Ультразвуковой преобразователь

 

ОП ИСАНИЕ „„942577

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социаттистических

Республик

Ж

К ПАТЕНТУ (6I) Дополнительный к патенту— (22) Заявлено 20. 09 ° 73 (21) 1959652/18-10 (23) Приоритет - (32) 21 ° 09. 72 (51) М. Кл.

В 06 В 1/06

Госудорстеекпьж комитет

СССР (31) 291002 (33) США (53) ДК 534. 232 (088. 8) Опубликовано 07 ° 07. 82 Бюллетень.%25

Дата опубликования описания 07 . 07 . 82 по делам изобретеиий и открытий

Иностранец

Филип Шепард Грин (США ) с

Иностранная фирма

"Станфррд Рисерн Институт" J ) (США) (72) Автор изобретения (71) Заявитель (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕдЬ

Изобретение касается ультразвуковых преобразователей для визуализации полей ультразвуковых колебаний. методом преобразования конфигурации полей акустического давления в жидкости в видимый аналог, применяемых в различных областях промышленности, в частности в диагностике.

Известно устройство, состоящее из электронно-лучевой сканирующей трубки и смонтированной на ней резонирующей пластины с кварцевым покрытием на внешней стороне (1 1.

Однако это устройство не обладает адекватной разрешающей способностью и чувствительностью. Кроме того, не до конца разрешена проблема надежности.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является преобразователь, содержащий линейный ряд отдельных пьезоэлектрических элементов, подключенных через электрическое контактное устройство к усилителю и подвергающихся электронному сканированию на большой скорост ти, в то время как весь ряд механически -еремещается вдоль поверхности изображения или поле звукового изображения перемещается мимо неподвижного ряда (2 j.

Недостатки данного устройстваневысокая точность иэображения и малая чувствительность.

Цель изобретения - повышение точ" ности изображения и чувствительности.

Цель достигается тем, что устройство содержит линейную решетку из линейных рядов пьезоэлектрических элементов, имеющих слой акустическо го импедансного материала и расположенных по одной кривой, определяемой конфигурацией преобразуемого сжатого поля звукового иэображения, вдоль которой расположена цилиндрическая линза, центрируемая над решеткой между полем и пьезоэлементами.

Кроме того, кривая представляет собой дугу, решетка из пьезоэлектри942577

10 ческих элементов выполнена в виде множества модулей, расположенных один за другим, причем каждый модуль включает один линейный ряд из пьезоэлектрических элементов в форме пластин из пьезоэлектрического материала и ряд отдельных пьезоэлементов прямоугольной формы, отделенных друг от друга тонкими прямоугольными промежутками. Слой акусти" ческого импедансного материала контактирует с одной поверхностью решет ки из пьезоэлектрических элементов, расположен между элементами и преобразуемым полем звукового давления и имеет толщину 1/4 длины волны при соответствующей частоте. Импедансный материал состоит из смеси 42 вес.6 эпоксида и 58 вес.3 порошка вольфра" ма, Электрическое контактное устрой" ство включает электрический проводник, соединенный с общей поверхностью пьезоэлектрических элементов, отдельные контакты, соединенные с противоположной поверхностью каждого пьезоэлемента, и экранирующие средства, соединенные с общим проводником, и с первым узлом проводников, который состоит из проводников на противоположных концах пьезоэлементов, и вторым узлом проводников, соединенным с отдельными контактами пьезоэлементов линейной решетки. Усилитель включен между общим проводником и каждым отдельным проводником второй группы проводников.

На фиг. 1 показан предлагаемый ультразвуковой преобразователь, вариант; на фиг. 2 - разрез A-A на фиг.l; на фиг.3 - пьезоэлектрические элементы, вид сверху; на фиг. 4вид обратной стороны части одного элемента узла преобразователя, с изображением решетки пьезоэлектрических элементов, их несущей конструкции и электрические соединения; на фиг. 5 - линейный ряд пьезоэлектрических элементов с частичным вырезом, с изображением монтажа пьезоэлектрических элементов увеличен1 ный вид с торца; на фиг. 6 - то же, показан только край пьезоэлектричес" кого элемента и линза; на фиг. 7— верхняя часть решетки преобразова" теля (пьезоэлектрическая пластина ) и линза, вид сверху; на фиг. 8 - линейный ряд пьезоэлектрических элементов с изображением соединения всех элементов каждого несущего узла

5Î

55 пьезоэлектрической решетки, вид сбоку.

