SU1757760A1

SU1757760A1 - Ultrasonic piezoelectric transducer

Info

Publication number: SU1757760A1
Application number: SU904847649A
Authority: SU
Inventors: Надежда Петровна Бирюкова; Валерий Данилович Датько; Аркадий Васильевич Стамов-Витковский
Original assignee: Научно-исследовательский институт технологии машиностроения
Priority date: 1990-05-14
Filing date: 1990-05-14
Publication date: 1992-08-30

Abstract

Изобретение относитс к ультразвуковой технике. Цель изобретени - повышение равномерности частотной характеристики в пределах рабочего диапазона . Преобразователь содержит пассивные накладки, продольные размеры которых некратны между собой, Пьезокера- мические элементы с внешними боковыми поверхност ми в виде цилиндров расположены между пассивными накладками. Попе- речные размеры пьезокерамических элементов уменьшаютс от пассивной накладки с максимальным поперечным размером к пассивной накладке с минимальным поперечным размером, а площади торцовых поверхностей пассивных накладок равны площади торцовых поверхностей контактирующих с ними пьезокерамических элементов . Пассивна накладка с максимальным поперечным сечением выполнена в виде полусферы . Пассивные накладки,установленные между пассивными накладками с максимальным и минимальным поперечными размерами, выполнены в виде усеченных конусов. 2 ил. ЁThe invention relates to ultrasound technology. The purpose of the invention is to improve the uniformity of the frequency response within the operating range. The converter contains passive plates, the longitudinal dimensions of which are non-multiple with each other. Piezoceramic elements with external side surfaces in the form of cylinders are located between the passive plates. The lateral dimensions of the piezoceramic elements are reduced from the passive overlay with the maximum transverse size to the passive overlay with the minimum transverse size, and the areas of the end surfaces of the passive plates are equal to the areas of the end surfaces of the piezoceramic elements in contact with them. Passive lining with a maximum cross section made in the form of a hemisphere. Passive lining installed between the passive lining with maximum and minimum transverse dimensions, made in the form of truncated cones. 2 Il. Yo

Description

Изобретение относитс к устройствам дл получени ультразвуковых колебаний с использованием пьезоэлектрических свойств, может найти применение в процессах , где требуетс широкий диапазон изменени рабочей частоты, в частности, при определении резонансных свойств элементов или при акустико-топографическом неразрушающем методе контрол слоистых материалов и сотовых конструкций.The invention relates to devices for producing ultrasonic vibrations using piezoelectric properties, can be used in processes that require a wide range of changes in the operating frequency, in particular, in determining the resonant properties of elements or in the acoustic-topographic non-destructive method to control laminated materials and honeycomb structures.

Известны широкополосные пьезоэлектрические преобразователи, в которых пластины установлены одна напротив другой, на каждую пластину нанесены обкладки, причем, пьезопластины установлены с зазором , причем, толщина обкладок и соотношение сторон и зазоров между пьезопластинами имеет определенные зависимости , что при одинаковой зависимостиKnown broadband piezoelectric transducers, in which the plates are installed opposite one another, plates are applied to each plate, moreover, piezoplates are installed with a gap, and the thickness of the plates and the aspect ratio and gaps between piezoplates have certain dependencies, which with the same dependence

дл всех равных между собой пьезоэлемен- тах может только снизить добротность всего преобразовател , т.е. только расширить полосу частот в районе резонанса или нескольких кратных между собой по частоте резонансов, а это приводит к тому, Что работоспособность такого преобразовател может быть осуществлена на отдельных полосах рабочего спектра частот.for all equal piezoelectric elements can only reduce the quality factor of the entire converter, i.e. only expand the frequency band in the region of the resonance or several multiples of resonances among themselves, and this leads to the fact that the efficiency of such a converter can be carried out on separate bands of the working frequency spectrum.

