угла параллельны акустической оси устройства. Направляющая цилиндрической поверхности канавки определяется уравнением

R D(cos -)

(1)

где R - расстояние от начала координат, лежащего на ребре, двугранного угла до произвольной точки направляющей. Устройство работает следующим

образом.

При подаче на электроды потенциала р в звукопроводе устанавливается распределение потенциала

.)-fj (2)

О

Из выражения (2) можно определить

Sop компоненты электрического поля ЦзсЖ.

- )

Нахождение Е дает

Следовательно, изменение скорости волн пропорционально R

Vl

(3)

R, ,2,3

D

где , -, скорость звуковых волн при отсутствии электрического поля. Коэффциенты ОЦ определяются

dg OScfA

e3rpv

()

Ш

где d,do ,dA компоненты тензора пятого ранга, описывающего электрострикцию;

f - плотность среды; Vi и Vft - фазовые скорости

поперечных и продольных волн в отсутствии электрического поля.

При прохождении вдоль оси z ультразвуковой пучок отклоняется в сторону уменьшения акустической скорости. Угол отклонения луча после прохождения звукопровода длиной 1 определяется выражением

1 dVi

i 1,2,3. (5)

Vf dR

Подставляя выражения (З) и (5) для величины угла отклонения имеем

9 1

(6)

/ь

ТГ

Из-за преломления на границе звукоировода и акустической среды угол отклонения можно увеличить в VciK

- скоц- раз,- где

п;

п

рость звука в среде. С учетом этого окончательно для. угла отклонения ультразвукового пучка получим формулу

..t a,,

(7)

При приложении к электродам разности потенциалов в дефлекторе создается неоднородное электрическое поле. По направлению к электроду напряженность его больше в соответствии с выражением (2). Таким образом, чем ближе лучи исходного

пучка, сечение которого ограничено на чертеже пунктирной линией к электродУ, тем, согласно выражению (k), меньше их скорости. По мере, прохождения дефлектора лучи пучка постепенно отклоняются вдоль радиусов-векторов в сторону электрода.

Формула изобретения

Устройство для управления ультразвуковыми пучками, содержащее звукопровод с управляемыми параметрами, выполненный из мат.ериала, обладающего квадратичным электроакуст11ческим эффектом, на одной из боковых поверхностей которого выполнена вдоль акустической оси устройства канавка цилиндрической формы с нанесенными на ее стенку и противоположную ей боковую поверхность электродами, отличающееся тем, что, с целью снижения величины управляющего напряжения и обеспечения изменения направления распространения пучка без его искажения, поверхность звукопровода, противоположная поверхности с цилиндрической канавкой выполнена в форме двугранного угла, симметричного относительно акустической оси устройства, при этом форма цилиндрической поверхности канавки выполнена согласно уравнению направляющей

1)R О (

cos

где D. расстояние между вершинами двугранного угла и цилиндрической канавки; J- угол, отсчитываемый от прямой, соединяющий эти вершины.

Источники информации, принятые во внимание пои экспертизе

1.Балакший В.И. и др.Угловое смещение акустического пучка, возбуждаемого клиновидным пьезопреобразователем.- Акустический журнал, т.2, вып. k, 1976, с. k2Q-k26,

2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2720718/18-10, кл. В Об В 3/ОА, 1979.

3.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2737256, кл. В Об В 1979 (прототип).