Ультразвуковой преобразователь 1 состоит из модулей 2 с прорезями 3, в которых установлены линейные ряды пьезоэлектрических элементов 4, преобразующие сжатое поле звукового изображения в электрические импульсы, Линейному ряду придана конфигурация дуги с тем, чтобы одной линией пересечь сжатое поле звукового иэображения.Причина,по которой изогнутый линейный ряд больше соответствует сжатому полю, изображения, чем ряд, в форме прямой линии, заключается в том, что линза, используемая для фокусирования изображения в рассматриваемом варианте, формирует сфокусированное сжатое поле изображения в фор- ме сегмента сферы, а линия, пересекающая сегмент сферы, представляет собой дугу.

Каждый ряд пьезоэлектрических элементов 4 обработан таким образом, что на нем имеется 32 выемки 5 и такое же количество выступов 6. На одном конце ряда имеется выступ 6 полного профиля, а на другом конце - выемка 5 полного профиля, так что когда модули собираются один к другому, то выступы и выемки чередуются по всей длине решетки. Для хорошего электрического контакта по пьезоэлектрической решетке обе стороны ряда пьезоэлементов 4 покрываются слоем 7 хорошего проводника, например серебра, до того, как на нее наносятся выемки 5, которые эффективно разделяют проводники, нанесенные на верхнюю часть выступов

6, так что выступы могут быть независимо подсоединены к электрической схеме.

Протяженность опоры ряда пьезоэлементов 4 составляет длину металлической панели 8, имеющей по всей ширине несущий паз 9. Паз идет по всей ширине металлической пастели.

Чтобы обеспечить опору для ряда пьезоэлементов 4, металлическая панель

8 со стороны паза имеет ступенчатую конфигурацию, поэтому губка 10 находится на каждой стороне панели и паза. Ряд пьезоэлементов 4 размещается в фасках на ответных губках

)0, фиксируется заподлицо с обратной стороной металлической панели 8, При этом выступы 6 имеют направление по общей длине панели 8. Широ5 9425?7 6

45 кая часть паза 9 имеет такую же ширину (10, 9 мм ) как ряд пьезоэлементов 4, а направляющие губки 10, паза — примерно 0,381 мм. Ряд пьезоэлементов фиксируется в пазу с помощью эпоксидного клея. При склеивании ряда пьезоэлементов 4 в лазе

9 клей может нарушать электрическую связь между проводящим слоем 7 на передней стороне ряда и панелью 8.

Поэтому наносят проводящее покрытие

11 (например золото ) на проводяций слой 7 по поверхности ряда пьезоэлементов 4 и на часть поверхности панели 8, прилежащей к губкам паза с обеих его сторон. Проводники на противоположных сторонах пьезоэлектрических элементов 4 снимают электрический сигнал (напряжение), генерируемый сжатым полем изображения, отображающимся на поверхности пьезоэлектрических элементов.

Для наилучшей передачи энергии между наклонным сжатым полем изображения и рядом пьезоэлементов 4 на поверхность последних нанесен материал 12 с соответствующим импедансом. Ширина паза 9 эквивалентна длине волны в передающей среде детектируемой ультразвуковой частоты. Здесь ширина паза 10, 14 мм (расстояние между губками 10,). Материал 12, который заполняет паз, выбирается так, чтобы его импеданс равнялся квадратному корню из произведения величин импедансов пьезоэлектрической керамики и передающей среды. В качестве импедансного материала бе-. рут эпоксид или полистирол, смешанный с вольфрамовым или алюминиевым порошком. Толщина импедансного материала такая же, как и толщина губки 10 несущей панели 8, а именно

1/4 длины волны (в импедансном материале ) детектируемой ультразвуковой частоты. В данном случае толщина импедансного материала 0,203 мм а смесь - 58 вес. i порошка вольфрама и 42 вес.4, эпоксида. Получаемый акустический импеданс составляет

7,1 кг/м с. Каждый выступ или выемка представляет собой один первичный элемент датчика пьезоэлектрической решетки) и снятие изображения сжатого поля происходит последовательно, элемент за элементом.

