РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ

XIХ Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
Секция 2: Приборостроение
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ
ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК*
Ходыревская Ю.И., Квасников К.Г.
Научный руководитель: Болотина И.О., к.т.н, доцент
Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30
E-mail: [email protected]
Все большее количество отраслей промышленности, требующих для диагностики своих продуктов современных средств неразрушающего
контроля, стремится к постоянному улучшению
производительности контроля.
Основой любой ультразвуковой системы (промышленной или медицинской) является преобразователь, который излучает или принимает ультразвуковые волны и преобразует полученную акустическую информацию в электрические сигналы.
После специальных методов обработки электрических сигналов на экране монитора можно увидеть визуализируемые изображения объектов контроля [1].
Пьезокерамические преобразователи, применяемые в различных областях, имеют различную
конструкцию, форму и структуру рабочей поверхности: от простейших плоских одноэлементных
преобразователей до сложных многоэлементных
антенных решеток.
Фазированные антенные решетки (ФАР) содержат от 16 до 256 отдельных элементов, каждый
из которых является независимо управляемым.
Основным преимуществом ФАР по сравнению
с одиночными преобразователями является их
способность направлять и фокусировать ультразвуковой луч в любой точке в пределах зоны контроля, которая зависит от свойств преобразователя, таких как размер отдельных элементов, активной апертуры, геометрическими формами преобразователей [2].
Для технической реализации таких решеток
необходимо разделять апертуру датчика, чтобы
обеспечить устранение дополнительных шумов.
Элементы массива с характеристиками точечных
источников имеют небольшие размеры – порядка
(λ/2 х λ/2). Таким образом, их мощность слишком
мала для эффективной передачи и приема ультразвука, в случае использования пьезоэлектрического материала. Такие датчики уже не могут удовлетворить все возрастающие требования производителей по скорости и достоверности контроля.
В связи с этим, целью исследования является
разработка новой конструкции линейной ультразвуковой фазированной решетки с эффективными
точечными элементами.
Известно [3], что физика работы ФАР основана
на принципах волновой физики. Изменяется время
между серией исходящих ультразвуковых импульсов таким образом, что отдельные волновые
фронты, созданные каждым элементом решетки,
сочетаются друг с другом и позволяют эффективно управлять и формировать звуковой луч.
Импульсный генератор создает короткий импульс или серию импульсов с известной амплитудой и длительностью, которые производят физические колебания в датчике. Они распространяются в любой соседней среде в виде акустических
волн. Генераторы импульсов, как правило, разработаны с возможностью изменения амплитуды в
режиме реального времени, чтобы была возможность повлиять на уровень итогового сигнала в
электронном блоке системы контроля [4].
Формирование луча относится к процессу регулировки задержки в электрических сигналах
между отдельными элементами массива для того,
чтобы сфокусировать акустический луч на заданной глубине и в определенной точке зоны контроля (рис. 1). Для достижения этой цели, сигналы
должны быть отрегулированы как в ходе передачи, так и во время приема сигнала.
Рис. 1. Распространение сигнала в фазированных
решетках: а) без задержки импульсов,
б) с задержкой импульсов.
Существует три эффективных технических
способа создания точечных источников фазированной решетки: укладка пьезослоев с помощью
склеивания, обратное фокусирование с помощью
линзы и спекание пьезослоев. Последний способ
требует достаточно больших финасовых вложений
в технологию производства. При склеивании слоев элементы могут располагаться без необходимости свободного пространства между двумя соседними элементами, в то время как точечные источники, созданные на основе линзы, нуждаются в
расстоянии между ними около двух длин волн.
204
XIХ Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
Секция 2: Приборостроение
На рис. 2 показана структура с электрическими
соединениями. Пьезоструктура состоит из трех
отдельных слоев, частота которых в три раза выше, чем частота всей структуры. Таким образом,
толщина одного слоя примерно в три раза меньше.
В качестве грубой оценки можно ожидать увеличение мощности в 9 раз. Эта оценка является основной идеей для укладки трех пьезоэлектрических слоев [5].
Для этого были использованы два сплава – Вуда и
Розе.
В итоге был получен опытный образец ультразвуковой ФАР, состоящей из 8 элементов. Однако
при исследовании колебательных характеристик
такой решет все элементы имели довольно большой разброс значений по амплитудам колебаний
(см. рис. 4).
Рис. 2. Схема укладки пьезослоев.
Пьезоэлектрические элементы, образующие
структуру ФАР, должны обладать высокими колебательными свойствами. Колебательные характеристики и чувствительность пьезоэлементов
должны быть одинаковыми в ограниченной области. Риск недостаточного обеспечения производительности решетки требует автоматической
шлифовки пьезокерамики. На рис. 3 показаны результаты исследований колебательных характеристик при ручной и автоматической шлифовки
пьезоструктур.
Рис. 4. Осциллограммы напряжений отдельных
элементов решетки при приеме УЗ сигнала.
Таким образом, в результате проведенных исследований можно сделать вывод о том, что предложенная технология изготовления конструкции
ФАР имеет существенные недостатки. В дальнейшем планируется улучшение предложенной
технологии путем применения автоматических
средств для резки и пайки пьезоструктур.
Список литературы:
1. L. Lay, H. Susan. Design and manufacture of a
high-frequency annular array ultrasound system for
medical imaging. Kingston, Ontario, Canada: Queen's
University, 2011. – 158 р.
2. Y.-F. Chang, C.-C. Chern. Frequencywavenumber migration of ultrasonic data. Taiwan:
Journal of Nondestructive Evaluation, 2006. – 25 p.
3. T. Nelligan, D. Kass. Introduction to phased array. [Electronic resource]. Olympus. Access mode:
http://www.olympus-ims.com/ru/ultrasonics/intro-topa/.
4. C. Krebs, C. Odwin, A. Fleischer. Appleton
&Lange’s review for the ultrasonography examination: McGraw-Hill Prof., 2004. - 672 p.
5. M. Kroening Linear sparse Aarays – design and
technology, Technical report, 2012. – 13 p.
*
Работа выполнена по гос. заданию «Наука», тема
№ 0.1146.2013.
Рис. 3. Колебательные характеристики пьезоструктуры при ручной
и автоматической шлифовке.
Для разрезания пьезокерамических пластин
были выбраны 2 способа: с помощью пилы и лазера. Работоспособность изготовленой конструкции
преобразователя исследовалась на прием и передачу сигнала в воде. Полученные осциллограммы
представлены на графиках на рис. 4 . Результаты
показали, что резка лазером дает лучшую чувствительность по приему и передаче сигнала пластиной.
Следующим шагом в процессе изготовления
новой конструкции ФАР являлась пайка пластин.
205