/
Автор: Ермолов И.Н.
Теги: приборостроение физика математическая физика машиностроение ультразвук ультразвуковые пьезопреобразователи
Год: 1986
Текст
ело. //£/. ат
ВВК-34,9
У51 "
УДНШ
. И. Н. ЕРМОЛОВ, М. Б„ ГИТИС, ML В. КОРОЛЕВ, Д. Е. КАРПЕЛЬСОН
А. Ф. МЕЛЬКАНОВИЧ, А. X. ВОПИЛКИН
Рецензент д-р техн, наук, проф. В. С. ЯМЩИКОВ
Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушаю-
У51 щего контроля/Под общ. ред. И. Н. Ермолова. — М.: Маши-
ностроение, 1986. — 280 с., ил.
(В Пер.): 1 р. 50 к.
Рассмотрены пьезопреобразователи и их применение в УЗ приборах иеразру-'
Шающего контроля. Приведены основные характеристики преобразователей и мето-
дика их измерения. Описан электроакустический тракт УЗ приборов неразрушаю-
щого контроля. .
Книга предназначена для широкого круга инженеров, занимающихся разработ- |
кой УЗ контрольно-измерительной аппаратуры, и может быть полезна для аспи- 1
рантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей.
2706000000-01Б
088(01)-8б
1Б-86
ББК 34.9 1
6ПБ.81
‘«Ж/.
(^Издательство «Машиностроение», 1986 г- ,
___ /* '
\/l \
•I
Ультразвуковые
пьезопреобразователи
для неразрушающего
контроля
Под общей ре; {зк_ией
доктора тех аческих наук И. EL ЕРМОЛОВА
Wj'O
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1986
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время ультразвуковую (УЗ) контрольно-измери-
тельную аппаратуру применяют в самых различных областях
науки и техники: в дефектоскопии, при медицинской диагностике,
исследовании физических свойств материалов, контроле геометри-
ческих размеров объектов и т. д. Достижения современной электро-'
ники и автоматики дают практически неограниченные возможно-
сти обработки и преобразования информации, содержащейся в
.акустических колебаниях после взаимодействия их с объектом
контроля, причем обработка значительно облегчается, если им-
пульсы акустических волн имеет заданную пространственно-вре-
•менную характеристику. Поэтому важнейшие функциональные воз-
можности и метрологические характеристики ультразвуковой ап-
паратуры определяются, как правило, параметрами первичных
-электромеханических преобразователей — излучателей и приемни-
ков УЗ колебаний. В качестве таких первичных датчиков 'йсполь-
.зуют пьезопреобразователи различных типов.
Определению основных параметров пьезопреобразователей, раз-
работке новых конструкций и их всестороннему исследованию по-
священы многочисленные работы советских и зарубежных ученых.
Однако в настоящее время отсутствует монография, в которой бы
•обобщался и систематизировался опыт исследования, разработки
и применения пьезоэлектрических преобразователей для импульс-
ных УЗ приборов неразрушающего контроля. Цель настоящей кни-
ги — восполнить этот пробел.
Расчет пьезоэлектрических преобразователей УЗ приборов не-
разрушающего контроля сводится к определению формы и значе-
ния полезного сигнала, несущего информацию об измеряемом па-
раметре, и сопоставлению его с паразитными сигналами (шума-
ми). Для этого требуется вычисление передаточной функции пре-
образования электрических сигналов в акустические и акустиче-
ских в электрические, расчет характеристик акустического поля в
произвольной точке пространства, учет отражательной способно-
сти различных неоднородностей и границ раздела сред. Математи-
чески эти характеристики полностью определяются решениями Вол-
ковых уравнений для пьезоактивных (пьезоэлементы) и пассивных
(ЗуЗ линии задержки, промежуточные связующие среды, контроли-
руемые изделия) сред с заданными начальными и граничными
3
условиями. Кроме того, при определении характеристик пьезоак*
тивных сред необходимо. учитывать уравнения электростатики из
уравнения пьезоэффекта.
С точки зрения решения поставленной задачи проанализиро-
ваны возможности построения импульсных преобразователей, вос-
производящих с минимальными искажениями возбуждающий
электрический сигнал. Подробно описана физическая картина воз-
никновения упругих волн в пьезоэлементах.
Рассмотрены особенности нестационарных акустических явле-
ний в непьезоэлектрических средах. Первая из них относится к
временным переходным процессам, физически обусловленным как
конечной скоростью распространения упругих колебаний, так и ог-
раниченностью во времени упругих импульсов. Вторая особенность
связана с тем, что реальные УЗ пьезопреобразователи обладают
конечными размерами и поэтому излучают не идеальную плоскую*
волну, а ограниченное УЗ поле. С учетом этих особенностей про-
анализированы явления, приводящие к возникновению новых типов-
колебаний, шумов, а также прохождение ограниченных УЗ пучков-
через границы раздела сред.
Рассмотрены методы расчета УЗ преобразователя, широко1
применяемого на практике. Преобразователь этого типа состоит из;
пьезопластйны, поляризованной перпендикулярно ее плоскости.
Одна из поверхностей пьезопластины примыкает непосредственно*
или через пассивные слои к акустической нагрузке, другая —к
демпферу. К этим металлизированным поверхностям пьезопласти-
ны подключена электрическая нагрузка в виде пассивного четырех-
полюсника. Такая модель пьезопреобразователя является исходной?
для математического описания различных типов преобразователен
(прямых, наклонных, раздельно-совмещенных и др.), используе-
мых в УЗ аппаратуре.
Впервые систематически изложена теория многослойных пре-
образователей, состоящих из произвольного числа пьезоэлектриче-
ских пластин с различными в общем случае акустическими, элект-
рическими и пьезоэлектрическими параметрами. Приведены при-
меры численных расчетов основных характеристик многослойных
пьезопреобразователей и результаты экспериментальных исследо-
ваний.
Рассмотрены оригинальные конструкции широкополосных пре-
образователей, впервые разработанных в нашей стране. К преоб-
разователям такого типа можно отнести преобразователи с пьезо-
элементом переменной толщины (в частности, пьезопреобразовате-
ли плосковогнутой формы). Переменная толщина пьезоэлемента1
позволяет устранить четкие резонансы колебаний и расширяет по-
лосу частот преобразователя в 3—5 раз. Эти преобразователи обес-
печивают большую амплитуду излучаемых колебаний и высокую1
чувствительность к принимаемым колебаниям. Теория подобных
преобразователей еще не разработана, поэтому приведены только-
упрощенные расчетные модели.
Большое внимание уделено другому направлению расширения!
4
полосы частот, а именно — использованию нерезонансно возбуж-
даемых, так называемых «толстых» пьезопреобразователей. Они не
только расширяют полосу рабочих частот до многих сотен мега-
герц и формируют в исследуемом объекте различные интересные
типы акустических полей, но также имеют простую конструкцию
и высоко технологичны при изготовлении, что чрезвычайно важно
при серийном производстве. Описаны различные типы таких пьезо-
преобразователей, выведены формулы расчета их основных харак-
теристик, приведены данные экспериментальных исследований.
Изложены основные методы расчета акустических полей, опре-
деляющих пространственное распределение излучаемых акустиче-
ских колебаний. При этом учтена важная особенность приборов
неразрушающего контроля — излучение и прием УЗ импульсов ма-
лой длительности. Обобщены многочисленные материалы исследо-
ваний акустических полей для преобразователей с различной фор-
мой пьезоэлемента (круглой, кольцеобразной, прямоугольной),
преобразователей с линиями задержки (в том числе призматиче-
скими), а также раздельно-совмещенных и фокусирующих преоб-
разователей.
В книге подробно описаны конструкции основных типов пьезо-
преобразователей (прямые совмещенные с акустической линией
задержки и без нее, наклонные совмещенные с акустической ли-
нией задержки и раздельно-совмещенные), а также конструктив-
ные особенности преобразователей некоторых специальных типов.
Рассмотрены основные элементы конструкций и их акустические
параметры.
Изложены вопросы технологии изготовления конструктивных
элементов, сборки и контроля. Подробно описаны технологические
режимы подготовки пьезоэлементов, линий задержки, прессова-
ния либо заливки демпферов, изготовления протекторов, электри-
ческих экранов и .общей склейки преобразователей, а также по-
операционного контроля качества элементов конструкций преобра-
зователей и их сборки.
Эффективная работа преобразователя во многом зависит от
правильного согласования его с электронными схемами приборов
неразрушающего контроля. С учетом этого описаны электронные
схемы возбуждения пьезопреобразователей и усиления снимае-
мых с них электрических сигналов.
Рассмотрены методы измерения параметров основных конст-
руктивных элементов и характеристик преобразователей в целом,
нашедшие применение в практике УЗ контроля. Большое внима-
ние уделено выбору средств измерения, требованиям к ним и к
методикам проведения измерений. Изложены практические реко-
мендации, полученные на основе опыта работы в области разра-
ботки преобразователей и средств измерения.
Комплекс разнообразных теоретических и практических вопро-
сов. рассмотренных в книге, удалось осветить благодаря сотруд-
ничеству коллектива авторов, специализирующихся в различных
аспектах излагаемой проблемы.
5
В связи с тем, что в книге рассмотрены как традиционные, так
и новые преобразователи, обладающие интересными полезными
свойствами, книга может быть полезна широкому кругу работни-
ков приборостроения, машиностроения, энергетики, судостроения,
строительства, химической промышленности, металлургии и дру-
гих отраслей промышленности. Описанные в кнйГе пьезопреобра-
зователи и приборы на их основе могут быть использованы, напри-
мер, для контроля качества отдельных деталей и конструкций из
металлов и неметаллов, узлов машин и механизмов. Возможен
контроль обшивок и покрытий, баллонов высокого давления, ко-
тельных труб, резервуаров, строительных конструкций, различ-
ных корпусов, стенок, перегородок и т. д. с целью выявления в них
внутренних дефектов, измерения геометрических размеров, опре-
деления физико-механических свойств и пр.
Книга в основном является результатом многолетних исследо-
ваний специалистов по неразрушающему контролю, занимающих-
ся разработкой различных типов пьезопреобразователей и их при-
менением в акустических приборах неразрушающего контроля.
Предисловие, пп. 1, 2 гл. I, пп. 1—-7 гл. VII написаны И. Н. Ер-
моловым; пп. 3—7 гл. I, гл. VIII —М. Б. Гитисом; гл. II, III —
А. Ф. Мелькановичем; п. 8 гл. I, гл. V, VI, п. 8 гл. VII, гл. X —
М. В. Королевым и А. Е. Карпельсоном; гл. IV — А. X. Вопилки-
ным; гл. IX —М. Б. Титисом и Н. Н. Ермоловым; гл. XI —
А. Ф. Мелькановичем и И. Н. Ермоловым.
В работе использованы многие технологические и конструктив-
ные решения, предложенные одним из старейших специалистов
в области ультразвуковых преобразователей В. Д. Королевым.
1
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика ;
ВРЧ — временная регулировка чувствительности,,‘
НК — неразрушающий контроль
НПВТП —неравномерно поляризованный поверхностно возбуждаемый
толстый пьезопреобразователь
НТП — неравномерно поляризованный толстый пьезопреобразова-
тель .
ПВТП — поверхностно возбуждаемый толстый пьезопреобразователь
РШХ — реверберационно-шумовая характеристика
СТП — синфазный толстый пьезопреобразователь
ТП—-толстый пьезопреобразователь
УЗ — ультразвуковой (-ая, -ые, -ое)
УЛЗ— ультразвуковая линия задержки
а, Ь, с, d — геометрические размеры пьезопреобразовате’ля (d—толщи-
на)
Со — электрическая емкость зажатого пьезоэлемента (при посто-
янной деформации)
с, сь с2, ci, сЕ — скорость распространения продольных УЗ колебаний
с(—скорость распространения сдвиговых УЗ колебаний
D, Dx, D.v, Dz — вектор электрического смещения, его компоненты вдоль
различных осей
dim-n—dij — компоненты тензора пьезомодулей
Е, Ех, Ev, Ez, Ei—вектор напряженности электрического поля, его компоненты
вдоль различных осей
eijh—-пьезоконстанты
F — сила
Ро —фокусное расстояние
f — частота гармонических колебаний
g(t) —импульсная характеристика системы
ha—компоненты тензора пьезоэлектрических постоянных
h(i) —переходная характеристика системы
J —-интенсивность -УЗ колебаний
I —сила электрического тока, протекающего между электрода-
ми пьезопреобразователя
k — волновой вектор
ki, ~ ku— коэффициенты усиления по току и напряжению
К(/со) =К(со) —передаточння функция системы
К(со) = |Х(/со) |—амплитудно-частотная характеристика системы
1 Kt} — коэффициенты прямого, обратного и двойного электромеха-
нического преобразователя
N —-мощность
Р —вектор поляризации
рв, р —акустическое давление
Q —добротность
q —заряд на электродах пьезопреобразователя
Ro —радиус основания пьезоэлемента
7
Як, Я, гвх, гвых — активное электрическое сопротивление
г — расстояние
S—площадь электродов или излучающей поверхности пьезопре-
образователя
t, At, х—время, длительность, интервал и момент времени
U—электрическое напряжение между электродами пьезоэле-
мента
Ш) — компоненты тензора механических деформаций
Vu—-коэффициенты отражения УЗ колебаний на границах раз-
дела разных сред
Vx, Vv, —компоненты вектора скоростей механического смещения
х, у, z—декартовы координаты
Z=pc—характеристический импеданс материала
Z—-комплексное электрическое сопротивление
а — коэффициент затухания УЗ колебаний
Ро —угол
Р — коэффициент электромеханической связи
Ъ (£) — дельта-функция Дирака
Ви—компоненты тензора диэлектрической проницаемости
в — относительная диэлектрическая проницаемость
Во •— электрическая постоянная
МО — единичная ступенчатая функция
0— угол расхождения
0о — декремент затухания
К — длина волны гармонических УЗ колебаний
— компоненты тензора упругих постоянных
ц — коэффициент Пуассона
g, gx, g^,, gz, g{ — вектор механического смещения, его компоненты вдоль раз-
личных осей
р — плотность
<р', р'— полярные координаты
а — плотность электрических зарядов
<jift — компоненты тензора механического - напряжения '
ф— потенциал электрического поля
Фтп —• фазочастотная характеристика
Q — телесный угол
to-—угловая частота гармонических колебаний
Глава I
ТИПЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПРИБОРОВ
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ФИЗИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1. ТИПЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Преобразователи -для приборов неразрушающего контроля
классифицируют по ряду признаков.
По способу акустического контакта твердотельной части пре-
образователя (протектора, призмы) с контролируемым объектом
различают:
контактные преобразователи, которые прижимаются к поверх-
ности изделия, предварительно смазанной жидкостью (маслом,
глицерином и т. п.); в некоторых случаях слой жидкости заменяют
эластичным материалом (эластичным протектором);
иммерсионные преобразователи, между поверхностью которых
и изделием имеется толстый слой жидкости (толщина этого слоя
во много.раз превышает длину волны); при этом изделие целиком
или частично погружают в иммерсионную ванну, используют струю
воды и т. д.;
контактно-иммерсионные преобразователи, которые имеют ло-
кальную иммерсионную ванну с эластичной мембраной, контакти-
рующей с изделием непосредственно или через тонкий слой жид-
кости;
щелевые (менисковые) преобразователи, между поверхностью
которых и изделием создается зазор порядка длины волны ультра-
звука; жидкость в зазоре удерживается силами поверхностного
натяжения;
преобразователи с сухим точечным контактом, имеющие ша-
рообразную поверхность, плотно соприкасающуюся с изделием;
площадь соприкосновения 0,01—0,5 мм2;
бесконтактные преобразователи, возбуждающие акустические
колебания в изделии через слой воздуха (воздушно-акустическая
связь) с помощью электромагнитно-акустических и оптико-тепло-
вых эффектов; чувствительность этих преобразователей в десятки
тысяч раз ниже чувствительности других преобразователей, поэто-
му они не нашли широкого практического применения.
Использование контактных преобразователей с эластичным
протектором, а также щелевых, контактно-иммерсионных и бескон-
тактных преобразователей позволяет снизить требования к чистоте
поверхности контролируемого изделия.
По способу соединения преобразователей с электрической схе-
мой прибора можно выделить:
9
совмещенные преобразователи, которые соединяются одновре-
менно с генератором и усилителем прибора и служат как для из-
лучения, так и приема ультразвука;
раздельные преобразователи, состоящие из излучателя, соеди-
ненного с генератором прибора, и приемника, соединенного с
усилителем;
раздельно-совмещенные преобразователи, состоящий из излуча-
ющего и приемного элементов, конструктивно связанных между
собой, но разделенных электрическим и акустическим экранами.
По направлению акустической оси преобразователи подразде-
ляют на:
прямые, излучающие волны нормально к поверхности изделия;
наклонные. .
Раздельно-совмещенные преобразователи называют нормаль-
ными или наклонными, в зависимости от направления их общей
'акустической оси, соответствующей направлению максимальной
чувствительности таких преобразователей. Преобразователи с пе-
ременным углом наклона позволяют изменять угол ввода лучей.
По форме акустического поля различают:
плоские преобразователи с пьезопластиной плоской формы, у
которых форма акустического поля зависит от формы электродов,
поляризации пьезопластины- и т. и.;
фокусирующие преобразователи, обеспечивающие сужение аку-
стического поля в некоторой области контролируемого объекта;
широконаправленные (или веерные), излучающие пучок расхо-
дящихся лучей;
фазированные решетки (мозаичные преобразователи), представ-
ляющие собой плоский преобразователь, состоящий из ряда отдель-
но управляемых элементов; подавая различные по фазе и амплиту-
де сигналы на эти элементы, можно изменять направление излуче-
ния (т. е. угол ввода), добиваться фокусировки или расфокуси-
ровки, устранять боковые лепестки.
По ширине полосы -рабочих частот выделяют узкополосные и
широкополосные преобразователи; к первому типу условно отно-
сят преобразователи с шириной полосы пропускания меньше одной
октавы, а ко второму—-с шириной полосы пропускания больше
одной октавы (отношение максимальной частоты к минимальной
больше двух); широкополосности можно достигнуть, если сделать
пьезоэлемент переменной толщины, включить в конструкцию не-
сколько активных (т. е. из пьезоэлектрических материалов) и пас-
сивных (непьезоэлектрических) слоев, использовать толстый пьезо-
элемент, излучающий только своей поверхностью (остальная часть
пластины служит просто волноводом); в зависимости от способа
достижения широкополосности различают пробразователи пере-
менной толщины, многослойные преобразователи и толстые, или
апериодические, преобразователи.
Принята буквенно-цифровая система обозначения преобразова-
телей (см. табл. 1), отражающая большинство перечисленных при-
знаков. Первая буква П означает «Преобразователь». Далее сле-
10
Таблица 1
1 ,1 Типы преобразователей I Параметры преобразователей .
gtf ‘ЛП% & МГц 9i, град fp, МГц с •& с V
ПШ-1,25 i —20 1,2 0,95 1,0 0,75 1,3 2210 1250
ПШ-2,5 1 —23 2,1 1,3 0,5 1,7 2,55 1710 1320
ПШ-5,0 —32 4,4 4,6 1,0 3,5 4,6 1210 1010
П121-1,25-30° 1 ‘—29 1,3 0,4 37 1,1 1,5 2000 780
П121-1,25-40° —27 1,35 0,42 50 0,86 1,4 2600 1300
П121-1,25-50° —24 1,3 0,4 60 1,1 1,5 2650 1210
П121-2,5-30° —37 2,8 1,1 36 2,5 3,2 2200 950
П121-2,5-40° —34 2,9 0,9 50 2,7 3,4 2400 1170
П121-2,5-50° —35 2,9 1,1 62 2,6 3,4 2215 1030
П121-5,0-40° —45 5,7 2,6 51 5,3 6,6 2710 1380
П121-5,0-53° —46 5,3 2,3 67 5,0 6,3 3660 1290
П121-5,0-55° —43 5,5 2,4 68 5,0 6,4 3120 1350
Примечание. Кии передаточная [ функция по напряжению; fyy — частота, при
которой Кии —max; ^fuu— полоса пропускания; 6 — ширина основного лепестка диаграммы
направленности при излучении; f*.—резонансная частота; К — антирезонаисная частотам
р а
_р а
CJ — емкость при резонансе; Сэ — емкость при аитирезонаисе.
дует группа цифр, первая из которых означает способ контакта,
на который преобразователь рассчитан (1—контактный, 2—'им-
мерсионный, 3 — контактно-иммерсионный), вторая — направление
оптической оси (1 — для прямых преобразователей, 2 — для на-
клонных), третья —режим работы (1—совмещенный, 2 — раздель-
ный, 3 — раздельно-совмещенный). На следующей позиии ставится <
буква Ф для фокусирующих преобразователей или буква Н для
иеплоских преобразователей; для плоских буква не ставится. Да-
лее после дефиса следует группа цифр, указывающих частоту пре-
образователя в мегагерцах' (с точностью 0,05 МГц). Затем для на-
клонных преобразователей после дефиса указывается угол призмы
из органического стекла в градусах (если призма изготовлена из
другого материала, производится сответствующий пересчет на ор-
ганическое стекло); для прямых преобразователей эти цифры не
указываются.
2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Пьезоэлектрические преобразователи, применяемые в УЗ при-
борах, должны отвечать определенным требованиям. Эти требова-
нии формулируются на основании перечня характеристик или па-
раметров преобразователей с указанием их номинальных значений
11
и допустимых отклонений. Устанавливаемый перечень параметров
и их значения определяются назначением преобразователя с уче- .
том особенностей схемы электронного блока прибора неразруша-
ющего контроля, характеристик контролируемого объекта и ме-
тодики контроля. Рассмотрим наиболее широко используемые на
практике характеристики и параметры пьезопреобразователей.
Основные характеристики преобразователей можно разбить на
следующие группы: характеристики передаточных функций, аку-
стического поля, электрического сопротивления, временные и об-
щетехнические. ' I
Характеристики передаточных функций преобразователя. Пере-
даточной функцией называют комплексное отношение сигнала (за-
висящее от частоты) на, выходе преобразователя к сигналу на его
входе при определенной электрической и (или) акустической на-
грузке. Различают передаточные функции режимов излучения,
приема и двойного преобразования.
В режиме излучения в качестве входного сигнала выступают
электрическое напряжение Г7И и ток /и, протекающий через преоб-
разователь; в качестве выходного — механическое напряжение,
давление, смещение, колебательная скорость. Эти величины можно
рассматривать в точке рабочей поверхности преобразователя или
на каком-то принятом расстоянии от нее. Кроме того, эти величины
могут быть интегральными, например, средними по площади ра-
бочей поверхности преобразователя. Наиболее широко используют
передаточные функции
= <ти/£7и; = сги//и, (1)
где ои —нормальные напряжения (давления) на рабочей поверх-
ности преобразователя.
В режиме приема выходными сигналами служат электрическое'
, напряжение Uv и ток 7П> протекающий через электрическую на- '
грузку преобразователя; входным сигналом — механическое на-
пряжение, давление, смещение или колебательная скорость. Наи-
более часто используются передаточные функции <
Kuc=Un/on; %/а = 1в/<уп, (2)
где Пп — нормальные напряжения, (давления) на рабочей поверх-
ности преобразователя в падающей волне.
Для режима двойного преобразования входными сигналами
являются С7И, /и, выходными—Дп, /и. В общем случае режим
двойного преобразователя характеризуют четыре передаточные
функции:
= Kiu = IJUk. (3)
Любую из передаточных функций можно представить в виде
^тп == Ф iУтп = | Ктп I е 14>тп, (4)
12
Г
и?де Xmn> ' Y-mn — вещественная и мнимая части
I = УХтп+.У%т— модуль передаточной функции; q>mn=
— arctg(Xmn/Ymn) — фазочастотная характеристика передаточной
«функции. Величины |ATOn|, <Ртп обычно представляют графически
.как функции частоты f.
Частоту f, при которой |Ктп1 имеет максимум в области ра-
бочих частот, называют частотой максимума преобразования fmn,
а само ’ значение максимума — коэффициентом преобразования
-К^тп' I
Отношение модуля передаточной функции |7бтоп| к коэффици-
енту преобразования как функцию частоты называют приведен-
ной или просто амплитудно-частотной характеристикой (АЧХтп).
Частотный диапазон ]j£mnl в рабочей области частот с нерав-
номерностью АЧХтп не более — 6 дБ называют полосой пропуска-
ния Afmn- Верхнюю и нижнюю границы полосы пропускания бу-
дем обозначать соответственно fE, /н(А/тп=Гв—Гн). Разность наи-
большего и наименьшего значений АЧХ для соответствующих т
и п области рабочих частот называют неравномерностью ампли-
тудно-частотной характеристики (под областью рабочих ча-
стот понимают область частот, в которой нормируются параметры
преобразователя, устанавливаемые стандартами или технически-
ми условиями на него).
Характеристика акустического поля преобразователя. Акусти-
ческим полем преобразователя называют область пространства,
упругие колебания в которой находятся в причинно-следственной
«связи с действием преобразователя. Существуют понятия полей
излучения, приема и излучения-приема. Поле излучения опреде-
ляется акустическим давлением, создаваемым излучающим пре-
образователем в произвольной точке пространства; поле приема —
средним по поверхности преобразователя давлением падающей
•волны, излучаемой точечным сферически симметричным излучате-
лем, помещенным в произвольной точке пространства. Поле излу-
чения-приема определяют как поле приема волны, создаваемой в
результате отражения поля излучения от точечного ненаправлен-
ного отражателя, расположенного в произвольной точке простран-
ства.
Если излучение производится в твердое тело, вместо акустиче-
ского давления берется действующая компонента тензора напря-
жения. При определении акустического поля обычно указывают
.амплитуду акустического сигнала, но иногда и фазу.
В акустическом поле выделяют две зоны: ближнюю, в которой
-наблюдаются обусловленные интерференцией немонотонные изме-
нения амплитуды поля, и дальнюю, где амплитуда монотонно убы-
вает с расстоянием. Структуру поля в дальней зоне можно пред-
ставить в виде лучей, расходящихся из точки, которую называют
эффективным акустическим центром. Для преобразователей, рав-
номерно излучающих всеми точками, акустический центр совпа-
дает с центром тяжести излучающей поверхности пьезопластины.
13
Нормированный по максимуму график зависимости амплитуды1
акустического сигнала (или интенсивности) в дальней зоне от на-
правления распространения волны называют диаграммой /направ-
ленности. Диаграмму обычно определяют для плоскости,/которая
проходит через акустическую ось преобразователя (акустическая
ось преобразователя — прямая, выходящая из эффективного аку-
стического центра в направлении максимума диаграммы направ-
ленности) . . *
Центральную часть диаграммы направленности, в пределах ко-
торой амплитуда сигнала уменьшается от единицы до нуля, на-
зывают основным лепестком. На практике за нижнее значение-
_ амплитуды основного лепестка, определяющее угол $ расхожде-
' ния пучка лучей, принимают 0,1 (20 дБ)’для поля излучения или
приема и 0,01 (40 дБ) для поля излучения-приема (здесь и ниже-
используются отрицательные децибелы). Амплитуду лепестка счи-
тают постоянной, если она изменяется не более чем на 3 дБ (6 дБ»
для поля излучения-приема), а угол 01 определяют как ширину
диаграммы направленности.
Кроме основного лепестка диаграмма может иметь боковые ле-
пестки. Их максимальное значение определяет уровень бокового-
излучения как отношение амплитуды сигнала за пределами основ-
ного лепестка к амплитуде сигнала, действующего в направлении
акустической оси. Если лепестков нет, то уровень бокового излу-
чения равен нижнему значению амплитуды основного лепестка,,
т. е. 0,1 или 0,01.
В некоторых случаях используют другие характеристики аку-
стического поля: протяженность, ближней зоны, неравномерность
поля на некотором заданном участке и т. д. Например, при контро-
ле изделий удобно оперировать такой характеристикой, как область
ближнего поля, непосредственно примыкающая к преобразователю.
Здесь интерференционные явления выражены слабо, и поле подоб-
но плоской волне. Границей рабочего участка поля на определен-
ном расстоянии от преобразователя в этом случае считают об-
ласть, где амплитуда сигнала постоянна с точностью 3 дБ (6 дБ-
для поля излучения-приема). Для фокусирующего преобразовате-
ля определяют такие параметры, как фокусное расстояние Fo (рас-
стояние от центра преобразователя до точки, где достигается
максимальная амплитуда сигнала), протяженность (%з) и ширина:
(%1, фокальной области, на границе которой максимальное зна-
- чение уменьшается на 3 дБ. (6 дБ для поля излучения-приема)
(рис. 1).
Для осесимметричного преобразователя каждая из определен-
ных выше характеристик поля задается одной величиной, например,,
шириной диаграммы направленности (углом 01), шириной
=Я1=Х2 фокальной области. Для других преобразователей ис-
пользуют две величины в наиболее характерных взаимно перпен-
дикулярных плоскостях, проходящих через акустическую ось (на-
пример, для прямоугольного преобразователя —в плоскостях, па-
раллельных его сторонам).
;14
₽ис. 1. К определению основных характеристик акустиче-
ского поля фокусирующего преобразователя
К неосесимметричным преобразовате-
лям: относится наклонный преобразователь,
имеющий призм: этическую линию задерж-
ки. У него, акустическая ось преломляется
•на границе'призма — изделие (объект конт-
роля). В дальнейшем будем называть аку-
стической о^ыо ту ее часть, которая нахо-
дится в изделии, а точку пересечения аку-
стической оси с поверхности изделия—точ-
кой выхода. )
У наклонного.преобразователя различа-
ют плоскость падения (проходящую через
акустическую ось и перпендикуляр к по-
верхности в точке выхода) и дополнитель-
ную плоскость (проходящую через акустическую ось и перпенди-
куляр к плоскости падения). В.первой основной лепесток диаграм-
мы направленности по давлению Pj, во второй — Р2 (рис. 2). Ос-
новными характеристиками поля. наклонного преобразователя яв-
ляются угол ввода pi (между акустической осью и перпендикуля-
ром к поверхности) и ширина диаграммы, направленности в- двух
указанных плоскостях 61 и 02. Для преобразователя, у которого
плоскость падения не параллельна боковым граням призмы, ука-
зывают еще угол р2 между этими плоскостями.
Для раздельно-совмещенного преобразователя определяют по-
нятие общей оси как линии, проходящей через середину отрезка
между точками выхода излучателя и приемника и точку пересече-
ния их .акустических осей. Если акустические оси параллельны, то
общая ось параллельна Им; если излучатель и приемник одинако-
вы, то общая ось является осью их симметрии. Для характеристики
акустического поля раздельно-совмещенного преобразователя ис-
пользуют те же понятия, что и для характеристики поля фокусиру-
ющего преобразователя, однако допускают более широкий диапа-
зон изменения амплитуды сигнала в фокальной плоскости (20 или
даже 40 дБ).
Характеристики электрического сопротивления. Электрическое
•сопротивление Zxra преобразователя представляет собой комплекс-
РиС. У. к определению основных харак-
теристик акустического поля наклонного
Преобразователя
Рис. 3. Импульсная характеристика пре-
образователя
15
ное отношение электрического напряжения на преобразователе к
силе протекающего тока в функции частоты, измеренное в режиме
излучения при определенной акустической нагрузке. Электрическое
сопротивление можно представить в виде .
ХдЭ = -^ПЭ “Ь ^ПВ = ^пэ ехр ( ЙРпэ)’ /
где Хпэ и Упэ — вещественная и мнимая части»-./У®; Упэ=
= Хпэ + Упэ - абсолютное значение электрического/сопротивле-
ния; cpira=arctgXng/yng — его фазочастотная характеристика.
Значения Zfia, фпЭ, Упэ обычно представляют графически &
функции частоты f. Частоты, при которых Zna имеете минимум и
максимум, называют соответственно частотами резонанса fp и ан-
тирезонанса fa. Электрическое сопротивление Упэ на частотах fp и
fa обозначают соответственно Z„9 и ZaB.
При нормировании параметров Z]ia различают электрическое
сопротивление акустически ненагруженного преобразователя (zSs|
и электрическое сопротивление при определенной нагрузке (ZnJ.
В ряде случаев удобно нормировать сопротивление при какой-то-
характерной частоте, например, на частоте f<Cfa- Такую величину
обозначают ZPa.
Временные характеристики преобразователя. Они представля-
ют собой зависимости от времени электрического напряжения на
преобразователе после его возбуждения импульсами некоторых
стандартных форм. К временным характеристикам относят им-
пульсную и реверберационно-шумовую характеристики. ;
Импульсной характеристикой двойного преобразования назы-
вают электрическое напряжение эхосигнала в функции времени,,
развиваемое преобразователем, нагруженным на активное сопро-
тивление 75 Ом при возбуждении преобразователя видеоимпуль-
сом тока длительностью не более l/(2f). Отношение максималь-
ной амплитуды эхосигнала к максимальной амплитуде импульса
тока возбуждения называют импульсным коэффициентом и обо-
значают Kuj.
В качестве параметров, характеризующих форму импульсной"
характеристики, используют .(рис. 3):t/£(a) —значение импульс-
ной характеристики в точке k-ro максимума (минимума) ; t/max —
максимальное значение импульсной характеристики; ^(а)—вре-
менный интервал, соответствующий значению импульсной харак-
теристики t/fe(a) ; tN—временной интервал, соответствующий зна-
чениям огибающей импульсной характеристики выше уровня №
(обычно N принимают равным 40 дБ).
Реверберационно-шумовая характеристика (РШХ)—-времен-
ная зависимость отношения электрического напряжения на преоб-
разователе к амплитуде электрического напряжения эхоимпульса-
от определенного отражателя, измеренная при нормированнных
электрической и акустической нагрузках преобразователя (отсчет-
16
• времени производится от начала фронта импульса возбуждения) _
Будем обозначать РШХ как Л (т).
Параметрами РШХ являются: длительность реверберационно-
шумовой характеристики Та — временной интервал, в котором?
Л(т) превышает заданный уровень N; уровень шумов Ах —зна-
чение А(т) в заданный момент времени; уровень шумов Ag — наи-
большая амплитуда шумов в заданном временном.интервале.
Перечисленные электроакустические характеристики и парамет-
ры зависят от различных факторов, таких, как материал контро-
лируемого изделия, чистота обработки, кривизна и температура
его поверхности. Чтобы учесть эти факторы, указывают дополни-
тельные характеристики, например, стабильность акустического-
контакта (зависимость коэффициента преобразования Кии от тол-
щины контактного слоя между преобразователем и изделием или
от чистоты обработки его поверхности), стабильность акустиче-
ского контакта в динамическом режиме (изменение Кии при пере-
мещении преобразователя по поверхности изделия с определен-
ной скоростью) и др.
Общетехнические характеристики. Они определяют требования
к конструкции преобразователя, его надежности и устойчивости,
к внешним воздействиям. Обычно указывают габаритные и уста-
новочные размеры, размеры рабочей поверхности, размеры пьезо-
элемента, номинальные углы призмы, стрелу преобразователя (рас-
стояние от точки выхода до передней грани преобразователя), ра-
ботоспособность при воздействии индустриальных помех, эргоно-.
** мические показатели.
. Надежность преобразователя характеризуют средней наработ-
ку кой на отказ за счет изнашивания, средним сроком службы, сред-
ним сроком сохраняемости. Эти показатели устанавливают в за-
виоимрсти от признаков ремонтопригодности (невосстанавливае-
X) мые преобразователи и восстанавливаемые).
.Устойчивость к внешним воздействиям характеризуют устойчи-
востью к изменению температур, влажности, к механическим уси-
лиям.
3. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ПРЯМОГО И ОБРАТНОГО
ПЬЕЗОЭФФЕКТА
Каждый класс УЗ приборов для неразрушающего контроля вы-
двигает специфические требования к УЗ преобразователям с точки?
зрения их акустических и электрических характеристик, конструк-\
торских решений и т. д. Однако в подавляющем большинстве слу- \
чаев преобразование электрической энергии в упругую и наоборот
осуществляется пьезоэлектрическими элементами, т. е. частью пре-
образователя, обладающей пьезоэффектом.
Под прямым пьезоэлектрическим эффектом понимают появле-
ние в некоторых веществах электрической поляризации под дейст-
вием приложенных к ним механических напряжений или дефор-
никновении механических деформаций или напряжений под дейст-
вием приложенного электрического поля.
Математическое описание пьезоэффекта в общем случае доста-
точно сложно. Это связано с тем, что пьезоэффект (прямой и об-
ратный) многосторонне связан с другими свойствами материала:
упругими, тепловыми и электрическими [34, 46]. В качестве неза-
висимых переменных, как правило, используют либо механическое
напряжение ац, напряженность электрического поля Е{ и темпе-
ратуру Т, либо механическую деформацию иц, электрическую ин-
дукцию Di и энтропию S. В первом случае состояние термодина-
мической системы удобно описывать с помощью функции Гиббса
••<?, дифференциал которой
dG = — Uijdciij — DtdEt — SdT. (6)
Во втором случае более подходящей является внутренняя энер-
гия F. Ее полный дифференциал имеет вид
dF = ai}dui} + EidDt + TdS. (7)
Термодинамические функции (6), (7) позволяют достаточно
просто получить основные уравнения пьезоэффекта (46]: . 1
Щ) = stjkiaki + dMEk + ai}T-, (8)
Di = SodqEj + di:!k<Jjk -f- ytT, (9)
где 8цЫ — податливости; — пьезомодули; e0— электрическая
постоянная; Bi, — диэлектрические проницаемости; ccjj—коэффи-
циенты теплового расширения; у; — пироконстанты.
Можно получить уравнения прямого и обратного пьезоэффек-
тов и в других формах, используя в качестве независимых пере-
менных иные величины. Если пренебречь тепловыми эффектами,
которые слабо влияют на интересующие нас в данном случае взаи-
мосвязи, то упомянутые уравнения примут вид
ulj — ciikl°kl + gmiiDm', (10)
, Dm = e0EmnEn €mkitiki, (11)
aik = — eihE i, (12)
. Dm — vmtlDn hmkiUkt, (13)
&ik = ^mnlkdmn hjnlbPmt (14)
Dm ~ VmnD-n gmij^ijt (15)
^Де ciikb Umtk", — коэффициенты упругости; gmis, emhj, hmht~
пьезоконстанты; Vmn и Vmn —-коэффициенты, обратные диэлект-
рической проницаемости.
Основные уравнения прямого и обратного пьезоэлектрических
эффектов показывают, что электрические и механические свойства
материалов в общем случае нельзя охарактеризовать независимо
38
друг'от друга. Например, как видно из уравнений (13) и (14), на
механические напряжения наряду с упругими деформациями ока-
зывают влияние и возникающая под их действием электрическая
индукция, и, наоборот, напряженность электрического поля внутри
образца, помимо чисто электрической компоненты (пропорциональ-
ной электрической индукции), имеет составляющую, обусловлен-
ную деформацией, возникающей под Действием приложенного-
электрического поля. Так как и uik характеризуют механиче-
ское состояние образца, a Di, Ei— электрическое, то можно ска-
зать, что для однозначного описания состояния образца должны
быть заданы его электрические и механические граничные усло-
вия.
Простейшие механические граничные условия соответствуют
случаю механически зажатого образца (деформация постоянна и
равна нулю) либо механически свободного образца (механические-
напряжения равны нулю). Так как механическая деформация
Щк=д^1дхк . (gi — механическое смещение в i-м направлении;
—k-R декартова координата; i, k=l,. 2, 3), то требование г^=б'
эквивалентно требованию gi=0, т. е. смещение всех граней, огра-
ничивающих образец, должно отсутствовать для любого выбран-
ного направления. Это может быть осуществлено в том случае,,
если образец граничит с абсолютно жесткой (недеформируемой)
средой. В противном случае, если образец граничит с абсолютно-
податливой средой, его Трани при движении не испытывают ника-
кого сопротивления, и, очевидно, на границе (Ti/t=0. Если упругие-
свойства среды, граничащей с образцом, описывать с помощью за-
кона Гука [уравнение (8)], то первый случай соответствует
«среды-^-О, а второй — аСреды-^-оо (тензорные индексы опущены) _
Простейшие электрические. граничные условия реализуются в- •
тех случаях, когда образец.электрически закорочен или электри-
чески разомкнут. Электрически закороченное состояние образца-
соответствует таким условиям, когда вся его поверхность находит-
ся под одним и тем же потенциалом <р. Поскольку напряженность-
электрического поля определяется градиентом электрического по-
тенциала (Е{=—dcp/dxi), то условие ср=const эквивалентно Е{=0.
Практически это состояние достигается тем, что пара электродов,,
покрывающая те поверхности, на которых возникает пьезополяри-
зация, закорачивается.
При этом необходимо помнить, о каком пьезоэффекте (прямом
или обратном) идет речь. Для прямого пьезоэффекта (Ei возникает-
как результат механической деформации) условие. Е{=0 достига-
ется подключением электродов к измерительному устройству с ма-
лым входным сопротивлением. Для обратного пьезоэффекта, когда-
в качестве первичного возмущения выступает электрическое поле,,
условие Е{=0 достигается подключением электродов образца к
идеальному источнику напряжения, т. е. к источнику электрическо-
го напряжения с малым внутренним сопротивлением. Дак извест-
но, если в электрическом поле Ei происходит поляризация среды,
то Di—Ei+Pi, где Pi — составляющие вектора поляризации. По-
19-
этому условие Ei—О означает, что Di = Pit и вся электрическая ин-
дукция в образец равна Р{.
Нормальная составляющая вектора поляризации численно
равна поверхностной плотности связанного заряда тСЕЗ [58].
Если на образец, обладающий пьезосвойствами, нанести метал-
лические электроды, то он будет представлять собой плоский кон-
денсатор с направлением поляризации, перпендикулярным поверх-
ности, причем /?п=тСвз. При наличии металлического проводника,
-соединяющего электроды, на них возникают свободные заряды
тСвб за счет электрической индукции. Если металлический провод-
ник имеет конечное сопротивление (входное сопротивление элект-
рической схемы, выходное сопротивление электрического генера-
тора), т. е. если между электродами существует некоторая раз-
ность потенциалов, то Тсвз^свб, и существующая в образце на-
пряженность электрического поля связана с плотностями связан-
ного и свободного зарядов известным соотношением [58]
•Е^свб—W (16).
В случае электрически «закороченного» кристалла, т. е. когда
поверхности, ограничивающие образец, эквипотенциальны
~ 0, Т'свб = ДвЗ! D — Р = •'Гсвб- (17)
Электрическое разомкнутое состояние (или холостой ход) со-
ответствует полной электрической изоляции образца, т. е. отсут-
ствию на его поверхностях свободных зарядов. Если образец, об-
ладающий пьезоэлектрическими свойствами, является идеальным
диэлектриком, то, как известно из электростатики [58],
(18)
Для образца с нанесенными металлическими электродами, со-
ответствующего плоскому конденсатору, электрическая индукция
имеет только одну составляющую, перпендикулярную поверхности
электродов. Электрическая изоляция образца приводит к условию
.0=const. Если вне образца электрическое поле отсутствует, то
при электрической изоляции образца Д>=0, так как при переходе
через границу раздела двух диэлектриков скачок нормальной со-
ставляющей вектора- электрической индукции равен поверхности
плотности свободных зарядов, которая в данном случае равна
пулю.
Для этого простейшего случая холостого хода образца, облада-
ющего пьезоэффектом, уравнения для электрических величин име-
ют вид
— 0; Е = — Р. (19)
Электрически разомкнутое состояние с £)=const#5 0 может быть
реализовано, если металлические электроды не нанесены непосред-
ственно на поверхность образца, а существует некоторый зазор
20
между ними и поверхностью образца. Это соответствует заряжен-
ному конденсатору с воздушным зазором между диэлектриком и
пластинами конденсатора.
Режим электрического холостого хода для прямого пьезоэффек-
та в образце получается, если образец, подвергнутый механиче-
ской деформации или механическому напряжению, подключить к-
измерительному устройству с большим входным электрическим со-
противлением. При обратном пьезоэффекте электрическое возбуж-
дение образца должно осуществляться от генератора с большим
•выходным электрическим сопротивлением, т. е. от генератора тока.
Если образец, обладающий пьезосвойствами, механически или
электрически зажат или свободен, то уравнения пьезоэффекта
записываются в более простом виде, так как при прямом пьезоэф-
фекте электрические параметры (7),, ЕД определяются только ме-
ханическими величинами иц, ац, а при обратном — наоборот, толь-
ко электрическими:
ujk — dtjhEt; Di = diih(TJh;
°jk~ — hijDil Et = — htfijUfa,
uik ~ — gifliGjh>]
cJk = — E>i — eiikuJh.
(20)
(21)
(22)
(23)
Именно поэтому уравнения пьезокоэффициента (20)-—(23) и
используются для экспериментального определения пьезокоэффи-
циентов. При измерениях, разумеется, должны быть созданы со-
ответствующие граничные механические и электрические условия
для обеспечения равенства нулю одного из электрических или ме-
ханических параметров.
При создании специальных граничных механических или элект-
рических условий не только упрощаются уравнения пьезоэффекта,
но одновременно изменяются и «внутренние» параметры материа-
ла— его диэлектрическая проницаемость, механическая податли-
вость и жесткость [31]. Иными словами, изменение механических
условий на поверхности, ограничивающей образец,. одновременно
изменяет компоненты тензора диэлектрической проницаемости, и,
наоборот, создание условий Ei=0 или Е)г-=0 изменяет компонен-
ты тензоров упругих податливостей и жесткостей.
С физической точки зрения эти результаты достаточно очевид-
ны. Действительно, необходимость введения дополнительной ха-
рактеристики диэлектриков — диэлектрической проницаемости —
обусловлена отличием напряженности электрического поля, прило-
женного к диэлектрику, от напряженности поля внутри него. Это
различие обусловлено тем, что под действием приложенного к ди-
электрику электрического поля связанные электрические заряды
смещаются, создавая собственное дополнительное поле. Этот эф-
фект, называемый поляризацией диэлектрика, учитывается введе-
нием диэлектрической проницаемости, компоненты которой отлич-
ны от единицы. >
21
В пьезоэлектриках смещение связанных зарядов от положений
равновесия происходит также и под действием механической де-
формации, что обеспечивает появление так называемой пьезо-
электрической поляризации [см., например, (11)]. Поэтому чем
больше деформация образца, тем больше пьезополяризация и тем;
больше диэлектрическая проницаемость. Деформация максималь-
на у механически свободного образца (oij=0) и минимальна у ме-
ханически зажатого образца. Следовательно, диэлектрическая про-
ницаемость механически свободного образца ва больше, чем ди-
электрическая проницаемость механически зажатого образца
В свою очередь, коэффициенты упругости образца изменяются
при изменении электрических граничных условий. При электриче-
ски разомкнутом образце (Z)=0) за счет возникающих зарядов,
пьезополяризации обратный пьезоэффект вызывает деформацию в.
направлении, противоположном первоначальному. Пьезоматериал
становится как бы более жестким, чем в отсутствии пьезозарядов.
(Д=0). Следовательно, sB<s-E, и, наоборот,
Изменение упругих податливостей и жесткостей вызывает со-
ответствующее изменение скорости распространения упругих волн,,
и, следовательно, изменение собственных частот образца [31]. Ины-
ми словами, собственные частоты механических колебаний образ-
ца из материала с пьезоэлектрическими свойствами оказываются
функцией его электрических граничных условий. Для образца в.
форме пластины, совершающей колебания по толщине, с металли-
ческими электродами, перпендикулярными направлению пьезопо-
ляризации и приложенному электрическому полю, собственная ча-
стота на холостом ходу (0=0) выше, чем при коротком замыка-
нии (0=0).
То обстоятельство, что при обратном пьезоэффекте дополни-
тельная пьезополяризация, возникающая под действием механи-
ческой пьезодеформации, стремится ослабить первоначальную на-
пряженность электрического поля, а при прямом пьезоэффекте до-
полнительная пьезодеформация, возникающая под действием
электрической пьезополяризации, стемится уменьшить первона-
чальную механическую деформацию, можно рассматривать как
электромеханический аналог известного в электродинамике прин-
ципа Ленца об электромагнитной инерции (например, возникаю-
щий под действием переменного электромагнитного поля вихревой
ток всегда направлен так, чтобы его электромагнитное поле ослаб-
ляло исходное [58]).
С энергетической точки зрения различие между е ° и eu, sE и
sD связно с тем, что при и=0 и В=0 отсутствует многократное
‘ преобразование одного вида энергии в другой: при «=0 энергия
электрического поля целиком идет на поляризацию, а при Е=(У
энергия упругих колебаний не тратится на электрическую поляри-
зацию. Наоборот, при о=0 и 0=0 такое преобразование некото-
рой части одного вида энергии в другой идет наиболее эффектив-
но. Поэтому разность этих величин при разомкнутых и закорочен-
ных электрической и механической сторонах образца соответст-
22
венно удобно рассматривать как меру эффективности электроме-
ханического преобразования энергии. Можно показать [15], что
р<Т_₽«
= (24)
Это отношение называют коэффициентом электромеханической
• связи, который, разумеется, может быть выражен через пьезоэлект-
рические коэффициенты путем подстановки в (24) соответствую-
щих параметров. Если образец имеет форму пластины с попереч-
ными размерами, много большими толщины, а пьезополяризация
и напряженность электрического поля направлены перпендикуляр-
но металлическим электродам, то все величины, входящие в урав-
нения прямого и обратного пьезоэффектов, имеют только одну ком-
поненту, и коэффициент электромеханической связи определяется
выражением
pa _ ^2 _ ^2е“ __ е2 _ • /о 51
Р а Б- D и Е J) • ( '
Коэффициент электромеханической связи можно определить как
отношение взаимной упругоэлектрической энергии пьезопреобразо-
вателя к среднему геометрическому значению суммарной плотно-
сти упругой и электрической энергии. Квадрат коэффициента элект-
ромеханической связи, как показано ниже, определяет чувстви-
тельность пьезопреобразователя при излучении и приеме УЗ волн.'
4. ПЬЕЗОМАТЕРИАЛЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Рассмотрим различные материалы, используемые для изготов-
ления пьезопреобразователей.
Все пьезоматериалы подразделяют на неполярные и полярные
J61].
Неполярные пьезоэлектрики характеризуются, как правило, ма-
лыми значениями относительной диэлектрической проницаемости
в?/ и пьезоэлектрических модулей dik. Для нихс?/ оказывается
порядка 1—20, a dik= (2ч-5) 10~12 Кл/Н. Для материалов этой
группы характерны малые диэлектрические и механические потери,
слабая зависимость всех свойств от температуры.
По электрическим свойствам неполярные пьезоэлектрики делят
на пьезодиэлектрики и пьезополупроводники. Из пьезодиэлектри-
ков этой группы наиболее широко используется кварц. Пьезополу-
проводники, как правило, характеризуются относительно высокой
электронно-дырочной проводимостью. Наличие в пьезополупро-
водниках свободных носителей электрического заряда приводит к
возникновению в них специфических эффектов, связанных с тем,
что свободные носители под действием пьезоэлектрических полей,
сопровождающих упругую деформацию, перераспределяются по
объему кристалла. В свою очередь, перераспределение носителей
заряда создает дополнительное электрическое поле, вызывающее
23
дополнительную деформацию. Эти эффекты оказывают влияние
на поглощение упругих волн в образцах (добротность), а также
на упругие константы. Иными словами, появляется возможность-
управлять свойствами пьезоэлектрических образцов с помощью-
дополнительного • внешнего электрического поля (постоянного или
переменного). Кроме того, пьезополупроводники, как правило, фо-
точувствительны, т. е. их характеристики изменяются при воздей-
ствии освещения.
Пьезосвойства у пьезополупроводников заметно лучше, чем у
кварца, а несколько большая диэлектрическая проницаемость
улучшает и другие электрические характеристики.
Типичными представителями этой группы материалов являются
сульфид и селенид кадмия и окись цинка.
Полярные пьезоэлектрики, отличаются от других пьезоматериа-
лов наличием собственной электрической поляризации, существу-
ющей при отсутствии внешней механической деформации и внеш-
него электрического поля. Они в свою очередь могут быть под-
разделены на линейные (пироэлектрики) и нелинейные (сегнето-
электрики). Наиболее существенное отличие сегнетоэлектриков от
пироэлектриков состоит в том, что одни из них (сегнетоэлектрики)
разбиваются на области спонтанной поляризации — домены, а дру-
гие (пироэлектрики) — нет. Пьезоэлектрические свойства линейных
полярных пьезоэлектриков мало отличаются от свойств рассмот-
ренных выше неполярных пьезоэлектриков. Их относительные ди-
электрические проницаемости лежат в области 10—30, а пьезомо-
дули достигают значений (4—5)10~12 Кл/Н. Наиболее распростра-
ненные их представители — турмалин, сульфат лития. Однако даже
в них указанные величины весьма ма'лы, и поэтому широкого при-
менения в УЗ приборах неразрушающего контроля они не нашли.
Сегнетоэлектрики получили наибольшее распространение в со-
временных пьезоэлектрических преобразователях. Все сегнето-
электрики обладают пьезоэлектрическими свойствами, по крайней
мере в области температур существования спонтанной поляриза-
ции. Справедливость этого утверждения следует из того факта, что*
наличие спонтанной поляризации создает в кристалле.предпочти-
тельные направления, т. е. отсутствует центр симметрии, уничто-
жающий пьезоэффект.
Если кристалл находится в монодоменном состоянии (весь кри-
сталл состоит из одного домена), 'то спонтанная поляризация от-
лична от нуля для всего кристалла. Если же образец разбит на
домены, то полярными, разумеется, являются отдельные домены.
Пьезоматериалы этой группы обладают весьма высокими относи-
тельными диэлектрическими проницаемостями (е?/ = 100 ч-10 000)
и очень высокими пьезомодулями d-tj (до 600-10-12 Кл/Н).
В последнее время получены такие новые сегнетоэлектрические
материалы, как ниобат лития, танталат лития, сульфоиодат сурь-
мы. Основные пьезоэлектрические и упругие свойства этих мате-
риалов приведены в табл. 2. Однако наибольшую практическую
ценность имеют сегнетоэлектрики другого типа — кристаллы тита-
'24 . ‘ •
i
агата бария и пьезоэлектрические текстуры, на его основе, облада-
ющие в пароэлектрической модификации центром симметрии и при-
обретающие пьезоэлектрические свойства за счет линеаризации
.электрострикции спонтанной поляризацией.
Числовые значения пьедокоэффициентов моноддменизировайно-
то кристалла титаната бария приведены в табл. 2, из которой вид-
ео, что его пьезомодули по значению практически не уступают сег-
нетовой соли, а температурный интервал существования намного
шире. Еще более интересны пьезоэлектрические текстуры. Тексту-
рами называют микроскопически однородные среды нерёшетчатого
•строения, состоящие из частиц, свойства которых характеризуются
некоторым выделенным в пространстве направлением. Частным
•случаем пьезоэлектрических текстур является пьезокерамика.
Льезокерамика представляет собой поликристаллическую структу-
ру и состоит из кристаллитов с сегнетоэлектрическими свойст-
вами.
Способ изготовления пьезокерамики, ее механические свойства
и структура аналогичны обычной керамике [6]. Поэтому кристал-
лит пьезокерамики — это зерна со случайной ориентацией кристал-
лографических осей. Средние размеры зерен составляют от еди-
ниц до нескольких десятков микрон, кристаллическая структура
несколько искажена на границах. Зерна разделены между собой
межкристаллитной прослойкой или связующей массой. Каждый
кристаллит имеет доменную структуру, присущую материалу, на
базе которого изготовлена керамика.
В отсутствии внешнего электрического поля суммарная элект-
рическая поляризация образца равна нулю как вследствие домен-
ной структуры кристаллитов, так и вследствие произвольной ори-
ентации кристаллитов друг относительно друга. Чтобы придать ке-
рамике пьезосвойства, ее поляризуют — прикладывают к образ-
цу, на который нанесены электроды, сильное электрическое поле,
и выдерживают образец так в течение определенного интервала
времени. Режимы поляризации могут различаться напряженно-
стыб электрического поля, температурой и длительностью поляри-
зации [6]. В процессе поляризации кристаллиты монодоменируют-
ся, и весь, кристалл получает суммарную поляризацию. Одновре-
менно суммарную поляризацию приобретает и весь образец, так
как векторы поляризации каждого кристаллита ориентируются во-
круг направления напряженности внешнего поля в пределах неко-
торого угла 0. После снятия поля эта преимущественная ориен-
тация сохраняется.
Кроме титаната бария (химическая формула ВаТЮ3) для по-
лучения пьезокерамик используют другие химические соединения
с химической формулой АВО3 (например, РЬТЮ3),'а также твер-
дые растворы на их основе.
Особенно широко применяют в качестве пьезоэлектрических ма-
териалов составы системы PbTiO3—PbZrO3 (так называемые ЦТС
или PZT), выгодно отличающиеся от других составов более высо-
кими пьезоэлектрическими коэффициентами и точкой Кюри.