Самое лучшее воспроизведение поля изображения получают, если сегменты (первичные элементы) хорошо "сцеп5

1О

15 го

4О

55 ляются" и чередуются. Для этого нужно, чтобы каждый элемент решетки датчика имел одинаковую высоту и ширину, т.е. чтобы элементы были квадратными. Однако на практике выступы

6 решетки имеют большую длину (высоту ), чем ширину. Чтобы компенсировать это несоответствие по длине паза 9 решетки преобразователя и параллельно ей устанавливают цилиндрическую коллиматорную линзу 13, расположенную от решетки преобразователя на расстоянии, позволяюцем сводить в одну точку наклонное волновое поле для фокусировки в плоскости решетки в направлении, параллельном ци- . линдрической линзе. Нужный интервал между коллиматорной линзой и выступами 6 ряда пьезоэлементов 4 обес" печивается предохраняющими прокладками 14, которые располагаются по длине несущего паза 9 на его противоположных сторонах и на поверхности металлической панели 8. Нижний край прокладок 14 крепится к поверхности панели 8, а верхний край, скошенный по своей длине для того, чтобы соответствовать кривизне линзы, зак" репляется на нижней поверхности лин" зы. Таким образом, прокладки 14 удер- живают линзу 13 в нужном положении над выступами 6 ряда пьезоэлементов

4. Материал, из которого изготовляют прокладки 14, не суцественен, так же как не существенно расстояние между прокладками, за исключением того, что они должны быть расположены достаточно далеко от краев паза 9, в котором помещается ряд пьезоэлементов 4, чтобы не искажать наклонного поля акустического сжатия.

На фиг. 6 и 7 показаны действия линзы, которая позволяет фокусировать сходящееся в одной точке волновое поле в одном ряду плоскости и придавать параллельность сходящимся в одной точке волновым полям в другом ряду плоскостей. На фиг.6 схематично показано на конвертирующих линиях 15, что сходящиеся в одной точке волновые поля, которые обычно располагаются в плоскостях по вертикали ряда пьезоэлектрических элементов 4, проходят через линзу

13 и за счет искривленных поверхностей цилиндрической линзы. становятся параллельными в плоскостях, которые располагаются обычно по длине вытянутых выступов 6 ряда пьезорость звука в окружающей среде, лин » за делается выпуклой в поперечном сечении, параллельном в месте выступов б (через паз 9 }, но одной и той же формы в любом данном поперечном сечении, параллельном продольному измерению паза 9.

На практике линза 13 может быть выполнена в виде одного изогнутого куска, который точно соответствует всей длине прорези 3 на всем преобразователе 1, или она может быть выполнена в виде сегментов, которые покрывают паз 9 только для одного модуля 2 и имеют крал, изогнутые (не показано) так, что, когда отдельные модули 2 соединяются вместе в один общий преобразователь, образуется только одна линза. В некоторых случаях, например скорее с квадратными, чем с вытянутыми элементами решетки, линза не нужна. Электри.ческое соединение выполнено между передней стороной решетки выступов

6 и металлической панелью 8 посредством проводящего покрытия 11 или покрытия из золота. 8 качестве средства для получения электрических соединений са слоем 7 из серебра на элемеHÓÎÉ, т„е перпендикулярно l i» Î дольной Оси коллиматорной линии 13,,, На фиг. 7 показано схематически на линиях 16 и стрелками на них, что фокусируются сходящиеся в Одной точке вОлнОвые пОляр кОТОрые Обычно рас положены в плоскостях вдоль продоль" ной оси линзы 13.

