(5) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
1
Изобретение касается ультразвуковых преобразователей для визуализации полей ультразвуковых колебаний методом преобразования конфигурации полей акустического давления в жидкости в видимый аналог, применяемых в различных областях промышленности, в частности в диагностике.
Известно устройство, состоящее из электронно-лучевой сканирующей трубки и смонтированной на ней резонирующей пластины с кварцевым покрытием на внешней стороне D.
Однако это устройство не обладает адекватной разрешающей способностью и чувствительностью. Кроме того, не до конца разрешена проблема надежности.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является преобразователь, содержащий линейный ряд отдельных пьезоэлектрических элементов, подключенных через электрическое контактное устройство к усилителю и подвергающихся электронному сканированию на большой скорост) ти, в то время как весь ряд механически перемещается вдоль поверхности изображения или поле звукового изображения перемещается мимо неподвижного ряда 2.
Недостатки данного устройства невысокая точность изображения и малая чувствительность.
10 Цель изобретения - повышение точности изображения и чувствительности. Цель достигается тем, что устройство содержит линейную решетку из линейных рядов пьезоэлектрических
5 элементов, имеющих слой акустического импедансного материала и расположенных по одной кривой, определяемой конфигурацией преобразуемого сжатого поля звукового изображения,
20 вдоль которой расположена цилиндрическая линза, центрируемая над решеткой между полем и пьезоэлементами.
Кроме того, кривая представляет собой дугу, решетка из пьезоэлектрических элементов выполнена в вида множества модулей, расположегчных один за другим, причем каждый мо-. дуль включает один линейный ряд из пьезоэлектрических элементов в форме пластин из пьезоэлектрического материала и ряд отдельных пьезоэлементов прямоугольной формы, отде ленных друг от друга тонкими прямоугольными г1ромежутками. Слой акусти ческого импедансного материала контактирует с одной поверхностью реше ки из пьезоэлектрических элементов, расположен между элементами и преобразуемым полем звукового давления и имеет толщину 1/ длины волны при соответствующей частоте. Импедансны материал состоит из смеси 2 весД эпоксида и 58 вес.| порошка вольфра ма. Электрическое контактное устрой ство включает электрический проводник, соединенный с общей поверхностью пьезоэлектрических элементов отдельные контакты, соединенные с противоположной поверхностью каждого пьезоэлемента, и экранирующие средства, соединенные с общим проводником, и с первым узлом проводников, который состоит из проводников на противоположных концах пье зоэлементов, вторым узлом проводников, соединенным с отдельными кон тактами пьезоэлементов х инейной решетки. Усилитель включен между общи проводником и каждым отдельным проводником второй группы проводников. На фиг. 1 показан предлагаемый ультразвуковой преобразователь, вариант; на фиг. 2 - разрез А-.А на фиг.1; на фиг.З пьезоэлектрически элементы, вид сверху; на фиг. k вид обратной стороны части одного элемента узла преобразователя, с изображением решетки пьезоэлектрических элементов, их несущей конструкции и электрические соединения; на фиг. 5 - линейный ряд пьезо электрических элементов с частичным вырезом, с изображением монтажа пье зоэлектри ческих элементов .увеличенный виде торца ; на фиг. 6 - то же, показан только край пьезоэлектричес кого элемента и линза; на фиг. 7 верхняя часть решетки преобразователя (пьезоэлектрическая пластина ) линза, вид сверху; на фиг. 8 - лииейный ряд пьезоэлектрических элементов с изображением соединения всех элементов каждого несущего узл ьезоэлектрической решетки, вид сбоку. Ультразвуковой преобразователь 1 остоит из модулей 2 с прорезями 3 в которых установлены линейные ряды ьезоэлектрических элементов , пребразующие сжатое поле звукового изображения в электрические импульы. Линейному ряду придана конфигуация дуги с тем, чтобы одной линией ересечь сжатое поле звукового изобажения. Причина, по которой изогнутый инейный ряд больше соответствует сжаому полю,изображения, чем ряд.