Способ получения акустической линзы

СОЮЭ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУЬЛИК 3(59 В 06 В 3 04 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯдкустцчесюцц луц 1 фКффЙ лб"1 юЩИ бам ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ И АВТОРСКОМУ СВИДЕГЕЛЬСТВУ(71) Ленинградский орден Трудового Красного Знамени технологический институт целлюлозно-бумажной промышленности(54) (57) СЦОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОИ ЛИНЗЫ путем формирования распределения показателя прелом-;,ления в стеклянном стержне с помощью ионообменной диффузии из расплава, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения Функциональных возможностей и улучшения фокусирующих свойств линзы, в качестве материала стержня используют стекло, содержащее натрий, в качестве расплава - расплав солей, содержащих литий, а ионообменную диффузию осуществляют при темпера.- турах, превышающих температуру стеклования исходного стекла стержня на 50-100";С.С, Ь Изобретение относится к технической акустике и может найти применение при создании линз для ультразвуковой дефектоскопии, медицинскойдиагностики и акустической голограФии, 5Известны способы изготовленияоднородных и неоднородных акустических линз различных конструкций,выполненных из,разнообразных материалов с применением для придания 10им формы ограничивающих поверхност)ей 1 1,Однако линзы изготовленные йэвестными способами имеют недостатки, связанные со сложностью изготовления прецизионных криволинейных поверхностей и отсутствием в нихплоских рабочих корректирующих поверхностей, что не дает воэможностиприменять .их для фокусировки акустических волн в твердых телахбез промежуточного иммерсионногослоя,Известен также способ созданияакустической линзы с управляемымзвукопроводом и блоком управления(звукопровод выполнен иэ монокристалла с линейным электроакустическим эффектом), в котором на боковойповерхности звукопровода выполняютпараллельно направлению распространения пучка упругих волн цилиндрические канавки, на поверхности которых наносят электроды 2 .Однако и при таком способе изготовления -линза обладает недостатками: сложна и трудоемка в изготовлении, требует применения искусствен- .но выращенных кристаллов для иэготовчления звукопроводов при специальной их ориентации перед вырезкойс помоцью оптических или рентгеновских методов, нанесения сложных поформе и технологии изготовленияэлектродов и принятия специальных 45мер по эаците поверхности монокристалла от электрического пробоя,кроме того линза не может быть проконтролирована в процессе изготовления, так как требует подключенияк блоку управления.50Наиболее близким по техническойсущности к изобретению являетсяспособ изготовления акустическойлинзы путем формирования распределения показателя преломления встеклянном стержне с помоцью ионообменной диффузии из расплава (.З.Однако. согласно этому способуизготовления линзы не удается получить фокусирования упругих волн в 60заданных пределах, так как способоснован на методе ионообменнойдиффузии, лроводимой в образцестекла, содержацего литий и погруженного в расплав солей, содержа 2цих .натрий, "что не позволяет получить нужное фокусирующее распределение упругих свойств иэ-эа увеличения скорости.упругих волн от поверхности к оси линзы, а также.из-за малого абсолютного и относительного изменения скорости упругихволн вдоль радиуса линзы,Цель изобретения - расширениефункциональных воэможностей и улучшение Фокусирующих свойств линзы. .Указанная цель достигается тем,что согласно способу изготовленияакустической линзы путем формирования распределения показателя преломления в стеклянном стержне спомощью ионообменной диффузии израсплава, в качестве материаластержня используют стекло, содержащее натрий, в качестве расплава -расплав солей, содержацих литий,а ионообменную диффузию осуществляют при температурах, превышающихтемпературу стеклования исходногостекла стержня на 50-100 С,оНа фиг. 1 показана схема работыполученной предлагаемым способомакустической линзы с.ходом акустического луча в ней на фиг, 2схема способа создания в стержнеаксиально-симметричного распределения упругих свойств) на фиг, 3график, иллюстрирующий распределение акустических свойств вдольрадиуса акустической линзы,Акустическая линза 1, контактирующая со средой 2,(фиг.1) выполнена в виде стержня с плоскопараллельными торцамиперпендикулярными его оси, Линза изготовлена изэвукопроводящего материала, например стекла, причем создано аксиально-симметричное распределение акустического .показателя преломлениядо закону где по и о(р - акустические. показатели преломления на оси линзы и нарасстоянии г от нее соответственно 1 (, - длина периодичности осцнлляции акустического луча в теле стер.