Ультразвукова п’єзоелектрична антенна ґратка

1. Ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, яка містить демпфуючу основу (2) та множину п'єзоелектричних перетворювачів для прийому та випромінювання акустичних хвиль, що встановлені на демпфуючій основі (2), кожний з яких розділений на ряд індивідуальних елементів (1), встановлений на демпфуючій основі (2) та має шар (4) п'єзоелектричного матеріалу, на верхню і нижню поверхні якого нанесені шари (3 і 5) електропровідного матеріалу, яка відрізняється тим, що кожний індивідуальний елемент (1) додатково містить металеву армуючу плівку (6), нанесену на поверхню демпфуючої основи (2), причому демпфуюча основа (2) містить армуючий компонент, концентрація якого розподілена рівномірно вздовж поверхні демпфуючої основи (2), на яку нанесена металева армуюча плівка (6), та зменшується при віддаленні від цієї поверхні. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що металева армуюча плівка (6) за допомогою припою приєднується до шару (5) електропровідного матеріалу, що нанесений на нижню поверхню шару (4) п'єзоелектричного матеріалу. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що кожний індивідуальний елемент (1) має ширину, 2 (19) 1 3 96851 4 10. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що індивідуальні елементи (1), з яких складається кожний п'єзоелектричний перетворювач, електри чно з'єднані між собою і встановлені через проміжки (8), ширина яких постійна або змінна вздовж їх висоти. Даний винахід належить до галузі ультразвукових п'єзоелектричних перетворювачів, а саме до ультразвукових п'єзоелектричних антенних ґраток, і може використовуватися як приймальновипромінюючий пристрій в складі ультразвукових пристроїв і систем для неруйнівного контролю та медичної діагностики. Звичайна ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка являє собою набір п'єзоелектричних перетворювальних елементів, розташованих, як правило, на пласкій поверхні демпфуючої основи, які при подаванні імпульсних електричних сигналів випромінюють акустичний сигнал в напрямку цілі та приймають відбитий акустичний сигнал від опроміненої цілі з того ж напряму. Змінюючи фазовий зсув імпульсних електричних сигналів, що подаються на п'єзоелектричні перетворювальні елементи, можна здійснювати керування спрямованістю, формою та енергією ультразвукового променя, тобто сканувати та фокусувати на заданій глибині у об'єкті контролю. При формуванні випромінювального акустичного сигналу п'єзоелектричні перетворювальні елементи антенної ґратки здійснюють коливання декількох мод (типів). Корисними для формування заданого акустичного сигналу є коливання по товщині. Інші моди коливань є побічними та викликають формування паразитних акустичних хвиль, які є дуже шкідливими, оскільки спотворюють випромінювальні акустичні сигнали та створюють завади відбитим від опроміненої цілі акустичним сигналам, що приймаються. Це призводить до суттєвого зниження роздільної здатності ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки. Одна з побічних мод коливань, що викликає паразитні акустичні хвилі, може бути описана шляхом проведення аналогії між перетворювальним п'єзоелектричним елементом та гармонійним осцилятором у вигляді вантажу на пружині. Така мода коливань отримала назву мода "маса-пружина". Аналогія з вантажем на пружині припускає, що перетворювальний п'єзоелектричний елемент являє собою "вантаж", закріплений на демпфуючій основі, що виражена в вигляді "пружини". Вся кінетична енергія міститься в "вантажі", а вся потенційна енергія пружного деформованого тіла зосереджена в "пружині". Тобто припускається, що можливе мізерно мале переміщення демпфуючої основи під п'єзоелектричним елементом. Основа являє собою досить прочну масивну опору для перетворювального п'єзоелектричного елемента у порівнянні з мізерно малим навантаженням на верхню поверхню елемента. Отже, електрична напруга, що прикладена до перетворювального п'єзоелектричного елемента, викличе переміщення верхньої поверхні елемента, в той час, як нижня поверхня, приєднана до демпфуючої основи, залишиться практично нерухомою. Таким чином, у запропонованій моделі має місце деяке результуюче переміщення перетворювального п'єзоелектричного елемента, що збуджує коливання моди "маса-пружина", яка, в свою чергу, викликає формування паразитних акустичних хвиль, що випромінює ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка. Відома ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка [патент США № 4240003, H01L 41/08, 16 грудня 1980 р.], в якій здійснюється пригнічення паразитних акустичних хвиль, що викликані коливаннями моди "маса-пружина", завдяки включенню до складу кожного з множини перетворювальних п'єзоелектричних елементів, що прикріплені до поверхні основи ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки, пристрою для пригнічення паразитних акустичних хвиль, що викликані коливаннями моди "маса-пружина". При цьому кожний перетворювальний п'єзоелектричний елемент, до складу якого входить пристрій пригнічення, має у складі перший шар п'єзоелектричного матеріалу, прикріплений до основи ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки, перший шар електропровідного матеріалу, що прикріплений до першого шару п'єзоелектричного матеріалу, а також додатковий шар п'єзоелектричного матеріалу, прикріплений до першого шару електропровідного матеріалу, і додатковий шар електропровідного матеріалу, прикріплений до додаткового шару п'єзоелектричного матеріалу. Причому додатковий шар п'єзоелектричного матеріалу електрично з'єднаний з першим шаром п'єзоелектричного матеріалу таким чином, що напруга на них подається одночасно. Вказані додаткові шари п'єзоелектричного та електропровідного матеріалу складають пристрій для пригнічення