Способ изготовления ультразвукового фокусирующего пьезопреобразователя

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля качества материалов и изделий. Цепь изобретения - сужение и уменьше1ше расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезопреобразователем во внеягней среде. Пьезопреобразователь содержит пьезозлемент J, на котором

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„.SU„„1380803 А 1 (51)4 В 06 В 1/06

Г

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4124668/24-10 (22) 26.09. 86 (46) 15.03. 88. Бюл. У 10 (71) Научно-исследовательский институт интроскопии (72) А.Е.Карпельсон, В.В.Аристов и А.М.Малютин (53) 534.232 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 909798, кл. В 06 В 1/06, 1982.

Авторское свидетельство СССР

В 650003> кл. G 01 К 29/04, 1979. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ФОКУСИРУН11ЦЕГО ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ (57) Изобретение относится к области неразрушающего контроля качества материалов и изделий. Цель изобретения — сужение и уменьшение расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезопреобразователем во внешней среде. Пьезопреобразователь содержит пьезоэлемент 1 на котором

1380803 выполнены четыре пары электродов:

2-3, 4-5, 6-7 и 8-9. Электроды 2, 4, 6 и 8 расположены на верхнем основании пьезоэлемента, электрод 2 выполнен в ниде круга, а электроды 4, 6 и 8 — в виде колец. Электроды 3, 5, 7 и 9 расположены на нижнем основании пьезоэлемента, электрод 3 выполнен в виде круга, а электроды 5, 7 и 9 — в виде концентрических колец.

На нанесенные на основания электроды подают возбуждающее электрическое напряжение. Распределение нормальной к

Изобретение относится к области неразрушающего контроля качества материалов и изделий и может быть использовано в приборах ультразвуковой дефектоскопии или толщинометрии раз- 5 личных изделий.

Целью изобретения является сужение и уменьшение расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезопреобразователем во внешней среде.

На чертеже изображен изготовленный в соответствии с предложенным способом пьезопреобразователь в координатах ги r и распределение нормальной к основаниям составляющей напряженности поляризующего электрического поля Е,(r) вдоль радиуса r на одном из оснований преобразователя г О (сплошная кривая), а также график функции Бесселя Jo(х) - пунктирная кривая.

Пьезопреобразователь содержит пьезоэлемент 1, на котором выполнены четыре пары электродов: 2-3 4-5 6-7

В ° 25 и 8-9. Электроды 2, 4, 6 и 8 расположены на верхнем основании пьезоэлемента, электрод 2 выполнен в виде круга, а электроды 4, 6 и 8 — в виде колец.

Электроды 3, 5, 7 и 9 расположены

30 на нижнем основании пьезоэлемента, электрод 3 имеет вид круга, а электроды 5, 7 и 9 имеют вид концентрических колец, причем диаметр кругового электрода 3 втрое меньше диаметра кругового электрода 2, толщины кольцевых электродов 5, 7 и 9 втрое

1 основаниям составляющей напряженности возбуждающего электрического поля вдоль радиуса однородно. В результате электромеханического преобразования в пьезоэл=менте возникает ахустическое давление, распределение которого на поверхности имеет вид функции Бесселя. Пьезоэлемент формирует во внешней среде узкий слаборасходящийся пучок, т.е. ультразвуковое поле с узким основным и малым боковыми лепестками диаграммы направленности. 1 ил. меньше толщин кольцевых электродов 4, 6 н 8 соответственно, а средние диаметры пар электродов 4-5, 6-7 и 8-9 равны для каждой пары. На первую пару электродов 2-3 подают при поляризации пьеэопреобразователя постоянное напряжение U, причем плюс" — на электрод 2, на электроды 4-5 — напряжение 0 4U, причем "плюс" — на электрод 5, на электроды 6-7 — напряжение

0,30, причем "плюс" — на электрод 6, на электроды 8-9 — напряжение О, 25 V, причем "плюс" — на электрод 9.

Изготовление пьезоэлемента с системами кольцевых электродов на обоих основаниях проводят путем обработки на токарном станке или с помощью травления пьезодиска со сплошными электродами на основаниях. Затем пьезоэлемент помещают в муфельную печь, где нагревают его до 500"С. Потом на каждую пару электродов пьезоэлемента, остающегося в печи, подают поляризующие электрические напряжения с соответствующими амплитудами и полярностями. В результате внутри пьезоэлемента возникает сложное распределение напряженности поляризующего электрического поля. Зависимость нормальной к электродам составляющей напряженности поляриэующего электрического поля Е (r) для нижнего основания пьезоэлемента (т.е. при z = О) показана на чертеже (сплошная кривая).

