Пьезоэлектрический преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 19) 01) СО И 29/ ИЙ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ/04,нов Вые сх5-66,ПРЕОБ РАЗОВА аода меньше еской волн диаметр каждого волно половины длины акусти наивысшей частоты в в новое сопротивление к ветствует волновому с пьезоэлемента. 1 ил. пе относится к ультр ольно-измерительным ет быть использовано нераэрушающего коннской диагностики., ия - расширение полось вым кон рам и м лноводе, волторого соот- противлению в притроляЦель ах мед зобрет ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ.И., Семекие тверд971, с, 6ТРИЧЕ СКЙ пропускания преобразователя за счетмеханического демпфирования пьезоэлементов. Демпфер, подсоединенныйк одному из оснований пьезоэлементов, выполнен в виде набора гибкихтвердотельных волноводов различнойдлины, причем длина волноводов линейно увеличивается от края к центрудемпфера, а свободные концы волноводов изогнуты от оси симметриидемпфера под углом таким образом,что демпфер образует цилиндр, основание которого соединено с заэемляемым основанием пьезоэлемента, а4587 йдами 4 и 5 пьезоэлемента 2 появляется разность потенциалов ц, = 1,-1При одинаковых толщинах пьезоэлементов 1 и 2 и при заземленных электродах 3 и 5 напряжение Уг будетравно напряжению У, (параллельноесоединение),Коэффициент преобразования преобразователя К = У/р, где р - колеба 10 тельцое,цавление, получается максимальным на антирезонансной частотеКр, на которой 1 о/2=21 о где 3 о- длина падающей акустической волны, а1 О - толщина одного пьезоэлемента,5 Для расширения полосы пропускацияоснование с электродом 5 пьезоэлемента 2 нагружено демпфером, состоящим из гибких твердотельных волноводов б.20 Поперечные размеры каждого волцовода й иьбраны мецьше половины длиныакустической волны наивысшей возбуждаемой ультразвуковоц волны,поэтому в волцоводах могут возбуж 5 даться ц распространяться толыопервая продольная нормальная волна.Для этой волны в указанном диапазоне частот активная составляющая вход;ного акустического импедацса каждого30 волцонода близка к волновому сопротивлению материала, иэ которого изготовлен волновод. Поэтому при выборематериала, волновое акустическоесопротивление которого равно волновому сопротивлению пьезоэлемента 2 о(например, в случае пьезокерамикиволцовод изготовляется иэ меди илилатуни), пьезоэлемент нагружаетсядемпфером, входное акустическое сопротивлецие которого близко к Ао 2(1,где Л(, - площадь торцовой поверхнос"ти, т.е. представляет согласованнуюнагрузку. 124 Преобразователь в режиме приемамеханических колебаний работает.следующиг образом,При воздействии на основание с электродом 3 пьезоэлемента 1 мехацических колебаний на поверхности пьезоэлемента появляются электрические заряды, которые между электродами 3 и 4 создают разность потенциалов у =1 -ф,. Так как пьезоэлементы 1 и 2 соединець жестко между собой цапример склеены токопронодящим .(леем, соответственно при деформации иьезоэгемента 1 также между электроИзобретение относится к ультразвуковым контрольцо-измерительным приборам и может быть использовано в приборах для нераэрушающего контроля и медицинской диагностики.Целью изобретения является расширение полосы пропускация преобразователя эа счет механического демнфировация пьезоэлементов.Иа чертеже схематически представлен пьезоэлектрический преобразователь.Преобразователь содержит пьезоэлементы 1 и 2, например, диски одинакового диаметра Э и одинаковой толщины 1,ноляризованные по толщинепротивоположных направлениях. Осцозацця пьезоэлементов покрыты токоцроводящими электродами 3-5.Пьезоэлементы между собой электрически соединены параллельно, а механически последоватеьцо напримерпутем склеивания их оснований токо- проводящим клее. Электроды 3 и 5 :оедгцецы между собой и заземлены, а электрод 5 является рабочим.