паразитних акустичних хвиль, що викликані коливаннями моди "маса-пружина". Принцип пригнічення оснований на компенсації коливань моди "маса-пружина" завдяки тому, що типова антенна ґратка, яка має один шар п'єзоелектричного матеріалу, на базі якого виконаний перетворювальний п'єзоелектричний елемент, розширюється, якщо прикладена електрична напруга відповідної полярності, та звужується, якщо прикладена електрична напруга протилежної полярності. В цьому випадку, відбувається зсув центру інерції коливань п'єзоелектричного елемента відносно верхньої поверхні основи та збуджуються коливання моди "маса-пружина". В описаній ультразвуковій п'єзоелектричній антенній ґратці кожен перетворювальний п'єзоелектричний елемент має у своєму складі два шари п'єзоелектричного матеріалу, які з'єднані між собою так, що їх вектори поляризації направлені відповідним чином, тобто при подаванні електричних напруг на ці, відповідно поляризовані шари, один шар розширюється, в той час, як інший звужується. 5 Якщо розширення одного шару п'єзоелектричного матеріалу приблизно дорівнює звуженню іншого шару такого матеріалу, то центр інерції залишається нерухомим і, відповідно, коливання моди "маса-пружина" стають скомпенсованими. Однак, конструкція описаної ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки, забезпечуючи пригнічення паразитних акустичних хвиль, що викликані коливаннями моди "маса-пружина", не дозволяє ефективно впливати на інший тип паразитних акустичних хвиль, що випромінюються п'єзоелектричними антенними ґратками, що обумовлений поперечними модами коливань п'єзоелектричних перетворювальних елементів. Такі паразитні акустичні хвилі, спотворюючи генеровані сигнали та створюючи вагомі завади при прийманні відбитих сигналів, мають суттєвий негативний вплив на роздільну здатність ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки. Відома ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка [патент США № 4254661, G01N 29/04, 10 березня 1981 p.], що має у своєму складі демпфуючу основу та розташовані на ній п'єзоелектричні перетворювальні елементи з додатковим діленням на ряд індивідуальних перетворювальних елементів, кожний з яких має постійну вздовж довжини елемента висоту та постійну по висоті і змінну вздовж довжини елемента ширину, причому бокові грані елементів складають прямі кути з площиною поверхні основи та створені міжелементними проміжками з постійною шириною. Недоліком відомої ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки є вузька смуга пропускання елементів, що зменшує її повздовжню роздільну здатність. Відома ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка [патент США № 4305014, H01L 41/08, 8 грудня 1981 р.] вибрана за прототип, конструкція якої забезпечує ефективне пригнічення паразитних акустичних хвиль, що викликані поперечними модами коливань п'єзоелектричних перетворювачів. Ця ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка має у своєму складі демпфуючу основу та множину п'єзоелектричних перетворювачів для приймання та випромінювання акустичних хвиль, що встановлені на демпфуючій основі, кожний з яких розділений на ряд індивідуальних перетворювальних елементів, що розташовані на демпфуючій основі та мають шар п'єзоелектричного матеріалу, на верхню і нижню поверхні якого нанесені шари електропровідного матеріалу. При цьому індивідуальні елементи об'єднані в групи, всередині яких індивідуальні елементи електрично з'єднані паралельно. Ширина кожного індивідуального елемента значно менша половини довжини хвилі коливань, що випромінюються або приймаються. Загальна ширина групи індивідуальних елементів, включаючи проміжки між індивідуальними елементами, що з'єднані між собою щонайменше дорівнює половині довжини хвилі коливань, що випромінюються або приймаються. Причому ширина кожного індивідуального елемента менша, ніж його висота. Така конструкція ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки забезпечує пригнічення попе 96851 6 речних мод коливань, але не дозволяє компенсувати коливання моди "маса-пружина", які, як зазначено вище, суттєво зменшують роздільну здатність ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки. В основу винаходу поставлена задача створення такої ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки, конструкція якої дозволила би підвищити роздільну здатність шляхом одночасного пригнічення паразитних акустичних хвиль, що викликані поперечними модами коливань і коливань моди "маса-пружина" п'єзоелектричних перетворювачів. Ця задача вирішується таким чином, що в ультразвуковій п'єзоелектричній антенній ґратці, що має у своєму складі множину п'єзоелектричних перетворювачів для приймання та випромінювання акустичних хвиль, що встановлені на депфуючій основі, кожен з яких розділений на ряд індивідуальних елементів, що встановлені на демпфуючій основі та мають шар п'єзоелектричного матеріалу, на верхню та нижню поверхні якого нанесені шари електропровідного матеріалу, відповідно до даного винаходу кожний індивідуальний елемент додатково містить металеву армуючу плівку, нанесену на поверхню демпфуючої основи, причому демпфуюча основа містить армуючий компонент, концентрація якого розподілена рівномірно вздовж поверхні демпфуючої основи, на яку нанесена металева армуюча плівка, та зменшується при віддаленні від цієї поверхні. Вважається за краще, якщо металева армуюча плівка приєднана до шару електропровідного матеріалу за допомогою припою, нанесеного на нижню поверхню шару п'єзоелектричного матеріалу. В одному варіанті здійснення винаходу кожен індивідуальний елемент має ширину, що зменшується вздовж його висоти і постійну або змінну вздовж його довжини. При цьому кожен індивідуальний елемент може бути виготовлений з одного шару п'єзоелектричного матеріалу з постійною вздовж довжини елемента висотою. При цьому кожен індивідуальний елемент може бути виготовлений з одного шару п'єзоелектричного матеріалу зі змінною вздовж довжини елемента висотою. Кожен індивідуальний елемент може бути виготовлений з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу, кожен з яких має постійну вздовж довжини елемента висоту, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини постійна. Кожен індивідуальний елемент може бути виготовлений з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу, кожен з яких має змінну вздовж довжини елемента висоту, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини змінна. В іншому варіанті здійснення винаходу кожен індивідуальний елемент має ширину, постійну вздовж його висоти і постійну або змінну вздовж його довжини. 