Ультразвуковой преобразователь
ULTRASONIC TRANSDUCER

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при построении высокочувствительной аппаратуры для дефектоскопии, структуроскопии и толщинометрии, работающих в широком диапазоне частот, в частности, при исследовании крупноструктурных и неоднородных материалов, таких как бетоны, пластики и горные породы.
Известен ультразвуковой преобразователь, работающий на продольной моде колебаний (Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении / СПб.: СВЕН, 2007. - 296 с.) и содержащий пьезоэлемент, выполненный в виде плоского диска, рабочая поверхность которого акустически контактирует с контролируемым объектом, и демпфер, закрепленный с возможностью акустического контакта на противоположной поверхности пьезоэлемента, причем пьезоэлемент поляризован перпендикулярно своей рабочей поверхности, а электроды нанесены на рабочую и противоположную поверхности.
Недостатком известного технического решения являются невозможность оперативной подстройки резонансной частоты, т.к. эта операция предполагает изменение резонансной высоты пьезоэлемента, что сопровождается разрушением электрода на поверхности пьезоэлемента, противоположной рабочей поверхности, а также низкая эффективность электроакустического преобразования в режиме приема вследствие высокого значения электрической емкости пьезоэлемента.
Наиболее близким к изобретению по технической является ультразвуковой преобразователь (АС СССР №1786685, МПК В06В 01/02, H04R 17/10, опубл. 07.01.1993), содержащий пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности. Такой пьезоэлемент, работая на поперечной моде колебаний в режиме излучения зондирующего сигнала, особенно в низкочастотном ультразвуковом диапазоне, по эффективности формирования ультразвуковой волны в контролируемом объекте превосходит преобразователь, работающий на продольной моде колебаний, при которой направление излучения (приема) акустической волны совпадает с направлением вектора поляризации. Это объясняется тем, что при одинаковых амплитуде возбуждающего сигнала на выходе генератора зондирующего сигнала и площади рабочей поверхности напряженность электрического поля внутри пьезоэлемента с поперечной модой колебаний, а значит и амплитуда генерируемого акустического сигнала, в десятки раз больше, чем напряженность электрического поля в пьезоэлементе, возбуждаемого в режиме излучения на продольной моде колебаний.
Однако функциональные возможности и сфера использования технического решения, принятого в качестве прототипа, ограничены существенным недостатком, суть которого состоит в том, что эффективность его работы в режиме приема значительно ниже эффективности работы в аналогичном режиме пьезопреобразователя с продольной модой возбуждения.
Техническая задача изобретения заключается в повышении эффективности его работы в режиме приема.
Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных характеристик ультразвукового преобразователя за счет разделения по площади каждого из пары исходных электродов, расположенных на боковых поверхностях пьезоэлемента, на N пар электродов по площади меньших размеров и электрически последовательного соединения вновь сформированных электродов.
Это достигается тем, что в известном ультразвуковом преобразователе, содержащем пьезоэлемент с плоской рабочей поверхностью, первая и вторая боковые поверхности которого выполнены плоскопараллельными и ориентированы перпендикулярно рабочей поверхности, пьезоэлемент поляризован перпендикулярно боковым поверхностям, а электроды нанесены на боковые поверхности, каждый из электродов на боковых поверхностях разделен на N идентичных секций, причем первая секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с второй секцией первой боковой поверхности, N-1 секция электрода второй боковой поверхности электрически соединена с N секцией первой боковой поверхности, а первая секция электрода первой боковой поверхности и N секция электрода второй боковой поверхности являются выходами пьезопреобразователя.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен пьезопреобразователь с тремя электрически независимыми секциями пьезоэлемента с вертикальной ориентацией секций ультразвукового преобразователя. Однако в общем случае пространственная ориентация секций может быть произвольной.
Ультразвуковой преобразователь содержит пьезоэлемент 1, первая боковая поверхность 2 и вторая боковая поверхность 3 которого выполнены плоскопараллельными, рабочая поверхность 4 пьезоэлемента 1 ориентирована перпендикулярно боковым поверхностям 2 и 3, пьезоэлемент 1 поляризован перпендикулярно боковым поверхностям 2 и 3, электрод 2.1 первой боковой поверхности 2 нанесен на первую боковую поверхность 2, а электрод 3.1 второй боковой поверхности 3 нанесен на вторую боковую поверхность 3, на первую боковую поверхность 2 нанесены дополнительно N электродов 2.2…2⋅(N+1), где N - целое число и N>1, и на вторую боковую поверхность 3 нанесены дополнительно N электродов 3.2…3⋅(N+1), все 2⋅(N+1) электродов имеют одинаковую конфигурацию, ориентацию и размер, причем первый электрод 3.1 второй боковой поверхности 3 электрически соединяется со вторым электродом 2.2 первой боковой поверхности 2, второй электрод 3.2 второй боковой поверхности 3 электрически соединяется с третьим электродом 2.3 первой боковой поверхности 2, …, N-й электрод 3⋅N второй боковой поверхности 3 электрически соединяется с N+1 электродом 2⋅(N+1) первой боковой поверхности 2, а первый электрод 2.1 первой боковой поверхности 2 и (N+1)-й электрод 3⋅(N+1) второй боковой поверхности 3 используются в качестве выходов 5 и 6 ультразвукового преобразователя.
Ультразвуковой преобразователь работает следующим образом.
Пьезоэлемент 1 с нанесенными на него электродами представляет собой конденсатор, обладающий емкостью С. Напряжение V на этом конденсаторе определяется следующим выражением [2]:
31
э
0
где Q - заряд, накопленный в конденсаторе; d - пьезомодуль; F - сила, приложенная к пьезоэлементу; S - площадь электрода; ε - электрическая постоянная; ε- диэлектрическая проницаемость.
c
c
э
c
c
При делении каждого пьезоэлемента 1 на N секций, площадь S секции электрода равна S=S/N, а сила, воздействующая на рабочую поверхность 4 секции пьезоэлемента F=F/N. Таким образом, напряжение V, снимаемое с каждой секции, оказывается равным напряжению V, снимаемому с общей площади электрода.
Электрически последовательное соединение трех секций пьезоэлемента, показанное на чертеже, приводит к тому, что напряжение V, снимаемое с пьезоэлемента, возрастает также в три раза.
Σ
п
Σ
п
п
Σ
2
Значение N следует выбирать с учетом величины суммарной паразитной электрической емкости С соединительных цепей и входного каскада приемного тракта, а именно: С/N >> С, где С - величина электрической емкости пьезоэлемента. Так, для пьезопреобразователя, обладающего величиной электрической емкости С=10000 пФ и значении паразитной емкости С=25 пФ, значение N<3…5.
Использование изобретения при приеме ультразвуковых колебаний обладает высокой эффективностью электроакустического преобразования и может найти широкое применение в качестве конструктивной основы раздельно-совмещенных фазированных антенных решеток ультразвуковых томографов, предназначенных для толщинометрии и дефектоскопии различных изделий и конструкций из бетона в строительной индустрии.