Высокочувствительный широкополосный датчик ультразвуковых колебаний
Полезная модель относится к области физической и технической акустики и может быть применена в таких областях, как радиоэлектроника, автоматизация технологических процессов, материаловедение, неразрушающий контроль и для научно-исследовательских целей, в частности, в ультразвуковой спектроскопии для измерения акустических характеристик материалов. Полезная модель может быть использована в устройствах ультразвуковой дефектоскопии тонких изделий при одностороннем доступе для контроля их качества, и как комплектующий элемент в приборах нового поколения - акустических спектроанализаторах. Технический результат состоит в повышении чувствительности измерений и расширении полосы рабочих частот. 1 н.п. ф-лы, 2 илл.
Область техники
Изобретение относится к области физической и технической акустики и может быть применено в таких областях, как радиоэлектроника, автоматизация технологических процессов, материаловедение, неразрушающий контроль и т.д., в частности, для автоматического экспресс-анализа материалов методом ультразвукового мониторинга (спектроскопии, дефектоскопии и т.д.) а также для научно-исследовательских целей, в частности, в ультразвуковой спектроскопии для измерения акустических характеристик материалов, и для создания приборов нового поколения - акустических спектроанализаторов.
Датчиком ультразвуковых колебаний на основе пьезоэлектрического эффекта называется устройство, предназначенное для взаимного преобразования механических деформаций в электрические сигналы и обратно на основе прямого и, соответственно, обратного пьезоэффекта. Подобные устройства используются в качестве основных элементов ультразвуковых дефектоскопов, акустических микроскопов, приборов акустической эмиссии, и исполнительных элементов во многих областях науки и техники, связанных с акустикой, прецизионной механикой, тензометрией и т.д.
Уровень техники
В простейшем виде датчик ультразвуковых колебаний на основе пьезоэлектрического эффекта представляет собой отдельный пьезоэлемент в виде бруска, пластины или тонкой пленки той или иной формы из материала, обладающего пьезоэффектом. Обязательными дополнительными элементами подобных датчиков являются металлические электроды на рабочих гранях пьезоэлемента, либо иные устройства для создания и приема электрического переменного поля [1]. При работе на частотах выше 1 МГц пьезоэлемент крепится с помощью акустической склейки на поверхности звукопровода, выполненного из материала с малым коэффициентом поглощения ультразвука. Назначение звукопровода - формирование звукового пучка и передача энергии звуковых волн от пьезоэлемента к исследуемому образцу и обратно, обеспечение возможности сканирования датчика по поверхности исследуемого образца при ультразвуковой дефектоскопии.
Основными параметрами, определяющими применимость датчика в практических целях, являются чувствительность, определяемая величиной минимально детектируемой амплитуды ультразвуковых колебаний, и полоса рабочих частот, определяемая по разнице значений верхней и нижней частот преобразования на уровне 0.7.
Аналогом заявляемой полезной модели могут служить датчики, основанные на возбуждении и регистрации ультразвуковых колебаний тонкими пластинами кристаллов пьезоэлектрического кварца [2]. К недостаткам этих устройств относятся, в первую очередь, низкая эффективность преобразования и небольшая чувствительность к наличию в образце ультразвуковых колебаний вследствие малых значений пьезоэлектрических модулей кристаллического кварца [3], и узкая полоса рабочих частот, определяемая малостью диэлектрических и акустических потерь энергии. Вследствие этого датчики на основе пьезоэлектрического кварца имеют высокую чувствительность лишь вблизи резонансной частоты или на гармониках, и находят большое применение в устройствах стабилизации частоты благодаря высокой добротности и слабой зависимости резонансной частоты от температуры пьезокварца.
Аналогом заявляемой полезной модели могут служить также датчики с неоднородным электрическим полем возбуждения, что достигается созданием переменного профиля одной из поверхности пьезоэлектрического элемента. Изготовленные на основе высокоэффективной пьезоэлектрической керамики ЦТС-19 такие датчики имеют высокую чувствительность, расширенную частотную характеристику в диапазоне частот 2-10 МГц и находят применение в ультразвуковых дефектоскопах [4].
Недостатком таких датчиков является сложность технологии их изготовления, резкое снижение чувствительности при частотах выше 10 Мгц, и высокий уровень паразитных мод колебаний, искажающих диаграмму направленности пьезоэлектрического преобразователя, и затрудняющих проведение ультразвукового контроля.