7 При цьому кожен індивідуальний елемент може бути виготовлений з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу, кожен з яких має змінну вздовж довжини елемента висоту, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини змінна. Вважається за краще, якщо індивідуальні елементи, з яких складається кожен п'єзоелектричний перетворювач, електрично з'єднані між собою у групи та встановлені через проміжки. При цьому проміжок між сусідніми індивідуальними елементами може мати постійну ширину або ширину, що збільшується вздовж його висоти. Вищезазначені варіанти виконання індивідуальних елементів забезпечують ефективне пригнічення побічних поперечних мод коливань п'єзоелектричних перетворювачів антенної ґратки. Наявність у кожного індивідуального елемента металевої армуючої плівки і введення в демпфуючу основу армуючого компонента, концентрація якого розподілена рівномірно вздовж поверхні демпфуючої основи, на яку нанесена металева армуюча плівка, та зменшується при віддаленні від цієї поверхні, а також приєднання металевої армуючої плівки до шару електропровідного матеріалу, що нанесений на нижню поверхню шару п'єзоелектричного матеріалу за допомогою припою, призводить до збільшення маси коливальної системи "індивідуальний елемент - демпфуюча основа", до зменшення коефіцієнта пружності цієї системи та, відповідно, до пригнічення побічної моди "маса - пружина". Завдяки цьому, поряд з пригніченням побічних поперечних мод коливань п'єзоелектричних перетворювачів, одночасно забезпечується ефективне демпфування побічних коливань моди "маса пружина". Це приводить до суттєвого збільшення роздільної здатності ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки. Перелік фігур креслення. В подальшому ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, що патентується, пояснена за допомогою креслень на фіг. 1-15, що додаються. На фіг. 1 зображена ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, в якій кожен індивідуальний перетворювальний елемент виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти і постійною вздовж його довжини, причому елементи сформовані з одного шару п'єзоелектричного матеріалу з постійною вздовж довжини елемента висотою, а кожна пара суміжних елементів електрично об'єднана в групу, при цьому між обома елементами групи залишається проміжок постійної ширини. На фіг. 2 зображена ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, в якій кожен індивідуальний перетворювальний елемент виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти і змінною вздовж його довжини, причому елементи сформовані з одного шару п'єзоелектричного матеріалу з постійною вздовж довжини елемента висотою, а кожна пара суміжних елементів електрично об'єднана в групу, при цьому між обома 96851 8 елементами групи залишається проміжок постійної ширини. На фіг. 3 зображена ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, в якій кожен індивідуальний перетворювальний елемент виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти і постійною вздовж його довжини, причому елементи сформовані з одного шару п'єзоелектричного матеріалу зі змінною вздовж довжини елемента висотою, а кожна пара суміжних елементів електрично об'єднана в групу, при цьому між обома елементами групи залишається проміжок постійної ширини. На фіг. 4 зображена ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, в якій кожен індивідуальний перетворювальний елемент виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти і змінною вздовж його довжини, причому елементи сформовані з одного шару п'єзоелектричного матеріалу зі змінною вздовж довжини елемента висотою, а кожна пара суміжних елементів електрично об'єднана в групу, при цьому між обома елементами групи залишається проміжок постійної ширини. На фіг. 5 зображена ультразвукова п'єзоелектрична антенна гратка, в якій кожен індивідуальний перетворювальний елемент виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти і постійною вздовж його довжини, та сформований з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу, кожен з яких має постійну вздовж довжини елемента висоту, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини також постійна, а кожна пара суміжних елементів електрично об'єднана в групу, при цьому між обома елементами групи залишається проміжок постійної ширини. На фіг. 6 зображена ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, в якій кожен індивідуальний перетворювальний елемент виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти і змінна вздовж його довжини, та сформований з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу, кожен з яких має постійну вздовж довжини елемента висоту, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини також постійна, а кожна пара суміжних елементів електрично об'єднана в групу, при цьому між обома елементами групи залишається проміжок постійної ширини. На фіг. 7 зображена ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, в