Фокусирующий ультразвуковой преобразователь с переменным фокусным расстоянием

)5 0 01 М 29/24 ОМИТЕТОТКР ЫТИ ОСУДАРСТВЕННЫЙ О ИЗОБРЕТЕНИЯМ.тйтутиалиК.Бала- льтраоение,1 (21) 4669579/28 (22) 30.03.89 (46) 23.02.92. Бюл. М 7 .(71) Киевский. политехнический инс им.50-летия Великой Октябрьской соц стической революции (72) С.М.Маевский, В;Э.Тамберг и К, чук (53) 620,179.16 (088.8) (56) Ермолов И, Н. Теория и практика у звукового контроля. - М,: Машиностр 1981, с;91.Заявка Франции М 2578081.,кл. 6 10 К 11/30, 1987, (54) ФОКУСИРУЮЩИЙ УЛЪТРАЗВУКО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПЕРЕМЕ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ 2(57) Изобретение относится к неразрущающему контролю качества материалов и изделий, Целью изобретения является увеличение чувствительности. Для этого в преобразователе, содержащем две линзы, линза 2 выполнена плосковогнутой, а линза 3 - плосковыпуклой с радиусом. кривизны, больщим радиуса кривизны плосковогнутой линзы 2. Кроме того, акустический импеданс материалов линз равен акустическому им.педансу звукопроводящей жидкости 4. При этом добиваются минимальных акустиче-, ских аберраций в требуемом интервале перемещения фокуса. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.сировки 10 15 Е- й(1-и),20 25 рь =. 0,61 Е Х/а Изобретение относится к области нераэрушающего контроля качества материалов и изделий.Известны применяемые в акустической дефектоскопии и микроскопии фокусирующие ультразвуковые преобразователи, содержащие пьезоэлемент с электродами, прикрепленный к подвижной плосковогнутой линзе, позволяющий производить фокусировку (концентрацию) ультразвуковой энергии преобразователя в точке, называемой акустическим фокусом преобразователя, расположенной относительно линзы на расстоянии,где й - радиус кривизны линзы;п - коэффициент преломления,и Сс/Сл,где Сс - скорость ультразвуковой волны в среде фокусировки;Сл - .скорость ультразвуковой волны в материале линзы.. Такие фокусирующие ультразвуковые преобразователи обеспечивают возможность изменения положения акустического фокуса в исследуемой среде путем его перемещения в иммерсионной среде (звукопроводящей жидкости) вдоль акустической оси линзы.Наиболее близким к изобретению является акустическое многолинзовое устройство с.переменным увеличением и фокусным расстоянием, содержащее две линзы, одна иэ которых плосковогнутая, а другая связана с первой через звукопроводящую среду и размещена вблизи ее конфокальной зоны, и пьезоэлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы. Вторая линза вместе с выходной линзой образуют двояко- вогнутую акустическую линзу, за которой в проводящей ультразвуковой среде помещен исследуемый образец. Изменяя относительное положение второй линзы, можно анализировать образец по всему обьему, получая ультразвуковое изображение.Недостатком известного акустического многолинзового устройства с переменным увеличением и фокусным расстоянием явля.ется ограничение его использования на вы соких частотах, поскольку такое положение линз требует большого слоя звукопроводящей жидкости (большего суммы фокусных расстояний первой и второй линз), а все известные эвукопроводящие жидкости, включая жидкие металлы и газы, на частотах свыше 100 МГц имеют большие затухания ультразвука. Такое положение акустических линз и их тип уменьшают коэффициент фо 30 35 40 45 50 55 кусировки ультразвуковой энергии преобразователя, поскольку коэффициент фокупрямо зависит от активной площади преобразователя Я и обратно от фокусного расстояния Е, т.е. расстояния от пьезоэлемента до точки концентрации ультразвуковой энергии. Использование увеличения дополнительно уменьшает коэффициент фокусировки и увеличивает толщину звукопроводящей жидкости, поскольку для этого необходима вторая линза с большим фокусным расстоянием, чем первая, и в результате приводит к снижению чувствительности за счет затухания ультразвука в звукопроводящих средах и уменьшения коэффициента фокусировки ультразвуковой энергии в фокусе из-за увеличения радиуса фокального пятна Целью изобретения является увеличение чувствительности фокусирующих ультразвуковых преобразователей с переменным фокусным расстоянием,Поставленная цель достигается тем, что в фокусирующем ультразвуковом преобразователе с переменным фокусным расстоянием, содержащем две линзы, одна из которых плосковогнутая, а другая связана с первой через эвукопроводящую среду и раз-мещена вблизи ее конфокальной зоны, и пьезоэлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы, вторая линза выполнена плосковыпуклой с радиусом кривизны больше радиуса кривизны. плосковогнутой линзы.Замена двояковогнутой линзы плоско- выпуклой приводит к уменьшению слоя звукопроводящей жидкости между линзами и между плосковыпуклой линзой и исследуемым обьектом, Уменьшается расстояние от пьезоэлемента до фокуса, что ведет к повышению чувствительности за счет увеличения коэффициента фокусировки. Равенство акустических импедансов материала линз и звукопроводящей жидкости ведет к оптимальному акустическому согласованию акустического тракта, что значительно уменьшает потери на прохождение границ раздела линзы - . звукопроводящая средаи также уменьшается акустический шум, вызванный переотражениями в линзах. Комбинация1714497 20 25 30 плосковогнутой линзы перемещается отточки Е 1 до точки Р 1) вызывает перемещение фокуса преобразователя с точки Рп поверхности контролируемого объекта до точки Рп, лежащей на противоположной 35 ,стороне того же объекта (фиг.1), Поэтому слой звукопроводящей жидкости между линзами всегда меньше фокусного расстояния плосковогнутой линзы, а это приводит 40 50 55 фокусирующей и расфокусирующей линз уменьшает акустические аберрации, что также повышает чувствительность преобразователя.