К основа 1 ию с электродом 5 пьеэо. эге;ецта 2 прикреплен набор гибких твердотельных волцоводов б. Волцоводы изготовлены иэ материала с волновым акустическим сопротпвленпем, близким к волновому сопротивлеио пьезоэлемента, например лату- .:и пли меди. Поперечные размеры каждого волцовода выбраны меньше длины акус 1."ес, о волнь 1 цаивысше 11 часто ты в вс пцоводе. Длина отдельных голцогодов цеодицакоьа и линейно узеличивается от края к центру демпфера, а свободные концы волцоводов изогнуты от оси сметрии демпфера под ,углом по отношению к самому короткому волцоводу таким образом, что набор во;новодов образует цилиндр,45Волна возбужденная в тонких волЭповодах, цз-за поверхностных дефектов и неоднородностей, а также при отражении от 1(оцца волновода, преобразуется в высшие типы нормальных волн, которые в волноводе с дацнымп размерами И ОО/2) распространяться не могут и затухают из-эа внутренних потерь в материале, Б связи с этим, от конца волцовода к пьезоэлементу1возвращается ничтожная часть падаю" .55щеп волны. г 1 апример в мегагерцовомТдиапазоне частот амплитуда отраженной волны в демпфере, изготовленном из медных волцоводов с наибольшейдлиной 50 мм и диаметром 0,2 мм,уменьшается по сравнению с падающейФболее чем на 60 дБ,Так как все волноводы имеют разную длину, отраженные сигналы напьезоэлемент возвращаются в разныемоменты времени с разными фазами.Таким образом, остающаяся небольшаячасть отраженных сигналов складывается несинфазно, и остаточный сигнал получается меньшим, чем в случаеих.синфазного суммирования. Посколь 1ку 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 имеетнулевой потенциал, то в режиме приема преобразователь уже не являетсяантенной, принимающей электрическиенаводки, а в режиме излучения такжене излучает мешающие электрическиеколебания. Это позволяет существенно упростить конструкцию преобразова.теля, поскольку в данном случае нетребуется электрический экран длязащиты преобразователя от внешнихэлектрических помех,Выполнение конца демпфера в видеизогнутых под прямым углом волноводовпозволяет существенно уменьшитьгеометрические размеры преобразователя при одновременном улучшенииточности преобразования за счетуменьшения уровня отраженных сигналов,Поскольку демпфер выполняется из гибких волноводов, например тонких металлических проволок, то весь демпфер может быть изогнут произвольным образом, что позволяет уменьшить размеры всего преобразователя,например максимальную его длину,атакже расширить его функциональныевоэможности, например применять дляизмерений 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 преобразователюусилителя с входной паразитной емкостью Ср, влияние этой емкости навыходное электрическое напряжениепреобразователя будет меньше. Это 15 объясняется тем, что в данном случае коэффициент передачи преобразователя, нагруженного паразитноййемкостью С равно К = К -Р2 Со+Ср 20 где К -ко оэффициент преобразователяна электрически холостом хододу.Формула из обретения 25 Пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из двух пьезоэлементов, поляризованных по толщине впротивоположных направлениях и соединенных между собой электрически паЗ 0 раллельно и механически последовательно, с нанесенными на их основания электродами, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения полосы пропускания, он снабжен демпфером, прикрепленным к основанию одного из пьезоэлементов ивыполненным в виде образующего цилиндр набора гибких изогнутых волноводов различной длины, причем длина 4 волноводов линейно увеличивается открая к центру цилиндра, диаметр каждого волновода меньше половины длины акустической волны наивысшей частоты в волноводе, а волновое сопротивление каждого волновода соответствует волновому сопротивлениюпьезоэлемента.1244587 Составитель С. Волковедактор Ю. Середа Техред Л.ОлейникКор Шекмар акаэ оиэводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, уп. Проектная,0(48 ТирВНИИПИ Госудпо делам113035, Иосква ж 778арственногоиэобретенийЖ, Рауш Подписноекомитета СССи открытийкая наб., д.