Устройство для управления пространственнымипараметрами пучков упругих волн

(23)Приоритет теннй ае делам убликона 28.02.81. летень М(53 4.000 и отермтнй 088.8 ия 28.02,Дата опубликования опи 72 Авторыобретени Н, Белый и Н. С. Казак Знамени институорусской ССР(54 РОЙС ТВ ПАРАМ ЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМРАМИ ПУЧКОВ УПРУГИХ ВОЛН т азв к углом поворота уль р у ового пучка по заданному закону.Известны также устройства, которые представляют соэой набор акустических преобразователей, расположенных в одной плоскости 21. Преобразовательные элементы должны колебаться в определенных фазах. Для изменения фазы колебаний соседних пьезопреобразователей служит специальное фазирующее устройство.Однако данному устройству присущ: ряд недостатков, связанных с дискретной структурой излучающей ультразвук систв мы,Наиболее бп по техническойройство, содержляемыми параме рннЯ 13.Однако это устройствоскорость управления.Бель изобретения - позыти управления. ение скорос Изобретение относится к акустике и ультразвуковой технике и может использоваться, в частности, для управления пространственными параметрами пучков упругих волн в системах ультразвуковой технологии, рефектоскопии, подводной локации, а также в других областях науки и техники, где необходимо производить управление пространственными параметрами ультразвукового луча. Известны устройства для управления направлением распространения пучка упругих волн, т.е. для его пространственного сканирования, дспользуюптие рефлектор, механически поворачивающийся вокруг оси, перпендикулярной осн пучка 1, Отраженный луч осуществляет в результате сканирование определенной области пространства.Однако такие устройства обладают невысокой скоростью сканирования, Кроме того, при вращении рефлектора практически невозможно осуществить управление изким к предлагаемому сущности является уствшее звукоправод с управ 4 т ами и блок управлеф8167 6В описанных устройствах ориентацияосей ХУЕ относительно кристаллографических осей кубического кристалла выбрана так, что только компонента Е оказы вает влияние на скорость упругой волны.Согласно (1) н (4) компонента Евызовет линейное вдоль оси Х изменение скорости упругой волны(8) 50 Угол отклонения пучка пропорционален разности потенциалсе, электрическому нелинейному параметру О, длине звукопро-.55вода 9 и обратно пропорционален квадрату апертуры.Изменяя разнос 1 ь потенциалов то наэлектродах, можно менять угол 9, т.е.управлять с помощью электрического поЭУ ТоЕ=- =- - Х,5 80нию пучка. В результате фаэовые фронтыприобретут наклон и пучок отклоняетсакак целое. Степень отклонения зависитот того, насколько меняетса фазоваа скорость по сечению пучка.Если на эвукопровод накладываютэлектрическое поле, величина которогоквадратично зависит от координат в сечении, ортогональном направлению распространения пучка упругих волн, то фазоваа скорость по сечению пучка приобретает квадратичную фаэовую задержку,Это приводит, например, к превращениюатоского фронта в сферический или цилиндрический. Поэтому звуковой пучок испытывает сферическое или цилиндрическое, фокусированиеНа фиг. 1 представлено устройстводля сканирования продольно-поляризованного пучка, общий вид; на фиг. 2 - устройство для сканирования поперечно-поляризованного пучка, на фиг. 3 - сечевйеустройств плоскостью ХУ; на фиг. 4 и5 - устройства для фокусировки (дефокусировки) во взаимно ортогональных направлениях пучков соответственно продольно- и поперечно-поляриэованных упругихволн, общий вид, на фиг. б - устройстводля чисто цилиндрического фокусированияцучка упругих волн на фиг. 7 - сечениеэтого устройства плоскостью ХУ,Устройство состоит из звукопровода 1,выполненного иэ материала, обладающегоэлектроупругим эффектом цилиндрических,электродов 2 и 3, подключенных к Отрицательным и положительным полюсам источника питания, входной (выходной) грани 4 для пучка упругих волн и источника5 электрического напряженна.Устройство работает следующим образомеПри подключении электродов к источтптку питания в каждой точке внутри звукопровода установится распределение потен:.циала видатоУ(х у). ху, (3)Где 90- разность потенциалов между электродамиеВыражений ( 3) удовлетворяет уравнениюЛапласа и граничным условиям 9"- йна заряженных электродах.2Из выражения (3) можно определитьвеличину напряженности электрическогопола в направлениях Х и У :(5)Ф Пучок упругих волн из окружакяцейзвукопроводящей среды проходит черезвходную грань устройств и распростра нается в направлении оси Е , При оэсутствии напряжения иа электродах пучок внутри крист:лла должен иметь либопродольную поляризацию с вектором смещения, парьллельннм оси 2 дла устройст ва на фиг. 1, либо кваэипоперечную поляризацию с вектором смещениа, лежащимв плоскости симметрии кристалла, длаустройства на фиг. 2. Пучок может бы 1 ьсоздан плоским пьезопреобразователии, 23 непосредственно расположенным на входной границе звукопровода 1.