Устройство для генерации ультразвуковых импульсов

СНИХСНИ СОЮЗ СОВЕТСОЦИА ЛИСРЕСПУБЛИ ЯО 1547)5 Н 04 К 17/00 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯПРИ ГКНТ СССР Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССРг 777884, кл. н о 4 к 1 роо,1978.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВИХ ИИПУЛЬСОВ(57) Изобретение может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии, медицинской акустике и акустоэлектронике. Цель изобретения - увеличение амплитуды генерируемых ультразвуковых импульсов в диапазонечастот до 1 ИГц. Устройство содержитрасположенныесоосно активный пьезоэлемент 1, согласующий акустическийэлемент 1 О связи, стержневой акусти 1 ческий резонатор 2, параметры которых выбраны ив условия 7 п сй Вн 7 в, где Е - коэффициент упругости согласующего элемента связи; п - масса активного пьезоэлемента;.с - скорость распространения продольных звуковых волн в акустическом резонаторе; Ь - длина акустического резонатора; и= =1, 2, 3,Акустический элемент 10 связи жестко скреплен контактными поверхностями с обращенными друг к другу торцом резонатора 2 и рабочей поверхностью активного пьезоэле" мента 1. При подаче напряжения на активный пьезоэлемент, собственная частота которого совпадает с частотой основной моды колебаний, излучаемый ф сигнал, усиливаясь подается в акустический резонатор 2 через акусти- ческий элемент 10 связи, 2 ил.Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии, медицинской акустике и акустоэлектронике.,Целью изобретения является увеличение амплитуды генерируемых ультразвуковых импульсов в диапазоне частот до 1 ИГц.На фиг.1 схематично представлена конструкция устройства для генерации ультразвуковых импульсов; на фиг.2- распределение амплитуд колебаний в акустическом резонаторе и активном пьезоэлементе.Устройство для генерации ультразвуковых импульсов содержит активный пьезоэлемент 1 стержневой акустический резонатор 2, акустически нагруженный на внешнюю среду 3 через управляющий пьезоэлемент 1, причем плоскость активного пьезоэлемента 1 ортогональна продольной оси акустического резонатора 2. При этом активный пьезоэлемент 1 мажет быть выпол" нен из монокристаллического или пьезокерамического материала и иметь Форму прямоугольной или круглой пластины с проводящими электродами на боковых рабочих поверхностях. Управляющий пьезоэлемент ч электрически соединен с управляемой электрической нагрузкой 5 и входом делителя 6 электрического напряжения, выход которого электрически соединен с входом фазосдвигающего устройства 7. Выход последнего электрически соединен с входом управляемого усилителя 8 электрических сигналов, выход которого электрически соединен с проводящими электродами активного пьезоэлемента 1. Иежду активным пьезоэлементом 1 и акустическим резонатором 2 размещен согласующий акус" тический элемент 10 связи, который может быть выполнен в виде трубки или сплошного стержня с переменным или постояннь 1 м сечением по длине. При этом по форме сечение согласуоцего акустического элемента 10 связи может быть произвольным, например круглым или прямоугольным. Одним своим концом согласующий акустичес" кий элемент 10 связи жестко соединен с активным пьезоэлементом 1 в центре его геометрической симметрии, а дру" гим - с акустическим резонатором 2 в точке пересечения торцовой плоскости акустического резонатора 2 с его продольной осью симметрии. Параметры активного .пьезоэлемента 1, акустического резонатора 2 и согласующего акустического элемента 10 связи выбраны из условияГи - = -Ь 3 ш10где Е - коэффициент упругости согласующего акустического элемента 10 связи;ш - масса активного пьезоэлемента 1;с - скорость распространенияпродольных звуковых волн вакустическом резонаторе 2;1. - длина акустического резонатора 2;20о=1,2, 3,Устройство работает следующим обраэомюВ исходном положении добротностьуправляемой активно-индуктивной эле,- трицеской нагрузки 5 управляющегопьезоэлемента М устанавливают максимально возможной, причем одновременно путем подачи на шину 9 управления,управляющего электрического сигналаоткрывают усилитель С электрическихсигналов. С помощью управляющегопьезоэлемента Ь преобразуют тепловые шумы акустического резонатора2 в электрический сигнал, который ввиде высокочастотного электрического напряжения снимают с управляемойактивно-индуктивной электрицескойнагрузки 5 и подают его на вход делителя 6 электрического напряжения.