25
• Пьезоэлектрик Плотность р-10+", кг/м8 Скорость звука сЕ- 10s, м/с Темпера- тура точки Кюри с Tk-с Пьезомодуль кл/н Упругая податливость м2/Н ' Относи- тельная диэлектри- ческая проницае- мость ро- 833
Пьезо
ЦТС-19 7,45 3,00—3,6 290 100 (31) 200 14,9—10,4 1725±325
ЦТС-23 7,4. 3,00—3,35 275 100 (31) 200 15,0—12,0 1075±225
ЦТС-24 7,4 3,00—3,35 270 100 (31) 200 15,0—12,0 1075
ЦТС-21 7,0 3,5—3,8 400 26,6 (31) 66,6 11,6—9,9 550±150
ЦТСНВ-1 7,3 2,85—3,05 240 165 (31) 400 16,8—14,7 225О±56О
ЦТБС-3 7,2 3,37—3,61 180 125 (31) 12,2—10,7,- 2300±500
320 45 (31) 1500±300
ТБ-1 5,3 4,3—4,9 110 10,2—7,9
100
ТБК-3 5,3 4,5—5,0 195 43,3 (31) 83,3 9,3—7,6' 1200±200
PZT-5H 7,5 2,8 (31) 193 274 (31)' 17,0 (3D 3400
2,5 590 21,3
PZT-8 7,6 3,4 (31) ' 300 93 (31) 11,4 (31) 1000
3,1 217 13,7
Кварц' 2,65 5,75(И) 573 2,3(П) 12,77(11) 4,5(И)
Сульфат 2,05 4,7 — 16,3(22) 22,5(22) • 10,3(22)
ЛИТИЯ
Ниобат лития 4,64' 5,8 1210 16,2 (22) 5,03 28,6-
7,1 5,83 (П) 84,6 (И)
Танталат 7,3 6,16 540—700 26 (16) 4,36 (63—45)
ЛИТИЯ 7 (22) 4,87 (И) 50(H)
8
Сегнетова соль 1,77 3,1(22) 24—18 -275 37(22) 350(22)
Сульфоиодат 5,2 1,5 19 150 (31) ’ 86 2200
сурьмы 1300
26
Таблица 2
Коэффициент электромеха- нической связи К Пьезокон станты Модуль Юнга Па Коэффициент Пуассона а
ltk' кл/“2 gzft.I0, Вм/Н- В/м
; керамика
0,4(31), 13,4—19,2 0,066 (31) 0,09—0,13 0,55—0,85 0,38
0,43(31) 0,13 _ 0,105 (31) 0,12 0 15 0,65—0,85
' 13,3—16,6
Р,21 0,105 (31) 0,12—0,15 -
0,45(31) 13,3—16,6 0,65—0,85
0,21
0,2(31) 5,74—6,73 .0,55 (31) 0,14 0,12—0,14 0,85—0,95 0,33
0,45(31) 23,8—27,2 0,083 (31) 0,12—0,14 0,57—0,71 0,31
0,2
0,45(31) 26,2—29,9 0,06 (3D 0,13—0,15 0,7—0,9 0,3
0,2(31) 0,16 0,034 (3D { 0,07— 0,1 0,9—1,1
7,8—12,7
0,076 0,041 (31)
0,2(31) 8,9—11,0 0,084—0,1 1,09—1,3
0,079
0,39 (3D 16,1 (31) 0,09 (3D 0,026 (31)
0,75 27,7 0,19 0,093
0,29 (31) < 8,12 (31) 0,110 (31) 0,09 (31)
0,62 15,81 0,24 0,24
0,095(11) 0,18(11) 0,58(11) 0,45(11) — —
0,3(22) 0,7(22) 1,74(22) 0,77(22) — —
0,24 (22) 0,32 — — — . — —
0,31 (16) 2,6 (16) 0,58 (16) 0,72 (16) — —
0,2 1,6 (22) 0,15 (22) 0,43 (22)
1,9 0,21 ' 0,5
0,65 7,3(22) 0,890 0,24(22) — —
0,8 15 0,08 (31) 0,67 ' 0,078 —— --
27
Пьезоэлектрик Плотность р-10-", кг/м’ Скорость звука с£-10->, м/с Темпера- тура точки Кюри Пьезомодуль кл/н Упругая податливость 4-ю*2. м»/Н Относи- тельная диэлектри- ческая проница- емость Е33
Титанат бария 6,02 5,6 (11) 6,15 120 189 (3D 225 8,05 (И) 15,7 265 (И) 2130
Иодат лития 4,5 4,30 (И) 4,13 247 15,4 13,5 (И) 14,7 8,20 (И) 6,50
Сульфид кадмия 4,82 4,18 (И) 4,41 Темпера- тура плавления 2023 —5,18 (31) 10,32 2,02 (И) 16,6 9,35 (И) 10,38
Окись цинка 5,64 6,08 (И) 6,10 Темпера- тура плавления 1870— 1975 —5,2 (31) 10,6 7,70 (И) 6,8 9,26 (И) 11,0
Поливинил- хлорид 1,78 1,96 120 —23 (31) 35 320 (31) 320 12
Примечание. Числовые значения параметров пьезокерамик согласно ГОСТ 1 3927—80
а А- .
Различают сегнетомягкую и сегнетожесткую керамики. Первая
характеризуется высокими значениями пьезомодуля и диэлектриче-
ской проницаемости, а также сравнительно большими механиче-
скими и электрическими потерями. К ней относятся пьезокерамики
ЦТСНВ-1, ТБ-1, PZT-5H. Вторая, наоборот, обладает сравнительно
малыми потерями, но пьезоэлектрические свойства выражены сла-
бее (например, ЦТС-23, PZT-8, ТБД-3). Разработаны также соста-
вы пьезокерамик с промежуточными свойствами (ЦТБС-3, ЦТС-19).
В последние годы и в нашей стране, и за рубежом проводятся
интенсивные поиски полимерных материалов с пьезоэлектрически-
ми свойствами. Наилучшие характеристики имеет поливинилден-
фторид (ПВДФ), который может быть поляризован до достаточно
высокого уровня пьезоактивности.
ПВДФ представляет собой поликристаллический полимер
(СН2—CF)n с точкой плавления, лежащей в диапазоне темпера-
тур 150—180 °C. На ориентированную ПВДФ пленку наносят ме-
таллические электроды (обычно методом вакуумного напыления}
из алюминия, хрома, серебра, никеля и подвергают ее поляриза-
ции в сильных электрических полях. Полученные пленки имеют
сравнительно низкий коэффициент электромеханической связи (см.
табл. 2). Механическая гибкость ПВФД позволяет использовать его
28
Продолжение табл. 2
Коэффициент электромеха- нической связи К Пьезоконстанты Модуль Юнга Па Коэффициент- Пуассона а
ltk' кл/м* g.A-10, Вм/Н В/м
— 14,3' 0,12 0,076 — _ —
0,5—0,6 1,03 2,69 1,83 — —
—0,119 (30 0,262 —0,244 0,44 1,24 0,73 — —
0,19 (31) 0,41 —0,61 (3D 1,14 1,1 1,6' — —
(0,12— (31) 0,15) 0,19 0,11 3,3 0,1 — —
задаются в виде «не менее».
в сочетании с поверхностями разнообразной формы, а малое вол-
новое сопротивление обеспечивает хорошее акустическое согласо-
вание с водой, с материалами линий задержки в преобразователях
и т. д.
Основные сведения о пьезоэлектрических материалах, необхо-
димые для расчета параметров преобразователей в режимах излу-
чения и приема, приведены в табл. 2. При пользовании таблицей
необходимо иметь в виду следующее.
Во-первых, значения величин без верхних индексов относятся
к направлению с индексами «33», совпадающему с направлением:
поляризации. Значения тех или других величин для других на-
правлений обозначены в скобках вверху двумя индексами, харак-
теризующими это направление.
Во-вторых, значения параметров пьезоматериалов даны либо»
в виде интервала допустимых значений, либо в виде нижних допу-
стимых значений. Например, для материала ЦТС-19 скорость зву-
ка сЕ может лежать в пределах (3,00—3,6) 103 м/с, а пьезомодули
в направлениях (31) и (33) не менее 100-10~12 Цл/Н и 200X
Х10-12 Цл/Н соответственно.
Для большинства пьезоматериалов экспериментально опреде-
ляются один-два параметра (чаще пьезомодуль), а остальные ве-
29>
личины рассчитываются. При получении значений, приведенных в
таблице, для простоты предполагалось, что вынуждающие «внеш-
ние» силы (например, Di или оцг) имеют только один компонент,;
действующий вдоль направления поляризации.
5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Весь активный УЗ контроль основан на том, что сначала в ис-
следуемый объект излучатель посылает УЗ сигналы, которые взаи-
модействуют с объектом, а затем анализируется отклик приемника
в виде электрического сигнала,.Расчет пьезопреобразователя в ре-,
жиме излучения. сводится к нахождению распределения механиче-
ских напряжений (деформаций) на его поверхности, обращенной
к изделию, либо на поверхности изделия, примыкающей к' пре-
образователю, при известном электрическом напряжении (силе
тока), приложенном к преобразователю. В режиме приема реша-
ется обратная задача — нахождения электрического отклика пре-
образователя, присоединенного к электрическому регистрирующе-
му устройству, при создании на его поверхности известного рас-
пределения механических напряжений (деформаций).
Разумеется, расчет реального пьезопреобразователя в значи-
тельной степени зависит от его конструкции. Тем не менее, общие
концепции расчета можно уяснить на примере простейшего пре-
образователя, который содержит . собственно пьезоэлемент (пла-,
стану, вырезанную из материала, обладающего пьезосвойствами,
и покрытую проводящими электродами), акустическую нагрузку
и демпфер.
В качестве акустической нагрузки может выступать объект
контроля или элемент конструкций преобразователя. Демпфер
•служит для подавления. инерционных свойств пьезоэлемента. При
расчетах, как правило, принимают, что акустическую нагрузку и
демпфер можно рассматривать как полубезграничные среды, т. е.
УЗ сигналы, излученные в них пьезоэлементом, обратно к пьезо-
элементу не возвращаются.
Из сказанного ясно, что система уравнений, описывающая
работу пьезопреобразователя, должна содержать уравнение дви-
жения упругой среды, уравнения, связывающее механические на-
пряжения и деформации, а также уравнения, учитывающие прямое
и обратное взаимодействия электрических и акустических полей
при излучении и приеме УЗ сигналов.
Уравнение движения упругой среды можно получить из 2-го
закона. Ньютона, если приравнять силу' внутренних напряжений
произведению ускорения на массу единицы объема тела [35]:
= (26)
3/а Зх^
где р —плотность упругой среды;. g*— механическое смещение в
упругой волне.
.30
Если в качестве независимых переменных использовать дефор-
мацию тела и напряженность электрического поля, то при подста-
новке в уравнение (26) уравнения (12) получаем
(27>
► 17Л JUA-fi UAj
Если продифференцировать левую и правую части уравнения:
(26) по координате и в получившееся выражение вместо iiih под-
ставить уравнения обратного пьезоэффёкта в виде уравнения (8)^
то получим
psf/M ------- Э2(Т№ = pdtjh . (28>
7 с«а dxkdxj di2 ' r
Уравнения (27) и (28) являются основными при исследовании
процессов излучения и приема упругих волн пьезопреобразовате-
лями, так как позволяют выразить изменяющиеся во времени и
пространстве механические величины (смещение, механическое на-
пряжение) через электрические (напряженность и индукция элект-
рического поля), и наоборот. Однако эти уравнения должны быть
дополнены уравнениями, связывающими напряженность и индук-
цию электрического поля внутри пьезоэлектрика с такими вели-
чинами, как напряжение, приложенное, к пьезопреобразователю,,
или сила тока, вырабатываемого генератором электрических сиг-
налов.
В принципе-при анализе распространения волн в пьезоэлектри-
ке уравнения (27), (28) нужно решать совместно с уравнениями
Максвелла. Решения в- общем случае представляют собой урав-
нения смешанных, упругоэлектромагнитных полей (упругая волна
сопровождается электрическим полем и, наоборот, электромагнит-
ная волна сопровождается механической деформацией). Однако,,
как можно показать, вследствие большого различия в скоростях
распространения упругих и электромагнитных волн для упругих
волн можно пренебречь магнитным полем, индуцируемым пере-
менным электрическим полем, а для электромагнитных волн мож-
но пренебречь механической деформацией. Поэтому электрическое-
поле Ei в пьезоэлектрике является потенциальным и может быть
охарактеризовано с помощью скалярного потенциала <рэ:
(29)
dxi
Подставляя в (29) вместо Ei одно из уравнений прямого-
пьезоэффекта, например (13), и выполняя интегрирование, полу-
чаем
d d d
j1 Etdxt = фп = I* ff/D jdXi — J hijh dxlt (30}
b 6 о
где d — толщина пьезоэлемента; <р,г —• разность потенциалов меж-
ду металлическими электродами, расположенными на противопо-
ложных гранях пьезоэлемента.
31
Что касается силы I тока, протекающего через пьезоэлемент,
то ее нетрудно связать с электрической индукцией, так как по-
следняя непосредственно определяется поверхностной плотностью
•свободных зарядов на проводящих электродах:
/==Л^Оовб. (ЗП
dt dt ’ k '
где А — площадь электрода; Dn-—составляющая вектора элек-
трической индукции, нормальная, к поверхности электродов. Под-
черкнем, что вне электродов, внутри пьзоэлектрика, являющегося
.диэлектриком, выполняется уравнение (18).
Полученная система уравнений — одно из уравнений (27) или
(28), уравнения (18), (30) и (31)—позволяет решить задачу об
излучении упругих волн при приложении к пьезоэлектрику задан-
ного внешнего электрического поля или найти отклик пьезопреоб-
разователя в виде силы протекающего через него тока или раз-
ности потенциалов между электродами, возникающей при прило-
жении к нему заданного механического воздействия. Произвольные
постоянные, которые образуются при интегрировании основной
•системы уравнений, должны быть определены из граничных усло-
вий, заключающихся в требовании равенства компонентов век-
тора механического смещения -и компонентов тензора механических
напряжений на границах раздела пьезоэлемент — демпфер и пьезо-
элемент — акустическая нагрузка.
После упрощения приведенной системы уравнений можно
аголучить одномерное неоднородное волновое уравнение
4 (32)
дх£ 3*8
из которого следует, что при приложении внешнего поля вдоль
оси х3 в пьезоэлементе возбуждается чисто продольная волна,
распространяющаяся в том же направлении х3. Для обеспечения
условий такого возбуждения пьезоэлемент должен представлять
собой плоскопараллельную пластину. Декартова ось Хз совпадает
с направлением нормали к торцевым поверхностям, на которые
нанесены электроды. При такой геометрии отсутствует-зависимость
всех величин от координат х2, х3, параллельных поверхности пьезо-
элемента, а напряженность электрического поля имеет только одну
составляющую, перпендикулярную поверхности пьезоэлемента.
Для возбуждения сдвиговых волн геометрия . пьезоэлемента
.должна быть изменена. Например, для возбуждения сдвиговой
волны, имеющей компоненту (вдоль оси. xj и распространяю-
щуюся вдоль оси х3, необходимо создать внешнее электрическое
поле, имеющее компонент Еь что может быть достигнуто подбо-
ром специальных электродов, и т. д.
Как следует из (32), при возникновении свободных зарядов на
электродах пьезоэлектрика граница раздела акустическая нагруз-
ка— пьезоэлемент приходит в движение, и в обе стороны от . нее
распространяются волны механических напряжений (в одну, сто-
32
|рону — волна сжатия, а в другую—растяжения). Для пьезоэле-
мента, имеющего форму .пластины, источниками таких волн будут
©бе границы.
Первоначально зародившиеся-волны повторяют временную за-
висимость Е (t). Однако в общем случае Е (/), а следовательно,
и плотность зарядов c(t) не совпадают полностью ни с производ-
ной по времени от силы тока, протекающего, через преобразователь
{см. формулу (31)], ни с разностью потенциалов на его электродах'
•нй в один из моментов времени. Физически это обусловлено- тем,
что пока свободные заряды имеются на электродах одновременно
•с описанным движением границ пьезоэлектрика, многократно ска-
зываются действия прямого и обратного пьезоэффектов. Совершен-
но ясно, что чем более ярко выражены пьезоэлектрические свой-
ства, тем сильнее указанные различия, и, наоборот, чем меньше
количество свободных зарядов на электродах, тем меньше отличие
временной формы механического напряжения от временной формы
лриложенного. электрического поля (так называемое кварцевое
приближение). Поэтому чем ближе режим работы, к электриче-
скому холостому ходу, тем меньшие искажения в форму упругих
сигналов вносит пьезоэффект. Понятно, что при этом уменьшается
и плотность зарядов сг(£), которая пропорциональна электриче-
ской индукции. . • '
Через интервал времени r=d/cz волна, возникшая у левой-гра-
ни, достигнет правой грани. Вследствие прямого пьезоэффекта, по-
явятся дополнительные свободные заряды, которые вызовут допол-
нительную электрическую индукцию. Эта. индукция накладывается
на существовавшую ранее, если воздействие источника внешнего
электрического поля еще не закончилось. Часть упругих волн, до-
стигнув границ раздела, покинет пьезоэлемент и перейдет в демп-
фер и акустическую нагрузку, а другая часть будет многократно
(через интервал времени -с) отражаться в пьезоэлементе. Таким
юбразом, при появлении на электродах пьезоэлемента свободных
зарядов, создающих возбуждающее электрическое поле Е(1), ме-
ханическое напряжение как внутри .пьезоэлемента, так и в аку-
стической нагрузке и демпфере представляет собой суперпозицию
волн, возникших у каждой грани пьезоэлемента и многократно
отразившихся внутри него.
В соответствии с указанным каждая отраженная волна, вооб-
ще говоря, не повторяет форму E(f) и отличается как от преды-
дущей, так и последующей.
Если длительность возбуждающего электрического воздействия
меньше -с, то ,a(t) представляет собой сумму раздельно располо-
женных импульсов, несколько отличающихся друг от друга по
форме. Если же электрическое'возмущение представляет собой цуг
волн, длительность которого тэ больше -с, то отдельные отраженные
волны начинают друг с другом интерферировать,,и формы механи-
ческого напряжения внутри пьезоэлемента и в акустической на-
грузке значительно усложняются. С .увеличением длительности
электрического воздействия число интерферирующих волн также
2 Зак. 926 33
увеличивается и тэ достигает такого значения, при котором его
дальнейшее увеличение оказывает уже очень слабое влияние на,
интерференционные процессы. Это явление наступает, когда вы-
полняется следующее неравенство: тэ>/г&т, где «о— число отраже-
ний УЗ волны-в пьезопластине. Начиная с этого момента реакция
пьезоэлемента на электрическое воздействие в виде цуга практи-
чески не отличается от реакции на воздействие в виде гармониче-
ского сигнала. Такой режим работы носит название квазигармони-
.ческого.
В режиме приема упругих волн все рассмотренные выше про-
цессы в пьезопреобразователе сохраняются. Различие заключается
в том, что теперь вынуждающей силой является поступающая из
акустической нагрузки упругая волна. Эта волна, пройдя через
•границу раздела акустическая нагрузка — пьезоэлемент, внутри
пьезоэлемента многократно отражается. Наличие внутри пьезопла-
стийы механических напряжений вызывает появление электриче-
ской индукций и свободных зарядов на электродах. В результате
этого во внешней электрической цепи, присоединенной к пьезопре-
обр-азователК), возникает электрический ток. Одновременно начи-
нает сказываться действие-прямого и обратного пьезоэффектов, и
это приводит к тому, что временные зависимости электрической
реакдии и возбуждающего механического напряжения различают-
ся) (разумеется, при, этом не учитываются возможные искажения
электрических сигналов за счет интегрирования или дифференци-
рования во входных электрических цепях). Как и в случае излу-
чения, искажающее влияние пьезоэффекта может быть снижено-
зй> счет уменьшения числа свободных электрических зарядов ня
электродах. Последнее достигается приближением к режиму элект-
рического холостого хода или использованием пьезоматериалов со-
слабыми пьезоэлектрическими .свойствами, что, понятно, уменьшает-
амплитуду полезного сигнала.
Наличие свободных заря'дов на электродах приводит также-
к тому, что при каждом отраженйи в пьезоэлемент излучаются
«вторичные» упругие волны, аналогичные волнам, возникающим
в режиме излучения. Следовательно, в режиме приёма имеется как
бы две группы упругих волн, так как к многократным отражениям-
внутри пьезоэлемента падающей упругой волны добавляются мно-
гократно отраженные вторичные упругие волны. Понятно, что ме-
ры, направленные на уменьшение числа свободных зарядов на-
электродах, т. е. электрической индукции внутри пьезоэлемента,,
уменьшают также вторичные волны.
Из сказанного ясно, что в общем случае на упругие напряже-ния,.
действующие на акустическую нагрузку в режиме излучения, и на-
амплитуды электрических сигналов, снимаемых с преобразователя
в режиме приема, оказывают влияние пьезоэлектрические, элект-
рические и механические параметры пьезоматериала, а также вол-
новые сопротивления демпфера и акустической нагрузки. При
этом роль тех или других параметров оказывается различной в:
зависимости от режима работы пьезопреобразователя (излучение,.
34
Юрием, совмещенный режим излучение — прием), а также от вида
©нешних электрической и механической нагрузок.
, Полный анализ этого вопроса требует совместного решения
уравнений пьезоэффекта и волнового уравнения с учетом электри-
ческой нагрузки. Так как в УЗ неразрушающем контроле исполь-
зуются электрические-и акустические сигналы, произвольно зави-
сящие от времени, то такое решение требует применения преобра-
зования Фурье или Лапласа ко всем зависящим от времени величи-
нам. Преобразование Лапласа,, например, уничтожая все времен-
ные зависимости, сводит волновые уравнения к уравнениям Гельм-
гольца, в которых имеются только производные, по координатам.
Решение этих уравнений намного проще решения волновых урав-
' нений. Произвольные постоянные, возникающие при интегриро-,
ванйи дифференциальных уравнений, определяются из условий .ра-
венства механических смещений (колебательной скорости) и .на-
пряжений слева и справа, от границ раздела. В результате уда-
стся выразить все величины через параметры пьезоматерй'ала,
.демпфера, акустической нагрузки и электрической схемы, с одной
•стороны,,и через координаты z и. параметр р преобразования Лап-
ласа—-с другой. Главная трудность при таком подходе заключа-
ется в совершении обратного преобразования Лапласа от перемен-
ного р ко времени t. Этот путь расчета отдельных параметров
пьезоэлектрических преобразователей является наиболее общим и
'.неоднократно используется в последующих главах.
6. ОСОБЕННОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
При проведении УЗ контроля изделий механические напряже-
ния, .возникшие за счет пьезоэффекта на одной из торцевых -по-
верхностей пьезопреобразователя, прикладываются к объекту конт-
•роля. Под действием этих напряжений в .контролируемом изделии
возбуждаются упругие волны, которые, распространяясь, достига-
ют тех или других неоднородностей или границ изделия, отража-
ются от них при контроле эхометодом или проходит' сквозь них при
•контроле теневым методом. Отраженные или прошедшие через
изделие волны несут, информацию об объекте контроля и его, свой-
ствах.
Распространение волн в объекте контроля, не обладающем
.пьезосвойствами, описывается волновыми уравнениями, в которые
.входят только упругие характеристики материала. Роль пьезопре-
-образователя в режиме излучения сводится к созданию того или
иного распределения механических напряжений на поверхности из-
делия. Математически это распределение входит в начальные и
.граничные условия уравнений.
Часто для исследования распределения механических напряже-
ний, смещений и деформаций в объекте контроля пользуются спе-
циальными величинами, носящими название скалярного <р и век-
торного потенциалов. Эти потенциалы так же, как и механиче-
ские смещения, описываются волновыми, уравнениями.,-
. 2* 35
Вычисление скалярного и векторного потенциала можно рас-
сматривать как две самостоятельные задачи — решение четырех
скалярных волновых уравнений для скалярного потенциала. По
известным потенциалам могут быть рассчитаны все величины,,
характеризующие упругие волны в контролируемом изделии, &
функции координат точки наблюдения. Эту' зависимость измеряе-
мой механической величины (смещения, колебательной .скорости,,
напряжения) от координаты точки наблюдения для произвольного
момента времени называют характеристикой акустического поля:
пьезопреобразователя в режиме излучения.
Этот термин является не вполне удачным, так как характери-
стика акустического поля в значительной степени зависит от аку-
стических свойств объекта контроля, его геометрических разме-
ров, качества обработки поверхности, к которой приложены меха-
нические напряжения от пьезопреобразователя, и т. д Поэтому
для того, чтобы эта характеристика описывала свойства только*
пьезопреобразователя, необходимо нормировать условия в акусти-
ческой нагрузке, для которой она рассчитывается или измеряется.
Акустические характеристики проще всего рассчитываются для
преобразователей, ; работающих в иммерсионном режиме [64].
В этом случае векторный потенциал отсутствует, и в среде могут
Существовать только продольные волны.
Поскольку для твердого тела и жидкости волновые уравнения
для скалярного потенциала <р совпадают, за исключением триви-
ального различия в значении скорости звука, удобнее рассмотреть,
основные особенности' характеристик'"акустического поля в им-
пульсном режиме для жидкости. Для этого случая А. А. Харкеви-
чем [64] было найдено решение, т. е. получен скалярный потенциал
<р в функции времени и координат.
Для выяснения физической стороны процессов возникновения
и установления колебаний в произвольной точке пространства
можно рассмотреть простейший возбуждающий сигнал, представ-
ляющий собой единичную функцию Хэвисайда. При этом в точке
наблюдения будет существовать переходный процесс, поскольку
скорость распространения возбуждающего сигнала конечна. И
только когда колебания, возникшие на всех участках излучающей
поверхности, достигают точки наблюдения, наступает установив-
шийся (стационарный) режим. Различные эти параметры характе-
ризуют направленность пьезопластины, и все они специфичны для
импульсного режима. Весьма существенно, что характеристика на-
правленности не определяет направленных свойств пьезопластины
каким-либо универсальным образом, а вводится по отношению к
вполне определенному частному виду сигнала, а именно — к бес-
конечной во времени синусоиде. Поэтому понятие о направленно-
сти, как бы его ни определяли, не имеет смысла, если не указан
вид сигнала. Вводя какой-либо параметр, характеризующий свой-
ства акустического поля пьезопластины, необходимо оговаривать,
для-какого вида исходого сигнала они получены. В противном слу-
чае эти параметры оказываются неоднозначно определенными.
36
Сказанное выше справедливо и для таких понятий, как ближ-
нее и дальнее поле (зона) пьезопластины, которые ранее вводи-
лись для гармонически колеблющейся пьезопластины. За границу
ближней зоны L принималось расстояние, на котором амплитуда
давления на оси пьезопластины достигала своего последнего мак-
симума. Под ближней зоной пьезопластины в радиоимпульсном
режиме следует понимать растояние, для которого переходные аку-
стические процессы заканчиваются в течение половины первого
полупериода колебаний.
Разумно считать дальней зоной область, куда уже успели прий-
ти колебания от всех точек пластины. Следовательно, для цуга.,
синусоид в дальней зоне характеристика направленности совпадает
с диаграммой направленности пьезопреобразователя, полученной
для непрерывного режима. Для одномерного излучателя этот ре-
зультат впервые был получен в работе [64].
Если для цугов синусоид всегда существует параметр, по от-
ношению к которому можно однозначно определить дальнюю зону
(она равна расстоянию, которое проходит УЗ волна за период ча-
стоты заполнения), то для видеоимпульса этого сделать нельзя.
В гл. VII проанализированы акустические поля в дальней зоне
для пьезопластин различной формы при различных импульсах воз-'
буждения для случая, когда акустическими переходными процес-
сами можно пренебречь.
В работе [24] отмечается, что известное в дефектоскопии выра-
жение для границы дальней зоны L=dzl'K является неточным. По-.
грешность между измеренной и рассчитанной' характеристиками
направленности составляет 80 % при расстояниях L=azlk, 16 %—-
при'L = 8a2/.%; менее 1 %—при L=12 az/L Эти выводы подтверж-
даются данными, приведенными в литературе • по гидроакустике
и антенной технике. Причем если для преобразователя в виде ди-
ска граница дальнего поля £~8 п2/%, то для преобразователей
другой формы L=%Dz]h, где D — габаритный размер преобразо-
вателя.
Таковы в общих чертах физические процессы, характеризую-
щие акустические поля при • использовании только скалярного по-
тенциала.
Для акустических полей в жидкостях все интересующие нас ве-
личины могут быть легко найдены дифференцированием по коор-.
динате или времени’ известного скалярного потенциала.'
Для твердого тела даже при задании только нормальных на-
пряжений, равномерно распределенных внутри некоторой области,
одновременно со_скалярным потенциалом _<р возникает и вектор-
ный потенциал V (рис. 4). Поэтому для каждого из компонентов
Ti (t=l, 2, 3) в области'z>0 необходимо решать свое скалярное'
волновое уравнение с соответствующими граничными и началь-
ными условиями. Решение каждого из таких-скалярных уравнений
ничем не отличается от решения, найденного выше для скаляр-
ного потенциала. Это означает, что в точке наблюдения существуют
поперечные упругие колебания, приходящие в эту точку со скоро-
37
Рис, 4. Диаграмма направленности продоль-
ных (£) и поперечных (Т) волн, излучаемых
точечным источником
стью ct. Хотя эти' колебания
чисто сдвиговые, они влияют в
точке наблюдения на все ком-
поненты напряжений, дефор-,
мадий и механических смеще-
ний.
В результате все- времен-
ные зависимости затягиваются,
так как упругие сигналы воз-
никают в момент времени з/сг,
а оканчиваются -— в моменты
времени z/ct. Так как скорости
продольных и сдвиговых волн
в существенной степени разли-
чаются, то в зависимости
от координаты точки наблюдения возможно либо искажение, 'либо
разделение (в дальней' зоне) излучение го,.сигнала (импульса) на
несколько. Эти искажения, .связанные с возникновением продоль-
ных и сдвиговых волн (т. ,ё. с наличием у объекта контроля мо-
дуля сдвига, отличного от нуля), полностью исчезают при- воз-
буждении ультразвука1 в жидкостях. Переходные процессы в жид-
кости связаны только с различием во времени момента прихода
колебаний в точку наблюдения от различных точек, излучающей
поверхности. . ,
. При учете рассеяния УЗ волн происходит трансформация волн,,
так как появляются волны, прошедшие от источника колебаний
до отражателя со скоростью продольных волн, а от отражателя
К приемнику — со скоростью сдвиговых й наоборот. Поэтому вол-
новая картина еще более усложняется. Однако для практической
дефектоскопии роль этих чрезвычайно трудно теоретически учиты-
ваемых эффектов, как правило, невелика, так как обычно в ка-
честве источника информации используется первый пришедший
сигнал.
7. АКУСТИЧЕСКИЕ ШУМЫ
• Способность, того или другого типа УЗ преобразователей вы-
полнять срои функциональные задачи не может быть охаракте-
ризована только параметрами полезного сигнала, например, ам-1
плитудой эхосигнала для эхоимпульсной дефектоскопии или мо-
ментом приема той или другой фиксированной базы сигнала на его-
временной' огибающей для толщинометрии.и т. д. Необходимым до-
полнением к параметрам полезного сигнала являются сведения
о мешающих факторах, создаваемых самим преобразователем. Эти
мешающие факторы будем называть шумами пьезопреобразова-
теля.
Шумы пьезопреобразователей по физической природе можно
подразделить на две группы. К шумам первой группы относятся
тепловые шумы, которые присутствуют постоянно. Действующее
3.8.
значение напряжения от этих шумов на входе усилителя определя-
ется формулой .
, с/ш=2]/тэд/;
где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура;
Дэ—-активная часть входного электрического сопротивления;
Af — полоса частот усилителя.
Типичные значения амплитуды тепловых шумов, приведенной
ко входу приемника, обычнб Не превышают 10—50 мкВ. Поэтому
тепловые шумы оказывают существенное влияние на чувствитель-
ность. приемного тракта только при отсутствии влияния шумов дру-
гих типов (например, при обнаружении в мелкозернистых материа-
лах небольших дефектов, расположенных на значительном расстоя-
нии от преобразователя).
Шумы второй группы образуют паразитные волны, возникаю-
щие в пьезоэлементе и элементах^ конструкции преобразователя в
момент подачи возбуждающего сигнала. Они существуют в тече-
ние небольшого'(по сравнению с периодом повторения) интервала
времени, определяемого скоростью диссипации энергии в преобра-
зователе. Будем назьхвать эти шумы акустическими, чтобы под-
черкнуть, что в их формировании главную роль играют процессы
распространения, отражения и трансформации уцругих (акустиче-
ских) волн, а электрические процессы и электромеханическое-пре-
образование оказывают весьма слабое влияние (в некоторых слу-
чаях, например, при создании режима электрического холостого,
хода, это влияние отсутствует полностью).'Акустические шумы се-
рийных пьезопреобразователей при их использовании .согласно
техническим условиям превышают тепловые шумы в десятки. <и
сотни раз. ' ' .
Расчет • акустических шумов требует совместного решения тех
же уравнений,, что использовались при расчете полезного; сигнала,
поэтому возникающие математические трудности ничем не отли-
чаются от рассмотренных выше.
Ясно, что акустические шумы, порождаемые толщинными' коле-
баниями дискового пьезоэлемента, .возникают на его основаниях.
Длительность шумовых импульсов, определяемая длительностью
многократных отражений упругих сигналов в элементах конструк-
цйипреобразователя, зависит от коэффициентов отраженийна гра-
ницах раздела, коэффициентов электромеханической связи и элект-
рической нагрузки. ' 1
При наличии градиентов пьезомодулей или электрической ин-
дукции даже в одномерном приближении необходимо учитывать
дополнительные источники шумовых' сигналов внутр>и пьезоэле-
мента.
Реальные пьезоэлементы преобразователей нельзя считать од-
номерными, так как необходимо учитывать конечность его геомет-
рических размеров в плоскости, перпендикулярной оси z=x3. При
произвольном соотношении геометрических размеров пьезоэлемен-
тов акустическая; задача, превращается в трехмерную.
39
. Качественная картина упругого поля позволяет понять роль ко-
лебаний, действующих в направлении осей х\ и х2 (или по радиу-
су для круглой пьезопластины), в работе контактного совмещен-
ного преобразователя. Эти колебания за счет радиального коэф-
фициента электромеханической связи создают мешающую электри-
ческую индукцию, затрудняющую выделение полезных сигналов.
Поэтому их также следует отнести к акустическим шумам. Однако
в серийных УЗ дефектоскопах роль такого рода акустических шу-
мов невелика, так как поперечный размер пьезопреобразователей,
рассчитанных на частоты 1—5 МГц, превышает их толщину при-
близительно в 10 раз. ।
’ "Областью УЗ неразрушающего контроля, в которой приходится
считаться с акустическими шумами, вызванными колебаниями в
поперечном направлении, является толщинометрия. В толщиномет-
рии..для повышения разрешающей способности все чаще приме-
няют короткие акустические импульсы, требующие использования
-очень широкополосного усилителя. Кроме того, в различных авто-
матических толщиномерах момент измерения привязывают к ам-
плитуде сигнала в тот или другой момент времени (например, для
принятого радиоимпульса время отсчитывается от некоторого на-
перед заданного момента времени до первого или второго пере-
хода сигнала через нуль). Наложение принимаемых полезных сиг-
налов на паразитные смещает этот момент отсчета.
Еще одной причиной акустических шумов в контактных совме-
щенных преобразователях являются сигналы, излученные в демп-
фер, достигшие его граничных поверхностей и вернувшиеся обратно
к пьезоэлементу.
Поскольку обычно толщина демпфера значительно превышает
суммарную толщину пьезоэлемента и протектора, колебания, отра-
женные от его тыльной стороны, приходят к пьезоэлементу значи-
тельно позднее начала- возбуждения. К этому времени все коле-
бания пьезоэлемента и протектора затухают. Поэтому, хотя по
абсолютной величине колебания, вернувшиеся из демпфера, много
меньше колебаний, например, пьезоэлемента, они являются основ-
ными в акустических шумах, мешающих выявлению дефектов, да-
леко расположенных-от поверхности ввода упругих волн. Правиль-
но выбранный протектор преобразователя никаких дополнительных
акустических шумов- не создает, так как его толщина обычно
много меньше Длины волны ультразвука, а время распростране-
ния ультразвука в нем много меньше длительности упругого им-
пульса и времени прохождения импульса по толщине пьезоэле-
• мента. Поэтому наличие протектора только изменяет коэффициен-
ты отражения и прохождения на границе пьезоэлемент-—-акустиче-
ская нагрузка.
Большим недостатком преобразователей контактного типа яв-
ляется то обстоятельство, что их акустические шумы в сильной сте-
пени зависят от акустического контакта между преобразователями
и объектом’ контроля. Это связано с тем, что при изменении аку-
стического контакта изменяется коэффициент отражения 7?ОТр.
'40
Стремление снизить влияние колебаний пьезоэлемента на ра-
боту .преобразователей привело к введению между пьезоэлемен-
том и изделием акустической линии задержки, которая отодвигает
время прихода полезных сигналов в более далекую по отношению
к возбуждающему электрическому импульсу временною область.
В этом случае в качестве акустических шумов выступает сигнал,
отраженный от границы раздела линии задержки и изделия, а так-
же сигналы, многократно отраженные от границ линии задержки.'
Шумы этого типа ограничивают максимальную толщину изделий,
подлежащих УЗ контролю, так как при использовании преобразо-
вателей с линиями задержки можно контролировать только изде-
лия, в-которых время.пробега УЗ импульса не превышает времени
пробега в линии. . . ’
Линию задержки между пьезоэлемеНтом и изделием использу-
ют также в широко применяемых наклонных преобразователях.
Однако в них нормаль к поверхности пьезоэлемента составляет
некоторый угол с нормалью к поверхности изделия, поэтому при
отражении происходит не только отражение исходной продольной
волны, но и частичная трансформация ее в сдвиговую. Геометрию
линии задержки (призмы) выбирают таким образом, чтобы вол-
ны, прежде чем попадут на пьезоэлемент, многократно отразились
и прошли достаточно большой путь.
Несмотря на наклонное падение УЗ лучей На границу призма—
изделие не удается полностью устранить шумы, связанные с отра-
жением от границы. Это объясняется тем, что акустическое поле
преобразователя в прйзме можно считать плоской волной лишь
приближенно. В действительности оно состоит из ряда лепестков,
некоторые из которых направлены перпендикулярно границе раз-
дела и являются причиной возникновения рассматриваемых шу-
мов.
Введение раздельных пьезоэлементов и линий задержек для
излучения и Приема УЗ сигналов делает пьезопреобразователи сво-
бодными от шумов, рассмотренных выше. Для удобства использо-
вания оба пьезоэлемента и линии задержки объединены в одном
корпусе. В результате вдоль торцевых поверхностей линий задер-
жек распространяется волна, возникающая вследствие частичной
трансформации исходной продольной Волны. Эта волна является
источником акустических шумов в преобразователях такого типа,
называемых раздельно-совмещенными (PC). Некоторый вклад в
акустические шумы, возникающие на приемном пьезоэлементе, дает
также электрическая наводка сигналов, многократно отраженных
в излучающей линии задержки.
Акустические шумы в излучающей линии задержки, связан-
ные с многократными, отражениями, не представляют ничего прин-
ципиально нового по сравнению с уже рассмотренными выше.
• При наличии хорошего электрического и акустического (с бо-
ковых поверхностей) экранирования пьезоэлементов й Линий за-
держки единственным источником акустического шума на прием-
ном пьезоэлементе является торец приемной линии задержки^ Это
41
подтверждается тем, что некоторые совершенствования конструк-
ций (например, изготовление канавки, в экране, между линиями .
задержки) приводят к' уменьшению шума.
Волна, распространяющаяся вдоль торцов линии задержки и
создающая шум, в принципе может локализоваться либо непо-
средственно в призмах, либо в объекте контроля вблизи его по-
верхности. Экспериментальные результаты свидетельствуют р.том,
что мещакУщая УЗ контролю волна локализуется в поверхностном
слое объекта контроля (релеевская и продольная волны), так что
в свободном PC преобразователе (не контактирующем с изделием)
шумы этого типа практически отсутствуют.
8. МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНОСТИ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Практически все пьезоэлектрические преобразователи для при-
боров неразрушающего контроля работают в импульсном режиме.
В связи'с .этим одной из важнейших характеристик пьезопреобра-
зователей Является, ширина полосы их рабочих частот (полосы
пропускания). Чем шире эта полоса, тем выше разрешающая спо-
собность । УЗ приборов, меньше мертвая зона, ниже погрешность
измерения толщины изделия,' координат дефектов, скорости ульт-
развука. '
В связи с важностью задачи создания широкополосных пьезо-.
преобразователей этой теме были посвящены работы многих иссле-
дователей. В результате к настоящему времени сформировались
три основные группы методов создания широкополосных' пьезопре-
ббразователей для дефектоскопической и контрольно-измеритель-
ной УЗ аппаратуры: - .
методы, в которых полоса пропускания при использовании
обычных полуволновых пьезоэлементов расширяется за счет их .
механического или электрического демпфирования, оптимального.
акустического согласования со средой, в которую они излучают,
применения корректирующих jR, L, С-цепей, использования много-
слойных преобразователей с активными и. пассивными слоями
и т. д.; ' . ..
методы, основанные на применении специальных электронных '
схем возбуждения полуволновых пьезоэлементов и схем .включе-, ",
ния их в .режи'ме приема УЗ колебаний (компенсация .свободных
колебаний пьезоэлек(ентов, компенсация реактивной составляющей
их входного сопротивления, использование отрицательных элект- '
росопротивлений и др.); :
методы, основанные на применении пьезоэлементов специаль-
ной. формы (клиновидных, сферически вогнутых и т. д.), специаль-
ных составов . пьезокерамики и специальной технологической обра7
ботки пьезоэлементов, использовании нерезонансно возбуждаемых
.(«толстых») пьезоэлементов и др. ;
В'подавляющем большинстве современных отечественных и за-
рубежных’ дефектоскопов, толщиномеров и других УЗ приборов с
целью., расширения, полосы, пропускания электроакустического
42
тракта для получения коротких УЗ импульсов' применяют механи-
ческое демпфирование полуволновых резонансных' пьезоэлементов.
Для этого пьезоэлемент Приклеивают к массивному телу (демпфе-
ру), которое изготовляют из материала с-большим характеристи-
ческим импедансом и большим коэффициентом- затухания УЗ волн.
Жесткая связь с демпфером приводит к тому, что после оконча- .
ния действия возбуждающего электрического <или принимаемого
УЗ импульса свободные колебания пьезоэлемента быстро' затуха-
ют, причем тем быстрее, чем ближе ймпедансы материалов демп-
фера и пьезоэлемента. Это объясняется снижением добротности и,
как следствие, расширением полосы пропускания пьезоэлемента .
из-за вносимых потерь, запасенной в нем акустической энергии, вы-
званных распространением- УЗ колебаний в объеме демпфера.
Материал демпфера необходимо выбирать из соображений
большого коэффициента затухания УЗ волн, чтобы исключить по-
явление паразитных импульсов, вызываемых многократными отра-
жениями УЗ волн, излучаемых пьезоэлементом в демпфер. В на-
стоящее время практически повсеместно в качестве материала для
демпферов используют различные гетерогенные" смеси (смолы и
компаунды с порошкообразными наполнителями). Чаще всего этим
материалом служит эпоксидная смола, смешанная с наполнителем
из мелкодисперсного порошка вольфрама [47, 55, 74]. Демпфер, из
такого материала технологичен и позволяет изменением массового
соотношения смолы и вольфрамового порошка изменять в Широ-
ких пределах его характеристический импеданс.
Наибольший достижимый импеданс демпферов, получаемых
смешиванием компаунда с наполнителем, составляет 5,5- Ю6 кг/
/(м2-с). Это значительно меньше характеристического импеданса
пьезоэлемента, выполненного из наиболее широко применяемой в
настоящее время пьезокерамики титаната цирконата1 свинца
(ЦТС). С Помощью преобразователей с такими демпферами мож-
но излучать- УЗ импульсы длительностью не-менеё пяти-шести пе-
риодов .собственных колебаний пьезопластины (на уровне 40 дБ
от максимального значения амплитуды).
Дальнейшее повышение процентного содержания Наполнителя
для увеличений импеданса демпфера приводит к увеличению вяз-
кости и неоднородности всей массы, что крайне осложняет ее за-
ливку даже в простейшие формы и склеивание с пьезоэлементом.
.Были предложены другой состав и иная технология изготов-
ления демпфера, где связующая масса (смола)- заменена фенопла-
стом [55]. Этот материал обладает сравнительно высоким [15,2Xi
ХЮ6 кг/(м2-с)] характеристическим импедансом (всего лишь при-
мерно в 1,5 раза меньшим импеданса пьезбкерамики ЦТС) и чрез-
вычайно большим коэффициентом затухания. .
Пьезопрёобразователь с таким демпфером при его возбужде-
нии электрическим „импульсом, равным по длительности половине
периода собственных колебаний' пьезоэдемента, может - излучать
УЗ импульсы длительностью порядка-трех-четырех периодов коле-
баний.
43
Теоретически предел, уменьшения длительности УЗ импульсов,
излучаемых полуволновыми пьезоэлементами с механическими
демпферами, составляет один период синусоидальных колебаний
собственной частоты пьезопластин [12, 74, 75]. Этот предел дости-
гается при равенстве характеристических импедансов материалов,
из которых изготовлены демпфер и пьезоэлемент, и возбуждении
его электрическим импульсом в виде полупериода синусоидальных
колебаний собственной частоты пьезоэлемента.
Прием одноволнового импульса этим или таким же предельно
демпфированным пьезоэлементом приводит к тому, что электри-
ческий сигнал, снимаемый с пьезоэлемента, состоит из трех полу-
волн, причем- амплитуда второй полуволны вдвое больше ампли-
туды первой и третьей, полуволн [74, 75].
Метод электрического демпфирования пьезопреобразователей
как средство расширения полосы их рабочих частот известен дав-
но. Суть его состоит .в том, что при некоторых значениях актив-
ного сопротивления, шунтирующего пьезоэлемент, происходит рез-
кое расширение его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).
При оптимальном электрическом. демпфировании пьезоэлемен-
тов из керамики ЦТС-19 возможно получение [23] такой же полосы
пропускания, как и в случае демпфирования материалами с харак-
теристическим импедансом z0=6-10G кг/(м2-с). Это позволяет во
многих практических случаях . отказаться от механического демп-
фирования, что существенно упрощает конструкцию пьезопреобра-
зователей. .
Метод расширения АЧХ пьезопреобразователей, основанный на
подключении к пьезоэлементу как в режиме излучения, так и в
режиме приема корректирующих R, L, С-цепей в различные ком-
бинациях, позволяет в широких пределах изменять форму АЧХ
.электроакустического тракта.
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что
при одинаковой ширине АЧХ коэффициент двойного электромеха-
нического преобразования; при использовании корректирующих
электрических цепей значительно выше, чем при механическом и
.электрическом демпфировании [13]. Это объясняется тем, что пьезо-
пластина и присоединенный к ней электрический контур представ-
ляют собой две связанные колебательные системы. Согласно теог
рии связанных колебательных контуров:, при сильной связи между
ними на резонансной частоте (одинаковой для каждого контура)
возникает минимум АЧХ, а максимумы достигаются слева и спра-
ва от нее. При одинаковой добротности контуров АЧХ имеет вид
плато, т. е. достигается максимальное расширение частотного диа-
пазона.
Расширению АЧХ пьезопреобразователя способствует примене-
ние четвертьволнового промежуточного слоя между пьезоэлемен-
том и средой (как правило, жидкостью), в которую он излучает
, (или из которой принимает) УЗ колебания [13]. При использова-
нии такого промежуточного слоя-с оптимальным характеристиче-
ским импедансом прй оптимальной для этого случая степени ме-
44
Панического демпфирования удается расширить полосу пропуска-
ния кварцевого пьезопреобразователя до ±20 % относительно его
резонансной частоты. При этом четвертьволновый промежуточный
«слой не только расширяет полосу пропускания, но и повышает ко-
эффициент двойного преобразования за счет улучшения условий'
фередачи акустической энергии от пьезопреобразователя в сторону
полезной. акустической нагрузки (иммерсионной жидкости).
| К недостаткам этого метода увеличения широкополосности сле7
дует отнести усложнение конструкции пьезопреобразователя и не-
обходимость точной механической обработки четвертьволновой
пластины в строгом соответствии с собственной частотой пьезоэле-
мента, а также тщательного ее приклеивания к пьезопластине тон-
ким и равномерным слоем клея.
Часто методы расширения полосы пропускания используют в
комплексе, что позволяет расширять полосу пропускания электро-
.акустического тракта на уровне 0,7 от максимума до ±30—-40 %’
•от средней (собственной) частоты применяемых пьезоэлементов.
Исследование этих методов систематизировано и подробно рас-
смотрено в монографиях И. Н. Ермолова [13], В. И. Домаркаса и
.Р.-И.Ю. Кажиса [12]. Добавим лишь, что в сочетании с этими ме-
тодами увеличения широкополосности электроакустического трак-
та иногда используют и метод «разнесения» резонансных частот
.излучающего и принимающего пьезопреобразователей. [23]. Однако
этот метод не нашел широкого распространения в-:значительной
•степени из-за того, что применим только при использовании раз-
дельных и PC пьезопреобразователей, где функции приема и излу-
чения выполняют разные пьезоэлементы [23].
Иногда при необходимости повысить частоту УЗ колебаний и
расширить диапазон рабочих частот электроакустического тракта
аппаратуры неразрушающего контроля и многих других УЗ при-
боров до десятков и. сотен мегагерц применяют пьезополупровод?
.никовые преобразователи с запирающими и диффузионными слоя-
ми [53]. ' >
Главным преимуществом таких пьезопреобразователей являемся
•то, что они позволяют расширить частотный диапазон УЗ аппара-
туры до десятков и сотен мегагерц без использования тончайших
шьезопластин с такими высокими собственными частотами. .
К недостаткам пьезополупроводниковых преобразователей сле-
дует отнести, во-первых, то, что они принципиально резонансны
и не позволяют реализовать широкополосный преобразователь с
•относительной шириной полосы пропускания больше ±30—50 %;
во-вторых, на их основе трудно изготовить пьезопреобразователь
•с большой площадью излучающей поверхности,— диаметром 10—.
.20. мм [53], что часто оказывается необходимым в практике УЗ
дефектоскопии; в-третьих,—-и это, видимо, наибольший недоста-
ток, — в настоящее время не удается изготовить пьезополупровод-
шиковые преобразователи, способные перекрыть весь диапазон ча^-
«стот, широко используемых в УЗ дефектоскопии—1—50 МГц [51].
Известен метод коррекции АЧХ пьезоэлемента возбуждением
45
его импульсами, частотный: спектр которых компенсирует-неравной
мерность характеристики пьезоэлемента [44].
Для. формирования в режиме излучений' коротких УЗ импульу
сов с помощью полуволновых резонансных пьезоэлементов и исклюй
Чения затягивания колебаний в режиме приема предложен метод1
электрической компенсации свободных колебаний пьезоэлемента^
[12,28] (см. также п; 4 гл. II). . I
Сущность метода состоит в следующем. На полуволновой резо-
нансный пьезоэлемент, не демпфированный, ни механически, ни
электрически, подается импульс электрического напряжения (в ви- :
де ступеньки с крутым фронтом), возбуждающий в нем синусои-
дальные УЗ колебания с собственной частотой пьезоэлемента, за-
' тухающие по экспоненциальному закону. Затем через время, рав-
ное половине периода этих ’ колебаний, на пьезоэлемент подается’
еще один такой же электрический импульс, возбуждающий в нем
такие же УЗ колебания, но сдвинутые по фазе на 180°. Суперпозй-
.ция этих затухающих колебаний приводит к их взаимной компен- ’
сации, за исключением первой полуволны, возникшей в результате-
воздействия' первого ймпульса.
Существуют довольно’простые схемы генераторов ступенчатых
импульсов для. возбуждения пьезоэлементов с компенсацией их
свободных колебаний [12, 28]. Некоторые из-: них использованы в;
ряде УЗ толщиномеров и дефектоскопов с повышенной разрешаю-
щей способностью. !
Легко показать, что возбуждение полуволнового пьезоэлемента-
двухступенчатым импульсом с длительностью первой ступеньки,,
равной полупериоду собственных колебаний пьезоэлемента, экви-
валентно возбуждению последнего двойным колоколообразным им-
пульсом. При этом длительность каждого из этой пары импульсов;
должна быть строго (на практике с точностью- 1—5%) равна по-
ловине периода собственной частоты пьезоэлемента. : .-•
’ В работе [12] описан еще один вариант метода электрической
компенсации свободных колебаний пьезоэлемента одновременно fc
режиме излучения и в режиме приема. Суть его состоит в том, что»
в результате возбуждения недемпфированного пьезоэлемента в ре-
жиме Излучения трехступенчатым импульсом преобразователь из-
лучает двойной акустический импульс, аналогичный по форме двой-
ному электрическому импульсу, описанному выше.
' ' В режиме приема на выходе- пьезоэлемента, возбуждаемого*
акустическими импульсами такой формы, получается электриче-
ский импульс в виде одного периода синусоидальных колебаний..
На основании расчетов было выяснено, что применение метода
электрической компенсации не дает решающего-выигрыша в со-
кращении'длительности импульса. Например, расчеты для кварце-
вого преобразователя с демпфером из материала с характеристи-
ческим импедансом Zo=6-106 кг/(м2-с), излучающего в воду и-
•включенного в резонансный контур с добротностью Qs—2-j-4, по-
казали, что при возбуждении скачком напряжения амплитуда ко-
лебаний уменьшалась в 100 раз за т=?=8,1 периода, а при воз-
46
Суждении двойным скачком, соответствующим' условиям электри-
ческой компенсации, за т=4,3 периода. При этом максимальная
(амплитуда уменьшалась в 4,3 раза: Если ввести просветляющий
(четвертьволновый протектор, то рассмотренные два варианта воз-
буждения дали значения т=4,8 и 4,1 периода. Амплитуда макси-
мального сигнала при этом уменьшалась в 1,8 и 4,3 раза отно-
сительно амплитуды в первом рассмотренном случае. Таким обра-
зом, применение согласующего протектора, устраняет необходи-
мость в сложной схеме электрической компенсации. 1 •
I К недостаткам методов электрической компенсации можно от-
нести: необходимость применения специальных -схем генераторов
. сдвоенных импульсов (ступенчатых двойных и тройных или двои-
чных колоколообразных); необходимость подстройки генератора
1 для наиболее полной компенсации свободных колебаний индиви-
дуально. под каждый пьезоэлемент; нарушение условий компен-
сации при изменении толщины контактного слоя при Использова-
ний-преобразователей контактного типа. Пег изложенным причи-
нам этот метод, не нашел широкого практического применения в
УЗ импульсной аппаратуре'и тем более'в. серийных приборах. •
Изучение переходных и импульсных Характеристик пьезоэле-
ментов, как устройств с распределенными параметрами [71, 73; 74,
75], привело к появлению так называемых толстых пьезоэЛемен-
тов, которые открывают новые возможности • повышения широко-
полосности преобразователей. Работа^ такого-, преобразователя
основана на том, что акустические сигналы возникают на' поверх-
ностях, несущихэлектроды ,[69].
Если пьезоэлемент в виде диска с электродами на-основаниях
возбудить коротким - электрическим импульсом длительностью
x-^djc, то на его обоих основаниях возникает акустическое давле-
ние [74, 75].-Каждое основание работает как источник УЗ,волн, из-
лучаемых в двух направлениях: в объем пьеВоэлемента и во внеш-
нюю среду. В результате в нагрузке возникает ряд1 акустических
импульсов: импульс,. излученный лицевой стороной в момент'вре-
мени /=0; импульс, излученный'тыльной поверхностью при t—dfc,
И импульсы, многократно отраженные, от. оснований пвезоэлемента
В моменты /—(2, 3, 4, ...) die. ’
Временная диаграмма этих, импульсов ' имеет вид отдельных
коротких однополярных импульсоВ>: взаимно противоположной • по-
лярности, следующих через интервал времени d/c. Она справед-
лива и для режима приема [74] по отношению к электрическим им-
Пульсам; на электродах пьезоэлемента. Преобразователи, работаю-
щие в описанном режиме, называют' толстыми, поскольку время
распространения УЗ импульса по пьезопреобразователю (т. е. вре-
мя d]c) много больше длительности Импульса тИМд-
С помощью толстых пьезопреобразов'ателей (ТП) можно излу-
чать акустические импульсы нано- и пикосекундной длительности.
Быстродействие ТП'принципиально ограничивается' только време-
нем установления ионной' поляризации' в -пьёзОКерамике, которое
ПО оценкам разных авторов [28,' 29, 56]. лежит в пределах 10-10—
47
Ю-13 с. На практике минимальная длительность акустических им-
пульсов, излучаемых. ТП, составляет единицы наносекунд [28, 29J
и ограничивается чисто техническими возможностями создания
электронных схем генераторов наносекундной длительности и чи-
стотой обработки излучающей поверхности пьезоэлемента. При?
параметре шероховатости поверхности ^2=0,16-4-0,08 минималь-
ная длительность акустических импульсов, которые удается полу-
чить с помощью ТП, составляет 2—3. нс [55], что соответствует;
разрешающей способности эхоимпульсных приборов по глубине на\
изделиях из стали и алюминия 5—10 мкм. При работе в режиме]
приема с электродов ТП можно снимать электрические сигналы,.'
форма.и длительность которых с высокой точностью повторяет фор-
му и длительность принимаемых акустических импульсов.
