способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны

Классы МПК:B06B1/06 с использованием эффекта электрострикции или пьезоэлектрического эффекта
B06B3/02 с преобразованием амплитуд 
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Учреждение образования "Гомельский государственный университет им. Франциска Скорины" (BY)
Приоритеты:
подача заявки:
2005-02-22
публикация патента:

Изобретение относится к акустоэлектронике и ультразвуковой технике. Техническим результатом изобретения является возможность увеличения интенсивности прошедшей через звукопровод ультразвуковой (УЗ) волны. В управляемом звукопроводе 1, имеющем длину L s и выполненном из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости, проходит УЗ-волна с частотой способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0, сформированная преобразователем 4, взаимодействует с вращающимся вокруг ее направления распространения электрическим полем, возникающем в результате воздействия переменного электрического напряжения, подаваемого генератором 6 и фазовращателем 7 на пары электродов 2, 3, размещенные на звукопроводе 1. Частота вращения способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 поля совпадает с частотой волны способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 ( способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0). В результате резонансного взаимодействия циркулярной составляющей УЗ-волны, частота и направление вращения которой совпадают с частотой и направлением вращения электрического поля, напряженность которого превышает пороговое значение, возникает эффект подавления поглощения ультразвука, благодаря чему на выходе из звукопровода формируется эллиптически поляризованная УЗ-волна, интенсивность которой превышает интенсивность сформированной волны. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл. способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

Формула изобретения

1. Способ преобразования ультразвуковой волны, заключающийся в воздействии вращающегося электрического поля, поперечного направлению распространения ультразвуковой волны, на неполяризованную сегнетокерамику с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости при распространении в ней акустической волны, отличающийся тем, что частоту вращения и напряженность вращающегося электрического поля устанавливают в соответствии с равенством

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

а напряженность электрического поля должна превышать пороговое значение

E0>Eпор,

при этом

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

где

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 - частота вращения электрического поля;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 - частота ультразвуковой волны;

Е пор - пороговое значение напряженности вращающегося электрического поля;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 44 - компонента тензора вязкости;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 144, способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 155, - компоненты тензора, учитывающие электрострикционное воздействие поля Е на упругие постоянные среды;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 144, способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 155 - компоненты тензора, учитывающие электрострикционное воздействие поля Е на вязкость среды.

2. Устройство для преобразования ультразвуковой волны, содержащее управляемый звукопровод, выполненный из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости, на котором размещены напротив друг друга электрически изолированные пары электродов и преобразователь сдвиговой волны, фазовращатель, генератор переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты, выход которого соединен с входом фазовращателя и одними парами электродов, а выход фазовращателя соединен с другими парами электродов, отличающийся тем, что управляемый звукопровод имеет длину, соответствующую расчетной формуле

Ls=(способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 1-способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 2+2способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 s)/[k1(способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0- способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 )-k2(способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0- способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 )],

где Ls - длина управляемого звукопровода;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 1 и способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 2 - аргументы комплексных эллиптичностей;

параметр s принимает значения из множества целых чисел;

k1 и k2 - волновые числа собственных мод акустического поля;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 - частота ультразвуковой волны;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 - частота вращения электрического поля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к акустоэлектронике и ультразвуковой технике и может быть использовано при создании управляемых устройств в акустоэлектронике, а именно для усиления ультразвуковой волны.

Известны способ и устройство для усиления ультразвука в полупроводниках дрейфом носителей заряда, выполненное в виде преобразователя сдвиговой волны, размещенного на входной торцовой грани управляемого звукопровода, соединенного с активным кристаллом, обладающим хорошими пьезоэлектрическими свойствами и фотопроводимостью, на торцовые грани которого нанесены металлические электроды, и подверженного действию осветителя [1]. Проходящая по кристаллу ультразвуковая волна усиливается, если скорость дрейфа носителей заряда в направлении распространения волны превышает ее фазовую скорость.