Известно, что на спектр рабочих частот вли ют и поперечные колебани тел. Известен преобразователь, в котором пассивные накладки выполнены в виде полушаров, диаметр образующегос шара равен половине длины волны. В данном случае, единственным резонансным размером вл етс диаметр шара, что и позвол ет исключить побочные резонансные частоты и работать строго на одной рабочей частоте или наIt is known that the spectrum of operating frequencies is also affected by transverse vibrations of the bodies. A known converter, in which the passive overlays are made in the form of hemispheres, the diameter of the resulting ball is half the wavelength. In this case, the only resonant size is the diameter of the ball, which makes it possible to eliminate side resonant frequencies and work strictly on the same operating frequency or on

33

Х| XI СЬ ОX | XI СЬ О

кратных частотах без каких-либо промежуточных , что также приводит к узкополосному возбуждению объектов в пределах диапазона рабочих частот.multiple frequencies without any intermediate, which also leads to narrowband excitation of objects within the operating frequency range.

Наиболее близким аналогом к за вленному техническому решению по числу общих признаков и решаемой задаче вл етс пьезоэлектрический преобразователь, со- держаидий пассивные накладки разных про- дольных и поперечных размеров, пьезокерамические элементы разных поперечных размеров, расположенные между пассивными накладками, причем, поперечные размеры пьезокерамических элементов уменьшаютс от пассивной накладки с минимальным поперечным размером к пассивной накладке с минимальным поперечным размером, а площади торцевых поверхностей пассивных накладок равны площади торцевых поверхностей контактирующих с ними пьезокерамических элементов.The closest analogue to the claimed technical solution in terms of the number of common features and the problem to be solved is a piezoelectric transducer, containing passive overlays of different longitudinal and transverse dimensions, piezoceramic elements of different transverse dimensions located between the passive plates, and the transverse dimensions of piezoceramic elements reduced from a passive lining with a minimum transverse size to a passive lining with a minimum transverse size, and the area of the end surface These passive plates are equal to the area of the end surfaces of the piezoceramic elements in contact with them.

Недостатком известного пьезокерами- ческого преобразовател вл етс то, что он также работоспособен в пределах узких полос частот, непосредственно примыкающих к рко выраженным резонансным частотам, численно кратным между собой, т.е, при высокой добротности колебательной системы она оказываетс работоспособной только на ограниченных, нигде не перекрывающих друг друга полосах частот.A disadvantage of the known piezoceramic transducer is that it is also operable within narrow frequency bands directly adjacent to well-pronounced resonant frequencies that are numerically multiple to each other, i.e., with a high quality factor of the oscillatory system, it turns out to be operable only at limited, nowhere non overlapping frequency bands.

Высока добротность колебательной системы дл источников ультразвуковых колебаний , примен емых дл определени резонансных свойств объектов (пластин, оболочек и т.п.) а также дл акустикотопог- рафического контрол , влечет за собой не только пропуск диапазонов возбуждени объектов, что снижает достоверность полученных результатов, но и дл поддержани посто нны параметров колебательного процесса в зависимости от частоты колебаний , требует обратной отрицательной св зи с излишне завышенным динамическим диапазоном , что усложн ет конструктивное ис- полнениесопр гаемыхсThe high quality factor of the oscillatory system for sources of ultrasonic oscillations used to determine the resonant properties of objects (plates, shells, etc.) as well as for acoustic-topographic control, involves not only the omission of the excitation ranges of the objects, which reduces the reliability of the results, but also to maintain the parameters of the oscillatory process constant depending on the oscillation frequency, it requires an inverse negative relationship with an excessively high dynamic range, which makes it difficult constructively used polneniesopr gaemyhs

пьезокерамическим преобразователем систем .piezo-ceramic converter systems.

Целью изобретений вл етс повышение равномерности частотной характеристики в пределах рабочего диапазона.The aim of the inventions is to improve the uniformity of the frequency response within the operating range.

Данна цель достигаетс тем, что в преобразователе, включающем в себ пассивные накладки разных продольных и поперечных размеров, пьезокерамические элементы разных поперечных размеров, расположенные между пассивными накладками , площади торцевых поверхностей ко- торых равны площад м торцевыхThis goal is achieved by the fact that in the converter, which includes passive plates of different longitudinal and transverse dimensions, piezoceramic elements of different transverse dimensions, located between the passive plates, the areas of the end surfaces of which are equal to the areas of the end faces

поверхностей контактирующих с ними пьезокерамических элементов, размеры которых уменьшаютс от пассивной накладки с максимальным поперечным размером кsurfaces of piezoceramic elements in contact with them, the dimensions of which are reduced from the passive lining with a maximum transverse dimension to

пассивной накладке с минимальным поперечным размером , согласно изобретению, пассивна накладка с максимальным поперечным сечением выполнена в виде полусферы , внешние боковые поверхностиPassive lining with a minimum transverse size, according to the invention, a passive lining with a maximum cross section made in the form of a hemisphere, the outer side surfaces

0 пьезокерамических элементов имеют цилиндрическую форму, продольные размеры пассивных накладок выбраны некратными между собой, а пассивные накладки, установленные между пассивными накладками0 piezoceramic elements have a cylindrical shape, the longitudinal dimensions of the passive plates are non-multiple among themselves, and the passive plates are installed between the passive plates.