жня (линэц), В такой линзе согласнораспределению (1) скорость упругих волн возрастает от оси стержня(линзы )к поверхности вдоль радиуса,что приводит к искривлению цервоначального фронта акустическойволны в теле линзы, а следовательно,к фокусировке упругой волны на определенном расстоянии от входного .торца линзы, Далее акустические лучи становятся расходящимися, но засчет рефракции в неоднородной45 3 10634среде снова сходятся на оси линзычерез определенное расстояние вдольнее, Таким образом, акустический(фиг. 1), определяемым параметромраспределения упругих свойств, Описанные явления имеют место в слу- .чае параболического распределенияупругих свойств (1), при этом небольшие отклонения от этого распределения (фиг, 3) не нарушают существенно общей картины распространенияупругих волн в линзе.При первом приближении все акустические лучи, лежащие в меридиональной плоскости линзы, испытывают периодические осцилляции внутриее, при этом длина линзы вдоль осиопределяет ее интегральное свойство в смысле фокусировки или дефокусировки этих лучей например,при 2 с (,/4 линза является собирающей, а при Ц/42 с Ц 2 - рассеивающей; при 2:(./2 линза не изменяетхарактера пучка, Очевидно, что. эти условия сохраняются, если кполученной расчетом длине 2 добавлять ФЬ, где :0,1,2,3, Следовательно, получив после обработкистержень с распределением упругихсвойств (1), можно отрезать от него нужные по длине 2 куски, которые будут служить, либо собирающими,либо рассеивающими акустическими линзами, в случае, показанном 35на фиг, 1, длина линзы 2:(+2)Ь;т,;е, линза является собирающей,Расчеты показывают, что фокусноерасстояние предлагаемой линзыи ее рабочий отрезок .5 , можно определить из соотношенийЬ Е и 5 отличны от аналогичныхзначений для продольных волн, Нафиг, 1 показано фокусирование упругих волн (сдвиговых или продольных)в твердой среде 2 при непосредственном (без иммерсии) контакте линзы и среды, Плоские торцы создаютдополнительное удобство примененияпо сравнению с известными однородными линзами с криволинейными поверхностями.,Способ осуществляют следующимобразо)к,Заготовка для линзы 3, представляющая собой стержень с размерами,определенными из соотношения (1-3)выполненная из силикатного стекла,содержащего натрий, предварительноразогревается до нужной температуры внутри шахтной вертикальной печи 4, после чего погружается в расплав солей, содержащих литий 5,находящийся в термостойком стакане6 К Температура расплава измеряетсятермопарой 7 и поддерживается автоматическим управляющим прибором,8 в течение всего заданного времениПосле окончания процесса печь выключают, открывают крьыку 9 и охлаждают заготовку 3, вынутую иэ расплава, над его поверхностью илив любом месте внутри остывающей пе%ие После остывания полученной лин зы вместе с печью до температуры 60-100 С ее вынимащт, Пинза готоваок использованию, так как дополнительной механической обработки производить не требуется, кроме небольшой шлифовки торцевых поверхностей (при необходимостк)Во время протекания описываемого процес са, когда заготовка находится в расплаве, в ее поверхностном слоепроисходит процесс ионообменной диффузии, результатом которой является замещение ионов натрия в исходном стекле на ионы лития иэрасплава, что приводит с течениемвремени к созданию распределеннойвдоль всего радиуса линзы и умень50 55 60 Фгде ьф С(С(С и С - скорости упругих волн на оси линзы и в окружа,ющей ее среде соответственно).Таким образом, линза может фокусировать или дефокусировать упругие волны в любой среде., при этоми 3 будут зависеть от ве-. личины скорости звука в конкрет-: ной окружающей линзу среде. Она может фокусировать и сдвиговые волны по причине очевидной связи скоростей продольных и поперечных упругих волн в изотропной среде, которой является тело линзыЗначения 65 шающейся к оси концентрации ионовлитья, Такая взаимная замена ионов в силикатных стеклах, содержащих натрий, полученная методомионообменной диффузии при температурах вьаае стеклования, приводитк созданию вдоль направления радиуса линзы градиента скоростейупругих волн, при котором их скорость увеличивается к поверхностилинзы, причем закон распределенияпрактически совпадает с указаннымв соотношении (Ц, Оптимальнойтемпературой ведения процессаявляется температура на 50-100 Свьше температуры стеклования исходногостекла . Это обЪясняетсятем. что в этих условиях происходит сравнительно быстрая релаксация структуры исходного стекла по- СЛЕ ВНЕДРЕНИЯ ИОНОВ Иэ РаСПЛаВа Ир кроме того, коэффициент взаимодиффузии относительно велик,. Повышение 5 температуры может приводить к явлению микРОликвадиир т е,значительному и резкому изменению состава матерлала в микрообъемах, вследствие прего ухудшаютсямеханические свой- О ства лилзыВ то же время, более . низкая темгнература способа можетррр привест и к "замораживаниюне усгевшей Отрелаксировать структуры стекла т,е.