в форе прямой линии, заключается в том, то линза, используемая для фокусиования изображения в рассматривамом варианте, формирует сфокусированное сжатое поле изображения в фор- е сегмента сферы, а линия, пересекающая сегмент сферы, представляет собой дугу. Каждый ряд пьезоэлектрических элементов k обработан таким образом, что на нем имеется 32 выемки 5 и -такое же количество выступов 6. На одном конце ряда имеется выступ 6 полного профиля, а на другом конце - выемка 5 полного профиля, так что когда модули собираются один к другому, то выступы и выемки чередуются по всей длине решетки. Для хорошего электрического контакта по пьезоэлектрической решетке обе стороны ряда пьезозлементов 4 покрываются слоем 7 хорошего проводника, например серебра, до того, как на нее. наносятся аЫемки 5, которые эффективно разделяют проводники, нанесенные на верхнюю часть выступов 6, так что выступы могут быть независимо подсоединены к электрической схеме. Протяженность опоры ряда пьезоэлементов А составляет длину металлической панели 8, имеющей по всей ширине несущий паз 9. Лаз идет по всей ширине металлической панели. Чтобы обеспечить опору для ряда пьезоэлементов 4, металлическая панель 8 со стороны паза имеет ступенчатую конфигурацию, поэтому губка 10 находится на каждой стороне панели и паза. Ряд пьезоэлементов k размещается в фасках на ответных губках 10, фиксируется заподлицо с обратной стороной металлической панели 8. При этом выступы 6 имеют направление по общей длине панели 8. Ширекая часть паза 9 имеет такую же ширину (10, 9 мм) как ряд П1зезоэлементов k, а направляющие губки 10, паза - примерно 0,381 мм. Ряд пьезоэлементов фиксируется в пазу с помощью эпоксидного клея. При склеивании ряда пьезоэлементов k в пазе 9 клей может нарушать электрическую связь между проводящим слоем 7 на передней стороне ряда и панелью 8. Поэтому наносят проводящее покрытие 11 (например золото) на проводящий слой 7 по поверхности ряда пьезоэлементов и на часть поверхности панели 8, прилежащей к губкам паза с обеих его сторон. Проводники на противоположных сторонах пьезоэлектрических элементов k снимают электрический сигнал (напряжение), генерируемый сжатым полем изображения, отображающимся на поверхности пьезоэлектрических элементов.
Для наилучшей передачи энергии между наклонным сжатым полем изображения и рядом пьезоэлементов на поверхность последних нанесен материал 12 с соответствующим импедансом. Ширина паза 9 эквивалентна длине волны в передающей среде детектируемой ультразвуковой частоты. Здесь ширина паза 10, 1 мм (расстояние между губками 10.). Материал 12, который заполняет паз, выбирается так, чтобы его импеданс равнялся квадратному корню из .произведения величин импедансов пьезоэлектрической керамики и передащей среды. В качестве импедансного материала бе-; рут эпоксид или полистирол, смешанный с вольфрамовым или алюминиевым порошком. Толщина импедансного материала такая же, как и толщина губки 1 О несущей панели 8, а именно I/ длины волны (в импедансном материале ) детектируемой ультразвуковой частоты. В данном случае толщина импедансного материала 0,203мм а смесь - 58 вес.% порошка вольфрама и Ц2 вес.% эпоксида. Получаемый акустический импеданс составляет 7,1 кг/м. Каждый выступ или выемка представляет собой один первичный элемент датчика (пьезоэлектрической решетки) и снятие изображения сжатого поля происходит последовательно, элемент за элементом.
