SU1714497A1 - Focusing variable-focal-length ultrasonic transducer - Google Patents

Focusing variable-focal-length ultrasonic transducer Download PDF

Info

Publication number
SU1714497A1
SU1714497A1 SU894669579A SU4669579A SU1714497A1 SU 1714497 A1 SU1714497 A1 SU 1714497A1 SU 894669579 A SU894669579 A SU 894669579A SU 4669579 A SU4669579 A SU 4669579A SU 1714497 A1 SU1714497 A1 SU 1714497A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
lens
flat
lenses
acoustic
focusing
Prior art date
Application number
SU894669579A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Станислав Михайлович Маевский
Виктор Эвальдович Тамберг
Константин Константинович Балачук
Original Assignee
Киевский Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Киевский Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции filed Critical Киевский Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции
Priority to SU894669579A priority Critical patent/SU1714497A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1714497A1 publication Critical patent/SU1714497A1/en

Links

Abstract

Изобретение относитс  к неразрушаю- щему контролю качества материалов и изде- лий. Целью изобретени   вл етс  увеличение чувствительности. Дл  этого в преобразователе, содержащем две линзы, линза 2 выполнена плосковогнутой, а линза 3 - плосковыпуклрй с радиусом кривизны, большим радиуса кривизны плосковогнутой линзы 2. Кроме ТОГО; акустический импеданс материалов линз равен акустическому импедансу звукопровод щей жидкости 4. При этом добиваютс  минимальных акустических аберраций в требуемом интервале перемещени  фокуса. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.•: • :•;'.' '.'• ; '••'" '^' •:"''' :•' •" '•'• '"'•'..• ^The invention relates to non-destructive quality control of materials and products. The aim of the invention is to increase the sensitivity. To do this, in a transducer containing two lenses, lens 2 is flat-curved, and lens 3 is flat-convex with a radius of curvature greater than the radius of curvature of the flat-concave lens 2. Besides TOGO; The acoustic impedance of the lens materials is equal to the acoustic impedance of the sound-conducting fluid 4. At the same time, minimal acoustic aberrations are achieved in the required range of focus movement. 1 hp ff, 2 images •: •: •; '.' '.' •; '••' "'^' •:" '' ': •' • "'•' • '"' • '.. • ^

Description

Изобретение относитс  к области неразрушающего контрол  качества материалов и изделий.This invention relates to the field of non-destructive quality control of materials and products.

Известны примен емые в акустической дефектоскопии и микроскопии фокусирующие ультразвуковые преобразователи, содержащие пьезоэлемент с электродами, прикрепленный к подвижной плосковогнутрй линзе, позвол ющий производить фокусировку (концентрацию) ультразвуковой энергии преобразовател  в точке, называемой акустическим фокусом преобразовател , расположенной относительно линзы на рассто нииThe focusing ultrasound transducers used in acoustic flaw detection and microscopy are known, which contain a piezoelectric element with electrodes attached to a movable flat-bent lens, which allows focusing (concentration) of the ultrasonic energy of the transducer at a point called the acoustic focus of the transducer located relative to the lens at a distance

F R(1-n),F R (1-n),

где R - радиус кривизны линзы: п-коэффициент преломлени ,where R is the radius of curvature of the lens: p is the refractive index,

п Сс/Сл,p Cc / Sl,

где Сс - скорость ультразвуковой волны в среде фокусировки;where Cc is the velocity of the ultrasonic wave in the focusing medium;

Сл -.скорость ультразвуковой волны в материале линзы.The ultrasonic wave speed is in the lens material.

Такие фокусирующие ультразвуковые преобразователи обеспечивают возможность изменени  положени  акустического Фокуса в исследуемой среде путем его пере мещени  а иммерсионной среде (звукопровод щей жидкости) вдоль акустической оси линзы.Such focusing ultrasound transducers provide the ability to change the position of the acoustic focus in the test medium by moving it with an immersion medium (sound-conducting fluid) along the acoustic axis of the lens.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  акустическое многолинзовое устройство с переменным увеличением и фокусным рассто нием, содержащее две линзы, одна из которых плосковогнута , а друга  св зана с первой через звукопровод щую среду и размещена вблизи ее конфокальной зоны, и пьезоэлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы. Втора  линза вместе с выходной линзой образуют дво ковогнутую акустическую линзу, за которой в провод щей ультразеуковой среде помещен исследуемый образец. Измен   относительное положение второй линзы, можно анализировать образец по всему обьему, получа  ультразвуковое изображение.The closest to the invention is an acoustic multi-lens device with variable magnification and focal length, containing two lenses, one of which is flat-folded, and the other is connected to the first through a sound-conducting medium and is located near its confocal zone, and the piezoelectric element fixed on a flat part flat-bent lens. The second lens together with the output lens forms a double-bent acoustic lens, behind which the sample under study is placed in a conducting ultrasound medium. By changing the relative position of the second lens, it is possible to analyze the sample throughout the volume, producing an ultrasound image.

