Ультразвуковой широкополосный преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А 504 В 06 В 1/06 ПИ ИДЕТЕЛЬСТВ К АВТОРСКОМ аммы направленширения диалщина преобт центра к целью раности, трастаетвыпуклой эователаям, аверхно оэвогнутой п ей с тветственно рави 2 в У сСрадиус верхно г - радиус Р - диамет- минима разов аагра ири углова правле нос ковой волскорос ь ультразеде;ь ультразеобразова волов корос ы в и ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ИЗОБРЕТЕНИ(54)(57) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ в виде телавращения с профилированными поверхностями, одна иэ которых выпуклая,а другая вогнутая, выполненный иэпьеэоматериала переменной толщины,о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с ти,вогнутой поверхност преобразователя; ьная толщина преобия 1Изобретение относится к пьезоэлектрическим преобразователям, предназначенным для приема и излучения ультразвуковых колебаний, и может быть использовано в тех случаях, когда 5 требуется импульсный или непрерывный контроль больших объемов среды, например, н медицинских терапевтических или хирургических приборах и инструментах.1 ОИзвестны точечные широкополосные преобразователи, с размерами порядкд длины волны и менее, которые имеют требуемую диаграмму ндправленности.1 Однако, в силу того, что интенсивность ультразвукового сигнала, создаваемая таким преобразователем (или уровень сигнала при приеме от фиксированного точечного источника), уменьшается обратно пропорционально квад рату расстояния до выбранной точки среды, область его эффектинной работы ограничена лишь участками среды, находящимися в непосредственной близости к поверхности преобразователя. 25Известны также широкополосные преобразователи - плоские демпфированные. Такие преобразователи имеют угловую ширину диаграммы направленности главного лепестка, определяемую вырдже- Ю ниемЪм, =агсзгп 0 52Ргде с, - угловая ширина направленностина уровне 0,707;. 35Ъ - длина волны в среде;Р - диаметр преобразователя. Как следует из , для большихобъемов сред, т,е. для Р)Я, областьконтролируемого пространства ограничена в двух измерениях диаметром преобразователя, что, как прдвило, це может быть реализовано, Для приема и излучения сигналов н объеме среды такие преобразователи вообще цепрцмекимы, Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому является широкополосный ультразвуковой преобрд 50 эователь в виде тела вращения с профилированными поверхностями, одна иэ которых выпуклая, а другая вогнутая, выполненный цз пьезоматериала с переменной толщиной. Данный преобрдзователь имеет угловую ширину дидграммы ндпрдвлеццости=2(+1), (2) где с определяется выражением (1) и с- -дгсзгп(0,707 в ), (3) где У - скорость ультразвука в среде;Ч - скорость ультразвука в матеириале преобразователя.1 оскольку с мало для размеров преобразователей 1 О длин волн, тоовсегдд меньше 180 для сред, скорость звука в которых меньше скорости в материале преобразователя, т.е, и в биологических тканях. Поэтому такие преобразователи неприменимы для конг- роля больших объемов среды.Цель изобретения - расширение диаграммы направленности преобразонателя.Указанная цель достигается тем,что в ультразвуковом широкополосномпреобразователе в виде тела вращенияс профилированными поверхностями,одна из которых вогнутая, а другаявыпуклая, выполненном из пьезоэлектрического материала, переменной толщины, толщина преобразователя возрастает от центра к краям, а радиусывыпуклой и вогнутой поверхностей соответственно равны2 згпР,Гг=К 1-сов , +з гп Р с гд (Р + - ) ,7причем ф = -- ж -дгсзгп(0 56 -З-),де К - радиус выпуклой рабочей поверхности;г - радиус вогнутой поверхности;Р - диаметр преобразователя;- мицимд;ц;цдя толщина преобразовдтеля;Ы. - угловая ширина диаграммы цаправлеццости;- скорость ультразвуковой волсцы в среде;Ч - скорость ультразвуковой волицы в преобразователе.