SU1380803A1

SU1380803A1 - Способ изготовлени ультразвукового фокусирующего пьезопреобразовател

Info

Publication number: SU1380803A1
Application number: SU864124668A
Authority: SU
Inventors: Аркадий Ефимович Карпельсон; Василий Владимирович Аристов; Александр Максимович Малютин
Original assignee: Научно-Исследовательский Институт Интроскопии
Priority date: 1986-09-26
Filing date: 1986-09-26
Publication date: 1988-03-15

Abstract

Изобретение относитс к области неразрушающего контрол качества материалов и изделий. Цепь изобретени - сужение и уменьше1ше расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезопреобразователем во вне г- ней среде. Пьезопреобразователь содержит пьезозлемент J, на котором

Description

i (Л

выполнены четыре пары электродов: 2-3, 4-5, 6-7 и 8-9. Электроды 2, А,

6и 8 расположены на верхнем основании пьезоэлемента, электрод 2 выполнен в виде круга, а электроды 4, 6

и 8 - в виде колец. Электроды 3, 5,

7и 9 расположены на нижнем основании пьезоэлемента, электрод 3 выполнен в виде круга, а электроды 5, 7

и 9 - в виде концентрических колец. На нанесенга.1е на основани электроды подают возбуждающее электрическое напр жение . Распределение нормальной к

основани м составл ющей напр женности возбуждаюп1его электрического пол вдоль радиуса однородно. В результате электромеханического преобразовани в пьезоэл-гменте возникает акустическое давление, распределение которого на поверхности имеет вид функции Бессел . Пьезоэлемент формирует во внешней среде узкий слаборасход - 1ЦИЙСЯ пучок, т.е. ультразвуковое поле с узким основным и малым боковыми лепестками диаграммы направленности . I ил.

1

Изобретение относитс к области неразрушающего контрол качества материалов и изделий и может быть ис тюльзовано в приборах ультразвуковой дефектоскопии или толщинометрии различных изделий.

Цепью изобретени вл етс сужение и уменьшение расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезо- преобразователем во внешней среде.

На чертеже изображен из1 отовлен- ный в соответствии с предложенным способом пьезопреобразователь в координатах гиги распределение нормальной к основани м составл ющей напр женности пол ризующего электрического пол Ег(г) вдоль радиуса г на одном из оснований преобразовател (сплошна крива ), а также график функции Бессел Jo(х) - пунктирна крива .

Пьезопреобразователь содержит пье- зоэлемент 1, на котором выполнены четыре пары электродов: 2-3, 4-5, 6-7 и 8-9. Электроды 2, 4, 6 и 8 расположены на верхнем основании пьезоэле- мента, электрод 2 выполнен в виде круга, а электроды 4, 6 и 8 - в виде колец.

Электроды 3, 5, 7 и 9 расположены на нижнем основании пьезоэлемента, электрод 3 имеет вид круга, а электроды 5, 7 и 9 имеют вид концентрических колец, причем диаметр кругового электрода 3 втрое меньще диаметра кругового электрода 2, толщи№1 кольцевых электродов 5, 7 и 9 втрое

5

меньше толщин кольцевых электродов 4, 6 и 8 соответственно, а средние диаметры пар электродов 4-5, 6-7 и 8-9 равны дл каждой пары. На первую па-

РУ электродов 2-3 подают при пол ризации пьезопреобразовател посто нное напр жение U, причем плюс - на электрод 2, на электроды 4-5 - напр жение , причем плюс - на элект0 род 5, на электроды 6-7 - напр жение 0,3и, причем плюс - на электрод 6, на электроды 8-9 - напр жение 0,250, причем плюс - на электрод 9.

Изготовление пьезоэлемента с системами кольцевых электродов на обоих основани х провод т путем обработки на токарном станка или с помощью травлени пьезодиска со сплошными электродами на основани х. Затем Пьезоэлемент помещают в муфельную печь, где нагревают его до . Потом на каждую пару электродов пьезо- элемента, остающегос в печи, подают пол ризук цие электрические напр жени с соответствуюошми амплитудами и по- л рност кш. В результате внутри пье- зоэлемента возникает сложное распределение иапр женности пол ризующего электрического пол . Зависимость нормальной к электродам составл ющей напр женности пол ризующего электрического пол Ej(г) дл нижнего основани пьезоэлемента (т.е. при z 0) показана на чертеже (сплошна крива ).