5 с максимальным и минимальным поперечными размерами выполнены в виде усеченных конусов.5 with maximum and minimum transverse dimensions made in the form of truncated cones.

На фиг. 1 представлена схема преобразовател с пассивными элементами междуFIG. 1 shows a converter circuit with passive elements between

0 пьезоэлрментами (основной вариант); на фиг 2 - схема преобразовател без пассивных элементов между пьезоэлементами (частный случай).0 piezoelectric (basic version); FIG. 2 is a diagram of a converter without passive elements between piezoelectric elements (a special case).

Пьезоэлектрический преобразовательPiezoelectric transducer

5 включает в себ торцевые накладки 1, 2, преимущественно, со сферическими участками поверхности, причем, к накладке меньшего диаметра 2 присоединен (например, выполнен с ней заодно целое) волновод 3.5 includes end plates 1, 2, preferably with spherical surface areas, and waveguide 3 is attached to a patch of smaller diameter 2 (for example, an integral part is made with it).

С Между торцевыми пассивными накладками (их плоскими поверхност ми) располагаютс группы пьезоэлементов 4, 5, 6, объединенные в группъ- по одинаковому между собой поперечному и продольному размеру,C Between the end passive plates (their flat surfaces), there are groups of piezoelectric elements 4, 5, 6, which are grouped together in the same transverse and longitudinal dimension,

5 причем, дл /добства подключени к источнику питани (ультразвуковому генератор,) число пьезозлемечтов устанавливают четным в сумме всех гругп и каждую соседнюю пару пьезоэлементов при сборке преобра0 зовател устанавпиваюттак, чтобы их стороны с одинаковой пол рностью оказались соседствующими Между группами пьезоэ- лемечтов 4, 5 и 6 установлены накладки 7 и 8 из металла, или они могут быть выполнены5 moreover, for the connection to the power source (ultrasonic generator,), the number of piezocells is set to even in the sum of all the groups and each adjacent pair of piezoelements when assembling the converter, they are installed with the same polarity between the piezoelectric elements 4, 5 and 6 plates 7 and 8 are made of metal, or they can be made

5 из пьезоэлемеитов 9 и 10, как это показано на фиг 2. Пьезоэлектрический преобразователь быть соединен посредством центральной шпильки 11, ст гивающей торцевые накладки 1 и 2 между собой, дл чего5 from piezoelemites 9 and 10, as shown in Fig. 2. The piezoelectric transducer should be connected by means of a central pin 11, tightening the end plates 1 and 2 among themselves, for

0 последние имеют отверсти с резьбой Дл предотвращени короткого замыкани медных электродов, выполненных и фольги и расположенных между поверхност ми пьезоэлементов (не показаны), обращенных0 the latter have threaded holes to prevent shorting of the copper electrodes made from and the foil and located between the surfaces of the piezoelectric elements (not shown) facing

5 друг к другу, а также между накладками 7 и 8, если имеютс группы с нечетным числом пьезоэлсментов в них (например, как в группах 4 и 6), на шпильку 11 по длине между накладками 1 и 2 одета диэлектрическа втулча (например, из фторопласта, хлорви нила и т.п.). или она обмотана на этой длине изолирующей лентой 12. Грушевидна форма преобразовател аппроксимируетс на участке между накладками 1 и 2, либо ступенчато , подбором по длине и диаметру групп пьезоэлектрических преобразователей 4, 5, 6. 9, 10 (если есть возможность и более), или цилиндро-коническими поверхност ми групп преобразователей 4, 5, б и накладок 9 и 10.5 to each other, as well as between the plates 7 and 8, if there are groups with an odd number of piezoelectric elements in them (for example, as in groups 4 and 6), on a pin 11 in length between the plates 1 and 2, they wear a dielectric stub (for example, from PTFE, chlorovinyl, etc.). or it is wrapped with insulating tape 12 at this length. The pear shape of the transducer is approximated in the area between the plates 1 and 2, or in steps, matching the length and diameter of the piezoelectric transducer groups 4, 5, 6. 9, 10 (if possible and more), or cylinder-conical surfaces of groups of transducers 4, 5, b and linings 9 and 10.

Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.The piezoelectric transducer operates as follows.

При подаче на электроды преобразовател переменного напр жени пьезоэле- менты измен ют свои размеры в соответствии с изменением напр женности электрического пол . При этом, если продольные или поперечные размеры колеблющихс элементов системы удовлетвор ют на какой-либо частоте возбуждени условию резонанса - размеры кратны половине длины волны, соответственно, продольной или поперечной, то происходит резонансное увеличение амплитуды колебаний этих элементов. Но в данном преобразователе все элементы, активные и пассивные, акустически св заны между собой, причем, все эти элементы имеют отличные между собой продольные и поперечные размеры, следовательно , если наступает резонанс дл какого-либо элемента в продольном или поперечном направлении, то дл остальных элементов эта частота вл етс нерезонансной . Присоединение к резонансной системе нерезонансной снижает добротность всей системы. Кроме того, при возбуждении преобразовател на более высоких частотах , чем наинизша резонансна частота, т.е. при частоте изменени электрического напр жени выше частоты которой соответствует длина преобразовател (между крайними точками накладок) более половины длины продольной волны, часть пьезоэле- ментов или групп пьезоэлементов будут работать в противофазе по отношению к механическим колебани м других пьезоэлементов и групп, что приводит к снижению добротности. К снижению добротности приводит и конусность элементов дл поперечных колебаний элементов - поперечные колебани и продольные св заны между собой через коэффициент Пуансона. Также снижает добротность колебаний присоединение к резонансному элементу иных элементов , отличающихс от резонансного по поперечному размеру, поскольку они уже выступают потребител ми механической энергии. Следовательно, последовательно возбужда преобразователь на частотах выше, чем резонансна частота, соответствующа резонансному размеру преобразовател , равного по длине одной половине волны (продольной), он последовательно возбуждаетс на частотных резонансах элементов , в том числе, если эти резонансы соответствуют кратным частотам дл одно- полуволновых размеров, но в каждом случае , к резонансному элементу оказываютс присоединенными акустически нерезонанс0 ные элементы. Учитыва , что в предложенной конструкции и продольные, и поперечные размеры элементов последовательно от элемента к элементу имеют отличи , а число отличий достаточно велико, тоWhen an alternating voltage transducer is applied to the electrodes, the piezoelectric elements change their dimensions in accordance with the change in the electric field intensity. In this case, if the longitudinal or transverse dimensions of the oscillating elements of the system satisfy at some excitation frequency the resonance condition — the dimensions are a multiple of half the wavelength, respectively, longitudinal or transverse, then a resonant increase in the amplitude of oscillations of these elements occurs. But in this converter, all elements, active and passive, are acoustically connected to each other, and all these elements have different longitudinal and transverse dimensions, therefore, if resonance occurs for any element in the longitudinal or transverse direction, then for the rest elements, this frequency is non-resonant. Joining a non-resonant resonant system reduces the quality of the entire system. In addition, when driving a transducer at higher frequencies than the lowest resonant frequency, i.e. at a frequency of electrical voltage higher than the frequency of which corresponds to the length of the transducer (between the extreme points of the plates) more than half the length of the longitudinal wave, some piezoelectric elements or groups of piezoelectric elements will work in antiphase with respect to mechanical vibrations of other piezoelements and groups, which leads to a decrease good quality. The taper of the elements for transverse oscillations of the elements also leads to a decrease in the quality factor — the transverse oscillations and the longitudinal vibrations are interconnected through a Punch coefficient. The quality of oscillations connecting other elements to the resonant element that differs from that in a transverse dimension, as they already act as consumers of mechanical energy, also reduces. Consequently, a converter is excited in series at frequencies higher than the resonant frequency corresponding to the resonant size of the converter equal to one half wavelength (longitudinal), it is successively excited in the frequency resonances of the elements, including if these resonances correspond to multiple frequencies for single-half wavelengths. dimensions, but in each case, acoustically nonresonant elements are attached to the resonant element. Taking into account that in the proposed construction both the longitudinal and transverse dimensions of the elements sequentially from element to element have differences, and the number of differences is quite large, then