Недостатком известного акустического Многолинзового устройства с переменным увеличением и фокусным рассто нием  вл етс  ограничение его использовани  на высоких частотах, поскольку такое положение линз требует большого сло  звукопровод щей жидкости (большего суммы фокусных рассто ний первой и второй линз), а все известные звукопровод щие жидкости, включа  жидкие металлы и газы, на частотах свыше 100 МГц имеют большие затухани  ультразвука. Такое положение акустических линз и их тип уменьшают коэффициент фокусировки ультразвуковой энергии преобразовател , поскольку коэффициент фокусировкиA disadvantage of the known acoustic multi-lens device with variable magnification and focal length is the restriction of its use at high frequencies, since this position of the lenses requires a large layer of sound-conducting liquid (a larger sum of the focal lengths of the first and second lenses), including liquid metals and gases, at frequencies above 100 MHz have large attenuation of ultrasound. Such a position of acoustic lenses and their type reduces the focusing coefficient of the ultrasonic transducer energy, since the focusing coefficient

Sa Sa

Kf Kf

пр мо зависит от активной площади преобразовател  Sa и обратно от фокусного рассто ни  F.T.e. рассто ни  от пьезоэлемента до точки концентрации ультразвуковой энергии. Использование увеличени  дополнительно уменьшает коэффициент фокусировки и увеличивает толщинуdirectly depends on the active area of the Sa converter and back on the focal length of F.T.e. the distance from the piezoelectric element to the concentration point of ultrasonic energy. Using magnification further reduces the focus factor and increases the thickness.

звукопровод щей жидкости, поскольку дл  этого необходима втора  линза с большим фокусным рассто нием, чем перва , ив результате приводит к снижению чувствительности за счет затухани a conductive fluid, since this requires a second lens with a greater focal length than the first one, and as a result leads to a decrease in sensitivity due to the attenuation

ультразвука в звукопровод щих средах и уменьшени  коэффициента фокусировки ультразвуковой энергии в фокусе из-за увеличени  радиуса фокального п тнаultrasound in sound-conducting media and a decrease in the focusing coefficient of ultrasonic energy in focus due to an increase in the radius of the focal spot

/эь 0,61 FA/a ./ ei 0.61 FA / a.

Целью изобретени   вл етс  увеличение чувствительности фокусирующих ультразвуковых преобразователей сThe aim of the invention is to increase the sensitivity of focusing ultrasound transducers with

переменным фокусным рассто нием.variable focal distance.

Поставленна  Цель достигаетс  тем, что в фокусирующем ультразвуковом преобразователе с переменным фокусным рассто нием , содержащем две линзь, одна изThe goal is achieved by the fact that in a focusing ultrasound transducer with a variable focal distance containing two lenses, one of

KOTOpifix плосковогнута , а друга  св зана с первой через звукопровод щую среду и размещена вблизи ее крнфокальной зоны, и пьезоэлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы, втора  линза выполнена плосковыпуклой с радиусом кривизны больше радиуса кривизны плосковогнутой линзы.The KOTOpifix is flat-concave, and the other is connected to the first through a sound-conducting medium and is located near its focal zone, and the piezoelectric element mounted on the flat part of the flat-convex lens, the second lens is made flat-convex with a radius of curvature greater than the radius of curvature of the flat-concave lens.

Замена дво ковогнутой линзы плосковыпуклой приводит к уменьшению сло  звукопров:од щей жидкости между линзами и между плрсковыпуклой линзой и исследуемым обьектом. Уменьшаетс  рассто ние от пьезоэлемента до фокуса, что ведет к повышению чувствительности за счет увеличени  коэффициента фокусировки. Равенство акустических импедансов материала линз и звукопровод щей жидкости ведет к оптимальному акустическому согласованию акустического тракта, что значительно уменьшает потери на прохождение границ раздела линзы - звукопровод ща  среда, и также уменьшаетс  акустический шум, вызванный переотражени ми в линзах. Комбинаци Replacing a double-concave lens with a plane-convex leads to a decrease in the sound guide layer: a single fluid between the lenses and between the flat convex lens and the object under study. The distance from the piezoelectric element to the focus is reduced, which leads to an increase in sensitivity due to an increase in the focusing coefficient. The equality of the acoustic impedances of the lens material and the sound-conducting fluid leads to an optimal acoustic matching of the acoustic path, which significantly reduces the loss of the lens interfaces - the sound-conducting medium, and the acoustic noise caused by the reflections in the lenses is also reduced. Combinations