к Остаточным механическим нао.ояркенияр в линзе которые могут значительно изменить распределение упр.:гих свойств вдоль направления радиуса линзы и ухудшить ее фокусирующие свойства,.Важным параметром прецлагаемого способа куске темпеРатУРыр Явлле:ся время процесса ь, Оно опреде ляетсяр во-первыхр коэффициентом вэаимодиффуэии Ц ионов Ь - ".Йа для каждого конкретнОгО состава исхОднОгО стекла и, во-вторых, линейным раз" мером, вдоль которого происходит изрленение свойства. т,.е . радиусом линзы, Оптимальньщ временем проведения процесса является ь, определя ЕМОЕ ИЗ СООТНОШЕНИЯ0 ОЗЯ" ОО РтрВ-,.цярлыа коэффициента язаиььОдиффу" зии 1) либо известна иэ литературыр либо определяетс:я в предварительных экспериментах, Выбор временименьшего по сравнению с расчетным по формуле (4), приводит к неполной проработке заготовки вдоль радиуса а большего времени - к искажению закона аксиально-, симметричного распределения (1). Таким образом, существенными и определяющими признаками способа являются выбор исходного материала в"бор расплава и температурно-временной режем ЯОЯООбменной Обоаботки.в расгрлаве . В предлагаемом способе происходлт замена ионов натрия из силикатного стекла на ионы лития из расплава в то время как в прот типе проводится обратная замена.В соответствил с этим расплав должен содержать лртийр а не натриК Кроме того, температуру выбирают Обязательно выше температуры стеклования исходно;.О материала, а в прототипе Она.может быть и ниже тем О пературы стекловання, Дополнительным преимуществом предлагаемого способа является упрочнение поверхностного слоя получаемой линзы, что улучшает ее механические свойства. р,5 П р и м е р, .Исходный образецв виде круглого стержня радиусай: 5 мм иэ силикатного стекла,содержащего натрий, состава, моль В:Б(02 601 А 00 20; Ь 1 рО 10; М аО 10температура стеклования ТА=580 СОбразец после предварительногопрогрева погружают в расплав литиевыхсолей состава, мол: %: С 0 16;р.150 84 с температурой, равной650 С, которая поддерживается воОвремя всего процесса с точностью ф 5 СКоэффициент взаимодиффуэии 3 определен из предварительных измеренийи составляет (1-3)10 7 см с р авремя процесса рр необходимое для полной проработки образца - 24 ч, Этосоответствует значениям так называ -емого приведенного времениТ - : ВРОЗЬ- Ор 1 О 8,йНа фи 13 показаны зависимостискорости продольных упругих волн С,рОт радиуса . в акустической. линзе (кривая а). На кривой б показано(идеальное ) параболическое распрецеленле р пОстроеннОе ПО формуле ( 1 )Иэ фиг, 3 следует, что реальноерасрределение С (р) практическисовпадает с нужным фокусирующимиз соотношения (1). Эксперименталь"ные точки на кривой а построеныс помощью расчетного метода, состоя:цего в вычислении скорости ультразвука по лэвестному значению Оптического показателя преломления,при этом распределение его в плоскости поперечного сечения линзыполучено из анализа интерферограм-мы тонкого среза линзы,Таким образом, для контроля готовой акустической линзы достаточно иметь интерферограмму одноготонкого среза, перпендикулярногооси стержняр которая позволяет определить параметр периодичностии,следовательно, при выбранном 2 вычислить Гр и 5.для акустической Лин;:.зы, упругие данные которой приведенына фиг, 3, параметр распределения),:153 мм, экспериментальные значения рабочего отрезка в дистиллированной водеб -30 мм при 2: 30 мм,ЦляэтОЙ же линзЬ р нспОль ЭУемой для фокУ 6сировки продольных волн в твердомсплаве АМГр расчет дает значениерабочего отрезками . -"7 ммПредлагаемый способ может бытьуспешно применен для стержней,любых размеров для создания во всемих объеме фокусирующего распределения упругих свойств, т,.е,. позволяет получить неоднородную акустическую линзу с плоскими рабочими поверхностями, способную как фокуси"ровать, так и дефокусировать продольные и сдвиговые упругие волныв любой Окружающей линзу среде,1063480 и повьааенной механической прочностьюПо сравнению с базовым объектомпредлагаемый способ значительнотехнологичнее, позволяет снизить 5 себестоимость линзы и повысить надежность ее в эксплуатации. теИО СоставительБезродная Техред И,Ме Пирогоелена а е лак акаэ 10401/1 0 Тираж 492ВНИИПИ Государственногпо делам изобретено 113035, Москва, Ж, Ра комите и откр сная н филиал ППП фПатент,;г, Ужгород, ул Проектная, 4 Таким образом,предлагаемый способ получения акустической линзы по сравнению со способом-прототипом позволяет повысить качество линзы с необходимым фокусируюцим распределением упругих свойств, их значительным изменением вдоль поперечного размера ПодписноСССРий, д. 4/5