ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
PIEZOELECTRIC CONVERTER

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений, основанных на излучении и приеме акустических колебаний.
Известны ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи для излучения и приема объемных линейно-поляризованных акустических колебаний [И.Н.Ермолов, М.Б.Гитис, М.В.Королев и др. «Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля»// Ред. И.Н.Ермолова. Издательство Машиностроение, Москва, 1986 г., стр.202]. Например, прямые совмещенные преобразователи содержат пьезоэлектрическую пластину, протектор, электроды и демпфер, обеспечивающий гашение колебаний с тыльной стороны пьезопластины.
Ближайшим аналогом являются известные симметричные биморфные пьезоэлектрические преобразователи, излучающие объемные волны [В.М.Шарапов, М.П.Мусиенко, Е.В.Шарапова. «Пьезоэлектрические датчики»// Издательство Техносфера, Москва, 2006 г., стр.290]. Такие преобразователи состоят из двух одинаковых поперечно- поляризованных пьезоэлектрических пластин, поверхности которых находятся в акустическом контакте друг с другом и содержат электроды, соединенные с источником электрического сигнала. Соединение с источником может осуществляться таким образом, что наружные электроды подсоединены к одному выходу источника, а внутренние электроды - к другому, или так, что наружный электрод одной пластины и внутренний электрод другой пластины подсоединены к одному выходу источника, а два оставшихся электрода - к другому выходу. Толщина пьезопластин близка к величине VI на рабочей частоте, а направления векторов поляризации в пластинах параллельны. Пластины соединены так, что под действием напряжения одна из них расширяется, а другая сжимается, в результате чего создаются изгибные колебания преобразователя, возбуждающие акустические колебания в контактирующей среде.
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для излучения объемных волн круговой поляризации, т.е. волн, в которых траектория движения частиц имеет форму круга.
<mrow><mi>λ</mi><mo>/</mo></mrow>
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый преобразователь, как и известный, содержит две одинаковые пьезоэлектрические пластины с электродами на их поверхностях и обеспечивает излучение объемных акустических волн. Поверхности пластин находятся в акустическом контакте друг с другом и содержат электроды, соединенные с источником электрического сигнала. Но, в отличие от известного устройства, направления поляризации пластин ориентированы ортогонально друг другу, а толщина пластин должна быть близка к величине
4 на рабочей частоте.
<mrow><mi>λ</mi><mo>/</mo></mrow>
При наложении двух волн, имеющих ортогональную поляризацию, равные амплитуды и разность фаз 90°, суммарное колебание будет иметь круговую поляризацию. Поперечная волна, излученная одной из двух акустически соединенных пьезоэлектрических пластин, проходит через вторую пластину, что обеспечивает ей временную задержку и фазовый сдвиг 90° при толщине пластин, близкой к величине
4 на рабочей частоте. В результате характер излучаемых колебаний определяется разностью фаз и амплитудами колебаний, излучаемых каждой пластиной. При этом в силу симметрии конструкции преобразователя излучение осуществляется обеими наружными поверхностями пьезопластин.
<mrow><mi>λ</mi><mo>/</mo></mrow>
Техническим результатом является расширение номенклатуры электроакустических преобразователей, а именно создание пьезоэлектрического преобразователя, излучающего волны с круговой поляризацией. Это достигается за счет сложения двух излучаемых линейно-поляризованных поперечных волн с фазовым сдвигом 90°. Фазовый сдвиг возникает из-за временной задержки сигнала от одной из пластин, получаемой при прохождении волны через другую пластину, имеющую толщину, близкую к величине
4 на рабочей частоте.
Для доказательства был проведен анализ распространения в пластинах кварца Y- среза двух типов поперечных волн: с поляризацией по оси X и с поляризацией по оси Z. Распространение волн внутри каждого элемента описывается одномерным волновым уравнением, решение которого в общем случае представляет собой совокупность двух волн, движущихся навстречу друг другу.
Для каждого слоя волн процесс можно представить в виде:
<mrow><msub><mi>ξ</mi><mrow><mi>i</mi><mn>.0</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow>
где
- неизвестные амплитуды смещения в волнах; j - комплексная единица,
;
- временной набег фазы; k - волновой вектор волны.
С учетом граничных условий, которые заключаются в непрерывности векторов смещений на границе слоев и равенстве нормальных компонент напряжений, получаем систему уравнений относительно неизвестных амплитуд волн.
Для пьезопластин дополнительным условием является необходимость учета электрических характеристик. Использован закон Гука в тензорной форме для пьезоактивных сред:
<mrow><msub><mi>σ</mi><mi>j</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub></mrow>
i
jk
iq
k
где
- компоненты механических напряжений,
- модули упругости среды, U - компоненты упругих деформаций, e, e - пьезопостоянные среды, E - компоненты вектора напряженности электрического поля.
Учет пьезоэлектрических характеристик приводит к представлению механических напряжений в более сложном виде:
i
где d - толщина слоя (пластины)
i
<mi>ρ</mi>
<mrow><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>ε</mi><mi>u</mi></msup><msub><mrow /><mrow><mi>i</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>\</mo></msup></mrow>
компоненты тензора диэлектрической проницаемости среды при постоянной деформации, с - скорость волны в соответствующем слое,
- плотность среды соответствующего слоя,
- электрическая постоянная,
- относительные значения компонентов.