Самое лучшее воспроизведение поля изображения получают, если сегменты (первичные элементы) хорошо сцепляются и чередуются. Для этого нужно, чтобы каждый элемент решетки датчика имел одинаковую высоту и ширину, т.е. чтобы элементы были квадратными. Однако на практике выступы 6 решетки имеют большую длину (высоту), чем ширину. Чтобы компенсироват это несоответствие по длине паза 9 решетки преобразователя и параллельно ей устанавливают цилиндрическую коллиматорную линзу 13, расположенную от решетки преобразователя на расстоянии, позволяющем сводить в одну точку наклонное волновое поле для фокусировки в плоскости решетки в направлении, параллельном ци- линдрической линзе. Нужный интервал между коллиматоряой линзой и выступами 6 ряда пьезоэлементов k обеспечивается предохраняющими прокладками j, которые располагаются по длине несущего паза 9 на его противоположных сторонах и на поверхности металлической панели 8. Нижний край прокладок Ik крепится к поверхности панели 8, а верхний край, скошенный по своей длине для того, чтобы соответствовать кривизне линзы, закрепляется на нижней поверхности линзы. Таким образом, прокладки удерживают линзу 13 в нужном положении над выступами 6 ряда пьезоэлементов 4. Материал, из которого изготовляют прокладки , не существенен, так же как не существенно расстояние между прокладками, за исключением того, что они должны быть расположены достаточно далеко от краев паза 9i в котором помещается ряд пьезоэлементов k, чтобы не искажать наклонного поля акустического сжатия.
На фиг. 6 и 7 показаны действия линзы, которая позволяет фокусировать сходящееся в одной точке волновое поле в одном ряду плоскости и придавать параллельность сходящимся в одной точке волновым полям в другом ряду плоскостей. На фиг.6 схематично показано на конвертирующих линиях 15, что сходящиеся в одной точке волновые поля, которые обычно располагаются в плоскостях по вертикали ряда пьезоэлектрических элементов 4, проходят через линзу 13 и за счет искривленных поверхностей цилиндрической линзы.становятся параллельными в плоскостях, которые располагаются обычно по длине вытянутых выступов 6 ряда пьезоэлементойр т,.е. перпендикулярно продольной оси коллиматорной линии 13 На фиг. 7 показано схематически на линиях 16 и стрелками на них, что фокусируются сходящиеся э одной точке волновые поля, которые обычно расположены в плоскостях вдоль продольной ос-и линзы 13.
Наблюдая за наклонными, сходящимися в одной точке, полями, обозначенными линиями 16, видно, что наклонное волновое поле сначала ускоряется на встречающейся коллиматорной линзе 13 (на это указывают направленные внутрь линии в линзе 13 так как линза изготовлена из материала, в котором звук имеет скорость, большую, чем в окружающей проводящей звук среде. Когда звуковые волны выходят из линзы 13 на стороне решетки, они опять замедляются и поэтому снова сходятся в одной точке (показано линиями 17) под своим первоначальным углом наклона. Линза 13 Удалена от выступов 6 ряда пьезоэлементов 4 на расстряиие, необходимое для того, чтобы фокусировать звуковые волны на поверхность выступов 6. Если используется материал, обладающий большей звукопроводностью, чем скорость звука в окружающей среде, линt за делается выпуклой в поперечном сечении, параллельном в месте выступов 6 (через паз 9,), но одной и той же формы в любом данном поперечном сечении, параллельном продольному измерению паза 9На практике линза 13 может быть выполнена в виде одного изогнутого куска, который точно соответствует всей длине прорези 3 на всем преобразователе 1, или она можегт быть ыполнена в виде сегментов, которые окрывают паз 9 только для одного одуля 2 и имеют края, изогнутые (не показано) так, что, когда отдельые модули 2 соединяются вместе в дин общий преобразователь, обрауется только одна линза, В некоторых случаях, например скорее с квадратными, чем с вытянутыми элементаи решетки, линза не нужна. Электрическое соединение выполнено между передней стороной решетки выступов и металлической панелью 8 посредством проводящего покрытия 11 или покрытия из золота. 8 качестве средства для получения электрических соединений со слоем 7 из серебра на
сторонах панели 8, противоположныА аершинам выступов 6, выполнена пара панелей 18, 19 печатной схемы (фиг,).