Наблюдая за наклонными, сходящимися в одной точке, полями, обозначенными линиями 16, видно, что наклонное волновое поле сначала уско" ряется на встречающейся коллиматорной линзе 13 (на это указывают направленные внутрь линии в линзе 13), так как линза изготовлена из материала, в котором звук имеет скорость большую„ чем в окружающей проводящей звук среде. Когда звуковые волны выходят из линзы 13 на стороне решетки, они опять замедляются и поэтому снова сходятся в одной точке (показано линиями 17) под своим первона чальным углом наклона. Линза 13 уда" лена от выступов 6 ряда пьезоэлементов 4 на расстряние, необходимое для того, чтобы фокусировать звуковые волны на поверхность выступов 6. Если используется материал, обладающий большей звукопроводностью, чем ско5

29

36

35 о

S0

",.т:-оронах панели 8, противоположны. вершинам выступов 6, выполнена пара панелей )8, )9 печатной схемы (фиг,4), Таким образом, ряд пьезоэлементов 4 помещен на губках )О металлической панели 8 и между панелями печатной схемы. стороны панелей 18, 1.9 печатной схемы, которые связаны с металлической панелью 8, не являются проводниками, т.е.;панели )8, 19 печатной схемы электрически изолированы от панели 8. Панели 18, 19 печатной схемы покрыты проводящим материалом, вытравленным таким,образом, что множество, проводящих контактов 20 и 20а на панели 18 и контактов 2l и 21а - на панели 19 расположены по панелям параллельно выступам 6 и выемкам 5 в ряде пьезоэлементов 4 и точно совпадают с выступами. На каждой из панелей 18 и 19 имеется столько же проводящих контактов, сколько выступов 6 на ряде пьезоэлементов 4.

Чередующиеся контакты на каждой панели соединены с перемежающимися выступами 6 посредством небольших свинцовь1х проводков 22.

Контакты, которые подсоединены, расположены в прямом соответствии с подсоединенными выступами 6. Подсоединенные проводящие контакты 20а на панели 18 печатной схемы прямо противоположны неподсоединенным контактам 21, а соединенные проводящие контакты 21а на панели )9 печатной схемы находятся в прямом соответствии с неподсоединенными контактами

20 на панели 18 печатной схемы. Неподсоединенные контакты 20 и 21 на обеих панелях печатной схемы обеспечивают экранирование подсоединенных контактов 20а и 21а, которые являются частью действующей схемы. Чтобы выполнить функцию экранирования„ неподсоединенные контакты 20 на панели 18 все соединены для образования одного проводящего элемента (посредством проводящей рейки 23, которая располагается по наружной стороне). Экран завершается проводником 24, который соединен как с обратной стороной проводящей рейки 23 на экране, так и с ближайшим прилегающим участком несущей панели 8.

Подобным образом контакты 2)a на панели печатной схемы экранируются с помощью проводящей полосы 25, расположенной по внешей стороне па9 94 нели 19 печатной схемы, которая {по" лоса ) соединяет остальные контакты

21. Экранирующий контур связан с .ближайшим участком металлической панели 8 контактом 26. Таким образом, проводящие структуры на обеих панелях 18 и 19 печатной схемы эффективно заземлены для образования экрана Фарадея, что предотвращает съем помех проводящими контактами 20а и

21а действующей схемы. Каждый модуль 2 преобразователя должен быть закреплен прочно, чтобы избежать раз лома ряда пьезоэлементов 4 преобразователя, модули 2 должны быть точно и прочно закреплены для образования преобразователя. Для того, чтобы противоположные стороны метал лической панели 8 находились в жесткой связи, имеется перемычка 27 с пазом (фиг.5f, которая пересекает обратную часть ряда пьезоэлементов

4, так что паз расположен над и параллельно пазу 9 в металлической панели 8. Опорная перемычка 27 изготовлена из непроводящего материала, например пластика, и не служит препятствием проводимости в ïðîâîдящих контактах на панелях 18 и 19 печатной схемы. Перемычки пазов проч но прикреплены эпоксидной смолой к панелям печатной схемы.

Чтобы обеспечить средства для соединения отдельных модулей 2 с дуговидным узлом, держащим элемент для всего преобразователя 1, а также обеспечить средства для присоединения некоторых электронных схем к модулю алюминиевый блок 28 крепится болтами 29 с обратной стороны . опорной перемычки 27. Перемычка 27 должна быть непроводящей, в то время как весь блок может быть проводящим. Алюминий является легким и относительно инертным материалом, из которого получается прочная подложка, и с модулем 2 легче манипулировать, когда он выполнен из двух частей, т.е. облегчена подгонка отдельных модулей 2 друг к другу.