Динамический диапазон усилителя ограничен уровнем шумов и нелинейными эффектами. Для создания оптимальной проводимости кристалла необходим подбор интенсивности и спектрального состава света от осветителя. Для предотвращения разрушения кристалла из-за перегрева постоянным током применяется импульсный режим работы усилителя. Однако импульсный режим работы, необходимость подбора освещения ограничивают возможные применения усилителей.

Наиболее близким изобретением по технической сущности к заявляемому является способ преобразования ультразвуковой волны, заключающийся в воздействии вращающегося электрического поля, поперечного направлению распространения ультразвуковой волны, на неполяризованную сегнетокерамику с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости при распространении в ней акустической волны [2].

При этом частота ультразвуковой волны и частота вращения электрического поля не должны быть равны.

Техническая сущность известного способа заключается в том, что если ультразвуковая волна распространяется в неполяризованной сегнетокерамике с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости и подвергается воздействию электрического поля, вращающегося поперечно направлению распространения ультразвуковой волны, то в зависимости от соотношения собственной частоты ультразвуковой волны, параметров сегнетокерамики, частоты вращения и напряженности электрического поля волна меняет свои параметры. Принимая во внимание эти зависимости, можно управлять параметрами ультразвуковой волны.

В известном способе при соблюдении условия, что частота линейно-поляризованной ультразвуковой волны и частота вращения электрического поля не должны быть равны, преобразование ультразвуковой волны заключается в изменении угла поворота плоскости ее поляризации.

Однако известный способ преобразования ультразвуковой волны не в полной мере учитывает взаимосвязь параметров и их влияние на другие характеристики ультразвуковой волны.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для преобразования ультразвуковой волны, содержащее выполненный из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости управляемый звукопровод, на котором размещены друг напротив друга электрически изолированные пары электродов и преобразователь сдвиговой волны, фазовращатель, генератор переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты, выход которого соединен с входом упомянутого фазовращателя и одной парой электродов, а выход фазовращателя соединен с другой парой электродов [2].

При этом известное устройство содержит обязательно две пары плоских электродов и фазовращатель со сдвигом фазы [2].

Известное устройство обеспечивает поворот плоскости поляризации ультразвуковой волны. Величина поворота плоскости поляризации пропорциональна длине звукопровода, которая выбирается произвольной.

В известном устройстве не учитывается влияние длины звукопровода на обеспечение наилучших условий интерференции собственных мод акустического поля.

Техническая задача, решаемая заявляемыми изобретениями, заключается в расширении технологических возможностей способа и устройства и обеспечении усиления ультразвуковой волны.

Технический результат, достигаемый при этом, выражается в возможности увеличения интенсивности прошедшей через звукопровод ультразвуковой волны относительно интенсивности падающей волны.

Согласно изобретению предлагаются способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, а именно для ее усиления.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в способе преобразования ультразвуковой волны, заключающемся в воздействии вращающегося электрического поля, поперечного направлению распространения ультразвуковой волны, на неполяризованную сегнетокерамику с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости при распространении в ней акустической волны, частоту вращения электрического поля устанавливают в соответствии с равенством

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

а напряженность электрического поля должна превышать пороговое значение

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

при этом пороговое значение напряженности электрического поля устанавливают в соответствии с выражением

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

где

Епор - пороговое значение напряженности вращающегося электрического поля;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 - частота вращения электрического поля;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 - частота ультразвуковой волны;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 44 - компонента тензора вязкости;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 144, способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 155, - компоненты тензора, учитывающие электрострикционное воздействие электрического поля на упругие постоянные среды;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 144, способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 155 - компоненты тензора, учитывающие электрострикционное воздействие электрического поля на вязкость среды.

Заявляемый способ реализуется с помощью устройства для преобразования ультразвуковой волны.

