SU1547084A1 - Устройство дл генерации ультразвуковых импульсов - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии, медицинской акустике и акустоэлектронике. Цель изобретени  - увеличение амплитуды генерируемых ультразвуковых импульсов в диапазоне частот до 1 МГц. Устройство содержит расположенные соосно активный пьезоэлемент 1, согласующий акустический элемент св зи 10, стержневой акустический резонатор 2, параметры которых выбраны из услови  ϕNС/L=√K/M, где K - коэффициент упругости согласующего элемента св зи:M - масса активного пьезоэлемента

C - скорость распространени  продольных звуковых волн в акустическом резонаторе

L - длина акустического резонатора

N = 1,2,3... Акустический элемент 10 св зи жестко скреплен контактными поверхност ми с обращенными друг к другу торцом резонатора 2 и рабочей поверхностью активного пьезоэлемента 1. При подаче напр жени  на активный пьезоэлемент, собственна  частота которого совпадает с частотой основной моды колебаний, излучаемый сигнал, усилива сь, подаетс  в акустический резонатор 2 через акустический элемент 10 св зи. 2 ил.

Description

СП

-U kl

ю/

/

/

/

t

Изобретение относитс  к приборостроению и может быть использовано в ультразвуковой дефектоскопии, медицинской акустике и акустоэлектронике.

Целью изобретени   вл етс  увеличение амплитуды генерируемых ультразвуковые импульсов в диапазоне частот до 1 МГц.

На фиг.1 схематично представлена конструкци  устройства дл  генерации ультразвуковых импульсов; на фиг.2 - распределение амплитуд колебаний в акустическом резонаторе и активном пьезоэлементе.

Устройство дл  генерации ультразвуковых импульсов содержит активный пьезоэлемент 1 стержневой акустический резонатор 2, акустически нагруженный на внешнюю среду 3 через управл ющий пьезоэлемент t, причем плоскость -активного пьезоэлемеита 1 ортогональна продольной оси акустического резонатора 2. При этом активный пьезоэлемент 1 может быть выполнен из монокристаллического или пьезокерамического материала и иметь форму пр моугольной или круглой пластины с провод щими электродами на боковых рабочих поверхност х. Управл ющий пьезоэлемент k электрически соединен с управл емой электрической нагрузкой 5 и входом делител  6 электрического напр жени , выход которого электрически соединен с входом фазосдвигающего устройства 7 Выход последнего электрически соединен с входом управл емого усилител  8 электрических сигналов, выход которого электрически соединен с провод щими электродами активного пьезоэлемента 1. Между активным пьезоэлементом 1 и акустическим резонатором 2 размещен согласующий акустический элемент 10 св зи, который может быть выполнен в виде трубки или сплошного стержн  с переменным или посто нным сечением по длине. При этом по форме сечение согласующего акустического элемента 10 св зи может быть произвольным, например круглым или пр моугольным. Одним своим концом согласующий акустический элемент 10 св зи жестко соединен с активным пьезоэлементом 1 в центре его геометрической симметрии,, а дру- гим - с акустическим резонатором 2 в точке пересечени  торцовой плоскости акустического резонатора 2 с его

продольной осью симметрии. Параметры активного.пьезоэлемента 1, акустического резонатора 2 и согласующего акустического элемента 10 св зи выбраны из услови 

Т

с |Г

П Tim

5

0

5

Q

5 0 5

0

0

5

где k - коэффициент упругости согласующего акустического элемента 10 св зи; m - масса активного пьезоэлеменva 1;

с - скорость распространени  продольных звуковых волн в акустическом резонаторе 2; L - длина акустического резонатора 2;

, 2, 3, ...

Устройство работает следующим об- .

В исходном положении добротность управл емой активно-индуктивной эле - трической нагрузки 5 управл ющего пьезоэлемента 4 устанавливают максимально возможной, причем одновременно путем подачи на шину 9 управлени  х управл ющего электрического сигнала открывают усилитель 8 электрических сигналов С помощью управл ющего пьеаоэлемента k преобразуют тепло вые шумы акустического резонатора 2 в электрический сигнал, который в виде высокочастотного электрического напр жени  снимают с управл емой активно-индуктивной электрической нагрузки 5 и подают его на вход делител  6 электрического напр жени . С помощью делител  6 электрического напр жени , фазосдвигающего устройства 7 и управл емого усилител  8 электрических сигналов путем последовательной обработки электрического сигнала указанными устройствами увеличивают амплитуду и формируют фазу электрического сигнала и с выхода управл емого усилител  8 электрических сигналов подают электрический сигнал на провод щие электроды активного пьезоэлемента 1. С помощью активного пьезоэлемента 1 преобразуют электрический сигнал в акустический и излучают его в акустический резонатор 2 через согласующий акустический элемент 10 св зи с амплитудой, превышающей первоначальный шумовой сигнал . При этом ультразвукова  волна почти полностью отражаетс  от управ

