пьезоэлектрический преобразователь ультразвукового диагностического зонда

Формула изобретения

Пьезоэлектрический преобразователь ультразвукового диагностического зонда, содержащий акустически изолированную втулку, размещенную в ней со стороны одного торца пьезокерамическую пластину и контактирующий с последней демпфирующий материал, расположенный внутри акустически изолирующей втулки на основе эпоксидной смолы, отличающийся тем, что акустически изолирующая втулка выполнена из кремнийорганического каучука с оксидом цинка с наполнителем в виде полых микросфер, а композиционный материал расположен в три слоя, при этом первый слой толщиной h₁, прилегающий к пьезокерамической пластине, содержит в качестве наполнителя порошок вольфрама зернистостью 40 80 мкм, второй слой толщиной h₂, промежуточный, содержит в качестве наполнителя порошок электрокорунда зернистостью 400 1000 мкм и третий слой толщиной h₃ содержит в качестве наполнителя полые микросферы диаметром 50 100 мкм, а толщины слоев соотносятся как h₁ h₂ h₃ 1 1,5 2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике ультразвуковой диагностики, в частности к пьезоэлектрическим преобразователям для медицинских одномерных зондов (эхоэнцефалоскопических, эхоофтальмоскопических).

Известна демпфирующая масса для ультразвуковых искательных головок, включающая в качестве связующего эпоксидную смолу, а в качестве наполнителя

вольфрам в порошке и свинцовый сурик [1]

Недостатком этой массы является малый коэффициент поглощения энергии ультразвуковых волн, что вызывает увеличение метровой зоны ультразвуковых зондов вследствие увеличения длительности колебаний пьезокерамической пластинки за счет многочисленных донных импульсов.

Известна демпфирующая масса для ультразвуковых преобразователей, состоящая из вольфрама и компаунда, причем в состав компаунда входят галлий, олово и никель [2]

Недостатком этой массы является невысокий коэффициент поглощения ультразвука, в особенности на относительно низких частотах. Другим недостатком является низкая разрешающая способность такого пьезоэлектрического преобразователя, вследствие жесткой установки керамической пластины.

Известна демпфирующая масса для ультразвуковых искательных головок, содержащая вместе с эпоксидной смолой, полиэфиром и полиэтиленполиамином также наполнитель в виде пьезокерамического порошка [3]

Недостатком этой массы является высокая дисперсность наполнителя - пьезокерамического порошка. Размеры частичек такого порошка не превышает 3-5 мкм, что приводит к недостаточной способности данной массы к поглощению ультразвука, поскольку коэффициент поглощения ультразвука в композиционном материале возрастает пропорционально 6-ой степени размера частичек наполнителя.

Известен материал демпфера ультразвукового преобразователя, состоящий из эпоксидной смолы, диоктилфталата, полиэтиленполиамида со стиролом и наполнителя в виде резиновой крошки с размером частиц 0,1-1,8 мм [4]

Недостатком этого материала является невысокое значение акустического импеданса, не согласующегося с акустическим импедансом пьезокерамической пластины. В результате продолжительность переходного процесса в пьезокерамической пластине увеличивается, что приводит к увеличению метровой зоны ультразвукового зонда.

Наиболее близкими к изобретению по технической сущности являются пьезоэлектрические преобразователи, демпферы которых изготовлены с переменными по длине акустическими свойствами: максимальным характеристическим импедансом вблизи пьезоэлемента, малый коэффициент отражения, и минимальной скоростью звука и плотностью в противоположном конце демпфера. При этом для плавности изменения свойств массу компаунд-наполнитель в процессе отверждения подвергают вибрационной обработке. В результате, более тяжелые частицы наполнителя опускаются вниз, к поверхности, которая в дальнейшем приклеивается к пьезопластинке. Характеристический импеданс массы в максимуме достигает (12 18) 10⁶ Hс/м³ [5]

Недостатками данных демпферов являются:

относительно невысокая в максимуме величина характеристического акустического импеданса;

низкое значение коэффициента затухания ультразвуковых колебаний (УЗК);

ухудшение характеристик акустического контакта между демпфером и пьезокерамической пластиной вследствие необходимости наклеивания демпфера;

снижение технологичности конструкции вследствие наличия дополнительных сборочных операций установка и герметизация пьезокерамической пластинки вместе с демпфером во втулке акустической развязки зонда.

Техническим результатом изобретения является повышение импеданса, коэффициент затухания и технологичности конструкции.

Он достигается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе УЗК диагностического зонда, содержащем акустически изолированную втулку, размещенную в ней со стороны одного торца пьезокерамическую пластину и контактирующий с последней демпфирующий материал, расположенный внутри акустически изолирующей втулки и представляющей собой композиционный материал на основе эпоксидной смолы, она выполнена из кремнийорганического каучука с оксидом цинка с наполнителем в виде полых микросфер, а композиционный материал расположен в три слоя, первый слой толщиной h1, прилегающий к пьезокерамической пластине, содержит в качестве наполнителя порошок вольфрама зернистостью 40-80 мкм, второй слой толщиной h2, промежуточный, содержит в качестве наполнителя электрокорунд зернистостью 400-1000 мкм, и третий слой толщиной h3, содержит в качестве наполнителя полые микросферы диаметром 50-100 мкм, а толщина слоев соотносится как: h1:h2:h3=1:1,5:2.