Достижение указанного технического результата достигается тем, что в устройстве для преобразования ультразуковой волны, содержащем управляемый звукопровод, выполненный из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости, на котором размещены друг напротив друга электрически изолированные пары электродов и преобразователь сдвиговой волны, фазовращатель, генератор переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты, выход которого соединен с входом фазовращателя и одними парами электродов, а выход фазовращателя соединен с другими парами электродов, управляемый звукопровод имеет длину, соответствующую расчетной формуле

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

где

Ls - длина управляемого звукопровода;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 1 и способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 2 - аргументы комплексных эллиптичностей;

параметр s принимает значения из множества целых чисел;

k1 и k2 - волновые числа собственных мод акустического поля;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 - частота ультразвуковой волны;

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 - частота вращения электрического поля.

В основу заявляемого способа положено явление подавления поглощения ультразвуковой волны. Суть явления в том, что в результате интерференции падающей акустической волны и обращенной акустической волны, генерируемой в сегнетокерамике вращающимся электрическим полем, образуется стоячая ультразвуковая волна, по отношению к которой вязкие свойства среды проявляются очень слабо. Вследствие такого подавления поглощения ультразвука имеет место гигантское усиление прошедшей и обращенной акустических волн как результат высокоэффективной передачи энергии вращающегося электрического поля ультразвуку.

Рассмотрим распространение ультразвуковой волны вдоль оси Z в электрическом поле с амплитудой Е и компонентами

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

вращающемся с частотой Q вокруг оси Z. Такое поле может быть создано путем подачи электрического потенциала со сдвигом фазы на систему параллельных металлических электродов, расположенных на поверхности сегнетокерамики. При этом сдвиг фазы определяется числом электродов и для случая двух пар электродов составляет способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 /2. Акустические свойства сегнетокерамики можно описать с помощью обобщенного закона Гука [3], учитывающего вязкость среды

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

Здесь способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 ik, способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 lm и ciklm - тензоры напряжений, деформаций и упругих постоянных; способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 iklm - тензор вязкости. Воздействие вращающегося электрического поля (5) может привести к существенному изменению акустических свойств кристалла, в результате чего распространение упругой волны с вектором смещения u будет описываться уравнением движения

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

Здесь способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 плотность среды, тензоры упругих постоянных способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 (t) и вязкости B(t) учитывают нестационарное воздействие внешнего электрического поля (5) и имеют следующий вид:

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

В выражениях (8) использованы обозначения [4, 5]:

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 и способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 - тензоры, учитывающие электрострикционное воздействие поля Е на упругие постоянные и вязкость среды:

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

- матрица поворота вокруг оси z на угол способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 = способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 t [6], тильда (˜) означает транспонирование, c х - антисимметричный тензор, дуальный вектору с.

Используя методику, предложенную в [7, 8], решения уравнения движения (5) будем искать в виде связанных между собой плоских монохроматических волн

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

имеющих одинаковые волновые числа k(способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 ), различные частоты способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 ± способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 и противоположные циркулярные поляризации, задаваемые векторами способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 , где а и b - орты лабораторной декартовой системы координат.

Упругие волны в кристалле с вращающейся структурой (10) существенно зависят от значения величины способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 , определяемой частотой и поляризацией падающей акустической волны. Рассмотрим случай, когда на границе кристалла при z=0 возбуждается циркулярно поляризованная ультразвуковая волна

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

вектор упругого смещения которой имеет такое же направление вращения с течением времени, как и внешнее электрическое поле. Вследствие непрерывности вектора упругого смещения на границе кристалла падающая волна возбуждает в кристалле в первую очередь волну с такими же поляризацией и частотой, описываемую вторым слагаемым в (10). Следовательно,

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0=способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 + способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 ,

и собственную акустическую моду кристалла (10) можно записать в виде

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

Рассмотрим случай

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0= способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 ,

когда падающая волна совпадает с внешним электрическим полем не только по направлению вращения, но и по частоте. Тогда

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

т.е. собственная мода кристалла состоит из двух связанных между собой циркулярно поляризованных волн, распространяющихся в противоположных направлениях и имеющих одинаковые частоты. Поскольку поляризация определяется в зависимости от направления распространения волны, то циркулярные составляющие собственной волны кристалла имеют фактически одинаковые поляризации.