При подаче нанряження на электроды2 и 3 пучок отклоняетса как целое всторону уменьшения акустической скорсс- зО ти. Угол отклонения луча после прохождения эвукопровода толщиной В определается выражением 4 ЗЧв=- -- 1(о33Подставляя (5) в (6), получим Ро ес (7) Из-эа преломления на границе контакта пьезоматериала и акустической среды угол отклонения изменяется на величину И равную отнотпению Ч скорости в акустн ческой среде к скорости звука Чо в эвукопрсводе.С учетом этого окончательно дла угла отклонения ультразвукового пучка получим формулу(15) ля направлением распространении ультразвуковых пучков.Пусть звукопровод выполнен из кристмла германата висмута В 1 С 3 Оо,.Тогда, согласно формуле ( 2), значение 9 для устройства на фиг. 1 равно ф Ф1 Оа для устройства на фиг. 2 : Подставляя (9) и (10) в (8) при Я 0,5 см, 6-10 см, и -1 и изменении потек циапа на электродах от нуля до 1 О кВ, получим, что угол отклонения меняется для устройства на фиг. 1 в предепах 10, 20 а для устройства на фиг. 2 в пределах 5.Устройства для фокусирсвки (дефокуси ровки) работают следующим образом,При подключении электродов к источнику питания в каждой точке звукопровода 23 устанавливается распределение потенциапа вида Ч(ХЧ) (ЗК у) (11) 30 где Уо- разность потенциалов между электродами;2 К- расстояние между вершинами электродов в направлении оси У.Потенциал (11) приводит к появлению составляющих электрического поля по осямХ и У; Е - --К)у 33 2 КъЕ = -- =- к- Х./ЭФ Эох дК Р. Еу вызовет, согласно (1) и (12) квадратичное по поперечному сечению пучкаупругих волны изменение скорости Х со смещением. частиц вдоль оси Х, изменение скорости вида: Пучок упругих воин из окружающей звукопроводящей среды распространяется волдь сси Х (фиг. 4 и 5), пибо вдоль асей Х или У (фиг,6),.В устройстве на фиг. 4 пучок ляется продопьнэ.полярижваиной водной; а устройстве иа фиг. 5- квазисдвиговой волной, поляризованной в координатной плоскости симметрии кубического кристалла; в устройстве нафиг. 6 - продольно-поляризованным при распространении вдоль оси Х, либо попа речно-поляризованным при распростране , нии вдоль оси У.При подаче напряжения акустические лучи изгибаются в сторону уменьшения, скорости, причем траектория их движеняя определяется уравнением где 9- угол между касательной к лучу и осью пучка,Ф,ф- поперечный градиент скорости., В устройствах на фиг. 4 и 5 осущес щляется в спучае положительного параметра С ципиндрическое фокусирование но оси У и одновременно дефокусирование по оси Х. В устройстве на фиг. 6 осуществляется чисто ципиндрическое фокусирование по оси У для пучка, распространяющегося вдоль оси Х, либо чисто цилиндрическое фокусирование по оси Х дпя пучка, распространяющегося в направлении, оси У. При фокусировании по оси У все лучизвукового пучка собираются в линяю, рас-,положенную на некотором расстоянийот выходной грани устройств, гдеЧ -Чо -(У-Х)ИооО а50В устройстве на фиг. 6 компонента Есоздает для продольно-нопяризованногоцучка, распространяющегося вдоль оси Х,изменение скорости вида3 ЬЧоО о 23а для поперечно поляризованного пучка, распространяющегося в направлении оси С причем 8- угол отклонения звуковых лучей от о. пучка после прохождения топщины звукоправода , который дается выражением(16)Из-за преломления на выходной грани устройств угол отклонения изменяе 1 ся ыа величину отношения скорости Мариво(17) и изменение по соочвействуещему5 закону фокусного расстояния,Предлагаемые устройства пригодныдня управляемого фокусирования высокочастотных ультразвуковых волн, так какв качестве фокусирующей среды использу 10 ются твердые изотропные и кристаликческие материалы, в которых, как известно,поглощение на высоких частотах (десятки и сотни мй) значитепьно меньшз,чем в газах и жидкостях. йэЪиЧрО 6Величина фокусного расстояния Рх устройств 4, 5 и 6 также определяется формулой (17), причем Г 1: - ГуТаким образом, величина фокусного расстояния ус тройс 1 в пропорциональна кубу апертуры и обратно пропорциональна разности потенциалов, элекрическому нелинейному параметру и дпине звукопровода 1 . Величина фокусного расстояния устройств меняется путем изменения разности нотенциалов, прикладываемых к электродам.При отсутствии напряжения на электродах устройства действуют как плоскопараллепьные пластинки.Пусть звукопровод в устройствах (фиг. 4 и 5) выполнен из кубическогокристапла германа висмута. Тогда для устройс 1 ва (фиг. 4) при 1 10 см,Я0,5 см и 9= 10 кВ иЦ=. 0,310 .ф, согласно (17)= 140 см, а для устройства (фиг. 5) при 1 = 0,5 см и 8 = 1,1-10 смв- 4 см.