К существенным недостаткам ТП можно отнести невозможность
излучения с их помощью одиночных акустических импульсов, так
как в.ответ на одиночный электрический импульс они всегда от-
кликаются последовательностью акустических импульсов. Это об-
стоятельство ограничивает максимальные глубины прозвучивания
в УЗ дефектоскопах и соответственно максимальные измеряемые
толщины в УЗ эхоимпульсных толщиномерах. Так, при толщине
5 мм .пьезоэлемента из керамики ЦТС-19 максимальный времен-
ной интервал между излучаемыми акустическими. импульсами со-
ставляет 1,5 мкс. Это соответствует максимальной измеряемой тол-
щине 4,5 мм для изделий из стали и. алюминиевых сплавов. Чрез-
мерное увеличение толщины пьезоэлемента приводит к резкому
уменьшению коэффициента двойного преобразования, так как он
обратно пропорционален квадрату толщины. В гл. V показаны воз-
можности преодоления отмеченного недостатка ТП.
-у. Одним из эффективных способов расширения полосы пропу-
скания преобразователя является выполнение пьезоэлемента пере-
менным. по толщине. Максимальный коэффициент преобразования
достигается при определенной частоте, • зависящей от -толщины
пьезоэлемента. Сочетание зон разной толщины позволяет добиться
частотного диапазона в 2—3 октавы при сохранении достаточно'
высокой- чувствительности.
В данной работе подробно рассмотрены возможности расшире-
ния полосы пропускания. Отметим, что способ достижения широ-
кополосности путем акустического и электрического согласования
применяется в наиболее широко распространенных преобразовате-
лях для импульсных дефектоскопов и толщиномеров, он практиче-
ски не связан с понижением общей чувствительности контроля..
Его возможности рассмотрены-в гл. II и III..Способ электрической
компенсации, как'.отмечалось выше, не-нашел'Широкого практиче-
ского применения ввиду отмеченных недостатков.. Преобразователи
с ТП применяют в УЗ. толщиномерах, где не требуется достижения
высокой чувствительности. Преобразователи с пьезоэлементами пе-
ременной толщины применяют в УЗ. спектроскопах; где требуется
излучение и прием импульсов достаточно широким спектром частот
при-минимальной потере чувствительности.
48
Глава II
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
С ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОЙ пьезопластиной,
совершающей колебания по толщине
1. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ И ВХОДНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
В разработке теории электроакустических преобразователей и>
методов измерения их параметров важным моментом является
установление взаимосвязи между передаточными функциями пре-
образователя и его сопротивлениями. Поиск решений многих задач
значительно упрощается, если преобразователь является взаим-
ным. Основами общей теории взаимных преобразователей являются
соотношения взаимности, теорема о чувствительностях и выраже-
ние для параметра взаимности ,[63, 65, 66].
Электроакустический преобразователь будем рассматривать-
как замкнутую систему, имеющую два' канала (стороны), через
которые возможен обмен энергией преобразователя с внешними
устройствами. Одной энергетической стороной — «электриче-
ской»—служат электрические контакты, соединяющие преобразо-
ватель. с генератором или приемником; другой — «механиче-
ской»— рабочая поверхность, вернее, плоскость, через которую об-
мениваются энергией преобразователь и акустическая нагрузка
(объект контроля). '
Электрические сигналы на входе и выходе преобразователя бу-
дем характеризовать напряжением (J и силой тока /; акустиче-
ские— силой F и колебательной скоростью V.'
Под линейным преобразователем будем понимать такой преоб-
разователь, для' которого связь входных сигналов с выходными
выражается линейными функциями.
Для линейного обратимого преобразователя сила F и колеба-
тельная скорость V на его рабочей поверхности S связаны с элект-
рическим напряжением U и силой тока I на электрических клем-
мах системой уравнений:
Ди = и ^хгКи» Дп = °й/п> (33)
/п = ^21-^и Чг ^22^и> Ki =
где ars(r, s = l,2)—параметры двустороннего преобразователя;.
яге=б/ге/Да; Aa=6Ziifl22—
Здесь и в дальнейшем' при описании режима излучения пере-
менным U, /, V, F будем приписывать индекс «и»; приема — «п»..
В дальнейшем будем использовать понятия сопротивления и
49
/
' i
/
. передаточной функции преобразователя, под которыми понимаем
следующие отношения:* • ., ..... /
7 __ у-Уу ,* у __ . 7 _ . < у- __ •fig . /одд
Аэ — г 9 ^пэ— г f Ла — — тл * ^па — '°*'
7п уп Ущ • ъ ИЦ I
^ = ^-; = Kvu=^ Kvl=^; '
Ци ’ Ai Лт
KuF = ~y, Kif = -~\ Kuv = ^y KIV = ~y, (35)
, ’ll Иц
где Zjo, Ze — электрические сопротивления преобразователя и его .
.электрической нагрузки соответственно; Zna, Za — акустические
сопротивления преобразователя и его акустической нагрузки;
Кяифз, vu, vj)> Kuf(if,uv, iv) — передаточные функции, описываю-
щие режим .излучения и режим приема соответственно.
Выражения взаимосвязи между передаточными функциями,
электрическими и акустическими сопротивлениями преобразователя
можно получить как функции параметров, электроакустических че-
тырехполюсников. Для этого будем использовать систему ^-пара-
метров, которую несложно получить из системы ft-параметров
(33): ...
I7 = ZUZ + Z1#;
' ' РУУУ' . [ )
где Zu=czn/6Z2i; Zi2=—Aa/ftgi! Z2i = ^1а2\', 'Zis^—cizzIPvi'
Выражение электрического сопротивления преобразователя, на-
груженного на акустическое сопротивление Za, имеет вид
• znB=:z114-z12z21/(z22+za). . (37)
Для акустически ненагруженного преобразователя Za=0, а
ZnB=Z11:pZi2Z2i/Z22. Если Za=oo, то ZV3==Zll~Zc°:[S1. Отсюда сле-
дует, что параметр Zu-есть не что иное, как электрическое сопро-
тивление между электрическими зажимами заторможенного пре-
образователя.
Выражение, акустического сопротивления преобразователя, на-
груженного на электрической стороне сопротивлением ZB, найдем
мз (33) й (34): . , т
^па ~^22 + ^^/(Zix -f- .Zg). (38)
В случае короткого замыкания на электрической стороне пре-
образователя (Zo—=0) ' 1
^па ~ ^22
При Zr)-=oo
2па = ^па = Z22. ,
Отсюда следует, что Z есть акустическое сопротивление"
. преобразователя при его .разомкнутых электрических зажимах.
50
Величины Zi2, Z2i имеют физический смысл передаточных функ-
। ций Z12=±T\ от, -^21=Дpi . Эти. параметры имеют еще и другие
' названия: - коэффициенты трансформации (гирации) или коэффи-
i циенты электромеханической связи преобразователя. Отметим, что
индексы «О» и «оо» соответствуют случаям Za = 0 и Za=od, соот-
ветственно, или Za=0 и ZsF=O0,
Подчеркнем, что имеются различные подходы к построению об-
щей теории преобразователей [63, 65, 66]. Известные теории основа-
ны на энергетическом подходе к проблеме преобразователя, а глав-
ные различия их состоят в том, что для описания преобразователя
используются или уравнения Лагранжа, или термодинамические
функции и их соотношения (см. п. 3 гл. I). Изложение, приве-
денное выше, построено на основе предполагаемых линейных свя-
зей.между входными и выходными сигналами преобразователя, что-
позволило ' расширить область применения теории. В частности,
теория справедлива для случая, когда акустические сигналы рас-
сматриваются как интегральные характеристики рабочей, поверх-
ности пьезопреобразователя, а это устраняет ряд ограничений, при-
нятых в отмеченных выше работах.
Получим основные выражения, описывающие линейный обрати-
мый электроакустический преобразователь, представляющий собой-
пьезоэлектрическую пластину. Поверхности пластины имеют
сплошные электроды, примыкающие к однородным полубезгранич-
ным средам. Одну из сред назовем нагрузкой, другую — демпфег
ром. Электрическую нагрузку преобразователя, будем рассматри-
вать в виде пассивного обратимого электрического четырехполюс-
ника. Будем считать, что при работе преобразователя пьезопласти-
на совершает колебания только по толщине. Влияние слоя электро-
да на работу преобразователя учитывать не будем, считая его бес-
конечно тонким. При рассмотрении многоэлементных преобразова-
телей в гл. III мы оценим это граничение. .
Для описания пьезоэффекта воспользуемся системой уравнений
(13), (14), (18), (26), (30) в операторной форме.
В результате расчета [10] можно получить выражения для де-
формаций пьезопластины при х=0 и х=а\
' ' Ун+УдсЬ(-щ) .
дх х—о Vch(pr) ’
I . __ Уд + Уя ch (— Рт) (39)
дх V ch (рт)
где x=d!c\ р— оператор, преобразования Лапласа (при гармони-
ческом процессе он равен ito); индекс «н» означает «нагрузка»,
индекс «д» — демпфер.
Из этих выражений можно найти систему линейных уравне-
ний трехстороннего преобразователя:':
.+ АаДв + Zi3VH;
Лн = Z2j/n ИщИц + Z23BK;
(40)
51
где Zn = l/(pc); Z22=Z33=Zi cthpr=Z1 (1 +a\) ((1—a^) Z12=Z21=
=ZiS=Z3i = |333; Z23=Z32=Zi/(shpT)=Zi2ai/(l—a2!); d=exp (—рт);
Z^Sp^j — акустическое сопротивление пьезоматериала; S — пло-
щадь пластины; р33=е33/еи33сс—-коэффициент электромеханической
"Связи материала пьезопластины.
Систему уравнений трехстороннего преобразователя называют
-также системой уравнений электроакустического шестиполюсника.
Параметры Zih при. i=Fk назовем по-прежнему передаточными
^функциями, a Zih при —собственными сопротивлениями:
211 = Т Z22 = Zsa = нГ 1^д=о=4-; (41)
Если собственные сопротивления двустороннего преобразовате-
ля выражают относительно двух переменных при третьей, равной
нулю, то применительно к трехстороннему преобразователю каж-
дое собственное сопротивление определяется соотношением двух
переменных при двух остальных, равных нулю, как это и записано
е (41). В силу равенств Zih=Zhi (й^); рассматриваемый преобра-
зователь является взаимным [63].
Уравнения (40) полностью определяют работу пьезоэлектриче-
ского преобразователя в рамках принятых допущений. Если ввести
электромеханические аналоги F-+-U, то с формальной точки
зрения эти уравнения можно рассматривать как уравнения Кирх-
гофа для электрической цепи. Обычно операция введения аналогов
подразумевается, а обозначения акустических величин-силы и ско-
рости сохраняются. Методом подбора электрической цепи, удов-
летворяющей уравнениям (4G), можно синтезировать эквивалент-
ную электрическую схему пьезоэлектрического преобразователя.
Для этого отправными пунктами могут служить следующие особен-
ности цепи.
Из (40) при /=0 имеем
^ = 2^ + % 1 ,42}
fh=z82kh+z88vh. J
Эта система уравнений описывает механические колебания не-
пьезоэлектрической пластины (или стержня), а как следует из об-
щего вида (42), они могут рассматриваться как акустические че-
тырехполюсники. Если использовать электромеханические аналоги
F—>U, то (42) перейдет в уравнение отрезка длинной линии.
’Отсюда следует, что эквивалентная электрическая схема преобра-
зователя должна содержать отрезок длинной линии.
Так как исходная система содержит три уравнения, то эквива-
лентная схема должна иметь три контура. Из первого уравнения
•системы (40) следует, что кроме длинной линии в схеме должно
быть еще не менее трех элементов цепи, два из которых подсо-
единены к длинной линии.
Пр этим признакам можно синтезировать несколько дуальных
схем [10, 65, 76], удовлетворяющих уравнениям (40). Приведем
52
Рис. Б. Эквивалентные схемы преобразователя:
а — схема Гутииа; б — схема. Редвуда
схемы, нашедшие наибольшее практическое применение. На рис. 5
представлена схема Гутина, которая отличается от схемы Редву-
да, показанной на рис. 5, только графическим изображением длин-
ной линии. Если в этих схемах заменить участок цепи на дуаль-
ную цепь (рис. 5, а), то получим эквивалентную схему, показан-
ную на рис. 5, б. Схема, предложенная Л. Я. Гутиным, удобна
для исследования преобразователей при возбуждении их непре-
рывным синусоидальным сигналом. Для анализа переходных про-
цессов в пьезопреобразователях большую наглядность обеспечи-
вает схема на рис. 5,6.
Из приведенных выражений' передаточных функций преобразо-
вателя и его собственных Сопротивлений, как функций параметров
электроакустического четырехполюсника, можно найти электриче-
ское и акустическое сопротивления преобразователя:
(1—'^(Е-д+Удд+Й—а1(У1н+У1д+2У,1нУ1д)) .
(1 — ЕщЕ, дС^)'
гпэ=-^Г1-^-
рсп 2ртх
2 1 - ^Енд ~ V (1 ~ «J [(1 + «х) (1 - У1Д) + 2(1 + Ехд)]
1 + afvln — у (1 — С])' (1 + У1Д)
(43)
(44)
где у = ------“-------— ; ZB—-сопротивление электрической на-
2рт (1 + pCnZs)
грузки преобразователя; Сп — емкость пьезопластины.
При исследовании различных способов возбуждения преобра-
зователя, если параметры импульса возбуждения неизвестны, их
целесообразно задать не непосредственно на электродах пьезо-
элемента, а на каком-то элементе его электрической нагрузки.
Подбором определенной электрической нагрузки преобразователя
в режиме приема удается обеспечить различные условия оптими-
зации электроакустического преобразования сигнала.
Рассмотрим преобразователь, у которого электрическая на-
грузка задана в самом общем виде-—.линейным обратимым элект-
рическим четырехполюсником. В режиме возбуждения будем счи-
53
тать известным импульс напряжения или . тока на входе электри-
ческого четырехполюсника, а в режиме приема —сигналы на вы-
ходе четырехполюсника. ' ;
Из уравнений электрического четырехполюсника в системе
А-параметров [63] нетрудно найти выражения для передаточных
функций в режиме излучения
| Аот == Аа//(А22 “Ь (45)
1 KaU—KauKA^ +A32/Zm)
и в режиме приема ' "
| Киа = Kua/(A22 + -^гх^пэ)»
I Kia — К.1а!(Ац -)- A12/ZnEI),
где 2ПЭ— UyrfK,
В качестве характеристики акустического входа преобразова-
теля используется коэффициент отражения
Т7 _ гг 1гг _ ZnU~ZR
. *па — °V°n ,
где ста—акустическое давление в. плоской волне, отраженной от
преобразователя.
Это выражение можно представить в виде
Via-Vi^ , fi2 г 0-УУ(1-У1з«1)2(1-Д1)а (47>
V =
m 1-У1нГ1Да? Г 2РАРСП (1 — •
Формула (47) позволяет рассчитать ослабление сигнала и из-
менение его фазы за счет преобразования акустического сигнала в
/электрический. .
2. АНАЛИЗ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ И СПЕКТРАЛЬНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Передаточные функции, электрическое и акустическое сопро-
тивления. преобразователя в общем виде являются сложными и
комплексными функциями частоты, параметров пьезопластины, на-
грузки и демпфера [12, 13]. При анализе частотных свойств этих
функций обычно рассматривают амплитудно-частотные |А(со)| и
фазочастотные <р(со) характеристики комплексной функции A (to):
А (то) = | А (со) | ехр [— (со)],
где |.А(со) | = (a?+b2yi2; <p(co) = arctg(6/cz).
Иногда: полезно рассмотреть и частотные зависимости вещест-.-
венной-и мнимой частей А (ico). . •
Б4
Из соотношений между передаточными функциями можно полу-
чить ;
. АТе(о)^ЙА'с;(а)::/(с(й)///4;] ' (4$)
/Сои(а)=.--Йч(а)///=-Л^Пэ/яЛ
где Н = Ки<з1Ка1—параметр : взаимности по полю; Н—
—Ки<з1К<ц— параметр взаимности по давлению.. ..
Выражения (48) устанавливают взаимосвязь между характе-
ристиками излучения и приема такого преобразователя, у которого
отсутствует электрическая нагрузка. Для плоского одномерного
преобразователя параметр взаимности S^^SIa^d^ (63] не зависит
от частоты. В этом случае, как видно из (48), для проведения ана-
лиза из всех передаточных функций достаточно исследовать лишь
пару функций,, например, Ke/ И Давили К1а и Zw.
Значения передаточных функций и Zw для-частот х<^1, х= 1,
2, 3, .... п (x=co/g>o, где ®о —частота свободных колебаний пьезо-
пластины)' приведены в.' табл. 3, а рассчитанные частотные зависи- 1
мости нормированных значений модулей передаточных функций
КстП = | Д <зи j/| Каи | max И Киа= | К По]/| Дьа|тах На рЙС. 6, CL, б. j
Расчеты выполнены для материала ЦТС-19, Сп=3500 пф, ZR=0, ;
«h^Zh/Z!, что соответствует нагрузке на воду ан1=(0,05), /
оргстекло (0,10), алюминий (0,60), керамику (1,0) и сталь (1,6).
Таблица 3
\ Обозначе- : ние Характери- стики Выражения характеристик для различных х=<в/<в0=1, 2, 3, . . . , п
х<Л п 1, 3, Б ft = 2, 4, 6
КО1 , •; я ZyZpJZi . . ^8~ Sa0 Zu-f-ZK кзз ' Stoon ZH 4- 0 . .
Кзи У 1 1 ' ^н^Д^а toCn <il S(oo ZB + ZK 1-₽« £цэ 0
ТЛ-СЮ . Кив , ЙяЗ ZpJZx hss 4S 0
7 \ 7 <BoR -f- ZB
: 33 «о ZB + ZR 1-₽2 4 г 1 Ю0^1 + ^д ^иэ 0
г.,-1® ! , *1 ‘ . "Ц(1-Ра)/йоСц Г 26® 2Z< 1 14"( . 7 I 7 /Й0(|ЯСп L ПЯ Zb4-ZaJ l/fa>onCn
бб
Рис. 6. Зависимости К*? ' ftN *кУггг
аи иа ULr
от х для недемпфированного пьезо-
керамического преобразователя. при
разных нагрузках:
1 — иа воду; 2 — оргстекло; 3 — алю-
миний; 4— керамику; 5 — сталь
Соотношения (48) выполняются для модулей входящих функ-
ций, а для нормированных величин
jy-JV jyN frN
Лии — Л/а> Лив—Ла1.
Из' анализа рассчитанных зависимостей Каи и Киа следует,,
что в области частот х от 0 до 2 кривые имеют один выраженный
максимум, положение которого зависит от ZH. .
С ростом «hi все частоты максимумов смещаются в область
меньших х, сохраняя неравенство х аица) > хо1, а полосы пропу-
скания для всех передаточных функций увеличиваются.
Амплитудные значения Kai, Киа, как видно из табл. 3, растут
пропорционально h33 (или р); Каи и Kia—пропорционально h3&
при малых /гзз(р), а при больших h33 (р) прирост уменьшается. Уве-
личение Zs приводит к увеличению максимальных значений пере-
даточных функций в режиме излучения и к уменьшению —в режи-
ме приема. При х—>0 Каи, а при х=2 значения всех функ-
ций равны нулю.
Зависимости от р и имеют более сложный вид
(рис. 6, в). При малых ochi и ост и большом р графики имеют дву-
горбый характер, причем значение низкочастотного экстремума
близко к хиа, а высокочастотного к Хиа- При малых р максимум
| Кис/| растет пропорционально р2, а с увеличением .р прирост
уменьшается. При малых aHi и ощ, и р<0,4 функции | Кто| до-
стигают наибольшего (предельного) значения, и дальнейшее уве-
личение р приведет только к деформации положения хии и формы
частотной характеристики. Из соотношений взаимности получа-
'hs
ются следующие сотношения для остальных передаточных функ-
ций совмещенного режима работы:
ЛП!7 = Л//> >
Л^ = №2. (49)
Рассмотрим частотную зависимость электрического сопротив-
ления однослойного преобразователя. Если в выражении для Z^3
положить р = 0, то получим Zns=l/(icoCn). В этом случае Сп равно
емкости Сик (при постоянной деформации). Пропорциональность
сопротивления Zr)3 величине р2 приводит к появлению двух экстре-
мумов на графике |Zns| в области хлИ, которые обусловлены ко-
лебаниями граней пьезопластины (рис. 7, а), Частоту, на которой
наблюдается максимум ха>1, обычно называют частотой антире-
зонанса полуволновой пьезопластины, частоту минимума —ча-
стотой резонанса (ха>х₽). Различие частот ха и х₽ тем больше,
чем больше р, ZH, Zn. Выражение Zns инвариантно относительно
Z„ и ZH. При ZH=ZH.= oo отсутствуют деформации граней пьезо-
элемента, и вновь мы получаем ZJS3=l/(iaCtI^). Если ZH=ZH=0, то
Zna = 11 - Р2 tg (лх/2)/(лх/2)] (50)
icdGjj *
и на частотах ха, хр обращается в 0 и оо соответственно. Это вы-
звано тем, что потери в системе отсутствуют. Поэтому при анализе
Кпэ недемпфированных или слабо демпфированных преобразова-
телей следует учитывать потери в пьезоматериале.
Из выражений ZISb приведенных в табл. 3, видно, что на ча-
стотах, где колебания граней отсутствуют (я— четное), Zn3=
= l/(i®Cun). При х<1 Zns имеет значение сопротивления электри-
ческой емкости Сп при постоянном механическом напряжении
[Сип=Сп(1 + р2)]. В .'реальных схемах включения’пьезопреобразо-
ватели имеют электрическую нагрузку, параметры которой соиз-
меримы с Zira. Наиболее часто встречающиеся электрические на-
грузки можно рассматривать в виде двухполюсника с сопротивле-
нием Z0.
Кроме соотношений между передаточными функциями, которые
следуют из (48), справедливы следующие равенства:
KaU (а) KaU (с); Ка/(a) =Kaz(6);
Киа (а) = Киа (К); Kfa (а) = Kia (с);
Kaz(c)=Kaz(a)/(l+Zn3/Z3);
Киа(с)=Кьа«1 + гпэ/гэ).
Из - (51) следует, что влиянием электрической нагрузки на ха-
рактеристики преобразователя можно пренебречь, если |Zns/Z0|<C!
<С1. В большинстве практических случаев достаточно выполнить
условие Zna ^0,1 Zs.
Рассмотрим вначале влияние чисто активного сопротивления
Zs=7?a, подключенного параллельно к пьезопластинё. В этом слу-
Б7
(51)
Рис. 7. Графики | Zns (.r) ] и <рпэ (ж) для пьезокерамического преобразователя при разных нагрузках:
/—на воду; 2 —алюминий; 3—сталь
Рис. 8. Частотные характеристики пьезокерампческого перобразователя;
а и б —нагрузка-2э=/?а; в —
Чйе частотные характеристики преобразователя можно представить
как функции безразмерных параметров:. «нь ссД1, |3, С=Л0с6оСп=.
На рис. 8,6 показаны частотные характеристики
где Киа=К_и<з при х'=1, у^а=°°> в зависимости от
резонансной частоты fvo,. Киа и относительной полосы пропускания
Дхист (х'=хл).
Из сказанного' следует, что с уменьшением yRB уменьшается
максимальное значение К и снижается частота максимума пре-
образования fuc. Интересной особенностью .зависимости полосы
пропускания от yRs является' наличие максимума при некоторых
значениях нагрузки. Значения добротности Q=Qopt, при которых
обеспечивается максимальное Дх^сг, будем считать оптимальным.
Для недемпфированного преобразователя <Хщ=0 и в области
ссН1>-1 (что хорошо выполняется для жидких сред) Qopt^l-
Увеличение полосы пропускания и уменьшение частоты макси-
мума преобразователя за счет влияния электрической нагрузки'
тем значительнее, чем больше р2. Этот' вывод распространяется
и на случай произвольных значений ань ссд, так как безразмер-
ный параметр характеризует не. столько числовые значения аку-
стических и электрических величин, сколько характер отношений
между ними. Расчеты в широкой области изменения aHi, aKi Пока-
зывают, что значение Qopt в слабой степени зависит от aHi, ссЯ1,
а прирост Дхио и отклонения хиа с уменьшением см, аД1 падают.
Практически важным для УЗ дефектоскопии является вариант
электрической нагрузки, состоящей из RB, LB:
ZB^:Ra/(l+pLBRa). (52)
В этом, случае значение индуктивности LB выбирают, таким,
чтобы собственная частота контура, образованная индуктивностью
и электрической емкостью пьезопластины, была примерно равна
частоте полуволнового резонанса. Поэтому в рассматриваемом
случае, кроме добротности Q=®0Cn^a, удобно задать еще пара-
метр <вэ = 1/}/£эСп (Ха = ЙСОэ/сОо)-
Отсутствие активного сопротивления приводит к тому, что
Q-+оо и'ан1)^>1- При этом вблизи х=л находятся резонансы
хР1 и Хр2, один из которых ниже полуволнового, а другой выше.
При ’Q-Н) частотная характеристика имеет один резонанс. Таким
образом, при фиксированном значении хв с изменением параметра
'Qe(0, оо) частотная характеристика из одногорбой превращается
в двугорбую. Значение Q, при котором имеет место двугорбая кри-
вая с одинаковыми по амплитуде резонансами и минимумом, рав-'
ным 0,707 резонансной амплитуды, является оптимальным при за-
данном хд. Частотная характеристика при этом имеет наиболь-
шую полосу пропускания.
На рис. 8, в представлено семейство частотных характеристик
при хэ=0,9. Нумерация кривых от 1 до 8 соответствует следующим
значениям nQ: 10-2; 10-1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 10. Видно, что с
увеличением Q частотная характеристика из одногорбой превра-
. Б9
щается в двугорбую при возрастании К^на резонансах. Случай
ха=0,9 соответствует резонансной частоте контура, образованного
Ls> Сп, которая ниже частоты полуволнового резонанса. При
ха<п и как показали расчеты, влияние контура на частот-
ную характеристику преобразователя в области его собственной
частоты невелико.
Зависимости Дх№, |КudZиа| M>pt в функции от частоты на-
стройки контура имеют экстремум при ха=0,9я. Таким образом,
существуют такие Qopt и хэ, при которых достигаются наибольшие.
Дпа и Лх иа Расчеты показывают, что для диапазона изменения
ссН1<20 и ре (0,1—0,5) значения хв лежат в пределах от 0,9л до
л, a Q —от 0,1 до 10.
Сравнение основных характеристик преобразователя, нагружен-
ного . на активное сопротивление или на активное сопротивление
с индуктивностью, показывает, что применение нагрузки, содержа-
щей Rs и Ls, позволяет получить почти в 4 раза большую полосу
пропускания при примерно равных значениях [Д'иа].
Весь предыдущий анализ характеристик преобразователей осно-
вывался на зависимости амплитуд или фаз от вещественной ча-
стоты х=ю/юо- Анализ свойств преобразователя в общем случае
можно вести путем исследования комплексных частот функции
Л (/со). Для этого следует найти значения комплексной переменной
p=z+iy, при которых А(р)—>сю. Обычно функцию представляют
в виде А(р)=В(р) и находят корни уравнения С(р)=0. Это
уравнение называют частотным уравнением, а его корни — ком-
плексными частотами или полюсами и %а. Комплексные часто-
ты характеризуют переходной процесс в контуре при воздействии
на него б-функции (/(р) = 1).
Существует бесконечное число комплексно сопряженных корней,
которые характеризуют составляющие сложного переходного про-
цесса, причем каждая составляющая имеет свою частоту и декре-
мент затухания.
В чистом виде электрические и акустические колебания можно
U. в общем виде положение полюсов на
комплексной плоскости показано на
рис. 9.
При анализе свойств преобразовате-
ля. можно руководствоваться следую-
щим. Если полюсы расположены на оси
Im.%, то имеем колебательный незатуха-
ющий процесс. С ростом- |Re2j в систе-
ме увеличивается затухание, а при
Im%=0' процесс носит релаксационный
характер. Применительно к рассмот-
ренному примеру %э может находить-
выделить только при р*
7тЧ I
Лд • I
Лз» %а9 {
Аз Atf I
---- ®----&—4—ф---Э»-
fie Л
Ла» I
Ag» |
{
' I
Рис. 9. Положение корней % , Х-8 на комплексной плос-
кости
60
ся на оси ReZ при L-^-oo, т. е. фактически пред-
ставляет. собой цепь. Варьируя .параметры электрического
контура и акустической системы, можно добиться равенства %а=
=ЛВ для. какого-то п. В этом случае, как будет показано ниже,,
достигаются- оптимальные условия для получения как наибольшей,
амплитуды сигнала, так и минимума длительности переходного»
процесса при фиксированной амплитуде. Исследования комплекс-
ных частот преобразователей с нагрузками 7?а и Z,a дали примерно-
те же значения оптимальных параметров, которые приведены ниже..
3. РАБОТА ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ
' ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ СТАНДАРТНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ
В устройствах -для УЗ дефектоскопии пьезопреобразователь воз-
буждается. электрическими импульсами, имеющими . различную-
форму. Рассмотрим работу преобразователя в импульсном режиме-
при возбуждении, некоторыми стандартными импульсами.
Если к электродам пьезопластины подключено электрическое-
с'опротивление ZB, то при Za—^оо нетрудно получить
р
:Un(p)=^ ; (53>
р
. . . 1 — РиЕхде
В случае. р2<С.1 (например, для кварцевого преобразователя)1
^(p)=^Ua(p)F
= (54>
При переходе к Tja(p) в (54) принято Za=0, т. е. ток через-
пьезопластину наблюдается в режиме короткого замыкания. Фор-
мулы (53) и (54) представлены в таком виде, что позволяют, не-
совершая даже обратного преобразования, проанализировать фор-
мы возникающих импульсов. •
Выходные сигналы в (53) складываются из импульсов Цр)/р-
и оп(р)/р, являющихся интегралом от импульсов тока возбужде-
ния и упругого напряжения в падающей волне, причем сложение
происходит с задержкой на время hti (п=1, 2, 3, ...), где п =
= Zi/ci — время распространения импульса в пьезопластине от одной
грани к другой. Импульсы сгш(р) и /п(р) в (54) складываются из-
импульсов С7и(р) и сгп(р) соответственно. Каждый из задержанных
61
импульсов умножается на. коэффициент, являющийся комбинацией
коэффициентов отражения Ущ, . Удд и прохождения Лн, Р1я на
границах пьезопластины с нагрузкой, и демпфером.
, Структура выходного сигнала отражает довольно простую кар-
тину формирования сигнала [72]. Например, если в режиме воз-
буждения к пьезопластине приложено напряжение, имеющее фор-
му функции Дирака, на каждой грани пьезопластины возникает
импульс упругого, напряжения. От граней пьезопластины импульсы
распространяются в нагрузку, демпфер и внутрь пьезопластины.
Через время Ti импульсы достигают противоположной грани, где
•частично отражаются во внутрь' пьезопластины, а частично прохо-
дят в нагрузку или демпфер. Далее процесс повторяется много-
кратно. По этой же схеме можно рассмотреть формирование элект-
рического сигнала на преобразователе в режиме приема.
Перейдем от выражений (53) и (54) к функциям времени:
<ти(0=>РцЛ(0; =
25 и ZA
Здесь •
П (0 = 1 (t-д) 1 (f-т) Р1д + Фй (if—2x01 (^-2ti) ЗДд-
— Фй (t - Зтх) 1 0 - Зт,) РадВДд + У ~ 4т) 1 (1 - 4rJ едЛ- •
— .. Л = 1, 2, 3, 4; ; Д
t '
ф1(0=Р«(0^; ф2(0=[ °п(И;
о с
<М) = ад; ф4(0 = М0., (56)
Переходные и импульсные характеристики преобразователя,
вычисленные по формулам (55) для случая нагрузки пьезокера-
мической пластины типа ЦТС-19 на алюминий и при 2д=0,1 Д,
показаны на рис. 10. На рисунке видно, что в пьезоэлектрическом
преобразователе происходит сильное изменение формы сигнала.
.Это изменение зависит не только от параметров преобразователя,
как это следует из (55), но и от того, какой из сигналов (ток или
напряжения) принят нами на входе и выходе преобразователя.
На этом же рисунке.видно подобие форм переходных и импульс-',
вых характеристик.
Спад амплитуд импульсов у характеристик сги(£) и /п(^)
(рис. 10, а, б) описывается декрементом затухания 6=—1п| УщУЦ|Г
J2x\. Так как (2=лб/т1, то Qa='—зт/ln| ЦнЦд|-
Известны переходные характеристики, пьезоэлектрического пре-
образователя, когда в режиме излучения напряжение ив=ий]р
(индекс «0» означает начальную величину) задано непосредствен-
но на электродах пьезоэлемента (Ац=1, Л12=0). Режим приема
рассмотрен для егп=оь/р. и электрической нагрузки в виде парал-
<62
Ряс. 10. Импульсы возбуждения реакции преобразователя:
с —режим излучения; б —режим приема
лельной цепи из резистора 7?а и емкости Сэ. Тогда А,^=А21 =
= l/jRa+pCa —проводимость электрической нагрузки, Aj2=A22=L
Выражения переходных характеристик для интервала времени от
О до т имеют вид
адге-01^*; Un(t) =
' - ' а°К* ( М.-М ' • -
~ 2Ш1 (1+-1//-1) Де Tl — e ^7, (57)
где61(2)=-Д1Лй1(±)1; . = (Д?-Y-/a; .
\ 1 +<L J
2(l^pr ) rl==^n/^,0’ r2 —Tl/%>
тэ=7?0С0; a — коэффициент затухания, 7?а, C0— сопротивление и
емкость электрической нагрузки преобразователя.
Из’.предыдущего анализа следует, что' формы импульсов, воз-
никающих на гранях пьезопластины, строго повторяют форму им-
пульсов возбуждения. Этот же результат можно получить из (57),.
если положить равными нулю члены, содержащие р2^ Наличие чле-
нов, содержащих р2, приводит к тому, что формы импульсов на
гранях, пьезопластины отличны от формы импульса возбуждения.
Анализ о-ц и С/п показал,' -что формы кривых переходного про-
цесса полностью определены параметрами: для режима излуче-
ния— р, VHi, ТЛдРдля режима приема— р, Р1Н, У1Д, гл, г2. При
оценке амплитудных значений выступают также как независимые-
параметры ri, Сп, Й и ^а, Й в режимах излучения и приема соот-
ветственно.
6S
Из (53) для предельно демпфированных преобразователей
(Zl=ZK или коэффициент отражения ViK=0) следует, что пере-
ходный процесс оканчивается в момент времени Строгие рас-
четы показывают, что длительность переходного процесса в слу-
чае Z1#=ZK значительно больше, чем £=ti .
В' УЗ дефектоскопии наиболее распространенным является со-
вмещенный режим работы преобразователя. Поэтому в дальцей-
шем будем рассматривать работу преобразователя при заданной
форме импульса возбуждения и исследовать форму сигнала на
преобразователе в режиме приема. При этом будем считать, что
в акустическом тракте' форма импульса не изменяется.
В дальнейших вычислениях будем считать, что в выражении,
•определяющем Zn0, член, пропорциональный |32, значительно мень-
ше единицы. Это условие допустимо, если p<C l или если преоб-
разователь имеет малую добротность. *
Пусть преобразователь возбуждается импульсом напряжения
в виде ступеньки длительностью То. Тогда в интервале
тт 1 г г । (•’•а) I : У Sa • /го\
^п(0=-4~^1 52 + „2 -е я Z/smz/, (58)
. ух .
г? / \ ’ Z?2 (%) е 71
где F(x) = ——-------:------------..
— Т1НТ1д«[) (х хв) х
В интервале у>-Тс. _
UTl (t) = 4 и1 е“/г {№ + (- - (-!)М h} > (59)
4 Sa(S2-|.^)
тде h=ylSaJn-, У\=у—2У0; т=Т0/<2а; За= -|-1п[У1нУщ| =л/27?0соосэ,
Выражение (58) является переходной характеристикой преоб-
разователя в совмещённом режиме работы; огибающая высокоча-
стотного сигнала (59) -позволяет исследовать форму и амплитуду
принятого сигнала при произвольной длительности импульса воз-
буждения в широком диапазоне ' изменения Qa=<2s> где Qs=
=7?0сооС0/2.
Форма импульса при р>Т0 в значительной степени зависит от
•того, четное или нечетное число периодов содержится в То. При чет-
ном числе периодов происходит компенсация колебаний, возбуж-
даемых фронтом и спадом видеоимпульса, а при нечетном — сло-
жение.
4. РАБОТА ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В УСТРОЙСТВАХ
С ГЕНЕРАТОРОМ УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Во многих приборах УЗ контроля для возбуждения пьезопре-
•образователя Используется генератор ударного'возбуждения. Схем-
•ные и .конструктивные исполнения генераторов могут быть различ-
ные, однако большинство из них можно представить схемой, пока-
«84
Рис. И. Генератор ударного возбуждения:
а — принципиальная схема; б — схема нагрузки преобразователя в режиме приема
занной на рис. 11. Генератор работает следующим образом. На-
копительный конденсатор Сг через резистор 7?о заряжается источ-
ником питания до напряжения Uo. При замыкании ключа S кон-
денсатор Сг разряжается через сопротивление генератора 7?г на
электрическую цепь, состоящую из Zi, Z2, Zs, и электрическое соп-
ротивление преобразователя 2ПЭ. Формы возникающего напряже-
ния на преобразователе и тока протекающего через
преобразователь, зависят от. значений /?о, Сг, 7?г> 2ПЭ, а также соп-
ротивлений Zi, Z2, Zs, которые в общем случае являются комплекс-
ными, a Zi и Z2 могут быть равными нулю. Обычно постоянную
времени т=$?оСг выбирают значительно больше длительности им-
пульсов возбуждения С7И(£), /и(£), поэтому влиянием Ro при ана-
лизе переходных процессов можно пренебречь. Тогда схему, пока-
занную на рис. 11, а, можно преобразовать в схему, представлен-
ную на рис. 11,$? Здесь С70/р — источник напряжения, который по-
явился вместо ключа и конденсатора Сг, заряженного до напря-
жения Uo, Z'\ = llpCT+Rv+Zx.
Пусть Kac = c1JaR— передаточная функция акустического трак-
та, где о,п=о'п(р) — изображение импульса давления в падающей
волне на поверхности приемного преобразователя. Тогда полу-
чим [43].
U* (р) = стп (р) Киа = Каи Киа , (60)
Р} (Za -}- Z8 +^na) (Z8 ZIra) Za
где Z\ —электрическое сопротивление приемника; Z^ — сопро-
тивление электрической нагрузки преобразователя в режиме
приема;
Формула (60) описывает электроакустический тракт УЗ при-
бора, в котором излучателем и приемником УЗ колебаний могут
быть различные преобразователи. Излучатель характеризуется пе-
редаточной функцией Каи, приемник — функцией Киа- Если УЗ
прибор работает в совмещенном режиме, то
£7Ц (р) = Кии (р) ^з .(^ + ^)(^ + ^ + ^э) . (61)
Р (Zg + Z8 + Zra) Zj 4- (Z2 -f- Zng) Z8
3 Зак. 926
66
Полученные формулы справедливы для любых, типов применяе-
мых электроакустических преобразователей, если известны их пе-
редаточные функций, причем это могут быть преобразователи,.со-
стоящие из произвольного числа активных и пассивных слоев. /
В качестве формирующей цепи,'содержащей Zr, Z2, Z31 можно
использовать различные схемы, удовлетворяющие требованиям
простоты конструкции, наибольшей чувствительности или малой
длительности переходных процессов. Результаты расчетов, приве-
денные на рис. 12, 13, сбответствуют следующим значениям пара-
метров: 0=0,45; езз/®о=830; ZK=Q; ZH/Zi = 0,24; диаметр пьезопла-
стин ЦТС-19 составляет 18 мм; тв=7?эСв^=0,02 мкс; kv=P.rC^=
=0.,J5, дакс; тгэ=/?гС0==р,24,.мцс.'Во'всех расчетах.параметры тэ, тг,
тгэ считались неизменными, а варьировались значения резонанс-
ных частот, пьезоэлементов, а.также ZH'и.ZH.
.Во всех рассмотренных случаях значения | С/и| максимальны в
точке х—0. Частотам, приближенно соответствующим- частоте ре-
зонанса и антирезонанса электрического сопротивления, преобразо-
вателя, соответствуют на графиках- | Пи| экстремумы: минимум и
максимум, которые тем- сильнее выражены,.чем- меньше.значения
,Zn и Z3.. - . '
*. Для,оценки поведения спектров од и -С7и удобно использовать
параметр где ^—длительность фронта исймпульса.
, .'-.Использованные вьцпе для численного анализа исходные пара-
метры । обеспечивают следующие значения-. 0,24; 0,'ББ; 0,84;
2,2;.10,4. для частоты..^, равной 0,6; 1,0; 2,0; 4,0; 12,5 МГц соответ-
ственно, , , ' - ... . . .. ' . ।
'Формы спектров од.при. фиксированных параметрах-генерато-
ра существенно зависят от частоты fo-. B обдастй^т/Т1>1 при уве-
личении f0 наблюдается значительное усиление .низкочастотной .об-
ласти спектра, образование экстремума в, области х<1 и вырож-
дение максимума, . соответствующего, резонансной частоте преобра-
зователя.,При максимальное значение |сгц| соответствует
нулевой , частоте (х.=0). Усиление низкочастотной области спект-
ра выражено тем сильнее, чем больше ZH и Z„. . ' - , Г г
Характер Изменения'спектров импульса |С7П| в зависимости от
Такой же, как и у рассмотренных выше спектров. Дод|;стой-
только разницей,-что усиление низкочастотной области спектра выг
раженб в этом случае значительно слабее.
-. Приведённые графики зависимости максимального значения
функции | Пп(Хо) | ’(штриховые крйвйе) и Пп (л:=1) (сплошные)-1
от f0 имеют резко выраженные максимумы в низкочастотной об-
ласти (х->0). Результаты сравнения эКсйёрйментальных данных
о расчетными кривыми'свидетельствуют о том, что использованная-'
идеализированная схема генератора, и Методика расчетов-Доста-
точно, хорошо соответствуют процессам, происходящим в электро-
акустическом тракте. Отметим также, что ..наблюдаемые в экспери-
менте длительности импульсов-пи(£) и 'Ua(t) были очень малы
(для fo=4. и 12,5 МГц), а их-форма близка к периоду синусоиды ,
с частотой, примерно: равной fo/З. , , '
66 '• " <’'
Фис, 12. Рассчитанные .зависимости спектров |ПИ|, |си|, |^и| и |tfn| Длячастот, МГц:
/ — 0,6; 2 — 1,0; 3 — 2,0; 4 — 4,0; 5—12,6
' : 'I. . ' ‘
Представленные численные расчеты можно интерпретировать не
только как зависимости UR(x), <ги(х), Пп(х) при разных парамет-
рах преобразователей и генератора, но, при определенных усло-
виях, и как зависимости этих величин от разных параметров гене-
ратора для заданного преобразователя. Действительно, передаточ-
ные функции Кои и Хпэ зависят от безразмерного параметра х (но
не от п), а функции Йи(х), еги(х), Un(x) — от параметров Т0г/т0=
= b\, Tr3/'Vi=i’2J К1ъг=Ь. Поэтому рис. 12,13 можно интерпретировать.
। и как зависимость указанных функций для разных параметров ге-
нератора при заданных ti и Ьь Ь2, Ь3. .При этом blt b2, bs должны
соответствовать значениям параметров кривых представленного
семейства.
Параметры спектра импульсов давления, излучаемых преобра-
зователями при возбуждении генератора, зависят от параметров:
генератора и преобразователя. Влияние параметров генератора на
форму спектра проявляется сильнее всего в,тех случаях, когда
При этом частота максимума спектральной плотности мо-
жет быть значительно меньше резонансной частоты преобразова-
теля, а ширина спектра может в несколько раз превышать полосу
пропускания преобразователя. Так как отражательная способ-
ность дефектов в значительной мере определяется не только пара-
метрами преобразователя, но и параметрами генератора..
При разработке УЗ приборов с генератором ударного возбуж-
дения при заданных параметрах преобразователя (электрическое
сопротивление Хпэ, амплитудно-частотная характеристика АЧХцц-
и коэффициент преобразования Кии) имеют смысл следующие за-
дачи синтеза: обеспечение наибольшей чувствительности электро-
акустического тракта (наибольшее С7П) или наибольшей ширины
спектров |crH(x)|, | Un(x) | за счет выбора параметров генератора.
При решении первой задачи необходимо обеспечить совпадение
частоты экстремума зависимости. | ЕЛг| от fD с частотой максимума
преобразователя. Решение второй задачи возможно, если рабочая
область частот задана ниже частоты максимума ЛЧХОТ7. Примером
реализации второй задачи может служить расчет, результаты кото-
рого приведены на рис. 12 для fo=4 МГц. ’
При расчете' спектральных характеристик 17и, од и ,С7П нет прин-
ципиальных трудностей в рассмотрении различных'схем генерато-
ров ударного' возбуждения, включающих также трансформатор-
ные или автотрансформаторные формирующие цепи. Однако' при
разработке средств' неразрушающего контроля требуется знать и
временные характеристики импульсов, так как только с их помо-
щью можно определить такие важные параметры дефектоскопов,
как, например, мертвая зона, разрешающая способность. Задачи по
определению временных характеристик значительно более сложны,,
чем рассмотренные спектральные задачи.
Малую длительность импульсов можно обеспечить расширением
полосы пропускания электроакустической системы, что связано с
уменьшением Qa и Qs, а также выбором импульса возбуждения^
спектр которого при электроакустическом преобразовании будет
68
широким.' Колебательная система при сильном демпфировании мо-
жет в значительной мере утратить свои резонансные свойства, и
включение преобразователя в резонансный контур окажется про-
сто нецелесообразным. Поэтому его электрическая нагрузка долж-
на быть нерезонансной (ДС-цепь).
Уменьшение акустической и электрической добротности приво-
дит к уменьшению амплитуд и длительностей принятых импульсов
Ип(/). Для сравнения эффективности этих схем возбуждения мож-
но представить амплитуды импульсов в виде функций от их дли-
тельностей ' на произвольном уровне отсчета N:
^т ~ (чУ)»
Расчеты показывают, что в этом случае при сильном демпфиро-
вании (малом (aiK=ZiZ2)) существует такое предельное значение
а1д=апред> при превышении которого нерезонансное возбуждение
обеспечивает большую чувствительность, чем резонансное. Для
уровней Д=40 и 60 дБ значения ъя равны соответственно 5,4 и
6,5, а а1д«0,75 и a'iK=0,52 для резонансного и нерезонансного
возбуждения соответственно. На основании приведенных числовых
значений можно заключить, что при А'т=Ат, тд-=т^ в точке
aiH=airpeK имеем сцд>а'1д, т. е. при всех прочих равных условиях
для реализации нерезонансного возбуждения требуется меньшее
демпфирование преобразователя.
Глава Ell
МНОГОСЛОЙНЫЕ ПЬЕЗО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА МНОГОСЛОЙНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Многослойные преобразователи, состоящие из одного; пьезо-
электрического слоя и нескольких .пассивных слоев,, широко при-
меняют в УЗ дефектоскопии. В последнее время большое внимание
уделяется пьезоэлектрическим преобразователям, содержащим на-
бор пассивных и активных слоев. Использование в.преобразовате-
лях нескольких активных слоев облегчает задачу оптимизации си-
стемы, так как имеются дополнительные возможности влиять на
ее характеристики варьированием коэффициентов электромехани-,.
ческой связи,’ взаимного направления поляризацищ схемы элект-
рического соединения слоев и электрической нагрузки каждого
слоя. Это позволяет устранить существующие технологические и .
принципиальные трудности в получений преобразователей с необ-
ходимыми свойствами для дефектоскопии. С увеличением элемен-
тов в конструкции преобразователя значительно возрастают труд-
ности его расчета [41, 42]. '
Метод расчета, основанный на обобщении известного решения
для однослойного преобразователя на случай преобразователя с.
п. слоями, состоит, в следующем. Многослойный преобразователь
для расчета, йожно представить схемой, показанной на рис. . 14/’
Здесь Ой —упругое смещение и нормальное напряжение на'гра-
j нице й-го слоя, k=rl, 2, ..., n; 1к, Uk—-сила электрического тока1 и.
напряжение'А-йо'слоя;' ^д, бд—упругое смещение и нормальное
напряжение, ’ возникающие в демпфере; сгн — упругое смещение .
и нормальное напряжение, возникающие в нагрузке в режиме, из-
лучения. ’Показанные штриховые линии соответствуют 1п, од и
go, оо — упругим смещениям, и напряжениям в падающей и отра-
женной волнах (в режиме приема); I, СТ—сила электрического,
тока и напряжение на электрических клеммах прёобразователя не-
показаны на рис. 14, так как для этого следует задаться конкрет-
ной схемой их соединения, что будет сделано ниже. ’ •
Число неизвестных’ для описания режима излучения составляет
6п+6, а именно: ск, Uk, сгд, £н, vjifi fc=l, .... п
(п — число слоёв). В режиме приема число неизвестных увеличи-
вается на 2,' так как 'вместо gH, 'Он вхоДят gn, сги, go> Со- 'Для. нахож-
дения. передаточных функций преобразователя и его электриче-
ского и акустического сопротивления достаточно найти Отношения
oJU, ajlj U/oa, Z/сгп, U/I, t. e. отношения двух неизвестных.
70
Следовательно, чтобы их определить, достаточно' построить ЗпЦ-п
линейно независимых уравнений для описания режима-излучения
и' Зл-|-4 — для режима приема.
• ’ Для любого йЗп слоев, например k-ro, справедливы выражения
.^=4(^6^ . . (62)
°й — (63)
А = Л^ир)--ЛаЛК (^ P)--^(0vP)]. (64)
Здесь ^—смещение (решение уравнения движения); од-^нор-
мальное . напряжение;^ Д— сила электрического тока; Ah, A'h и
СпК —коэффициенты; Uh~dcjJdx — деформация слоя, Всем пара-
метрам в (62)— (64),, Характерным для k-ro слоя, приписаны ин-
дексы «К». .... : - 1 Л . ;.у
, Для каждой из границ.', раздела справедливы также граничные
условия ' ,
' ' , (fiS)
Подставляя Д, % из (62), (63) в „ выражение (64) , получим
2(л—1)' независимых уравнений. .Для;нагрузки (демпфера) имеем
оад=Садб£/<?я:, -где Садмодуль, упругости материала; нагрузки
(демпфера). Используя последнее'равенство,, а также выражения
(62), (65) для границ с нагрузкой'и.демпфером, несложно найти
еще четыре уравнения. Дополнительные уравнения подучим:,- зада-
ваясь конкретной схемой электрического соединения слоев и ис-
’пользуя закон Кирхгофа для токбв, и напряжений: -
. для последовательного, соединения сдоев • ’
С = Щ| • t/2 | U3 | ' .• 1- Cn; I = .= /2 .= /а . . 1п;
. . (66)
• для параллельного соединения
. / = /!-1-4-1-/э-1- . . .4-4; t/ = t/1=c2=:t/s= .. Л =-Дл.(б7)
Таким образом, мы получили необходимое число линейно неза-
. висимых уравнений для определения характеристик преобразовате-
ля в режиме излучения. При рассмотрении режима приема к полу-
ченным7 уравнениям следует' -добавить . пару уравнений,. харакДерц-
' '. 7Г
зующих связь U, I с напряжением или током в электрической на-
грузке преобразователя. Для электрической нагрузки в виде двух-
полюсника с сопротивлением Zs можно записать
Un = U9, Ie = -InZ9. : (68)
Если электрическую нагрузку преобразователя можно предста-
вить только электрическим четырехполюсником, то вместо выра-
жения (68) следует- взять пару уравнений данного четырехполюс-
ника.
В случае пассивного слоя необходимо в выражениях для нор-
мального напряжения (63) и силы тока (64) положить /г33=0.
Если пассивный слой диэлектрический, то в формуле (64) необ-
ходимо заменить Cnk на электрическую емкость соответствующего
слоя, а в случае токопроводящего слоя-—в выражении (66) счи-
тать Uh=0. Изложенный принцип расчета можно упростить вве-
дением входных сопротивлений и передаточных функций системы
слоев по колебательной скорости и нормальному напряжению при
разомкнутых и закороченных активных слоях, а также исключе-
нием членов, содержащих квадрат коэффициента электромеханиче-
ской связи.
Расчет многоэлементных преобразователей существенно упро-
щается, если известны электрические схемы-аналоги каждого эле-
мента преобразователя. В этом случае составляется схема соеди-
нений всех элементов преобразователя. На рис. 15 показана схема
преобразователя, у которого акустические входы (выходы) соеди-
нены последовательно, а электрические — параллельно. При по-
строении этой схемы использована схема-аналог однослойного пре-
образователя (см. рис. 5). Сплошными линиями показана схема
преобразователя при работе в режиме излучения, а также в ре-
жиме приема, если режим приема рассматривается относительно
заданных величин Еп, Va на поверхности преобразователя.
Схему-аналог многослойного преобразователя, работающего в
режиме приема падающей волны Епд или Еяд, можно получить
из приведенной, если заменить сопротивление Zs, подключенного
к клеммам аа', схемой, состоящей из ZH и источника напряжения
Епд = 2ЕП.
Рис.- 15. Схема многослойного преобразователя, состоящая из эквивалентных схем одно-
слойного преобразователя
72
Анализ и синтез рассматриваемого преобразователя проводится
методами, используемыми в теории линейных электрических цепей.
Методом узловых напряжений или токов можно получить систему
линейно независимых уравнений, из которой определяются пере-
даточные функции и сопротивления мнбгоэлементного преобразо-
вателя. Рациональным подходом к выбору системы переменных и
определению числа независимых контуров можно считать построе-
ние графа схемы. Этим методом ранее были исследованы коэффи-
циенты электромеханической связи недемпфированных преобразо-
вателей, состоящих из п кольцевых пьезоэлементов.
Рассмотрим метод расчета многоэлементных преобразователей
на основании представления каждого его элемента электроакусти-
ческим шестиполюсником, а также использования соотношений вза-
имности. В этом случае схему преобразователя можно представить
схемой соединения, в которой акустический выход (вход) /г-го эле-
мента соединен с выходом (входом) (/г+1)-го элемента. При этом
должны выполняться граничные условия FA=—Аы-ь Vk—Vk+i- Для
внешних входов (выходов) элементов £=1 и k=n должны выпол-
няться соотношения
НД=~АД/2Д; VH = -AB/ZB. (69)
Схема соединения электрических входов (выходов) может быть
принята различной. На рис. 16 показана схема многоэлементного
преобразователя, состоящего из п элементов, представленных ше-
стиполюсниками Z(k), с последовательным (рис. 16, а) и парал-
лельным (рис. 16, б) электрическим соединением элементов. Для
этой схемы, очевидно, выполняются электрические граничные ус-
ловия (66) и (67).
Рис. 16. Схемы многослойных преобразователей из электроакустических шесгиполюсников:
а — последовательное соединение; б— параллельное электрическое соединение
73
Каждый элемент преобразователя,может быть описан системой •
трех линейных уравнений — уравнений- электроакустического ше- •
стиполюсника (40), следовательно, для /г элементов, мы имёем Зп
уравнений. .Используя также сотношения (69) и граничные усло-
вия, получаем необходимое число линейно независимых, уравнений,
и, рассматривая их . как систему уравнений,, можно, получить.. Км,
Fre и Zri3) Z,ia. Для нахождения передаточных функций режима
приема можно воспользоваться соотношениями между передаточ-
ными функциями линейного обратимого электроакустического пре-
образователя. . .
Этот' метод с вычислительной точки, зрения самый универсаль-
ный, им были получены выражения для передаточных функций'и
сопротивлений Zna, Zna для п-слойного преобразователя- с- после-,
довательным и ‘йараллельным электрическим соединением слоев,
а также, с учетом электрической нагрузки каждого, слоя [41, 42].
2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ с последовательным и ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ
. соединением пьезоэлектрических слоев
Рассмотрим электроакустический преобразователь, 'состоящий .
из' различных активных слоев, .соединенных электрически последо-
вательно. Механические соединение выполнено таким образом, что
внешние.слои граничат с .однородными средами (нагрузкой'и демп-
фером), а .внутренние соприкасаются, рабочими поверхностями
рис. 17)’. • , •• . V "
Для ^определенности,'будем считать, что. слой, с порядковым .но- ,
мерой /г—1 граничит с.демпфером,.а слой с номером к—п — с на-
грузкой. Этой модели ..преобразователя соответствует эквивалент--
ная схема, показанная на рис. 16, а. Такой преобразователь мож-
но описать следующей системой линейныйх уравнений: . '
^•---ZZ^W-I-J/XjI); 1 ' „
: : f; -/Z21(1) | V1Z22(1); '•
• u2^/z11(2)+y^(2)i-v1zia(2); ..
Fs —/Z21 (2)-|-14z22 (2) +УЛ3(2).;, .....
F2 = IZai(2) + V2Z32[(2) +У^зз(2);- . /
.................../••••/• ; (70)
uh = iz^k).+(k) + vftz13 (k);, .