Прототипом предлагаемой полезной модели является датчик ультразвуковых колебаний, включающий звукопровод, акустически связанную с звукопроводом пластину, выполненную из пьезоэлектрического кристалла ниобата лития, на поверхности которой нанесены металлические электроды [5]. Кристаллы ниобата лития имеют самые высокие значения пьезоэлектрических модулей среди всех известных пьезоэлектрических кристаллов [3], вследствие чего должны иметь максимальную чувствительность к наличию в образце ультразвуковых колебаний.
Недостатком известного датчика является достижение высокой чувствительности лишь в ограниченной узкой полосе рабочих частот и недостаточное спектральное разрешение при работе с короткими импульсами ультразвуковых колебаний, что приводит к появлению длительного послезвона по окончании действия импульса и к невозможности проведения работы по ультразвуковой дефектоскопии очень тонких изделий. Расширение полосы рабочих частот прототипа осуществляется путем механического или электрического демпфирования пьезоэлектрической пластины, что неизбежно ведет к понижению чувствительности датчика во всем рабочем частотном диапазоне [6], Кроме того, недостатком известного датчика является возможность генерации дополнительных мод колебаний вследствие низкой симметрии кристалла ниобата лития и большого количества пьезоэлектрических модулей, что приводит к дополнительным шумам и к снижению чувствительности датчика к приему ультразвуковых колебаний по окончании действия зондирующего импульса.
Раскрытие полезной модели
Технический результат заявленной полезной модели состоит (по сравнению с прототипом) в повышении чувствительности измерений и в увеличении рабочей полосы частот за счет применения в качестве пьезоэлектрического кристалла - кристалла иодата лития гексагональной модификации, полученного в определенных условиях.
Сущность изобретения
Указанный технический результат достигается тем, что в высокочувствительном широкополосном датчике ультразвуковых колебаний включающем звукопровод, акустически связанную с звукопроводом пластину из пьезоэлектрического кристалла, на поверхности которой нанесены металлические электроды, в соответствии с заявленной полезной моделью, в качестве пьезоэлектрического кристалла взят кристалл иодата лития гексагональной модификации, полученный на основе испарения водного раствора при кислотности рН равной 0.8 с добавлением в раствор иодата цезия в количестве 0.2 масс.%.
Заявленная полезная модель позволяет устранить основные недостатки прототипа - понижение чувствительности к амплитуде ультразвуковых колебаний при расширении полосы рабочих частот, и ограниченные возможности по увеличению области рабочих частот (не более 20% от средней частоты датчика).
Отличительной особенностью кристаллов иодата лития является высокая подвижность ионов лития, которая определяется условиями получения кристаллов - кислотностью рН раствора и наличием определенных примесей. В пьезоэлектрических кристаллах с ионной подвижностью проявляется акустоионный механизм затухания ультразвука [7-8], приводящий к значительному увеличению коэффициента затухания ультразвука и к внутреннему демпфированию (значительному расширению полосы рабочих частот) при сохранении чувствительности на постоянном уровне во всей области рабочих частот. Наши исследования показали [9], что максимальная чувствительность датчика, определяемая значениями пьезоэлектрических модулей кристаллов иодата лития и величиной коэффициента электромеханической связи достигается при получении кристаллов из раствора с добавлением в раствор иодата цезия в количестве 0.2 масс.%. При этих условиях максимальная полоса рабочих частот, равная 90% от значения средней частоты датчика, достигается при кислотности раствора рН равной 0.8. Широкая полоса рабочих частот датчика с соответствующей малой длительностью переходных процессов при высокой чувствительности приводит к минимальным искажениям формы излученного и принятого акустического импульса, к уменьшению времени послезвона преобразователя, повышению разрешающей способности ультразвукового дефектоскопа и увеличению точности определения координат дефектов.
Выявленные отличительные признаки в заявленной полезной модели, а также их взаимосвязь и достижение их совокупности указанного технического результата, заявителем не обнаружены при анализе известных в науке, технике и патентных источниках решениях на дату подачи заявки, из чего следует, что заявленная полезная модель соответствует критерию "существенные отличия".
