Ультразвуковой широкополосный преобразователь
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (191 (11) А1 (so 4 В 06 В 1/06 Н 04 R 17/00
В(1=(О(:.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
00 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3267992/18-10 (22) 21.04.81 (46) 15.07.87. Бюл. 1((26 (71) Киевский научно-исследовательский институт отоларингологии (22) А.Т. Марченко и Э.А. Бакай (53) 534.232(Р88.8) (56) Гершгал Д.А., Фридм1 н В.М.
Ультразвуковая технологическая аппаратура. М.: Энергия, 1976, с. 175.
Домаркас В.И., Какис P.È.Þ. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Вильнюс: Минтис, 1975, с. 253.
Патент Франции N(2273436, кл. Н .04 К 17/00, 1976. (54)(57) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ IIIHPOKOIIOJIOCНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ в виде тела вращения с профилированными поверхностями, одна иэ которых выпуклая, а другая вогнутая, выполненный иэ пьеэоматериала переменной толщины, отличающийся тем,что, с целью расширения диаграммы направленности, толщина преобразователя возрастает от центра к краям, а радиусы выпуклой и вогнутой поверхностей соответственно равны
2в1п Р (( г=К 1-соз((р, +sin 9, ctg(9, + )J-t,, (° Чс причем 7 — — са-arcsin(0 56 — ) о Ч (( где R — радиус выпуклой рабочей поверхности;
r — радиус вогнутой поверхности;
D — диаметр преобразователя; — минимальная толщина преобо раэования; ((, — угловая ширина диаграммы направленности;
V, — скорость ультразвуковой волны в среде;
V скорость ультразвуковой вол- Н ны в преобразователе.
1 32314 l
Изобретение относится к пьезоэлектрическим преобразователям, предназначенным для приема и излучения ультразвуковых колебаний, и может быть использовано в тех случаях, когда 5 требуется импульсный или непрерывный контроль больших объемов среды, например, н медицинских терапевтических или хирургических приборах и инструментах.
Известны точечные широкополосные преобразователи, с размерами порядка длины волны и менее, которые имеют требуемую диаграмму направленности.
Однако, в силу того, что интенсивность ультразвукового сигнала, создаваемая таким преобразователем (или уровень сигнала при приеме от фиксированного точечного источника), уменьшается обратно пропорционально квад- 20 рату расстояния до выбранной точки среды, область его эффектинной работы ограничена лишь участками среды, находящимися в непосредственной близости к поверхности преобразователя. 25
Известны также широкополосные преобразователи — плоские демпфированные.
Такие преобразователи имеют угловую ширину диаграммы направленности главного лепестка, определяемую выраже- Ю нием A
s =arcsin О 52
0 где с — угловая ширина направленности на уровне 0,707;- 35 — длина волны в среде;
D — диаметр преобразователя.
Как следует из (!), для больших объемов сред, т.е. для D-) II, область контролируемого пространства ограничена в двух измерениях диаметром преобразователя, что, как правило, не может быть реализовано, Для приема и излучения сигналов н объеме среды такие преобразователи вообще непримекимы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является широкополосный ультразвуковой преобра50 эователь в виде тела вращения с профилированными поверхностями, одна иэ которых выпуклая, а другая вогнутая, выполненный из пьезоматериала с переменной толщиной. Данный преобраз5 зователь имеет угловую ширину диаграммы направленности
1 =2(+ ), (2) где с определяется выражением (1) и с
1) — -arcs in(0 707 — ), (3) и где V — скорость ультразвука в среде;
V — скорость ультразвука в матеи риале преобразователя.
IIocKo: ьку с млло для размеров преобразователей 10 длин волн, то 1 о всегда меньше 180 для сред, скорость звука в которых меньше скорости в материале преобразователя, т.е. и в биологических тканях. Поэтому такие преобразователи неприменимы для кон.гроля больших объемов среды.
Цель изобретения — расширение диаграммы направленности преобразонателя.
Указанная цель достигается тем, что в ультразвуковом широкополосном преобразователе в виде тела вращения с профилированными поверхностями, одна из которых вогнутая, а другая выпуклая, выполненном из пьезоэлектрического материала, переменной толщины, толщина преобразователя возрастает от центра к краям, а радиусы выпуклой и вогнутой поверхностей соответственно равны
R=
2sinW, Г г=R I-cusp, +з1пР,ctg(I + 4)1 о > (4)
7 причем = — — a, -arcs in(0 56 -З -), 0 Э и
l де R — радиус выпуклой рабочей поверхности; г — радиус вогнутой поверхности;
D — диаметр преобразователя; — минима;и:ная толщина преобраС зователя; угловая ширина диаграммы направленности;
V — скорость ультразвуковой волс ны в среде;
V — скорость ультразвуковой воли ны в преобразователе.