5 и оказываетс достаточно большим, и число частных резонансов во всей колебательной системе, причем, в этом преобразователе предопределены и услови существовани многочисленных частных резонансов - от0 личием в продольных и поперечных размерах элементов и достаточно большим числом элементов, а также предопределены услови низкой добротности, путем акустического контакта резонансных, дл конкретной5 and it turns out to be quite large, and the number of private resonances in the entire oscillatory system, moreover, the conditions for the existence of numerous individual resonances are predetermined in this converter — the presence of elements in the longitudinal and transverse dimensions and a sufficiently large number of elements, as well as acoustic contact resonant, for a specific

5 частоты, элементбв с нерезонансными на этой частоте элементами одной колебательной системы. Следует также отметить, что ,гэже дл услови однополуволновой, дл конкретной частоты, колебательной си0 с.темы, состо щей из чередующихс по вол- новому сопротивлению элементов - пассивных и активных элементов из различных материалов - или из элементов со ступенчато измен ющемус поперечному5 frequencies, elements with non-resonant elements of one oscillatory system at this frequency. It should also be noted that, for a single-wave condition, for a particular frequency, an oscillatory system, consisting of elements alternating in wave resistance — passive and active elements of different materials — or of elements with stepwise changing transverse

5 размеру, причем, эти элементы из материала с достаточно низкой добротностью по сравнению с металлами, добротность всей колебательной системы существенно снижаетс по сравнению С системой, в которой5 to the size, moreover, these elements are made of a material with a rather low Q in comparison with metals, the Q of the entire oscillatory system is significantly reduced compared to the C system, in which

0 пьезоэлемент по длине преобразовател (с° накладками) составл ет малую часть и расположен в одном месте.0, the piezoelectric element along the transducer (with overlays) is a small part and is located in one place.

Таким образом, в преобразователе, согласно изобретению, последовательно, поThus, in the converter according to the invention, sequentially, according to

5 мере изменени частоты возбуждени , происходит перекрытие резонансных полос частот от отдельных резонансов элементов вплоть до максимально возможной рабочей частоты, определ емой минимальным раэ0 мером (толщиной) у пьезоэлементов в группах , С учетом трансформации (усилени амплитуд колебаний на сужающихс в направлении распространени волны элементах ) высокочастотные пьезоэлементы, т.е.5 as the excitation frequency changes, the resonant frequency bands overlap from individual resonances of the elements up to the maximum possible operating frequency determined by the minimum size (thickness) of the piezoelectric elements in the groups. Taking into account the transformation (amplification of the oscillation amplitudes on the elements narrowing in the direction of wave propagation) high-frequency piezoelectric elements, i.e.

5 самые тонкие, предпочтительно выбирать самого большого диаметра, поскольку и потери на возбуждение, а следовательно, и добротность колебательной системы любого типа на высших частотах будет ниже, чем на низких частотах.5 is the thinnest, it is preferable to choose the largest diameter, since both the excitation loss and, consequently, the Q-factor of the oscillatory system of any type at higher frequencies will be lower than at low frequencies.

Claims

An ultrasonic piezoelectric transducer containing passive plates of different longitudinal and transverse dimensions, piezoceramic elements of different transverse dimensions, located between the passive plates, the transverse dimensions of the piezoceramic elements being reduced from the passive pad with the maximum transverse dimension to the passive pad with the minimum transverse dimension and area end faces .- surfaces of passive linings are equal to the area of the end faces contacting With and piezoceramic elemen7

Editor E.Egorova

1

FIG. 2

Compiled by I.Igumnova

Tehred M.MorgentalKorrektor and.Kravtsova

Comrade characterized in that, in order to increase the uniformity of the frequency response within the operating range, the passive pad with the maximum

the cross section is made in the form of a hemisphere, the outer side surfaces of the piezoceramic elements have a cylindrical shape, the longitudinal dimensions of the passive linings are selected

non-multiple among themselves, and passive pads installed between passive pads with maximum and minimum transverse dimensions are made in the form of truncated cones.