5.5.2. Коммутируемые матрицы пьезопреобразователей

Устройства с шаговым сканированием луча коммутируемых матриц пьезопреобразователей (рис. 5.19) также являются рас­пространенным типом электрических сканирующих ультразвуковых преобразователей. В таких у

Рис. 5.19. Принцип сканирования линейного сканирующего ультразвукового преобразователя с коммутируемой матрицей пьезоэлементов

стройствах ультразвуковой луч перемещается за счет последовательного электрического переключения пьезоэлементов матрицы с шагом, равным ширине одного элемента. Коммутируемые матрицы, в принципе, позволяют реализовать различные виды сканирования в зависимости от формы сканирующих апертур (рис. 5.20). Однако на практике в основном применяются линейные и веерные (конвексные) сканирующие матрицы [1]. Конструктивно линейные и коммутируемые матрицы отличаются от фазированных только пространственной протяженностью самой матрицы, геометрической формой апертуры и числом коммутируемых при сканировании ультразвукового луча пьезоэлементов. Для обеспечения достаточной протяженности перемещения луча могут потребоваться матрицы длиной до 100 мм и более. Число пьезоэлементов может достигать нескольких сотен. Шаг сканирования при этом зависит от размеров элементов и составляет несколько длин волн. Чтобы обеспечить необходимую разрешающую способность, в управляющие цепи коммутируемых матриц могут дополнительно включаться фазирующие элементы, которые обеспечивают фокусировку и небольшую угловую подкачку луча при сканировании, что обеспечивает снижение дискретности перемещения луча, которая для этих матриц существенна. Реализация фокусировки и подкачки луча при сканировании приводит к необходимости групповой коммутации пьезоэлементов (рис. 5.20). В этом случае из матрицы выделяется группа смежных элементов, работающих как обычные одномерные пьзопреобразователи со сплошной апертурой, равной апертуре группы. В процессе зондирования среды все пьезоэлементы группы излучают и принимают соответствующие сигналы. Затем подключается следующая группа пьезоэлементов, смещенная относительно предыдущей на один элемент, и процесс зондирования повторяется, обеспечивая последовательный ультразвуковой обзор некоторой области сканируемой среды.

^{Использование групповой коммутации элементов позволяет увеличивать апертуру излучения-приема акустической антенны, что, в свою очередь, улучшает направленность луча. При конструировании устройств с линейной или выпуклой криволинейной коммутируемой матрицей число пьезоэлементов, объединяемых в группу, определяется из требований разрешающей способности, чувствительности электроакустического преобразователя и дискретности перемещения луча. С учетом того, что эти требования противоречивы, выбор осуществляется компромиссным путем. Линейные и веерные ультразвуковые устройства нашли в настоящее время широкое применение в динамических системах ультразвуковой визуализации. Это объясняется следующими их достоинствами: малой массой; небольшой стоимостью; относительной простотой электронных схем управления.}

Рис. 5.19. Обобщенная структура сканирующего устройства на основе коммутируемой матрицы: 1 – линейная матрица пьезоэлементов; 2 – коммутирующие цепи; 3 – передающие и приемные каналы; 4 – управляющие цепи; 5 – дисплей; 6 – объект исследования; 7 – веерная матрица пьезоэлементов; 8 – одновременно коммутируемая группа пьезоэлементов; X,  – линейная и угловая переменные соответственно; r₁, r₂, r₃ – фокусные расстояния; X – линейное отклонение при "подкачке" луча

^{Основная проблема, возникающая при изготовлении сканирующих матриц с коммутацией пьезоэлементов, – обеспечение максимальной повторяемости и однородности характеристик ультразвукового сканирования. Эта проблема обусловлена большой протяженностью апертур матриц, большим числом пьезоэлементов и тем, что в процессе ультразвукового сканирования используются разные пьезоэлементы. При работе в мегагерцевом диапазоне частот проблема усугубляется снижением габаритных размеров пьезоэлементов, а также значительным повышением требований к геометрическим допускам при их изготовлении. В качестве примера, по данным [1], приведем конструктивные параметры линейной сканирующей матрицы с рабочей частотой пьезоэлементов 3,5 мГц:}

Число коммутируемых элементов матрицы  80

Общее число пьезоэлементов 320

Шаг матрицы 0,4  0,05 мм

Ширина пьезоэлемента 0,3мм

Зазор между пьезоэлементами 0,09  0,05 мм

Число пьезоэлементов, объединяемых в один коммутируемый

элемент 3; 4

Общая длина матрицы 90 мм

Допуск на неравномерность размещения пьезоэлементов относительно

апертуры матрицы:

в осевом направлении 0,1 мм

в угловом направлении 0,1

^{На конструктивные особенности практических решений и достигаемые электроакустические характеристики матриц существенно влияют также выбор материала и способы изготовления таких ее элементов, как демпфер, согласующие и акустические фокусирующие слои, система многоканальных электрических соединений и т. д. Отсюда становится очевидным, что при изготовлении подобных устройств необходимо уделять серьезное внимание вопросам технологии. Некоторые принципы конструктивного построения многоэлементных матричных пьезопреобразователей коммутационного типа и технологические условия, которые позволяют обеспечить их реализацию с высокими метрологическими характеристиками в мегагерцевом диапазоне ультразвуковых частот, рассмотрены в [1].}