Подставляя выражение (10) в уравнение (7) и учитывая явный вид тензоров (8), получаем следующую систему линейных однородных уравнений:

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

Приравнивая нулю определитель системы (11), находим волновые числа

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

k3,4(способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 )=-k2,1(способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 )

и отношения амплитуд циркулярных компонент

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

собственных мод (10) акустического поля.

В выражениях (15), (16) использованы следующие обозначения:

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

Величины способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 k характеризуют коэффициент связи между циркулярными волнами, образующими собственную моду акустического поля. В дальнейшем для краткости будем называть величины способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 k эллиптичностями собственных акустических мод. Основанием для использования такого термина является то обстоятельство, что величины способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 k действительно равны эллиптичностям собственных волн акустического поля, если рассматривать эти волны во вращающейся системе координат.

Перейдем во вращающуюся систему координат, сопровождающую поворот внешнего электрического поля (5) и подставим преобразованное для этой системы выражение (10) в уравнение (7), учитывая, что во вращающейся системе координат, в отличие от лабораторной, тензоры упругих постоянных и вязкости среды (8) не зависят от времени, что позволяет искать решения уравнения движения в виде плоских монохроматических волн

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

с частотой способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 ' и волновым числом k(способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 '). В лабораторной системе координат вектор смещения волны (17) имеет вид, аналогичный (10);

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

Рассмотрим случай, когда на границе кристалла при z=0 возбуждается циркулярно поляризованная акустическая волна (11), вектор упругого смещения которой имеет такое же направление вращения во времени, как и внешнее электрическое поле. Из условия непрерывности вектора u на границе следует способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0=способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 '+ способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 , т.е. способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 '=способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0- способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 . Если частота ультразвука способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 совпадает с частотой электрического поля способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 (случай резонансного взаимодействия), то выполняется соотношение способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 '=0, и собственные моды (17) акустического поля имеют вид стоячих волн.

Приравнивая нулю определитель полученной системы, находим выражения для волновых чисел собственных мод акустического поля:

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

Вращающееся электрическое поле может привести к значительному изменению акустических свойств кристалла с аномально высокой диэлектрической проницаемостью. Как следует из выражения (18), при возрастании анизотропии тензора упругих постоянных способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 и анизотропии тензора вязкости способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 , индуцированных электрическим полем, мнимые части волновых чисел монотонно убывают до нуля. Начиная с пороговых значений параметров способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 и способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 , определяемых условием

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

волновые числа (18) становятся действительными, и собственные моды акустического поля перестают затухать в кристалле. В соответствии с условием (19) пороговое значение напряженности вращающегося электрического поля выражается через параметры кристалла следующим образом:

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

Если частота ультразвука способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 отличается от частоты электрического поля способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 , то волновые числа (18) являются комплексными независимо от напряженности электрического поля. Как показывают численные оценки, при следующих значениях параметров, характерных для керамик на основе титаната бария с аномально высокой диэлектрической проницаемостью [9-11]:

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =1012 дин/см2, способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =-4,465·1010 дин/см2, способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =1000 ед. СГС,

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =50 ед. СГС, способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =5,7 г/см3, способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =107 рад/с,

выполнение порогового условия (17) достигается при напряженности электрического поля порядка нескольких кВ/см.

Решение граничной задачи позволяет определить значение нормированной интенсивности прошедшей волны

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

где

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

- амплитуда прошедшей волны,

u0 - амплитуда падающей волны (11)

способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785

Выражение для нормированной интенсивности прошедшей ультразвуковой волны (21) позволяет оценить возможность ее усиления.

Согласно предлагаемому способу ультразвуковую волну в виде пучка вводят в неполяризованную сегнетокерамику с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости. Сегнетокерамику при этом подвергают воздействию вращающегося электрического поля, поперечного направлению распространения ультразвуковой волны, другими словами, вектор напряженности поля направлен нормально к волновому вектору ультразвуковой волны. Напряженность Е 0 вращающегося электрического поля устанавливают в соответствии с расчетной формулой (2).