• * . • * . • * • * • 1 ♦
^ = %(^)+Ул|12Ж ’
. - I ,
Здесь, Ffe, Vh—~соответственно силы и скорости механического
колебания на .„поверхностях А-го активного .слоя;. Д —соответ1
' .74 -
Рис» 17. Схема конструкции преобразователя, с по-
следовательным? электрическим соединением слоев
' ' ‘ , г
ственно электрическое напряжение и
сила тока -на -электрических клеммах-
/г-го активного слоя; ZMn‘'—параметры
электроакустического. шестипрлюсни,-
ка; Zri.(l), Zri;(n)—-.параметры’элект-
. рополюсника, полученного из щестипо-
ЛЮСНИКОВ. ДЛЯ : k = Г И k = tl ' ПЦИ F^ —
=FR—VRZR и F'R^F^VRZR (г*,
ZR — сопротивления излучения преоб-
разователя со .стороны нагрузки. и
демпфера соответственно), .
Если мы, знаем параметр взаимности и соотношения между пе-
редаточными функциями линейного обратимого электроакустиче-
ского преобразователя, то для ' определения всех передаточных
функций достаточно найти только две передаточные функции, ха-
рактеризующие режим излучения или приема. Ес’ли принять ' во
внимание очевидное равенство (Z^ —электрическое
. сопротивление преобразователя), то- при известных Ft и Zira для
определения врех передаточных функций достаточно-найти какую-
нибудь одну передаточную функцию. Поэтому в дальнейшем огра-
ничимся вычислением и Z^. Эти -величины находятся из ст-
стемы уравнений (70) с. учетом*- условия Z12 (k) ~Z^ (A) =Elg (&) =
=Zm (&), являющегося следствием взаимности, .a также условий
. F'^^F^i,’ Vk—i—Vfi и l7i + U2+J73-j-,...’4-t/n—U., .В .результате по-
лучим ' . ", '
. Z12(n)+-^=1- Z2s (п) '
: " '• - ^=4- \ z M/z (71)
О 1 4“ А22 иЧ/^н
— ' - - К - • v' г — • •
2n8 = Z11(l)4-Z;i.(n)i+-AZ^(l)------^-Z12(n) +
\ ; • • ' •' '}
. п J Г ' " . у' ’' ' ' у'
. + У Zu(^ + Z12(^ -A--Z18(/e)-^- : (72)
’ Л=2 ' •' ’
. . . . I ’ ' ' • > > . .
Из выражений. (71) и (72) следует, что для’вычисления Zjra и
. К»/' необходимо определить величины У;///, Они .описываются до-
вольно громоздкими выражениями [41].. ' .
Акустическое сопротивление рассматриваемой, системы от слоя
с индексом «Ь> в’ сторону демпфера определим из ристемы (70),
при /=0: (электрическая:, нагрузка отсутствует) и FR~^-VRZR в ви-
де цепной дроби: ' ' ' . ..
F' (ft) .
V'(ft)
Z<fe) = Z22 (k)-Z№(k)Zw(k) = Za2 _
|Zss(fe)+Z^-')
Z2S(k)Zas(k)
7 Г<Л t -7 rh j\ ^23 (k 2) Z8S (ft 2)
zs8 (ft) + z22 (ft- 1) - ------------------------------ (k- KZ (ft —2)
Z3S (ft- 1) +Z22 (ft-2) ~Zfk 2>Z”(fe 2).
Z8s(ft — 2)4-. . .
.(73)
Аналогично получим акустическое сопротивление системы от’
слоя с индексом «к» в сторону нагрузки (Ан=—КИ2И):
ZC4-1-/0 =2зз(ф_----Wk(£ (74)
Выражение (73) при k=n определяет акустическое сопротивле-
ние электрически ненагруженного многослойного преобразователя.
Формулы (73), (74) справедливы при k=l, 2, 3, ..., п. В дальней-
шем для формального перехода от Z(4i и Z% к акустическим соп-
ротивлениям нагрузки и демпфера будем использовать формальные
равенства ZI^1) = ZH; 2(°)д=2д при k=n+l и k=0 соответственно.
Передаточные функции, электрическое и акустическое сопро-
тивления, записанные с помощью формул (71)—(74) в самом об-
щем виде, пригодны, например, для вычисления соответствующих
величин при условии, что известны параметры ZTS(k) преобразо-
вателя, состоящего из активных плоских, цилиндрических или сфе-
рических слоев. В дальнейшем ограничимся рассмотрением пре-
образователя, состоящего из плоских пьезоэлектрических слоев.
Для преобразователя с п плоскими слоями на основании фор-
мулы (40) можно получить
rz12(ft)z8 '
2SZb 1 — a2V(l~l) V(£~k)
A «41 + ^-")
хД^+«-лг
где VkH*, Vkfl —обобщенные коэффициенты отражения.
Передаточная функция (75) есть сумма, число слагаемых
торой равно числу п активных слоев. Каждое из слагаемых пред-
ставляет собой самостоятельную передаточную функцию системы,
состоящей из одного активного слоя и п—1 пассивных слоев, при
этом номер активного слоя равен порядковому номеру слагаемого
[13]. Переход от активного слоя к пассивному может быть осуще-
ствлен, если положить п12 (/г) =0 (еа3к=0).
Аналогичным образом можно найти электрическое сопротивле-
ние преобразователя Z^:
76 -
(75)
в ,ко-
(76)
4г (fe)
I (1 - «*) [2+ v£-k) + Пд~и -«* Mrfe)+4*-°+2^rft) 4%-п)Г
! Г
a Z^ описываются довольно громоздкими выражениями, приве-
денными в работе [41].
Слагаемые, входящие в Лпэ, имеют очевидный физический
смысл. Выражения для каждого слагаемого Z$ совпадают с из-
вестными выражениями для электрического сопротивления преоб-
разователя, состоящего из одного активного и (н—1)-го пассив-
ных слоев. Число слагаемых равно числу активных слоев, при
этом номер активного слоя пробегает все значения от k=l др
А=п. В Z™ входят члены, описывающие перекрестные связи меж-
ду слоями, обусловленные наличием электромеханической связи.
Следует отметить, что переход в выражении (76) от активного
слоя к пассивному (диэлектрическому) слою осуществляется, если
•положить Zi2(&)=0 (Рь=О), а переход к токопроводящему—если
положить также Сь=оо (еь=оо).
Полученные для Ааг и Z^ формулы (75), (76) позволяют вы- •
числить с помощью (71) все передаточные функции, если исполь-
зовать коэффициент взаимности для поля плоской волны в виде
J7=2S/(pHC7H).
Модель многослойного преобразователя, содержащего пьезо-
электрические пластины, соединенные электрически параллельно,
показана на рис. 18. Акустическое соединение активных элемен-
тов этого преобразователя не отличается от исследованного ранее,
электрического соединения
однако теперь из-за их параллельного
изменится система уравнений, описы-
вающих рассматриваемый преобразо-
ватель [42].
Если известен параметр взаимно-
сти Й преобразователя, для описания
работы последнего достаточно полу-
чить выражения для какой-нибудь од-
ной передаточной функции и электри-
ческого сопротивления преобразова-
теля Zig. ' '
Ограничимся вычислением Кси и
Опэ=1/Лпэ. Эти динамические парамет-
ры преобразователя связаны с осталь-
ными параметрами соотношениями
Рис. 18. Схема конструкции преобразователя с па-
раллельвым соединением электрических слоев
Демпрер
77
ЫЮс^Кис/Кс^Н; Kov = Y^Kci. (77} (
В работе [42] приведены общие формулы для передаточной /
функции Кси а акустической проводимости преобразователя Ч?па,7
которые справедливы для преобразователя, состоящего из актив-/
ных плоских, цилиндрических, сферических и т. п./слоев, а также/
формулы для £ТЙх жё величин для преобразователя,' состЬйщего '.иг
п Плоских пьезоэлектрическихюлоевг
--G1P1 Л1.-—1
1
1
1
1F . =
п»
^11(1) pl / iyi-ЗД Hin .pn
........ /2.
.-у’ - < У.г + У8з(«)
—с-!)"- Wi-п• л7-—— ',tx •— 11 — -таг'' -
... \ /. И?! >17lain(l-Vlh) L ¥х+Ум (1),
Al
1„ ' Г •
l+Vnl
1
У23(1)_________
Тя+У88 (1)] [А '
Угз(п) , ~| А,,„
.- п~ 1
+•'(- (/ I
!Ч;Лг ВА V А .' ’
' I Afe-j л /1ч-Ум
A J |/ МаЛа1А (1 ~ Ум)
. (78)
' . V'' = (_ г,-», /[ ₽=. / - ' х '
/ Г oZj L Pi ' ^mrin 1 ni)
xz 1_________L (._,1W У°8 . An—1 1 . 7701
. 7 Ун + Угг(п) A J’ V»?
•Выражения для передаточной функции с учетом электрической'
нагрузки в рассматриваемом случае, как и в случае, последователь-
ного электрического соединения .активных элементов, совпадают с
аналогичными выражениями для случая однослойного преобразо-
вателя.
3. РАЗНОВИДНОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
- Многочисленные задачи, решаемые в УЗ дефектоскопий, выдви-
гают различные требования к характеристикам .прёобразователёй.
Выполнить эти Требования использованием различных конструк-
ций преобразователя и подбором материалов удается не всегда.
Это обусловлено, тем, что ограничёна возможность выбор а? пьезо-
материалов по акустическим, электроакустическим и. электриче-
ским параметрам,, а также тем, что,,сложна технология изготовле-
ний;.' преобразователей. Рассматривая однослойный преобразова-
тель, мы' уже убедились в том,,,что подключение к. его клеммам
электрической нагрузки и ее варьирование позволяют в определён-
ной степени управлять основными характеристиками' преобразова-
78
; теля. В многослойных> преобразователях эти возможности увели-
чиваются хотя бы потому, что число каналов воздействия (электри-
ческих клемм)’здесь может быть значительно больше. Кроме того,
I появляется возможность, специально; выделить, несколько электри-
ческих входов (выходов), а это несомненно .увеличивает возмож-
ности в формировании необходимых:, спектральных'' и временных'
характеристик акустических, и' ' электрических - импульсов.
' Рассмотрим^преобразователи, которые отличаются от исследо-.
ванных (см., рис, 16), тем, что к одному или нескольким активным
слоям- .подключены различные электрические нагрузки. В. общем
случае будем считать, что каждый слой подключей через линей-
ный взаимный электрический четырехполюсник ZB(k) с парамет-
рами . 2|/ Схема подключения ' Z3(7г) к преобразователю с
Последовательным соединением активных слоев будет .такая- :же,
йдк: на.,рис. 16, а, отличающаяся лишь тем, что. вместо параметров
Zra- она. описывается параметрами Z™ . .. Поэтому для расчета
Передаточных- функций и электрического- сопротивления рассмат-
риваемого преобразователя могут быть использованы! выражения ,
(75), (76), в которых вместо Zrs следует>использовать’ . "• , .
Рассмотрим’ группу, преобразователей,’ е особенностью-которых
является то, что они содержат управляемый акустический элемент
(слой), расположенный между пьёзоэлёмёнтом и деМпфёром йлй
пьезоэлементом' и нагрузкой. Управляемый ’акустический 'элемент
образован из пьезопластины, к электрическим зажимам -которой
подключена электрическая нагрузка. Выражения' для передаточ-
ных функций и электрического сопротивления'рассматриваемого'’
преобразователя получаются из соответствующих выражений-' ДЛя
однослойного преобразователя заменой' ZA->-Zn '(1)'«:.'Если между
демпфером*.и-пьезопластиной' находятся-'п активныжслоёв с элект-
рическими .нагрузками, то очевидно; что . вместо. Za (1) • следует
использовать Za(п). ' .. " ‘ т
Многослойный преобразоватёль с двумя управляемыми акусти-
ческими четырехполюсниками отличается от; ' рассмешенных в
гл. II не только тем, что. здесь осуществляется удравленйейпафй-
метрами акустических слоев. С помощью четырехполюсника Z® ocy-
ществлена - обратная Связь между • Z™~(2) , и Z»‘ (3J.' Элементы
2^,(2) и Zn(3) являются нё только управляемыми акустическими
четырехполюсниками, но и вырабатывают сигналы, Которыми че-
тырехполюсники «взаимно обмениваются». Здесь-' управление осу-
ществляется^ варьированием параметров электрического, четырех-
полюсника Z3. - ..
В многослойном преобразователе ‘ можно выделить несколько
. электрических входов (выходов), по-'которым, возбуждая-преобра-
зователь-несколькимй в. общем случае разЛйЧныйф’генератораМи';
. -МоЖно;. обеспечить различные требования ‘к'фбр^е, и спектру выход-
ного сигнала преобразователя. ' •
Получить передаточные, функции.’ многослойного прсобразова- -
теля, имеющего п электрических входов (выходов)иёпбльзуя со-
79
отношения, которые следуют из теоремы о чувствительностях, нель- '
йя, так как система имеет несколько электрических входов (вы-
ходов). Однако для каждого из преобразователей мы можем при-,
менять теорему о чувствительностях [63], согласно которой
Киб/Ка = — = н, и в результате получим
i/пк = лда = оГодЯЛИ, (80)
где Um — электрическое напряжение на &-м выходе многослой-
ного преобразователя; одд— нормальное напряжение в падающей
волне; — электрическое сопротивление преобразователя отно-
сительно /г-го входа; - '
Перечень разновидностей многослойных преобразователей мож:1-
но неограниченно увеличивать. Несложно заметить, что многослой-
ные преобразователи имеют большие возможности для создания
преобразователей с необходимыми характеристиками и способами
управления ими.
Формулы, описывающие работу многослойных преобразовате-
лей, громоздки, труднообозримы и поддаются анализу только в
некоторых наиболее простых случаях. Поэтому анализ тех или
иных зависимостей выполняется в основном по результатам чис-
ленных расчетов с использованием ЭВМ. Прежде всего рассмотрим'
характеристики наиболее распространенных преобразователей, со-
стоящих из одной пьезоэлектрической пластины и нескольких пас-
сивных слоев, расположенных со стороны нагрузки и демпфера.
Исследования этого типа преобразователе!! проводились различ-
ными авторами [12, 13].
Формулы для расчета основных характеристик несложно полу-
чить (см. п. 1 гл. III), если считать, что один слой, например
k-vt, имеет рь=^0. В результате имеем
п Mi+iy-1)
«(' -г(”> ИТ 4) [J (1+«; ’
^Gl KgU ^ПЭ>
Р^п
KUo=HKaf, Iio = HKou-t
X
2рЧ
(81)
(1 ~ № + ИдХ+ 2 - Ъ W + Ид* + И#)1
Здесь р — коэффициент электромеханической. связи пьезоматериа-
ла; Т1=с/1/с! (di — толщина пьезопластины, щ — скорость звука в
пьезопластине); J?=2S/ze; Cn—£,S/li (е — диэлектрическая прони-
цаемость при постоянной деформации, S —площадь пьезопласти-
ны); Vih\ Ид -—обобщенные коэффициенты отражения; Ид* =
80
= ViH=(Zi—-ZH)/(Zi4-ZH), если слой co стороны демпфера отсут-
ствует; Kin = V1H= (Zi—ZH)/(Zi+Z2); m, n-—число слоев, co сто-
роны нагрузки и демпфера; Zb ZH, ZH—удельные характеристиче-
ские импедансы материалов пьезопластины, нагрузки и демпферы.
Выражения (81) представлены в таком виде, что как переда-
точные функции, так и электрическое сопротивление являются
функциями обобщенных коэффициентов отражения, которые пере-
ходят в обычные коэффициенты отражения (Ещ, Е1Д) в случае,
когда слои отсутствуют. Это соответствует ясному физическому
смыслу, заключающемуся в том, что с введением пассивного слоя
между двумя средами коэффициент отражения на границе сред
изменяется, что и учитывается обобщенным коэффициентом отра-
жения. Таким образом, переход от Zw однослойного преобразова-
теля к рассматриваемому может быть осуществлен заменой
Е1Н, У1д на соответствующие обобщенные коэффициенты. Однако
для получения передаточных функций необходимо еще ввести мно-
житель который описывает прохождение волны от по-
верхности пьезопластины (щ) к поверхности нагрузки (о-н).
Нетрудно получить выражения обобщенного коэффициента от-
ражения для двух случаев:
а) четвертьволновый слой:
ZxZa— Z| ч
^l^a + Zf
б) полуволновый слой:
Vj2o, = (Z1-Zo)/(Zt+Zo). (83)
Отсюда видно, что при наличии полуволнового слоя как со сто-
роны нагрузки, так и со сто’роны демпфера выражения (81) пере-
ходят в соответствующие выражения для однослойного преобразо-
вателя. Это выполняется независимо от значения акустического
сопротивления слоя. Если слой четвертьволновый, то на частоте
ю=юо1 в зависимости от соотношений между удельными характери-
стическими импедансами имеем
^ = 0, Aff = 1 при Z2=/Z^l (84>
У$ = 1, Kff-+™ при ZXZO>Z2; (85)
Via-»- —1, Kff-*G при ZLZO«Z2, (86)
Из, (84)—.(86) следует, что при Z2=yZiZa резонансные свойст-
ва преобразователя подавляются, так как V^a =0, потери на пре-
образование являются наименьшими, так как 7Gj=l. С усилением
неравенств ZlZa’^>Z2 и ZjZa<^;Z2 резонансные свойства преобразо-
вателя возрастают, а при ZiZ2^Z2 должны также увеличиться и
значения передаточных функций.
Влияние переходных слоев на характеристики преобразователя
проследим по результатам расчета, приведенным на рис. 19, где:
8L
Ofi
о,в
. 0,i
o,z
ли
0,4
d.z
О,
.'К&
А,В
. ₽' 0,2 5,4 0,6 О,В 1,0 1,7., 7,4 1,6 1,8'X
преобразовав.
на сталь че-
для разных’
Рис. 19. Зависимости,
^VU °Двосл°йиого
теля, нагруженного :
рев слой глицерина
значений д
0;:’2 = О,ОБ; 3 —0.2Б; 4 —О,Б;
5—1.0
•«
показаны зависимости ^нормированных,. модулей Каи, КисЪ Кии
от-частоты х=ю/оэо1 для'преобразователей с переходным' слоем из
глицерина, расположенным между пьезопластиной и нагрузкой.
В расчете принято: |3=б,б; Zi=28-106 кг/(м2-с); /0=5 МГц; Сп~
= 3600 пф; 5 = 0,26-10“3 м2; Др-Э- 10е кг/(м3.с). В качестве пара-
метра, характеризующего толщину слоя, принят %2=<во1/<»О2, ®02=
= ЗХС2/(12. , . ,
; Прежде всего следует отметить,'что наличие любого переход-
ного слоя приводит, к отклонению хода АЧХ по сравнению с харак-
теристиками однослойного преобразователя. При х2=1,0 значения
Каи, Кис и Кии совпадают с соответствующими величинами одно-'
•елейного преобразователя (х2^0) только для х= 1,0.
Чем больше различия в характеристических, импед ансах пьезо-
пластины и слоя И чем меньше различия в импедансах слоя и на-
грузки, тем сильнее влияние параметра х2 на АЧХ. Из приведен-,
ных на рис. 19 зависимостей видно,, что при нагрузке на сталь
Имеем значительные1 отклонения АЧХ даже При очень тонком слое
.глицерина (х=0,05',; d2=0,05,мм).,Примером слабого влияния слоя
передаточных функций преобразователей на АЧХ является нагруз-
ка ,на органическое стекло, так, как импсдансы глицерина и орга-
нического стекла очень близки. Для.этрго случая мы привели, за-
висимости только для Кии, так как вычисленные значения Кис и
Кси очень близки' аналогичным; зависимостям для однослойного
Преобразователя. .. • • ; ; -
Отметим, что с увеличением числа‘слоев возможности формиро-
вания требуемой АЧХ возрастают, однако возрастают также тех-
нрлбгические трудности в изготовлении преобразователей. В прак-
•82 / .
тике УЗ контроля известно,- что в зависимости 6т того, как будет
"притерт преобразователь к поверхности изделия или какова сте-
пень шероховатости поверхности изделия, значительно изменяются
. как амплитуда эхоимпульса, так и его форма. В ряде случаев при
уменьшении шероховатости поверхности 'амплитуда сигнала не
растет, а падает, что снижает достоверность УЗ' контроля. Измене-
• ния передаточных функций можно- описать математически, рас-
сматривая зависимость передаточных функций от толщины’ кон-
тактного СЛОЯ Й0фф'. • ’ '• ' '
"На рис. 19’’видйо, что в области малых тойщин' контактногб
'-"слоя наблюдаются значительные изменения передаточных функ-
ций- преобразователя. Чувствительность к изменению xz -зависит
; от соотношения волновых сопротивлений пьезопластины, нагрузки
и слоя. Увеличение различия между Z{, ZH, Zz приводит к росту
чувствительности. Так как введение пассивных слоев трансформи-
рует сопротивление нагрузки и демпфера; то; подбирая систему
слоев с определёнными параметрами, можно. получить преобразо?
•ватель, - у- которого. изменения характеристик передаточных функ-.
ций-и электрического сопротивления будут ’ находиться в опрёдег
'Ленных допустимых пределах. Так, например, преобразователь, со-
стоящий из ' полуволновой пластины из' пьезокёрамики ЦТС-19,..
двух четвертьволновых слоев с удельным импедансом 3,57-,10е кг/
/(м2- с) , расположенных со стороны нагрузки и Демпфера,-и самого'
демпфера с Хд=2,95-106 кг/(м2-'с), имеет полосу частот ю0±
±20 % со'о при неравномерности 4 дБ. Характеристики пёрёдаточ-1
ных функций такого преобразователя отклоняются не более чем на
1 дБ при изменении толщины контактного слоя глицерина от 0 до
0,2 мм. - . . . у...
Рассмотрим характеристики- многослойных преобразователей^,
состоящих из нескольких: пьезоэлектрических слоев. Характеристи-
ки таких преобразователей зависят не только от числа слоев Щ.
их волновой толщины Xk и акустического сопротивления, но Также;
от взаимной ориентации-, векторов поляризации, коэффициента-
электромеханической связи каждого • слоя, способа электрического-
-соединения и- в общем случае от электрической Нагрузки каждого-
слоя. В ' численных примерах, приведенных Пиите/ ограничимся-
рассмотрением-Преобразователей, состоящих из пьезопластин, вы-
полненных из пьезоматериала типа ЦТС-19 [£±0,5, Zft=28X
Х10е кг/(м2-с)].1 -. : -
Численный . анализ Киа, Каи показывает, что наибольшие зна-
чения. их модулей имеют при пьезопластинах одинаковой толщины,,
причём направление векторов'поляризации в соседних пластинах
. 'должно быть встречное или параллельное в зависимости от типа-
электрического ,соединения — последовательного или., параллельно-
го соответственно...АЧХ имеют один явно выраженный экстремум^.
Частоты максимумов АЧХ л^и.-Хиапримерно равны частота^ ан-
тирезонанса ха и резонанса х₽ соответственно. Из расчётов-следует,,
что Киб(п) r=nKuaWi т.'е. с увеличение^ п Киа растет-пропор-
ционально числу слоев. Этому результату можно дать следующую
’ ' - 83=
физическую интерпретацию. Падающая волна в каждой из пьезо-
пластин полуволновой толщины создает напряжение Uk (—l)ft
(k — номер произвольного слоя). Так как. сила тока через пьезо-
пластины равна нулю (Zs=oo), то суммарное напряжение от п
пластин, имеющих противоположные направления поляризации,
будет равно nUk, что и дают числовые расчеты.
Появление в функции Каи(«) экстремумов в области п= 10-4-12
можно объяснить следующим образом. В зависимости от элект-
рической нагрузки пьезопластины фазовая скорость распростране-
ния волны в ней заключена в интервале св= (Хв/р)1/2 и св=
— (%E/p)V2> где 7Р и ^ — коэффициенты упругости при постоянных
D и Е. Скорость распространения фазового фронта волны близка
к сл, а волна, возникшая, например, в k-й пластине, при переходе
в соседние слои распространяется со скоростью сЕ. Поэтому дав-
ление есть результат интерференции волн, созданных каждой
пьезопластиной, причем сложение этих волн ведется не в фазе.
Когда разность путей распространения отмеченных волн достигает
2/2, следует ожидать увеличения <ти, а это произойдет при
л(Хио—Хаи) — !. Так как хио—Хаи=0,08 ... 0,12, то /1=104-12.
При совмещенном режиме работы функция Кии(х) при увели-
чении п переходит от одногорбой кривой к двугорбой.
Для преобразователей с параллельным электрическим соедине-
нием слоев зависимости Каи, Ки<з<^ п и х близки к рассмотренным
зависимостям для преобразователей с последовательным соедине-
нием. Рассмотрим режимы возбуждения и приема, которые позво-
ляют получить наибольшие значения передаточных функций Кии,
Кп для раздельно-совмещенных и раздельных преобразователей.
.Для этих случаев, если в режиме возбуждения использовать пре-
образователь с параллельным соединением пьезопластин и воз-
буждать его радиоимпульсом напряжения, а в режиме приема ис-
пользовать преобразователь с последовательным соединением, то,
«обеспечив равенство Xau=Xv а и используя усилитель напряжения
-с входным сопротивлением Za>10, будем иметь
Kvu (п) = nzKuu (1),
где K'uu=U"/U'’, U' — напряжение возбуждения преобразователя
•с параллельным соединением; U"—напряжение на преобразова-
теле с параллельным соединением; U"— напряжение на преобра-
зователе с последовательным соединением.-
Возможен и другой вариант — в качестве излучателя можно
использовать преобразователь с последовательным соединением
-элементов и возбуждать его радиоимпульсом тока, а принимать
сигнал преобразователем с параллельным соединением, нагружен-
ным на усилитель тока с входным сопротивлением Z8 Zns/10.
'Обеспечив при этом равенство частот хот^=х1а, получим
Кп(п)=Кп(1)1г\
Из приведенных формул следует, что если для однослойного не-
демпфированного преобразователя, нагруженного на воду, имеем
-84
k'uu (1) =1, то при /г=10 получим К,глт=Ю0 или при U'B—1 В по-
лучим /7^=100 В. Этот результат не противоречит энергетической
оценке, так как в режиме приема сила тока через преобразова-
тель равна нулю, а система работает как идеальный трансформа-
тор напряжения. Очевидно, механические и электрические потери
уменьшают t7zn, однако при определенном подборе пьезоматериала
можно добиться значительного увеличения [7/ и 1'в.
Если преобразователь работает в совмещенном режиме, то
Хиа=хах и х1о=хаи, и соответствующие АЧХ в режимах излуче-
ния и приема также равны. Отсюда следует, что если используется
преобразователь с последовательным соединением элементов, ко-
торый возбуждается радиоимпульсом тока, а в режиме приема
подключается к усилителю напряжения с Za:>10Zjra) то 7</и1(/г) =
=п2Ких (1). Для преобразователя с параллельным соединением
следует применять генератор радиоимпульсов напряжения и уси-
литель тока, когда К?хи (n)^nzK'xu (1). Таким образом, мы можем
реализовать преимущества многослойных преобразователей в до-
стижении наибольших значений его передаточных функций при со-
вмещенном режиме работы.
Анализ зависимостей и для преобразователей с после-
довательным электрическим соединением слоев при различном
-соотношении толщин слоев и направлений векторов поляризации
позволяет сделать следующие выводы.
Для получения преобразователей с широкой полосой пропу-
скания следует подбирать слои таким образом, чтобы их волно-
вые толщины уменьшались по мере’приближения слоя к нагрузке.
При этом если электрическое соединение слоев параллельное (по-
следовательное), то направление векторов поляризации должно
быть параллельным (встречным). Здесь можно провести некото-
рую аналогию между согласованием с помощью пассивных слоев,
которое достигается выбором слоев между пьезопластиной и ис-
пользованием нагрузки, волновые толщины которых должны быть
меньше, чему пьезопластины, а характеристические импедансы
каждого слоя выбираются из условия Z^-^Z^y И в том и
в другом случае удается получить большую полосу пропускания
при большем числе пассивных или активных слоев.
Для повышения информативности результатов неразрушающего
контроля перспективно проводить оценку дефекта или структуры 1
материала на нескольких частотах. Посредством комбинации ак-
тивных слоев удается получать преобразователи, имеющие гребен-
чатый вид АЧХ в широком диапазоне частот. В этом случае тол-
щины слоев должны иметь меньшую волновую толщину в направ-
лении к демпферу.
Наилучшие результаты при достижении широкополосности, а
также равномерности гребенчатых АЧХ при наименьших потерях
на преобразование удается получить путем соответствующего
электрического соединения слоев й выбора усилителя напряжения
или тока.
85
Глава IV
ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ
1. АНАЛИЗ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЕ!'
Эффективным'способом.; расширения «полосы пропускания''.пре-
образователей является создание переменного-по толщине преобра-
зователя. При этом 'необходимо, обеспечить, .перпендикулярность,
акустической оси поверхности преобразователи. С этой целью пре-
образователи делают осесимметричными. .Преобразователи такого-
типа называют осесимметричными преобразователями переменной
толщины (ОППТ). . . .
Технология изготовления ОППТ относительно,..проста; При ши-
рине полосы пропускания в две-три октавы они позволяют достичь
•высокой чувствительности при работе с небольшими отражателями,,
что дает возможность применять их в' спектральном методе УЗ
дефектоскопии. Как будет показано ниже, АЧХ. этих преобразова-
телей можно регулировать'в довольно широких пределах. .- . .
'« На рис. 20 показаны некоторые возможные-формы ОППТ.. Про-
филь поверхности ОППТ. может быть как вогнутым, так и дыпук-
"лЫм.'Для каждой формы ОППТ характерен свой закон изменения
резонансной толщины d в зависимости от радиуса р.- Как будет
показано ниже, каждому профилю: поверхности ОППТ соответст-
вует своя АЧХ. -.
Поскольку разработка общей теории, работы ОППТ произволь-
ной формы представляет большие трудности, сделаем три упрог
щающих предположения.. . . , .
Г. Будем считать, что УЗ колебания- определенной, частоты
- ... Рис. 20. Формы осесимметричных преобразователей переменной толщины:
а — сферически-вогнутый;,| б~ сферически-выпуклый; в — конически-выпуклый; г — сфери-
чески-выпуклый с .максимальной толщиной преобразователя в его центре; д — одна 'из по-
верхностей преобразователя выполнена по параболе; е — сферически-выпуклый . с центром
кривизны по краям преобразователя; ас — двояковогнутый с одинаковыми. радиусами кри-
визны; з — двояковогнутый с разными радиусами кривизны
86
Рис. 22? Эквивалентная схема возбуждения сфе-' 1
рически-вогиутрго преобразователя при парал-
i дельном включении генератора н контура
Ряс. 21, К расчету акустического../ поля сфери-
. чески-воГиутого преобразователя1 , ..
излучаются и принимаются кольцом, (рис., 21), для которого дан-
ная частота соответствует резонансной (т. е. средняя толщина
кольца равна половине длины волны ультразвука), а другие коль-,
ца на этой частоте не работают.: . 1
2. Будем считать, что каждое элементарное кольцо м работает
изолированно и не связано, механически с соседними'. кольцами,
Иными словами, представить ОППТ в виде, набора ,большогб числа
..узких колец, вставленные одно в другое и излучающих каждое на
своей, частоте.. ... < , .-
3. Будем предполагать, что относительное-изменение толщины'
каждого t-ro кольца постоянная величина, т. е.
Adi/di = cpnst. ” . (87)
' Это предположение обусловлено, тем, что каждое. крльцол not-
стоянной толщины di иМеет конечную Ширину'.полосы пропускания.
fi==cl(2di), Afг=с/((2Если расширение полосы .пр.оу
пускания, связанное с изменением толп'щны кбАьца,’ 'значительно '
Меньше Afi/fi, то изменением ;тол.щины такого кольца можно пре-
небречь. Следоватрльно,
'. hdiJdi = const. (88)
Для' расчета 'основных ’характеристик ОППТ, работающего в
совмещенном режиме, необходимо получить общее-выражение для
напряжения ‘И7, снимаемого с преобразователя/с учетом ослабле-
ния сигнала при электроакустическом преобразований и распро-
странении акустического сигнала в нагрузке (объекте контроля)'..
"Это выражение имеет вид "
, (89)
где (/0 —напряжение генератора, прикладываемое "й преобразо-
вателю; Кии — коэффициент '-двойного : преобразования, преобразо-
вателя; Ро, Р'—амплитуды акустического,,давления, излучаемого
и принимаемого преобразователем. ' \ .,
. 87 /'
Рассчитаем применительно к некоторому кольцу отдельно ве-
личины Кии и Р'/Ро- Для плоскопараллельного преобразователя!
формула определения Кии получена в гл. II. Наиболее простому
случаю соответствует схема, показанная на рис. 22. Будем пред-
полагать, что максимум передаточной функции достигается на ча-
стоте свободных колебаний кольца по толщине, когда
где Cj — скорость ультразвука в пьезоматериале; длина!
волны.
С частотой fi совпадает резонансная частота электрического-
контура. Явление вторичного пьезоэффекта,' пропорционального-
Р2, учитывать не будем.
При этих предположениях формула для передаточной функции
кольца приобретает вид
Кии
(90>
где Ка, Ко =---—------- активные электрические сопротивления; ZB,
Ра + Рь
и Zi — характеристические импедансы материала нагрузки и кольца..
Зависимость Кии от частоты определяется двумя множителя-
ми— емкостью кольца как плоского конденсатора
С = = 2яр*Др*еов
1 dt dt
и величиной \ldi-2filci, где е — диэлектрическая проницаемость;
р — текущий радиус преобразователя. Таким образом, выделяя ча-
стотно-зависимую часть Кии, можно записать
K(JU^CS1^L, (91>
di
где <?= 16яР2сое2н?1^о —независимая от частоты постоянная.
Z±Pa
Для расчета ослабления акустического сигнала при представ-
лении преобразователя в виде набора узких колец воспользуемся
результатами, изложенными в п. 3 гл. 7. Для отражения от не-
большого плоского отражателя, расположенного на оси кольца в
дальней зоне, получим
Р' = 2nSBptApf /92ч
Ро Ла2»
где z — расстояние от центра кольца до перпендикулярного его
оси плоского отражателя площадью SB.
Формулы для отражателей других типов будут иметь вид: -
. 88
для сферического отражателя диаметром D, расположенного на
«СИ,
р' _ 2лргДргО . - „
Ро 2Л<2« ’ ( '
для бесконечной отражающей плоскости
Р' = nPi&Pi .
Р0 '
для вогнутого цилиндрического отражателя, на оси которого
расположен центр кольца (стандартный образец № 3 по ГОСТ
14782—76),
р' _ 1Л ftpjApj .
Ро V Ыа ’
для вогнутого сферического отражателя, центр которого совпа-
дает с центром кольца, '
m=i.
Таким образом, частотная зависимость ослабления акустиче-
ского сигнала зависит от формы отражателя. Для дальнейшего
.анализа возьмем формулу (93) для сферического отражателя, хо-
рошо моделирующего наиболее часто встречающиеся реальные де-
«фекты. В этом случае частотно-зависимый множитель равен
»РгАрг/^г*
Таким образом, общая формула для расчета сигнала, прини-
жаемого одним кольцом, имеет вид
V IQn^Z^ec^Dp^pj
--==----:-------------- . (Уо)
d^R^Z*
, г. ВЗАИМОСВЯЗЬ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
С ПРОФИЛЕМ ПОВЕРХНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Формула (96), а также подобные формулы для других типов
«отражателей позволяют определить профиль поверхности • (т. е.
зависимость d от р) ОППТ, обеспечивающий заданную1 АЧХ F(f).
.Выделим частотно-зависимые множители формулы (95)
— = Сх (рАр)* , (96)
Uo 1 d3 ’
тде С] — константа, объединяющая все независимые от р и d ве-
личины.
Продифференцируем по р искомую зависимость d=d(p), в ре-
зультате получим’
Ad = d' Др; (97)
Ар = — Ad.
89
Рве* 23, Задаваемые, частотные характеристики ОППТ! , !
а — равномерная; б — линейно возрастающая; в - возрастающая пропорционально квад-
рату частоты; а — экспоненциально возрастающая; д — возрастающая' пропорционально
логарифму частоты; е — линейно падающая
Подставив это выражение в .формулу (96), получим ,
.. - с раАб£
, Ц 1 d'*d’
Учитывая, что А<Д^=const, 'найдем следующее дифференциаль-
ное уравнение для расчета профиля’ ОППТ,, обеспечивающего тре-
буемую АЧХ F (f):
. ’ ' ' ' W
... Vd Ad=-^i-4-Ap, , . (100)
у,VHf) : , .
. Приведем примеры расчета профиля , ОППТ в соответствии „с
заданной АЧХ.- '
Преобразователь с равномерной АЧХ. В этом случае (рис. S3, а)
формула (100) запишется В виде ' у
I'TAd-QiAp. ' (101)
После интегрирования’получим 11
d^=^2,25(C^-]-C9C4p-\-Ct). (102
Здесь С8 и С4—'постоянные интегрирования. ! ' ;
Для расчета профиля поверхности-необходимо задать началь-
ные значения преобразователя'И-определить константы. ,
. Пример. Преобразователь , радиусом р=10' ,мм выполнен из керамики ЦТС-19
(С|"=3,6*10-е мм/с). Диапазон частот составляет от /у=1,8 МГц до А=10'МГц. .
90 .
Толщины на краю di^=Ci/(2ftj<=l мм, в центре с,г==с)/(2^) =0,18 мм. Подстав-
\ляя di вД-в (102)цолучим значения Констант С»=»6,7'4.0-8, С4==Б,Ь10_?. Вы-
• р'ажение (102) после этого примет вид
' --2 --- ' ‘ ; '' '
d=i/ '2,25.(4,7-10-бр4-|-3.,.4.10-4р+.2,6.10-3, . (103)
На рис, 20,„а показан ОППТ полученной формы.'Эта форма близка к сфе-:
. рически-вягнутому .преобразователю (СВП),-показанному .ца рис. 21.
СВП нашли, наибольшее практическое ..применение из-за про-'
стоты изготовления и проявления фокусирующих свойств, которое,
как показано ниже, позволяют частично скомпенсировать падение
чувствительности, связанной с расширением полосы пропускания/-
Остановимся на работе .СВП несколько подробнее. ..
' Рассмотрим: зависимость акустического поля преобразователя
-от-перестраиваемой частоты.генератора..
Акустическое поле кольцевого .'преобразователя: рассмотрено в
гл.''VII. Применительно к'СВНщыражёние.'.для диаграммььнаирав-
ленности отдельного узкого кольца в режиме излучение — прием '
,им,еет вид' ' ' . • . :
Как уже, отмечалось, • ди-
аграмма. _ 'направленности
кольца 'всегда' уже, чем диаг-
рамма направленности . диска,
причем тем уже, чем меньше
Ар. Это хорошо иллюстриру-
ется рис. 24, на котором- пред-
ставлены диаграммы направ-
ленности колец СВП различ-
ной ширины, рассчитанные по
формуле (104). Для сравнения
приведены направленности
диска с радиусом, равным
внешнему радиусу кольца.
Наблюдается некоторое су-
жение диаграммы, направлен-
ности колец, однако сущест-
венно., возрастает уровень бо-
ковых лепестков. В частности,
' в
16
24
<
32
40,
,0 12,5 '25,0 37,5 50,0 07,5 ' в, град
Ряб. 24. Диаграммы направленности кольце-
вых (1, 2) и дискового (3) преобразователей
' (02=9 мм, f=2 МГЦ)! 1 ,,
/—Да-Х/4: 2 — ?./2;: з —До-с ':
91
для узкого кольца шириной 0,4 мм сужение главного лепестка ди-
аграммы направленности по сравнению с диаграммой направлен-
ности диска составляет приблизительно 30%, в то время как уро-
вень первого бокового лепестка возрастает на 16 дБ. Этот фактор
является отрицательным для широкополосных преобразователей,.'
так как приводит к повышению уровня собственных шумов. Как
будет показано ниже, приходится применять' специальные меры
по уменьшению уровня собственных шумов.
Из выражения (148) следует, что для кольцевого преобразова-
теля ближняя зона меньше, чем для дискового преобразователя,,
причем для бесконечно узкого кольца она стремится к нулю. Та-
ким образом, проведенное исследование показало, что преобразо-
ватель в виде кольца имеет как отрицательные (повышенный уро-
вень боковых лепестков, пониженная чувствительность), так и по-
ложительные качества (малая ближняя зона, более узкий глав-
ный лепесток диаграммы направленности).
Преобразователь с линейно возрастающей АЧХ. На рис. 23, б-
показана линейно возрастающая АЧХ. Для этого случая
(105}
Решая уравнение (100) с учетом формулы (105), получаем за-
кон изменения профиля поверхности ОППТ:
(106}
Для принятого выше конкретного примера выполнения преоб-
разователя при р1 = 10, rfi = l и ра=0, 62=0,18 расчетное выра-
жение будет иметь вид
1 —115-10—ара. (107/
На рис. 20,6 показана форма ОППТ, обеспечивающая требуе-
мую частотную зависимость.
Преобразователь, имеющий АЧХ, возрастающую пропорциональ-
но квадрату частоты. На рис. 23, в показана заданная АЧХ.
Для этого случая
P(/W> (108),
и выражение (100) будет иметь вид
А
d=c8-e- + c4. .(109}
io >
Разумеется, приведенными примерами не ограничиваются воз-
можные формы ОППТ. На рис. 20 показано еще несколько пре-
образователей с характерными для них АЧХ.
Приведенный в данном параграфе приближенный анализ взаи-
мосвязи заданной АЧХ с формой ОППТ указывает на широкие
возможности применения ОППТ с заданными свойствами.
92
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ
Проведенные выше теоретические исследования ОППТ основы-
вались на том, что последние излучают и принимают УЗ волны
определенной частоты кольцевыми участками с резонансными тол-
щинами, соответствующими излучаемым частотам. Для проверки
этой гипотезы нами исследовано УЗ поле излучения ОППТ мето-
дом'визуализации на установке ИАБ-451 в широком диапазоне ча-
стот. Были изготовлены ОППТ различных форм и диаметром с.
различным перепадом толщин. ОППТ возбуждался непрерывными
колебаниями от генератора ГЗ-41; выходное напряжение на ОППТ
поддерживалось постоянным.
На рис. 25 показаны осциллограммы УЗ поля СВП, излучаю-
щего вогнутой поверхностью в воду. Диаметр пьезоэлемента, 18 мм,,
изменение толщины от di = l до d2=0,25 мм, диапазон рабочих
частот 0,6—8 МГц. Видно,.что в пределах собственной полосы
пропускания СВП (рис. 25, б—д) излучение УЗ колебаний дейст-
93
язитеЛьнб осуществляется кольцевыми - участками;. С увеличением
частоты диаметр излучающего, кольца уменьшается. Например, из-
меренные по фотографиям р при f=2. МГц (рис. 25, б) составляют
•8,2 мм, а при f=7 МГц (рис. 25, а.) р = 1,5 мм. Это хорошо.' согла-
суется ' с расчетными значениями- За пределами собственной по-
лосы пропускания в области верхних частот (f=8 МГц, рис. 25, е)
излучение происходит как в-центральной зоне СВП,-так и в голь-
де, толщина которого. соответствует третьей, гармонике излучаемой
частоты f=2,8. МГц. В. области низких/частот, лежащих за преде-
лами полосы пропускания СВП (рис., 25, п) ,- излучение происходит
по всей поверхности. , '
Сравнение приведенных полей с УЗ полем плоскопараллельного
пьезопреобразователя показывает, что если последний эффектив;
но возбуждается на частотах, соответствующих нечетным гармони-
кам основной антирезонансной частоты, то СВП излучает колеба-
ния во всем диапазоне частот, соответствующем перепаду, толщи-
ны. Иными словами, в пределах собственной полосы пропускания
всегда найдется-кольцо, толщина, которого соответствует излучае-
мой частоте... . , .
Для экспериментальных исследований' основных, характеристик
ОППТ была разработана установка, снабженная генератором ча-
-стотно-Модулированных колебаний., .Модуляция', частоты по пило-
образному закону осуществляется с помощЫо генератора модули-
дующих импульсов и импульсного модулятора, вырезающего изча-
стотно-модулированных колебаний узкополосные радиоимпульсы
так, Что частота изменяется -от импульса к импульсу. В установке
имеется широкополосный временной селектор, стробирующий тре-
буемый сигнал, а-также анализаторы формы , и спектра импульсов.
Установка позволяет в автоматическом режиме анализировать
АЧХ преобразователей в диапазоне 1—Ю.МГц, измерять диаграм-
мы направленности и характеристики, чувствительности в зависи-
мости от, частоты импульсов.
На рис.'26 показаны АЧХ двух форм ОППТ: сферически-вогну-
.той (/)" и сферически-выпуклой (И), в зависимости от перепада
толщин последних. Плоскопараллельная пластина (рис. 26, а) при
излучении в воду имеет относительную полосу пропускания всего
10 %. Увеличение перепада толщин до. 50 % приводит ,к расшире-
нию диапазона пропускаемых частот, однако увеличивает неравно-
мерность АЧХ при перепадах: толщин, меньших 65%. При боль-
ших перепадах неравномерность исчезает/ Таким образом, для эф-
фективного расширения, полосы пропускания -перепад толщин дол-
жен составлять Не менее 65 %. ,
Графики-на рис. 26 подтверждают полученные выше теорети-
ческие выводы о том} что .каждой-форме‘ОППТ соответствует своя
АЧХ- Так, например, СВП имеет равномерную АЧХ в диапазоне
частот от ^=С}/(2Й1) др fs=C'i/'(2d2)', а сферически-выпуклый —
АЧХ, близкую к линейно возрастающей. Видно также, что с по-
мощью ОППТ удается существенно расширить полосу пропуска-
ния частрт. Например, СВП (рис. 26, д) имеет полосу ,пропуска-
94
Рис. 26.,,АЧХ сферически-вогиутых (Z) ч сферйчески-выпуклых <ZZ) • преобразователей в за-
’ висимости от *5перейада.1 толщины (di~t-d2)i , , ' - ,
а — параллельная пластина 4/i“4/a₽l мм; б — 'd\ .4-4/2“14-0,5 ММ; в — di_4-da“l 4-0,86 ММ;,
а — d\ 4-4/2“! 4-0,23 мм; б-4/14-4/2“ 14-0,16^ ,мм >
ния в.30 раз более широкую, ..чем плоскопараллельная пластина.
. Остановимся Подробнее на характеристиках одной >из наиболее
распространенных форм ОППТ; а имённо на СВП. ’• ’
, На рис. 27 изображены нормированные диаграммы направлен-’
мости СВП различных диаметров, измеренных на частота^ 2, 4 и
6 МГц в совмещенном режиме при Излучении и приеме плоской и
вогнутой поверхностью. Перепад толщин всех трех преобразовате-
лей одинаков: d^d^—14-0,2 мм. Можно видеть, что при Излуче-
нии и'приеме.вогнутой поверхностью', диаграммы направленности
для всех трех частот практически;ложатся'на одну кривую;-при
излучении плоской поверхностью наблюдается небольшой разброс
ширины диаграмм направленности, который составляет 10-М5 %
ширины'Диаграммы направленности'на средней частоте (4 МГц);
Практически постоянная: 'ширина диаграммы направленности на
’ 95
Тис. 27. Нормированные диаграммы направленности СВП для диаметров 8 (а), 12 (б),
18 (в) и частот 2 (О), 4 (Д) н 6 ( •) МГц; di—l мм, d2=0,2 мм (по! оси абсцисс отложен
угол <р)
всех частотах в пределах полосы пропускания преобразователя
'объясняется тем, что с увеличением частоты уменьшается средний
радиус излучающего кольца, поэтому отношение радиуса кольца
к длине УЗ волны для всех колец остается постоянным:
sine=T<A.(
Pi
где К — коэффициент пропорциональности.
На рис. 27 видно, что главный лепесток диаграммы направлен-
ности при излучении вогнутой поверхностью значительно уже, чем
при излучении плоской поверхностью. Это объясняется проявле-
нием фокусирующего действия СВП.
Важно отметить, что уровень боковых лепестков СВП вследст-
вие импульсного характера излучения расположен на 25—30 дБ-
ниже амплитуды главного максимума, поэтому на рис. 27 они не
показаны. Таким образом, высокий уровень боковых лепестков у
СВП, предсказанных теорией, не мешает контролю. Это явление
•обусловлено тем, что в СВП все излучающие кольца механически
связаны между собой, в результате чего распределение амплитуд
колебаний вдоль излучающей поверхности каждого кольца полу-
чается не равномерным, а близким к. гауссовому. Как известно, при
гаком распределении амплитуд колебаний уровень боковых лепест-
ков в значительной степени снижается. При этом составляют ис-
96
Рис. 28. Зависимость чувствительности СВП от расстояния до отражателя вдоль акусти-
ческой оси при различном перепаде толщин d(—d2:
«г —иалучение вогнутой’поверхностью; б — излучение плоской поверхностью; 1 — d\—ds—1 мм
{плоскопараллельная пластина); 2 — d|4-«4=74-0,6; 3—14-0,36; 4—14-0,23; 5—14-0,16 мм
ключение те лепестки, которые направлены под углами, близкими
к 90°. Они создают в самом пьезоэлементе радиальные колеба-
ния, уровень которых несколько выше, чем для плоскопараллель-
ной пластины.
На рис. 28 показаны графики изменения чувствительности СВП
при удалении точечного отражателя от центра преобразователя
вдоль его акустической оси. Излучение в воду производилось во-
гнутой и плоской поверхностями преобразователя (f=2 МГц, диа-
метр 15 мм). Видно, что при излучении вогнутой поверхностью,
наряду с эффективным расширением полосы пропускания, чувст-
вительность СВП не только не снижается, но во многих случаях
несколько увеличивается. Только при очень больших перепадах
толщин (кривая 5 на рис. 28) чувствительность значительно воз-
растает, а затем спадает быстрее, чем для плоскопараллельной
пластины. Повышение чувствительности также связано с фокуси-
рующими свойствами СВП.
При излучении плоской поверхностью кривые, чувствительности
для всех преобразователей расположены ниже кривой, соответст-
вующей чувствительности плоскопараллельной пластины. С увели-
чением перепада толщин преобразователя чувствительность быстро
уменьшается. Это обстоятельство ограничивает применение СВП с
широкой полосой пропускания при ориентировании пьезоэлемента
плоской поверхностью к изделию.
Представляет несомненный практический интерес оценка воз-
можности формирования коротких акустических импульсов с по-
мощью СВП. Поскольку с увеличением перепада толщины СВП
его полоса пропускания расширяется, появляется возможность
формирования акустических импульсов с более' широким спектром
4 Зак. 926
97
' . ' Вис. , 20. Форма акустических импульсов, излучаемых СВП:
а — демпфированный преобразователь с плоскопараллельной пластиной, f=6 МГц; б — СВП_
, , , б/| + б/г= 1+0,6, в—1 + 0,36; г— 1+0,26; 6—1 + 0,16 мм
.частот. На рис. 29 приведены осциллограммы акустических им-,
пульсов пьезопреобразователей, сфотографированных с. экрана де-
фектоскопа УСИП-11. Преобразователи .работали, в’ совмещенном'
режцме при' отражении от бесконечной плоскости, излучение про-
исходило в воду. Возбуждение преобразователей, осуществлялось. .
«коротким видеоимпульсом "с крутым фронтом.
. Параметром Ьсциллограмм является увеличение .перепада тол-
щин 'СВП. На рис.‘29, а для сравнения показана, форма, акустиче-
98
«кого импульса, излученцого и Г принятого плоскопараллельной
демпфированной пьезрпластинои. Импульс содержит не менее вось-
ми периодов. Увеличение перепада толщин СВП приводит к.суще-
ственному сокращению длительности импульса. Так, для СВП с
перепадом толщин di~1d2= 14-0,35 мм (рис. 29, в) длительность
импульса, составляет два'периода, а для СВП при. rfi4-d2=lr4-
4-0,15 мм (рис. 29,3)—0,6 периода,.. Это’ценное, свойство —фор-
мирование коротких акустических импульсов с помощью СВГГ-^-
целесообразно использовать на практике для разработки преобра-
зователей с малой «мертвой» зоной и высокой лучевой разре-
шающей способностью. Следует Отметить, что возможность фор-
мирования коротких импульсов свойственна не только СВП, но и
ЮППТ любой формы. Отличаться они будут лишь периодом им-
•пульса, который соответствует частоте максимальной амплитуды.
На основании рис. 29 можно сделать вывод о том, что ОППТ
имеют низкую электромеханическую добротность, причем тем ни-
же, Кем больше перепад толщин преобразователя. Например, Для
преобразователя с di4-rf2=14-0,15 мм (рис. 29, d)\Q=l,9. Это сви-
детельствует о том, что (возвращаясь к модели ОППТ в виде на-
бора колец) каждое кольцо излучает* лишь на своей частоте. Для
других частот оно является: своеобразным деМцфером. .
4. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
На основе проведенных' выше' исследований была разработана
«серия прямых й наклойных широкополосных преобразователей раз-
личного применения. Приведем Конструкции некоторых из них.
На рис. 30, а показана конструкция прямого совмещенного пре-
образователя. Преобразователь состоит из корпуса 6 с гнездом 1,
в корпусе размещены демпфер- 5, пьезоэлемент 7, протектор 8. Под
втулкой 4 размещены разъем 3 и регулировочные сопротивления.
•Сверху имеется 'Крышка 2. В прямых преобразователях исполь-
зуются СВП, имеющие изложенные выше преимущества.
СВП выполняют из керамики типа ЦТС-19 (в последнее время
•наибольшее применение нашла керамика ГЩР-1) по следующей
технологии. Готовый поляризованный .пьезоэлемент с нанесенными
электродами обрабатывают по сфере радиусом
,. Ь . д2 + (^-^)а, '
, . ’Ф - 2(ф--б-2). ’
зтричем диапазон di-^d2 выбирают исходя' из требуемого диапазона
рабочих частот = dz=-^-j, . Обработка пьезоэлемента
V . 2/j / ‘
должна производиться так, чтобы не располяризовать его. Затем
наносят электроды каким-либо холодным способом (также, чтобы
-сохранить поляризацию). Как правило,. СВП ориентируют вогну-
той поверхностью к контролируемому изделию. При этом достига-
ются следующие" преимущества. Как-.видно на рис, 27, 28, при из-
0 4* 99
Рис. 30. Различные конструкции пьезопреобразователей:
а — прямой совмещенный широкополосный; б — прямой совмещенный с плавной перестрой-
кой частоты; в-—наклонный с плавной перестройкой частоты; а—прямой раздельно-совме-
щенный; д — наклонный широкополосный
лучении вогнутой поверхностью диаграмма направленности СВП
значительно уже, чем при излучении плоской поверхностью, и, как
следствие, достигаются более высокие чувствительность и фрон-
тальная разрешающая способность. Второе преимущество состоит-
,в более высокой стабильности амплитуды принимаемых сигналов и
АЧХ при изменении зазора, заполненного контактной жидкостью.
. Экспериментальные исследования показали, что если для обычного»
преобразователя изменение толщины контактного слоя, равное-
. 0,4 мм, приводит к изменению амплитуды донного сигнала в 2 дБ,
то для широкополосного преобразователя изменение составляет-
7 дБ. .
-• Более высокая стабильность акустического контакта широкопо-
лосного преобразователя связана с криволинейной (плосковыпук-
1лой) формой поверхности протектора, дополняющего СВП с во-
гнутой поверхностью до плоскопараллельного диска. Переменный:
по толщине протектор является широкополосным пассивным эле-
ментом, слабо участвующим в формировании’АЧХ преобразова-
теля. Благодаря этому существенно ослабляется влияние толщи-
-ны слоя жидкости на АЧХ преобразователя, что обеспечивает бо-
, лее высокую стабильность акустического контакта.
Широкополосные преобразователи, как правило, применяют для
работы в мегагерцевом диапазоне (1—10 МГц). Перепад толщи-
ны СВП в этом диапазоне составляет 0,18—2,2 мм. В зависимости
от диапазона контролируемых толщин в прямых преобразователях:
используют СВП следующих диаметров: 10, 12, 18, 24, 30 мм. Ос-
новные характеристики хорошо согласуются с расчетными.
100
Следует иметь в виду, что. широкополосные преобразователи
с СВП (равно как и с другими, формами ОППТ) имеют и недо-
статки. Одним из главных недостатков является повышенный уро-
вень радиальных колебаний/ проявляющийся как достаточно длин-
ный «хвбст» низкочастотных колебаний после излучения• зондиру-
ющего импульса, увеличивающий мертвую зону контроля. Посколь-
ку в пьезоэлементе возбуждаются кольца, составляющая вектора
электрического поля, направленная вдоль поверхности пластины,
будет больше, чем для плоскопараллельной пластины, что и опре-
деляет повышенный уровень радиальных колебаний. Одной из мер
уменьшения мертвой зоны является электрическое и механическое
демпфирование. Поэтому пьезоэлемент в прямом преобразователе
(так же, как и в обычном узкополосном) наклеивается на демп-
фер. Импеданс демпфера подбирается исходя из условий опти-
мального демпфирования радиальных колебаний (см. гл. VIII).
На рис. 30, б показана конструкция прямого совмещенного пре-
образователя с плавной перестройкой частоты в рабочем диапа-
зоне. С этой целью в корпусе 11 на демпфере 12 установлен фер-
ритовый магнитопровод 3 с намотанной на нем высокочастотной
катушкой индуктивности 4, которая составляет с электрической
емкостью СВП 2, защищенной протектором 1, параллельный кон-
тур. В зазоре перемещается постоянный магнит 5 с осью б, приво-
димый в движение кольцом 8 в винтовых направляющих 7. Маг-
нитное поле постоянного магнита изменяет магнитную проницае-
мость феррита, что приводит к изменению индуктивности катуш-
ки и, следовательно, частоты излученного сигнала. Шкала на
крышке 10 с поворотной втулкой 9 проградуирована непосредст-
венно в мегагерцах. Аналогичная идея перестройки частоты приме-
нена в наклонных преобразователях (рис. 30, в), содержащих
призму 12 (остальные элементы аналогичны элементам рис. 30, б).