якій кожен індивідуальний перетворювальний елемент виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти і постійна вздовж його довжини, та сформований з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу, кожен з яких має змінну вздовж довжини елемента висоту, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини також змінна, а кожна пара суміжних елементів електрично об'єднана в групу, при цьому між обома елементами групи залишається проміжок постійної ширини. На фіг. 8 зображена ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, в якій кожен індивідуаль 9 ний перетворювальний елемент виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти і змінна вздовж його довжини, та сформований з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу, кожен з яких має змінну вздовж довжини елемента висоту, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини також змінна, а кожна пара суміжних елементів електрично об'єднана в групу, при цьому між обома елементами групи залишається проміжок постійної ширини. На фіг. 9 зображена ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, в якій кожен індивідуальний перетворювальний елемент виконаний з шириною, постійною вздовж його висоти і постійною вздовж його довжини, та сформований з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу, кожен з яких має змінну вздовж довжини елемента висоту, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини також змінна, а кожна пара суміжних елементів електрично об'єднана в групу, при цьому між обома елементами групи залишається проміжок постійної ширини. На фіг. 10 зображена ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, в якій кожен індивідуальний перетворювальний елемент виконаний з шириною, постійною вздовж його висоти і змінна вздовж його довжини, та сформований з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу, кожен з яких має змінну вздовж довжини елемента висоту, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини також змінна, а кожна пара суміжних елементів електрично об'єднана в групу, при цьому між обома елементами групи залишається проміжок постійної ширини. На фіг. 11 зображені типові експериментальні імпедансно-частотні характеристики модуля |Z(f)|, активної R(f) та реактивної -jX(f) складових комплексного опору п'єзоелемента антенної ґратки, який збуджує побічну моду коливань "маса - пружина" ("mass-spring"). [Патент США № 4240003]. На фіг. 12 зображені експериментальні імпедансно-частотні характеристики модуля |Z(f)|, активної R(f) та реактивної -jX(f) складових комплексного опору п'єзоелемента антенної ґратки, який не збуджує побічну моду коливань "маса - пружина" і виконаний у відповідності до даного винаходу. На фіг. 13 зображені експериментальні імпедансно-частотні характеристики модуля |Z(f)|, активної R(f) та реактивної -jX(f) складових комплексного опору п'єзоелементів антенних ґраток, що містять один шар п'єзоматеріалу фіг. 13 а та два шари п'єзоматеріалу фіг. 13 б, співвідношення товщини t п'єзоелемента (шару) до його ширини W складає W/t=1,6. На фіг. 14 зображені експериментальні імпедансно-частотні характеристики модуля |Z(f)|, активної R(f) та реактивної -jX(f) складових комплексного опору п'єзоелементів антенних ґраток, що містять один шар п'єзоматеріалу фіг. 14 а та два шари п'єзоматеріалу фіг. 14 б, співвідношення 96851 10 товщини t п'єзоелемента (шару) до його ширини W складає, W/t=0,6. На фіг. 15 зображені експериментальні імпедансно-частотні характеристики модуля |Z(f)|, активної R(f) та реактивної -jX(f) складових комплексного опору п'єзоелементів антенних ґраток, що містять один шар п'єзоматеріалу фіг. 15 а та два шари п'єзоматеріалу фіг. 15 б, які виконані у відповідності до фіг. 1 та фіг. 5 даного винаходу, співвідношення товщини t(t\,t2) п'єзоелемента до ширини W його основи складає W/t=0,6. Ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка, що патентується, відповідно до базового варіанта виконання винаходу (фіг. 1) має у своєму складі групи з попарно електрично об'єднаних індивідуальних перетворювальних елементів 1, кожний з яких виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти і постійна вздовж його довжини, причому елементи сформовані з одного шару п'єзоелектричного матеріалу з постійною вздовж довжини елемента висотою, що розташовані на демпфуючій основі 2 один за одним через задані проміжки - міжелементні зазори. Індивідуальні перетворювальні елементи 1 кожної з груп призначені для випромінювання у дослідне середовище акустичних хвиль та приймання акустичних хвиль, що відбиті від неоднорідностей середовища. Індивідуальні перетворювальні елементи 1 складаються з послідовно з'єднаних між собою шару 3 електропровідного матеріалу, шару 4 п'єзоелектричного матеріалу, шару 5 електропровідного матеріалу. Крім того, кожен індивідуальний перетворювальний елемент 1, відповідно до винаходу, має у своєму складі металеву армуючу плівку 6, нанесену на поверхню демпфуючої основи 2. Шар 5 електропровідного матеріалу з'єднаний з металевою армуючою плівкою 6 за допомогою легкоплавкого припою. Демпфуюча основа 2 призначена для механічного демпфування коливань індивідуальних перетворювальних елементів 1 та поглинання енергії акустичних хвиль, що поширюються в основі 2, і виконано з композитного матеріалу: вольфрамовініпласту або вольфрамо-фенопласту. Демпфуюча основа 2 має у складі армуючий компонент, концентрація якого розподілена рівномірно вздовж поверхні демпфуючої основи 2, на яку нанесена металева армуюча плівка, та зменшується при віддаленні від цієї поверхні. Армуючий компонент може містити полімерний клей. Кожний індивідуальний перетворювальний елемент 1 має ширину, що зменшується вздовж його висоти t, причому одна бокова грань елемента складає прямий