Пьезоэлектрический преобразователь

 

Изобретение относится к ультразвуковым контрольно-измерительным приборам и может быть использовано в приборах для неразрушающего контроля и медицинской диагностики. Цель изобретения - расширение полосы пропускания преобразователя за счет механического демпфирования пьезоэлементов. Демпфер, подсоединенный к одному из оснований пьезозлементов,; выполнен в виде набора гибких твердотельных волноводов различной длины, причем длина волноводов линейно увеличивается от края к центру демпфера, а свободные концы волноводов изогнуты от оси симметрии демпфера под углом таким образом, что демпфер образует цилиндр, основание которого соединено с заземляемым основанием пьезоэлемента, а диаметр каждого волновода меньше половины длины акустической волны наивысшей частоты в волноводе, волновое сопротивление которого соответствует волновому сопротивлению пьезоэлемента. 1 ил. i (Л кэ 4; 4: сл 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) (5)) 4 G 01 N 29/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHGMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2 I ) 383657 7/25-28 (22) 09. 01. 85 (46) 15.07.86, Бюл. У 26 (7-1) Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (72) ВЛ . Аугутис и С.В. Кажене (53) 620.179.16 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР (Г 794780, кл. G 01 N 29/04, 1981.

Ппужников В.M., Семенов B.Ñ.

Пьеэокерамические твердые схемы.

И.: Энергия, 1971, с. 65-66, (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСК)Й ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к ультразвуковым контрольно-измерительным приборам и может быть использовано в приборах для нераэрушающего контроля и медицинской диагностики.

Цель изобретения — расширение полосы пропускания преобразователя за счет механического демпфирования пьезоэлементов. Демпфер, подсоединенный к одному из оснований пьезоэлементов, выполнен в виде набора гибких твердотельных волноводов различной длины, причем длина волноводов линейно увеличивается от края к центру демпфера, а свободные концы волноводов изогнуты от оси симметрии дел)пфера под углом таким образом, что демпфер образует цилиндр, основаI ние которого соединено с заэемляемым основанием пьезоэлемента, а диаметр каждого волновода меньше половины длины акустическОй волны наивысшей частоты в волноводе, волновое сопротивление которого соответствует волновому сопротивлению пьезоэлемента. 1 ил.

4587 2. дами 4 и 5 пьезоэлемента 2 появляется разность потенциалов U = «- ф

При одинаковых толщинах пьезоэлементов 1 и 2 и при заземленных электродах 3 и 5 напряжение U4 будет равно напряжению U, (параллельное соединение).

Коэффициент преобразования преобразователя К = У4 /р, где р — колеба10 тельное,цавление, получается максимальным на антирезонансной частоте

fp> HB которой Qy/2=2lp где 3о- длина падающей акустической волны, а

l0 — толщина одного пьезоэлемента. !

5 Для расширения полосы пропускания основание с электродом 5 пьезоэлемента ? нагружено демпфером, состоящим из гибких твердотельных волноводов 6.

20 Поперечные размеры каждого волновода 11 выбраны меньше половины длины акустической волны наивысшей возбуждаемой ультразвуковой волны, поэтому в волноводах могут возбуж25 даться и распространяться только первая продольная нормальная волна.

Для этой волны в указанном диапазоне частот активная составляющая вход.. ного акустического импеданса каждого

З0 волновода близка к волновому сопротивлению материала, иэ которого изготовлен волновод . Поэтому при выборе материала, волновое акустическое сопротивление которого равно волно35 вому сопро гивлен11ю пьезоэлемен 1 a Z <г (например, в случае пьезокерамики волновод изготовляется иэ меди или латуни), пьезоэлемент нагружается демпфером, входное акустическое сопротивление которого близко к АцЕе, где Л,) — площадь торцовой поверхности, т.е. представляет согласованную нагрузку.

124

Преобразователь в режиме приема механических колебаний работает.следующим образом.

При воздействии на основание с электродом 3 пьезоэлемента 1 механических колебаний на поверхности пьезоэлемента появляются электрические заряды, которые между электродами 3 и 4 создают разность потенциалов П 1 = -ф, . Так как пьезоэлементы 1 и 2 соединень1 жестко между собой,. например склеены токопронодящим клеем, соответственно при деформации пьезоэггемента 1 также между электроИзобретение относится к ультразвуковым контрольно-измерительным приборам и может быть использовано в приборах для нераэрушающего контроля и медицинской диагностики.

Целью изобретения является расширение полосы пропускания преобразователя эа счет механического демифирования пьезоэлементов.

Иа чертеже схематически представлен пьезоэлектрический преобразователь.