Размеры узких электродов 3, 5, 7, 9 должны быть в 2,5-3,5 раза меньше, чем размеры широких. Лишь при этом

1 380803 условии после подачи поляризующих напряжений на каждую пару электродов распределение Е (г) между каждой парой электродов будет в наибольшей

5 степени напоминать "полуволну" функции Бесселя J (х). Для того, чтобы

"полуволны" в распределении Е (г) меняли поочередно знак и убывали по амплитуде (как полуволны функции Л ) на каждую соседную пару электродов надо подавать противофазные напряжения через соответствующие делители так, чтобы обеспечить следующую последовательность амплитуд напряжений:f5

1; 0,4 0 3 0,25 и т.д. Именно такова последовательность амплитуд в

"полуволнах" функции Бесселя J<(x).

В процессе поляризации пьезоэлемент находится в печке, а температуру в ней медленно (в течение 2 ч) понижают с 500 до 20 С. В результате распределение поляризации, т.е. пьезомодуля d (r), по радиусу пьезодиска имеет такой же вид, как и распределение Ez(r). После извлечения остывшего пьезоэлемента из печки на каждое из его оснований наносят сплошной электрод. Это можно сделать путем напыления или с помощью токопроводящего клея.

Пьезопреобразователь, изготовленный по предлагаемому способу, работает следующим образом.

На вновь нанесенные на его основания сплошные электроды подают возбуж35 дающее электрическое напряжение.

Распределение нормальной к основаниям составляющей напряженности возбуждающего электрического поля вдоль ра40 диуса — однородное. В результате электромеханического преобразования в пьезоэлементе возникает акустическое давление, причем распределение этого давления вдоль радиуса (т.е.

p(r)) совпадает с распределением

dye(r) .

Таким образом, для пьезопреобразователя, изготовленного по предлагаемому способу распределение p(r) на поверхности z = 0 имеет вид функции

Бесселя .1О(х).

Как известно, дисковый излучатель формирует во внешней среде ультразвуковое поле, диаграмма направленности 55 которого D(6 ) равна

D(g) N $ (Krsing) ° p(r) ° rdr,(1) о где И вЂ” угол наблюдения, N — нормировочный коэффициент, К вЂ” волновое число.

Из (1) в результате прнменснич теоремы обращения Ганкеля следует

p(r) - + 5 D(8) J, (Krb) I?, C2) о

ЗаДаваЯ Р(9) в виде К -функциц Дирака от угла, т.е. считая, что D(H)

= о (9 — 6„), можно найти, что (3)

Формула (3) показывает, что если на излучающей поверхности p(r) имеет вид функции Бесселя Jo, то ультразвуковые волны излучаются только под углом 8 относительно нормали к поверхности. Причем, чем больше радиус излучающей поверхности и чем большее количество "полуволн" функции Jq уложится на этой поверхности, тем точнее

ЭЮ) будет приближаться к "иглообразной" функции Дирака д (0) °

Поскольку на излучающем основании пьезоэлемента, изготовленного по предлагаемому способу, распределение акустического давления p(r) как раз имеет вид функции Jo, этот пьезоэлемент формирует во внешней среде узкий слаборасходящийся пучок, т.е. ультразвуковое поле с узким основным и малыми боковыми лепестками диаграммы направленности.

Формул а изобретения

Способ изготовления ультразвукового фокусирующего пьезопреобразователя, заключающийся в неоднородной поляризации дискового пьезоэлемента и нанесении электродов на его основания, отличающийся тем, что, с целью сужения и уменьшения расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезопреобразователем во внешней среде, на основаниях пьезоэлемента выполняют пары электродов, один электрод из каждой пары располагают на одном основании, а другойна другом, центральную пару выполняют в виде кругов, а все остальные — в виде колец с зазорами между ними,диаметр кругового электрода и ширина каждого из кольцевых электродов на одном основании в 2,5-3,5 раза мень1 38080 3

Составитель С.Юдин

Редактор H.Слободяник Техред M.Ходанич

Корректор О.Кундрик

Заказ 1140/10 Тираж 443 Подписное

В)ПЯПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ше, чем на другом, средние диаметры кольцевых электродов из каждой пары равны, внешний радиус каждого широкого электрода соответствует данному нулю функции Бесселя первого рода нулевого порядка, при этом внешний радиус последнего широкого кольцевого электрода равен радиусу пьезоэлемента затем пьезоэлемент поляризуют, подавая на соседние пары электродов про тив офа з ные напряжения, амплитуда которых уменьшается от центральной пары в последовательности, соответствуюшей последовательности убывания амплитуд в "полуволнахн функции Бесселя, после чего наносят на оба основания пьезоэлемента сплошные электроды.