Частоту вращения способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 вращающегося электрического поля устанавливают равной частоте ультразвуковой волны способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 в соответствии с расчетной формулой (1).

В этом случае волновые числа (18) становятся действительными, собственные моды акустического поля перестают затухать в кристалле и интенсивность прошедшей через звукопровод ультразвуковой волны увеличивается относительно интенсивности падающей волны как результат высокоэффективной передачи энергии вращающегося электрического поля ультразвуку.

Примеры осуществления способа приведены в таблице 1.

Таблица 1
Частота вращающегося электрического поля способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 Частота волны способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0Напряженность электрического поля ЕЗначение нормированной интенсивности прошедшей волны Т
способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =107 рад/сспособ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0=107 рад/с Е0=4 кВ/см >E пор2
способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =107 рад/сспособ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0=107 рад/с E0=1 кВ/см <E пор0,62
способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =107 рад/сспособ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0=1,03·107 рад/сЕ0=4 кВ/см >Eпор0,9
способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =107 рад/сспособ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0=1,04·107 рад/сЕ0=4 кВ/см >Eпор0,8

Как следует из таблицы 1, усиление ультразвуковой волны возможно в случае, если напряженность электрического поля Е0 превышает пороговое значение и частота ультразвуковой волны способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 совпадает с частотой вращения электрического поля способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 .

Таким образом, в заявляемый способ потенциально заложены более широкий динамический диапазон и большие возможности управления параметрами ультразвуковой волны.

Устройство для реализации способа обеспечивает возможность осуществления операций способа и выбора необходимых параметров. Выполнение управляемого звукопровода с длиной Ls, соответствующей расчетной формуле (4), обеспечивает наилучшие условия интерференции собственных мод акустического поля и позволяет максимально усилить прошедшую волну относительно падающей.

На фиг.1 изображен акустоэлектрический узел устройства (вид сбоку), на фиг.2 - акустоэлектрический узел (вид спереди), на фиг.3 - электрическая схема устройства.

Устройство для усиления ультразвуковой волны содержит (см. фиг.1 и 2) управляемый звукопровод 1, имеющий длину Ls и изготовленный из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости, который может быть выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда, на противоположных гранях которого, параллельных оси звукопровода, установлены напротив друг друга пары электродов 2, 3, образующие соответственно первую и вторую пары. Количество пар электродов определяет сдвиг фазы и для случая двух пар электродов составляет способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 /2. На торцовой грани, перпендикулярной оси звукопровода, размещен преобразователь 4 сдвиговой волны. Управляемый звукопровод 1 с размещенными на нем парами электродов 2, 3 и преобразователем 4 составляют акустоэлектрический узел 5. Первая пара электродов 2 подсоединена через первый вход акустоэлектрического узла 5 к выходу генератора 6 переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты, а вторая пара электродов 3 подсоединена через второй вход акустоэлектрического узла 5 к выходу фазовращателя 7.

Соединение пар электродов 2, 3 с генератором 6 переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты и фазовращателем 7 осуществлено посредством коаксиальных кабелей, причем центральный проводник каждого кабеля соединен с одним электродом пары, а экранирующий - со вторым. Указанное взаимное расположение пар электродов 2, 3 на звукопроводе 1 и подсоединения их к фазовращателю 7 и генератору 6 переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты обеспечивают при работе устройства постоянство амплитуд и постоянство сдвига фаз электрических напряжений, подаваемых на пары электродов 2, 3. Выход генератора 6 переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты соединен со входом фазовращателя 7 первым входом акустоэлектрического узла 5, а выход фазовращателя 7 соединен со вторым входом акустоэлектрического узла 5 (см. фиг.3).

Для подготовки устройства к работе предварительно изготавливают звукопровод 1, при этом в зависимости от частоты ультразвуковой волны способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 его длина Ls должна быть равна значению, рассчитанному по формуле (4).