фокусирующей и расфокусирующей линз уменьшает акустические аберрации, что также повышает чувствительность преобразовател .focusing and defocusing lenses reduce acoustic aberrations, which also increases the sensitivity of the transducer.

На фиг. 1 представлена схема фокусирующего ультразвукового преобразовател ; на фиг.2 пример конкретного преобразовател . FIG. 1 shows a diagram of a focusing ultrasound transducer; 2, an example of a specific converter.

Фокусирующий ультразвуковой преобразователь с переменным фокусным рас .сто нием содержит пьезоэлемент 1, закрепленный на плоской прверхности плосковогнутой линзы 2, св занной с плосковыпуклой линзой 3 через звукопровод щую жидкость 4.A focusing ultrasonic transducer with a variable focal distance contains a piezoelectric element 1 fixed to a flat surface of a flat-bent lens 2 connected to a flat-convex lens 3 through a conductive fluid 4.

Оптимальна  разница в радиусах кривизны линз составл ет 1-20% и определ етс  диапазоном перемещени  фокуса устройства. Замена дво ковогнутой линзы на плосковыпуклую приводит к уменьшению сло  звукопровод щей жидкости меж;ду линзами в результате того, что мнимый фокус плосковыпуклой линзы F2 всегда будет лежать вблизи действительного фокуса плосковогнутой линзы Р1(фиг.1). Это необходимо дл  выполнени  услови  работы такого фокусирующего преобразовател  с переменным фокусным рассто нием: Перемещение Д плосковогнутой линзы относительно плосковыпуклой (фокус плосковогнутой линзы перемещаетс  от точки FI до точки FI) вызывает перемещение фокуса преобразовател  с точки Fn поверхности контролируемого объекта до точки Fn, лежащей на противоположной стороне того же объекта (фиг.1). Позтому слой звукопровод щей жидкости между линзами всегда меньше фокусного рассто ни  плосковогнутой линзы, а это приводит к уменьшению затухани  звука в преобразователе , уменьшению рассто ни  от пьезозлемента до фокуса Fn и, в результате, к повь1шению чувствительности за счет повышени  козффициента фокусировки. Дополнительное повышение чувствительности достигаетс  применением звукопровод г щей жидкости с акустическим импедансом равным импедансу линз.The optimum difference in the radii of curvature of the lenses is 1-20% and is determined by the range of movement of the focus of the device. Replacing a double-concave lens with a flat-convex lens leads to a decrease in the sound-conducting fluid layer between the lenses due to the fact that the imaginary focus of the flat-convex lens F2 will always lie near the actual focus of the flat-convex lens P1 (Fig. 1). This is necessary to fulfill the condition of such a focusing converter with a variable focal distance: Moving D of a flat-bent lens relative to a convex (focus of a flat-bent lens moves from point FI to point FI) causes the focus of the converter to move from the point Fn of the surface of the object to the point Fn lying on the opposite side of the same object (figure 1). Therefore, a layer of sound-conducting fluid between the lenses is always shorter than the focal distance of a flat-bent lens, and this leads to a decrease in sound attenuation in the transducer, a decrease in the distance from the piezoelectric element to the focus Fn and, as a result, to an increase in sensitivity due to an increase in the focusing coefficient. An additional increase in sensitivity is achieved by the use of a conductor for heating liquid with acoustic impedance equal to the impedance of the lenses.

Необходимым условием выполнени  такого преобразовател   вл етс  наличие как минимум двух акустических линз - одной фокусирующей, другой рассеивающей, при этом радиус кривизны рассеивающей линзы должен быть больше фокусирующей. Фокус плосковыпуклой линзы отстоит от фокуса плосковогнутой линзы и лежит на акустической оси преобразовател , при этом расстр ние между акустическими фокусами плосковогнутой и плосковыпуклой линз определ ет фокусное рассто ние преобразовател  (фиг.1). Таким образом, повышаетс  чувствительность фокусирующего ультразвукового преобразовател  с переменным фокусным рассто нием.A necessary condition for the implementation of such a converter is the presence of at least two acoustic lenses — one focusing and the other diffusing, and the radius of curvature of the diffusing lens must be greater than the focusing. The focus of the flat convex lens is separated from the focus of the flat-bent lens and lies on the acoustic axis of the transducer, while the distance between the acoustic foci of the flat-concave and flat-convex lenses determines the focal distance of the transducer (Fig. 1). Thus, the sensitivity of the focusing ultrasound transducer with a variable focal distance is increased.