Таким образом, ряд пьезоэлементов k помещен на губках 10 металлической панели 8 и между панелями печатной схемы. Стороны панелей 18, 1.9 печатной схемы, которые связаны с металлической панелью 8, не являются проводниками, т.е.-,панели 18, 19 печатной схемы электрически изрлированы от панели 8. Панели 18, 19 печатной схемы покрыты проводящим материалом, вытравленным таким .образом, что множество.проводящих контактов 20 и 20а на панели 18 и контактов 21 и 21а - на панели 19 расположены по панелям параллельно выступам 6 и выемкам 5 в ряде пьезоэлементов 4 и точно совпадают с выстуяами. На каждой из панелей 18 и 19 имеется столько же проводящих контактов, сколько выступов 6 на ряде пьезоэлементов k.
Чередующиеся контакты на каждой панели соединены с перемежающимися выступами 6 посредством небольших свинцовых проводков 22.
Контакты, которые подсоединены, расположены в прямом соответствии с подсоединенными выступами 6. Подсоединенные проводящие контакты 20а на панели 18 печатной схемы прямо противоположны неподсоединенным контактам 21, а соединенные проводящие контакты 21а на панели 19 печатной схемы находятся в прямом соответствии с неподсоединенными контактами 20 на панели 18 печатной схемы. Неподсоединенные контакты 20 и 21 на обеих панелях печатной схемы обеспечивают экранирование подсоединенных контактов 20а и 21а, которые являются частью действующей схемы. Чтобы выполнить функцию экранирования, неподсоединенные контакты 20 на панели 18 все соединены для образования одного проводящего элемента (посредством проводящей рейки 23, которая располагается по наружной стороне). Экран завершается проводником 24,
который соединен как с обратной стороной проводящей рейки 23 на экране, так и с ближайшим прилегающим участком несущей панели 8.
Подобным образом контакты 21а на панели печатной схемы экранируются с помощью проводящей полосы 25, расположенной по внешей стороне панели 19 печатной схемы, которая (полоса ) соединяет остальные контакты 21. Экранирующий контур связан с ближайшим участком металлической па нели 8 контактом 26. Таким образом, проводящие структуры на обеих панелях 18 и 19 печатной схемы эффективно заземлены для образования экрана Фарадея, что предотвращает съем помех проводящими контактами 20а и 21а действующей схемы. Каждый модуль 2 преобразователя должен быть закреплен прочно, чтобы избежать ра лома ряда пьезоэлементое Ц преобразователя, модули 2 долины быть точно и прочно закреплены для образования преобразователя. Для того, чтобы противоположные стороны метал лической панели В находились в жест кой связи, имеется перемычка 27 с пазом (фиг.5), которая пересекает обратную часть ряда пьезоэлементов k, так что паз расположен над и параллельно пазу 9 в металлической панели 8. Опорная перемычка 27 изготовлена из непроводящего материала, например пластика, и не служит препятствием проводимости в проводящих контактах на панелях 18 и 19 печатной схемы. Перемычки пазов про но прикреплены эпоксидной смолой к панелям печатной схемы. Чтобы обеспечить средства для соединения отдельных модулей 2 с дуговидным узлом, держащим элемент для всего преобразователя 1, а также обеспечить средства для присоеди нения некоторых электронных схем к модулю, алюминиевый блок 28 крепится болтами 29 с обратной стороны . опорной перемычки 27. Перемычка 27 должна быть непроводящей, в то время как весь блок может быть проводя щим. Алюминий является легким и относительно инертным материалом, из которого получается прочная подложка, и с модулем 2 легче манипулировать, когда он выполнен из двух частей, т.