С помощью делителя 6 электрического напряжения,. Фаэосдвигающего уст"ройства 7 и управляемого усилителя 8электрических сигналов путем последо"вательной обработки электрическогосигнала укаэанными устройствами увеличивают амплитуду и Формируют фазуэлектрического сигнала и с выхода управляемого усилителя 8 электрическихсигналов подают электрический сигнална проводящие электроды активногопьезоэлемента 1. С помощью активного пьезоэлемента 1 преобразуют электрический сигнал в акустический и излучают его в акустический резонатор2 через согласующий акустический55 элемент 10 связи с амплитудой, превышающей первоначальный шумовой сигнал. При этом ультразвуковая волнапочти полностью отражается от управляющего пьезоэлемента 4, и в акустическом резонаторе за счет положи" тельной обратной связи идет процесс накопления акустической энергии, который проявляется в многократном увеличении амплитуды стоячей ультразвуковой волны в нем. При достижении амплитудой стоячей ультразвуковой волны в акустическом резонаторе 2 стационарного значения резко уменьшают величину добротности управляемой активно"индуктивной электрической нагрузки 5 до минимального значения, причем одновременно путем подачи на шину 9 управления управляющего элек" трического сигнала запирают управ-ляемый усилитель электрических сигналов 8. При этом коэффициент прохождения звука через управляющий пьезоэлемент 4 возрастает до единицы. Накопленную в акустическом резонаторе 2 энергию излучают во внешнюю среду 3 в виде прямоугольного ультразвукового импульса. 25Приведенное математическое выражение является условием возбуждения колебаний акустического .резонатора 2 с максимальной амплитудой при заданной величине силы Р на границе между активным пьезоэлементом и согласующим акустическим элементом 10 связи.Иаксимум силы Р достигается для основной резонансной моды колебаний активного пьезоэлемента 1 в центре его геометрической симметрии, совпа- З 5 дающем с узлом колебаний активного пьезоэлемента 1 в своей плоскости. За счет коэффициента Пуассона колебания активного пьезоэлемента 1 в его плоскости с амплитудой Ц (фиг.2) 40 сопровождаются нормальными смещениями активного пьезоэлемента 1 вдоль продольной оси акустического резонатора с амплитудой 0 , причем пучность механических колебаний активного пьезоэлемента вдоль оси акустического резонатора 2 совпадает с узлом колебаний активного пьезоэлемента 1 в его плоскости. На фиг.2 также показано распределение механических смещений Б вдоль продоЛьной оси в акустическом резонаторе 2. Наряду с достижением максимальной возбуждающей силы Р жесткое соединение согласующего акустического элемента 10 55 связи одним концом с активным пьезоэлементом 1 в центре его геометрической симметрии, а другим концомс акустическим резонатором 2 в точ" ке пересечения торцовой плоскости акустического резонатора 2 с его продольной осью симметрии позволяет избежать возбуждения паразитных мод колебаний, например изгибных, отсоса части акустической энергии в паразитные моды и снижения амплитуды колебаний акустического резонатора 2 вдоль продольной оси.Кроме генерации ультразвуковых импульсов, предлагаемое устройство может быть также использовано для генерации радиоимпульсов. В последнем случае внешняя среда 3 отсутствует, а управляоций пьезоэлемент 4 выполняет роль пьезоэлектрического поглотителя ультразвука. При этом накопленная в акустическом резонаторе 2 ультразвуковая энергия преобразуется управляющим пьезоэлементом 4 в электрическую энергию, которая в виде радиоимпульса поглощается на стадии генерации (режим накопления акустической энергии в акустическом резонаторе 2 остается неизменным) управляемой электрической нагрузкой 5.Формула изобретенияУстройство для генерации ультразвуковых импульсов, содержащее стержневой акустический резонатор, на тор. цах которого распЬложены управляющий и активный пьезоэлементы в виде пластин с электродами на рабочих поверхностях, причем к электродам управляющего пьезоэлемента подключена управляемая нагрузка, а к электродам активного пьезоэлемента - усилитель, связанный с управляемой нагрузкой через последовательно соединенные фазосдвигающий блок и делитель напряжения, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью увеличения амплитуды генерируемых импульсов в диапазоне частот до 1 мГц, между резонатором и активным пьезоэлементом расположен согласующий акустический элемент связи, жестко скрепленный контактными поверхностями с обращенными друг к другу торцом резона. тора и рабочей поверхностью активного пьезоэлемента, собственная частота которого совпадает с частотой основной моды колебаний, причем резонавскорость распространения продольных звуковых волн в акустическом резонаторе;длина акустического резонаторакоэффициент упругости согласующего акустического элемента связи;масса активного пьезоэлемента. 1517084 акустический элемент пьезоэлемент распоих параметры выбраны тор, согласующийсвязи и активныйложены соосно, аиз условия 10 ставитель И.Игумновахред М.Дидык Реда р А.Лежнина ректор И.Кучерявая Заказ 86 Тираж 521 ЭНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и от 113035, Москва, 3-35, Раушская наб.,одписное ытиям при ГКНТ СС /5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101