Примером конкретного выполнени  фокусирующего преобразовател   вл етс  преобразователь (фиг.2), состо щий из корпуса 5, в нижней части которого закреплена плосковыпукла  линза 3, а внутри закреплена на подвижной втулке 6 плосковогнута  линза 2, на плоской части которой размещен пьезоэлемент 1. Пространство между линзами 3 и 2 заполнено ртутью 4. Выводы преобразовател  подключены через гибкий кабель к разъему 7.An example of a specific implementation of a focusing transducer is a transducer (FIG. 2) consisting of a housing 5, in the lower part of which a flat-convex lens 3 is fixed, and inside a fixed-bent lens 2 fixed on a movable sleeve 6, on the flat part of which a piezoelectric element 1 is placed. lenses 3 and 2 are filled with mercury 4. The leads of the converter are connected via a flexible cable to the connector 7.

В верхней части корпуса закреплена гофрированна  подвижна  перегородка 8, служаща  дл  полной герметизации внутреннего объема преобразовател  от воздействи  внешней среды, а также возможности передачи движени  штоку 9, прикрепленному одной стороной к втулке, а другой выход  щему наружу. Гофрированна  перегородка закреплена в корпусе крышкой 10. Верхн   наружна  часть прербразовател  выполнена с резьбой дл  точной фиксации преобразовател  на каретке сканирующего устройства. Винт 11 служит дл  заливки в преобразователь ртути. В дан-. ном фокусирующем преобразователе используетс  пьезоэлемент на основе пьезополупроводника ZnO и акустические линзы из стекла марки ТК-21 (разновидность т желого крона). Звукопровод щей жидкостью  вл етс  насыщенна  медью и никелем ртуть, при этом дл  обеспечени  смачиваемости линз и получени  хорошего акустического контакта между Линзами и ртутью линзы покрыты подслоем никел  толщиной 0,04 мкм, затем слоем меди 0,8 мкм и слоем инди  0,8 мкм. Покрытие линз сло ми никел , меди и инди  определ ет технологичность, адгезионную прочность и смачиваемость линз без изменени  характеристик во времени. Толщина слоев выбрана исход  из того, чтобы не вносить рассогласований в акустический тракт преобразовател . Вместо инди  можно наносить платину, золото, серебро, они также отлично смачиваютс  и защищают медь от окислени .A corrugated movable wall 8 is fixed in the upper part of the body, which serves to completely seal the internal volume of the transducer from the external environment, as well as the ability to transfer movement to the rod 9 attached to the sleeve on one side and out to the other. The corrugated partition is fixed in the housing with a cover 10. The upper outer part of the transducer is threaded to precisely fix the converter on the carriage of the scanning device. Screw 11 is used to fill the mercury converter. In the data-. A focusing transducer uses a piezoelectric element based on a ZnO piezoelectric semiconductor and acoustic lenses made of TK-21 glass (a type of heavy crown). The sound-conducting fluid is mercury rich in copper and nickel, while to ensure the wettability of the lenses and to obtain a good acoustic contact between the Lenses and the mercury the lenses are covered with a 0.04 micron nickel underlayer, then a 0.8 micron copper layer and a 0.8 micron indium layer . The coating of lenses with nickel, copper and indium layers determines the manufacturability, adhesive strength and wettability of lenses without changing the characteristics over time. The thickness of the layers is chosen in order not to introduce mismatches in the acoustic path of the transducer. Instead of indie, platinum, gold, silver can be applied, they are also well wetted and protect copper from oxidation.

Ртуть и стекло марки ТК-21 оптимально согласованы по акустическому импедансу, исход  из чего реверберационныё акустические шумы преобразовател  гораздо ниже полезного акустического сигнала во всем диапазоне измерений. Подвижна  втулка выполнена с продольными пазами дл  забора ртути врежиме опускани  подвижной линзы.Mercury and glass of the brand TK-21 are optimally matched by acoustic impedance, based on which the reverberation acoustic noise of the transducer is much lower than the useful acoustic signal in the entire measurement range. The movable sleeve is made with longitudinal slots for collecting mercury in the mode of lowering the movable lens.