В преобразователе нозникает дополнительная расходимость диаграммы направленности, обусловленная совместным действием наклона участка поверхности преобразовагеля относительно его центральной оси на некоторый угол, определяемый выпуклосгью рабочей поверхности преобразователя на периферии, и наклона фронта ультразвуковой волны внутри преобразователя, .п вис.ящег< от характера увеличения то.инины от периферии к центру
13231 толщины. Поэтому угловая расходимость диаграммы направленности преобразователя всегда превышает расходимость диаграммы прототипа и для любых параметров сред может быть ныбо рана равной 180
Однако это свойство может быть реализовано лишь при определенной взаимосвязи значения радиуса внешней сферической поверхности R и радиуса 10 внутренней сферической поверхности
r,определяющих изменение толщины преобразователя, когда к=
2sin (5) 15 соответственно;
D — диаметр преобразователя; минимальная толщина преобрао
Зователя. 35
Если внешняя и внутренняя поверхности не сферические, то из-за неравномерности изменения свойств преобразователя по диаметру, уменьшается era эффективность и появляется изрезан- 40 ность амплитудно-частотной характеристики и диаграимы направленности.
Поскольку толщина стенок преобразователя возрастает к краю, в этом же направлении происходит и наклон 45 диаграммы направленности. В результате действия этих факторов угловая ширина диаграммы направленности всегда может быть реализована равной требуемой. 50
На чертеже изображен ультразвуковой широкополосный преобразователь.
Преобразователь представляет собой тело 1 нращения переменной толщи-55 ны, на выпуклую 2 рабочую и вогнутую
ВНИИПИ Заказ 2896/8
Произв.-полигр. пр-тие, г.
r R l сов +sin@ .ctg(4 + 4) t (6) где, — угол наклона периферического участка выпуклой рабочей поверхности относительно оси 20 преобразователя.
У = — — г6 -arcsin К (†), 2 /о где oL — угловая ширина диаграммы направленности.
25 оь =arcsin 0,52 h где Ъ вЂ” длина ультразвуковой волны в среде;
V V — скорости ультразвуковой вол- 30 с ны в среде и преобразователе .
41 4
3 поверхности которого нанесены электроды 4 и э. Толщина преобразователя увеличивается от центральной части к периферии. Периферическая часть преобразователя выполнена в виде акустических ловушек 6.
Преобразователь работает следующим образом.
При приложении переменного напряжения к электродам возбуждаются колебания но всех участках преобразователя. Однако, н зависимости от рабочей частоты, участки с максимальной амплитудой колебаний расположены различным образом. Для низких рабочих частот,. близких к нижней граничной частоте, максимальная амплитуда колебаний достигается на периферической части преобразователя. В то же время достаточно эффектинно колеблются и центральные участки, поскольку напряженность электрического поля возрастает из-за уменьшения толщины. В результате преобразователь работает в различных направлениях приема и излучения.
Для высоких рабочих частот по поверхности преобразователя образуется ряд участков с максимальной амплитудой колебаний, соответствующих толщинам, кратным полуволновым резонансным. В результате образуется ультразвуковое поле во всех требуемых направлениях. Эффективность преобразователя в различньгх направлениях в этом случае сравнима, но различается, т.е. появляется некоторая неравномерность ультразвукового поля. Это несущественно для ряда практических задач.
Изрезанность амплитудно-частотной характеристики преобразователя уменьшается с помощью ловушек 6, устраняющих накопление и интерференцию колебаний, возникающих при отражении ультразвуковой волны от поверхности преобразователя и распространяющихся вдоль его диаметра.
Использование предлагаемого преобразователя увеличивает контролируемый объем, что достигается при вэаимосвя— зи толщины преобразователя, увеличивающейся от центра к периферии, выполнении рабочей поверхности вьпгуклой с заданным радиусом и определенном радиусе внутренней поверхности.
1 ираж 437 !lодпи< ное
Ужгород, ул. Проектная, 4