В преобразователе нознцкает дополнительная расходимость диаграммы направленности, обусловленная совместным действием наклона участка поверхности преобрдзовдтеля относительно его пецтрдльцой оси цд некоторый угол, определяемый выпуклосгью рабочей поц. рхцости преобразователя на периферии, ц цдклоца фронта ультразвуковой волны внутри преобразователя, анис.ящего от характера увеличения то.шиницы от периферии к центру13231 толщины. Поэтому угловая расходимость диаграммы направленности преобразователя всегда превышает расходимость диаграммы прототипа и для любых параметров сред может быть ныборана равной 180Однако это свойство может быть реализовано лишь при определенной взаимосвязи значения радиуса внешней сферической поверхности К и радиуса 1 О внутренней сферической поверхности г,определяющих изменение толщины преобразователя, когдаК=2 з 1 п(5) 15 г=К 1-соз 9, +здп, сг 8(Р,- )-С, (6)где ч - угол наклона периферическогоучастка выпуклой рабочей поверхности относительно оси 20преобразователя,сУ = - -(6 -агсзгп К ( в ),2 7 огде Ы - угловая ширина диаграммы направленности.25юь =агсздп 0,52Эгде Ъ - длина ультразвуковой волны всреде;Ч Ч - скорости ультразвуковой волсны в среде и преобразователе . соответственно;П - диаметр преобразователя;минимальная толщина преобраоЗователя. 35Если внешняя и внутренняя поверхности не сферические, то из-за неравномерности изменения свойств преобразователя по диаметру, уменьшается его эффективность и появляется изрезан ность амплитудно-частотной характеристики и диаграммы направленности.Поскольку толщина стенок преобразователя возрастает к краю, в этом же направлении происходит и наклон 45 диаграммы направленности. В результате действия этих факторов угловая ширина диаграммы направленности всегда может быть реализована равной требуемой. 50 На чертеже изображен ультразвуковой широкополосный преобразователь.Преобразователь представляет собой тело 1 нращения переменной толщины, на выпуклую 2 рабочую и вогнутую1ВНИИПИ Заказ 2896/8Произв.-полигр. пр-тие г. 41 43 поверхности которого нанесены электроды 4 и 5. Толщина преобразователяувеличивается от центральной части кпериферии. Периферическая часть преобразователя выполнена в виде акустических ловушек 6,Преобразователь работает следующим образом,При приложении переменного напряжения к электродам возбуждаются колебания но всех участках преобразователя. Однако, н зависимости от рабочейчастоты, участки с максимальной амплитудой колебаний расположены различным образом. Для низких рабочихчастот, близких к нижней граничнойчастоте, максимальная амплитуда колебаний достигается на периферическойчасти преобразователя. В то же времядостаточно эффектинно колеблются ицентральные участки, поскольку напряженность электрического поля возрастает из-за уменьшения толщины. В результате преобразователь работает в различных направлениях приема и излучения.Для высоких рабочих частот по поверхности преобразователя образуется ряд участков с максимальной амплитудой колебаний, соответствующих толщинам, кратным полуволновым резонансньи, В результате образуется ультразвуковое поле во всех требуемых направлениях, Эффективность преобразователя в различных направлениях в этом случае сравнима, но различается, т.е. появляется некоторая неравномерность ультразвукового поля. Это несущественно для ряда практических задач,Изрезанность амплитудно-частотной характеристики преобразователя уменьшается с помощью ловушек 6, устраняющих накопление и интерференцию колебаний, возникающих при отражении ультразвуковой волны от поверхности преобразователя и распространяющихся вдоль его диаметра.Использование предлагаемого преобразователя увеличивает контролируемый объем, что достигается при взаимосвязи толщины преобразователя, увеличивающейся от центра к периферии, выполнении рабочей поверхности выпуклой с заданным радиусом и определенном радиусе внутренней поверхности.1ираж 437 1 одпигноеУжгород, ул. Проектная, 4