Фокусирующий преобразователь предназначен дл  контрол  изделий из конструкционной керамики на частотах свыше 100 МГц.Focusing transducer is designed to control products of structural ceramics at frequencies above 100 MHz.

Claims (2)

Формула изобретени  1. Фокусирующий ультразвуковой преобразователь с переменным фокусным рассто нием , содержащий две линзы, одна из которых плосковогнута , а друга  св зана с первой через звукопровод щую среду и размещена вблизи ее конфокальной зоны, пьеЮClaim 1. A focusing ultrasound transducer with a variable focal distance, which contains two lenses, one of which is flat-folded, and the other is connected to the first through a sound-conducting medium and placed near its confocal zone, Фиа.1Phia.1 зозлемент, закрепленный на плоской части плосковогнутой линзы , о т л и ч а ю щи и - с   тем, что, с целью увеличени  чувствительности , втора  линза выполнена плосковь)5 пуклой с радиусом криви зны, большим радиуса кривизны плосковогнутой линзы.The element is fixed on the flat part of the flat-bent lens, which is so that, in order to increase the sensitivity, the second lens is made flat) 5 bulge with a radius of curvature greater than the radius of curvature of the flat-bent lens. 2. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ющ и и с   тем, что акустический импеданс 10 материала линз равен акустическому импедансу звукопровод щей жидкости.2. The transducer according to claim 1 and about the fact that the acoustic impedance 10 of the lens material is equal to the acoustic impedance of the sound-conducting fluid.
SU894669579A 1989-03-30 1989-03-30 Focusing variable-focal-length ultrasonic transducer SU1714497A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU894669579A SU1714497A1 (en) 1989-03-30 1989-03-30 Focusing variable-focal-length ultrasonic transducer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU894669579A SU1714497A1 (en) 1989-03-30 1989-03-30 Focusing variable-focal-length ultrasonic transducer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1714497A1 true SU1714497A1 (en) 1992-02-23

Family

ID=21437474

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU894669579A SU1714497A1 (en) 1989-03-30 1989-03-30 Focusing variable-focal-length ultrasonic transducer

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1714497A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2599404C2 (en) * 2011-09-26 2016-10-10 Конинклейке Филипс Н.В. Ultrasound probe with an acoustical lens

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ермолов И.Н. Теори и практика ультразвукового контрол . - М.: Машиностроение, '1981.:с;91-.;...,;/:-;.,'; ,.,-: ;..•;,-. , ;.,;:.••За вка FR N: 2578081. Kri.G10K11/30,1987. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2599404C2 (en) * 2011-09-26 2016-10-10 Конинклейке Филипс Н.В. Ultrasound probe with an acoustical lens

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1766608B1 (en) Acoustic device with variable focal length
US5400788A (en) Apparatus that generates acoustic signals at discrete multiple frequencies and that couples acoustic signals into a cladded-core acoustic waveguide
JP5166404B2 (en) Device and probe for elevation focus control of sound waves
US3934460A (en) Apparatus for focusing and collimating ultrasonic waves
JPH0851689A (en) Ultrasonic wave transducer
JPH022921A (en) Apparatus for inspecting sample by ultrasonic wave
US20100229648A1 (en) Device containing a fluid refracting ultrasound modality
SU1714497A1 (en) Focusing variable-focal-length ultrasonic transducer
US4659956A (en) Compound focus ultrasonic transducer
US5345045A (en) Acoustic lens
JP2023540308A (en) Transparent ultrasound sensor-based ultrasound optical composite imaging system
JP6080747B2 (en) Ultrasonic probe and ultrasonic flaw detection system
Smolorz et al. Focusing PVDF transducers for acoustic microscopy
US4550609A (en) Acoustic lens
Jen et al. Fabrication and characterization of continuously cast clad metallic buffer rods
JPH0437379B2 (en)
JP3608453B2 (en) Ultrasonic probe and ultrasonic inspection device
SU1623791A1 (en) System for focusing acoustic radiation in solid objects
JPS6345540B2 (en)
JP3002082B2 (en) Ultrasonic probe
JPS61210943A (en) Ultrasonic microscope
SU1409913A1 (en) Piezoelectric transducer
Tai et al. Linear array probe using meniscus transducers
JP3027495B2 (en) Ultrasonic probe
Rupitsch et al. Piezoelectric Ultrasonic Transducers