е. облегчена подгонка отдельных модулей 2 друг к другу. Алюминиевый блок 28 крепится с помощью дуговидного несущего элемен та, и удерживается болтами 29. На ал миниевом блоке монтируется четыре панели 30 печатной схемы, на каждой из которых крепятся элементы и проводники четырех предварительных уси лителей (всего 32 предварительных усилителя). Две панели крепятся на каждой стороне алюминиевого блока и расположены в направлении вниз к панелям 18 и 19 печатной схемы на обратной стороне проводящей панели 8. На каждой стороне алюминиевого блока монтируются панели печатной схемы параллельно друг другу Болт 31 помещен между внутренними панелями 30 печатной схемы и несущим алюминиевым блоком 28, а промежуточный изолирующий блок 32 помещен между внутренними панелями 30 печатной схемы и следующей внешней панелью предварительного усилителя. Чтобы обеспечить электрические контакты между предварительными уси лителями на панелях 30 печатной схемы и проводящими контактами на панелях 19, 18 печатной схемы, проводящие планки 33 идут от соответствующих проводящих контактов 20 и 21 к схемам на панелях предварительных усилителей. Таким образом электрический сигнал, генерируемый каждым элементом пьезоэлектрической решетки на каждом отдельном модуле 2 преобразователя 1,передается через проводящие контакты 20 и яроводящую рейку 23 к отдельным предварительным усилителям на панелях 30 печатной схемы. На каждой из панелей 30 печатной схемы имеются отдельные гнезда 3, в которые подсоединяются проводники. По ним проходят усиленные электрические сигналы, отображающие сжатое поле изображения для дальнейшего усиления или использования. формула изобретения 1. Ультразвуковой преобразователь для преобразования участка сжатого поля звукового изображения в электрический сигнал, выполненный в виде линейного ряда отдельных пьезоэлектрических элементов, подключенных ерез электрическое контактное устройство к усилителю, отличающийся тем, что, с целью повышения точности изображения и чувствительности, он содержит линейную решетку из линейных рядов пьезоэлектрических элементов, имеющих слой аку стического импедансного материала и расположенных по одной кривой, определяемой конфигурацией преобразуемого сжатого поля звукового изображения цилиндрическую линзу, цент рируемую. над решеткой между Нолем и пьезоэлементами, 2.Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что крива представляет собой дугу. 3.Преобразователь по , о т личающийся тем, что решет ка из пьезоэлектрических элементов выполнена в виде множества модулей, расположенных один за другим, приче каждый /модуль включав. один линейны ряд из, пьезоэлектрических элементов в форме пластин из пьезоэлектрического материала и ряд отдельных пьезрзлементов прямоугольной формы, от деленных друг от друга тонкими прямоугольными промежутками.. Ц. Преобразователь по п.1, о т ли чающийся тем, что слой акустического импедансного материал контактирует с одной поверхностью решетки из пьезоэлектрических элементов , расположен между элементами и преобразуемым полем звукового дав ления, и имеет толщину 1/k длины волны при соответствующей частоте. 5. Преобразователь по n.t, о т личающийся тем, что импедансный материал состоит из смеси 42 вес. эпоксида и 58 вес. порошка вольфрама. 6.Преобразователь по п.З, о т личающийся тем,- что электрическое контактное устройство включает общий электрический проводник, соединенный с общей поверхностью пьезоэлектрических элементов, отдельные контакты, соединенные с противоположной поверхностью каждого пьезоэлемента, и экранирующие средства, соединенные с общим проводником и с первым узлом проводников, который состоит из. проводников на противоположных концах пьезоэлементов, и вторым узлом проводников, соединенным с отдельными контактами пьезоэлементов линейной решетки. 7,Преобразователь по ,п-3 о тличающийся тем, что усилитель включен между общим проводником и каждым отдельным проводником второй группы проводников. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 90236, кл. G 01 N 29/00, 1936. 2.Journal of the acoustical Society of America, v. kk, r, 6, December 1968, p. 1719-1730.
j
J А- А
S
7 ff f
U/ /
/
р f
Г
У
. 2
/
8
/
фиг. 3
7/24
21
Фиг.
фиг. 6
д J J1 28 29Э1 -г. 7л / /II //// /