5 Размеры узких электродов 3, 5, 7, 9 должны быть в 2,5-3,5 раза меньше, чем размеры широких. Лишь при этом

0

5

0

где 9 - угол наблюдени ;

N - нор 1ировочный коэффициент; К волновое число. Из (I) в результате применени теоремы обращени Ганкел следует ь

Р Г i D(e) J.(Kra) 6 df9, (2)

Задава D(6) в виде (5 -функции Дирака от угла, т.е. счита , что D(0)

условии после подачи пол ризующих напр жений на каждую пару электродов распределение Ej(r) между каждой парой электродов будет в наибольшей степени напоминать полуволну функции Бессел Jo(х) . Дл того, чтобы полуволны в распределении ) мен ли поочередно знак и убывали по амплитуде (как полуволны функции J,) Q на каждую соседную пару электродов надо подавать противофазные напр жени через соответствующие делители так, чтобы обеспечить следующую последовательность амплитуд напр жений: 15 1; 0,4; 0,3; 0.25 и т.д. Именно такова последовательность амплитуд в полуволнах функции Бессел J(x). В процессе пол ризации пьезоэле- мент находитс в печке, а температу- 20 ру в ней медленно (в течение 2ч) понижают с 500 до 20 С. В результате распределение пол ризации, т.е. пье- зомодул djj (г), по радиусу пьезодис- ка имеет такой же вид, как и распре- 25 житс на этой поверхности, тем точнее

( б - во ) , можно найти, что

рС г) - -ллк&.г).

(3)

Формула (3) показывает, что если на излучающей поверхности р(г) имеет вид функции Бессел , то ультразвуковые волны излучаютс только под углом во относительно нормали к поверхности . Причем, чем больше радиус из- лучак цей поверхности и чем большее количество полуволн функции Jc уло-

D(6) будет приближатьс к иглообразной фуикции Дирака ti(9).

деление ). После извлечени остывшего пьезоэленента из печки на каждое из его оснований нанос т сплошной электрод. Это можно сделать путем напылени или с помощью токо- провод щего кле .

Пьезопреобразователь, изготовленный по предлагаемому способу, работает следующим образом.

На вновь нанесенные на его основани сплошные электроды подают возбуждающее электрическое напр жение. Распределение нормальной к основани м составл ющей напр женности возбуждающего электрического пол вдоль радиуса - однородное. В результате электромеханического преобразовани в пьезоэлементе возникает акустическое давление, причем распределение этого давлени вдоль радиуса (т.е. р(г)) совпадает с распределением

diaCr).

Таким образом, дл пьезопреобразо- вател , изготовленного по предлагаемому способу распределение р(г) на поверхности z О имеет внц функции Бессел Jo (х).

Способ изготовлени ультразвукового фокусирующего пьезопреобразовате- л , заключающийс в неоднородной пол ризации дискового пьезоэлемента и нанесении электродов на его основани , отличающийс тем, что, с целью сужени и уменьшени расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезопреобразователем во внешней среде, на основани х пьезоэлемента вьтолн ют пары электродов, один электрод из каждой пары располагают на одном основании, а другой - на другом, центральную пару выполн ют в внде кругов, а все остальные - в

Как известно, дисковый излучатель формирует во внешней среде упьтразву-

ковое поле, диаграмма направленности 55 виде колец с зазорамн между нимн.дна- которого D(6) равнаметр кругового электрода н ширина

D(e) N J (Krsin0).p(r)Tdr,(l)

каждого из кольцевых электродов на одном ог.нованин в 2,5-3,5 раза меньгде 9 - угол наблюдени ;

Р Г i D(e) J.(Kra) 6 df9, (2)

житс на этой поверхности, тем точнее

с на этой поверхности, тем точнее

( б - во ) , можно найти, что

рС г) - -ллк&.г).

(3)

житс на этой поверхности, тем точнее

0

5

0

5

0

Поскольку на излучающем основании пьезоэлемента, изготовленного по предлагаемому способу, распределение акустического давлени р(г) как раз имеет вид функции Jo, этот пьезоэле- мент формирует во внешней среде узкий слаборасход щийс пучок, т.е. ультразвуковое поле с узким основным и малыми боковыми лепестками диаграммы направленности.

Claims

Формула изоб ретени

Способ изготовлени ультразвукового фокусирующего пьезопреобразовате- л , заключающийс в неоднородной пол ризации дискового пьезоэлемента и нанесении электродов на его основани , отличающийс тем, что, с целью сужени и уменьшени расходимости ультразвукового луча, формируемого пьезопреобразователем во внешней среде, на основани х пьезоэлемента вьтолн ют пары электродов, один электрод из каждой пары располагают на одном основании, а другой - на другом, центральную пару выполн ют, в внде кругов, а все остальные - в

виде колец с зазорамн между нимн.дна- метр кругового электрода н ширина

каждого из кольцевых электродов на одном ог.нованин в 2,5-3,5 раза мень513808036

ше, чем на другом, средние диаметрыподава на соседние пары электродов

кольцевых электродов из каждой парыпротивофазные напр жени , амплитуда

равны, внешний радиус каждого широко- которых уменьшаетс от центральной

го электрода соответствует данному -пары в последовательности, соответст

нулю функции Бессел первого рода ну-вующей последовательности убывани

левого пор дка, при этом внешний ра- амплитуд в полуволнах функции Бес

диус последнего широкого- кольцевогосел , после чего нанос т на оба осно-

электрода равен радиусу пьезоэлемен-вани пьезоэлемента сплошные электро-

та- затем пьезоэлемент пол ризуют, ю,ДЬ1.