Устройство работает следующим образом.

Преобразователь 4 возбуждает сдвиговые линейно поляризованные с определенной ориентацией ультразвуковые волны с частотой способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 и направляет их в виде пучка в управляемый звукопровод 1 параллельно его оси. С помощью генератора 6 переменного электрического напряжения и фазовращателя 7 подают на пары электродов 2, 3 переменное электрическое напряжение, причем электрическое напряжение, подаваемое на первую пару электродов 2, отличается по фазе на способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 /2 от напряжения, подаваемого на вторую пару электродов 3 от фазовращателя 7. При этом в результате суперпозиции однородных взаимно перпендикулярных электрических полей, изменяющихся во времени по гармоническому закону с относительным сдвигом фаз способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 /2, внутри звукопровода 1 возникает вращающееся вокруг оси звукопровода 4 электрическое поле, вектор напряженности которого вращается с течением времени вокруг оси звукопровода 1 с частотой способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 . Частота способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 предварительно устанавливается на генераторе 6 переменного электрического напряжения так же, как и амплитуда переменного электрического напряжения. Вращающееся электрическое поле из-за эффекта электрострикции оказывает влияние на акустические свойства неполяризованной сегнетокерамики.

Линейно-поляризованную волну можно представить как сумму двух циркулярно-поляризованных, имеющих одинаковую амплитуду смещения и противоположные направления вращения. Циркулярная составляющая ультразвуковой волны, которая совпадает с внешним вращающимся электрическим полем по направлению вращения и по частоте, испытывает резонансное воздействие вращающегося электрического поля. Резонансное взаимодействие ультразвука с вращающимся электрическим полем для волны с противоположной циркулярной поляризацией не имеет места ни при каких частотах. В результате ультразвуковая волна на выходе из зоны действия вращающегося электрического поля, то есть на выходной грани управляемого звукопровода 1, является эллиптически поляризованной. В результате резонансного взаимодействия циркулярной составляющей ультразвуковой волны, частота способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 и направление вращения которой совпадают с частотой способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 и направлением вращения электрического поля Е0 , напряженность которого превышает пороговое значение Епор , возникает эффект подавления поглощения ультразвука, благодаря чему на выходе из звукопровода формируется эллиптически поляризованная ультразвуковая волна, интенсивность которой превышает интенсивность падающей волны.

Влияние значения длины Ls звукопровода на интенсивность прошедшей волны Т представлено в таблице 2.

Таблица 2
Частота волны способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0, частота вращающегося электрического поля способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 ( способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0)Длина звукопровода LsЗначение нормированной интенсивности прошедшей волны Т
107 рад/с3,5 см 0,51656·105
107 рад/с 9,52 см0,81177·106
107 рад/с 15,47 см0,17272·10 7

Такое гигантское усиление ультразвука является следствием подавления поглощения акустических волн во вращающемся электрическом поле и результатом интерференции собственных мод акустического поля.

Управление усилением можно также осуществлять путем отклонения частоты вращающегося электрического поля способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 от частоты волны способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 ( способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0).

Примеры представлены в таблице 3.

Таблица 3
Частота волны способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0, ·107 рад/сЧастота вращающегося электрического поля способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 , ·107 рад/с Длина звукопровода Ls, см Значение нормированной интенсивности прошедшей волны Т
1,0001,000 3,50,51656·105
1,0011,000 3,50,34983·10 3
1,002 1,0003,50,11251·10 3
1,003 1,0003,50,53171·10 2
1,004 1,0003,50,30712·10 2
1,005 1,0003,50,19995·10 2
1,006 1,0003,50,14088·10 2
1,007 1,0003,50,10499·10 2
1,008 1,0003,50,81597·10 1
1,009 1,0003,50,65530·10 1
1,010 1,0003,50,54032·10 1
1,011 1,0003,50,45531·10 1
1,012 1,0003,50,39078·10 1
1,013 1,0003,50,34070·10 1
1,014 1,0003,50,30112·10 1
1,015 1,0003,50,26936·10 1
1,016 1,0003,50,24354·10 1
1,017 1,0003,50,22232·10 1
1,018 1,0003,50,20472·10 1
1,019 1,0003,50,19001·10 1