Сочетание признаков является фактором, качественно изменяющим механизм работы пьезоэлектрического преобразователя. Этот механизм заключается в том, что собственно демпфер имеет структуру, обеспечивающую перевод энергии УЗ волны от пьезоэлектрической пластинки во втулку акустической развязки, которая изготовлена из материала, имеющего чрезвычайно высокий коэффициент затухания УЗК до 50 дБ/мм на частоте f=0,88 МГц. Кроме того, демпфер обладает способностью поглощать УЗК, достаточной для того, чтобы погасить волну, отраженную от границы раздела демпфер-втулка акустической развязки.

Такой механизм работы пьезоэлектрического преобразователя в корне отличается от известного, при котором затухание УЗК обеспечивается за счет максимального поглощения энергии ультразвуковой волны собственно в демпфере.

Для протекания процесса затухания УЗК, реализованного в предлагаемом пьезоэлектрическом преобразователе, необходимо следующее.

1. Минимальность различий в акустических импедансах между выходным концом демпфера и втулкой акустической развязки при приближении этой величины к акустическому импедансу воздуха. Последнее обстоятельства значимо в связи с тем, что между демпфером и втулкой акустической развязки при изготовлении ПЭП возможно возникновение воздушных зазоров, отрицательное влияние которых на параметры ПЭП следует минимизировать. Акустические импедансы материалов втулки и композиционного материала, представляющего собой связанные эпоксидной смолой микросферы при плотной их упаковке составляют соответственно 0,6Рл 610⁵ кг/м³с и 0,8 Рл при акустическом импедансе воздуха 410²кг/м³с.

2. Оптимальность структуры и состава композиционного материала демпфера, сочетающего минимальность количества применяемых ингредиентов с плавным изменением акустического импеданса от 28 Pл со стороны демпфера, прилегающей к пьезокерамической пластинке, до 0,6 Pл со стороны демпфера, прилегающей к стенке втулки акустической развязки. Такое сочетание обеспечивается применением в качестве наполнителя смеси порошков вольфрама, электрокорунда и полых стеклянных микрофсер.

3. Максимальность поглощения ультразвука на относительно низких частотах (f=0,88 МГц) композиционного материала, представляющего собой связанные эпоксидные смолы плотно упакованные частицы порошка вольфрама, белого электрокорунда и полых корундовых микросфер. Максимальности поглощения УЗК в этих условиях добиваться за счет применения определенного количества соотношений между компонентами в сочетании с оптимальными размерами частиц каждой из компонент. При этом основной механизм поглощения УЗК в демпфере - это диссипация энергии, имеющая место при взаимном трении друг об друга частичек наполнителя, а также их поперечного смещения в процессе прохождения по демпферу продольной ультразвуковой волны.

Следовательно, проявляется новое свойство гашение основной частицы энергии ультразвуковой волны сильно поглощающем материале акустической развязки при полном поглощении энергии данного сигнала в демпфере.

Втулка акустической развязки из материалов, связанных герметиком ВИКСИНТ полых микросфер обеспечивает проявление сверхэффекта при ее применении в сочетании с контактирующим с ней участком демпфера, содержащим стеклянные микросферы и эпоксидное связующее.

Направление вибрации по вертикали обеспечивает также следующий сверхэффект. В обычных условиях связать микросферы в цельный композиционный материал можно при концентрации в нем эпоксидной смолы не менее 15-20% по массе. При этом достигается плотность материала 0,4-0,5 г/см³. Наличие вибрации позволяет за счет удаления эпоксидной смолы из зазоров между частицами микросферами иметь смачивание их тонким слоем и сцепление при минимальном количестве связующего менее 10% Такой механизм позволяет довести плотность композиционного материала до 0,3-0,35 г/см³ при условии предварительного удаления из исходного порошка мелких микросфер. - размером до 50 мкм. С другой стороны, движение вверх под действием силы Архимеда крупных микросфер затруднено за счет их сцепления с частицами других наполнителей. Поэтому предварительным рассевом на ситах следует выделить из исходного порошка микросферы фракцию частиц размером 50-100 мкм.

Сходный сверхэффект проявляется при применении оптимальной зернистости порошка вольфрама. Движение крупных частиц вольфрама вниз под действием силы тяжести затруднено вследствие их сцепления с частицами других наполнителей. В то же время, наиболее мелкие частицы вольфрама, где движение в зазорах между крупными частицами других наполнителей облегченно наличием поля накладываемой на находящуюся в жидком состоянии массу вибрации, создают на поверхности пьезокерамической пластинки плотно упакованный слой с минимальными зазорами между частицами и соответственно высокой плотностью. Акустический импеданс такого слоя превышает акустический импеданс пьезокерамической пластинки, что приводит к ухудшению работы зонда увеличение мертвой зоны за счет повышения длительности переходного процесса в пьезокерамической пластинке. Для исключения возможности образования такого слоя, следует из исходного порошка вольфрама удалить наиболее мелкие частицы. Таким образом, в состав шликера для получения демпфера следует вводить вольфрамовый порошок, имеющий оптимальную зернистость 40-80 мкм.

