патент
№ RU 2648301
МПК H04R17/00

Ультразвуковой преобразователь

Авторы:
Соколов Игорь Вячеславович Качанов Владимир Климентьевич Караваев Михаил Алексеевич
Все (15)
Номер заявки
2016150919
Дата подачи заявки
23.12.2016
Опубликовано
23.03.2018
Страна
RU
Дата приоритета
29.05.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Иллюстрации 
1
Реферат

Изобретение предназначено для использования при дефектоскопии, структуроскопии и толщинометрии изделий из бетона и горных пород. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой преобразователь содержит 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, при этом 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. Технический результат: повышение эффективности работы ультразвукового преобразователя в режиме приема. 1 ил.

Формула изобретения

Ультразвуковой преобразователь, 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, отличающийся тем, что 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.

Описание

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]:

где Q - заряд, накопленный в конденсаторе; d31 - пьезомодуль; F - сила, приложенная к пьезоэлементу; Sэ - площадь электрода; ε0 - электрическая постоянная; ε- диэлектрическая проницаемость.

При делении каждого пьезоэлемента 1 на N секций, площадь Sc секции электрода равна Sc=Sэ/N, а сила, воздействующая на рабочую поверхность 4 секции пьезоэлемента Fc=F/N. Таким образом, напряжение Vc, 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.

Значение N следует выбирать с учетом величины суммарной паразитной электрической емкости СΣ соединительных цепей и входного каскада приемного тракта, а именно: Сп/N2 >> СΣ, где Сп - величина электрической емкости пьезоэлемента. Так, для пьезопреобразователя, обладающего величиной электрической емкости Сп=10000 пФ и значении паразитной емкости СΣ=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.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты