Устройство для фокусированияультразвуковых пучков

Союз СоветскихСоциалистическихреспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51) М. Кл. В Об В 3/04 с присоединением заявки Йо Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 2 30481-, ф".,лОрдена Трудового Красного Знамени инсти уфизики АН Белорусской ССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПУЧКОВИзобретение относится к акустикеи ультразвуковой технике и можетбыть использовано, в частности, дляфокусировки ультразвуковых волн всистемах ультразвуковой технологии,дефектоскопии, подводной локации,звуковой голографии,Известно устройство,.которое включает звукопровод, выполненный в видецилиндрической камеры, ограниченнойгибкими растягивающимися мембранамиОднако известное устройство непозволяет осуществлять изменениеФокусного расстояния с частотой порядка десятков МГц и выше из-за инер.ционности мембран.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является устройство, содержащее звукопровод суправляемыми параметрами, на боко.вых поверхностях которого выполненычетыре параллельные друг другу цилиндрические канавки с нанесеннывына их стенки электродами, и блокуправления в виде источника электрического напряжения, к различным полюсам которого подсоединены соседние электроды, причем образующие вортогональном к направлякщим циль.ц" рнческих канавок сечении описываютсяуравнением где х и у - осидекартовой систеввюкоординат, ортогональные направляющим цилиндрических канавок с началом,в центре звукопровода; й - расстояние от начала координат до вершиныканавок 21.Однако это устройство требует высокого управляющего напряжения.Цель изобретения - упрощение Фокусирования ультразвука за счетуменьшения управляющего напряжения.Указанная цель достигается тем,что звукопровод выполнен из материала, обладаищего квадратичным электроакустическим эффектом,На Фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство; нафиг. 2 - звукопровод с нанесеннымина него электродами, общий вид; наФиг. 3 - то же, сечение плоскостьюхоу.Устройство содержит вибратор 1,создакщий ультразвуковой пучок, эвукопровод 2,.выполненный из материала,(О 20 Я+, ЕлО,Л 83 ГС. О,т 1 П О Ж 11 л, е 40 50 55 обладающего квадратичным электроакустическим эффектом, например, обладающего центром симметрии и высокими значениями компонент тензоров,описывающих линейную и квадратичнуюэлектрострикцию, систему .электродов3, создающую в материале звукопровода неоднородное электрическое поле,линейно зависящее от координат всечении, перпендикулярном направлениюраспространения ультразвука, источник 4 высоковольтного напряжения,подключенный к электродам, внешняясреда 5.Звукопровод (фиг,2) содержит нанесенные на него электроды 3, подсоединенные к бтрицательным и положительным полюсам источника (фиг.3),входные б и 7 и выходные 8 и 9 гранизвукопровода при работе его в качестве цилиндрической и сферическойлинзы соответственно. Поверхностиэлектродов образуют в сечении плоскостью хоу равносторонние гиперболы(фиг,3),Устройство работает следующим образом.Если в качестве материала для изготовления звукопровода выбрана неполяризованная пьезокерамика, наоснове ВаТ 10, обладающем квадратичным электроакустическим эффектом, высокой диэлектрической проницаемосгде ц - диэлектрический тензор и С Е - упругие постоянные в отсутствие электрического поля. Электрическое поле, линейно зависящее от координат в сечении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука, вызывает в соответствии с формулой 2 квадратичное изменение в этом сечении скорости ультразвуковой волны. В результате каждая точка фазового фронта акустического пучка приобретает различную фазовую задержку, приводящую при таком законе изменения скорости к превращению например, плоского фронта волны в сферический или цилиндрический. Если величина электрического поля в указанном сечении линейно зависит от одной координаты, то пучок испытывает цилиндрическое фокусирование, если же она линейно изменяется вдоль радиуса ультразвукового пучка, то наблюдается сферическое фокусирование, Изменение потенциала на электродах приводит к управлению фокусным расстоянием. 60Если изготовить звукопровод 2 так,как указано на фиг. 2, и нанестина его поверхность электроды то приподключении последних к источникувысоковольтного напряжения внутри 65/тью, а следовательно, и высокими значениями электрострикционных посто. янных первого и второго порядка.Наложенное электрическое поле вызывает за счет эффекта электрострикции первого и второго порядка изменение скорости ультразвуковых волн в сечении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука. Относительное изменение скорости ьМдается выражениемЧо- ( М.)ЬЧогде ьЧ = Ч " ЧО, С - параметрхарактеризующий относительно изменение скорости; ЧО - скорость ультразвука в отсутствие электрического поля, Е - величина напряженности электрического поля, вызывающая изменение эффективной упругой постоянной, а следовательно, и скорости упругой волны.При заданных направлениях распространения ультразвуковой волны и, направления ее поляризации О и направления внешнего электрического поля 0 Я, М, е - единичные векторы) параметра С выражаются через соответствующие компоненты тензоров, 91 кеэ и й;Е,ПЧ,описывающих эффект электрострйкции первого и второго порядка, следующим образом Еро Ои) Я,Ешр 8Оп Ор О(11 (з) Е,.Е О и О оматериала звукопровода установится распределение потенциала видаМ(х, : - (й (4)О.где Чо - разность потенциалов между электродами, Потенциал этого вида удовлетворяет уравнению Лапласа и граничным условиям Ч- й на элект 2родах.В соответствии с (4) для компонента электрического поля имеемЭЧ ЧО дЧ ЧоЕ=:- - Ч а=- - : -- х (о)аХ ( З В(о оПусть продольная ультразвуковая волна распространяется вдоль оси х,В этом случае для относительного изменения скорости распространения волны из-за наложенного электрического поля получаем, воспользовавшись (2),(3) и (4), следующее выражение Из (7) следует, что ультразвуковые лучи, распространяясь вдоль оси х; испытывают отклонение в направлении оси у, поскольку в среде 2 с822922 Формула изобретения на Таким образом,. предлагаемое устройство позволяет с помощью электрического поля, величиной до 10 кВ/см осуществлять фокусировку и оперативное управление фокусным расстоянием в широких пределах: от нескольких сантиметров до10 кВ/см. Задавая определенный закон изменения напряжения на электродах можно осуществлять в соответствий с формулами (11) и (14) и изменение по соответствующему закону фокусного расстояния;Предлагаемое устройство может использоваться как в качестве цилиндрической, так .и в качестве сферической линзы. Устройство для Фокусирования ульт развуковых пучков, содержащее звуко- провод с управляемыми параметрами, на боковых поверхностях которого выполнены четыре параллельные друг другу цилиндрические канавки с нанесенными на их стенки электродами, и блок управления в виде источника электрического напряжения, к различдым полюсам которого подсоединенывоседние электроды, причем образующие в ортогональном к направляющимцилиндрических канавок сечении описываются уравнением5 Хч -т.где х и у - оси декартовой системыкоординат, ортогональные направляющим цилиндрических канавок с началомв центре звукопровода; й - расстояния от начала координат до вершинканавок, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью упрощения фокусирования ультразвука за счет уменьшения управляющего напряжения, звуко 15 провод выполнен из материала облаIЪ,дающего квадратичным электроакустическим эффектом.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе20 1. Каневский И,Н. и др. Ультразвуковая трехкамерная линза с переменным Фокусным расстоянием. - "Акустический журнал". М "Недра", 1978,т,24, ч. Р 2, с. 300-301.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2720004/18-10,кл; В Об В 3/04, 05.07,79.