В результате механическое напряжение в пьезоэлектрической пластине по оси X будет:
i
где z - удельное акустическое сопротивление среды.
После преобразований уравнение для механических напряжений в пьезоэлектрической пластине примет вид:
Аналогичным образом записываются выражения для механических напряжений на каждой границе колебательной системы. Система из этих выражений была составлена, решена относительно коэффициентов при компонентах смещения и проанализирована авторами заявки. При решении системы уравнений сформировались характеристики движения частиц, находящихся на поверхности пьезопластин, и строились траектории их движения. Анализ показал, что движение частиц в волнах по круговым траекториям, излученных в обе стороны от поверхности преобразователя, противоположны по направлению.
Совокупность признаков, сформулированная в п.2 формулы изобретения, характеризует пьезоэлектрический преобразователь, отличающийся тем, что электроды соединены с одним источником электрического сигнала так, что наружные электроды соединены с одним выходом источника, а внутренние электроды - с другим.
При таком электрическом соединении к электродам подводится напряжение одинаковых амплитуд, что обеспечивает излучение поперечно поляризованных волн одинаковых амплитуд, что, в свою очередь, приводит к формированию круговой поляризации суммарного колебания.
Совокупность признаков, сформулированная в п.3 формулы изобретения, характеризует пьезоэлектрический преобразователь, отличающийся тем, что электроды соединены с источником электрического сигнала так, что наружный электрод одной пластины и внутренний электрод другой пластины подсоединены к одному выходу, а два оставшихся электрода - к другому выходу.
В этом случае к пластинам также подводится одинаковое напряжение, что приводит к получению технического результата, но направление движения частиц по круговым траекториям в обеих излучаемых преобразователем волнах меняется на противоположное.
При возбуждении пластин электрическими сигналами с различными амплитудами вид поляризации преобразуется в эллиптическую.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструкция пьезоэлектрического преобразователя для излучения волн круговой поляризации с двумя возможными схемами электрического подключения (а и б), на фиг.2 схематически показан процесс формирования волны круговой поляризации вследствие наложения двух ортогонально поляризованных волн, на фиг.3 схематически показана траектория движения частиц на поверхности пьезоэлектрических пластин в преобразователе, полученная в результате строгого расчета.
На фиг.1 представлена конструкция преобразователя. Направления линейных поляризаций а и б двух одинаковых поперечно поляризованных пьезоэлектрических пластин 1 и 2 взаимно ортогональны. Толщины пластин одинаковы и равны λ/4 на рабочей частоте. Поверхности обеих пластин содержат электроды 3, подсоединенные к источнику напряжения. Фигуры а) и б) показывают возможные схемы электрического подключения электродов в устройстве. На фиг.1а электроды соединены с источником электрического сигнала так, что наружные электроды соединены с одним выходом источника, а внутренние электроды - с другим, а на фиг.1б так, что наружный электрод одной пластины и внутренний электрод другой пластины подсоединены к одному выходу, а два оставшихся электрода - к другому выходу. В этом случае направление движения частиц по круговым траекториям в обеих излучаемых преобразователем волнах меняется на противоположное. Оба типа электрического соединения приводят к получению технического результата. Поперечная волна, излученная одной из пьезоэлектрических пластин, проходит через вторую пластину, что обеспечивает ей временную задержку и фазовый сдвиг 90° относительно второй излучаемой волны. В результате наложения двух поперечно поляризованных волн, имеющих ортогональную поляризацию, равные амплитуды и разность фаз 90°, движение частиц в излучаемой волне будет иметь круговую траекторию.
<mrow><msubsup><mi>ξ</mi><mn>1</mn><mi>I</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ξ</mi><mn>1</mn><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ξ</mi><mn>2</mn><mi>I</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ξ</mi><mn>2</mn><mrow><mi>I</mi><mi>I</mi></mrow></msubsup></mrow>
1
2
3
На фиг.2 схематически показан процесс формирования волны круговой поляризации вследствие наложения двух ортогонально поляризованных волн. Линиями I и II показано изменение амплитуд смещения частиц в излученных волнах. Амплитуды смещений изменяются в обеих волнах по гармоническому закону, но имеют разность фаз 90°, возникшую при прохождении волны через пьезоэлектрическую пластину. В начальный момент времени смещение первой волны составляет
, второй -
. При этом суммарное смещение частицы среды согласно принципу суперпозиции составляет ξ. В следующий момент времени смещения частиц в волнах составляют
и
соответственно, а суммарное смещение частицы - ξ. Аналогично в следующий момент времени частица приобретает смещение ξ. Таким образом, за время полного периода колебаний траектория частицы, находящейся под воздействием двух поперечных волн с ортогональной поляризацией, опишет окружность.
На фиг.3 показана круговая траектория движения частиц на поверхности пьезоэлектрических пластин преобразователя, образующаяся при наложении двух волн с указанным сдвигом фазы, полученная авторами в результате анализа распространения волн и моделирования. Вид траектории получен при строгом математическом анализе и моделировании распространения поперечных волн в пьезоэлектрических пластинах.
Таким образом, теоретический анализ показал, что в описываемом преобразователе на наружной поверхности каждой из двух пьезопластин частицы будут совершать круговые движения. В результате, при контакте поверхности преобразователя с твердой изотропной средой в последней будут возбуждены волны круговой поляризации. Анализ показал, что движения частиц по круговым траекториям в волнах, излученных в обе стороны от поверхности преобразователя, противоположны по направлению.