В конструкции широкополосного раздельно-совмещенного пре-
образователя (рис. 30, г) в качестве пьезоэлементов 5 использо-
ваны цилиндрические вогнутые пьезопластины (ЦВП). Обраще-
ны они вогнутой поверхностью к изделию таким образом, чтобы
их оси были параллельны. Такое расположение пьезоэлементов
обеспечивает равномерность АЧХ в диапазоне толщин от 2 до
30 мм. Преобразователь содержит корпус 6, демпфер 4, волновод 1,
крышку 3, винт 2, разъем 7 и гнездо 8.
В наклонных широкополосных' преобразователях также приме-
нены ЦВЦ 8 (рис. 30,б), обращенные вогнутой поверхностью к
призме 2 и ориентированные так, что ось ЦВП перпендикулярна
плоскости чертежа. Это обеспечивает постоянство углов ввода УЗ
колебаний из различных точек пьезоэлемента. Кроме того, ЦВП
обладает более низким уровнем радиальных колебаний. Излучае-
мое поле фокусируется в линию, совпадающую с его осью (а не в
точку в центре, как у СВП). Преобразователь (рис. 30,6) содер-
жит корпус 1, прокладку 7, кожух 3, разъем 4, электрод 5, штифт 6.
101
5. СПОСОБЫ КОРРЕКТИРОВКИ АЧХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ
' Пьезопреобразователей
Выше, в п. 2 отмечалось, что каждой форме ОППТ соответст-
.вует своя. АЧХ. Покажем, что й рамках любой формы ОППТ мож-
:но получать наперед заданНуЮ АЧХ, не.прибегая к изменению
формы ОППТ, т. е. выполнять корректировку АЧХ в' определен-
ных пределах. , . '
.. ^Необходимость проведения' корректировки АЧХ преобразовате-
лен обусловливается .следующими обстоятельствами.,,
, 1. Если, даже пьезоэлемент выбранной формы ОППТ имеет
.широкую.и равномерную АЧХ в заданном .диапазоне частот, то
.при сборке преобразователя последняя может искажаться за счет
.наличия слоев клея, протектора, демпфера.. •
• ?' ^ля ПРИЗМ (в Наклонных преобразователях), как правило,
.свойственно наличие частотно-зависимого затухания, что- приводит'
.к «завалу» верхних частот АЧХ и, как результат, к снижению
.эффективности применения ОППТ. . . . ' ‘,
. . 3. Контролируемые материалы, (как правило,, металлы) также
.обладают частотно-зависимым затуханием, рричем при . переходе
.от одного • контролируемого материала к' Другому коэффициент
.затухания может изменяться в широких пределах.
Предложено несколько способов корректировки АЧХ. На при--
мерв СВП или ЦВП проанализируем каждый из .этих способов.
Корректировка изменением поляризующего напряжения. Изве-
стно [6],1 что степень поляризации, пьезоэлемента прямо пропорцио-
нальна поляризующему напряжению, которое в среднем составляет
2 кВ/мм. Поскольку' СВП имеет переменную толщину, то при по;
ляризации его постоянным напряжением степень поляризации (а
значит, и напряженность электрического поля) будет убывать от
центра к краю. . •
На рис. 31 показаны экспериментально полученные кривые за-
висимости изменения АЧХ от поляризующего напряжения .для:
различных диаметров СВП. Эксперимент проводился следующим
образом. Пьезоэлемент устанавливался на металлический образец
и подключался к. источнику постоянного напряжения. Параллельно
через конденсатор он подключался к ультразвуковому спектро-
скопу УСЦ-1м, на котором регистрировался спектр донного акусти-
ческого сигнала, который и представляет собой АЧХ пьезоэле-
. мента.
На рисунке видно, Что при . малом напряжении (50—100 В) по-
ляризована только центральная высокочастотная, часть. пьезоэле-
мента, и он работает как резонансный высокочастотный пьезоэлё-
мент (кривые 1, 2). По' мере увеличения поляризующего напряже-
ния амплитуда высокочастотной составляющей АЧХ расчёт и до-
стигает насыщения (кривая 5), и именно с этого значения начи-
нается формирование заданной АЧХ. Происходит подъем девой ее
ветви. Можно сформировать как равномерную АЧХ, так и возра-
стающую при. увеличении частоты. Однако для СВП больших раз-
102
Рис. 31. Корректировка АЧХ широкополосного : преобразователя • с СВП изменением поля-
ризующего напряжения V (возбуждение осуществляется коротким экспоненциальным им-
. пульсом, перепад толщин di 4-ds=2-pO,3 мм) при Диаметрах СВП:
Д—10 мм; 6—12 мм; а —18 мм; 7 — 17=60 В; 2 — 67-100 В; 3—07=300 В; 7—07=600 В;
. '5—67=1000 В
Меров (рис. 31,6, кривее 4, 5): можно наблюдать провал в сред-
ней части АЧХ,- обусловленный влиянием радиальных колебаний.
Данный способ может быть ' Использован и длякорректировки
АЧХ преобразователя в сборке (прямого или наклонного).
Если пьезоэлемент вначале поляризовать напряжением одного
знака, затем изменить на противоположный и постепенно увеличи-
вать напряжение,'то можно получить фазированную АДК, т. е.
одна часть АЧХ' будет иметь положительную полярность излуче-
ния, а вторая —отрицательную. Такие пьезоэлементы могут быть
Использованы в системах оптимальной обработки, принятых сиг-
налов.' ‘
Корректировка электрическим демпфированием. Способ коррек-
тировки Посредством шунтирования пьёзоэлемента омическим соп-
ротивлением весьма часто применяется и в обычных узкополосных
преобразователях- для некоторого расширения полосы пропуска^
ния. Для широкополосных преобразователей, перекрывающих зна-
чительный, диапазон частот, характерен также большой диапазон
изменения1' активной составляющей комплексного сопротивления.
Причем,, как известно, чем выше частота, тем ниже это сопротив-
ление. В то же время чувствительность пьезоэлемента обычно про-
порциональна Ra [см., например', выражение (95)], поэтому; вклю-.
чая активное сопротивление параллельно преобразователю; можно
изменять форму АЧХ ОППТ. Электрическое демпфирование ока-
зывает положительное влияние и на уменьшение уровня радиаль-
ных- колебаний, причем более эффективное, чем влияние на тол-
щинные колебания (поскольку-частоты радиальных колебаний зна-
чительно меньше толщинных). ,
Эксперименты показывают, что если при отсутствий АЧХ
имеет достаточно равномерную, форму, но после зондирующего им-
пульса- наблюдается весьма длинный «хвост» радиальных колеба-
ний, .то для 7?=25 Ом радиальные колебания практически исче-
зают, а АЧХ приобретает линейно возрастающую форму. Принтом
103
наблюдается незначительное уменьшение амплитуды эхосигналов
(порядка 4 дБ).
Таким образом,' данный способ может быть' рекомендован в
большей степени, чем предыдущий, для корректировки АЧХ пре-
образователя. , :
Корректировка изменением ширины электрода. Эксперимен-
тально установлено, что . если снять часть электрода на одной из
рабочих поверхностей пластины симметрично относительно ее
центра, то излучение этими участками сохранится, однако эффек-
тивность излучения будет ниже, чем до снятия электродов. Излу-
чение будет осуществляться за счет искривления линий электри-
ческого поля между противоположными поверхностями пьезоэле-
мента. ' .
Таким образом, можно ослабить излучение (и, соответственно,
прием) тех составляющих АЧХ, которые меньше , всего подверга-
ются затуханию в среде, т. е. низкочастотных составляющих. При-
чем чем шире зона снятия электродов, тем больший диапазон
частот подвергается корректировке и тем она глубже. При этом
можно обеспечить практически любую заданную АЧХ от равно-
мерной до возрастающей пропорционально кубу частоты.
Недостатком данного способа является возможность проведе-
ния лишь однократной корректировки АЧХ преобразователя.
Корректировка секционированием зон электродов преобразова-
теля. Данный способ является развитием двух предыдущих спосо-
бов. Одна из поверхностей преобразователя разбивается на не-
сколько симметричных электродов—-зон относительно централь-
ной зоны. Симметричные зоны соединяют 'вместе и последовательно
с ними включают переменные регулировочные резисторы. Изменяя
их сопротивление, можно корректировать АЧХ в широких преде-
лах. Кривые АЧХ аналогичны кривым, приведенным на рис. 31.
Для уменьшения уровня радиальных колебаний параллельно вклю-
чают шунтирующий резистор.
Данный способ нашел наибольшее распространение в широко-
полосных преобразователях. Относительная простота, большой
диапазон корректировки без заметного снижения чувствительности
сделали его оптимальным. Все выпускаемые широкополосные пре-
образователи снабжены либо переменными, либо постоянными кор-
ректирующими резисторами.
Глава V
НЕРЕЗОНАНСНО ВОЗБУЖДАЕМЫЕ ‘
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
1. НЕРАВНОМЕРНО ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ ТОЛСТЫЕ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Как было показано выше (см. гл. I), уравнения (27) и (30)'
описывают работу пьезопреобразователя в режимах излучения и
приема [2]. Правые части этих уравнений
"тг- (М^зв^г) > (110)
(p63aU.;Z) ' (111)
представляют собой соответственно вынуждающую механическую
силу, возникающую за счет неоднородного электрического поля и
вызывающую акустические колебания, и электрический заряд,
обусловленный неоднородной упругой деформацией и вызывающий
разность потенциалов на электродах пьезоэлемента.'
Подчеркнем, что; выражения (ПО) и (1П)'записаны для(пье-
зокер а мики ЦТС-19 (с учетом ее свойств симметрии), а направ-
ление оси Z совпадает с направлением 'поляризации.
Анализ выражений (ПО) и (111) позволяет определить место
возникновения и амплитуду механических колебаний в режиме из-
лучения и электрического заряда в режиме приема.
Рассмотрим толстый пьезоэлемент толщиной d (рис. 32, а), по-
ляризованный равномерно по всему объему (рис. 32,6). Пьезоэле-
мент возбуждают коротким электрическим импульсом. Скорость
распространения электромагнитной волны в диэлектриках много
больше скорости распространения в них УЗ волн, поэтому можно
считать, что во время возбуждения пьезоэлемент находится в одно-
родном квазистатическом электрическом поле с напряженностью
Ez (рис. 32, в), создаваемом с помощью- электродов 1, 2 (см.
рис. 32, а).
В этом случае,-как следует из уравнения (ИО), акустические
импульсы возникнут у поверхностей пьёзоэлемента, несущих элект-
роды. При каждом из многократных отражений от поверхностей с
электродами в силу прямого пьезоэффекта эти импульсы будут
генерировать электрические заряды на электродах 1, 2. По появ-
лению этих Зарядов регистрируются импульсы акустического дав-
ления Р, периодически приходящие к поверхностям с электродами
(рис. 32, г), "•
106
Рис. 32. Пояснение способов создания источников акустических волн в различных частях
1 ' объема толстого пьезоэлемента
Очевидно, что каждый нечетный из импульсов (рис. 32, г), кро-
ме первого, является следствием Многократных отражений этого
первого импульса давления,' возникшего у поверхности пьезоэле-
мента (например, у поверхности с электродом 1). Каждый четный
из'импульсов (рис. 32,г), кромеВторого — это следствие много-
кратных отражений второго импульса давления, возникшего , у по-
верхности пьезоэлемента, несущей электрод 2.. Полярности пер-
вого и второго импульсов и-соответствующих им серий импульсов
противоположны, так как они, возникают на поверхностях с раз-
ным знаком производной (110).' • • . . ,
В данном случае мы считаем, что поверхности пьезоэлемента,
несущие электроды, акустически не нагружены (например, грани-
чат с воздухом). '
Тогда можно предположить [28, 68, 70], что, создав, например,
такое распределение степени поляризации в объеме пьезоэлемента,
как показано на рис. 32, д, мы исключим пьезоэффект у поверх?
ности пьезоэлемента, несущей электрод 2. Пренебрегая из-за ма-
лости влиянием той частью производной (110), которая соответ-
ствует объему пьезоэлемента, и учитывая только ее большею часть,
обусловленную скачкообразным изменением пьезосвойств, у по-
верхности с электродом, 1, можно ожидать, что в объеме пьезо,-
элемента импульсы акустического давления будут возникать толь-
ко у этого электрода и останутся только, импульсы положительной
полярности (рис. 32, е). Ниже будет показано, что опыт подтверж-
дает это предположение. . ,
На рис. 32, а—ж, видно, что в соответствии с выражением (110),
изменяя закон распределения степени поляризации в объеме пьезо-
элемента, возбуждаемого однородным электрическим полем, мож-
но изменять число, место и полярность источников акустических
волн в этом объеме. . У ’
Из анализа выражения (ПО) следует также,и вывод о том,
что при равномерном распределении пьезомодуля d33. по всему
объему пьезоэлемента (рис. 32, б) можно достичь эффекта .изме-
нения места и полярности источника акустических волн,, создавая
различное распределение в объеме пьезоэлемента составляющей
106
Е\ напряженности электрического поля; Так, если в .объеме. пьезо-?
элемента создать соответствующее неоднородное электрическое
поле, составляющая Ez которого (нормальная, к электродам) будет
изменяться так, как показано, на рис. 32, д штриховой кривой, то
эпюры импульсов, акустического давления, распространяющихся
в объеме преобразователя, , будут соответствовать эпюрам на
рис. 32, е. ti .
Д Создать ' такие - возбуждающие электрические - поля нетрудно,
если, например, использовать пьезоэлемент с электродами, распо-
ложенными на одной его поверхности (рис. 32,ж). В этом случае
возбуждающее электрическое поле концентрируется в локальной,
области объема пьезоэлемента, прилегающей к его поверхности
с электродами. . .
На основании изложенного оказывается возможным сформули-
ровать два основных условия, при которых принципиально ВОЗ;
можно создание широкополосного. апериодического цьезопреобра-t
зователя’ продольных УЗ волн: •
во-первых, в объеме пьезоэлемента должно существовать толь-
ко одно сечение (которое в . частном случае может совпасть и с его
поверхностью); в этом сечении претерпевает достаточно резкий
скачок или напряженность возбуждающего электрического поля,
или значении пьезомодуля или и то и другое одновременно; -
во-вторых, пьезоэлемент должен иметь такие форму: или разме-:
ры, при которых будет исключено возникновение в нем стоячих
волн, генерируемых в его рабочем сечении или на его. рабочей
поверхности. -
. Как будет показано ниже, эти два принципа обеспечивают ши-
рокополоеность и, апериодичность пьезопреобразователя в режи-
мах излучения, и приема. Но кроме них существует еще один прин-
цип, 1 который необходимо учитывать в режиме приема. Только
импульсы .выходного электрического тока (а не напряжения), сни-
маемого с пьезопреобразователя при его работе в режиме приема,
повторяют по форме и длительности импульсы акустического дав-
ления,. воздействующего на преобразователь [28, 33, 75]. Следова-
тельно, при работе с широкополосным пьезоприемником необхо-
димо использовать усилитель, тока с малым (порядка единиц ом)
входным сопротивлением. Такой усилитель практически обеспечи-
вает режим короткого замыкания, преобразователя при приеме УЗ
импульсов, в' результате чего с преобразователя снимаются- им-
пульсы тока, повторяющие по форме приходящие акустические сиг-
налы, в.то время как импульсы’электрического напряжения -соот-
ветствуют интегралу по- времени от импульсов УЗ давления
[28,75]. ... ....
К первому типу широкополосных апериодических преобразо-
вателей УЗ волн отнесем неравномерно поляризованные толстые'
пьезопреобразователи (НТП),. отличающиеся; от обычных толстых
пьезопреобразователей (ТП) тем, что. степень поляризации в их
объеме плавно , убывает- от максимального значения у передней
поверхности (излучающей в полезную акустическую нагрузку), до
.107
нуля у противоположной (задней) поверхности.
' Электромеханическое преобразование в НТП происходит в ос-
новном на одной поверхности пьезоэлемента. Кроме того, для ис-
ключения многократных отражений УЗ волн, возбуждаемых у пе-'
редней поверхности, к задней поверхности НТП присоединяется
(припаивается, приклеивается) тело из ‘материала, Характеристи-
ческий импеданс которого равен или близок к импедансу пьезоэле-
мента. Этому телу придается форма акустической ловушки, напри-
мер, конуса. Такая форма обеспечивает поглощение и рассеяние
в виде тепла той части энергии УЗ волн, возникающих у передней
поверхности НТП, которая излучается внутрь его объема и беспре-
пятственно (без отражения у задней поверхности) проходит в аку-
стическую ловушку.
Эта конструкция НТП исключает многократные отражения УЗ
волн в объеме преобразователя и, следовательно, возможность воз-
никновения в нем стоячих УЗ волн; поэтому такой НТП обеспечи-
вает возможность излучения одиночных УЗ импульсов. Заметим,
что такой режим излучения невозможен в обычных ТП.
Неравномерная поляризация в НТП достигается частичной де-
поляризацией стандартных равномерно поляризованных цьезоэле-
ментов кратковременным н’агреванием части их объема до темпера-
туры, превышающей верхнюю точку Кюри пьезокерамики [28]. Аку-
стическую ловушку изготовляют из той же пьезокерамики или из
металла с характеристическим импедансом, близким к импедансу
пьезокерамики.'
Важной особенностью НТП является то, что их широкоцолос-
ность достигается при сохранении возможности возбуждения этих
пьезопреобразователей однородным электрическим полем. Благо-
даря этому НТП генерирует в непосредственной близости от своей
передней излучающей поверхности синфазные УЗ волны с равно-
мерным распределением акустического давления в них фронте.
В реальных НТП градиент поляризации в их объеме отличен
от нуля. Следовательно, в соответствии с выражением (ПО) УЗ
волны при, возбуждении НТП должны возникать не только на по-
верхности пьезоэлемента, но и в его объеме. Это должно отра-
жаться на АЧХ НТП.
В работе [29] была рассчитана АЧХ НТП:
К(©) = WM1/"fl--—-—sin °-(6cos 03(6+ Д)Т +
v ’ |/ L (Ь— а) со 2с 2с J
--->--------------------------------
. 4са . co(fe-f-c) . » со(Ь — а)
4- •------sin2, —v - sin2 —*--- ,
2с 2с
где — амплитуда импульса электрического напряжения, воз-
буждающего НТП; М — постоянный множитель, учитывающий
йьезоэлектричёские и акустические параметры пьезоэлемента.
108
Кривые, рассчитанные по формуле (112) для различных раз-
меров пьезоэлемента, приведены в работе [76]. Из полученных ре-
зультатов следует, что наличие переменной поляризации в объеме
НТП приводит к уменьшению К (со) и к появлению колебаний
•пункции М(со) на низких частотах. Наличие второй поверхности
пьезоэлемента (в располяризованной области) приводит к появ-
•лению на АЧХ областей с нулевым значением коэффициента пре-
образования. Это объясняется тем, что при одновременном излу-
чении УЗ волн обеими поверхностями всегда найдутся частоты,
три которых фазы излучаемых этими поверхностями волн будут
противоположны. Уменьшение К (со) НТП и появление колебаний
в К(со) на низких частотах ведут к искажению формы акустиче-
ского импульса, излучаемого преобразователем, по сравнению с
•формой возбуждающего электрического импульса.
' Для определения этих искажений было рассчитано выходное
•акустическое давление, излучаемое НТП, для случаев, когда вход-
ное электрическое воздействие имеет вид 6-функции, одной полу-
волны и одной волны синусоидальных колебаний частотой соо [28].
Результаты этих расчетов приведены в табл. 4. В 1-м столбце таб-
лицы изображен вид поляризации пьезоэлемента; во 2-м — даны
•формулы и графики возбуждающих электрических импульсов раз-
личного вида (6-функция, полуволна и волна гармонических коле-
баний); в 3-м и 4-м столбцах приведены соответственно формулы
и графики выходных акустических импульсов, излучаемых преоб-
разователем. Из табл. 4 видно, что выходной сигнал P(t) тем
меньше искажается по сравнению с входным, чем меньше его дли-
тельность по сравнению с временем d/c. Если отношение этих вре-
мен достаточно мало, то выходной сигнал практически не отлича-
ется по форме от входного, т. е. пьезопреобразователь становится
практически полностью апериодическим. Однако за счет перемен-
ной поляризации, которая имеется в объеме НТП, появляются вы-
бросы акустической помехи. Их амплитуда оказывается во столько
раз меньше амплитуды основного сигнала, во сколько раз его
длительность меньше времени d/c (см. табл. 4). Это соотношение
на практике обычно равно нескольким сотням, что оказывается
вполне достаточным для того, чтобы амплитудой выбросов помехи
можно было пренебречь.
Так, при возбуждении НТП с пьезоэлементом толщиной d~
— 10-мм электрическими импульсами в виде волны синусоидаль-
ных колебаний частотой ]=со/(2л:) =20 МГц отношение полезный
•сигнал/акустическая помеха равно примерно 380. Такое отношение
•сигнал/помеха достаточно для применения этого НТП не только
в эхоимпульсных толщиномерах, но и в весьма чувствительных де-
фектоскопах с динамическим диапазоном порядка 60 дБ.
Выведем формулу для расчета коэффициента двойного элект-
ромеханического преобразования НТП, взяв за основу иммерсион-
ный вариант совмещенного преобразователя [28]. Как будет пока-
зано ниже, полученные результаты легко обобщить и для кон-
тактного варианта НТП.
109
110
- Таблица 4
U(t)=< UfjStndJob,
pfchPo*
x/s£n (V„t + -^T- cos w»t-
t ° ш0о . " ,
-^-.C0SA»6-rM
. .О«-й>оГ«Я
О, ЫВЪ>2Л
0~-
t
U(t),.
№)ВРо*.
7Sin <u„ i+ —Я- cos шЛ-
t ° -tyb 0
0^швг^2Л-
Тип пьезопрео^разода- - теля uft) ' . ' .Pl1) " *>*,
Hi .зс т 'равномерно поляри- ванный толстый взопреоИразовотель ufb)\ U(b)=U0N6(t) . р.^)=рох N=1c
t
0j (Jgij"^O j
2x/fc)j
I Предложенная в работах [73' ,74] методика расчета переходных
оцессов в пьезопреобразователях позволяет определить импульс
тЬка I(t), протекающего через нагрузку пьезоэлемента R в режийе
приема. По этой методике преобразование .«Далласа применяется
и волновому уравнению, граничным условиям и уравнениям пьезо-
гффекта. На основе этого подхода было получено, выражение для
J(t) при коротком замыкании электродов НТП в: режиме приема
$ = 0) [28]: '
I(t)~GU(t), . ‘ (113)
т, ;е G =» 2 exp (— 2a/7)/[S (Z J- Z2)®]; U (t) — элект-
ргческое напряжение, возбуждающее. НТП в режиме излучения;
И, Z2, Z3 — характеристические импедаНсы преобразователя, им-
мерсионной жидкости и внешней среды соответственно; Т\2з=
=4 (Zs—Z2)/(ZS+Z2) — коэффициент, отражения по давлению на
транице раздела иммерсионная . жидкость —внешняя среда; а—•
коэффициент затухания УЗ волн: в иммерсионной жидкости; S —-
площадь электрода; Н — расстояние между НТЦ и внешней средой.
1 Для произвольного jR , .. . '
t
. (114)
W'O J \ •Kt'O j
0 .
где # —переменная интегрирования.
Отметим, что выражение (113) справедливо для определения1
силы тока, снимаемого с преобразователя в режиме приема как в
иммерсионном, так и контактном варианте • эхометода [28].
Для контактного совмещенного НТП с твердотельной УЗ ли-
нией задержки (УЛЗ). между пьезоэлементом- й контролируемым
изделием выражение (ПЗ) для амплитуды тока имеет вид
4=TGtZ0, (115)
где у—-коэффициент прозрачности, учитывающий влияние слоя
контактной среды, длительность зондирующего импульса и шеро-
ховатость поверхности контролируемого йзделйя.
. В принципе коэффициент прозрачности у можно рассчитать,
•однако точность этих расчетов не превышает 50 %, поэтому на
практике его определяют экспериментально для конкретных усло-
вий контроля. Так, наприйер, для трансформаторного масла в ка-
честве-контактной, среды, шероховатости поверхности контролируе-
мого'изделия 2,5—4,25, длительности возбуждающего импульса
50 нс в виде одного периода синусоидальных колебаний частотой
20 МГц и УЛЗ из магниевых сплавов ВМ-65 и МА-17 у равен 0,66
и 0,44 для изделий из стали и алюминиевых сплавов соответст-
венно.’ '
2. ПОВЕРХНОСТНО ВОЗБУЖДАЕМЫЕ ТОЛСТЫЕ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
К этому типу широкополосных апериодических УЗ преобразо-
вателей относятся пьезоэлектрические преобразователи, в которых
пьезоэлемент возбуждается неоднородным электрическим полем [20^
29, 68, 70], создаваемым, например, компланарными электродам!,,
расположенными на одной, из его поверхностей, у которой пьезе-
электрические свойства претерпевают разрыв (см. рис. 32, ж).
Впервые подобный метод возбуждения УЗ волн был предложен
в 1948 г. С. Я- Соколовым и Г. Е. Грачевым и был использован
для генерирования гиперзвука в образцах пьезоэлектрического-
кварца, а также для создания монолитной твердотельной УЛВ-
[77]. В описываемой разновидности толстых пьезопреобразователей
УЗ волны в режиме излучения возбуждаются в основном только-
у одной поверхности. С этой же поверхности с помощью располо-
женных на ней электродов снимаются электрические заряды мак-
симальной величины, генерируемые на ней в режиме приема уЗ-
волн. Этот тип преобразователей назван поверхностно возбуж-
даемыми толстыми пьезопреобразователями (ПВТП).
Работа ПВТП в режиме излучения описана в работе [29]. Ре-
шение двумерного уравнения Лапласа по методу. Фурье имеет вид
оо г зт
ф(х, z) =H VJ-|-^n|e d
4^4 аа
n=l
z —--(2d — z) , \
+ е d J cos (-—x), (116)
\ a J
где An определяют из условия
_ / 2Wid \ a
J^-ЛпЦ + е ° ) =— f<p0(x)cosf— лЛ dx. (117)
d a J \ a /
, , о
Следует подчеркнуть, что cp(x, z) в формуле (116) не зависит
от времени, т. е. считается, что распределение.потенциала по пьезо-
электрику происходит мгновенно и в каждый момент времени
определяется внешним напряжением —cp2(t), прило-
женным к электродам.
По формулам (29), (116) и (П7) были рассчитаны функции
|Ez(x, z)z==0| = 0) | для двух- и трехэлектродных конструк-
ций ПВТП при различных размерах электродов и расстояниях
между ними (рис. 33). Электроды расположены симметрично, по-
этому на рисунках изображены функции |£*2(х, 0) | лишь для пра-
вой половины пьезоэлементов.
На рис. 33 видно, что напряженность Е# возрастает у краев,
электродов, причем тем больше, чем меньше зазор между электро-
дами и. чем меньше сами электроды. В результате расчетов было-
получено, что одна относительная единица измерения Е^ на рис. 33-
соответствует 272 U В/м, где U— напряжение между электродами
(в вольтах).
112
Рис. 33. Распределение напряженности электрического поля Bz(x)|z=0' и механического-
давления | Р(х) | г=о:
с —для двухэлектродных пьезоэлементов (1 — Рор=3 отн- ед': s~z °™- ед.; 3 — 1 отн. ед.;
4— 6 отн. ед.; 5 — 4 отн. ед.; 6— 3,6 отн. ед.); б, в, г — для трехэлектродных пьезоэле-
ментов (J — рср=4 отн. ед.; 2 — 3 отн. ед.; 3—1,6 отн. ед.; 4— Б отн, ед.; 6 — 2,6 отн. ед.;.
7 — 3 отн. ед.); рср определено по формуле (119)
Определим теперь поле механических деформаций и напряже-
ний по известному распределению потенциала электрического поля..
Анализ вынуждающей силы в волновом уравнении (27), т. е..
выражения —— (р4д3Е2), показывает, что она неограничен-
dz
но возрастает у основания пьезоэлектрика (2=0) из-за разрыва
пьезосвойств и равна сравнительно небольшой величине
в объеме пьезоэлемента. Это означает, что вынуждающая сила,,,
вызывающая механические волны, сосредоточена в основном на;
границе пьезоэлемента при 2=0.
В конечном итоге нас интересует давление Р(х, t) |z==0, возни-
кающее именно на поверхности ПВТП, несущей электроды и кон-
тактирующей с исследуемой средой, так как именно давление яв-
ляется измеряемой величиной, преобразуемой впоследствии в элект-
рический сигнал. Поэтому неТГ смысла решать уравнение (27) и
находить механические смещения gz(x, 2, t) внутри пьезоизлуча-
теля, вызванные силой, действующей на границе 2=0. Воспользо-
вавшись уравнением (12) и учтя, что граница при 2=0 является
зажатой (на ней деформаций uem=Q'), так как мы полагаем, что
ПВТП акустически нагружен, т. е. граничит с твердым телом), по-
лучим, что на этой границе Озз=—eZ3Ez. Для случая, когда тело-
подвергается равномерному сжатию или расширению, можно вве-
сти понятие давления Р [34]. При этом cfefc» z) |z=(i=P(x, 2) [z=0,
и тогда получим
Р (х, 2) |z=o = —&ззуЕз(х, 2) |z=o« (118).
113
Подчеркнем, что аналогичное выражение получается для случая
акустически свободного ПВТП, т. е. когда граница при г=0 явля-
ется свободной (преобразователь граничит с жидкостью). В самом
деле, при этом сщ;=0, и из уравнения (8) найдем и^—й^Е^ От-
сюда после интегрирования деформации по координате можно най-
ти механическое смещение g2, а затем (после дифференцирования
по времени) — колебательную скорость н2. Поскольку в данной
тлаве не рассматриваются резонансные преобразователи, в которых
существенны эффекты отражения и сложения УЗ волн, т. е^ здесь
диализируются только бегущие волны, то для них P=vpc. .Кроме
того, так как z=ct, то в результате всех преобразований и подст£-’
новок получим .
_/ /XI ^z(x>z)i2=0 , d f .
P (x, z) |2=o = рсог (x, z) |2=o = pc •- -• 1— — pc l uZz (x, z}dz =
at . at J
. . = рс^зэ f - J- (^Zdz) ;= pcdas СД- (Ezcdf) = peM3SEz (X, z) U=d. -
J dt J dt
Таким . образом, для обоих' предельных случаев (акустически
зажатая и акустически свободная рабочая йоверхность ПВТП)
найдено, что Давление на поверхности ПВТП z=0 прямо пропор-
ционально напряженности возбуждающего электрического поля на
этой поверхности. Естественно, что аналогичный результат получа-
ется-для любого реального промежуточного случая. '
. Следует отметить, что отказ от решения уравнения (27). привел
ж тому,, что не учитывались УЗ волны в объеме ПВТП, в част-
ности, волна, возникшая на плоскости 2=0, ушедшая внутрь
пьезоэлемента, отразившаяся от плоскости z=d и вернувшаяся
вновь на .плоскость 2=0. Такое допущение возможно лишь в том
•случае, когда время прямого и обратного распространения волны
по пьезоизлучателю много больше времени действия возбужда-
ющего напряжения E(t), так как при этом не будет происходить
искажения рассматриваемых явлений. Такое соотношение времен
на практике имеет. место, для рассматриваемых ПВТП, у которых
<d составляет несколько миллиметров, а длительность импульса,
подаваемого на электроды, меньше 1—2 мкс. .
Подчеркнем, что Р(х) |2=о' в формуле (118) не зависит от вре-
мени. Это связано с тем, что /’(х) |2==о в любой момент времени
•определяется только значением Ez(x, 0) в тот же момент времени,
.a Ez, в свою очередь, как уже отмечалось выше, зависит только от
электрического напряжения на электродах U (t) в этот же момент
времени. Таким образом, .временная зависимость Р(х)|2=0 опреде-
ляется только функцией (/(/). .
На основании (118) все графики, приведенные на рис. 33, мож-.
но рассматривать как функции распределения давления |Р(х) |2=о|
на поверхности пьезоэлемента, несущей электроды. При. этом, одна
относительная единица по оси ординат на рис. 33 соответствует
3,8:103 U Па. Следует подчеркнуть, что в этом случае рис. 33
будет представлять собой'.графики распределения модуля давления
114
IГ (*) I z=01. Истинное значение давления будет положительно у од-
ного электрода и отрицательно у другого в зависимости от поляр-
ности приложенного к ним электрического напряжения. ..Это озна-
чает, что от одного электрода будет распространяться волна раз-
режения, а от другого — волна сжатия. При необходимости, созда-
ния давления одного знака у обоих электродов следует поляризо-
вать области-пьезоэлемента, расположенные под разными элект-
родами, в противоположных направлениях. ,
./.Для определения усредненного по площади электродов коэф-
фициента электромеханического преобразования ПВТП для каж-
дой из кривых, приведенных на рис. 33, необходимо .рассчитать
среднее значение давления Тор по формул'е
а .
Рср |z=o 4== Р (х) lz=odx.
Значения Дср12=о даны, в относительных единицах' в подрисуноч-
ных надписях для каждой кривой..' .
Как следует из формул (118) и (119), зависимости Р(х) |z==0 и
Рс-р от времени — такие же, как и временная зависимость возбуж-
дающего электрического напряжения U (f) на электродах ПВТП..
Это значит,, что АЧХ ПВТП при отмеченных в тексте допущениях
представляет собой горизонтальную прямую во всем диапазоне ча-
стот, т. е. ПВТП является широкополосной системой.
Коэффициент .электромеханического преобразования ПВТП в-
режиме излучения при различных размерах электродов и зазоров
между ними определяется в результате деления среднего значения
давления Аср для каждой из кривых на рис. 33 (приведенных в-
•подрисуночных надписях) на приложенное электрическое напряже-
ние -U. 1 • ' . ' •
Рассчитаем ДЧХ и коэффициент электромеханического преоб-
разования ПВТП в режиме .приема [29]. Будем исходить, как и
прежде, из системы уравнений (9), (12), (18), (26), (29). В ре-
зультате расчет электрического поля в пьезоэлементе в режиме-
приема при тех же допущениях, что и выше, сведётся .к решению’
двумерного неоднородного уравнения . Пуассона. Величина
^4— играет роль объемного электрического заряда в
этом уравнении. Ддя ее определения необходимо найти механиче-
ское смещение ^(х, z, t) в любой точке пьезоэлемента в любой-
момент времени.
. Определение функции ^(x, z, (),'т. е. расчет акустического поля
в режиме приема, сводится к.решению двумерного волнового урав-
нения (27) без'правой части при соответствующих граничных ус-
ловиях, означающих, что преобразователь свободен по всем гра-
ницам, кроме одной (z=0), на которую.действует внешнее акусти-
ческое давление Р (х, t).
115-
I
Такое решение является весьма. затруднительным для анализа.
Его можно существенно упростить, если считать задачу одномер-
ной, т. е. если допустить, что gz(x, 2,. г) зависит от х при различ-
ных z так же, как функция Р(х, t). Это эквивалентно предполо-
жению, что с изменением координаты z не происходит расхожде-
ния УЗ волны по координате х. Такое допущение приемлемо для
подавляющего большинства практических случаев, так как из-за
•своей апериодичности ПВТП позволяет излучать и принимать
чрезвычайно короткие УЗ импульсы (вплоть до десятых долей на-
носекунды) или радиоимпульсы с частотой заполнения до десятков
и сотен мегагерц. При этом длина УЗ волн на несколько порядков
меньше размеров ПВТП, составляющих единицы или. десятки мил-
.лиметров. Вследствие сказанного можно прибегнуть к прибли-
жениям геометрической акустики и соответственно пренебречь
расхождением УЗ лучей.
Для упрощения полученных результатов и облегчения их прак-
тического анализа рассмотрим объемный электрический заряд
\ 3 дг)' Очевидно, что он максимален на границах пьезо-
..элемента, т. е. там, где У33 претерпевает разрыв. Кроме того, влия-
ние заряда, находящегося на поверхности z=0, на потенциал
.электродов и ток, протекающий через нагрузку, будет самым силь-
ным, так как на этой поверхности расположены электроды.
Рассмотрим обычный ТП толщиной d, электроды которого на-
ходятся на двух противоположных поверхностях (см. рис. 32, а),
.а весь объем пьезоэлемента поляризован равномерно и в одном
направлении. При возбуждении ТП однополярными электрически-
ми импульсами мы снимаем с. него в режиме приема такие же
'.короткие импульсы электрического тока, следующие друг за дру-
гом через интервалы d/c и наложенные на низкочастотную состав-
.ляющую электрического тока, обусловленную перемещением объ-
емного заряда, амплитуда которой сравнима с амплитудой импульс-
ных сигналов. Подробнее объемный заряд будет рассмотрен в п. 4
настоящей главы. Однако достаточно возбудить такой преобразо-
ватель двухполярным импульсом электрического напряжения, что-
бы низкочастотная составляющая в сигнале, снимаемом с преобра-
зи 6
вователя в. режиме приема, практически исчезла. Это- обусловлено
•тем, что объемные заряды, создаваемые положительной и отри-
цательной полуволнами, расположены в пространстве в непосред-
ственной'близости друг от друга и взаимно компенсируют свое
влияние на потенциалы электродов.
В случае ПВТП на его излучающей поверхности под каждым
.электродом в режиме излучения генерируются УЗ волны с проти-
вофазным акустическим давлением. Электрическое поле, сопровож-
дающее обе половины такой УЗ волны, распространяющейся в
•объеме преобразователя, эквивалентно полю движущегося элект-
рического диполя. При этом заряды диполя также резко уменьша-
ют свое влияние на потенциалы электродов и на силу тока между
«ними.
Из сказанного ясно, что для многих практически важных слу-
чаев можно пренебречь влиянием объемных зарядов.
Входное сопротивление усилителя тока, который обычно ис-
пользуется при работе с ПВТП и ТП, т. е. сопротивление R, со-
ставляет примерно 1:—10 Ом [29]. Учитывая малое значение R и
проведя расчеты, основанные на преобразовании Лапласа, полу-
чим выражение для выходного тока ПВТП
/(0=_^СоРор(0, (121)
рс
где определено в (119), а емкость Со рассчитывается по
•обычным формулам для ТП и по формулам из [18] для ПВТП.
Если необходимо учесть конечное значение входного сопротив-
ления усилителя тока R, следует пользоваться формулой [29]
i
/(0=А^Грор(т)ехрЛ (122)
О
Как следует из (121), зависимость выходного электрического
•сигнала, снимаемого с ПВТП, от времени определяется той же
функцией, что и временная зависимость акустического сигнала,
приходящего на ПВТП. Поэтому АЧХ ПВТП в режиме приема
при отмеченных выше допущениях является горизонтальной пря-
мой во всем диапазоне частот.
Из (121) следует, что коэффициент электромеханического пре-
образования ПВТП в режиме приема равен h33C0/(pc).
3. НЕРАВНОМЕРНО ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ ТОЛСТЫЕ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ПОВЕРХНОСТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
Выше были проанализированы такие типы толстых пьезопреоб-
разователей, как НТП, обладающие неравномерной поляризацией
по объему пьезоэлемента, но возбуждаемые однородным электри-
ческим полем, и ПВТП, имеющие однородную поляризацию по
объему, но возбуждаемые неоднородным электрическим полем, со-
средоточенным лишь у одной поверхности преобразователя. Теперь
117
Рис. 34. ПВТП и НЙВТП:
а,— схематические конструкции; б, в, г —кривые распределения в них £г, d33, р соответ-
ственно (стрелками показаны направления поляризации; электроды зачернены)
проанализируем неравномерно поляризованные' поверхностно воз-
буждаемые толстые пьезопреобразователи (НПВТП), обладаю-
щие неоднородной по объему поляризацией и возбуждаемые неод-
нородным электрическим полем, сосредоточенным у. одной поверх-
ности.
На рис. 34, а схематически показаны конструкции двух типов
НПВТП: НПВТП-1 поляризован только под одним электродом,
НПВТП-2 поляризован под разными электродами в противопо-
ложных, направлениях., ...
Для лучшего понимания особенностей работы НПВТП на
рис. 34, б—г приведены распределения вдоль оси z составляющей,
напряженности возбуждающего, электрического поля перпен-
дикулярной к электродам, .пьезомодуля й33 и акустического давле-
ния Р, генерируемого преобразователе^ на поверхности с электро-
дами (z=0).
Изготовить простейшие конструкции НПВТП, показанные на
рис. 34, можно либо посредством неоднородной поляризации пьезо-
элементов, либо склеиванием однородно поляризованных (или рас-
поляризованных) пьезоэлементов [29].
о Допустим, что НПВТП, изображенный на рис. 35, а, возбужда-
ется коротким, импульсом электрического напряжения U{t)
(рис. 35,6). При этом внутри преобразователя возникает неодно-
родное электрическое поле с напряженностью Ez(x, z), рассчиты-
ваемое по формулам (116), (117). Рассмотрим давление на по-,
верхности z—d, которая обычно соприкасается с объектом контро-
ля. Качественный вид усредненной по х кривой Ez. ср (z) показан
118
Рис. ЗБ, НПВТП!
а — конструкция; б—ж — графики зависимостей соответственно £/(/), £zop(2), Р2Сп(0.
Рз ср(о. Р1 ср(0. Рср(0
нр рис. 35, в. На основании рисунка можно заключить, что выра-
жение (Н^вв-^гср (z> 0)» максимально при малых z и плавно убы-
вает с ростом .2. ' ' ' ' '
" Следовательно, такой же будет и амплитуда УЗ 'волн, Возник-
ших в силу пьезоэффекта на поверхности ш в различных областях
объема преобразователя. Эти волны распространяются как в глубь
объема (вниз nd рис. 35, а), так и от поверхности z=d к поверх-
ности 2=0 (вверх). Рассмотрим первую группу волн, создающих
давление Р^ср (z,’f). Сначала на поверхность z~d приходят УЗ
волны, возникшие при больших 2, затем при меньших и, наконец,
при 2=0. Однако амйлитуда давлёния'волн тем больше, чем мень-
ше 2, поэтому Риф(0 возрастает с течением времени (рнс. 35, а)'.
Теперь рассмотрим вторую группу волн, создающих давление
Рвор(2, t)-, эти волны доходят до поверхности 2=0, отражаются от
нее и приходят на поверхность z=d. ‘ Однако при этом сначала на
, плоскость z=d попадают волны, возникшие при 2=0, так как им
нужно пройти- меньший путь. Поэтому УЗ волны', с давлением
jp3cp(0 приходят на поверхность z=d начиная с момента времени
dfc и амплитуда этого давления со временем убывает (рис. 35,5).
В начальный момент времени, ,т. е. в момент возбуждения пре-
образователя, на поверхности 2=0 возникает УЗ импульс с давле-
нием,'Pjcp(£) максимальной .амплитуды, рассчитываемым по фор-
мулам (И8), (119), который приходит на поверхность 2=d через
интервал времени d/c (рис. 35, е). '
Изменение суммарного давлений'Рор(() в зависимости от вре-
мени на поверхности z—d. имеет вид, изображенный на рис. 35, ж.
Подчеркнем, что если.возбуждающий импульс U(t) имеет 6-фунщ
ции, то Pcp(t) является импульсной характеристикой преобразо-
вателя в режиме излучения.
119
Рис. 86. Импульсные характеристики (рассчитанные и экспериментальные):
а —ПВТП; б — НПВТП-1;. в — НПВТП-2; на осциллограммах масштаб, по вертикали
75 мВ /см (а, б) и 375 мВ/см (в), по горизонтали 0,4 мкс/см
Количественный расчет Лер (О» Pzcpft), Psepft) и Pcp(Z) про-
веден в работе (29].
Принцип действия НПВТП в режиме приема аналогичен прин-
ципу действия ПВТП.
Подчеркнем, что формула (121) верна для НПВТП-2 и для
ПВТП, так как в них работают обе половины преобразователя, на
электродах которых возникают заряды разных знаков, а в
НПВТП-1, где работает лишь одна поляризованная половина (и
поэтому только на ее электроде возникает заряд, обусловленный
прямым пьезоэффектом), в правую часть формулы следует до-
бавить множитель 1/2.
Теперь рассмотрим импульсную характеристику НПВТП'с уче-
том расхождения УЗ волн за время их распространения по объе-
му пьезопреобразователя. Расчет импульсной характеристики для
различных типов НПВТП был проведен в работе (29].
Результаты расчетов приведены на рис. 36,6, в. На рис. 36, а
для сравнения приведена рассчитанная аналогичным образом им-
пульсная характеристика ПВТП (29].
На тех преобразователях, для которых проводились теорети-
ческие расчеты, были экспериментально сняты их импульсные
'характеристики (см. осциллограммы). При этом преобразователи
возбуждались однополярными электрическими импульсами ампли-
тудой 40 В и длительностью 35 нс, формируемыми схемой, кото-
120
Рис. 87. Осциллограммы радиоимпульсов различной формы:
.а — импульсы, возбуждающие' пьезопреобразователь в режиме излучения; б, в, г — им-
лульсы, снимаемые с пьезопреобразователя в режиме приема соответственно с ПВТП,
еНПВТП-1, НПВТП-2; частота возбуждающих синусоидальных сигналов 10 МГц, масштаб
по горизонтали 0,1 мкс/см, по вертикали 10 В/см (а), 0,1 В/см {б, в), 0,Б В/см (г)
•рая будет рассмотрена в гл. X. Она же служила и для снятия
•сигнала в режиме приема. Сравнение осциллограмм на рис. 36
н расчетных импульсных характеристик говорит об их совпаде-
нии.
Зная импульсные характеристики различных типов НПВТП,
можно найти их передаточные функции, а затем их АЧХ. Резуль-
таты, приведенные в работе [29], показывают, что НПВТП явля-
ются широкополосными пьезопреобразователями, АЧХ которых в
диапазоне частот от десятых долей до десятков мегагерц имеет
вид практически горизонтальной прямой.
На рис. 37, а представлены осциллограммы радиоимпульсов
различной формы, возбуждающих преобразователи в режиме излу-
чения; на рис. 37,6—г —осциллограммы импульсов, снимаемых с
них в режиме приема. На приведенных осциллограммах видно, что
форма радиоимпульсов после их излучения и приема ПВТП и
НПВТП довольно слабо искажается. Это еще раз подтверждает
.широкополосность данных преобразователей и говорит об их боль-
ших возможностях при использовании для излучения и приема УЗ
импульсов различной формы.
Теперь рассмотрим вопрос о значении, коэффициентов преобра-
зования ПВТП и НПВТП.
Коэффициент прямого электромеханического преобразования
Каи=Рс-р/^о одинаков для ПВТП и НПВТП-2, но вдвое меньше
для НПВТП-1, так как у него одна половина неполяризована, аку-
121
этическое давление в ней не возникает, и поэтому среднее давле-
ние (усредненное по площади обоих электродов) вдвое меньше.
: Коэффициент обратного электромеханического преобразования
Кг а одинаков для ПВТП и НПВТП-2, но (как отмечалось выше)
имеет множитель 1/2 для НПВТП-1.
Следовательно, коэффициент двойного электромеханического
преобразования Кги=КаиКг а одинаков для ПВТП и НПВТП-2, но
должен быть в 4 раза меньше для НПВТП-1. На самом деле,
Кги в НПВТП-1 лишь в 2; раза меньше, чем в ПВТП и НПВТП-2,
поскольку волна акустического давления, возникающая в режиме
излучения лишь в одной половине, преобразователя, приходит в ре-
жиме приема (без учета расхождения УЗ волн) на ту же самую
половину и преобразуется в электрический сигнал, т. е. усреднения
давления на площади обоих электродов фактически не происходит.
Учет эффекта расхождения УЗ волн вносит в эти рассуждения
определенные коррективы. В НПВТП-1, где работает лишь одна
половина пьезоэлемента, учет расхождения незначительно влияет
на значения коэффициентой Каи,. Кг а и Кгр, так как в этом пре-
образователе отсутствует воздействие акустической волны, возник-
шей в одной половине НПВТП, на электрический заряд, который
появляется при приеме этой волны на электроде, расположенном
на другой половине преобразователя. В результате коэффициенты
преобразования НПВТП-1. при учете эффекта расхождения будут
лишь немного меньше, че^,без.его учета.’ . ' •
В ПВТП в разных половинах пьезоэлемента возникают проти-
вофазные акустические, волны, причем каждая из них, благодаря
эффекту расхождения, приходит на оба электрода. В результате
происходит частичная .компенсация УЗ импульсов и соответственно
электрических сигналов. Поэтому коэффициенты преобразования
ПВТП при учете эффекта расхождения будут значительно мень-
ше, чем без его учета. . , . ,
В НПВТП-2 в разных НбдОвинах пьезоэлемента возникают син;
фазные УЗ волны, поётоМу их расхождение здесь значительно,
меньше, чем в ПВТП и даже в/НПВТП-1. Следовательно, и влия-
ние расхождения УЗ волн в НПВТГВ2 весьма мало.
Количественный расчёт влияния эффекта расхождения УЗ волн
за время их распространенияпроведен в работе [29] для различ-
ных типов пьезопреобразоватёлёй.
Широкополосность. НТП, ПВТП и НПВТП позволяет излучать
и принимать с их помощью' короткие УЗ импульсы. Однако Этр
свойство является, следствием..широкополосности лишь в том слу-
чае, если эти преобразователи..— минимально-фазовьте системы..По-
определению [32J, минимально-фазовыми называются такие систе-
мы, передаточная функция К которых не имеет нулей или полюсов
в правой полуплоскости т. е. |л(/со) | =£0 или |К(/со) |¥=°° при
Re [К(/со)]>О. Передаточные функции НТП, ПВТП,.и НПВТП об-
ладают этим свойством, так как их модули не равны ни нулю, ни
бесконечности в правой полуплоскости [29]. .
Для минимально-фазовой системы фазочастотная характери-
122
стика <р(со) однозначно определяется по ее АЧХ, например, с по-
мощью формулы [32] 1
—со
Ф(«о) =— f ^InfcthUI)^, (123)
* 4 Я - J dy \ | 2 I /
. • —,со '
где #=1п(со/соо) . Если в интересующем нас диапазоне частот АЧХ
имеет вид горизонтальной прямой, т. е. K(co)=const (а именно
этот' случай фактически наблюдается у НТП, ПВТП и НПВТП),
то,'как следует из (1'23), <р(соо) =0.
Если /<(©)= const и ф(со)=О, то спектр выходного сигнала '
'совпадает со спектром входного воздействия. Поэтому при возбуж-'
дении НТП, ПВТП и НПВТП коротким импульсом со стороны
входа на выходе , преобразователя будет наблюдаться такой , же
короткий импульс. .
Необходимо подчеркнуть, что существуют различные типы пье-
зопреобразователей, не являющиеся минимально-фазовыми систе-
зиами. Например, в п. 1 гл.. IV описаны преобразователи с электри-
ческой. компенсацией [12], при которой недемпфированный пьезо-
элем.ент возбуждается двухступенчатым (или двойным колоколо-
образным) электрическим импульсом, и преобразователь излучает
-короткий акустический импульс. Существуют различные варианты
этого метода; в частности, возможна электрическая компенсация
z-свободных колебаний пьезоэлемента в режимах излучения и прие-
ма одновременно [12]. Однако в любом случае пьезоэлемент воз-
буждается входным импульсом сложной формы, и на его выходе
.появляется короткий импульс. В то же время сам по себе такой не-
демпфированный пьезоэлемент является принципиально резонанс-
ной системой, т. е. этот преобразователь, не будучи широкополос-
ным, способен' формировать короткие выходные импульсы.
Другим, примером неминимально-фазовой системы является
многослойный пьезопреобразователь (см. гл. III). Он состоит из
ряда склеенных друг с другом (через промежуточные слои) резо-
нансных пьезоэлементов различной толщины. Каждый из этих
элементов имеет АЧХ в виде гауссовой кривой с максимумом на
«основной собственной частоте fo, а АЧХ всего' преобразователя
(равная произведению АЧХ отдельных элементов) .может быть
практически горизонтальной прямой в диапазоне частот Af=
^fomax—Zpmin- При возбуждении такого пьезопреобразователя, на-
пример, в. режиме излучения, коротким однополярным электриче-.
•ск'им-импульсом, он (из-за наличия большого числа границ разде-
ла) излучит во внешнюю среду целую серию таких же коротких
(но разнополярных) . акустических импульсов. Таким образом, мно-
гослойный пьезопреобразователь, будучи широкополосным, не спо-
собен формировать-короткие.выходные импульсы.
В отличие от описанных примеров, НТП, ПВТП и НПВТП яв-
ляются минимально-фазовыми системами, характеризующими ши-,
рокополосностью,,поэтому они могут излучать и принимать корот-
кие УЗ импульсы. .
. 123
4. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ НЕРЕЗОНАНСНО ВОЗБУЖДАЕМЫХ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
... Из уравнения (13) легко, получить [29], что. в режиме приема
для интервалов времени, меньших cl/c, электрическое напряжение
U{t) между электродами пьезопреобразователя определяется вы-
ражением
л
U®=^I(tQ)dt0-hM^. (124)
0 о
Если электроды преобразователя коротко замкнуты, т. е.
.17(f) = О, то I (if) совпадает по форме с a2(z, f)|2=0, а значит, и с
P(f)', в результате получим формулу (121).
Если преобразователь разомкнут, т. е. 7(f) =0, то U(t) совпа-
дает по форме с g2(f)|2=o, а значит, и с J P(t0)di0. В промежу-
о
точном случае 1(f) выражается через интервал свертки [29].
Подчеркнем, что в режимах излучения и приема получены раз-
личные результаты: при излучении излучаемое акустическое дав-
ление пропорционально возбуждающему электрическому напряже-
нию [см. формулу (118)], и при приеме сила выходного электриче-
ского тока пропорциональна акустическому давлению, воздейст-
вующему на-преобразователь [см. формулу (121)].
Выше было показано, , что при работе ПВТП наблюдается не-
которое расхождение УЗ волн в направлении х при прохождении
этих волн через преобразователь. Это расхождение объясняется
неравномерностью по оси х фронта волны акустического давления,,
излучаемого и принимаемого ПВТП. Расхождение приводит к по-
явлению добавочного выброса выходного тока 1(f).
Следует отметить, что расхождение УЗ волн тем больше, чем1
больше длина волны Л возбуждаемых колебаний. Поэтому иска-
жение формы выходного тока ПВТП за счет расхождения УЗ-
волн будет больше для тех сигналов, в спектре которых в большей
степени присутствуют низкочастотные составляющие (в частности,,
такое искажение будет уменьшаться при укорачивании импульса).
Для борьбы с этим нежелательным эффектом, приводящим к ис-
кажению формы сигналов, следует увеличить зазор между элект-
родами ПВТП. При малом расстоянии между электродами в ре-
жиме излучения максимальные давления противоположных знаков;
возникают под теми областями электродов, которые расположены
в непосредственной близости от зазора. По мере удаления от зазо-
ра давление резко падает. Поэтому области электродов, прилега-
ющие к зазору, можно рассматривать в плоскости xz как «точеч-
ные» источники УЗ волн противоположной полярности, т. е. как
акустический диполь. При возбуждении ПВТП коротким импуль-
сом электрического напряжения волна, излученная одним из та-
ких «точечных» источников, дойдет до противоположной грани
124
ПВТП (z=cZ), отразится от нее, вернется на электрод через ин-
тервал времени 2Й/с и проявится в виде импульса электрического»
тока определенной полярности.. Водна от «точечного» источника:,
противоположной полярности приде'У на -этот же самый электрод,
через несколько больший интервал времени (так как ей надо прой-
ти несколько больший, путь) и проявится в виде электрического»
импульса противоположной полярности.
При увеличении зазора между электродами распределение дав-
лений под каждым из электродов в режиме излучения становится:
значительно более равномерным. Следовательно, области электро-
дов, прилегающие к зазору/ уже нельзя считать «точечными»
источниками УЗ волн. Поэтому в режиме приема на каждый из:
электродов ПВТП кроме основного сигнала приходит УЗ волна
противоположного знака (возникающая под другим электродом иг
несколько расходящаяся), но ее влияние на выходной сигнал бу-
дет очень небольшим, так как она является все-таки слабо расхо-
дящейся и в основном возвращается на «свой» электрод.
При возбуждении ТП прямоугольным импульсом напряжения:
длительностью т по объему ТП в соответствии с (118) будет пере-
мещаться прямоугольный импульс деформации длиной 1=хс. При:
этом объемный электрический заряд (III) будет двигаться со ско-
ростью с и иметь вид.двойного заряжённого слоя шириной / и по-
верхностной плотностью заряда
a d
os = j1 oy (z) dz — f — dz = pd33-|y = d^P. (125>
b o
Поверхностная плотность заряда (125) найдена при условии!
возбуждения ТП импульсом напряжения- в виде единичной сту-
пеньки.