Рассмотрим устройство (фиг, 6), звукопроводом которого является кристенс ниобата лития. Для 6 = 5 см, к =. 1 см. фо10 кВ при распространении звуково го пучка вдоль оси Х 9 =0,04 10 -и;- -6 см и Г 1 = 20 м, а при распространении вдольоси У О = 0,9310,см Г= 80 см,Использование предлагаемых устройств позволяет сканировать пучком упругих волн или перестраиватьфокусное расстояние в широком диапазоне при фокусировании. Устройства характеризуются высокой скоростью управления пространственными параметрами ультразвуковых пучков, мк как управляются внешним электрическим полем. Скороаь изменения фокусного расстояния ограничивается лищь временем прохождения ультразвука через фокусирующую среду л 10" с. Зто примерно на четыре порядка пучше, чем для известного устройства, в котором изменение давления осуществляется за время от де= сятых долей секунды до единиц и десятков секунд. 15 9 Я внешней среде и скорости звука Мо в ма, териале линзы:= ОКйо)Окончательно, согласно (14)-(18), фокусное расстояние устройств определяется по формуле Формула изобретения 1. Устройство для управпения пространственными параметрами пучков упру-гих волн, содержащее звукопрсеод с управияемыми параметрами и бдок управленияо т л и ч а ю щ е е с я тем, чтос целью повышения скорости управления,в качестве эвукопровода применен кристалл с динейиым электроакус 1 мческим эффектом, на боковой поверхности котороговыполнены парадлельно направлению распространения пучка упругих волн цилиндрические канавки с нанесенными на их стенки электродами, а бпок управнения выполнен в виде источника электрическогонапряжения, к различным полюсам которого подсоединены соседние электроды.2. Устройство но п. 1, о т и и ч аю щ е е с я тем, что, с целью сканирования продольно-поляризов анного пучкаупругих вопи, а также упрощения управления и устранения потерь звуковой мощ.40ности звукопровод изготовлен из кристаллаа кубической симметрии. а на его б.ковой поверхности выполнены четыре цилиндрические канавки, направляющие которых параллельны оси 110 и напрввлению распространения упругих волн, в об .раэующие в ортогонапьном к оси 1 10 сечениии описываются уравнением где 2 С- расстояние между вершинами электродов, ось У параллельна 001,. ось Х - 1101, а начало координат лежит на оси устройства .3. Устройство по и. 1 и 2, о т и и ч а ю щ е е с я тем, что, с цепью сканирсввния поперечно-поляризованного пучка упругих волн, направляющие цилиндрических канавок параллельны направлениюраспространения упругик волн, поляризованных в плоскости симметрии кристалла, и оси, лежащей в той же плоскости с осью 100 угол 22,5 .4. Устройство по п. 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью осуществления одновременной фокусировки и дефокусировки пучка упругик продольно-поляризованнык волн, звукопровод изготовлен из кристалла кубической симметрии, а- на о его бокбвой поверхности выполнено шесть цилиндрических канавок, напрвячяюшие которых параллельны оси 11 Эи напрввле -1 нию распространения упругих волн, а образующие в ортогональном к оси 110 се чении описываются уравнениемЗхУ У =+где 2 Р - расстояние между вершинами 20 электродов в направлении оси, ось У параллельна 001, в ось Х -110.5. Устройство по пп. 1 и 4, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью осуществления одновременных фокусировки и дефокусировки пучка упругих поперечно-поляризованных волн, направляющие цилиндрических канавок параллельны направлению распространения упругих волн, поляризованных в плоскости симметрии ЗО кристалла и оси, лежащей в той же плоскости и составляющей с осью 100 угол 22,5 ф. 67 126.Устройство по п. 1, о т л и, ч аю щ е е с я тем, что, с целью осуществления чисто цилиндрической фокусировкипучка упругик волин, звукопровод выполнен из кристалла тригональной симметрии, а направляющие цилиндрических какавок параллельны крис таллографическойоси третьего порядка Е и перпендикулярны направлению распространения упругих,волн, вектор поляризации которык совпадает с кристаллографической осью Х, причем образующие канавок в ортогональномк оси Х сечении описываются уравнениэху - = к,где 2 К- расстояние между вершинамиэлектродов в направлении кристаллографическсй оси У, а начало координат лежит на оси устройстваИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, изд. 2, ИЛ.,М., 1957, с, 48-50.2.КО 1 ре 1 А. Опб оОЕгь,йе 5 еагсЛт оАсооьЫЮ БьМм о 1 Моджамп СоЬегеп 1 ИрМ вг Сео 1 в Тееч 1 МоиР 1 СВ.С.-Арф ОРОСИ. 1 96 Ь,7,М о 1 О,р.166.3. Каневский И. Н. и др. Ультразвуклая трехкамерная линза с переменным ифокусным расстоянием, Акустический журнал. М., фНвукаф, 1978, т. 24, М 2,с, 300-301.. Макаревич дакто Техред Е. 8СС дписноу лиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проек Заказ 10888/8 ВНИИПИ Государств по делам изоб 113035. Москв