Способ формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение в ультразвуковых приборах различного назначения в качестве устройства возбуждения и приема ультразвуковых сигналов, в частности в ультразвуковых расходомерах жидкостей и газов. К излучающей поверхности ультразвукового преобразователя, в корпусе которого закреплен пьезоэлектрический элемент, подключенный к источнику электрического сигнала, присоединяют согласующий слой и выполняют регулировку его волнового размера путем подбора толщины слоя. Формирование спектральных характеристик ультразвукового преобразователя дополнительно выполняют путем избирательного силового воздействия регулируемыми прижимными усилиями на центральную и/или периферийную части тыльной стороны пьезоэлектрического элемента. Изобретение обеспечивает формирование спектральных характеристик в широком диапазоне частот с минимальной неравномерностью амплитудно-частотных характеристик и высокой добротностью при работе ультразвукового преобразователя как на продольной, так и на радиальной моде колебаний. 1 ил.

 

Изобретение относится к приборостроению и может найти широкое применение в ультразвуковых приборах различного назначения в качестве устройства возбуждения и приема ультразвуковых сигналов, в частности в ультразвуковых расходомерах жидкостей и газов.

Из уровня техники известен способ формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя, заключающийся в том, что к излучающей поверхности ультразвукового преобразователя, в корпусе которого закреплен пьезоэлектрический элемент, подключенный к источнику электрического сигнала, присоединяют согласующий слой и выполняют регулировку его волнового размера путем подбора толщины согласующего слоя /US 5343109 (SIEMENS AG)(DE) 30.08.1994, наиболее близкий аналог-прототип/.

Недостатком известного способа является то, что он не позволяет получить оптимальные спектральные характеристики в широком диапазоне частот.

Это вызвано тем, что его пьезоэлектрический элемент работает только на радиальной моде колебаний.

Но в формировании спектральных характеристик ультразвукового преобразователя в широком диапазоне частот должны участвовать как продольная, так и радиальная моды колебаний пьезоэлектрического элемента.

Причем в зависимости от соотношения высоты и диаметра пьезоэлектрического элемента в основном и определяется диапазон рабочих частот ультразвукового преобразователя.

Поэтому известный способ не позволяет сформировать спектральные характеристики ультразвукового преобразователя в широком диапазоне частот с минимальной неравномерностью амплитудно-частотной характеристики вследствие высокой добротности ультразвукового преобразователя, работающего на радиальной моде, и менее высокой добротности ультразвукового преобразователя, работающего на продольной моде колебаний пьезоэлектрического элемента.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является усовершенствование способа формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя путем дополнительного оптимального избирательного силового воздействия на пьезоэлектрический элемент.

Технический результат, который достигается при решении поставленной технической задачи и использовании способа формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя, заключается в формировании спектральных характеристик ультразвукового преобразователя в широком диапазоне частот с минимальной неравномерностью амплитудно-частотных характеристик.

Поставленная техническая задача решается, а указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя, заключающемся в том, что к излучающей поверхности ультразвукового преобразователя, в корпусе которого закреплен пьезоэлектрический элемент, подключенный к источнику электрического сигнала, присоединяют согласующий слой и выполняют регулировку его волнового размера путем подбора толщины согласующего слоя, согласно изобретению формирование спектральных характеристик ультразвукового преобразователя дополнительно выполняют путем раздельного воздействия регулируемыми прижимными усилиями на центральную и/или периферийную части тыльной стороны пьезоэлектрического элемента.

Приведенные признаки изобретения являются существенными, так как в совокупности достаточны для решения поставленной технической задачи и достижения указанного технического результата, а каждый в отдельности необходим для идентификации заявляемого способа формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков усовершенствованного способа формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя, в том числе отличительных при их взаимодействии с общими признаками, в решении поставленной технической задачи и достижении указанного технического результата заключается в следующем.

Усилия, приложенные к тыльной поверхности пьезоэлектрического элемента, оказывают влияние на работу ультразвукового преобразователя следующим образом.

За счет упомянутого дополнительного оптимального избирательного силового воздействия на пьезоэлектрический элемент обеспечивается высокая добротность ультразвукового преобразователя, работающего на радиальной моде, а также высокая добротность ультразвукового преобразователя, работающего на продольной моде колебаний пьезоэлектрического элемента.

Регулировка величины усилий, приложенных к тыльной стороне пьезоэлектрического элемента, оказывает влияние на работу ультразвукового преобразователя следующим образом.