кут з площиною поверхні основи 2, а інша гострий. Максимальне значення ширини позначено W, а мінімальне значення ширини позначено W'. Перетворювальні елементи виконані з шириною, що зменшується вздовж висоти t для збільшення роздільної здатності антенної ґратки, за рахунок зменшення зв'язаності основного коливання по висоті з небажаним коливанням по ширині шляхом збільшення інтервалу між резонанс 11 ними частотами основного коливання та небажаного побічного коливання, а також ефективного спрямованого демпфування та усунення в елементах багатократних перевіддзеркалень пружних хвиль, що викликані небажаними побічними коливаннями по ширині. Довжина індивідуальних перетворювальних елементів 1 позначено l. Мінімальна ширина міжелементних проміжків позначено b, а подвоєний кут між перпендикуляром до основи та боковою гранню індивідуального перетворювального елемента 1 позначений α. Об'єднання індивідуальних перетворювальних елементів 1 в групи здійснюється за допомогою з'єднувального провідника 7, що припаяний до шару 3 електропровідного матеріалу. Для подавання та знімання з групи перетворювальних елементів електричних сигналів також використовують з'єднувальний провідник 7, що з'єднаний з шаром 3 електропровідного матеріалу. Перетворювальні елементи 1 ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки, що зображена на фіг. 1, можуть бути об'єднані в групи таким чином, що між обома елементами групи залишається зазор або з постійною шириною, або з шириною, що збільшується вздовж висоти зазору. Загальна ширина d поверхні випромінювання (приймання) ультразвукових коливань групи індивідуальних перетворювальних елементів, включаючи ширину міжелементних зазорів, менша або принаймні дорівнює половині довжини хвилі. В основі 2 виконані пази 8 для послаблення хвиль Рєлею, що збуджуються коливаннями індивідуальних перетворювальних елементів 1 та розповсюджуються вздовж поверхні основи 2 у протилежні сторони від індивідуальних перетворювальних елементів 1. Пази 8 розташовані, відповідно, паралельно зазорам між індивідуальними перетворювальними елементами 1 та мають глибину h і ширину, що дорівнює мінімальному міжелементному зазору. Шар 5 електропровідного матеріалу індивідуальних перетворювальних елементів 1 та металева армуюча плівка 6, що нанесена на демпфуючу основу 2 є заземленими. При подаванні імпульсних електричних сигналів на групи перетворювальних елементів за допомогою власних з'єднувальних провідників 7 індивідуальні перетворювальні елементи 1 випромінюють у дослідне середовище та демпфуючу основу 2 акустичні хвилі. Змінюючи фазовий зсув імпульсних електричних сигналів, що подаються на групи перетворювальних елементів, можливо здійснювати сканування та фокусування ультразвукового променя на задану далекість. Акустичні хвилі, обумовлені основною бажаною модою коливань елементів по висоті, розповсюджуючись у демпфуючій основі 2, швидко затухають. За рахунок зменшення ширини кожного індивідуального перетворювального елемента 1 вздовж його висоти і, зокрема, виконання перетворювальних елементів таким чином, що одна бокова грань елемента складає прямий кут з площиною поверхні основи, а інша грань складає гострий кут з площиною поверхні основи, зменшується зв'язаність основного коливання по висоті з небажаними коливаннями по ширині шляхом збільшення інтервалу між їх резонансними частотами та, 96851 12 відповідно, зменшуються втрати енергії на зв'язані коливання та відбувається перерозподіл енергії між основним коливанням по висоті та небажаними побічними коливаннями по ширині на користь основного коливання. Форма коливань індивідуального перетворювального елемента 1, за рахунок зменшення зв'язаності основного коливання по висоті і небажаного побічного коливання по ширині, наближається до поршневого типу, що приводить до зменшення кута розширення характеристики спрямованості антенної ґратки у площині сканування та збільшенню поперечної роздільної здатності антенної ґратки. Акустичні хвилі, що викликані небажаними побічними коливаннями по ширині, зазначаючи мінімум відбитків від граней індивідуальний перетворювальних елементів 1 через нахил бокової грані потрапляють у демпфуючу основу і швидко затухають, що приводить до розширення смуги пропускання індивідуальних перетворювальних елементів 1 і збільшенню повздовжньої роздільної здатності антенної ґратки. За рахунок наявності у кожного індивідуального перетворювального елемента 1 металевої армуючої плівки 6 і введення в демпфуючу основу 2 армуючого компонента із заданим розподіленням концентрації, а також приєднання шару 5 електропровідного матеріалу до металевої армуючої плівки 6 за допомогою припою, забезпечується збільшення маси коливальної системи "індивідуальний перетворювальний елемент 1 - демпфуюча основа 2" та зменшення коефіцієнта пружності цієї системи, що приводить до ефективного демпфування побічного коливання моди "маса - пружина" і, внаслідок цього до збільшення як повздовжньої, так і поперечної роздільної здатності антенної ґратки. Ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка (фіг. 2) містить індивідуальні перетворювальні елементи 1, кожний з яких виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти та змінною вздовж його довжини, причому елементи сформовані з одного шару п'єзоелектричного матеріалу 4, з постійною вздовж довжини елемента висотою. Максимальна ширина нижньої основи перетворювальних елементів 1 позначена W 1, a мінімальна ширина нижньої основи позначена W 2. Перетворювальні елементи 1 ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки, що зображена на фіг. 2, можуть бути об'єднані попарно у групі таким чином, що між елементами групи залишається зазор або з постійною шириною, або з шириною, що збільшується вздовж висоти зазору. Ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка (фіг. 3) містить індивідуальні перетворювальні елементи 1, кожний з яких виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти та постійною вздовж його довжини, причому елементи сформовані з одного шару п'єзоелектричного матеріалу 4 зі змінною вздовж довжини елемента висотою. Максимальна висота перетворювальних елементів 1 позначена t, мінімальна висота позначена t', а перепад висот позначений Δt. Максимальна ширина перетворювальних елементів 1 позначена W, а мінімальна ширина позначена W'. Перетворювальні елементи 1 ультразвукової п'єзоелектричної 13 антенної ґратки, що зображена на фіг. 3, можуть бути об'єднані попарно у групі таким чином, що між елементами групи залишається зазор або з постійною шириною, або з шириною, що збільшується вздовж висоти зазору. Ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка (фіг. 4) містить індивідуальні перетворювальні елементи 1, кожний з яких виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти та змінною вздовж його довжини, причому елементи сформовані з одного шару п'єзоелектричного матеріалу 4 зі змінною вздовж довжини елемента висотою. Максимальна висота перетворювальних елементів 1 позначена t, мінімальна висота позначена t', а перепад висот позначений Δt. Максимальна ширина нижньої основи перетворювальних елементів 1 позначена W 1, а мінімальна ширина нижньої основи позначена W 2. Перетворювальні елементи 1 ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки, що зображена на фіг. 4, можуть бути об'єднані попарно у групі таким чином, що між елементами групи залишається зазор або з постійною шириною, або з шириною, що збільшується вздовж висоти зазору. Ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка (фіг. 5) містить індивідуальні перетворювальні елементи 1, кожний з яких виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти та постійною вздовж його довжини, причому елементи складаються з послідовно з'єднаних між собою шару 9 електропровідного матеріалу, шару 10 п'єзоелектричного матеріалу, шару 11 електропровідного матеріалу, шару 3 електропровідного матеріалу, шару 4 п'єзоелектричного матеріалу, шару 5 електропровідного матеріалу та металевої армуючої плівки 6. Загальна висота кожного елемента постійна вздовж його довжини та позначена t, а висоти шарів 10 та 4 п'єзоелектричного матеріалу також постійні та позначені, відповідно t1 та t2. Максимальна ширина елементів 1 позначена W, а мінімальна ширина позначена W'. До шарів 11 та 3 електропровідного матеріалу кожного перетворювального елемента 1 підведений електричний провідник 7 для селективної подачі та знімання електричних сигналів. Об'єднання перетворювальних елементів 1 в групи здійснюється за допомогою припайки з'єднувального провідника 7 до електропровідних шарів 11 і 3 перетворювальних елементів1. Шари 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу поляризовані у відповідності до векторів поляризації 12 та електрично з'єднані паралельно. Шари 9 і 5 електропровідного матеріалу, а також металева армуюча плівка 6, що нанесена на демпфуючу основу 2 об'єднані між собою та заземлені. Перетворювальні елементи 1 ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки, що зображена на фіг. 5, можуть бути об'єднані попарно у групі таким чином, що між елементами групи залишається зазор або з постійною шириною, або з шириною, що збільшується вздовж висоти зазору. При дії імпульсів збуджуючої напруги на перетворювальні елементи 1 побічні коливання моди "маса - пружина" практично не виникають через те, що діють одночасно два методи її пригнічення: 96851 14 метод, що викладений у цьому винаході і запропонований автором у патенті США № 4240003. Використання у конструкціях елементів 1 другого, додаткового шару п'єзоматеріалу дозволяє, у порівнянні з антенними ґратками, що мають один шар п'єзоматеріалу, більш суттєво пригнічувати взаємний зв'язок між п'єзоелементами ґратки, що обумовлений розповсюдженням хвиль Рєлею вздовж поверхні демпфуючої основи 2, а також скорочувати час перехідних процесів у п'єзоелементах, що сприяє кращому співвідношенню сигнал - шум. Крім того, значно збільшується ідентичність параметрів п'єзоелементів антенної ґратки через те, що їх коливання через відсутність зсуву центру інерції стають менш залежними від впливу акустичних навантажень -демпфера та дослідного середовища. Пригнічення моди "маса - пружина", моди коливань по ширині через нахил бокової грані п'єзоелементів 1, а також вищезазначені переваги використання додаткового шару п'єзоматеріалу, дозволяє суттєво підвищити поперечну роздільну здатність антенної ґратки. Ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка (фіг. 6) містить індивідуальні перетворювальні елементи 1, кожний з яких виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти та змінною вздовж його довжини і сформований з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу з постійною вздовж довжини елемента висотою, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини також постійна. Загальна висота елемента позначена t, а висоти шарів 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу відповідно t1 і t2. Максимальна ширина нижньої основи перетворювальних елементів 1 позначена W 1, а мінімальна ширина нижньої основи W 2. Перетворювальні елементи 1 ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки, що зображена на фіг. 6, можуть бути об'єднані попарно у групи таким чином, що між елементами групи залишається зазор або з постійною шириною, або з шириною, що збільшується вздовж висоти зазору. Ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка (фіг. 7) містить перетворювальні елементи 1, кожний з яких виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти і постійною вздовж його довжини і сформований з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу зі змінною вздовж довжини елемента висотою, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини також змінна. Максимальна висота перетворювальних елементів 1 позначена t, a мінімальні висоти шарів 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу відповідно t1 і t2. Перепади висот шарів 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу позначені Δt1 і Δt2. Максимальна ширина перетворювальних елементів позначена W, а мінімальна ширина позначена W'. Перетворювальні елементи 1 п'єзоелектричної антенної ґратки, що зображена на фіг. 7, об'єднані попарно у групи таким чином, що між елементами групи залишається зазор або постійної ширини, або ширини, що збільшується вздовж висоти зазору. 15 Ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка (фіг. 8) містить перетворювальні елементи 1, кожний з яких виконаний з шириною, що зменшується вздовж його висоти і змінною вздовж його довжини і сформований з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу зі змінною вздовж довжини елемента висотою, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини також змінна. Максимальна загальна висота перетворювальних елементів 1 позначена t, a мінімальні висоти шарів 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу відповідно t1 і t2. Перепади висот шарів 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу позначені Δt1 і Δt2. Максимальна ширина нижньої основи перетворювальних елементів 1 позначена W1, а мінімальна ширина нижньої основи позначена W 2. Перетворювальні елементи 1 ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки, що зображена на фіг. 8, можуть бути об'єднані попарно у групи таким чином, що між елементами групи залишається зазор або постійної ширини, або ширини, що збільшується вздовж висоти зазору. Ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка (фіг. 9) містить індивідуальні перетворювальні елементи 1, кожний з яких виконаний з шириною, постійною вздовж його висоти і постійною вздовж його довжини і сформований з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу зі змінною вздовж довжини елемента висотою, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини змінна. Загальна висота елемента позначена t, а мінімальні висоти шарів 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу відповідно t1 і t2. Перепади висот шарів 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу однакові і позначені Δt. Ширина елемента постійна і позначена W. Перетворювальні елементи 1 об'єднані попарно у групи таким чином, що між елементами групи залишається зазор постійної ширини. Змінна висота шарів 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу приводить до розширення смуги пропускання основного резонансу, що збільшує повздовжню роздільну здатність антенної ґратки. Ультразвукова п'єзоелектрична антенна ґратка (фіг. 10) містить індивідуальні перетворювальні елементи 1, кожний з яких виконаний з шириною, постійною вздовж його висоти і змінною вздовж його довжини і сформований з двох шарів п'єзоелектричного матеріалу зі змінною вздовж довжини елемента висотою, причому шари з'єднані між собою таким чином, що загальна висота елемента вздовж його довжини змінна. Максимальна загальна висота перетворювальних елементів позначена t, а мінімальні висоти шарів 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу відповідно t1 і t2. Перепади висот шарів 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу позначені Δt1 і Δt2 відповідно. Максимальна ширина нижньої основи перетворювальних елементів 1 позначена W 1, а мінімальна ширина нижньої основи позначена W 2. Перетворювальні елементи 1 об'єднані попарно у групи таким чином, що між елементами групи залишається зазор постійної ширини. Змінна висота шарів 10 і 4 п'єзоелектричного матеріалу приводить до розширення смуги пропу 96851 16 скання основного резонансу, що збільшує повздовжню роздільну здатність антенної ґратки. Виконання кожного індивідуального перетворювального елемента 1 з шириною, змінною вздовж його довжини дозволяє підвищити роздільну здатність ультразвукових п'єзоелектричних антенних ґраток, що зображені на фіг. 2, 4, 6, 8, 10, відносно до відповідних антенних ґраток, зображених на фіг. 1, 3, 5, 7, 9, за рахунок більш суттєвого зменшення зв'язаності основного коливання по висоті з небажаними побічними коливаннями по ширині, що обумовлене більш ефективним пригніченням в перетворювальних елементах багатократних перевідбитків пружних хвиль, що викликані небажаними побічними коливаннями по ширині. Виконання кожного індивідуального перетворювального елемента 1 з одного або двох шарів п'єзоелектричного матеріалу зі змінною вздовж довжини елемента висотою дозволяє розширити смугу пропускання елементів і підвищити повздовжню роздільну здатність ультразвукових п'єзоелектричних антенних ґраток, що містять один шар п'єзоматеріалу - фіг. 3, 4 відносно до відповідних антенних ґраток, зображених на фіг. 1, 2, а також таких, що містять два шари п'єзоматеріалу - фіг. 7, 8, 9, 10 відносно до антенних ґраток, зображених на фіг. 5 і 6, за рахунок неоднорідності п'єзоелектричних властивостей шару (шарів), то обумовлена зміною його (їх) висоти вздовж довжини елементів. Для підтвердження можливості здійснення даного винаходу, а саме, можливості реалізації нового методу пригнічення побічної "паразитної" моди коливань "маса - пружина" у коливальній системі "п'єзоелемент - демпфер", була виготовлена п'єзоелектрична антенна ґратка з елементами у формі паралелепіпеда з товщиною t=720 мкм, шириною W=200 мкм та довжиною l=10 мм, конструктивні параметри і матеріали якої ідентичні відповідним параметрам і матеріалам антенної ґратки, що представлена у патенті США № 4240003 і відрізняється від