Преобразователь содержит пьезоэлементы 1 и 2, например, диски одинакового диаметра Э и одинаковой толщппы 1„,ноляризованные по толщине в противоположных направлениях. Основания пьезоэлементов покрыты токопроводящими электродами 3-5.Пьезоэлементы между собой электрически соедпне11ы параллельно, а механически — последовательно, например, путем склеивания их оснований токопроводлщим клеем ° ЭчеKTpОды 3 и 5 .Оединены между собой и заземлены, а электрод 5 является рабочим.

К основа11ию с электродом 5 пьеэоэле:1ента 2 прикреплен набор гибких твердотельных волповодов 6.

Волповоды изготовлены 113 материала с волновым акустическим сопротпвленпем, близким к волновому сопротивле.гио пьезоэлемента, например лату.:и пли меди. Поперечные размеры каждого волновода выбраны меньша длины аку ст;У)вской вОлны 11аивь)сшейг частоты в вопноводе. Длина отдельных волноводов неодинакоьа и линейно увеличивается от края к центру демпфера, а свободные концы волноводов изогнуты от оси симметрии демпфера под . y глом по o THo)I!tHHro к самому короткому волноводу таким образом, что набор во;гноводов образует цилиндр.

Волна возбужденная в тонких волЭ поводах, пз-за поверхностных дефектов и неоднородностей, а также при отражении от .юнца волновода, преобразуется в высшие типы нормальных волн, которые в волноводе с даннымп разме50 рами (й (itB/2) распространяться не могут и затухают из-за внутренних потерь в материале. Б связи с этим, от конца волновода к пьезоэлементу

1 возвращается ничтожная часть падаю" .

55 щеп волны. г1апример) в мегагерцовом т диапазоне частот амплитуда отраженной волны в демпфере, изготовленном из медных волноводов с наибольшей

1244587 длиной 50 мм и диаметром 0,2 мм, уменьшается по сравнению с падающей

Ф более чем на 60 дБ.

Так как все волноводы имеют разную длину, отраженные сигналы на пьезоэлемент возвращаются в разные моменты времени с разными фазами.

Таким образом, остающаяся небольшая часть отраженных сигналов складывается несинфазно, и остаточный сигнал получается меньшим, чем в случае их.синфазного суммирования. Посколь1 ку демпфер согласован с пьезоэлементом, а паразитная акустическая волна, отраженная от конца демпфера, практически отсутствует, полоса проускания преобразователя значительно увеличивается.

В том случае, если демпфер выполнен из металлических волокон и имеет нулевой потенциал, то в режиме приема преобразователь уже не является антенной, принимающей электрические наводки, а в режиме излучения также не излучает мешающие электрические колебания. Это позволяет существенно упростить конструкцию преобразователя, поскольку в данном случае не требуется электрический экран для защиты преобразователя от внешних электрических помех.

Выполнение конца демпфера в виде изогнутых под прямым углом волноводов позволяет существенно уменьшить геометрические размеры преобразова-теля при одновременном улучшении точности преобразования за счет уменьшения уровня отраженных сигналов.

Поскольку демпфер выполняется из гибких волноводов, например тонких металлических проволок, ro весь демпфер может быть изогнут произвольным образом, что позволяет уменьшить размеры всего преобразователя, например максимальную его длину,а также расширить его функциональные воэможности, например применять для измерений в трудно доступных местах.

5 Емкость преобразователя увеличивается в два раза по сравнению с емкостью Ср одного пьезоэлемента, поскольку пьезоэлементы электрически соединены параллельно. Поэтому

10 при подключении к преобразователю усилителя с входной паразитной емкостью Ср, влияние этой емкости на выходное электрическое напряжение преобразователя будет меньше. Это

I5 объясняется тем,-что в данном случае коэффициент передачи преобразователя, нагруженного паразитной б емкостью С равно К = К—

Р . 2Ср+Ср

20 где К вЂ” к оэффициент преобразователя на электрически холостом ход оду.

Формула из обретения

25 Пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из двух пьезоэлементов, поляризованных по толщине в противоположных направлениях и соединенных между собой электрически паЗ0 раллельно и механически последовательно, с нанесенными на их основания электродами, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения полосы пропускания, он снабжен демпфером, прикрепленным к основанию одного из пьезоэлементов и выполненным в виде образующего цилиндр набора гибких изогнутых волноводов различной длины причем длина

40 волноводов линейно увеличивается от края к центру цилиндра, диаметр каждого волновода меньше половины длины акустической волны наивысшей частоты в волноводе, а волновое сопротивление каждого волновода соответствует волновому сопротивлению пьезоэлемента.

1 244587

Составитель С. Волков

Редактор Ю. Середа Техред Л.Олейник Корректор C. Шекмар

Заказ 3910/48 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, уп. Проектная,4