В работе [28] была рассчитана сила тока 1(f), текущего между
электродами ТП при их коротком замыкании, вызванный пере-
мещением по преобразователю объемного заряда в виде двойного»
заряженного слоя:
(126}
а. \ a J
Здесь С/шах—амплитуда напряжения между электродами в момент-
времени, когда одна из поверхностей двойного заряженного слоя,
совпадает с плоскостью электрода:
+ Р +/), (127)>
Z88o
где. /?о — радиус основания ТП.
Отношение амплитуд токов (121) и (126) для ТП диаметром-
30 и толщиной 10 мм равно 20 при длительности возбуждающего»
импульса 100 нс. На рис. 38, с приведена временная зависимость-
силы выходного тока I(t), текущего между электродами ТП в ре-
жиме приема, построенная на основании полученных результатов.
125
Рис. 38. Выходной ток ТП: 7
ш — теоретическая зависимость выходного-тока ТП от времени; б, .в — осциллограммы вы-
ходного тока ТП при длительностях возбуждающего импульса 100 и 500 нс соответст-
венно. Масштаб по горизонтали. 1 мкс/см .
-Сплошной линией показаны импульсы тока основного сигнала, вы-
званные приходом принимаемой УЗ волны на рабочие поверхности
ТП. Штриховой линией дана кривая выходного тока, возникаю-
щего в результате прохождения по ТП объемного электрического-
-заряда, описанного выше. Результирующая зависимость будет йзо-
«бражаться суммой этих двух кривых. На рис. 38, б, в приведены
осциллограммы' выходного тока I(t), снимаемого с электродов
•описанного ТП.
На рисунке видно, что низкочастотная составляющая тока мо-
жет быть описана выражением (126), а отношение амплитуд то-
;ков, обусловленных приходом на поверхность ТП УЗ волны и
прохождением по ТП объемного заряда, при т=100 нс равно 22
(рис. 37, б), а при т=500 нс равно 2 (рис. 38, в).
Необходимо отметить, что чем больше длительность возбужда-
ющего импульса т, а значит, и ширина двойного заряженного
•слоя Z, тем больше Umt. т. е. влияние объемного заряда на силу
выходного тока ТП в режиме- приема' увеличивается с ростом дли-
тельности возбуждающего импульса (рис. 38, б, в).
Если возбуждающий импульс • имеет вид не прямоугольника, а
полуволны . синусоиды, то вместо двойного заряженного слоя по
объему ТП будет двигаться электрически заряженный' слой, в ко-
тором имеется непрерывное плавное знакопеременное- распределё-
ыие заряда, Такой слой ширины I можно приближенно-заменить
двойным заряженным слоем с эффективной шириной, меньшей I.
Когда возбуждающий импульс- имеет вид одной волны синусои-
326
ды. .или двух близко расположенных во времени прямоугольных
импульсов разнбй полярности, по объему ТП будут двигаться друг
за другом два двойных заряженных слоя с противоположным по»
знаку распределением зарядов. Поэтому если возбуждающий им-
пульс является, двухполярным, то влиянием объемного заряда Has
силу выходного дока ТП и его форму в режиме приема на прак-
тике можно пренебречь [29].'
При работе ПВТП в режиме приема однополярных УЗ. импуль-
сов влияние объемного, электрического заряда пренебрежимо мало,.
Это объясняется тем, что.. объемный заряд в ПВТП представляет
собой два параллельно и одновременно движущихся двойных заря-
женных, слоя (под каждым'из электродов), причем знаки зарядов-
этих слоёв противоположны. Последнее обстоятельство обусловле-
но тем,', что знак возникающего объемного заряда (см. гл. -ill)
1 определяется как типом УЗ импульса,'(разрежение или сжатие),.
: так и, направлением поляризации пьезоэлемента.
В. работе [29] дана ..количественная оценка влияния объемного»
электрического заряда на силу выходного тока ПВТП в режиме-
приема. При возбуждении ПВТП однополярным прямоугольным:
имцульсом.. отношение амплитуд токов, вызванных приходом на
поверхность ПВТП УЗ волны и ’прохождением по нему объемного»
заряда,- составляет сотни и даже тысячи единиц,в зависимости or
. зазора т^ежду электродами.
Так же, .как и в ТП,. влияние объемного электрического заряда
на силу выходного тока ПВТП увеличивается с ростом, длительно-
сти возбуждающего импульса. ; .
; Если возбуждающий импульс представляет собой 'одну волну
синусоиды^’ то' под' каждым электродом возникнет объемный заряд
* в виде'двух последовательно движущихся друг за другом'двойных
заряженных слоев с цротивоположнЫм‘'по знаку распределением?
зарядов, В результате’ отношение, амплитуд рассматриваемых то-
Дов увеличивается в несколько Десятков раз по сравнению с таким!
Же. отношением для случая возбуждения ПВТП бднеполярным сиг-
налом. .
Таким образом, при работе .ПВТП в режиме приема можно»
практически . Всегда пренебрегать влиянием объемного заряда на
силу выходного тока, так как это влияние в несколько сотен (а
иногда и'тысяч) раз меньше влияния основного эффекта —воздей-
ствия'УЗ. волны на границу ПВТП. ' .
Рассмотрение работы НТП в режиме .приема проводится так
же [29], как для ТП, с той лишь разницей, что необходимо учи-
тывать изменение d33 по длине НТП. Тогда, например, рассматри-
ваемое' отношение амплитуд двух токов в. НТП При возбуждении?
его одной волной синусоиды длительностью 200 нс будет равно»
180. Отметим, что для ПВТП это отношение примерно в 300 раз-
больше.
В режиме излучения на рабочей поверхности ПВПТ . (z=0) в,
области зазора' имеется значительная величина горизонтальной со-
ставляющей' напряженности электрического поля Ех ,[29]. Значит,.
127
жроме неоднородных по амплитуде упругих продольных колебаний,
возникших у этой поверхности благодаря существованию неодно-
родного распределения Ez(x, 0), на этой же плоскости образу-
ются неоднородные ио амплитуде сдвиговые колебания.
Рассмотрим работу ПВТП в контактном варианте, когда его
•рабочая поверхность z=0 граничит с воздухом, а поверхность
z=d с контролируемым изделием. При этом тело пьезоэлемента
представляет собой фактически УЛЗ между плоским преобразова-
телем и изделием. Проанализируем тот случай, когда контроли-
руемое изделие отсутствует и ПВТП регистрирует УЗ волны, рас-
пространяющиеся по его объему и отражающиеся от поверхности
z=d. Этот случай значительно упрощает рассмотрение и позволяет
выяснить основные особенности работы ПВТП.
Пусть на электроды ПВТП подан короткий возбуждающий
.электрический импульс. При этом на поверхности ПВТП z=0 в
начальный момент времени возникают две неоднородные относи-
тельно координат х волны —сдвиговая и продольная. Обе волны
дойдут (через разные интервалы времени, поскольку у них разная
«скорость распространения) до поверхности ПВТП z=d, отразятся
ют нее и вернутся на поверхность с электродами. Однако при от-
ражении от плоскости z—d каждая из этих волн в силу своей
неоднородности трансформируется в две новые волны-—сдвиго-
вую и продольную. Это связано с тем, что на свободной поверх-
ности z=d первичные, неоднородные по амплитуде и фазе, напри-
мер, продольные деформации (т. е. разные в разных точках х этой
поверхности) приведут к возникновению вторичных сдвиговых
деформаций. Эти вторичные деформации будут тем больше, чем
•больше неоднородность по амплитуде и фазе первичных продоль-
ных волн. Следовательно, максимальные сдвиговые деформации
возникнут в области поверхности z=d, лежащей непосредственно
лод зазором. Аналогичный эффект будет наблюдаться и при при-
ходе первичной сдвиговой волны на поверхность z=d. Эта волна
из-за своей неоднородности по амплитуде приведет, помимо отра-
жения, к возникновению вторичной продольной волны.
Процесс отражения и трансформации неоднородных по ампли-
туде и фазе упругих волн будет происходить каждый раз, когда
эти волны достигнут одной из двух свободных поверхностей
ПВТП 2=0 или z—d. Следовательно, число волн, распространя-
ющихся по объему ПВТП, будет удваиваться после каждого отра-
жения, причем все эти волны, дойдя до поверхности с электродами,
«будут проявляться в виде импульсов выходного тока. Естественно,
;-что при рассмотрении этого' процесса необходимо учитывать зату-
хание УЗ волн в материале пьезоэлемента, в результате которого
уже после трех-четырех отражений или трансформаций амплитуда
этих волн (в частности, в пьезокерамике. ЦТС-19 при толщине
ЛВТП-5-20 мм) будет весьма малой.
Из-за большой напряженности электрического, поля Ех в обла-
сти зазора при больших z сдвиговые деформации, будут возникать
в начальный момент времени и у поверхности ПВТП z—d. Сдви-
128 '
Рис. 89. Осциллограммы выходного тока ПВТП толщиной 10, диаметром 80 мм с шири-
ной зазора 0,2 мм:
Л —ПВТП без пропила; б — ПВТП с пропилом шириной и глубиной 1 мм на поверхности
с электродами; длительность возбуждающего электрического импульса 80 нс; масштаб по
вертикали 1 В/см, по горизонтали 2 мкс/см
говая волна так же, как и волны, рассмотренные выше (возник-
шие у поверхности 2=0), будет распространяться от одной по-
верхности к другой, -каждый раз отражаясь и генерируя вторич-
ное продольное'колебание, проявляясь в виде импульсов тока на
выходе ПВТП и постепенно уменьшаясь по амплитуде.
На рис. 39, а представлена осциллограмма выходного тока
ПВТП, возбуждаемого коротким однополярным импульсом элект-
рического напряжения (1-й импульс). Через время 2d]ce {rj\e се —
скорость продольных волн в ПВТП) появляется 2-й импульс—
продольная волна, возникшая на поверхности 2=0, дошедшая до
плоскости z=d, отразившаяся от нее и вернувшаяся обратно. Эта
волна (основной сигнал в ПВТП) будет периодически приходить
на электроды через время 2с?/сг (см. импульсы 5-, 8-, 10-й на
рис. 39, а). Через время d/ct (где ct — скорость сдвиговых волн
в материале ПВТП) на электроды придет сдвиговая волна, воз-
никшая в начальный момент времени на поверхности z=d, и про-
явится на осциллограмме (рис. 39, а) в виде 3-го импульса. Из
сравнения интервалов времени 2d/ct K.dlct видно, что в керамике
ЦТС-19, из которой изготовлен . исследуемый ПВТП, cf«0,4cz.
Сдвиговая волна, проявившаяся на осциллограмме в виде 3-го им-
пульса, вновь придет на электроды через время 2d/cf и проявится
как 9-й импульс. ...
Продольная волна, возникшая в начальный момент времени на
поверхности 2=0, дойдет через интервал времени d/cz до поверх-
ности z=d и трансформируется там в сдвиговую, которая придет
на: электроды еще через один интервал, времени d/ct. В результате
через время dlci+dlct на осциллограмме появится 4-й импульс.
Сдвиговая волна, обеспечившая появление этого импульса, на по-
верхности 2=0 вновь трансформируется в продольную, которая
через дополнительное время 2а/сг снова вернется на электроды
(7-й импульс). Сдвиговая волна, возникшая в начальный момент
времени на поверхности 2=0 и прошедшая путь 2d, проявится
6-м импульсом. Подчеркнем, что хотя ПВТП возбуждается одно-
полярным электрическим импульсом, продольные упругие колеба-
ния (т. е. основные сигналы) проявляются на электродах как двух-
• полярные импульсы (см. импульсы 2г, б-, 8-й на рис. 39,а). Это
б Зак. 926 129
015
Рис. 40. Иммерсионный вариант
НТП
Рис. 41. Контактный вариант НТП:
1 — контактное гнездо; 2 — смола
ЭД-6; 3 — Корпус; 4 — проводник;
5 — акустическая ловушка; 6 —
пьезоэлемент; 7 — УЛЗ
с внешней средой, нап-
ример, с контролируемым
изделием, не непосредст-
венно, а через УЛЗ 7,
выполненную из матери-
ала с малым коэффици-
ентом поглощения УЗ
волн (например,- из маг-
ниевого сплава). Конст-
руктивной особенностью
этого преобразователя
является то, что с ниж-
ней поверхности пьезо-
элемента удален серебря-
ный электрод. Эта по-
верхность и верхняя по-
верхность линии задерж-
ки обрабатывались до по-
лучения параметра шеро-
ховатости jR2=0,63-r-0,32 и склеивались под давлением примерно
105 Па эпоксидной смолой ЭД-5. Только после этого композиция
линия задержки—• пьезоэлемент — акустическая ловушка, ввин?
чивается в корпус 3. Электродом на излучающей поверхности
пьезоэлемента служит УЛЗ.
Недостатком конструкций НТП,- рассмотренных выше, является
то, что акустическую ловушку необходимо припаивать или при-
клеивать к пьезоэлементу, предварительно обработав соединяемые
поверхности до получения низких параметров шероховатости.
Рассмотрим несколько вариантов конструкций НТП, лишенных
указанного недостатка. На -рис. 42 дано схематическое изображе-
ние одного варианта НТП, поясняющее принцип его работы, НТП
представляет собой- монолитный блок, из пьезокерамики в виде,
конуса 1. На его излучающей поверхности расположен нижний
круглый электрод 3, а на боковой —кольцевой электрод 2. Пьезо-
элемент поляризуется обычным способом— приложением постоян-
ного электрического напряжения к. электродам 2, 3, а затем часть
объема пьезоэлемента, непосредственно прилегающая к электро-
ду 2, деполяризуется, чтобы степень поляризации плавно убывала
от максимума у электрода 3 до нуля у электрода 2.
В момент подачи на электроды импульса электрического на-
пряжения УЗ волны возникают только у электрода 3, так рак
области пьезоэлемента, прилегающие к электроду 2, деполяризо-
132
Рис. 42. Конструкция моно-
литного НТП
ваны. В результате на воздействие каждого возбуждающего
электрического импульса пьезопреобразователь отвечает только
одним акустическим импульсом.
Некоторые разновидности подобных преобразователей без ча-
стичной деполяризации предложены в А. с. СССР № 539265,
590662, 595880 и описаны в работе [20].
Рассмотрим еще один вариант монолитного пьезопреобразова-
теля (см. [28] и А. с. СССР № 434623), выгодно отличающегося от
предыдущих отсутствием деполяризованных участков. На рис. 43
показана конструкция этого преобразователя. Он представляет
собой монолитный блок из пьезокерамики. Форма его такова, что
напротив вожженного серебряного электрода 7, расположенного
на передней (излучающей в полезную нагрузку) поверхности
преобразователя, имеется акустическая ловушка 3 в виде конуса.
Второй электрод 2 расположен на задней (не излучающей в по-
лезную нагрузку) поверхности.
При возбуждении преобразователя по электродам 1 и 2 около
них возникают продольные УЗ волны. Часть энергии УЗ волн,
возникших у электрода 1, уходит в полезную акустическую нагруз-
ку преобразователя (вниз), другая часть, распространяясь внутрь
пьезоэлемента, попадает в акустическую ловушку 3 и затухает в
ней. Ультразвуковые волны, возникшие у электрода 2, распростра-
няются внутрь преобразователя и, отразившись от наклонной
кромки вокруг электрода 1, также уходят в акустическую ловушку,
не попадая на переднюю поверхность пьезоэлемента.
Кроме описанных конструкций НТП существуют и другие ва-
рианты пьезОпреббразователей, обладающие различными достоин-
ствами [29].
Перейдем к рассмотрению конструкций ПВТП. Когда верхнее
(рис. 44) основание ПВТП граничит с воздухом, а нижнее —с конт-
ролируемым изделием, тело пьезоэлемента 1 представляет собой
133
w
Рис. 46. Варианты конструкций ПВТП: Рис. 46. Дифференциальный ПВТП
а — раздельно-совмещенный; б—с квар* : 1
цевой УЛЗ ' . . .
не что- иное, как УЛЗ между «бесконечно тонким» пьезопреобразо-
вателем и изделием.
Преобразователь, изображенный на рис. 44, может. работать
и в иммерсионном варианте; при этом он излучает УЗ волны в им-
мерсионную среду, расположенную со стороны его поверхности с
электродами 2 и 3 (вверх по рис. 44). Электроды герметизируются
В данном случае тонким слоем водостойкого лака или другим спо-
собом. Глубина, на которой можно работать в иммерсионном вари-
анте, определяется толщиной пьезоэлемента d. Если же необходимо
иметь большую глубину прозвучивания как в иммерсионном, так
и в контактном варианте, пьезоэлементу можно придать форму ко-
нуса — акустической ловушки (см. штриховой контур на рис. 44).
Тогда практически все УЗ. волны, излучаемые поверхностным сло-
ем преобразователя в его объем, поглощаются в конусе и не воз-
вращаются в виде акустических помех к излучающей поверхности.
Для увеличения глубины прозвучивания при излучении акусти-
ческих импульсов длительностью меньше 100 нс (например, радио-
импульсов с частотой заполнения выше 10 МГц) можно не прида-
вать ПВТП форму конуса, а изготовить его из пористой пьезокера-
мики ЦТС-13, метаниобата свинца, или йодата лития — материалов
с повышенным значением коэффициента затухания УЗ волн. При
пористости керамики ЦТС-13 50—70 % и длительности импульса
50 нс (импульс в виде одного периода синусоидальных колебаний),
отношение амплитуд полезного сигнала и акустического' импульса,
отраженного от тыльного основания цилиндра ПВТП,. превышает
60 дБ.при с/~25н-30 мм. .
134
На рис. 45, а схематически изображена конструкция раздельно-
совмещенного ПВТП, в котором, в отличие от совмещенного, выход
генератора и вход приемного усилителя, электрически разделены,
что ' позволяет существенно сократить мертвую зону эхоимпульс-
ных приборов.
В режиме излучения импульсы напряжения, возбуждающие пре-
образователь 1, подаются На электроды 2, 4, создавая возбуждаю-
щее электрическое поле с напряженностью Е\. При приеме УЗ им-
пульсов электрические заряды, возникающие на электроде 4, соз-
дают поле напряженностью Е^ между электродами 4 и 5, а элект-
род 2 отключается от выходных цепей генератора, так как для
малых амплитуд напряжений, -возникающих на электродах при
приеме УЗ волн, диоды 3, включенные встречно-параллельно, ха-
рактеризуются большим (десятки килоом) сопротивлением. Цепь 6
служит для электрической развязки входной и выходной цепей.
При необходимости . получить в контактном варианте разреша-
ющую способность по глубине, например, для стали, меньше
0,05 мм, что возможно при длительности излучаемых УЗ импульсов
примерно 20 нс, в. качестве УЛЗ целесообразно использовать стерж-
ни'. из плавленого' кварца длиной 12—15 мм, так как кварц при
таких длительностях импульсов обладает много мецыцим коэффи-
циентом затухания УЗ волн, чем пьезокерамика. В этом случае, це-
лерообразна конструкция ПВТП, показанная на рис. 45,6. Пьезо-
элемент 1 с. электродами 2, 3 склеивается эпоксидной смолой с
кварцевым стержнем 4. Склеиваемые поверхности обрабатываются
до Параметра шероховатости 7?z=0,63-4-0,32.
В тех случаях, когда в ПВТП необходимо иметь равномерный
по амплитуде давления фронт излучаемой волны, можно воспользо-
ваться, например, следующим простым способом.
Трехэлектродный ПВТП в виде цилиндра или конуса помеща-
ется в металлический корпус, который экранирует акустическое
поле боковых электродов. Излучение и прием УЗ волн Осуществля-
ется только той частью поверхности ПВТП, на которой расположен
центральный электрод.
Возможны различные варианты ПВТП: равномерно и неравно-
мерно поляризованные (в частности, поляризованные с помощью
рабочих электродов); цилиндрические и конические; двух-, трех-
и многоэлектродные [29].' В связи с этим следует подчеркнуть, что
необходимую конфигурацию электродов можно получить на стан-
дартных'пьезоэлементах со сплошными электродами широко рас-
пространенный методом фотолитографии с' последующим травле-
’ниём или, что' более удобно в лабораторной практике, обычным
гравированием. • Л-' '
Дифференциальный ПВТП, изображенный на рис. 46, позво-
ляет расширить возможности, дифференциального метода эходе-
фектоскопии. Преобразователь состоит из пьезоэлемента 7, элект-
родов 2, 3', 4, диодов 6 в цепи возбуждающего генератора и дио-
дов 5 в цепи приемного усилителя. Электрод 2 подключается к ге-
нератору импульсов напряжения, электрод 4 заземлен непосредст-
" . 135
венно, а электрод 3 заземлен через пару проводящих в обоих на-
правлениях диодов 5, включенных встречно-параллельно.
В режиме приема УЗ волн, излученных участками верхнего ос-
нования пьезоэлемента с электродами 3, 4, при одинаковых усло-
виях распространения и отражения УЗ'волн под каждым из этих
электродов акустические сигналы, приходящие на эти же электро-
ды, одинаковы. На каждом из симметричных электродов (3, 4)
появляются одинаковые по величине и знаку электрические заря-
ды, поэтому разности потенциалов между этими электродами не
возникает.
136
Таблица 5
Появление любого фактора, нарушающего симметрию акусти-
ческого поля под электродами 3 и 4, приводит к появлению раз-
личных по величине электрических зарядов на электродах 3 и 4,
а значит, к возникновению напряжения разбаланса на входе при-
емного усилителя. На практике нарушение этой симметрии может
быть вызвано появлением дефекта в исследуемом объекте.
Рассмотрим сводную таблицу (табл. 5) основных характери-
стик различных пьезопреобразователей и сравним их между со-
бой. В таблице НТП отведены две строки —2-я и 4-я (простой
137
НТП и НТП с акустической ловушкой). В 1-й строке для сравне-
ния приведены основные характеристики обычного ТП. • I
В первом столбце таблицы изображены основные конструкции
данного типа пьезопреобразователей, в последующих — переходная
характеристика (реакция на единичую ступеньку)/импульсная(ха-
рактеристика (реакция на 6-функцию); амплитудно-частотная .ха-
рактеристика (АЧХ); импульсная частотная характеристика (ЛЧХ
импульсных процессов, определенная для временнбго интервала
0<Аг?сс//с); реакция на прямоугольный импульс длительностью
ъ<сЦс-, реакция на одну волну гармонического колебания с часто-
той сй>2лс/У; акустическое поле, создаваемое в исследуемом объ-
екте.
Анализ данных, приведенных в табл. 5, показывает, что НТП
даже без акустической ловушки является более широкополосным,
чем ТП. той же толщины, (можно сравнить их АЧХ и импульсные
частотные характеристики, а также реакции на прямоугольный
импульс или одну волну гармонического .колебания). Что касается
НТП с акустической ловушкой, то этот преобразователь, как вид-
но из его характеристик, приведенных в.4-й строке таблицы, явля-
ется широкополосным, апериодическим.
При. анализе переходной и импульсной характеристик (2-й и
3-й столбцы таблицы) амплитуда, знак и форма сигнала опреде-
ляются' числом излучающих, принимающих и отражающих граней
в различных типах пьезопреобразователей и. влиянием объемного
электрического заряда, возникающего в режиме приема. ’ ’ •
Из 4-го столбца таблицы видно, что АЧХ ТП имеет ряд резо-
нансных пиков, обусловленных тем, что при одних частотах волны,
излучаемые различными гранями ТП, усиливают друг друга, скла-
дываясь в фазе, а при других — гасят. Причем основную частоту,
при которой происходит усиление колебаний, можно найти из ус-
ловия равенства толщины преобразователя d половине длины вол-
ны УЗ колебаний:
% __ ;2лс _
2 • 2ш ’ : ‘ ’ .
откуда a=ncjd.
Применение простого НТП в непрерывном режиме работы во-
обще не предусмотрено (он предназначен только для формирова-
ния коротких видео- и радиоимпульсов [29]), поэтому построение
его АЧХ нецелесообразно. Для НТП с конусом—акустической 'ло-
вушкой — кривая А(со) приведена в 4-м столбце.
Импульсная частотная характеристика А (со), характеризую-
щая передачу УЗ радиоимпульсов с различной частотой заполне-
ния длительностью 0<A/<cZ/c для ТП и (ХЛ^2с//с для НТП и
ПВТП, приведена в 5-м столбце таблицы. Эта характеристика поз-
воляет судить о том, как передаются импульсы, состоящие из од-
ного или нескольких периодов синусоидальных колебаний и воз-
никшие" у одной из граней преобразователя, причем на форму этих
.138
импульсов еще не' успели повлиять сигналы, возникшие у другой
rpd
ИМ(
со,
без
Дав'
ни или отраженные от нее. Из таблицы видно, что А (со) для ТП
ют вид горизонтальной прямой в диапазоне частот от 2лсД/ до
т; е. импульсы длительностью, меньшей; чем dfc, передаются
искажений, При a=2ncld уже нельзя говорить о частоте пре-
аемых УЗ волн,-так как при этом без искажений, (т. е. без
влияния сигналов, излученных другой гранью ТП) будет переда-
ватьЬя импульс длительностью, меньшей, чем один период коле-
баний. Следовательно, при использовании ТП можно без: искаже-
ний Передавать импульсы любой формы длительностью At<dlc, так.
как при такой длительности на форму импульса не влияет сигнал,
излученный другой гранью. Поэтому на графике А (со) для ТП в
.диапазоне частот от 0 до ^nc)d проведена штриховая прямая.
В простом НТП (2-я строка . таблицы) импульсная частотная
характеристика у4(со), имеет такой же вид, что и в ТП, и по тем
же самым причинам. Отличие заключается лишь в том, что в НТП
сплошная кривая на графике А (а) начинается с со=лс/с/. Кроме,
того, длительность импульсов любой формы, которые мбжет излу-
чать НТП без искажения (т. е. на которые еще не оказывает.влия-
ния'вторая грань НТП), лежит в пределах от Одо 2А/с. Оба эти
фактора обусловлены тем,'что вторая грань в НТП не излучает;
а в результате отражения, пришедшего на нее УЗ импульса она’
повлияет на начальный сигнал только через время 2<//с.
' Для НТП с акустической ловушкой (4-я строка таблицы) при-
водить вид А (со) нецелесообразно, поскольку эти преобразователи
являются неискажающими (в них нет второй излучающей или от-
ражающей грани), и поэтему само понятие импульсной частотной
характеристики не имеет смысла [у них А (со) =А(со)].
Как отмечалось выше,' одним, из Основных недостатков. НТП
является сравнительно высокий уровень помех, возникающих в них
при излучении и' приеме. Амплитуда и форма этих помех для раз-
личных случаев и их соотношение с основными сигналами показа-
ны в таблице.' •• ' ...
Акустические поля, формируемые ТП и. НТП в, исследуемом
объекте (8-й столбец таблицы); одинаковы и Совпадают.с акусти-
ческим Полем поршневого излучателя( см. гл. VII).
В 3-й и 5-й строках таблицы представлены основные характе-
ристики ПВТП при использовании их в различных вариантах ра-
боты (в 3-й строке — простейший тип ПВТП, а в 5-й — ПВТП с
акустической ловушкой).
Из таблицы видно, что простейший тип ПВТП (3-я строка)1
является значительно более широкополосным преобразователем,
. чем ТП ’(1-я строка); Это следует из сопоставления их импульс-
ных частотных, переходных и импульсных характеристик, а также
реакций на,импульсы различной формы (6-й и 7-й столбцы табли-
цы). По сравнению с НТП, также являющимся широкополосным
апериодическим преобразователем, ПВТП имеет некоторые особен-
ности: ПВТП' с акустической ловушкой практически является не-
искажающим. (1-я и 5-я строки таблицы) и обладает в этом смысле
139
лучшими характеристиками, чем НТП с конусом (4-я и 5-я строки
таблицы). 1
Вид переходных и импульсных характеристик ПВТП (3-я стро-
ка таблицы) объясняется теми же причинами, что и у НТП: отра-
жением УЗ волн от граней преобразователя. /
Для ПВТП с акустической ловушкой . (5-я строка таблицы)'
h(t) становится монотонной функцией, поскольку нет граней, отра-
жающих УЗ волны. Переходная характеристика имеет не прямо-
угольный, а несколько изогнутый вид вследствие расхождения УЗ
волн при их распространении. [
Результаты, получающиеся при прохождении по рассматривае-
мой модели (с различными типами ПВТП в различных режимах
работы) прямоугольного импульса и одной волны гармонического
колебания, приведены в 6-м и 7-м столбцах. с
Для ПВТП с акустической ловушкой (5-я строка) АЧХ имеет
вид горизонтальной прямой. Завал на низких частотах объясня-
ется расхождением УЗ волн, сформированных ПВТП, за время их
распространения.
Импульсная частотная характеристика. (5-й столбец таблицы)
для различных ПВТП имеет точно такой же вид и по тем же при-
чинам, что и для НТП.
Необходимо отметить интересную особенность ПВТП — способ-
ность формировать продольные УЗ волны с неоднородным распре-
делением давления по фронту, которые благодаря этому при отра-
жении или при прохождении через .какую-либо границу трансфор-
мируются как в продольные, так и сдвиговые волны. Эта особен-
ность может быть использована для «передачи» через слой жид-
кости сдвиговых волн. Пусть, например, ПВТП излучает в жид-
кость неоднородную по амплитуде и фазе продольную УЗ волну,
которая, дойдя до границы исследуемого объекта, приведет к воз-
никновению на этой границе сдвиговых деформаций. Возникшая
сдвиговая волна будет распространяться в глубь исследуемого объ-
екта. Отразившись от второй границы исследуемого объекта или-
ст внутреннего дефекта, эта сдвиговая волна вернется к первой
границе. Здесь опять-таки в силу неоднородности сдвиговой де-
формации возникнет неоднородная по амплитуде и фазе продоль-
ная волна, которая через слой иммерсионной жидкости попадает
на ПВТП. Таким образом, ПВТП через слой иммерсионной жидко-
сти возбуждает в исследуемом объекте сдвиговую волну, а затем
принимает ее.
Другой крайне интересной особенностью ПВТП является воз-
можность формирования с его помощью различных типов акустиче-
ских полей (см. п. 8 гл. VII).
Изменяя форму, размеры и число ^электродов на рабочей по-
верхности ПВТП, а также направление и распределение модуля
вектора поляризации, можно формировать различные типы полей.
В табл, 5 в 1-м столбце представлены разные конструкции ПВТП,
а в 8-м столбце — акустические поля, создаваемые ими.
140
I в заключение главы отметим некоторые достоинства и недо-
статки двух типов НПВТП в сравнении с ПВТП.
1НПВТП-1 имеет лучшее отношение сигнал/помеха и обеспечи-
вает большую разрешающую способность по глубине, чем ПВТП,
поскольку излучаемые и принимаемые им акустические импульсы
искажаются по сравнению с возбуждающим электрическим импуль-
сом! значительно меньше, чем в ПВТП. НПВТП-2 дает существен-
но большую абсолютную амплитуду эхосигналов, чем ПВТП и
НПВТП-1, и лучшее отношение сигнал/помеха. Это позволяет осла-
бить] требования к приемной части аппаратуры.
О.ба типа НПВТП можно возбуждать однополярными импуль-
сами! в отличие от ПВТП, .для которого необходим двухполярный
возбуждающий сигнал, чтобы отношение сигнал/помеха было до-
статочно высоким. Генератор с разрядной, емкостью, обычно ис-
пользуемый для возбуждения ПВТП, применительно к НПВТП мо-
жет быть упрощен за счет исключения кабеля длиной 1—2 м, фор-
мирующего вторую полуволну возбуждающего импульса.
Вследствие питания .НПВТП однополярными возбуждающими
импульсами паразитные сигналы, вызванные действием электро-
проводящей контролируемой среды, не сказываются на глубине
прозвучивания, так как имеют полярность, противоположную по-
лярности полезных сигналов. В аппаратуре, работающей с ПВТП,
максимальная глубина прозвучивания оказывается вдвое меньше,
чем при работе с НПВТП тех же размеров, поскольку паразитные
импульсы двухполярные.
Использование однополярного возбуждающего импульса позво-
ляет прозвучивать изделия с большей глубиной или из материала
с большим коэффициентом затухания УЗ волн, чем при использо-
вании двухполярного возбуждающего импульса, поскольку макси-
мум спектральной плотности двухполярного импульса находится в
области более высоких частот, чем аналогичный максимум одно-
полярного импульса, а. ведь именно высокие частоты наиболее силь-
но поглощаются в материале изделий. '
К недостатку НПВТП-1 следует отнести меньшую амплитуду
сигналов, так как он имеет меньший коэффициент преобразования,
чем НПВТП-2. Однако этот недостаток несколько ослабляется тем,
что упомянутый выше генератор с разрядной емкостью дает почти
в 1,5 раза большую амплитуду однополярного импульса, чем двух-
полярного, при прочих равных условиях.
Недостатком НПВТП-2 является несколько большая, по срав-
нению с.другими преобразователями, длительность импульса, что,
как уже отмечалось, объясняется расхождением УЗ волн.
Проведенный анализ достоинств и недостатков различных ти-
пов НПВТП позволяет определить возможные области их исполь-
зования. В связи с крайней простотой технологии изготовления
ПВТП их применение наиболее целесообразно в той серийно выпу-
скаемой аппаратуре неразрушающего контроля, к которой не
предъявляют особых требований по чувствительности, диапазону
прозвучиваемых глубин и компактности исполнения.
141
/' Рис. 47. Внешний вид различных конструкций НТП и ПВТП
" Применение НПВТП-1, несмотря на . несколько большую тех-
нологическую' сложность их изготовления, целесообразно в тех слу-
чаях, когда от преобразователя требуется максимально точное вос-
произведение (как при излучении, так и при приеме) формй вход-
ного сигнала. Кроме того, применение НПВТП-1, как упоминалось
выше, позволяет существенно упростить схему возбуждающего ге-
нератора и увеличить диапазон пр озвучиваемых глубин:
< Использование НПВТП-2 обеспечивает высокий уровень выход-
ных сигналов и большое отношение сигнал/помеха. Поэтому их
применение целесообразно .в высокочувствительной аппаратуре или
в приборах, которые должны быть предельно простыми и компакт-
ными, так как позволяют существенно упростить схему возбужда-
ющего генератора и вообще отказаться от выгодного усилителя.
К области применения НТП, ПВТП и НПВТП следует отнести
эхоимпульсную толщинометрию (измерение толщин вплоть до еди-
ниц микрометров), УЗ дефектоскопию изделий на глубинах до-
50—200 мм или материалов с малым коэффициентом затухания,,
например, алюминиевых сплавов на больших глубинах. При этом
достигается высокое разрешение по глубине (до 1 мкм) и мертвая
зона (порядка 1 мкм) в совмещенном режиме работы. Кроме того,,
эти преобразователи можно применять в той контрольно-измери-
тельной аппаратуре, где' необходимо использование высокочастот-
ных: УЗ колебаний (больше 10 МГц) или где необходимо излучать
и принимать без. искажения короткие акустические импульсы дли-
тельностью до Десятых долей наносекунд. Использование НТП,.
ПВТП и НПВТП за счет их широкой полосы рабочих частот пер-
спективно в УЗ спектроскопии. Однако в обычных резонансных
пьезопреобразбвателях отношение сигнал/помеха выше, чем в НТП,.
ПВТП и НПВТП, а значит, и чувствительность Приборов с резо-
нансными пьезопреббразователЯми выше. Широкополосность
ПВТП, а также спосообность формировать узкие слаборасходя-
щиеся-УЗ пучки позволяют использовать эти преобразователи для
контроля изделий малой толщины и большой кри'визны. На рис. 47
дана фотография внешнего вида целой серии различных вариантов;
НТП, ПВТП и НПВТП.
Глава VI
РЕЗОНАНСНЫЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ,
ВОЗБУЖДАЕМЫЕ: НЕОДНОРОДНЫМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ
SUV.
1. ПОВЕРХНОСТНО ВОЗБУЖДАЕМЫЕ РЕЗОНАНСНЫЕ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
В подавляющем большинстве современных УЗ приборов исполь-
зуются) резонансные пьезопреобразователи (РП), эффективно ра-
ботающие лишь на основной собственной частоте. Такие преобра-
зователе имеют большой коэффициент электромеханического пре-
образования и обеспечивают очень высокое отношение сигнал/по-
меха (примерно 100 дБ, в то время как у лучших типов ПВТП это
отношение не превышает 50 дБ). ’
Стремление расширить диапазон и спектр рабочих частот РП
при одновременном сохранении всех их достоинств привело к соз-
данию поверхностно возбуждаемых резонансных пьезопреобраро-
вателей (ПВРП). Эти преобразователи, как будет показано ниже,
могут эффективно работать на основной собственной частоте и ее
четных й нечетных гармониках, т. е. число их фиксированных рабо-
чих частот .по сравнению с РП вдвое увеличивается. 5
Кроме того, при механическом демпфировании таких преобра-
зователей их -АЧХ гораздо более равномерна, чем АЧХ РП, сле-
довательно,- ПВРП являются более широкополосными преобразо-
вателями. Наконец, такие преобразователи интересны ещеи трМ,
что онй,' как и ПВТП, формируют узкие слаборасходящиеся УЗ
пучки -в силу возбуждения неоднородным электрическим полем.
Подчеркнем, что физика процессов, происходящих в ПВРП, в
значительной степени аналогична физике работы ПВТП, поэтому
рассмотрение таких преобразователей будет, основываться на ана-
лизе работы ПВТП; проведенном в предыдущей главе.
ПВРП —это такие преобразователи, которые, как и ПВТП, име-
ют компланарные электроды, расположенные лишь на одной грани
• преобразователя. Но ПВРП — резонансные преобразователи, они
эффективно излучают и принимают только те УЗ колебания, целое
число полуволн которых укладывается на толщине пьезопластины.
Благодаря поверхностному, возбуждению и своим разонансным
свойствам ПВРП обладает рядом интересных, особенностей [29].
При исследовании ПВРП на измерителе амплитудно-частотных
характеристик (например, на: приборе XI-38), на экране наблюда-
ется кривая, соответствующая изменению модуля комплексного.,
электрического сопротивления ПВРП от частоты (рис. 48, б). На
этой кривой имеются большие провалы. (6, 7, 8, 9, 10) на частотах
143
Рис. 48. Частотные зависимости модуля
комплексного электрического српротивле-
ния льезопрербразователей:
а — РП; б — ПВРП с зазором 0,2 дам; в —-
ПВРП с зазором 6 мм; г — НПВРП-к
д — НПВРП-2
Провалы 1, 2, 3, 4, 5 обусловлены про-
дольными волнами на частотах 0,7; 1,4;
2,1; 2,8; 3,5 МГц. Провалы 6, 7, 8, 9, 10
возникли из-за сдвиговых волн на часто-
тах 0,3; 0,9; 1,5; 2,1; 2,7 МГц. Масштаб
по горизонтали 0,5 МГц/см
0,3; 0,9; 1,5 МГц и т. д., а основная собственная частота этого
ПВРП (т. е. частота, при которой на толщине пьезопластины, рав-
ной в данном случае 3 мм укладывается половина длины УЗ вол-
ны) составляет 0,7 МГц. В то же время АЧХ рассматриваемого
ПВРП, снятые в режимах излучения и приема УЗ колебаний
(рис. 49) по методике, которая описана ниже, свидетельствуют о
существовании резонансных пиков на основной частоте fp=0,7 МГц
и на всех ее четных и нечетных гармониках (т. е. 2 fp= 1,4 МГц,
3 fp=2,l МГц, 4/р=2,8 МГц и т. д,).
Отметим, что на кривой, соответствующей частотному измене-
нию модуля комплексного электрического сопротивления РП тол-
щиной 3'мм (см. рис. 48, а), наблюдаются провалы 1, 3, 5 на ча-
стотах 0,7; 2,1; 3,5 МГц, т. е. на основной собственной частоте РП
и ее нечетных гармониках. АЧХ РП, снятые в режимах излучения
144
'ил приема, свидетельствуют,
как и следовало ожидать, о
существовании резонансных
пиков: на этих же частотах.
Указанное противоречие,
т. е[. несовпадение частот резо-
нансов на кривойдля модуля
элекгрическго 7 сопротивления
ПВРП и частот его акустичес-
ких (резонансов, может быть
объяснено только на основа-
нии детального анализа как
механических волн,, возникаю-
ед.
fl. / 2 3 4 5 Г, МГц
Iff, 2fp '3fp 4fp Sfp Bfp 7fp
Рис. 49. АЧХ ПВРП для режима излучения-
и режима приема: L и М — коэффициенты
прямого и обратного электромеханического
преобразования соответственно
щих в ПВРП в режиме излу-
чения |(т. е. определения типа волн, расположения их источников.
и распределения амплитуд и фаз этих волн по объему преобразо-
вателя), так и электрических зарядов и полей, возникающих в-
ПВРПв режиме приема УЗ колебаний.
Анализ работы ПВРП в режиме излучения начнем с расчета-
распределения- электрического поля, возбуждающего преобразова-
тель [29]. Во всем объеме ПВРП и даже на его нижнем основании-
z=d существует большая напряженность электрического поля Ех.
(почти такая же, как на верхнем основании). Значит, на обоих
основаниях ПВРП возникают сдвиговые - волны практически оди-
наковой амплитуды. Напомним, что в ПВТП Bx(x, 0)^>Bx(x, d).
Кроме того, в ПВРП максимальная напряженность Ez суще-
ствует в области зазора при 2=0 и очень быстро (быстрее, чем в-
ПВТП) убывает с ростом х или z. Следовательно, продольные-
волны в ПВРП генерируются двумя практически точечными проти-
вофазными источниками, расположенными на верхней грани пре-
образователя вблизи зазора.
Перейдем к анализу акустического поля ПВРП в режиме излу-
чения. На основании уравнений (12) и (26) получим волновые-
уравнения для механических смещений вдоль координатных осей-
z и X, т. е. .для gz и
W + ks-^~ -Р-^Г =--^-(essA) —£ (128>
+ ks - р = —А ~ (ешЕ,), (129).
где ^2 2(l + v)’ ks 2(1-J- v) (1 —2v) ’
Уравнения (128) и (129) записаны для пьезокерамики ЦТС-191
с учетом анизотропии ее пьезосвойств, т. е. для ненулевых компо-
нент тензора
Как следует из анализа правых частей уравнений (128) и (129),.
т. е. из анализа механических вынуждающих сил, первый член в
правой части (128) вызывает продольные УЗ волны, распростра-
ни
няющиеся вдоль, оси г, а второй член— сдвиговые волны, распро-
страняющиеся вдоль оси х. Первый член в правой части (129)
«описывает генерацию сдвиговых волн, распространяющихся вдоль
оси z, а второй член—-продольных волн, распространяющихся
вдоль оси х. ' I
Отметим, что в серии экспериментов с ПВРП [29] УЗ воАны,
распространяющиеся вдоль оси х, не проявлялись.' Результаты
экспериментальных исследований, проведенных на .ПВРП различ-
ных диаметров, но одинаковой толщины, весьма близки, Этот/факт
«объясняется малостью величин е131 и езп (именно эти пьезомоду-
ли порождают волны, распространяющиеся вдоль оси х), отсут-
ствием условий для возникновения механического резонанса' по
оси х и отсутствием электродов на боковой поверхности ПВРП.
По этой йричине в дальнейшем будут учитываться, только йёрвые
•члены в правых частях уравнений (128) и (129).
По методике, описанной в работе [30] для РП, можно получить
выражения для смещения, деформации и давления в ПВРП [29],
из которых следует, что резонанс в этом преобразователе! возни-
кает, когда на толщине пластины укладывается любое целое число
полуволн, в- то время как в РП для получения резонанса iaa тол-
щине пластины должно укладываться лишь нечетное число полу-
волн (это связано с тем, что ПВРП возбуждается только с одной
стороны).
На рис. 49 приведена АЧХ ПВРП, экспериментально снятая
в режиме излучения по методике, описанной в работе [30]. В каче-
стве излучателя УЗ волн использовался ПВРП толщиной 3 й Диа-
метром 30 мм с одним диаметральным щелевым зазором шириной
'0,2 мм между электродами. В воде на расстоянии 30 мм от излу-
чателя располагался приемник УЗ волн — ПВТП толщиной 23 и
диаметром 30 мм, также с зазором 0,2 мм. Преобразователи
выставлялись так, чтобы зазоры были параллельны и находились
друг против друга.
ПВРП возбуждался радиоимпульсами с прямоугольной оги-
бающей и различной частотой заполнения. Электрический сигнал
с ПВТП снимался в режиме, близком к короткому замыканию
пьезоэлемента. Как видно на рис. 48,. ПВРП излучает УЗ волны
ла своей основной частоте (в данном случае 0,7. МГц) и всех чет-
ных и нечетных гармониках (1,4; 2,1; 2,8; 3,5 МГц и т. д.).
Рассмотрим прием : продольных УЗ волн с помощью ПВРП.
Выражения для механических смещений, деформаций, давлений,
а также для выходных электрических величин были получены в
работе [29] при использовании той'же схемы, что и при анализе
РП [30]. ,
АЧХ ПВРП в режиме приема была снята' экспериментально
«по методике, также изложенной в работе [30] для РП. В качестве
излучателя УЗ волн использовался ПВТП, а1 в качестве прием-
ника — ПВРП. Полученный результат в' режиме приема практи-
чески совпал с АЧХ ПВРП в режиме излучения, показанной- на
рис. 49. ’ "
>146
I
В заключение анализа продольных УЗ- волн, распространяю-
щихся в ПВРП, рассмотрим их проявление на кривой рис. 48
(т. е. на частотной зависимости модуля комплексного электриче-
ского сопротивления ПВРП). Как отмечалось выше, в ПВРП име-
ютс^ два Противофазных почти сферических источника продольных
УЗ-волн, расположенных на верхней (z=0) грани преобразова-
теля |под разными эдектродами-.вблизи зазора. При работе на ос-
новной собственной частоте преобразователя каждый из этих источ-
ников! в плоскости xz излучает «почти сферические» волны, которые-
после ^отражения от нижней грани ПВРП ,(z=d) возвращаются на
грань 'с электродами. При этом-на,каждый электрод попадают про-
тивофазные волны: от «своего» источника и от соседнего. В ре-
зультате эти волны в значительной степени компенсируются, и вы-
ходное электрическое;напряжение 47(£), возникающее между элект-
родами! ПВРП,. довольно мало. Поэтому на кривой рис. 48, б на
основной собственной частоте ПВРП (т. е. на частоте 0,7 МГц)<
наблюдается едва заметный провал (№ 1). При повышении часто-
ты излучаемые противофазными источниками УЗ волны становятся
все менее сферическими и все более плоскими, так как уменьша-
ется длина волны при тех же размерах преобразователя. В ре-
зультате уменьшается расхождение УЗ волн, и на каждый из.
электродов приходит все меньше волн от соседнего источника. По-
этому напряжение между электродами U(t) уже не так мало, как
на основной частоте, а значит, и провалы на кривой рис. 48, б на
гармониках, становятся более заметными, чем на основной частоте-
(см. провалы 2, 3, 4, S). .. t
- Если исследовать ПВРП, в котором противофазные источники
УЗ волн находятся далеко друг от друга, например, ПВРП с ши-
роким зазором, то компенсация УЗ волн в таких преобразователях
должна проявляться: гораздо меньше. Эксперимент подтверждает
это предположение: как/видно на рис. 48, в, провалы 1, 2, 3, 4, б,,
соответствующие продольным УЗ волнам, в ПВРП с широким за-
зором достаточно велики.
Рассмотрим-теперь сдвиговые УЗ волны, возникающие в ПВРП
в режиме излучения. Для этого, как отмечалось выше, надо решить
уравнение (129), в правой, части которого стоит только первый
член, т. е. величина — описывающая вынуждающую-
6z
механическую силу, т. е. источники сдвиговых УЗ волн, достига-
ющие максимальной интенсивности на верхней грани ПВРП (z=0)-
в области зазора и в центральной части нижней грани (z=rf).
Пренебрегая (как и при рассмотрении продольных волн) объ-
емными источниками - (так как их интенсивность много меньше
интенсивности поверхностных), получим, что сдвиговые УЗ волны
при работе ПВРП в режиме излучения генерируются двумя источ-
никами, расположенными, на основаниях преобразователя в их
центральной части. Эти источники действуют противофазно, так
как величина (%3) имеет разные знаки на разных основа-
147-
.еиях ПВРП. В результате расчет распределения сдвиговых волн
ио ПВРП аналогичен проведенному выше расчету распределения
продольных волн в РП. !
Подчеркнем, что собственные частоты сдвиговых колебаний
.включают в себя основную частоту и только ее нечетные гармо-
ники, в то время как спектр собственных частот продольных ^оле-
баний состоит из основной частоты и ее четных и нечетных гармо-
ник. Данное обстоятельство объясняется тем, что источник! про-
дольных волн находится лишь на верхней грани ПВРП (z=rO), а
источники сдвиговых волн — на обеих гранях (z=0 и z=d^.
В результате расчета электрического поля преобразователя в
режиме приема УЗ волн на основании уравнений (9), (18) <и (29)
можно получить распределение потенциала электрического поля
•Фх(с учетом анизотропии пьезосвойств керамики ЦТС-19):
ФЗдДф = (fissa^zz) 4 (ези^хх) 4 z (eii8^xz) 4 г-- (130)
oz oz ох ох
Первый член в правой части (130) —плотность электрического
.заряда, создаваемого продольными УЗ волнами, третий и четвер-
тый члены — плотности электрических зарядов, которые достигают
максимального значения только на боковой поверхности преобра-
зователя (так как в них входит производная по х), поэтому такие
.заряды оказывают очень слабое влияние на потенциалы электродов.
Доказательством этого утверждения являются результаты экс-
периментов с ПВРП, у которого электроды были выполнены в виде
двух узких полос (шириной по 22 мйикаждая) с зазором 0,2 мм.
‘Остальные размеры преобразователя были такие же, как и у
описанных выше ПВРП: диаметр 30, толщина 3 мм. Все характе-
ристики ПВРП с узкими электродами совпали с характеристиками
•обычных ПВРП. Это означает, что поперечные размеры преобра-
зователя и размеры его боковой поверхности не сказываются на
его свойствах. Кроме того, это подтверждает тот факт, что пери-
ферийные области ПВРП не оказывают существенного влияния
на его параметры. Лишь центральная часть ПВРП (область в райо-
не зазора) определяет его важнейшие характеристики.
Единственный оставшийся неучтенным второй член в правой
•части уравнения (130) описывает плотность электрического заря-
да, оказывающего' сильное влияние на потенциалы электродов.
Плотность этого электрического заряда = ——(е311ихх). Под раз-
OZ
ними электродами распределение a'v будет иметь .противополож-
ный знак, так как распределение деформации ихх имеет противо-
положные знаки под разными электродами. В результате на элект-
родах ПВРП появятся разные потенциалы, т. е. возникнет выход-
ное электрическое напряжение Следовательно, на основной
сдвиговой частоте ПВРП и на ее нечетных гармониках при работе
преобразователя в режиме приема излученных им же сдвиговых
волн появляется выходной электрический сигнал. Именно этот сиг-
нал и является причиной больших провалов 6, 7, 8, 9, 10 (см.
1148
pHcj 48) на частотной зависимости модуля комплексного электри-
ческого сопротивления ПВРП. -Таким образом; становится ясно,
почему на этой зависимости наблюдаются провалы на частотах
0,3; к),9; 1,5 МГц и т. д., в то время, как на АЧХ ПВРП (для ре-
жимов излучения и приема) резонансные пики на этих - частотах
отсутствуют.
Подчеркнем, что из анализа кривой, показанной на рис. 48, б,
а им'енно из сравнения частот, соответствующих провалам 1 и 6
(это частоты 0,7 и 0,3 МГц, т. е. основные собственные частоты
продольных- и сдвиговых волн), можно сделать вывод, что соот-
ношение между скоростями продольных и сдвиговых УЗ волн в
пьезокерамике ЦТС-19 равно ct=0,4 сь Этот результат совпадает
с данными, полученными в п. 5 гл. V для ПВТП.
2. РАЗНОВИДНОСТИ РЕЗОНАНСНЫХ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ,
ВОЗБУЖДАЕМЫХ НЕОДНОРОДНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ
Для дополнительной проверки высказанных выше предположе-
ний об особенностях работы ПВРП были исследованы неравно-
мерно поляризованные поверхностно возбуждаемые резонансные
пьезопреобразователи типов НПВРП-1 и НПВРП-2 [29].
На рис. 50 показаны конструкции этих преобразователей:
НПВРП-1 поляризован только под одним электродом (рис. 50, а),
•а НПВРП-2 поляризован под разными электродами в противопо-
ложных направлениях (рис. 50,6); Такие пьезопреобразователи
проще всего изготовить склейкой однородно поляризованных и рас-
поляризованных пьезоэлементов, например, как это описано в
п. 3 гл. V для НПВТП. Слой клея (эпоксидной смолы) практиче-
ски не влияет на акустические и электрические поля, возникающие
в преобразователях. Этот факт был установлен (так же, как для
НПВТП) при сравнении характеристик склеенного ПВРП и
ПВРП, выполненного на монолитном пьезоэлементе.
Все три типа пьезопреобразователей (НПВРП-1, ПВРП и
НПВРП-2) исследовались при возбуждении их радиоимпульсами
различной длительности с прямоугольной огибающей (частота за-
полнения равна основной собственной частоте продольных колеба-
ний), формируемыми схемой, приведенной в гл. X. Преобразова-
тели работали без акустической нагрузки, т. е. возникшие УЗ вол-
ны доходили до безэлектродного основания, отражались от него,
возвращались на основание с электродами и проявлялись в виде
электрических сигналов.
Рис. S0. Конструкции НПВРП:
л — НПВРП-1; б — НПВРП-2 (стрелками показаны направления поляризации, крестиками
обозначена располяризованная область)
149
Полученные результаты показали, что выходные электрические
сигналы имеют почти одинаковую. амплитуду в НПВРП-1 >и в
ПВРП, а в НПВРП-2 амплитуды примерно втрое больше. Анало-
гичные данные были получены на НПВТП (см. гл. V). Это объяс-
няется следующим. Примерно 2/3 акустической энергии УЗ волн,,
возникшей под одним из электродов, возвращается после отраже-
ния от безэлектродной поверхности преобразователя на «свой»
электрод и превращается там в электрический сигнал. Оставхйаяся
1/3 энергии попадает на соседний электрод и на нем преобразу-
ется в электрический сигнал. В НПВРП-1 существует только один
источник, продольных УЗ волн (в поляризованной половине), и
2/3 акустической энергии УЗ волны, генерируемой этим источни-
ком, попадает на «свой» электрод.
В ПВРП, как отмечалось выше, существуют два противофаз-
ных источника продольных УЗ волн, поэтому на каждый электрод
приходит 2/3 акустической энергии волны, Возникшей под этим
электродом, и 1/3 энергии волны, возникшей под другим электро-
дом, причем эти .волны противофазны. В. НПВРП-2 из-за противо-
положной поляризации двух .половин работают два синфазных
источника продольных УЗ'волн.
Рассмотрим частотные зависимости модулей комплексного
электрического сопротивления пьезопреобразователей всех трёх
типов (см. рис. 48, б, г, д). В НПВРП-1, (рис. 48; г),. где имеется
лишь один источник продольных волн, на основной частоте прерб*
разователя (0,7 МГц) виден небольшой провал .(№ 1). В ПВРП
(см. рис. 48,6), где излучают два противофазных источника, но
зато работают обе половины преобразователя, на частоте 0,7 МГц.
можно заметить очень слабый провал (№ 1). В НПВРП-2 (см.
рис. 48, д), где излучают два синфазных источника и работают обе
половины преобразователя, ца основной частоте (0,7 МГц) видев
большой провал (№ 1). .
При работе преобразователей всех трех типов на четных и не-
четных гармониках продольные УЗ волны, излучаемые названны-
ми выше источниками, постепенно с ростом номера гармоники пре- ,
вращаются из сферических в сравнительно плоские, поэтому вза-
имное влияние источников, расположенных под разными элект-
родами, разными электродами, уменьшается, так как уменьшается .
расхождение УЗ волн цо координате х. В результате в НПВРП-1
и ПВРП провалы на гармониках увеличиваются (см. рис. 48, б, г^~
провалы 2, 3, .4, S на частотах 1,4; 2,1; 2,8; 3,5 МГц), а в НПВРП-2
они остаются примерно такими же, как провал 1 (см. рис. 48, д).
При- этом, конечно, необходимо учитывать уменьшение амплитуды-
выходного электрического напряжения- с. ростом номера гармо-
ники [29].
Рассмотрим провалы. 6—10, обусловленные сдвиговыми волна-,
ми. В НПВРП-1 существует лишь один источник сдвиговых волн
(в поляризованной половине), поэтому, на рис. 48, г на основной
собственной частоте сдвиговых колебаний преобразователя
(0,3 МГц) виден небольшой' провал (№ 6). В ПВРП работают-
150
два синфазных источника сдвиговых УЗ волн, так как величина /
— *)) ;
pz ' ,.