Таким образом, заявляемый способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны обладают тремя степенями управления: условия регулировки усиления могут изменяться за счет совместного изменения частоты падающей волны способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 и частоты вращающегося электрического поля способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 ( способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 =способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0), за счет отклонения частоты вращающегося электрического поля способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 от частоты волны способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0 ( способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 способ и устройство для преобразования ультразвуковой волны, патент № 2288785 0), за счет изменения длины звукопровода L.

Источники информации

1. Ультразвук / Гл. ред. И.П.Голямина. Москва: Советская энциклопедия, 1979. С.355-360.

2. Патент РФ №2123895, опубл. 1998 (прототип).

3. Гуревич В.Л. Кинетика фононных систем. Москва, 1980. 400 с.

4. Белый В.Н., Севрук Б.Б. Управление поляризацией упругих волн электрическим полем, создающим спиральную анизотропию // Акуст. журн. 1983. Т.29, №2. С.157-161.

5. Белый В.Н., Севрук Б.Б. Параметрическое взаимодействие циркулярно поляризованных электромагнитных и акустических волн в кристаллах с электрострикционной нелинейностью // Сб.: Ковариантные методы в теоретической физике. Минск, 1986. С.132-141.

6. Федоров Ф.И. Теория гиротропии. Минск: Наука и техника, 1976. 456 с.

7. Семченко И.В., Сердюков А.Н. Распространение света в среде с вращающейся холестерической структурой анизотропии // Журнал прикладной спектроскопии, 1984. Т.41, №5. С.827-830.

8. Белый В.Н., Севрук Б.Б. Параметрические электроакустические эффекты в кристаллах с индуцированной внешним электрическим полем, вращающейся акустической анизотропией // Журнал технической физики, 1987. Т.57, №2. С.336-340.

9. Пекар С.И., Демиденко А.А., Здебский А.П. и др. Исследование электрострикционных констант первого и второго порядка в веществах с большой диэлектрической проницаемостью // Докл. АН СССР. Сер. Физ. 1976. Т.230, №5. С.1089-1091.

10. Жабитенко Н.К., Кучеров И.Я. Исследование влияния электрического поля на скорость распространения упругих волн в изотропных твердых телах // Укр. физ. журн., 1978. Т.23, №2. С.263-266.

11. Влияние постоянного электрического поля на распространение поверхностных акустических волн в пьезокерамике системы ЦТС / Под ред. А.Н.Рыбянец, А.В.Турик, Н.В.Дорохова, Е.С.Мирошниченко // Журнал технической физики. 1986. Т.56, №12. С.2371-2375.

Класс B06B1/06 с использованием эффекта электрострикции или пьезоэлектрического эффекта

ультразвуковая колебательная система -  патент 2473400 (27.01.2013)
генератор для пьезоэлектрического преобразователя -  патент 2473154 (20.01.2013)
ультразвуковая колебательная система -  патент 2471571 (10.01.2013)
симметричные и предпочтительно отклоняемые случайные решетки для ультразвуковой терапии -  патент 2468840 (10.12.2012)
ультразвуковая колебательная система -  патент 2465071 (27.10.2012)
устройство для ультразвуковой трехмерной визуализации и терапии -  патент 2462997 (10.10.2012)
ультразвуковой пьезокерамический преобразователь -  патент 2452586 (10.06.2012)
ультразвуковой пьезокерамический преобразователь -  патент 2448782 (27.04.2012)
ультразвуковой датчик -  патент 2423076 (10.07.2011)
ультразвуковой обрабатывающий инструмент для деформационного упрочнения и релаксационной обработки -  патент 2409461 (20.01.2011)

Класс B06B3/02 с преобразованием амплитуд 

Наверх