На фиг.1 представлена схема фокусирующего ультразвукового преобразователя; на фиг.2 - пример конкретного преобразователя.Фокусирующий ультразвуковой преобразователь с переменным фокусным расстоянием содержит пьезоэлемент 1, закрепленный на плоской поверхности плосковогнутой линзы 2, связанной с плосковыпуклой линзой 3 через звукопроводящую жидкость 4..Оптимальная разница в радиусах кривизны линз составляет 1-200 и определяется диапазоном перемещения фокуса устройства, Замена двояковогнутой линзы. на плосковыпуклую приводит к уменьшению слоя эвукопроводящей жидкости между линзами в результате того, что мнимый фокус плосковыпуклой линзь 1 Г 2 всегда будет лежать вблизи действительного фокуса плосковогнутой линзы Р 1(фиг.1), Это необ ходимо для выполнения условия работы такого фокусирующего преобразователя с переменным фокусным расстоянием; Перемещение Ь плосковогнутой линзы относительно плосковыпуклой (фокус к уменьшению затухания звука в преобраэователе, уменьшению расстояния от пьезоэлемента до фокуса Еп и, в результате, к повышению чувствительности за счет повышения коэффициента фокусировки, Дополнительное повышение чувствительности достигается применением звукопроводя-. щей жидкости с акустическим импедансом равным импедансу линз.Необходимым условием выполнения такого преобразователя является наличие как минимум двух акустических линз - одной фокусирующей, другой рассеивающей, при этом радиус кривизны рассеивающей линзы должен быть больше фокусирующей. Фокус плосковыпуклой линзы отстоит от фокуса плосковогнутой линзы и лежит на акустической оси преобразователя, при этом расстояние между акустическими фокусами плосковогнутой и плосковыпуклой линз определяет фокусное расстояние преобраэо 5 10 15 вателя (фиг.1). Таким образом, повышается чувствительность фокусирующего ультразвукового преобразователя с переменным фокусным расстоянием,Примером конкретного выполнения фокусирующего преобразователя является преобразователь (фиг.2), состоящий из корпуса 5, в нижней части которого закреплена плосковыпуклая линза 3, а внутри закреплена на подвижной втулке б плосковогнутая линза 2, на плоской части которой размещен пьезоэлемент 1, Пространство между линзами 3 и 2 заполнено ртутью 4. Выводы преобразователя подключены через гибкий кабель к разъему 7. В верхней части корпуса закреплена гофрированная подвижная перегородка 8, служащая для полной герметизации внутреннего Объема преобразователя от воздействия внешней среды, а также возможности передачи движения штоку 9, прикрепленному одной стороной к втулке, а другой выходящему наружу, Гофрированная перегородка закреплена в корпусе крышкой 10, Верхняя наружная часть преобразователя выполнена с резьбой для точной фиксации йреобразователя на каретке сканирующего устройства, Винт 11 служит для заливки в преобразователь ртути. В данном фокусирующем преобразователе используется пьезоэлемент на основе пьезополупроводника ЕпО и акустические линзы из стекла марки ТК(разновидность тяжелого крона). Звукопроводящей жидкостью является насыщенная медью и никелем ртуть, при этом для обеспечения смачиваемости линз и получения хорошего акустического контакта между линзами и ртутью линзы покрыты подслоем никеля толщиной 0;04 мкм, затем слоем меди 0,8 мкм и слоем индия 0,8 мкм. Покрытие линз слоями никеля, меди и индия определяет технологичность, адгезионную прочность и смачиваемасть линз без изменения характеристик во времени. Толщина слоев выбрана исходя из того, чтобы не вносить рассогласований в акустический тракт преобразователя, Вместо индия можно наносить платину, золото, серебро. они также отлично смачиваются и защищают медь от окисления.Ртуть и стекло марки ТКоптимально согласованы по акустическому импедансу, исходя из чего реверберационные акустические шумы преобразователя гораздо ниже полезного акустического сигнала во всем диапазоне измерений. Подвижная втулка выполнена с продольными пазами для забора ртути врежиме опускания подвижной линзы.1714497 Составитель Д, Горянский ехред М.Моргентал Корректо едактор СЛатруше ндри 689 . ТиражИИПИ Государственного комитета113035, Москва, Ж Подписноепо изобретениям и открытиям при-35, Раушская наб., 4/5 НТ СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Фокусирующий преобразователь предназначен для контроля изделий из конструкционной керамики. на частотах свыше 100 МГц.Формула изобретения 1. Фокусирующий ультразвуковой преобразователь с переменным фокусным расстоянием. содержащий две линзы, одна из которых плосковогнутая, а другая связана с первой через звукопроводящую среду и размещена вблизи ее конфокальной зоны, пьезоэлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы, о т л и ч а ю щ и й - 1с я тем, что, с целью увеличения чувствительности, вторая линза выполнена плосковы 5 пуклой с радиусом .кривизны, большим радиуса кривизны плосковогнутой линзы.2. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что акустический импеданс 10 материала линз равен акустическому импедансу звукопроводящей жидкости.