неї тим, що кожний п'єзоперетворювальний елемент додатково містить металеву армуючу плівку (6), що нанесена на поверхню демпфуючої основи (2), причому демпфуюча основа (2) містить армуючий компонент концентрація якого розподілена рівномірно вздовж поверхні демпфуючої основи (2), на яку нанесена металева армуюча плівка (6), і зменшується при віддаленні від цієї поверхні. Крім того, металева армуюча плівка (6) приєднана до шару (5) електропровідного матеріалу, який нанесений на нижню поверхню шару (4) п'єзоелектричного матеріалу за допомогою припою. (Вказані цифрові позначення, що належать до виготовленої антенної ґратки, відповідають цифровим позначенням, вказаним на фіг. 1). Для більш наочного проведення порівняльного аналізу на фіг. 11 і фіг. 12 представлені у логарифмічному масштабі імпедансно-частотні характеристики модуля |Z(f)|, активної R(f) та реактивної jХ(f) складових комплексного опору п'єзоелементів антенних ґраток, відповідно, що збуджують побічну моду коливань "маса - пружина" [Патент США № 4240003] та не збуджують (пригнічують) цю моду коливань (матеріали даного винаходу). 17 В патенті США № 4240003 у складі п'єзоелектричних перетворювальних елементів антенної ґратки, для компенсації побічної моди коливань "маса - пружина" у коливальній системі "п'єзоелемент - демпфер", застосовується додатковий шар п'єзоматеріалу, що призводить до звуження смуги пропускання п'єзоелементів. У нашому випадку, при пригніченні побічної моди коливань "маса пружина" методом, що описаний в даному винаході, у складі п'єзоперетворювачів антенної ґратки використовується один шар п'єзоматеріалу, що у порівнянні з п'єзоперетворювачами антенної ґратки, що представлена в патенті США № 4240003, забезпечує більш широку смугу пропускання п'єзоелементів, і, відповідно, більш високу роздільну здатність антенної ґратки. Для підтвердження можливості здійснення даного винаходу в повному обсязі, тобто можливості реалізації нового методу одночасного пригнічення побічної моди коливань "маса - пружина" у коливальній системі "п'єзоелемент - демпфер" та побічної поперечної моди коливань п'єзоелемента, було виготовлено на єдиній конструктивнотехнологічній основі шість п'єзоелектричних антенних ґраток, імпедансно-частотні характеристики і форми п'єзоелементів яких представлені на фіг. 13, 14 та 15. У всіх шістьох виготовлених антенних ґратках побічна мода коливань "маса - пружина" повністю пригнічена, що наочно видно на представлених імпедансно-частотних характеристиках. Тому, нижченаведені варіанти, пригнічення побічної моди коливань лише по ширині п'єзоелемента. На фіг. 13 а і 13 б п'єзоелементи антенних ґраток мають співвідношення товщини t п'єзоелемента (шару) до його ширини W, яке дорівнює W/t=1,6, при цьому корисна мода коливань по товщині Т і побічна мода коливань по ширині Ш сильно взаємопов'язані. (Вибір значення W обумовлений технічними вимогами: W=d-S, де d - крок  cp d 2 , λср - довжина ультґратки, що дорівнює: развукової хвилі у контрольованому середовищі, a S - ширина проміжку між п'єзоелементами.) При такому співвідношенні W/t смуга пропускання п'єзоелементів дуже вузька і, відповідно, повздовжня роздільна здатність антенної ґратки також низька. На фіг. 14 а і 14 б п'єзоперетворювачі антенних ґраток розділені на індивідуальні елементи, які мають співвідношення товщини t п'єзоелемента (шару) до його ширини W, яке дорівнює W/t=0,6, при цьому корисна мода коливань по товщині Т і побічна мода коливань по ширині Ш рознесені по 96851 18 частоті і мають слабкий взаємозв'язок, що забезпечує розширення смути пропускання п'єзоелементів і підвищення повздовжньої роздільної здатності антенної ґратки. На фіг. 15 а і 15 б п'єзоперетворювачі антенних ґраток розділені на індивідуальні елементи та виконані у відповідності до базових конструкцій фіг. 1 і фіг. 5 даного винаходу, які мають співвідношення товщини t (t1,t2) п'єзоелемента (шару) до ширини W його основи, яке дорівнює W/t=0,6, при цьому основна мода коливань по товщині Т і побічна мода коливань по ширині Ш значніше рознесені по частоті і мають більш слабкий взаємозв'язок у порівнянні з п'єзоелементами, що зображені на фіг. 14 а і 14 б, що дозволяє суттєво розширити смугу пропускання п'єзоелементів та підвищити повздовжню роздільну здатність антенної ґратки. Примітка. Смуги пропускання п'єзоелементів антенних ґраток оцінювались по активній складовій комплексного опору по рівню 0,7 або 0,5 з ціллю їх порівняння. Таким чином, даний винахід забезпечує одночасне пригнічення паразитних акустичних хвиль, що викликані побічними поперечними модами коливань п'єзоелектричних елементів і побічними коливаннями моди "маса-пружина". Завдяки цьому, досягається суттєве підвищення роздільної здатності ультразвукових п'єзоелектричних антенних ґраток. Промислова застосовність. Даний винахід може бути використаний як приймально-випромінювальний пристрій у складі ультразвукових систем для медичної діагностики і неруйнівного контролю, а саме в ультразвукових кардіоскопах-томографах і в ультразвукових дефектоскопах-томографах. Перелік цифрових позначень. В прикладах створення ультразвукової п'єзоелектричної антенної ґратки наведені наступні цифрові позначення: 1 - індивідуальні перетворювальні елементи; 2 - демпфуюча основа; 3 - шар електропровідного матеріалу; 4 - шар п'єзоелектричного матеріалу; 5 - шар електропровідного матеріалу; 6 - металева армуюча плівка; 7 - з'єднувальні провідники; 8 - пази; 9 - шар електропровідного матеріалу; 10 - шар п'єзоелектричного матеріалу; 11 - шар електропровідного матеріалу; 12 - вектори поляризації. 19 96851 20 21 96851 22 23 96851 24 25 96851 26 27 96851 28 29 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 96851 Підписне 30 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601