Изменение величины прижимного усилия к центральной части тыльной стороны пьезоэлектрического элемента приводит к изменению добротности и, как следствие, к изменению диапазона рабочих частот ультразвукового преобразователя, работающего на продольной моде колебаний пьезоэлектрического элемента.

Изменение величины прижимного усилия к периферийной части тыльной стороны пьезоэлектрического элемента изменяет добротность ультразвукового преобразователя, работающего на радиальной моде колебаний пьезоэлектрического элемента.

Раздельное изменение величины прижимных усилий к центральной и/или периферийной части тыльной стороны пьезоэлектрического элемента позволяет формировать спектральные характеристики ультразвукового преобразователя в необходимом диапазоне частот, а также с требуемой минимальной неравномерностью амплитудно-частотных характеристик.

Из уровня техники заявитель не выявил решения, совпадающие с совокупностью общих и отличительных существенных признаков усовершенствованного способа формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя, в результате чего можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение не является частью уровня техники и соответствует критерию изобретения «новизна».

Из уровня техники заявитель также не выявил решения, совпадающие с отличительными существенными признаками усовершенствованного способа формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя, в результате чего можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение для специалиста не является очевидным, то есть не выплывает из уровня техники, и соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».

Способ формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя поясняется подробным описанием примера его выполнения со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором изображен общий вид ультразвукового преобразователя.

Ультразвуковой преобразователь содержит корпус 1, выполненный в виде стакана, на внутренней поверхности днища 2 которого с помощью клеевого состава закреплен пьезоэлектрический элемент 3, подключенный к источнику 4 электрического сигнала.

Внешняя поверхность днища 2 корпуса 1 является излучающей поверхностью 5 ультразвукового преобразователя, к которой с помощью клеевого состава присоединен согласующий слой 6 необходимой толщины S.

В примере конкретного выполнения способ формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя осуществляли следующим образом.

К излучающей поверхности 5 ультразвукового преобразователя, в корпусе 1 которого закреплен пьезоэлектрический элемент 3, подключенный к источнику 4 электрического сигнала, присоединяли согласующий слой 6 и выполняли регулировку его волнового размера путем подбора толщины S согласующего слоя 6.

Помимо подбора толщины S согласующего слоя 6, формирование спектральных характеристик ультразвукового преобразователя дополнительно выполняли путем раздельного воздействия регулируемыми прижимными усилиями F₁ и F₂ на центральную и/или периферийную части тыльной стороны пьезоэлектрического элемента 3.

За счет этого достигалась высокая добротность ультразвукового преобразователя, работающего как на радиальной моде, так и на продольной моде колебаний пьезоэлектрического элемента 3.

Регулировка величины усилий F₁ и F₂, приложенных к тыльной стороне пьезоэлектрического элемента 3, оказывала влияние на работу ультразвукового преобразователя следующим образом.

Изменение величины прижимного усилия F₁ к центральной части тыльной стороны пьезоэлектрического элемента 3 приводило к изменению добротности и, как следствие, к изменению диапазона рабочих частот ультразвукового преобразователя, работающего на продольной моде колебаний пьезоэлектрического элемента 3.

Изменение величины прижимного усилия F₂ к периферийной части тыльной стороны пьезоэлектрического элемента 3 меняло добротность ультразвукового преобразователя, работающего на радиальной моде колебаний пьезоэлектрического элемента 3.

Раздельное изменение величины прижимных усилий F₁ и F₂ к центральной и/или периферийной части тыльной стороны пьезоэлектрического элемента 3 позволяло формировать спектральные характеристики ультразвукового преобразователя в широком диапазоне частот с требуемой минимальной неравномерностью амплитудно-частотных характеристик.

Приведенные сведения, которые подтверждают возможность осуществления усовершенствованного способа формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя, свидетельствуют о том, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».

Способ формирования спектральных характеристик ультразвукового преобразователя, заключающийся в том, что к излучающей поверхности ультразвукового преобразователя, в корпусе которого закреплен пьезоэлектрический элемент, подключенный к источнику электрического сигнала, присоединяют согласующий слой и выполняют регулировку его волнового размера путем подбора толщины согласующего слоя, отличающийся тем, что формирование спектральных характеристик ультразвукового преобразователя дополнительно выполняют путем раздельного воздействия регулируемыми прижимными усилиями на центральную и/или периферийную части тыльной стороны пьезоэлектрического элемента.