Алюминиевый блок 28 крепится с помощью дуговидного несущего элемента. и удерживается болтами 29. На ала миниевом блоке монтируется четыре панели 30 печатной схемы, на каждой из которых крепятся элементы и проводники четырех предварительных усилителей (всего 32 предварительных усилителя). Две панели крепятся на

2577 10

5

f0

35 каждой стороне алюминиевого блока и расположены в направлении вниз к панелям 18 и 19 печатной схемы на обратной стороне проводящей панели 8.

На каждой стороне алюминиевого блока монтируются панели печатной схемы параллельно друг другу Болт 31 помещен между внутренними панелями 30 печатной схемы и несущим алюминие" вым блоком 28, а промежуточный изоли. рующий блок 32 помещен между внутренними панелями 30 печатной схемы Й следующей внешней панелью предварительного усилителя.

Чтобы обеспечить электрические контакты между предварительными уси лителями на панелях 30 печатной схе мы и проводящими контактами на панелях 19, 18 печатной схемы, проводящие планки 33 идут от соответствующих проводящих контактов 20 и

21 к схемам на панелях предварительных усилителей. Таким образом электрический сигнал, генерируемый каждым элементом пьезоэлектрической решетки на каждом отдельном модуле

2 преобразователя 1,передается через проводящие контакты 20 и проводящую рейку 23 к отдельным предварительным усилителям на панелях 30 печатной схемы. На каждой из панелей

30 печатной схемы имеются отдельные гнезда 34, в которые подсоединяются проводники. По ним проходят усиленные электрические сигналы, отображающие сжатое поле изображения для дальнейшего усиления или использования.

Формула изобретения

Ультразвуковой преобразователь для преобразования участка сжатого поля звукового изображения в электрический сигнал, выполненный в виде линейного ряда отдельных пьезоэлектрических элементов, подключенных

-через электрическое контактное устройство к усилителю, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повыщения точности изображения и чувствительности, он содержит линейную решетку из линейных рядов пьезоэлектрических элементов, имеющих слой аку стического импедаксного материала и расположенных по одной кривой, определяемой конфигурацией преобразуемого сжатого поля звукового изображенил, цилиндрическую линзу, цент рируемую. над решеткой между полем и пьезоэлементами.

2. Преобразователь no n.l, о тл и ч а ю шийся тем, что кривая представляет собой дугу.

3. Преобразователь по п,1, о тл и ч à ю шийся тем, что решетка из пьезоэлектрических элементов выполнена s виде множества модулей, расположенных один за другим, причем каждый модуль включает один линейный ряд из, пьезоэлектрических элементов в форме пластин из пьезоэлектрического материала и ряд отдельных пьезоэлементов прямоугольной формы, отделенных друг от друга тонкими прямоугольными промежутками..

4. Преобразователь по п.l, о тл и ч а ю шийся тем, что слой акустического импедансного материала контактирует с одной поверхностью решетки из пьезоэлектрических элементов, расположен между элементами и преобразуемым полем звукового дав-, ления, и имеет толщину 1/4 длины волны при соответствующей частоте.

5. Преобразователь no n.4, о тл и ч а ю шийся тем, что импедансный материал состоит из смеси

2577 12

42 вес.Ф эпоксида и 58 вес.Ф порошка вольфрама.

6. Преобразователь по п.3, о тл и ч а ю шийся тем, что электрическое контактное устройство вклю" чает общий электрический проводник, соединенный с общей поверхностью пьезоэлектрических элементов, отдельные контакты, соединенные с противоположной поверхностью каждого пьезоэлемента, и экранирующие средства, соединейные с общим проводником и с первым узлом проводников, который состоит из проводников на противоположных концах пьезоэлемен.тов, и вторым узлом проводников, соединенным с отдельными контактами пьезоэлементов линейной решетки.

7. Преобразователь no n.3, о тМ л и ч а ю шийся тем, что усилитель включен между общим провод.ником иг каждым отдельным проводником второй группы проводников.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

У 90236, кл. 6 01 и 29/00, 1936.

2. Journal of the acoustical Society of America, ч. 44, т. 6, зв December 1968, р. 1719"1730.