л ющего пьезоэлемента Ц, и в акустическом резонаторе за счет положительной обратной св зи идет процесс накоплени  акустической энергии, который про вл етс  в многократном увеличении амплитуды сто чей ультразвуковой волны в нем. При достижении амплитудой сто чей ультразвуковой волны в акустическом резонаторе 2 стационарного значени  резко уменьшают величину добротности управл емой активно-индуктивной электрическо нагрузки 5 ло минимального значени , причем одновременно путем подачи на шину 9 управлени  управл ющего электрического сигнала запирают управл емый усилитель электрических сигналов 8. При этом коэффициент прохождени  звука через управл ющий пьезоэлемент 1 возрастает до единицы . Накопленную в акустическом резонторе 2 энергию излучают во внешнюю среду 3 в виде пр моугольного ультразвукового импульса.

Приведенное математическое выражение  вл етс  условием возбуждени  колебаний акустического резонатора 2 с максимальной амплитудой при заданой величине силы F на границе между активным пьезоэлементом и согласующим акустическим элементом 10 св зи.

Максимум силы F достигаетс  дл  основной резонансной моды колебаний активного пьезоэлемента 1 в центре его геометрической симметрии, совпадающем с узлом колебаний активного пьезоэлемента 1 в своей плоскости. За счет коэффициента Пуассона колебани  активного пьезоэлемента 1 в его плоскости с амплитудой Ur (фиг.2 сопровождаютс  нормальными смещени ми активного пьезоэлемента 1 вдоль продольной оси акустического резонатора с амплитудой U0, причем пучность механических колебаний активного пьезоэлемента вдоль оси акустического резонатора 2 совпадает с узлом колебаний активного пьезоэлемента 1 в его плоскости. На фиг.2 также показано распределение механических смещений Up вдоль продольной оси в акустическом резонаторе 2. Нар ду с достижением максимальной возбуждающей силы F жесткое соединение согласующего акустического элемента 10 св зи одним концом с активным пьезоэлементом 1 в центре его геометрической симметрии, а другим концом

5

0

5

0

с акустическим резонатором 2 в точке пересечени  торцовой плоскости акустического резонатора 2 с его продольной осью симметрии позвол ет избежать возбуждени  паразитных мод колебаний, например изгибных, отсоса части акустической энергии в паразитные моды и снижени  амплитуды колебаний акустического резонатора 2 вдоль продольной оси.Кроме генерации ультразвуковых импульсов, предлагаемое устройство может быть также использовано дл  генерации радиоимпульсов. В последнем случае внешн   среда 3 отсутствует , а управл ющий пьезоэлемент k выполн ет роль пьезоэлектрического поглотител  ультразвука. При этом накопленна  в акустическом резонаторе 2 ультразвукова  энерги  преобразуетс  управл ющим пьезоэлементом 1 в электрическую энергию, котора  в виде радиоимпульса поглощаетс  на стадии генерации (режим накоплени  акустической энергии в акустичес- остаетс  неизмен- электрической нагком резонаторе 2 ным) управл емой рузкой 5.

(

5

5

0

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  генерации ультразвуковых импульсов, содержащее стержневой акустический резонатор, на торцах которого расположены управл ющий и активный пьезоэлементы в виде пластин с электродами на рабочих поверхност х, причем к электродам управл ющего пьезоэлемента подключена управл ема  нагрузка, а к электродам активного пьезоэлемента - усилитель , св занный с управл емой нагрузкой через последовательно соединенные фазосдвигающий блок и делитель напр жени , отличающийс  тем, что, с целью увеличени  амплитуды генерируемых импульсов в диапазоне частот до 1 мГц, между резонатором и активным пьезоэлементом расположен согласующий акустический элемент св зи, жестко скрепленный контактными поверхност ми с обращенными друг к другу торцом резонатора и рабочей поверхностью активного пьезоэлемента, собственна  частота которого совпадает с частотой основной моды колебаний, причем резона-

   акустический элемент пьезоэлемент распоих параметры выбраны

   гд

   с Г

   п Нш-

   Ь , 2, 3,

   Риг.2

   8

   - скорость распространени  продольных звуковых волн в акустическом резонаторе;

   - длина акустического резонатора;

   - коэффициент упругости согласующего акустического элемента св зи;

   - масса активного пьезоэлемента,