Дифференциальный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

(ц 658469 ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 22.12.77 (21) 2559883/18-10 Союз Советских Социалмстицвскмх Республик(23) Приоритет 6 01 й 29/04 Н 04 В 17/00 Государственный комитет СССР по делам изооретеиий н открытий(71) Заявитель 54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ2 Изобретение относится к ультразвуковойефектоскопической и измерительной аппа.атуре,Известны бинарно сравнительные ультразвуковые головки 1, содержащие пьезоэлемент,образованный кварцевым вибратором и электродами, и схему для согласования пьезоэлемента с приемником и генератором ультразвуковых колебаний.Наиболее близким по технической сущностик изобретению является дифференцизльныйультразвуковой пьезопреобразователь 12, содержащий пьезоэлектрический элемент с элект.родами, подключенными к возбуждающему ге.нератору и приемному усилителю.Недостатком такого пьезопреобразователяявляется узкополосность из-за применения внем полуволновой принципиально резонзнснойпластины, что исключает на практике возможность излучать и принимать с его помощью короткие (2-5 1 О- с) одно- и двухполярныеакустические импульсы и не позволяет плавнорегулировать рабочую частоту в широких пре.делах,Цель изобретения - расширение полосы рабочих частот,Это достигается тем, что пьезоэлектрическийэлемент выполнен в виде цилиндра, равномернополяризованного ло всему объему в направлении, перпендикулярном его основаниям, нз одно из которых нанесены два электрода, выпол.пенные в форме крутовых сегментов, и кольце.вой электрод, при этом кольцевой электродподключен к возбуждающему генератору черездва соединенных встречнопараллельно диода,один из электродов в форме кругового сегмента подключен к приемному усилителю, а другой - заземлен, причем между собой электроды в форме круговых сегментов соединеныдвумя включенными встречно-параллельно ди.одами,На фиг. 1 и 2 изображены две проекцииописываемого дифференциально ультразвукового пьезопреобразователя,Преобразователь содержит тьеэоэлектричес.кий элемент 1, электроды 2, 3, 4, диоды 5 вцепи его подключения к возбуждающему гене.ратору и диоды 6 в цепи подключения к приемному усилителю. Электрод 4 одключекгенератору импульсов напряжения, Электрод 3заземлен непосредственно, а электрод 2 практически заземлен через пару проводящих вобоих направлениях диодов 6, включеныл,встречно-параллельно. Последнее условие выполняется при возбуждении пьезопреобразователя импульсами напряжения, превышающимипо амплитуде напряжение 0,3.0,7 В) "пятки"на вольтамперной характеристике диодов. Напрактике это имеет место, так как амплитудавозбуждающего напряжения составляет обычнО50-100 В и более. Возбуждающие импульсынапряжения создают около электродов 3, 4 и5 электрическое поле, которое в силу обратно.го пьезоэффекта приводит к смещениям по.верхности, на которую нанесены электроды,Поскольку направление вектора поляризациипьезокерамики одинаково по отношению ковсем электродам и, в частости, к электродам2 и 3, то фаза колебаний поверхности пьезо 29элемента, несущей эти электроды, одинакова.В.режиме приема ультразвуковых колебаний, излучепых участками верхнего основанияпьезоэлемента, несущего электроды 2, 3 и прьИодинаковых условиях распространения и отражения ультразвуковых лучей под каждым изэтих электродов фаза, амплитуда и форма акустического сигнала, приходящего на эти жеэлектроды, будут одинаковы. Это вызовет накаждом из симметричных электродов 2, 3 появление одинаковых по величине и по знакуэлектрических зарядов, что не даст никакойразности потенциалов между этими электрода.ми, а значит, и электрического сигнала на вхо 33де приемного усилителя, вход которого вклю.чен (фиг. 1) между этими электродами, В режиме приема диоды 6 не шунтируют вход при.емного усилителя, так как на практике амплитуды сигналов, снимаемых с пьезоэлемента, не9превышают сотен мкВ - десятков мВ, что мно.го меньше упоминавшейся "пятки" диодов 6.Диоды 5, включенные встречно-параллельно предотвращают шунтирование в режиме приема через емкость между электродом 4 и электрода.ми 2 и 3 сигналов на электродах 2 и 3 ма.лым выходным сопротивлением возбуждающего генератора.Появление любого обстоятельства, нарушающе.го симметрию в акустических лучах под электродами 2 и 3, неизбежно приведет к появлениюразницы в величине электрических зарядов наэлектродах 2 и 3, а значит, и напряжения"разбаланса" на входе приемного усилителя.Нарушение этой симметрии может быть вызва.но на практике появлением дефекта в объеме,"прозвучиваемом" предложенным пьезоэлектрическим преобразователем,Поскольку исто ком акустических колебаний является только поверхность пьезоэлемента, несущая электроды, и толщина (вьсота) его не имеет принципиалього значения и влия. ния на процесс возбуждения колебаний, то в силу линейности пьезоэффекта пьезоэлектрический преобразователь апериодичен и полоса его рабочих частот сверху ограничивается практически только чистотой поверхности, на которую нанесены электроды, то есть десятками и сотнями МГц, Это справедливо, если тыльная сторона пьезоэлемента имеет форму конуса - акустической ловушки, как это показано на фиг. 1 пунктиром, а также на отрезке времени, равном отношению толщины (высоты) Ь шезоэлемента 1 к скорости распространения продольных акустических волн в материале этого пьезоэлемента, если последний излучает не вверх по фиг. 1, как при наличии конуса (например, в иммерсионную среду), а вниз по фиг. 1, когда тело пьезоэлемента играет роль твердотельной ультразвуковой линии за держки в контактном варианте контроля изделий.Описанная конструкция преобразователя позволяет повысить чувствительность дефектоскопа, работающего по дифференциальному методу контроля, Кроме того, применение пьезопреобразователя позволяет количественно оце. нить степень искажения акустических полей ультразвуковых пьезопреобразователей отража. тельными или активными пьезоэлектрическими микрозодами, применяющимися для снятия диаграмм направленности и кривых чувствительности стандартных и экспериментальных пьезопреобразователей,Формула изобретенияДифференциальный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезоэлектрический элемент с электродами, под ключенными к возбуждающему генератору и приемному усилителю, отличаю щийся тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот, пьезоэлектрический элемент выполнен в виде цилиндра, равномерно поляризованного по всему объему в направлении, перпендикулярном его основаниям, на одно из которых нанесены два электрода, выполненные в форме круговых сегментов, и кольцевой электрод, при этом кольцевой электрод подключен к возбуждаощему генератору через два соеди. ненных встречно-параллельно диода, один из электродов в форме крутового сегмента под. ключен к приемному усилителю, а друтой - заземлен, причем между собой электроды в658496 5форме круговых сегментов соединены двумя включенными встречно-параллельно диодами,6 1. Авторское свидетельство СССР У 256327,кл. 0 01 М 29/04, 1969.2, Барышев С. Е. и Давыдов В. Г. Дифференциальный метод ультразвукового контроля.5 "Дефектоскопия", Мф 5, 1970,Источники информаши, причятые во внимание при экспертизе К усилилелю мртт Составитель Е. Артамонова Техред Л. Алферова Корректор И.Муск Тираж 1089ЦНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж - 35, Ра ал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Редактор С. Хеифиг Заказ 2902/59Подписноемитета СССРоткрытийская наб д. 4/5