Осуществление полезной модели
Конструктивно заявленный датчик представляет собой звукопровод цилиндрической формы диаметром 17 мм и длиной 35 мм на одной из торцевой поверхности которого приклеена с помощью акустической склейки тонкая пластина (толщина пластины 60 мкм) кристалла иодата лития с металлизированными поверхностями. Геометрические размеры и форма звукопровода позволяют получить минимальную расходимость ультразвукового пучка при прохождении его по звукопроводу и обратно в полосе рабочих частот датчика. Толщина пластины соответствует половине длины волны ультразвука для середины полосы рабочих частот (35 МГц). Звукопровод с пластиной иодата лития помещены в металлический корпус с электрическим разъемом, обеспечивающим надежную связь датчика с испытательным устройством (например, ультразвуковой дефектоскоп) и позволяющем проведение сканирования датчика по поверхности исследуемого образца при ультразвуковой дефектоскопии.
Лабораторные испытания заявленной полезной модели - высокочувствительного широкополосного датчика ультразвуковых колебаний показали его работоспособность и техническую эффективность. Результаты испытаний и сравнение с характеристиками прототипа в качестве примеров конкретной реализации, приведены на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 приведены осциллограмма импульса ультразвука прошедшего в звукопроводе и продетектированного с помощью заявленного датчика при подаче на него радиочастотного импульса длительностью 20 нсек. На фиг.2 показана осциллограмма аналогичного импульса, полученного от прототипа в тех же условиях. Сравнение фиг.1 и фиг.2 показывает, что заявленный датчик по крайней мере в 2.5 раза имеет большую чувствительность по сравнению с прототипом. Кроме того, ограниченный диапазон рабочих частот прототипа по сравнению с заявленным (полоса рабочих частот прототипа - 8 МГц при средней частоте 35 МГц, и заявленного датчика - 30 МГц при той же средней частоте) приводит к искажению регистрируемого прототипом импульса ультразвука и к дополнительным шумам по окончании действия импульса. Испытания показали также, что с помощью заявленного датчика можно проводить ультразвуковую дефектоскопию в режиме одностороннего доступа на образцах толщиной 150 мкм, в то время как для прототипа возможность проведения подобных исследований открывается лишь для образцов с толщиной более 500 мкм.
Заявленный датчик ультразвуковых колебаний по сравнению с известными аналогами и устройством-прототипом за счет применения кристалла иодата лития гексагональной модификации с повышенным значением пьезоэлектрического модуля и значительным коэффициентом поглощения ультразвука позволяет повысить чувствительность измерений и расширить полосу рабочих частот, что приводит к минимальным искажениям формы и длительности ультразвукового импульса., и к повышению разрешающей способности ультразвуковой дефектоскопии.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1.. Глюкман Л.И Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы Энергия, 1969, 260 с
2. Мэзон У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применение а ультраакустике, ИЛ, 1962. 312 с..
3. Акустические кристаллы / Под ред. Шаскольской М.П., М.: Наука, 1982, 632 с.
4. Алешин Н.П. Методы акустического контроля металлов. М: Машиностроение, 1989, 456 с.
5. Такер Дж., Рэмптон В. Гиперзвук в физике твердого тела. - М.: Мир, 1975. - 455 с.
6. Королев М.В., Карпельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые пьезопреобразователи. М: Машиностроение, 1989, 157
7. Воробьев В.В., Чарная Е.В. Анизотропия ионного транспорта и механизмы акустоионного взаимодействия в кристаллах 
-LiIO3 // Физика Твердого Тела, 1991, Т.33, 
5, 1455-1461.
8. Воробьев В.В., Локшин Е.П., Чарная Е.В. Акустические свойства и электропроводность кристаллов LiIO3 гексагональной модификации, выращенных при специальных условиях // Физика Твердого Тела, 1992. Т.34, 3, С.894-897.
9. Патент РФ на изобретение 2347859 Способ получения кристаллов иодата лития дл широкополосных преобразователей ультразвука. Заявитель ООО "Полифон"
Высокочувствительный широкополосный датчик ультразвуковых колебаний, включающий звукопровод, акустически связанную с звукопроводом пластину, выполненную из пьезоэлектрического кристалла, на поверхности которой нанесены металлические электроды, отличающийся тем, что в качестве пьезоэлектрического кристалла взят кристалл иодата лития гексагональной модификации, полученный на основе испарения водного раствора при кислотности рН, равной 0,8, с добавлением в раствор иодата цезия в количестве 0,2 мас.%.