имеет одинаковый знак по разные стороны от зазора, и поэтому •
сдвиговые-волны, излучаемые, этими источниками, синфазно скла-
дываются (на рис. 48, б на частоте 0,3 МГц виден большой провал
Ле 6). В НПВРП-2 работают два противофазных источника сдви-
говых волн (из-за противоположной поляризации разных половин),
поэтому волны, излучаемые этими источниками, ослабляют друг
друга (на рис. 48, д на частоте 0,3'МГц наблюдается едва замет-
. ный провал Ле 6). '
При работе преобразователей на нечетных гармониках соб-
ственных сдвиговых колебаний (т. е. на частотах 0,9;. 1,5; 2,1;
2,7 . МГц) сдвиговые волны, излучаемые источниками, становятся
все более плоскими (как и случае продольных волн), поэтому вза-
имное ослабление (в НПВРП-2) или усиление (в ПВРП) волн
менее заметно. В результате провалы № 7—10, соответствующие
гармоникам собственных сдвиговых колебаний, становятся более
заметными в НПВРП-2 (см. рис. 48, д), менее заметными в ПВРП
(см. рис, 48, б) и практически не изменяются по сравнению с про-
валом № 6 в НПВРП-1 (см. рис. 48, а). При рассмотрении сдви-
говых волн необходимо учитывать, что с ростом номера гармоники
уменьшаются амплитуды выходного электрического напряжения.
' Для определения АЧХ различных типов пьезопреобразователей
с поверхностным возбуждением были выбраны ПВРП, НПВРП-1
и НПВРП-2, изготовленные так, как описано выше, но состоящие
из кольца и диска, вставленного внутрь кольца [29]. Кольцо и диск
склеивались эпоксидной смолой' с наполнителем из порошка
ЦТС-19. Основными достоинствами таких преобразователей явля-
ются аксиально симметричное УЗ поле, формируемое ими во внеш-
ней среде; возможность создавать узкие. слаборасходящиеся-УЗ
пучки и большая амплитуда излучаемых и принимаемых сигналов
из-за большей длины мёжэлектродного зазора, имеющего форму
•окружности (по сравнению с преобразователями с диаметральным
щелевым зазором, описанными выше) . Толщина .преобразователей
составляла 3 мм (т. е. основная собственная частота продольных
УЗ волн f—0,7 МГц), диаметр 30 мм, диаметр внутреннего диска
20 мм, ширина зазора 0,4 мМ,'
Исследуемый преобразователь помещали в ванну с водой. На
расстоянии SO мм от него располагали плоскую отражающую ме-
таллическую пластину (такое расстояние обеспечивало примерно
-одинаковую расходимость УЗ пучков на разных частотах). Преоб-
разователь возбуждался радиоимпульсами амплитудой 13 В с пря-
моугольной огибающей и различной частотой заполнения, которые
.формировались схемой, приведенной в гл. X. Акустические импуль-
сы излучались в воду, отражались от металлической пластинки,
возвращались- на пьезопреобразователь. и проявлялись в виде
электрических сигналов, которые регистрировались с помощью той
151
Э,отн.ес).
152
Рис. 61. Конструкция и амплитудно-частотные характеристики различных типов пьезо-
преобразователей:
•а — РП; б —ПВРП; в, г — НПВРП-1; д — НПВРП-2; е, чю, з— ПВРП со сложным соеди-
нением электродов; и, к —НПВРП-1 со сложным соединением электродов; л, м, н, п,
р — НПВРП-2 со сложным соединением электродов
же схемы. Длительность возбуждающих электрических радиоим-
пульсов т составляла примерно 10 мкс; за это время в преобра-
зователе заканчивались переходные процессы, и поэтому дальней-
шее увеличение т не приводило к росту амплитуды выходного им-
пульса.
АЧХ пьезоэлементов, т. е. зависимость коэффициента двойного
электромеханического преобразования D от частоты, снималась
для пьезопреобразователей с различным соединением электродов
(рис. 51). Одна относительная единица измерения D при опреде-
ленных параметрах электронной схемы (см. гл. X), используемой
для возбуждения преобразователей и усиления снимаемых с них
сигналов, соответствует 100 мВ.
На рис. 51, а представлена АЧХ РП, имеющая, как и следо-
вало ожидать, пики на основной собственной частоте преобразова-
теля (f=0,7 МГц) и нечетных гармониках.
На рис. 51,6, в, а, д изображены АЧХ ПВРП, НПВРП-1 и
НПВРП-2. Видно, что эти преобразователи, как отмечалось выше,
работают не только на нечетных, но и на четных гармониках, так
как источник, генерирующий продольные УЗ волны, расположен
в них только на одной поверхности. Максимальную амплитуду
излучаемых и принимаемых сигналов обеспечивает НПВРП-2
(рис. 51, д), поскольку в нем происходит синфазное сложение
УЗ волн, возникающих под разными электродами.
На рис^ 51, е, м представлены АЧХ ПВРП и НПВРП-2 с та-
ким соединением электродов, при котором преобразователи’ воз-
буждаются симметрично со стороны обеих оснований. При этом
источники механических колебаний генерируют синфазные УЗ
продольные волны на обоих основаниях. В результате при сло-
жении этих волн в объеме преобразователя происходит их взаим-
ная компенсация, если на толщине пьезопластины укладывается
нечетное число полуволн, и их взаимное усиление, если на тол-
щине пластины укладывается четное число полуволн. Поэтому
АЧХ преобразователей, изображенных на рис. 51, е, м, имеют резо-
нансные пики только на четных гармониках. Подчеркнем, что в
РП имеет место обратная ситуация (см. рис. 51, а). Как и следо-
вало ожидать, амплитуда сигналов в НПВРП-2 (рис. 51, м) много
больше, чем в ПВРП (рис. 51, е).
На рис. 51, ж, и изображены АЧХ ПВРП со сложным соеди-
нением электродов. Такие преобразователи работают только на не-
четных гармониках и обеспечивают по сравнению с другими до-
статочно высокую амплитуду сигналов.
АЧХ НПВРП-1 и НПВРП-2 с различным сложным соединением
электродов представлены на рис. 51, и, к, л, н, о, п, р. Из айализа
163
характеристик следует, что, все. эти преобразователи работают на
нечетных гармониках и обеспечивают большую амплитуду сиг-
налов. .: ‘г'.; ‘ '"’
Подёодя итог сказанному о ПВРП-, необходимо подчеркнуть
три основных достоинства этих пьезопреобразователей.
Во-первых, различные типы ПВРП могут работать или только
на четных, или только на нечетных, или на всех гармониках (см.
рис. 51,.б, е, ж), в то время как РП излучают и принимают УЗ
волны только на^ нечетных гармониках (см. рис. 51, а). Следова-
тельно, ПВРП имеют, более широкие, спектр и диапазон рабочих
частот. . ' . '
у Во-вторых, если в качестве выходного электрического сигнала
с ПВРП, работающих в режиме приема' УЗ волн, использовать
силу тока в режиме, близком к короткому замыканию преобразо-
вателя, то амплитуда выходных сигналов на гармониках равна
амплитуде сигнала на основной собственной частоте.'Следователь-
но, ПВРП способны эффективно работать на- высших четных и
нечетных гармониках, что в значительной. степени решает задачу
создания резонансных высокочастотных пьезопреобразователей,
представляющую собой-до настоящего времени серьезную техни-
ческую проблему. . .г. : -
В-третьих, благодаря тому, что ПВРП имеют > более частный
спектр собственных частот, чем РП (можно сравнить рис. 51, а и б),-
применение различных методов, повышения широкополосности
пьезопреобразователей (см3 п. 1 гл. IV) даст' по отношению к -
ПВРП, лучшие результаты. .Например, предельное механическое
демпфирование РП позволяет расширить полосу рабочих частот
преобразователя на уровне 0,7 Атах до ±30 % основной собствен-
ной частоты. В то же время предельное механическое демпфиро-
вание ПВРП, как нетрудно видеть, превращает его в ПВТП, т. е. •
в широкополосный апериодический пьезопреобразователь.
В заключение подчеркнем, что в гл. V и VI рассматривались
только продольные и' сдвиговые УЗ волны в ПВТП и ПВРП, так
как именно их влияние .объясняет основные особенности таких
пьезопреобразователей. Однако .кроме этих типов волн, естествен-
но, , имеются и другие, в частности, . поверхностные волны. Но,:
во-первых, свойства этих волн в разных аспектах достаточно под-. *
робно проанализированы [3, 13, 34], а во-вторых, их влияние на
рассматриваемые в гл. V и VI свойства поверхностно возбуждае-
мых пьезопреобразователей незначительно.
Глава VII
АКУСТИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
В'П. 4 гл; I приведена математическая. формулировка задачи
определения акустического поля преобразователя, излучающего
УЗ импульсы, в однородную среду. Для непрерывного излучения
в жидкую среду акустическое давление в точке М поля записыва-
ют с помощью, интегрального преобразования Грина {13, 57]:
P(W.= ' (131)
J 'AM
' Здесь поле представлено как результат суммарного' действия
элементарных источников dSA (рис. 52), на которые разбивают
.преобразователь площадью 8Л. Эти элементарные источники излу-
чают .квазисферические волны. В формуле (131) %(6ам) — диаграм-
ма направленности точечного источника; Т(А)—амплитуда дав-
ления в’точке А; глм— расстояние от точки А преобразователя до
точки М среды. При излучении в жидкую среду 7'(Л)=рсо(Л)/(1%),
где рс — характеристический импеданс; о (Л)—распределение ко-
лебательной скорости на поверхности преобразователя; % —длина
волны. Вне преобразователя о=0, пос-
кольку считается, что преобразовав
тель колеблется в жестком экране.
Для плоской волны рсо (Л)==Р(Д),
где Р — акустическое давление.
Соотношение (131) . справедливо
также для областей, расположенных
в непосредственной близости от пре-
образователя, если размеры его зна-
чительно больше длины волны. . Та-
.жим образом, ' , .
Р (М) = [ х (0дм) atYdSA.
У i,'rAM ‘ '
(132)
Для излучения контактным пре-.
образователем продольной волны в
Рис. S2. Схема расчёта акустического поля
156
твердую среду формула (132) будет справедлива, если давление
заменить на нормальную компоненту тензора напряжения и из-
менить значение функций % (0дм). Заметим, что функция
!х(0дм) всегда равна 1 при 0дм=О и стремится к нулю при
0А-м->л. Поперечные и другие волны, возбуждаемые одновремен-
но с продольной волной в твердом теле, являются источниками
помех, от которых обычно защищаются временным стробирова-
нием и амплитудной селекцией.
Практический интерес представляют акустические поля в парак-
сиальной области, т. е. вблизи оси преобразователя. Здесь поля
для жидкости и твердого тела совпадают, поэтому дальнейший .
анализ будем проводить для поля в жидкости, где оно описыва-
ется одной скалярной величиной, в качестве которой выберем аку-
стическое давление. Лоле излучения может быть представлено в-
виде суммы ограниченной плоской волны и волны, излучаемой кон-
туром преобразователя [13, 57]. При постоянном значении Р(Л) =
= Рд по всей площади преобразователя из (132) можно получить- '
Р (М) = 1РА1 (гам)', 1 = е* dSA. (133}
А У ГАМ
SA
Запишем интеграл I в цилиндрических координатах z, р', <р' с
центром в проекции М' точки наблюдения М на плоскость преоб-
разователя (см. рис. 52). В параксиальной области будем считать-
%(0лм) = 1- Тогда
tkr > ,
с., С ,, ,
«Ф ---------рФ
J J Гдл, Ь
rLl
AM-
Здесь Гдм=22+р12; rAMdrAM=p'dp'; rLl и rLz — расстояние от точ-
ки М до контура преобразователя.
Если начало координат находится в пределах площади преобра-
зователя, то нижний предел интегрирования равен z, а Ф=2л. Та-
ким образом,-
I = бег _ J_ J e.lkrL <*₽'> -{at dtp’.
. ф
Здесь б равно 1 или 0 в зависимости от того, находится или
нет проекция точки М в пределах контура преобразователя. Та-
ким образом, (134) является суммой плоской волны, ограниченной
контуром преобразователя, и противофазной с ней волны, излучае-
мой его контуром.
Выведем формулу для поля приема. Выражение для давления,,
образованного точечным источником, расположенным в точке жид-
кости М, имеет вид
1Кгмс
156
где р'м—амплитуда давления излучателя; Д' —величина, про-
порциональная его площади; гмс— расстояние между точками
Ми С.
В процессе преобразования механических колебаний в электри-
ческие происходит усреднение сигнала, принимаемого различными
точками С преобразователя:
Р‘ = 4- | %' (QMcYPcdsc = -4— Г Ы, (135}
0>С J
sc
где уДбмс)—функция, характеризующая Чувствительность точеч-
ного приемника в точке С в зависимости от направления падаю-
щей волны.
Формула (135) и есть выражение для давления в поле приема..
Подынтегральные выражения в формулах для Р(М) и Pf совпа-
дают с точностью до множителей % и %', которые вблизи оси пре-
образователя приблизительно равны друг другу и близки к еди-
нице. Из этого следует, что поля излучения и приема пропорцио-
нальны.
В случае отражения падающей водны от точечного рефлектора
амплитуда отраженной волны по давлению пропорциональна ам-
плитуде падающей волы, т. е. Р'мК'=Р(М) Р, где Р' — коэффи-
циент пропорциональности. Вследствие этого, когда один и тот же
преобразователь работает как излучатель и как приемник, получим
следующее выражение для давления в поле излучения-приема:
Р' (136}
Sx
Таким образом, распределение давления в поле излучения-прие-
ма пропорционально квадрату распределения давления в поле из-
лучения.
Импульсный характер излучения, обычно применяемого в при-
борах неразрушающего црнтроля, можно учесть преобразованием
Лапласа. Этот способ дает возможность вычислить поле. давления
для импульсов различной, в том числе довольно сложной, формы
[17]. В частности, в п. 4 гл. I проведен анализ для единичной функ-
ции Хевисайда, что позволило проследить изменение формы им-
пульса в точке М из-за разницы путей до этой точки от различ-
ных точек преобразователя.
В большинстве других работ, где исследуется влияние импульс-
ного характера излучения на акустическое поле преобразователя,,
расчет ведется применительно к высокочастотным импульсам
колоколообразной формы, весьма близким к реально используе-
мым. Для такого импульса РА задается формулой
рА = рое~ (тоО2 - (137у
где Ра — амплитуда; у —величина, характеризующая длитель-
ность импульса; со —круговая частота высокочастотного сигнала;
157
t — время; отсчитываемое от начального' значения, соответствую-
щего максимуму сигнала.
Для характеристики длительности используют также парамет-
ры ослабления амплитуды импульса Рт за период колебаний Т и
число колебаний nF, п?, за которое амплитуда Р уменьшается на
20 дБ или интенсивность / уменьшается, на 10 дБ, Эти параметры
связаны с у следующими соотношениями:
Pr = e-2«v; ftp = 0,483—; nj = 0,342—.
Т Y
Помимо преобразования Лапласа для анализа поля при им-
пульсном режиме излучения используют прямое суммирование
(интегрирование) импульсов заданной формы [13].' С учетом фор-
мулы (137)' интеграл (132) записывается в. виде
р (М) = —f . ё- ~ - <) dSA. (138)
& глм . . • •
При этом довольно трудной задачей является определение мо-
мента времени, при. котором сигнал в точке М достигает максиму-
ма (именно максимум сигнала представляет наиболыйий практи-
ческий интерес). Вычисления показывают, что сигнал на оси пре-
образователя достигает' максимума в момент прихода импульса от
центра преобразователя t=rlc [13]. .
Для импульсов простой формы анализ поля излучения по дав-
лению в импульсном режиме может быть выполнен также с по-
мощью преобразования Фурье. Согласно этому преобразованию
сигнал Р(М) в любой момент времени t' может быть записан в
виде
Р(М, t') = J S (©') eto'i'd(o'(
—оо
где S (со') — спектральная плотность.
Для импульса, заданного формулой (137),
S(©')= f P(f)e-to*'df = хАре I 2v<6 j
J y©
—oo
Тогда формула (138) для момента времени f примет вид
Р(М, t') = —А-
X
cISa da'.
х С РоШ(Ы
1 ‘ ' ~~ V - ’
s Гам
ЬА
В приведенных формулах не учитывалось влияние затухания
(139)
168
ультразвука в среде на структуру акустического поля преобразо-
вателя. Для его учета волновое число k следует считать комплекс-
ным k=k^—16. Однако правомочность такого подхода не очевидна,,
поскольку коэффициент затухания:6 находят для идеально плос-
ких волн, в .то время как в формуле- (131) поле представлено как
результат действия сферических волн. Чтобы убедиться в возмож-
ности такой замены, в работе [5J был проведен анализ выражения'
для поля на основании разложения колебательной скорости в пло-
скости излучателя в спектр плоских волн по методу Фурье. Было-
установлено, что учет коэффициента затухания путем формального-
введения его в'волновое число в задачах расчета полей'преобразо-
вателей обоснован'по крайней мере для случая 6Х<1, что прак-
тически всегда реализуется. Обычно, выполняется даже более силь-
ное неравенство <5%<С1, что соответствует б-С&о- Вследствие этого-
параметр, характеризующий затухание, как правило, выносят
из-под знака интеграла в формуле (133)., и он фигурирует как мно-
житель е~вГ. Более точные вычисления [39], учитывающие влия-
ние затухания с изменением расстояния <гАм при интегрировании,,
показывают, что экстремумы поля давления заметно сглаживают-
ся при 6%=0,75.. Если же ;67<О,О75, то влияние- затухания прене-
брежимо мало. .
Например, часто ставится задача, сжать поле (для: повышения
азимутальной разрешающей способности) или, наоборот,. расши-
рить его (чтобы охватить возможно больший объем изделия и уве-
личить производительность контроля), .создать акустическое поле
в виде широкого пучка расходящихся лучей (для выявления раз-
лично ориентированных дефектов). Обычно стремятся уменьшить
уровень бокового излучения (боковых лепестков) по сравнению
с излучением в направлении оси (во избежание регистрации лож-
Hbjtx сигналов). Одной из важных задач является выравнивание
поля. Это необходимо для того, чтобы при удалении от преобра-
зователя не-возникали минимумы и максимумы амплитуды сиг-
нала’; Более радикальная задача—т,достижение максимально воз-
можного медленного изменения амплитуды сигнала для обеспече-
ния выявления с одинаковой чувствительностью дефектов, зале-
гающих' на разной глубине. Наконец, часто требуется обеспечить
Наклон Осй1 преобразователя к поверхности контролируемого изде-
лия. ,
Решение сформулированных задач достигается выбором формы
И размеров пьезоэлемента, заданием определенного распределе-
ния! амплитуд и фаз .излучаемого сигнала на поверхности излуча-
теля, выбором соответствующих характеристик приемника, введе-
нием элементов типа призм 'Или линз, деформирующих волновой
фронт акустического коля1. ’ "
' При проектировании преобразователей стремятся получить оп-
ределенные характеристики их акустических полей. Важнейшие из
этих характеристик определены в п. 2 гл. I. Как правило, дости-
жение такой-либо' одной заданной характеристики или ее оптими-
зация приводит к ухудшению других характеристик.: При этом
159'
желательно сделать минимальным влияние отрицательных факто-
ров или, по крайней мере, иметь четкое представление о степени
этого влияния. Приводимый ниже анализ акустических полей пре-
образователей различных типов указывает на пути регулирования
их характеристик в нужном направлении.
г. круглый преобразователь
Пьезоэлемент в форме диска наиболее часто применяют в пря-
мых совмещенных преобразователях. Для такого преобразователя
диаметром 2а
г^м = 2а + рл; гаммам — р/4рл> Х(0дв) = 1«
Поэтому интеграл (133) принимает вид
Jat 2р Я tkrAM ______
I = dq>A —----------------раФа = i fetk — etkz); (140)
Л X X ГАМ
о В '. о
| I [ =| 2 sin A (VA + a2 — z)
О 3 Ай2 I
2 sin----- .
лг I
! Формула (141) верна для случая a<Cz. Полученная
имеет максимумы при
2 =--------------(2п + 1) А ~ ;
(2пф-1)Х 4 (2п+1)Х
П = 0, 1, 2, . . .
(141)
функция
(142)
и минимумы при
z^^-
2nk
„ X С2 . 1 о Q
п — «-----; п=1, 2, 3 . .
2 2пХ
(143)
Рис. БЗ. Акустическое поле:
-а— пбле на оси круглого преобразова-
, теля; б — схематическое изображение
поля
На рис. 53, а показано изме-
нение функции |1| ВДОЛЬ ОСИ Z.
Функция носит колебательный
характер. При z=z6^Sa/(«X)
она достигает последнего макси-
мума и затем монотонно убывает,
по закону |/|— SA/(Kz). Область,
где функция |/| осциллирует
(zCzg). определяют как ближ-
нюю зону, а область монотонно-
го убывания |7|, где 2>2б— как
дальнюю зону. Иногда выделяют
промежуточную зону в интер-
вале 0,5 z6<z<2z6. На рис. 53, а
штриховой линией показан гра-
фик 'функции |/| в случае излу-
чения коротких импульсов, име-
160
Рве. S4. Образование максимумов и минимумов в ближней зоне преобразователя
ющих колоколообразную форму. Как видно на рисунке, йри излу-
чении коротких импульсов максимумы и минимумы заметно сгла-
живаются [13].
Образование максимумов и минимумов в ближней зоне пре-
образователя объясняется большей разницей путей от различных
точек преобразователя до точки М и связанной с этим разностью
фаз интерферирующих сигналов. Весь преобразователь можно раз-
бить на ряд кольцеобразных зон (их называют зонами Гюйгенса
или зонами Френеля), расстояния от границ которых до точки на-
блюдения М различаются на половину длины волны (рис. 54).
В связи с этим сигналы от различных зон будут подходить к точке
М в противофазе. Площадь каждого последующего кольца увели-
чивается пропорционально его радиусу, однако это увеличение ком-
пенсируется соответствующим увеличением расстояния от кольца
до точки наблюдения М Таким образом, вклады от различных
колец почти одинаковы. -
На рис. 54 в качестве примера показано, как образуется, на-
пример, второй максимум при г=2б/3.
В рассмотренном примере не учитывалось действие фактора на-
правленности излучающих точек [см. формулу (131)] %(6ам)- Учет
этого фактора приведет к тому, что сигнал от зоны 3 окажется
несколько меньше сигнала от зоны 2, а последний — меньше сиг-
нала от зоны 1. .В результате получим, что сигнал зоны 2 не пол-
ностью' гасит сигнал зоны 7, а максимум, связанный с действием
трех зон, несколько меньше сигнала от зоны 1. Если по площади
пьезопреобразователя укладывается очень много подобных зон,, то
чем дальше отстоит зона от рассматриваемой точки М, тем слабее
ее действие. Суммарный сигнал от излучателя, размер которого
.значительно больше расстояния до исследуемой точки 44, равен
половине сигнала от первой зоны, т. е. давление Р=Л1/2=РА. На
основании этого будем считать, что вблизи преобразователя инте-
грал (133) 7=1. Подобное построение может быть выполнено для
преобразователя любой формы, поэтому вывод о том, что на пре-
образователе 7=1, является общим.
Импульсный характер излучения, подобно фактору направлен-
ности, вызывает неполное взаимное гашение сигналов от зон 1 и 2,
вследствие чего минимумы функции значительно отличаются от
-6 Зак. 925
161
нуля. По этой же причине высота второго максимума, являюще-
гося результатом суммарного действия зон. 1, 2, 3, значительно»
меньше^уем высота первого .максимума, обусловленного только-
действием,зот!к 1. "
УсйовД^-При котор;ом.,;Вся площадь .излучателя’' соответствует
зоне-'./; записывается в Виде ~[/z2"-f- а*' -г-z: =%/2. Отсюда >щрй
. легко, получить формулу для z&
Ближняя зона преобразователя характеризуется не только не»-
монотонным изменением, сигнала ;.?доль. оси. преобразователя. Ос-
цилляции также'наблюдаются при смещении точки М в сторону
•от.юсиггНапример/ в точкег2!=2б/2.'на:'оси преобразователя' имеется
-минимум,.та-.ц а некотором расстоянии от нее максимум. 'Сред^-
нее' значение сигнала на площади преобразователя5 соответст-
вует РА. с погрешностью' не более 20 %. Если построить лучевую»
трубку,1 опирающуюся . на" контур преобразователя,;-то энергия
'излучения .в пределах ближней зоны почти не будет1 выходить за-
пределье этой'трубки. Эти энергетические соображения лежат в ос-
нове схематического представления о ближнем поле преобразова-
теля как’ о параллельном: пучке .лучей. В действительности такое-
.представление справедливо лишь для поля- в непосредственной
близости от преобразователя. На рис. 53, 6 изображен контур-
поля, ограничивающий область, где энергия составляет не менее
0,8 общей энергии излучения. ' 1
’ В дальней зоне преобразователя интеграл I может быть вычис-
лен достаточно точно. Для этого перейдем к цилиндрическим ко-
ординатам с началом в центре преобразователя. Координаты точ-
ки: А (0, ра, <рл), а точки М (z, рм, ;<рм) (см. рис. 52). Расстояние
Гам пригар а представим в. виде ’
ГлАт-’/гЧ-р^Н-р^- 2рлрЛ(соз.(срх. — фл.) .. .
' '' " РДРМ . . РД . '
- ... ----г-соз(фл-
ГДег — ]/”z2 + p^ ' ' - ."'./.;
' Подынтегральное выражение содержит множители % (Qam)
и г~1, медленно изменяющиеся с изменением рЛ. Их можно-
вынести за .-знак интеграла. Величина е.{кГАМ быстро изменяется с
изменением рЛ, поэтому здесь необходимо учесть,, по крайней мере,,
первый член ряда'.-В результате получим.. - , '
I- С \ (' (' (М' ~ —с°5(фл--хрЛ()Фрл
О 0 ; ‘
•- (fcr -ко J jq = еЦЛг-а/); (145)>
162 • •
1/Г=__4_ф; Ф
2ZX (ak sin 0) I । 0,9
. ak sin 0 Г
UjO
Здесь /о и Ji —функция Бес-
селя. Нулевого и первого, по- 0,7
уядкй. ' ' ' ,
Функция. -Ф . (nfesinj.)... dj0
(рис. 55) характеризует .нап-
равленность поля излучения, .0,5
”г. е. является диаграммой нап-
равленности. Теоретическая 0,9-
•граница основного " лепестка
.диаграммы определяется усло-
вием n^/sin0'=3,82, соответст-
вующим первому нулю функ-
ции /]. Тогда
0' = arcsinO.61— . .. (146)
а
На практике за ' нижнее
значение амплитуды основного
-лепестка принимают 0,1 мак- ’ •’ разных импульсов:
симума. В этом случае гра- т-о: 2-v-o.i: s-т-0,22
яичное значение б" определя-
ется формулой
0" = arcsin 0,54 —. (147)
Ширина диаграммы направленности на уровне ,3 дБ
0у = arcsin 0,25 —.
а
В пределах основного лепестка сосредоточено около 85 % энер-
гии поЛя излучения. На основании энергетических представле-.
•ний поле преобразователя в дальней зоне приближенно изобража-
ют в виде пучка лучей, расходящихся в пределах угла 2 0'
(см. рис. 53, 6). За пределами углового сектора 2 0' располагается
ряд боковых лепестков диаграммы направленности, амплитуда наи-
‘болыпёго из которых в 7,7 "раза меньше амплитуды основного
-лепестка. - ’. -Л ' ' 1 ’’ '
В случае излучения коротких импульсов минимумы поля между
.лепестками сглаживаются. На рис. 55 штрихпунктирной и'штр'ихот-w
'вой линиями показано поле круглого преобразователя, излучаю-
щего колоколообразные импульсы, в которых амплитуда колебаний
за период уменьшается соответственно в 2 ш 4 раза. В результате
ширина диаграммы направленности На уровне 3 дБ сохраняется,
:а уровень бокового излучения уменьшается.
6*
163
Более точное вычисление поля давлений дискообразного преоб-
разователя [39], выполненное без приближений, сделанных при*
выводе формулы (145), показывает, что минимальное давление не
равно нулю.
Анализ выражения (133) позволяет сделать вывод о том, что-
акустическое поле круглого преобразователя в общем случае пред-
ставляет собой функцию двух безразмерных параметров: z[z^ и
рм/а. Например, поле в дальней зоне можно записать в виде
( *б рм X
I р04) = г6 2/Ч2я га>
I Ай.' ’ 2 • гб Рд/
2л — -—. .
При этом мы воспользовались приближением рм1г^Рм1г- По-
грешность в описании поля при использовании этих безразмерных
параметров составит не более 10 %, если с/%>3, ‘ z/z6>0,5. Тре-
тий параметр, оказывающий существенное влияние на поле преоб-
разователя,— форма и длительность излучаемых импульсов. _
На рис, 56 показано поле излучения-приема, т, е. изменение
/2 в функции от указанных выше безразмерных параметров, по-
строенное на основании экспериментов [13] и расчетов [78]. На ри-
сунке изображены сечения поля, соответствующие колоколообраз-
ным импульсам с ослаблением амплитуды колебаний на 10 %
(справ’а) и в 3 раза (слева) за один период.колебаний. Зйесь опять.
164
Рис. 57. Поле излучения круглого преобразователя в виде линий равного ослабления
амплитуды давления для колоколообразных высокочастотных импульсов:
а — 7=0,014; 6 — 7=0,17
подтверждается правило, что уменьшение длительности импульсов
вызывает сглаживание неравномерности амплитуды.
Анализ, результаты которого представлены <на рис. 55 и 56,
показывает, что длина ближней зоны не только определяет нали-
чие интерференционных явлений, вызывающих появление экстре-
мумов в поле преобразователя, но и влияет также на быстроту рас-
хождения энергии в дальней зоне преобразователя и связанное' с
этим ослабление амплитуды поля в направлении оси. Это особен-
но четко видно на рис. 53, б, на котором изображена область пе-
ред преобразователем, в которой сосредоточено 80 % излучаемой
энергии.
На рис. 57 поле излучения круглого преобразователя в безраз-
мерных координатах, показано в виде линий уровня ослабления ам-
плитуды ,[78]. Для каждого расстояния от преобразователя берется
сечение поля, определяется максимальное значение сигнала и от-
носительно этого значения определяются точки, соответствующие
ослаблению сигнала на 3, 6, 10 и 20 дБ. Сравнение рис. 57, а и б
показывает, что с уменьшением длительности импульса уменьша-
ется число экстремумов и боковых лепестков, увеличивается рас-
стояние до точки максимального сужения поля на уровне ЗдБ и
ширина максимального сужения. Все эти эффекты становятся су-
165
щественными корда ослабление
Колебаний в импульсе превос-
ходит 30 % за период. При им-
пульсах такой малой длитель-
ности йе вполне точным ока-
зывается выбор безразмерных
параметров zjz^ и рмМ, от ко-
торых зависит' поле.
Полезные''.сведения о по-
ле преобразователя можно так-
же получить, представив его
в виде суммы (134) ограничен-
ной плоской и краевой волн.
На. рис. 58 показаны их волно-
вые фронты. Тонкие сплошные
.'линии соответствуют набегу
фазы на длину волны, а
штриховые тонкие — набегу
на половину длины волны. С
учетом отрицательного знака
краевой волны начало излу-
чения для, нее сдвинуто на
Л/2.
. легко получить координаты
экстремумов поля. Максимумы будут на пересечении однотипных
линий, так как в этих точках фазы Двух полей совпадают. Мини-
мумы располагаются на пересечении разнотипных линий. Точки
максимумов и минимумов соединены соответственно толстой
сплошной и толстой штриховой линиями. Легко проверить, что по-
ложение экстремумов на оси z точно совпадает с расчетными зна-
чениями, полученными по формулам (142) и (143).
Рассмотренный подход позволяет также аналитически опреде-
лить положение боковых экстремумов. На расстоянии z. от пре-
образователя плоская и краевая волны совпадают по фазе при
.условии.' ..
+ (а • рд,) - 2 = (2n + 1) А. -
Отсюда получим формулу для определения положения макси-
мумов \ .
' ' т рЛ!-«-j/(2n+ W + (2«+ 1)2-у .
Аналогично найдем выражение для минимумов
рж = а — l/2n^z•
Проведено довольно большое чцсло. экспериментальных иссле-
дований акустического поля круглого преобразователя. Методика
166
их выполнения изложена в п. 4 гл. XI; Данные экспериментов' под-
тверждают изложенные выше теоретические результаты.
3. КОЛЬЦЕОБРАЗНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
С НЕРАВНОМЕРНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ АМПЛИТУД
Преобразователи с кольцеобразным "пьезоэлемёитом в'настоя-
щее время редко применяют в приборах-контроля, так как умень-
шение полезной площади вызывает снижение чувствительности.
Однако кольцеобразные1’ излучатели ультразвука возникают в не-
которых широкополосных преобразователях. Так, в осесимметрич-
ных преобразователях с пьезопластиной- переменной толщины (см.
г л. IV) излучение и прием ультразвука производится- кольцами;
диаметр которых изменяется с' частотой. В поверхностно возбуж-
даемых преобразователях (см. гл. V и VI) с кольцевым зазором
ультразвук также излучается узКЙм: кольцом. Ряд отмечаемых
ниже полезных свойств кольцеобразных преобразователей делает
целесообразным ид более широкое применение.
.Интеграл (133) для поля давления на оси и в дальней зоне "
кольцеобразного преобразователя с наружным и внутренним ра-
диусами as и a-в легко вычислить в элементарных функциях. Вы-
полнив вычисления интеграла' (140) с другими пределами интегри-
рования, получим выражение для давления на оси . ’ 1
| I | = 2 sin А (уЛг2 V Он —
о . ( а2 — .
’' л; 2 sin л
'В
2Zz
(148)
Граница ближней, зоны z6. в неявном виде определяется фор-
мулой •
’ 2 । „2 Л •
2б “Г йв — .
(149)
1 Пр-й 2б^>п 'дйина; ближней зоны Ze выражается в явном виде
' SA
. (i Z ’
т. е. как и для круглого преобразователя, длина ближней’ доны
пропорциональна площади преобразователя, причем она стремится
к нулю для бесконечно узкого кольца. ;
Поле в дальней зоне кольцеобразного преобразователя опреде-
ляется как разность: полей двух круглых преобразователей, соот-
ветствующих наружному и внутреннему диаметрам, кольца:
' I / I _ I д2 (gHAsin6) ^2 2(gBfe sin 6) I (160)
- , Zr I H nHAsin6 B aBAsinO Г - '
167
В предельном случае бесконечно тонкого кольца получим
|/|=^ |/0(^Sin6)|. (1Б1)
ЛГ
Более точные расчеты диаграмм направленности кольцеобраз-
ного и круглого преобразователей по формулам типа формулы
(134) .выполнены в работе [40] для 2а=12 мм, %=0,75 мм и пред-
ставлены на рис. 59 в безразмерном виде. Кривая 1 для беско-
нечно тонкого кольцеобразного преобразователя практически
совпадает с результатами для преобразователя с отношением
£в/ан—0,983.
По сравнению с круглым преобразователем следует отметить
.сужение диаграммы направленности. Для бесконечно тонкого коль-
ца ширина ее на уровне 3 дБ определяется формулой
0х = arcsin 0,18.
Граница основного лепестка на уровне 20 дБ
0[ — arcsin 0,36 —.
4н
. Одновременно из-за роста боковых лепестков уровень бокового
излучения увеличился до 0,4 А, где А — амплитуда основного ле-
Рис. 69. Диаграммы направленности коль-
цеобразных преобразователей:
. 1 — бесконечно тонкое • кольцо; 2 —
' * ’ 3 “ ce/giT1/2; 4 — сплошной
круглый ‘ преобразователь
пестка диаграммы.
Увеличение ширины коль-
ца приводит к расширению ди-
аграммы направленности с
одновременным уменьшением
высоты боковых лепестков.
Этот процесс наблюдается у
всех кольцеобразных преоб-
разователей; у сплошного круг-
лого преобразователя мини-
мумы диаграммы направлен-
ности не достигают нуля, а
максимум сохраняются [40].
На рис. 60 показано поле
кольцеобразного преобразо-
вателя с ав/ан==0,5 в виде
линий равного ослабления.
Граница ближней зоны опре-
делена, как для круглого пре-
образователя с а=аЕ. По
сравнению с полем круглого
преобразователя хорошо за-
метны эффекты сужения по-
ля увеличения числа и уровня
боковых лепестков, уменьше-
ния длины ближней зоны и
168
Рис. 60. Поле излучения кольцеобразного преобразователя в виде линий равного ослаб-
ления ав/ан=1/2 для колоколообразных импульсов:
а — у-0,014; б—у=0,17
усложнения структуры поля. Указанные эффекты четко проявля-
ются для ав/«н>0,25.
При расчете круглых преобразователей с неравномерным цент-
рально-симметричным распределением амплитуды их разбивают
на ряд тонких кольцеобразных преобразователей [40]. При анализе
акустических полей для различных законов распределения ампли-
туд относительно центра преобразователя был получен важный вы-
вод [26] о перспективности использования преобразователей, у ко-
торых амплитуда возрастает от центра к краю по закону
(Ра/а)п. При п>2 у таких преобразователей осцилляции в ближ-
ней зоне малозаметны. При п==4—6 диаграмма направленности
сужается в 1,4—1,5 раза-по сравнению с круглым преобразовате-
лем. При этом уровень боковых лепестков в 2,2—2,6 раза выше,
чем у круглого преобразователя.
Этот факт подтверждается рис. 61 [40]. На нем показаны диа-
граммы направленности преобразователей, у которых амплитуда
уменьшается в зависимости от радиуса !по- (закону
ехр[—(2pA/6Z)2] (кривая 7) и возрастает по закону (рл/а)6 (кри-
вая 2). Для первого распределения получается безлепестковая, но
очень широкая диаграмма направленности: 0i==arcsin (0,42 К/а);
169
Рнс. 61. Диаграммы . направленности преоб-
разователей с' неравномерным.. распределе-
нием амплитуд! ’
1,— 1—е j _ (рЛ/а)в; з — кольцеоб-'
.; разный преобразователь, с ав/ан=0,857
уровень бокового излучения
составляет'. 0,1 --уровня основ-
ного лепестка. . Для второго
распределения получена узкая
диаграмма направленности
6i=arcsin (0,19 %/а) с нес-
колько, меньшей, чем для бес-
конечно тонкого . кольца, вы-
сотой ' боковых лепестков; уро-
день бокового 'излучения со-
ставляет 0,35. уровня основно-
го. Для сравнения приведена
кривая 3, соответствующая ко-
льцу с ав/ав—0,867, для кото-
рого площадь эпюры началь-
ной. амплитуды колебаний оди-
накова с распределением
(Ра/п)6. Эта кривая практиче-
ски совпадает с кривой 2 в об-
ласти основного лепестка, но
уровень бокового излучения со-
ставляет 0,4 уровня основного.
Таким образом, неравномерное
распределение амплитуд поз-
воляет сжать диаграмму нап-
равленности при меньшем
уровне бокового излучения,
чем для кольцеобразного преобразователя.
На рис. 62 показано изменение амплитуд вдоль оси преобра-
зователе для тех же трех' распределений. За единицу длины при-
нята длина ближней зоны круглого преобразователя с тем же ра-
диусом а. Кривые для распределений 1 и 2 практически не имеют
осцилляции в ближней зоне, чем выгодно отличаются от кривой
3 для кольцеобразного преобразователя, осцилляции у которого
имеют такую же высоту, как -у 1 круглого преобразователя (см.
рис. 53, а). '
Приведенные выше теоретические результаты удовлетворитель-
но совпадают с'экспериментальными исследованиями [26]. Кольце-
Рис. 62. ' Поле излучения вдоль, оси преобразователей с неравномерным распределением
амплитуд (обозначения соответствуют рнс. 61)
170
образный 'Преобразователь для этих экспериментов изготовляли
путем создания- кольцеобразного электрода на одной из сторон
обычной пьезопластины;,.Неравномерное распределение поля до-
стигалось частичной .располяризацией пьезопластины нагревом
ее центральной части; Неравномерное распределение поля на по-
верхности пьезопластины можно получить также нанесением элект-
родов -'в: форме, розетки; в результате чего активно действующая
площадь пьезопластины уменьшается от центра к краю в соот-
ветствии с законом ехр[— (pa7g)2]-
• i 4. ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Пьезоэлемент-, прямоугольной формы используют в прямых
преобразователях; а(также в наклонных и раздельно-совмещенных
преобразователях.
'-..Для оценки акустического поля преобразователя весьма важ-
но определить, что понимать, под Длиной ближней зоны (см. пп. 2
и, 3. настояхцей..главы);'В справочнике [47] на основании построе-
ний, подобных, показанным' -на рис. 58, рекомендовано границу
ближней, зоны, (-квадратного . преобразователя со стороной 2с опре-
делить .по формуле-,z6=c2/%. .Такой подход, однако, не учитывает
того, что. на площади подобного преобразователя не укладывается
целое число зон Гюйгенса — Френеля. Для квадратного преобра-
зователя с с/%>2 положение последнего максимума на оси опре-
деляется формулой [13]
что соответствует формуле (144). Погрешность при этом не пре-
вышает 10 %.
На рис. 63 показано поле на оси преобразователей с различ-
ным соотношением сторон. За единицу 1 принято -z, определенное-
Рис. 63. Поле, излучения вдоль оси прямоугольных преобразователей; в непрерывном
(сплошные линии) и импульсное (штриховые линии) режимах:
/ —а,/а2=1; 2 —а,/а2=2; 3 — atte=5
171
Рис. 64. Диаграмма направленности пря-
моугольного преобразователя при излуче-
нии колоколообразных импульсов:
Т=0; 2 —Y«o,l; 3—у-0,22
формулой (152). При z^>z6
кривые полей разных преоб-
разователей сливаются. Это
свидетельствует о том, что па-
раметр Дд/лЛ характеризует
быстроту ослабления сигнала,
вызываемого расхождением
лучей в дальней зоне, как это
уже отмечалось в п. 2 данной
главы.
По сравнению с полем
круглого -преобразователя
максимумы и минимумы .по-
ля прямоугольного преобразо-
вателя сильно сглажены.
Это объясняется тем, что -на
прямоугольном преобразова-
теле кольцеобразные зоны
Френеля, ответственные за
формирование сигналов с раз-
ным запаздыванием фаз, пол-
ностью не укладываются. До-
полнительное сглаживание
максимумов и минимумов на-
блюдается при импульсном из-
лучении. На рис. 64 штриховой
линией показаны поля преобразователей при излучении колоколо-
образных импульсов с уменьшением амплитуды в 1,5 раза за пе-
риод колебания.
В дальней зоне прямоугольного преобразователя интеграл
(143) берется в элементарных функциях [57]. Для этого расстояние
Гам в показателе экспоненты представляют в виде ряда с точно-
стью до членов Хм и ум первого порядка:
гам + 4хм ха$ + Уа$2
« VгЪ — 2хах~2УаУм — • (153)
В результате интегрирования по хА и уА получают
I sin [ajt sin 6-J_____sin (aji sin 62)
V | arsine! aafesin02
(154)
где 6] и 62 —углы между осью преобразователя и проекциями лу-
чей на плоскости xoz и yoz-, аг и а2 — размеры преобразователя.
Диаграмма направленности представлена кривой 2 на рис. 64.
Значения углов 0 на уровнях 20 и 3 дБ определяются выраже-
172
Рис, 6Б. Поле излучения прямоугольных преобразователей:
а —»квадратного в виде линий равного ослабления, 7»= 0,014; б — квадратного в виде линий
равного ослабления; у—0,17; в — широкозахватного вблизи пьезопластины, V*=‘0»t2
НИЯМИ fi"i 2 = arcsin 0,464—^— ; С1 ,2 (155) 01 2 = arcsin 0,38 —. «1 ,2
J—0 при 0; ,2 == arcsin 0,54. (156) °1,2
Уровень бокового излучения составляет 0,22 основного.
173.
На рис. 64 показаны также диаграммы направленности'прямо-
угольного преобразователя при излучении колоколбобразных' Им-
пульсов с ослаблением амплитуды в 2 ,и 4 раза .за-период коле-
баний. Как й.дйя рассмотренных ранее преобразователей, ширина-
диаграммы направ'йённости„сохраня.цтся, а„ уровень бокового излу-
чения уменьшается. ••
Приведенные выше теоретические результаты удовлетворитель-
но подтверждаются экспериментальными’данными "[1.3, 37]. Неко-
торое расхождение'объясняется неполным соответствием форм им-
пульсов, принятых при расчетах и экспериментах. .
На рис. 65, а, б,изображено продольное (параллельное стороне)-
сечение поля квадратного преобразователя в.виде Линий одинако-
вого уровня. По сравнению с полем круглого преобразователя за-
метно упрощение интерференционной картины в ближней зоне, уве-
личение числа лепестков, увеличение расстояния до. места макси-
мального сужения поля на уровне 3 дБ и уменьшение степени?
сужения. В качестве масштаба на осях рис. 65 взцты половина
длины сторойы преобразователя а и величина а2/Х. Если за:
масштаб взять радиус'круга; равновеликого квадрату,аВф — 1/SA/n
и SA/n%, то максимальное Сужение и его'положение'будут близки:
максимальному •сужению и положению круглого преобразователя-
Преобразователи с сильно вытянутой пьезопластйНой (широко-
захватные) представляют‘ интерес с точки зрения увеличения зоны,,
контролируемой за Один проход. В этом случае поде давлений в
плоскости, па.ра'ллель'йрй'"бблкшей •,сто’ро"йё' 'а'!',.- является полем:
ближней зоны при условии z-C«2iA, т. е. полем в непосредствен-
ной близости ют преобразователя. Как было показано в п. 2 дан-
ной главы, здесь практически не наблюдается максимумов и ми-
нимумов (рис?. f>5,в). • • ’
5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С АКУСТИЧЕСКОЙ ЗАДЕРЖКОЙ
Случай, когда пьезопрербразрватель отделещрт.рдедия плоско-.-
параллельным сло.ем (акустической', задержкой)"толпщйой Za> часто»
встречается шри .контроле' иммерсионным методом, - Лучи каждого-
элементарного источника А (рис. 66), на которые разбивают излу-
чатель, при прохождении через поверхность изделия испытывает:
преломление. ,. . ..
При вычислении акустического!, поля можно заменить действи-
тельный источник мнимым. Если лучи, преломленные на границе-
Изделия, продолжить обратно в среду линии задержки, то те из--
них, которые близки к оси, .т. е.,. лучи с малыми пересекутся:
приблизительно в одной дочке И/' на расстоянии от поверхно-
сти объекта. Действительно, 1
ч tg Qa sin 0д
р
где сА и см —скорости звука в верхней
эффициент-прелбмйенйя? •
zA = nzA,..
и нижней средах; п
ко-
174
’Рис. 66. Схема расчета акустического поля пре-
образователя с плоскопараллельной линией за-
' \ держкн t
! Таким образом, - Zi при малых
<8 а и 0м не з'ависйт от-0А) что ука-
зывает на пересечение лучей в од-,
ной точке Д, При 0?г<25‘: . по- •.
уешность от такой замены . соста-':
.вит не более 10 % • •
Аналогичным образом . может.
-быть совершен переход для'всех
точек преобразователя, и весь-, он
.заменяется . мнимым, расположен-
ным на расстояний Z]—nzA от по-
верхности изделия. При переходе
от действительного Источника К
мнимому возникает сдвиг фазы ко-
лебаний, но он не окажет влияния
на расчеты акустического поля, так как этот сдвиг одинаков для
всех точек-излучателя... .... . ,, . ... ... .1-.
На основании сказанного во все формулы для поля преобра-
зователя с плоскопараллельной-линией задержки необходимо вне-
сти следующие изменения: ввести коэффициент прозрачности по
амплитуде D, характеризующий ослабление акустических волн
на границе линии задержки с объектом контроля, или коэффици-
ент.прозрачности по потоку энергии. В, определяющий уменьшение
•амплитуды сигнала при прохождении ультразвука через границу
.в прямом-и обратном направлениях (в поле излучения — приема).
Акустическое поле в объекте контроля рассматривают как поле
мнимого преобразователя,'в результате чего к каждому из путей
ультразвука в изделии zM. добавляют величину z^=nzA. Если при
вычислении акустического доля учитывается затухание ультразвук
ка, io в выражение для добавления надо ввести множитель
•ехр(—бм^м), где 6 а и бм—коэффициенты'’затухания звука
в, объекте контроля и в линии задержки. Таким .образом, при вы7
числении затухания' учитывается расстояние дб‘ действительного,
•а не до мнимого преобразователя.
: Множитель /Эехр(—6а£а) неизменен при контролё с постоян-
ной линией'задержки, поэтому его можно объединить с, множите-.
. .л ем РА, определяющим давление на излучателе.' Величина Р\ =
- :1}л.Г).ех]) (—6 а2д) будет характеризовать амплитуду сигнала на
границе контролируемого -объекта с задержкой. ' ’
В качестве примера’запишем с учётом затухания ультразвука
•формулу (141) для поля на оси преобразователя^ имеющего пло-
скопараллельную Линию задержки: 1 '
<175
(6а’а+ бм ;м)
9 I D ka? I ZAf ,i H-7V
~2|flSln-4fa+^ |e ' <167>
Граница ближней зоны определяется по формуле
*6=Т“(1б8>
В наклонных преобразователях, широко применяемых в УЗ де-
фектоскопии, акустическая задержка имеет вид призмы с углом
преломления а (рис. 67). На границе призма—-изделие (угол пре-
ломления р) происходит преломление акустической оси. В даль-
нейшем понятие акустической оси будем относить только к ее пре-
ломленной части.
В этом случае также возможно введение мнимого преобразо-
вателя, однако точность такого представления акустического поля
значительно меньше, чем для плоскопараллельной задержки,. Кро-
ме того, в плоскости падения и в перпендикулярной к ней допол-
нительной плоскости преломление лучей происходит по-разному, и
для этих двух плоскостей следует строить разные мнимые источ-
ники. Наконец, геометрическое место .точек — мнимых источников
в плоскости падения — оказывается наклонным (плоскость ЛХЕ) к
акустической оси, и создание волнового фронта, перпендикуляр-
ного оси, требует введения переменной фазы начала колебаний на
поверхности мнимого излучателя, если располагать его в плоско-
сти A iE.
Для упрощения вычисления акустического поля целесообразно-
определять положение мнимого источника, для центра реального
излучателя Од. Положение центра мнимого источника Ох находят
176
Рнс,\ 68. Коэффициенты прозрач-
ности VL и Z>r для границы орга-
ническое стекло — слой масла —
сталь* (б —толщина слоя масла,
отнесенная к длине волны;, fl —
угол преломления, индексы L и Т
означают продольные и попереч-
ные волны)
как среднее из положе-
ний мнимых источников
в плоскости падения и
дополнительной плоско-
сти. Точка 01 располага-
ется на продолжении аку-
стической оси на расстоя-
нии гАп cos [З/cos а от
точки пересечения этой
оси с поверхностью изде-
лия.
Мнимый излучатель располагают перпендикулярно акустиче-
ской оси. Размеры его выбирают равными размеру преломленной
лучевой трубки реального излучателя. Тогда в плоскости падения
его размер будет 2а cos p/cos а, а в дополнительной плоскости—;
2а, т. е. мнимый излучатель будет иметь форму эллипса.
На основании изложенной полуэвристической, но удобной для
инженерных оценок теории поле наклонного преобразователя в-
дальней зоне описывается выражением
cos Р
Г(М) = ° а А COSCZ. фе“6АгА~6^М, (159у
Рл 1 ( •! COS₽\
М zM+ zAn------
\ m cos а. ]
где диаграмма направленности Ф в плоскости падения предпо-
лагается излученной источником, уменьшенным в cos p/cos а раз;
по сравнению с действительным, а в перпендикулярной плоско-
сти— соответствующим по размерам действительному.
Формула (159) дает удовлетворительные результаты при углах
6м не более 6°. Кроме того, она пригодна лишь при условии,,
что углы падения лучей на границу раздела сред достаточно далеко'
отстоят от критических значений. Напомним, что первым крити-
ческим углом называют угол падения, при котором сливается с
поверхностью преломленная продольная волна, а вторым — угол,,
при котором сливается с поверхностью преломленная поперечная
волна. Вблизи критических углов коэффициент прозрачности D
резко изменяется, стремясь к нулю (рис. 68), поэтому его нельзя
выносить из-под интеграла, как это сделано при выводе формулы
(159).
Развитие изложенного подхода к анализу акустического поля
наклонного преобразователя дается в работе [7]. Будем считать,,
что на поверхности раздела имеется область возбуждения s2, раз-
177-
меры которой в плоскости цадения 2a/cos в, а в перпендикулярной
плоскости 2а (для. круглого ,преобразователя эта' область имеет
форму, эллипса,’а‘для квадратного •—•прямоугольника). В области
^возбуждения'задано акустическое поле с переменной фазой й- ам-
плитудой. Изменение фазы обусловлено различными путями пробе-
га параллельных лучей, в призме, а-изменение амплитуды —раз-
.личными затуханиями на этих путях. В связи с большим, коэффи-
циентом затухания в органическом стекле, из , которого обычно
изготовляют призму преобразователя, амплитуда, в области воз-
буждения изменяется на 30-—50 % • Вне пределов области, возбуж-
дения поле можно считать равным нулю. Далее».,по поверхности
раздела вычисляется диаграмма направленности, тле. интеграл по
«формуле (131). ,
Формулы'диаграмм направленности особенно просты для квад-
ратного излучателя-, для которого в плоскости падения'.;,.? <.,/ ..
1 • .
лч/п c^Asina sh2 (а(6д sin a)' + sin2 [фд (sift f — sin G),] 2 .
tj) (v-j) ' • — ’ . ' “ “ ' ; — , , . ,
, sh sin aj sin a)2 r|- [ajjfen,(siti₽—siriG)]2
. в дополнительной плоскости . . , -.
иф(е2) = _^slnK sinfefeBsine2) x . • ' '
sh sin a)' as/eBsin62
' 1
f sh2 sin a), -J- sin2 [a^sinfJ (1 —cosG2)] 2
sin ce)2 4~ sin P (1 — cos G2)]2
(160)
Здесь 0i и 02 — углы, отсчитываемые от акустической оси в плоско-
сти падения и дополнительной плоскости; a'i = al/cos a; '6а — коэф-
фициент затухания в материале призмы; kB — волновое число в'ма-
териале изделия. При 6а=0 формулы (160) переходят в формулу
.(154), записанную для случая отсчета углов от наклонной феи.
Другой путь анализа акустического, поля наклонного Преобра-
зователя основан на использовании метода, перевал а .[11, 57]. .Сфе-
рические волны, излучаемые в призму элементарными источника-
ми dSA, разлагаются на плоские гармонические ‘ волны с ком-
плексным значением волнового вектора k. Преломление каждой
такой волны на границе призма —изделие происходит в соответ-
ствии с законами для плоских волн: направление определяется
формулой синусов, а ослабление —коэффициентом. прозрачно-
сти D. ,
Поле в изделии, полученное в результате вычислений, имеет
такой вид, как будто.диаграмма направленности реального, а не
мнимого источника, описываемая формулами (145), (150) или
(154)* образовалась в призматической' линии задержки', а затем
178
Рис. 68. Зависимость угла ₽ наклона акустической
оси диаграммы направленности поля поперечной
волны в стали от угла призмы из органического
стекла (штриховая линия рассчитана по закону
< синусов) ' '
50
Pttfiexp
ГУП . r
so
80
10
GO
UO
30 &
каждый луч этой диаграммы претер-
пел преломление на границе приз-
ма—изделие и. ослабился на'величиг
ну,... соответствующую коэффициенту
прозрачности D. Этот вывод' является
очевидным,, если путь.в призме 'боль-
ше длины ближней зоны излучателя и/
в ней „сформировалась Лучевая .диаг-
рамма''направленности. Но он совсем’
не очевиден, когда (как это обычно»
бывает на практике) . путь .в призме .
меньше длины, ближней зоны и лучи '
еще не образовались.
Имеются обширные, данные по рас-
чету изложенным способом диаграмм
направленности преобразователей с
различными параметрами при излу-
чении в сталь, алюминий, титан медь
[9].
Ценность описанного способа расчета диаграмм направленно-
сти преобразователя заключается в том, что он учитывает влияние
. коэффициента прозрачности на диаграмму направленности и дает-
объяснение явлению несовпадения направления максимума излу-
чения с углом преломления акустической оси, рассчитанным по>
закону синусов, обнаруженное первоначально экспериментальным
путем для наклонных преобразователей, излучающих поперечные-
волны [8].' Коэффициент прозрачности по потоку энергии для попе-
речных волн jDt имеет максимум, (см. риС. 68) при угле падения
сб=ато=31-—32°. При прохождении через границу сильнее ослаб-
ляются те лучи диаграммы направленности, угол падения которых,
дальше отстоит от оптимального угла ат. Для преобразователей
с углом а>ат наблюдаемый экспериментально угол рехр, соответ-
ствующий максимуму, амплитуды излучения (угол выхода), мень-
ше угла |Зг, вычисленного по закону синусов (рис. 69). Для преоб- .
.разователей с углом а, меньшим наоборот, ₽eSp<₽t. Увеличе-
ние параметра af сужает диаграмму направленности преобразова-
теля, что должно привести .к ослаблению описанного эффекта.
На рис. 69 показаны кривые -изменения угла выхода соответст-
вующего максимуму излучения, в зависимости от угла падёния:
(угла призмы) для границы органическое стекло — сталь. Кривые-
построены по максимумам диаграмм 'направленности,г рассчитан-
ных в работе .[93, и хорошо совпадают с экспериментальными дан-
ными. На рисунке видно значительное несовпадение кривых с за-
- коном синусов для углов падения 50° - и некоторое несовпадение
для углов 30°. Особенно велико несовпадение с законом синусов.