Описанные выше явления, протекающие при разделении смеси наполнителей, определяют наличие оптимального диапазона размеров зерен электрокорунда. Эти зерна должны быть достаточно крупными 400 мкм. чтобы зазоры между ними не препятствовали проходить вниз частичкам вольфрама размером 40-80 мкм и вверх микросферам с размерами 50-100 мкм. Однако применение порошка электрокорунда зернистостью 1000 мкм приводит к образованию резких границ раздела сред электрокорунд-микросфера, что приводит к появлению дополнительных отражений и, как следствие, к поддержанию колебаний пьезокерамической пластинки, т.е. к увеличению мертвой зоны зонда.

Минимальность толщины демпфера обеспечивается созданием оптимального количественного отношения между компонентами наполнителя. Для демпфера циклической формы соотношение компонент по массе, определяемое как 60-65% вольфрама, 20-25% электрокорунда и 3,7-3,9% микросфер равносильно соотношению толщин соответствующих слоев в пропорции 1:1,5:2. В этой же пропорции соотносятся и коэффициенты затухания ультразвука образующихся композиционных материалов.

Уменьшение содержания порошков вольфрама ниже 60% и микросфер ниже 3,7% приводит к возникновению резких границ перехода вольфрам электрокорунд и электрокорунд микросферы. Характер отрицательного влияния таких границ описан выше.

Уменьшение содержания из электрокорунда ниже 20% приводит к образованию прослойки из ненаполненного связующего эпоксидной смолы, обладающей малым коэффициентом затухания в ней ультразвуковой волны, что приводит к резкому общему ухудшению поглощающих свойств демпфера в целом.

К общему снижению поглощения ультразвука в демпфере в целом приводит также повышение содержания по массе в материале демпфера вольфрама свыше 65% и электрокорунда свыше 25%

Повышение содержания микросфер в материале демпфера свыше 3,9% по массе приводит к тому, что излишнее количество микросфер задерживается в слоях, содержащих электрокорунд и вольфрам. Наличие в этих слоях излишка микросфер приводит к уменьшению акустического импеданса слоев и, следовательно, к нарушению акустического согласования между пьезокерамической пластиной и демпфером.

В качестве примера приводится составы демпферов с диапазонами изменения содержания компонент и наполнителя по массе: вольфрама 50-70% электрокорунда 10-30% микросфер 3,5-4% при диапазонах изменения размеров частиц: вольфрама 40-120 мкм, электрокорунда 10-30 мкм, микросфер 40-120 мкм.

Изобретение поясняется чертежом.

Пьезоэлектрический преобразователь состоит из пьезокерамической пластины 1, втулки акустической развязки, образованной кольцом 2 и вкладышем 3, а также демпфера, образованного заливкой в полость, образованную пьезокерамической пластиной и втулкой акустической развязки, эпоксидной смолы с наполнителем. В состав наполнителя для материала демпфера полые стеклянные микросферы 4, частички порошков электрокорунда 5 и вольфрама 6. В процессе отверждения эпоксидной смолы пьезоэлектрический преобразователь подвергают вибрационному воздействию, благодаря чему происходит расслаивание наполнителя: частички вольфрама опускаются вниз до контакта с тыльной поверхностью пьезокерамической пластины, а полые микросферы поднимаются вверх до контакта со втулкой акустической развязки. Исключение усадочной и газовой поритости достигается тем, что вкладыш 3 в процессе отверждения смолы надавливают на полимеризующуюся массу с выходом ее части в выпор-отверстие 7, через которое проходит провод 8 коммутации пьезокерамической пластинки.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче на пьезокерамическую пластину импульса электрического напряжения возникает упругая волна, которая движется в толще демпфера от тыльной стороны пьезокерамической пластинки к торцу вкладыша 3. Благодаря тому, что в тонком поверхностном слое демпфера, контактирующие с пьезокерамической пластинкой, обеспечен акустический импеданс пьезокерамики, в демпфер уходит большая часть энергии, накопленной в пьезокерамической пластинке, а продолжительность колебания самой пластинки таким образом минимизируется.

Достигая торца вкладыша 3, энергия ультразвуковой волны ослабляется на величину:

= 3h_w+4,5h_ЭБ+6h_МС (дБ),

где h_w, h_эв, h_мс толщины слоев демпфера, наполненных соответственно порошками, электрокорунда и микросфер.

При отражении этой волны от плоскости раздела сред демпфер-вкладыш происходит ее ослабление первоначальной энергии УЗ волны еще на 20 дБ. Таким образом, общее ослабление первоначальной энергии УЗ-волны составляет порядка 60 дБ, т. е. обратно к пьезокерамической пластине эта волна практически не доходит.

Использование пьезокерамического преобразователя в составе зонда на частоту 0,88 МГц одномерного эхо-энцефалоскопа ЭЭС-12.