179:
Рис. 70. Диаграммы направ-
ленности в стали преобразова-
телей с призмой из органиче-
ского стекла с параметром
mm-МГц и разными уг-
лами ввода:
« — 30°; 6 — 40°; в~Б0°; тон-
кие линии соответствуют тео-
ретическим результатам, полу-
ченным методами: 1 — мнимого
излучателя [14]; 2 — заданием
области возбуждения [7]; 3
перевала [9, 11]; 4— перевала
с уточнением [49]; толстые ли-
нии соответствуют эксперимен-
тальным данным, описанным
в работах: б — [9]; 6 — [7];
для преобразователей с малым параметром af. Таким образом,
теория подтверждает все изложенные выше качественные объясне-
ния фактов, полученных экспериментально.
Экспериментальное наблюдение подобных явлений при исполь-
зовании призматических преобразователей для возбуждения про-
дольных волн под углом к поверхности изделия, меньшим первого
критического (т. е. при a<27°30'), для границы органическое стек-
ло-— сталь показало, что в этом случае углы выхода оказываются
меньше углов, рассчитанных по теореме синусов, что соответст-
вует уменьшению коэффициента прозрачности Dl при увеличении
угла а.
Отметим, что возможно возникновение кажущегося изменения
направления акустической оси диаграммы направленности из-за
° неправильной обработки данных при снятии диаграмм направлен-
ности наклонных преобразователей. Весьма удобным для прак-
тики является способ определения направления угла ввода
(т. е. угла реХр) и всей диаграммы направленности излучения-прие-
•ма по измерению огибающей амплитуд эхосигналов от ненаправ-
ленного отражателя, расположенного на определенной глубине.
При перемещении преобразователя по поверхности образца рас-
стояние от преобразователя до отражателя изменяется, что вызы-
вает увеличение амплитуд эхосигналов, соответствующих меньшим
180
расстояниям. В результате происходит кажущееся смещение угла
р в сторону меньших значений. Обработка результатов экспери-
ментов по способу, изложенному в п. 4 гл. XI, устраняет описан-
ное явление.
Уточним рекомендации по использованию способа мнимого
излучателя, показанного на рис. 67 [11]. В формуле (159) различ-
ные коэффициенты прозрачности D берутся не как постоянные
величины, определенные для акустической оси а, а как величины,
зависящие от направления рассматриваемого луча. Так, для луча,
направленного под углом 0' к акустической оси, соответствующий
угол преломления будет р+0' (см. рис. 67). Угол падения может
быть вычислен на основании закона синусов, а по графику, пред-
ставленному на рис. 68, приближенно определены коэффициенты
прозрачности по амплитуде как корни квадратные из D.
Однако изложенное соображение не распространяется на об-
ласть вблизи первого критического угла, где коэффициент про-
зрачности обращается в нуль, так как подынтегральная функция
имеет ветвление [11, 49]. Кроме того, в этой же области вдоль
поверхности раздела распространяется продольная волна, порож-
дающая поперечные волны. Поэтому в области углов падения,
соответствующих первому критическому (эта область захватыва-
ется преобразователем с углом призмы 30°), отсутствует резкое
ослабление акустического поля.
Метод перевала может быть применен к области возбуждения
границы раздела призма — изделие. В этой области'задается не
скалярная величина, а нормальная компонента тензора напряже-
ния, возбуждаемая ограниченной плоской волной, падающей на
поверхность. Амплитуда возбуждающей волны считается постоян-
ной. При этом в изделии обнаруживается большое число лепест-
ков диаграммы направленности. Для преобразователя с призмой
из органического стекла и параметром а/=15 мм-МГц уровень
бокового излучения с учетом этих лепестков составляет 0,28 основ-
ного излучения при угле призмы 40°.
Была получена эмпирическая формула; описывающая диаграм-
му направленности наклонного преобразователя:
Ф(0) = созЛ^-еЛ,
...где Оо — угол раскрытия основного лепестка на уровне 0,8 макси-
мума. Однако применение этой формулы требует предваритель-
ных экспериментальных или теоретических исследований для. опре-
деления 0О.
Значительное число проведенных теоретических исследований
акустических полей наклонных преобразователей объясняется как
практической важностью задачи, так и ее сложностью. В этих ус-
ловиях особенно важное значение приобретают эксперименталь-
ные результаты по данному вопросу, которых, к сожалению, недо-
статочно (рис. 69). '
На рис.- 71 представлены теоретические (сплошные линии) и
181
Рис. 71. Диаграммы направленности при падении Под первым критическим углом [48]:
а— угол призмы 30°; б — угол призмы 40°
экспериментальные; (штриховые линии)' кривые для двух стандарт-
ных наклонных преобразователей, . .рассчитанных на частоту
2,5 МГц, с пьезопластиной диаметром 12 мм.. ,
Анализ показывает, что хорошее совпадение всех теоретиче-:
ских кривых наблюдается для обоих преобразователей. Теоретиче-
ские результаты согласуются с экспериментальными в пределах:
углов 6=±6°. Отсутствие четких минимумов на эксперименталь-
ной диаграмме направленности объясняется импульсным харак-
тером излучения и влиянием затухания в материале призмы, что-
в приведенных расчетных кривых не учитывалось.
В дополнительной плоскости результаты расчетов, выполнен-
ных различными способами, практически, совпадают. Эксперимен-
тальных исследований по данному вопросу нет.
С помощью наклонных преобразователей возбуждают волны
вдоль поверхности при углах падения, близких к критическим.
Продольные поверхностные, (головные), волны в настоящее время
используют для обнаружения дефектов под грубой поверхностью
изделия; [13], а поперечные — для контроля закаленного поверх-
- костного слоя.. .. .
Расчет поля головных волн можно выполнить методом пере-
вала [48]. Граничные условия при этом задаются в виде области,
возбуждения [3] или на границе двух протяженных сред иммерси-
онная жидкость (призма) — изделие [7]. Тогда для плоскости па-
дения можно получить
ф==фо—1/т- ! £р(е)1;
.. . .. РВ. у klr.
182
r— i ci \
8 cos 011—2 — sin2 0 I X
V ,
4 V A
2—-sin2©] H-4—sin20cos0-f-
X sin
kia
cos a
Здесь pa и рв-—плотности материала призмы и изделия; сл, Ci и
Cf—-скорости распространения продольных волн’в призме, про-
дольных и поперечных в изделии.
Убывание амплитуды с расстоянием: по закону г0’5 относится
к плоскости падения; закон общего убывания в трёхмерном про-
странстве будет -г-1. Наблюдается также более быстрое ослабле-
ние амплитуды по закону 'Г-1’6, г-2; что находит объяснение'при
уточнении теоретических расчетов [13].
Диаграмма направленности в изделии имеет вид лепестков.
Главный лепесток, показанный на рис. 72, используют для конт-
роля подповерхностной зоны изделий. Его направление, ширина'
и амплитуда зависят от угла падения а и волновой ширины зоны
возбуждения L=aki] cos а. Когда а приближается к критическому
значению аКр, а затем превосходит его,, направление максимума
.излучения ртах приближается к углу 86—87°, одновременно быстро
Рис, 72. Диаграмма направленности го-
ловных волн в плоскости поверхности
изделия у
Рис. 78. Построение акустического поля/
на общей оси раздельно-совмещеиногр
преобразователя /
183
уменьшается его амплитуда. При увеличении а угол ртах и ам-
плитуда максимума увеличивается, а ширина лепестка умень-
шается. "
Расчет следует выполнять для граничных условий, которые ха-
рактеризуются тем, что поверхность изделия вне области возбуж-
дения считается свободной. Это позволяет лучше учесть реальные
условия работы наклонного преобразователя. При определенном
угле падения, большем критического, роль, основного лепестка пере-
ходит к более глубоко залегающему боковому лепестку, и угол?
преломления скачкообразно уменьшается при одновременном?
уменьшении амплитуды максимума излучения.
На рис. 72 показаны результаты [13] для пьезоэлемента диа-
метром 18 мм, рассчитанного на частоту 1,8 МГц, излучающего*
через призму из органического стекла с углом вывода 27°30/.
С помощью наклонных преобразователей возбуждают поверх-
ностные волны релеевского типа и волны Лемба в пластинах. Рас-
пределение акустического поля под свободной поверхностью или
по толщине пластины определяется природой волн [3] и здесь не-
рассматривается. Акустическое поле на поверхности полупро-
странства или пластины подчиняется обычным волновым законам.
Например, граница ближней зоны определяется величиной a?[{Ks,.
где 2d— линейный размер пьезопластины в плоскости, параллель-
ной поверхности изделия; %s — длина поверхностной волны или
волны в пластине. Ослабление сигнала вдоль акустической оси
происходит по закону -г—0’6, поскольку лучи расходятся в плоско-
сти, а не в пространстве.
В заключение заметим, что специфическим типом акустической
задержки является волновод (или ультразвуковод), длина которо-
го L соизмерима с поперечными размерами В или превосходит их.
Такие задержки применяют, например, когда необходимо изоли-
ровать преобразователь от изделия или другого объекта контроля,
нагретого до высокой температуры. Волноводы обычно изготовля-
ют из металла, близкого по параметрам к материалу контролируе-
мого изделия, или из стекловолокна.
6. РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЕННЫЙ (PC) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Раздельно-совмещенный преобразователь состоит из конструк-
тивно объединенных излучающего и приемного преобразователей^
обычно расположенных на акустических задержках. Такие преоб-
разователи характеризуются малым уровнем собственных помех,,
малой мертвой зоной, повышенной чувствительностью при высоком
уровне структурных помех. Этим определяется область их приме-
нения: измерение и контроль при малых расстояниях от поверх-
ности, контроль крупнозернистых материалов, контроль с приме-
нением головных волн и ультразвуководов.
Акустическое поле PC-преобразователя рассчитывают как про-
изведение полей излучающего и приемного элементов. Поле излу-
чения, аналогичное полю приема, для каждого элемента ' (излуча-
184
теля и приемника) рассчитывается в соответствии с рекоменда-
циями предыдущих параграфов.
Рассмотрим в качестве примера построение акустического поля
на общей оси, перпендикулярной к поверхности изделий, для РС-
преобразователя, состоящего из .двух одинаковых элементов (пря-
мой PC-преобразователь). Излучатель и приемник имеют призмы
с углом вывода а, меньшим первого критического (для призм из
органического стекла а обычно не более 12°).
Расчет выполняют по следующей схеме (рис. 73). Строят мни-
мые излучатель и приемник для преломления продольных волн
на границе призма-—изделие. Для определения амплитуды эхо-
сигнала от точечного отражателя, расположенного в произвольной
точке М, из центров мнимых излучателя и приемника проводят
лучи S'iM. и- SZ2M, а затем из центров действительных излучателей
Sj и S2 проводят лучи в точки Gi и G2 пересечения лучей S'tM и
S'2M с поверхностью призма — изделие. Определяют углы 0ai и
6а2- Далее находят произведение
e“e-A^s'f?,+rSlCs)^e£^cfjM’!"rcflAl).
s'm s'm
(161) ’
где Ф(0А1) и Ф(0д2)—диаграммы направленности излучателя и
приемника внутри призм; Д и D' — коэффициенты прозрачности
по амплитуде для границ призма — изделие и изделие — призма;
6а и бв—-коэффициенты затухания в материалах призмы и из-
делия.
Поскольку излучатель и приемник одинаковы, а расчет ведется
для поля по оси симметрии, формула (161) упрощается:
Ф2 (0Л) D (дА) е“ 2 ^sc + 6вГ<ш) (162)
где Л — коэффициент прозрачности по энергии.
На рис. 73 показана также кривая зависимости чувствительно-
сти от глубины для PC-преобразователя, призмы которого выпол-
нены из органического стекла, а объект контроля — из стали. Углы
наклона призм, размеры пьезопластины и расстояние между ними
подобраны так, чтобы обеспечить выявление дефектов на глубине
2—200 мм (предельные значения определяются крайними лучами
диаграммы направленности). Максимум излучения -располагается
несколько выше точки пересечения акустических осей, .что объяс-
няется влиянием затухания и расхождения лучей. Эксперименталь-
ные точки удовлетворительно подтверждают расчетную кривую.
С помощью РС-преобразователя можно выравнивать чувстви-
тельность в довольно большом диапазоне толщин [38]. Формула
(161) подтверждает принципиальную возможность решения такой
задачи. Если углы призм излучающего и приемного- элементов
раВНЫ ИЛИ блИЗКИ НуЛЮ, ТО, ПОСКОЛЬКУ ФУНКЦИИ’ Ф(0Д1) И Ф (0А2)
185
будут уменьшаться с увеличением угла'0А, чувствительность к де-
фектам, расположенным ближе к поверхности, может оказаться
"меньше, чем к более глубоким дефектам. Для создания равномер-
ной чувствительности используют не только дальнее-, но и ближ-
нее Ноле излучателя и приемника, а также наличие максимумов в;
этом'поле в стороне от оси пьезоэлемента. При этом постоянная
чувствительность по глубине достигается, если учитывать макси-
мальную амплитуду поля , для каждого сечения по глубине, , а не-
только амплитуду поля на общей оси (оси симметрии) преобразо-
вателя.'
7. ФОКУСИРУЮЩИЕ И ШИРОКОНАПРАВЛЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Фокусирующие системы применяют для повышения разрешаю-
щей. Способности, чувствительности (особенно на фоне структур-
ных помех), точности определения координат и-размеров дефекта.
Существуют четыре основных типа фокусирующих систем [22]:
активные концентраторы, рефракторы, рефлекторы и дефлекторы.
Активные концентраторы — изогнутый пьёзоэлементы, .., пред-
ставляющие собой часть сферы, или-цилиндра (рис. 74, а). Фокус-
ное расстояние F таких концентраторов равно их радиусу Д кри-
визны; радиус а зрачка и фокусное расстояние определяют угол
раскрытия фронта
0ТО= arcsiria/F. •
Рефракторы — линзы, преобразующие плоскую волну в сходя-
щуюся (рис. 74,6). Линзы делают вогнутыми (ускоряющими) и
выпуклыми (замедляющими) в зависимости от соотношения ско-
ростей' ультразвука в среде с0 и в материале линзы сл, которое-
называется показателем преломления n=cclcs,. Для фокусировки
ультразвука при п<1 линза должна- быть вогнутой, при п>1,—
выпуклой. Если среда — иммерсионная жидкость, а линза сделана
186
из'органического стекла, .то и<1.
Фокусное расстояние такой пло-
сковогнутой линзы связано с ее
радиусом кривизны соотношением
F = /?/(1 — /г).
Рефлекторы — отражатели,
преобразующие плоскую волну в
сходящуюся. В дефектоскопии
применяют рефлекторы в виде
Рис. 75. Схема расчета поля на оси
фокусирующего преобразователя
криволинейных зеркал в призме
(рис.'; 74, в), в которых формирование сходящегося фронта осуще-
ствляется одновременно с поворотом пучка
Дефлекторы— зональные пластинки (рис. 74, г), состоящие из
чередующихся акустически прозрачных и- непрозрачных колец,
внутренний ав и наружный ап радиусы которых определяются со-
отношениями
• ‘ ав — V%mFK; ин=У(2т+1)^ ,
где /и=0, 1, 2, ... Существенного выигрыша в амплитуде сигнала
при фазовой фокусировке можно достичь, разделив пластину на
кольца, соответствующие зонам Френеля (например, глубокими
•бороздками), и подав на электроды четных и нечетных колец
электрические сигналы в противофазе [22]. Такое включение колец
показано на рис. 74, г.
Рассмотрим часто применяемый в дефектоскопии сферический
‘ преобразователь (рис. 75) с-малым углом раскрытия 0т<ЗО°. Учи-
тывая, что-расстояние от фокуса' до произвольной точки А поверх-
ности преобразователя постоянно и.равно R=F, а. также имея в
виду условие милости углов раскрытия 0™ (из которого следует,
что a<^F), можно вычислить интеграл (133), т. е, акустическое
давление на оси преобразователя: ' '
а 2п
. 1 7=-Мр^°Д
. Ч Jo ГАМ '
Здесь принято, что %(0) — 1, а — радиус преобразователя. На осно-
вании схемы, приведённой на рис. 75, можно написать
г am = F* + (z — F)2 — 2 (2 — F) F cos 5' =
= F2 + (z~F)* — 2F(z~F) V^T1Pa_~22 + Pa (1 — •
' При вычислении I учитывают, что краевое значение -гам ; ' •
(ГАм)тах Z + 2z V F )’
ГАМ drAM ~ Pa^a-
187
В результате получается следующее выражение для поля вдоль
оси:
(163)
(164)
1/1
1-—
F
где 2б = а2А- Первый множитель этой формулы представляет со-
бой гиперболу, с асимптотой z—F, а второй — осциллирующую
функцию. При z=F (геометрический фокус) возникает неопреде-
ленность, раскрытие которой дает
| I I =
ZF F
Для оптических систем z^F. Вследствие этого осцилляции
функции синуса происходят очень часто, и вблизи геометрического
фокуса всегда имеется максимум синуса, из-за чего наибольший
максимум (максимум максиморум) функции |/| практически
совпадает с геометрическим фокусом.
Важное отличие акустических фокусирующих систем от оптиче-
ских состоит в том, что величины Ze и F обычно соизмеримы. По-
этому осцилляции синуса редки, что вызывает смещение макси-
мума максиморума функции |7| (акустического фокуса) от гео-
метрического фокуса в сторону преобразователя.
На рис. 76 показан характерный для акустики случай. При
z6fF=2 соотношение акустического и геометрического фокусов
Fa/F составляет 0,8. Графики, цредставленные на рис. 77, позво-
ляют рассчитать это соотношение, а также относительную протя-
женность фокальной зоны x/F в зависимости от F/z6.
Отношение максимальных амплитуд акустического давления
фокусирующего и нефокусирующего преобразователей определяет
коэффициент усиления Kj? фокусирующей системы:
188
Рнс. 77. График для расчета положения
акустического фокуса (кривая /), протя-
женности фокальной зоны (кривая 2) и
коэффициента усиления (кривая 3) в за-
висимости от отношения фокусного рас-
стояния к длине ближней зоны
Рис. 78. Диаграмма направленности излу-
чения-приема шнроконапрявленного пре-
образователя в виде выпукло-вогнутой?
пьезопластины:
/ — теоретическая; 2 — эксперименталь-
ная; 3 — круглого преобразователя диа-
метром 20 мм
Если, однако, z=F^>X6, то из (141) получим |/[=SA/Xz, в ре-
зультате чего Kjf=1, т. е. фокусировка не дает выигрыша в уси-
лении, если ее осуществлять в дальнем поле преобразователя.
Используя уточненное выражение для наибольшего . максимума’
функции |/| фокусирующего преобразователя, можно видеть, что-
фокусировка дает выигрыш в чувствительности вплоть до F=5ze
(при вычислении K.F для поля нефокусирующего преобразователя”
везде принималось |/|=2).
Простое выражение для определения поля давления в плоско-
сти, перпендикулярной оси, можно получить для области вблизи
геометрического фокуса
I I I = Лц (165>
1 № ApMsin6ro
где рм — расстояние от оси.
Функция 21Л (%)/х| встречалась нам ранее, она показана на
рис. 55. Радиус фокального пятна (кружка Эри) находится из ус-
ловия /1(х) = 0и определяется формулой
ро = О,61-^- . (166>
а
Сравнивая выражения (166) и (131), можно заключить, что-
если то сечения поля фокусирующего и плоского нефоку-
сирующего преобразователей имеют одинаковые радиусы, т. е.
опять подтверждается вывод о том, что в дальней зоре фокуси-
ровка не эффективна.
189»
4 В работе [25] рассмотрено акустическое поле фокусирующего
'преобразователя, излучающего П-образные импульсы с высокоча-
стотным заполнением. Показано, что даже при излучений импуль-
са, содержащего 10 периодов несущей частоты,, минимум, поля
пз фокальной области сглаживается,- На основную часть .Поля в
кружке Эри (выше уровня 0,2 максимума) импульсный характер
излучения не влияет даже когда импульс содержит 1\5 периода
несущей частоты.
Из-за кривизны поверхности все фокусирующие преобразова-
тели (кроме зональных цластин) можно использовать в дефекто-
скопии только при контакте через акустическую задержку. Пре-
ломление лучей на границе задержка —изделие изменяет поло-
жение и форму фокального пятна. Например, если, ось преобразо-
вателя перпендикулярна границе изделия, а толщина акустической
задержки 1г, расстояние фокуса от поверхности изделия' F' рассчи-
тывается по формуле '
F' — (F~
св • ...
где сА и сЕ— скорости звука в задержке и изделии. ’
При наклонном направлении оси преобразователя по отноше-
нию к поверхности изделия фокальные расстояния F в плоскости
падения й в дополнительной плоскости не совпадают, поэтому фо-'
жальное пятно в значительной, степени размывается [135]. Тем не
менее, приближенные расчеты можно и в этом-случае выполнять
методом мнимого излучателя.
Для выявления различно ориентированных дефектов применя-
ют расфокусирующие (так называемые широконаправленные или
твеерные) преобразователи с диаграммой направленности в виде
расходящегося пучка лучей. Широкую диаграмму направленности
получают, в частности, используя искривленную пьезопластину,
излучающую выпуклой стороной. В работе [24] приведен расчет
•акустического поля такого преобразователя. Оно имеет вид лепест-
ка, угол раствора которого соответствует дуге выпуклой поверх-
’Рис. 79. Расфокусировка ультразвукового поля при контроле изделия с выпуклой поверх-
. ностью иммерсионным способом:
а — для ближней зоны; б — для дальней зоны
490
ности преобрйзователя/Ha рис.' 78 показана дйаграмма направлен-
ности''.излучения-приема преобразователя с призмой из ограниче-
ского стекла с углом сх^ 50°. Излучателем является выпукло-вогну-
тая пластина на частоту 2 МГц с радиусом кривизны 40 мм и уг-
ловым размером 28°40/. Можно видеть, - что амплитуда' сигнала*
сохраняется- достоянной с точностью 5 %. -Интенсивных боковых
лепестков не имеется. '
..Эффекты фокусировки и расфокусировки могут возникать при:
вводе ультразвука в изделие с искривленной поверхностью. Если
расстояние. Za от преобразователя до контролируемого изделия;
меньше ближней зоны z6a, падающую волну можно считать плоской
(рис. 79, я), а если Za>z6a (Z6A берется в материале задержки),,
то падающую волну можно считать сферической (рйс. 79,6). Фо-
кусное расстояние F для. такой поверхности определяется так же,,
как и для плосковогнутой линзы, т.. е., как точка пересечения пре-
ломленных, лучей-при падении плоской волны:
.F = —-— (167>
: ' cbIca— 1
где Са -и Св — скорости звука в изделии и ’задержке. Обычно-
-Св^-Са* , -
Приближенные формулы для поля внутри изделия выводятся
на основе лучевых представлений (164):
для плоской волны и сферической поверхности изделия
171=п—
, zb +'
для плоской волны и цилиндрической поверхности изделия
(168>
t'i-(169>
для сферической волны и сферической поверхности изделия
'I. ;- IV | =-------------------; (170).
, г са 2л'м VI
AfiZB --za±F 1 +---
’ I Св \ ZbCb J J
; для .сферической волны и цилиндрической поверхности изделия
....] 7 1 Г----—:--------?------:--- (171>
Г \. 2ВСВ 7 | св \ CBZB / J
В случае вогнутой поверхности изделия перед F в знаменателях
формул ставится знак минус. Если расстояние z<^zB1.,ho zb на-
столько велико, что
. . - ' Zb + — za > аг/К
Рв
(А,-—длина волны'в изделии) ,'то следует .принимать', формулы для
сферической, а не для плоской волны.
1911
8. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПОЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
С НЕОДНОРОДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ ,
НА ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
Экспериментальные исследования УЗ полей поверхностно воз-
буждаемых толстых преобразователей (ПВТП) проводились в
ванне с водой. В одном конце ванны закреплялся исследуемый
ПВТП, который возбуждался от схемы, приведенной в гл. X, элект-
рическими импульсами в форме одной волны синусоидальных ко-
лебаний частотой 15 МГц и амплитудой 40 В.
В другом конце ванны напротив исследуемого ПВТП в меха-
ническом устройстве, обеспечивающем микроперемещения в трех
.направлениях, располагался отражатель (шарик диаметром 2 мм)
или приемник УЗ волн (ТП с размером приемной площади
1X1 мм2). Выходной электрический сигнал с пьезоприемника (в
режиме излучения) или с ПВТП (в режиме излучение —прием)
'Снимался с помощью той же схемы. Эксперименты проводились
как для первого импульса (излученного от рабочей поверхности
ПВТП сразу в воду), так и для второго (излученного в глубь
ПВТП, отразившегося от его нерабочей поверхности, вернувше-
гося вновь к рабочей грани ПВТП и только после этого ушедшего
в воду).
В работе [29] приведены результаты расчета и измерения УЗ
полей различных ПВТП в режимах излучения и излучения-—прие-
ма для первого и второго импульсов. Fla рис. 80 изображено поле
давлений для ПВТП с -одним щелевым зазором при использова-
нии отражателя (т. е. в режиме излучение — прием) для первого
.импульса.
Полученная картина УЗ поля свидетельствует о том, что
ПВТП с одним щелевым зазором создает узкий, по сравнению с
размерами преобразователя, УЗ -пучок, сконцентрированный вдоль
одной плоскости.
Отметим, что ПВТП с од-
ним щелевым зазором (как и
другие' типы ПВТП) . может
быть выполнен не только на
пьезоэлементе с плоской излу-
чающей поверхностью, но и с
цилиндрической или сферичес-
кой. В последних двух случа-
чаях преобразователи будут не
только апериодическими и ши-
рокополосными (как и все
ПВТП), но и фокусирующи-
ми.
На рис. 81 изображено по-
ле давлений, создаваемое
ПВТП с одним кольцевым за-
зором в режиме излучение —
4 з 2 1 и I 2 3 S
Фис. 80. Распределение давления в режиме
«излучение—прием для первого импульса
вдоль оси х при у~0 и различных zt мм:
/ — 2,5; 2 — 5; 3— 10; 4 — 20; 5 — 40
192
А,отн.а!-..
О 1 2 - *>
Рис. 81. Распределение давления в' ре-
жиме излучение—прием для первого Им-
пульса вдоль оси х при двух открытых
електродах для различных- z, мм:
7 — 20; 2—40; 3 — 50; 4 — 75; 5 — 100;
6 — 120
прием'для первого импульса. ПВТП с кольцевым зазором формиу
рует узкий сл'аборасходящийся аксиально симметричный УЗ пу-'
чок ' с 'диаметром, более чем' на порядок меньшим, диаметра.
ПВТП. Возможность формирования таких пучков ' связана с су-
ществованием принципиально неоднородного распределения дав-
лений на излучающей поверхности пьезоэлемента (малого в цент-
ре й большого по краям) [25].
В работе [29] представлены поля давлений, снятые для первого
иМпульса в режиме излучение — прием для того же ПВТП, но с-
акустическим экраном, надетым на внешний или ..внутренний элект-’
роды. Полученные УЗ пучки являются более широкими,, чем пучок,
показанный на рис. 81.
В той же работе приведены распределения УЗ полёй, снятые
для первого импульса в режиме излучение — приём для ПВТП с
различной шириной внутреннего электрода и различным зазором..
Чем больше диаметр . внутреннего электрода, тем £же УЗ пучок.'
С уменьшением зазора также сужается УЗ пучок, так как при
этом увеличивается компенсация противофазных волн акустиче-
ского давления, возникающих под разными электродами.
Анализ поля давлёний .второго .импульса, изображённого на.
рис. 82 для ПВТП с кольцевым зазором, показывает, что этот УЗ ’
пучок значительно уже, чем УЗ пучок для первого импульса, излу-
чаемый тем же самым' ПВТП (ср. рис. 81 и 82). Это обусловлено’
тем, что второй импульс до выхода в воду проходит по телу пьезо-
% 7 Зак. 925 193,
преобразователя путь 2г/, и за это время успевает еформирбййтЬсЯ
достаточно узкий слаборасходящийся УЗ пучок. В первом импульсе,
подобный пучок ,формируется начиная с расстояния примерно
50 мм от преобразователя (см. кривую 3 на рис. 81).
Таким :образом, ПВТП с кольцевым,- зазором при использова-
нии второго импульса формируют аксиально-асимметричный узкий
слаборасходящийся УЗ пучок начиная практически с z==0, причем
его амплитуда монотонно убывает с ростом z и весьма1 значитель-
на при малых z по сравнению с амплитудой первого импульса
(ср. рис. 81 и 82). Следовательно, использование таких ПВТП для
неразрушающего контроля позволит не только повысить фронталь-
ную разрешающую способность приборов, но и уменьшить мерт-
вую зону пьезопреобразователя, которая в данном случае опреде-
ляется только длительностью излучаемых-УЗ импульсов... ‘
Подчеркнем, что непосредственное использование цилиндриче-
ского ПВТП с кольцевым зазором для получения второго импуль-
са не очень удобно, так как вслед за вторым импульсом из-за
отражения от обеих граней ПВТП будут возникать третий, четвер-
тый, и, т. д. импульсы. Для того чтобы ПВТП излучал в исследуе-
мую среду только один импульс, прошедший определенный путь по
объему преобразователя й успевший за счет этого сжаться в узкий
слаборасхддящийся УЗ пучок, можно использовать, например, кон-’
струкцию № 5, изображенную в табл. 6 в 5-й строке в &-м столбце
(штриховыми линиями схематически показан УЗ пучок, идущий
внутри. ПВТП, а сплошными—-,выходящий во внешнюю среду).
Для сравнения’там же" изображена .конструкция'ПВТП, излуча-
ющего также только один импульс, но- выходящий с рабочей' по-
верхности ПВТП непосредственно в окружающую'брёду.
Обе указанные конструкции позволяют реализовать раздельно-,
совмещенный режим работы. Это связано с Тем, что у ПВТП сред-
няя часть рабочей поверхности при излучении практически не рабо-'
тает, так как давление там очень мало. -Но зато прй приеме будет
работать в основном только эта часть, так как сформированный
узкий слаборасходящийся УЗ пучок, отраженный, например, от'
плоскости, параллельной рабочей поверхности. ПВТП (а такой слу-
чай 'весьма часто встречается в практике дефектоскопии или трлщи-
нрметрии), попадает в центральную часть 'рабочей поверхности
преобразователя.'' ' ' •• •”" 1 , . '
В итоге мертвая зона УЗ дефектоскопа 'Или толщиномера, в ко-'
тором использован такой , пьезопреобразователь, определяется
только длительностью акустического'импульса, которая в ПВТП,
являющемся принципиально широкополосным и апериодическим'
преобразователем, может быть весьма малой. '
На рис. 83' изображено поле давлений. ПВТП с двумя щеле-
выми зазорами для первого импульса в'режиме излучение — прием.
Из анализа рис. 83 следует, что ПВТП с двумя щелевыми
зазорами формируёт в направлении у достаточно равномерный.
широкий, а в направлении х —узкий слаборасходящийся УЗ Пучок
(размером, почти на порядок меньщим размера ПВТП). Испбль-
Ж , '
Рис. SS. Распределение давления в режиме излучение—прием для первого импульса:
а —вдоль оси X при 1/“0 и различных z (/ —z-ЗО мм; 2 —z=S0 мм; ;3-r«-100 мм);
б —вдоль оси у при х—О .и. z-БО мм
зование такого ПВТП в УЗ приборах значительно повышает фрон-
тальную разрешающую способность, дает возможность вести конт-
роль цилиндрических изделий с малым радиусом кривизны и об-
легчает задачу создания узконаправленных УЗ потоков.
Исследование полей НПВТП-1 и НПВТП-2 проведено в работе
[29]. Полученные распределения УЗ полей йё имеют принципиаль-
ных отличий от полей ПВТП..
При определении акустических полей ПВРП использовался
пьезопреобразователь диаметром 20 и толщиной 1,4 мм, т. е, рас-
считанный'1 на. ,‘частоту , 1,5 иМГц. Исследования проводились при
одноролновом щ непрерывном режимах возбуждения с помощью
схем, приведенных в Гл. X. ’ • •• -
Акустическое поле ПВРП представлено на рис. 84. Такие пре-
образователи, как отмечалось в работе' [29], формируют узкие, сла-
борасходящиеся УЗ пучки за счёт того, что на излучающей по-
верхности пьезоэлемента создается ' не просто неоднородное по
амплитуде,’ но и противофазное'распределение давления. Диаметр
УЗ пучка, формируемого таким преобразователем при работе, на-
пример, в1 импульсном режиме изменяется от 4 до 6 мм по уровню
0,1 Ашах на расстояниях соответственно .40 и' 130 мм (рис.' 84, <5)д,
причем боковые лепестки распределения УЗ поля практически
отсутствуют^' Следует подчеркнуть, что амплитуда излученных и
принятых ПВРП сигналов весьма мала (не более 1 отн. ед. в’ им-
пульсном режиме)’, однако она может быть существенно увели-
чена за счет уменьшения зазора между электродами (до 0,05 мм).
В данном случае’зазор между электродами ' составлял 0,25 мм.
При работе ПВРП в импульсном режиме длительность электриче-
ского сигнала, снимаёмого1 с него, составляла 3 мкс (примерно
четыре периода' колебаний ' на' Частоте 1,5 МГщ) .' Это прибЧизи-
% 7* Арб
7 — 130; 2 — 80; S —60; 4— 80 (о — непрерывное возбуждение преобразователя; б—воз-
буждение импульсом в виде одной-, водны);
тельно вдвое меньше,, чем' у обычных РП при таком же возбуж-
дении. Данное обстоятельство объясняется тему что в ПВРП резо-
нансные явления проявляются значительно слабее.
. На -рис. 85 представлены акустические поля ПВРП со слож-
.ным соединением электродов. Боковые лепестки поля практически
отсутствующ а-амплитуда сигналов весьма-велика. Это обуслов-
лено тем, что ПВРП фактически является комбинацией двух’ пре-
образователей — дискового, и кольцевого, «вставленных» друг в
друга и работающих противофазно. Длительность выходного им-
пульса- такого । преобразователя, как и у обычного ПВРП, весьма
мала (около 3 мкс).
На рис. 86 изображена конструкция- еще одного ПВРП со
сложным соединением электродов. Такой ПВРП формирует узкие,
слаборасходящиеся УЗ пучки. (диаметром • от 2 до 8'мм по уровню
0,1 Дтаях на расстояниях соответственно 40 и 130-мм), имеет доста-
точно высокую амплитуду сигнала (до 3 отп. ед. в импульсном
196
' /,отн.ед, ' . щ--;. A^Jimed. <bsK.%t.
₽ис. 85. Распределение акустического поля аксиально-сймметричного „ противофазного
ПВРП в режиме излучение—прием вдоль оси х при различных z, мм:
J — 280; 2 — 230; 8—180; 4 — 130; Б — 80; 6 — 60; 7 — 80 мм (а -^непрерывное возбуждение
преобразователя; б — возбуждение импульсом в виде одной. волны)
режиме), малый уровень боковых лепестков и обеспечивает дли-,
тельность.. выходного импульса . прцб.лизительцо. 3 мкс^
Необходимо отметить;' что конструкция ПВРП, ' представленная
на рис. 86, является оптимальной (с точки- Прения перечисленных
выше характеристик)'' только-, для преобразователей, изготовлен-'
пых из пьезоэЬементов' диаметром 20 и толщиной 1,4 Мм. 'Для
пьезоэлементов другого, диаметра ‘ или другой, толщины "оптималь-
ной (по этим же характеристикам) может оказаться другая кон-
струкция подобного типа...Так, например, для цьезоэлементов дна-,
метром .25 и толщиной, 0,7 мм ,(т. е. рассчитанных.-на.основную
резонансную' частоту 3,14 МГц) был. пр сведён, всесторонний цикл
исследований, аналогичный описанному выше. В результате было’,
получейо, что оптимальным для,.таких пьезбэлементов- является
ПВРП, конструкция которого изображена на. рис. 87. ,
Такой преобразователь'формирует в импульсном режиме узкий
слаборасходящийся УЗ пучок (диаметром от 2 до 5. мм по уровню
<0,1 Лтах на расстояниях соответственно от 20 до, 280 мм) с. боль-’
шой амплйтудой излучаемых й принимаемых'сигналов (до 4 отН. '
•ед. в. импульсном режиме) ,-и обеспечивает .малую длительность
выходных электрических сигналов (до 2,5 мкс, что соответствует
примерно семи периодам колебаний на.частоте 3,14 МГц).
./.Сравним полученные экспериментальные данные (рис, 87, с)
7 Зак. 926 , 197
Рис. 86. Распределение акустического поля аксиально-симметричного ПВРП с одним коль-
цевым электродом в режиме излучение—прием вдоль оси х при различных z, мм;
1 — 280; 2—>230; S—180: 4—130; б—80; 6 — 60; 7 — 30 (с*— непрерывное возбуждение пре-
образователя; б — возбуждение импульсом в виде одной волны)
с расчетными для бесконечно узкого кольца. Пусть радиус кольца-
а=10,75 мм (радиус зазора в ПВРП). Тогда на основании теорий-
первый нуль амплитуды давления наблюдается при dk sin 6 = 2,5,.
откуда sin0=O,O176. В соответствии с рис. 87, a sin6«tg6=
=x/z=0,0172 (мы взяли среднее значение после вычисления x/z~
для различных z).
Если провести такое же сравнение по уровню 0.5 то по-
ручим sin60,01 (по расчету) и лг/й»0,005 (из эксперимента).
/Таким образом, расчетные и экспериментальные результаты
достаточно близки.
Приведенные выше результаты для различных типов ПВРП*
показывают, что они формируют узкие слаборасходящиеся УЗ пуч-
ки. Для сравнения на рис. 88 приведены акустические поля пре-
образователя с кольцевыми электродами. Из сравнения кривых:
198
к ’ .
Рис. 87. Распределение акустического поля аксиально-симметричного ПВРП\:с одним
сплошным электродом в режиме излучение—прием вдоль оси х1 При различны^ z, мм:
/—280; 2— 230; 8—Цр, 4^-130; 5—80; £ — 60; 7 — 80; а — непрерывное возбуждение пре-’
образователя;.' б —• возбуждение импульсом в виде одной волны
на рис. 84—-88 следует, что ПВРП формируют практически такие
же узкие УЗ пучки, Дак и РП с кольцевыми- электродами, но
обеспечивают при этом значительно меньший уровень боковых ле-
пестков, большую амплитуду сигналов и более короткие импульсы.
Проведенный анализ различных типов поверхностно возбуждае-
мых преобразователей позволяет сделать вывод, что наиболее при-
емлемыми с точки зрения формиррвация '.узких, слаборасходящих-
ся аксиально-симметричных УЗ пучков являются ПВРП, изобра-
женные на рис. 86, 87. Достоинствами этих конструкций являются
малая длительность излуч'аемых.': й принимаемых сигналов, узкий
основной лепесток, в распределении. УЗ поля и малая амплитуда
боковых лепестков. Что касается недостатков этих преобразова-
телей, то самым серьезным из них является малая амплитуда
излучаемых и принимаемых импульсов (в несколько раз меньшая,
чем у РП). Это связано с тем, что при одинаковом диаметре пьезо-
пластины эффективная рабочая площадь у ПВРП много меньше,
чем у РП.
В работе [29] были исследованы акустические поля аксиально-
симметричных НПВРП-1 и НПВРП-2, На рис. 89 изображено
7* 199
Рис. 88. Распределение акустического поля;., аксиально-симметричного РП с дЛумя кольце-
выми ’электродами в режиме излучение—прием вдоль оси я при различных Z, мм:
у__280е -2 — 28^; 3 — 180; 4 — 130; 5 —* 80; ; £ -4г 30 (а — непрерывное возбуждение преобра-
’ зрвателя; б — возбуждение импульсов в. виде одной волны);
i2Q.O
акустическое поле НПВРП-2 ;
со сложным 1-.-г<соединением,.-!.
электродов. Из всех рассмот-
ренных' ’ типов НПВРП' этот'
преобразователь выделяется
тем,. что он обеспечивает ко-
роткие выходные импульсы,
большую амплитуду сигналов
и формирует узкий слаборас-
ходящийся УЗ пучок; (диаметр
пучка по. уровйк) из-'-'-
меняется от 7до 16 мм на рас-..
Стояниях от преобразователя
соответственно 40 и'250 мм). ’
Необходимо ' подчеркнуть', ' что
такой пучок 'п'олучен д,ля . пре-
образователя диаметром' 30' и. 1
толщиной 3 мм, т. :е. рассчи- ,
тайного на рабочую частоту
0,7 МГц. Отметим, что ампли-
туда излучаемых , и' принима-д’ „™. .....
емых СЙГНаЛОВ МОЖеТ быть су- '260; 2-;S00;‘ . 3-ЛБ0:, .<—100;, .5 — 70;
щественно ..увеличен^' пр'и в '
уменьшении; 'зазора между .
' электродами вплоть До 0,05 мм (у рассматриваемых преобразова-
телей зазор составлял 0,4 мм). -.'.... 1
о 'S 40 is^riat
Рйс? 89. Распределение акустического* поля
аксиально-симметричного НПДРЦ-2 со слож;-
ным; соединенней! электродов в режиме нз-
лученне^т-прпем вдоль*. :оси! х при различ-
Глава VIII -
КОНСТРУКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
1. ПРЯМЫЕ СОВМЕЩЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Выбранный метод УЗнер нарушающего контроля, конфигурация
объекта контроля, условия .-контроля и д. д. оказывают сущест-
венное влияние на конструкции пьезопреобразователей. Поэтому
они отличаются большим многообразней. .Проанализируем идеи,
которыми руководствуются при проектировании преобразователей,
сформулируем требования к элементам, и материалам, а. также
дпищем. конструкции наиболее, распространённых серийных преоб-
разователей.
Как отмечалось в п. i гл. I, прямьши преобразователями назы-
вают такие преобразователи,, которые' обеспечивают излучение в
объект контроля и прием упругих роли под., прямым углом к по-
верхности изделия, находящейся в.контакте с преобразователем.
.... Осцоввдм .элементом .преобразователя является. пьезоэлемент,
который ' осуществляет преобразование, электрической, энергии.' в
упругую, и наоборот. Геометрические размеры пьезоэлемента в
серийных преобразователях определяются частотой УЗ колебаний,
необходимой для решения той или другой дефектоскопической
задачи, т. е. размерами возможных отражателей, а также геомет-
рией изделий, подлежащих контролю. Серийно прямые контакт-
ные преобразователи выпускают на частоты 25 кГц —25 МГц.
Преобразователи на частоты 25—200 кГц используют в основном
в комплекте УЗ приборов для контроля качества материалов по
времени прихода возмущения или по времени спада возбужденных
в изделии колебаний. Преобразователи, рассчитанные на частоты
0,2—5 МГц, как правило, служат для выявления различного рода
неоднородностей в объектах контроля. В последние годы эти пре-
образователи стали применять также для контроля качества изде-
лий по. частотной зависимости скорости распространения УЗ волн
и коэффициента затухания ультразвука в материалах, сильно по-
глощающих упругие колебания. Однако для неразрушающего
контроля по этому параметру чаще используют более высокоча-
стотный УЗ диапазон 5-—25 МГц.
Как отмечалось в гл. II, при возбуждении пьезоэлемента элект-
рическим сигналом в виде нескоЖкйх'' периодов синусоидальных
колеба&жй-2^стбтой~~^~ дЛя эффективного излучения необходимо,
чтобы собстеёЁЁнаяГча^таХ2одщЕЁвд^колёбэний~пьез.оэлемента
совпадал а- сгчастбтоиГ электрическижжолёбанийГ“ДЛя прямых кон-
202
тактных преобразователей, предназначенных для эхоимпульсной
щёфёктеекб^йИ-^толгцину-пьезоэлементов выбипают^исхо дя ;из ус-
-Лоййя^~ёзШанса;'73—Толщина, удовлетворяющая этому требова-
ЩИЮП770—0;36~мм), обёетечива^й^ажа^^5~1йш№т^ду излу-
ченЙ'оТО'упругОгб сигнала при прочих равных условиях.” . .
С"'понижением-частеты"выпблнёние условий, при которых мох-
ито пренебречь колебаниями в поперечном направлении, затрудня-
•ется. В серийных преобразователях, работающих на . частоте
6 МГц, в которых используют круглые пьезопластины,- отношение
.диаметра к толщине составляет примерно 20, а в преобразовате-
лях, рассчитанных на частоту 0,2 МГц, это отношение уменьша-
ется до 4—5, поэтому для сохранения указанного- отношения рйв-
.ным 20 нужны пьезоэлементьГдйаметром-150 мм. Очевидно, что
поййж-ение-—ча-стотыщЗлучаЩШх колебании ухудшает не только
-акустические условия формирования сигналов, но и. уменьшает
.возбуждающую электрическую индукцию. Поэтому пьезоэлементы
.для низкочастотных пьезопреобразователей часто выполняют- в
.виде пакетов, склеенных из некоторого Цисла цьезопластин (см.
< лл. III), электрически соединенных между собой параллельно. При
-этом суммарная толщина пакета должна обеспечивать основную
.моду колебаний на частоте f. .
Иногда пакет представляет собой, набор пластин, часть из ко-
торых характеризуется цьезоэффектом; а часть-—нет. Число.пла-
<стин в пакете выбирают с учетом- конкретных условий на электри-
' "ческой и акустической сторонах. Например, в режиме излучения
увеличение числа пластин (при заданной f это эквивалентноуменв-
.шению их толщины) ведет к увеличению напряженности электри-
ческого поля в каждой из них и уменьшению влияния на толщин-
знЫе колебания колебаний в поперечном направлении. Однако при
.этом увеличивается общая емкость преобразователя, растёт на-
тр узка на электрический генератор и, как .результат, падает воз-
' «буждающее напряжение. Следовательно, число пластин, в пакете
.целесообразно выбирать из компромиссных условий для конкрет-
ного типа электрического генератора. Аналогичные соображения
гможно привести для пакетов пьезопластин, образующих пьезоэле-
мент в режиме приема.
Конструкция многослойных пьезоэлементов, разумеется, слож-
на, так как к каждой пьезопластине необходимо подвести элект-
рическое напряжение, для чего между ними помещают фольгу, к
:которой затем припаивают подводящие провода. Недостатком та-
кого конструкторского решения является заметное увеличение тол-
щины клеевых слоев. Этот недостаток можно устранить за счет
пропилов на боковых поверхностях пьезопластин, в которых раз-
мещаются соединительные провода. - .
Перейдем к вопросу йыбора размеров и формы пьезоэлемёнтов
в поперечном направлении. В серийных пьезопреобразователях,
^входящих в комплекты большинства дефектоскопов и структуро-
зиеров, пьезоэлемент имеет, круглую форму, хотя, как следует из.
з?л. VII, лучшие диаграммы направленности при тех. же линейных
.203
размерах оймеют: Прямоугольные' упьёзоэлемёнты? .Преимуществом
-круглых; пьезоэл’ементов является отсутствие выделенных ‘в- пло-
-скбёкиг.-пьезоэлеМен'га направлений ';(х-'-йли<г/)': й;5'кай- следствие,
-отсутствие ограничений в направлениях"'Движений', '’со'Вёршаёмых
оператором .при -кбйтрбЛе йздёлий. пряМьйй'- преобр’азбв'ателеМ;'Од'-
-нако прИ’ - осуществЛёний-кбнтрЪлй вбЛиЬй'границ изделий прямо-
-угольные Ньезоэлейей'РыГобёспёрийают’- йёжьшиё'-неконтролируемые
Жромки. f фшлл •• шЩ.ьу/и -
t Размеры в. поперечных напр'авйёййях.'';ккк'.ужё1отмёчалосв,:' йы-
-биракиитакими, чтобьг ййтёрвйлы времени-пробега- УЗ -продольных
•волн по долёцине- н;дЯййе.'пЬёзоЗлемейта 8начитёльйо:'различалисЬ\.
-Поперечные размеры йьезоэлемента- должны--быть' много ' больше
сего .толщины." При контроле малогабаритных изделий'эти условия
(В пйезопреобразбвателйхгнарушаются'. Стремление -повысить произ-
'.вод-ительность контроля приводит'к-увёличению поперечных разме-
фов.ПБёзоэлементбв/ что -часто;входит', в- противоречие с электричё-
. .-.скимИ'..нагрузочными ‘характеристиками генератора; -'- "- •
'Поперечные: размеры Преобразователей приходится - выбирать-
•дрётато.чно’.!бо'лыпймй- и шр:й создании преобразователей, предназ-
наченных «Для 'обнаружёнйя<гдаЛёко;'!р-ас'ноложенных-'бтражателей..
В.этом случае либо используют генераторы с улучшенными-кагру-
-зочнымии характеристиками, либо пьезОЭЛёМент изготовляют в вй-
-де мозаики/ в которой отдельные части электрически соединяют
-последовательно.для- того/ чтобы- суммарная емкость'-обеспечивала
• .'Нормальную -работу генератора (здесь приходится искать компро-
-мисс .между уменьшением' напряженности электрического поля в;
-каждом элементе-за счёт последовательного' соединения, отдельных
частей и уменьшением суммарной емкости для-улучшения работы) '
^электрического' генератора).-К сожалению, характеристики аку-
-стического поля мозаичных пьезоэлёМентов в сильной мере неодно-
-родны: в’.'Поперечном .сечении из-за влияния мест соединения от-
'дельных элементов. ' -
Важную роль в обеспечеййй'нормальной работы пьезоэлемента,
.’.играют"Металлические' электроды, покрывающие ;е'Го поверхности.
В качестве материала электродов на пЬезокерамических пластинах
в основном используют серебро и никель, дающие хорошую адге
-Зйю с -пьёзокерампкой и/ как следствие, проч-н'бсть'йайки, стабиль-
ность работы й ДВД. Соотношёнйе-МеЖду размерами площадеи.-по-
- -верхПости пьезопластины, покрытых электродами -и свободных Ог
•них/ оказывает существенное 'влияние-прй1 прочих- равных условиях
-на добротность пьезоэ'лемента и характерИстйки.-акустического по-
'ля. Регулируя;-размер элёктроДов. пьезоэ'лемента/ мОЖнр-в доволь-
но .широких пределах изменять характеристики -акустического поля
в изделии, т, е.. влиять на выявление дефектов: J-
' • Часто.’электроды на поверхностях пьезоэлеМентов делают не-
.сплошными, а' Секционированными,- чём.достигается разделение-
Сйлохпнбго пь'езоэлёмёнта на йз-лучаю'щйё- ('принимающие); участки^
.''Элёктрйческйё соединения электродов выполняют различными епб-
;сббамй1'Напрйиёр',-.если они соединены последовательно, то умень-
’!204 . . . '
шается: суммарная- емкость' ’пьезоэлемента'' и- появляется’йозмож--
ность увеличения излучающей (принимающей) площади пьезоэле-
мента- без перегрузки генератора; Преимуществом такого 'пьезоэле-
мента по сравнению: с -мозаичным' является..упрощение койструк- «
ции,5-хотя возникает сильная:-акустическая связь-между отдельными:
элементами и. -ухудшается форма излучаемых упругих т'с'йгналовС
Иногда для-уменьшения-, электрических'наводок в режиме приёма-
•(в- .приемниках сигналов-'-акустической эмиссии),: а:, также для '
управления характеристиками' акустического 'Поля и •тгрбцессамй.'
-преобразования используют, дифференциальное включение, крц- ко-
тором- электрическая’индукция в-отдельных областях ’Направлена,
встречно. В этом случае,- например- в режиме-приема, э'лёктрице-
скиё - сигналы, снимаемые с . отдельных > участков пьезоэлементов’,.
имеют разные.знаки."(ем..п. 7 гл. VH). ' -
' Для-подавления.инерционных^свойств -пьезоэлементов’ наиболее-
универсальным ’средством' является механическое" демпфйровайй'ё..
Механический демпфер располагается с тыльной стороны иьезоэле- -
-мента и. находится’ с- ним в акустическом’контакте.- Обычно пьезо-
пластину приклеивают к демпферу, что повышает ее’механическую*
прочность. - . - ’ •.. : .'
: -.Материал демпфер а: должен ' иметь хар актерйстический ’ импе-
- -дане, близкий- к.волновому сопротивлению пьезоэлемента, и боль-
шой, коэффициент затухания ультразвука. Выполнений' второго тре-
бования обеспечивает отсутствие сигналов’,-отраженных*от поверх-
' -ности демпфера,' противоположной пьез'оэлёменту,- й;. мешающих
-выявлению далеко, расположенных’-’Дефектов. Иногда-'-указанные-
требования оказываются противоречивыми. Например, использова-
ние <в' качестве демпферов'металлов п их сплавов с характеристи-
. ческим импедансом,, близким к волновому сопротивлению, пьезо-"
- -элемента,, ограничено -малым: затуханием-,• -которое- не могут.компен-
сировать специальные -рассеиватели,: устанавливаемые , на противо-
положной ' пьезбэлёменту поверхности'. 'Кроме'того,- 'наличие необхо-
димого клеевого соединения . между пьезоэлементом и демпфером,
значительно, снижает входное: сопротивление демпфера, ачейльное
:различие температурных- коэффициентов .- -линейного .- расширения
материалов демйфера и’ пьезоэлементов ограничивает температур- ’
•'нЫй диапазон работоспособности преобразователя.- Тем: не-менее,,
известны случаи* успешного Использования, в качестве.материала
для демпфера?латуней,' бронз, обладающих волновыми едпротйв-
ления-мй, близкими :к пьезокерамическим;''-,й сравнительно ’большим
. -коэффициентом- затухания ультразвука; Неплохие результаты по-
дучены при использований 'в, качестве' демпфирующей массы ком-
щ'аунДа из галлия, олова и никеля с вольфрамовым наполнителем
с характеристическим-импедансом 25-Ю6 II-с/м3, однако' трудно-
сти его изготовления.'Ограничивают применение- в* серийном-произг
рводсТве. •' . ' " ’ •' ?.
' Другим’демпфером на- металлической основе является компа-
унд, состоящий и 3 Порошка вольфрама и олова ' или какого-либо-
другого пластичного-мета’лйа -(алюминия, .меди, свинца)’. Для уве-- ,
' , . .- . - : 20Г>
личения коэффициента затухания в компаунд вводят порошок же-
леза (около 7 %). • .
Наибольшее применение в качестве материала демпферов на-
шли композитные материалы, состоящие из рассеивателей и связу-
ющего компонента. В качестве первых используются порошки тя-
желых металлов и их окислов, а в качестве вторых —смолы (чаще-
всего эпоксидные) или компаунды. В литературе описаны-характе-
ристики демпфера на основе эпоксидной смолы с наполнителями
в виде порошков маршалита. (измельченный кварц), карбида ти-
тана ц вольфрама, а также компаунда из двух частей воска и од-
ной части канифоли со свинцом й вольфрамом. Характеристические
импедансы таких материалов составляют (4—12) 10? Н-с/м3, а ко-
эффициент поглощения звука на частоте 1 МГц—около .80 м-1.
Подробные исследования акустических свойств демпферов сходно-
го состава на основе тех же. порошков и связующего материала в
виде смол ЭД-5, ЭД-6 и карбинольного сиропа описаны в рабо-
те [55]. - •
Характеристики различных материалов для демпферов приве-
дены в табл. 6.;
Было предложено использовать горячее прессование порошка
вольфрама и связующего фенопласта [55]. Получающиеся таким
образом демпферы обладают очень высоким коэффициентом зату-
хания ультразвука и достаточно высоким значением характеристи-
ческого импеданса (15-10е Н-с/м3). Однако в отличие от рассмот-
ренных выше этот демпфер не может быть получен непосредст-
венным затвердеванием на пьезоэлементе, а должен быть при- ,
клеен, что, разумеется,, снижает его эффективный импеданс. Тем
не менее, демпфер, полученный горячим прессованием фенопласта
с вольфрамовым наполнителем, используют практически во всех
прямых контактных преобразователях. Достоинством этого демп-
фера является также его достаточно высокая электрическая прово- .
димость. Плотное прижатие при склеивании демпфера к пьезоэле-
менту, на поверхность которого нанесен металлический электрод,
•обеспечивает возникновение в некоторых точках поверхностей
электрического контакта между демпфером и пьезоэлементом. Это
решает задачу электрической связи с электродом пьезопластины.
Наряду с эпоксидными смолами и фенопластом в качестве свя-
зующего компонента широкое применение нашли силикон, поли?
уретан, каучук, сырая резина. При некоторых комбинациях связу-
ющего компонента и порошка-наполнителя удается достичь боль-
шого поглощения звука при достаточно. высоком значении харак-
теристического импеданса. Например, если в качестве связующего
компонента использовать самовулканизирующийся герметик
УЗО-МЭС5, то при том же содержании вольфрамового порошка,
что и в эпоксидной смоле, коэффициент затухания ультразвука на
частоте 2,0 МГц получится в 2,5 раза больше- Кроме того, приме-
нение самовулканизирующегося герметика позволяет- отказаться от
клеевого. слоя между демпфером и пьезоэлементом, что увеличи-
вает влияние-демпфер а на инерционность пьезоэлемента..
206
Таблица 6
Компаунд Наполнитель Плотность-1 0-’, кг/м3 Скорость, м/с Характеристический импе- данс-10-", Н-с/м3 Коэффициент затухания ко- лебаний, м-1 на частотах, МГц
Количество, % - Тип
1 ,2 1,75 2,5 4
ЭД-5 0 ... .. 1,16 2330 2,7 47 72 88 165..
30 РЬО 1,37 2050 2,8 48 76 106 180
50 РЬО 1,98 1740 3,4 73 130 170 220
70 РЬО '2,58 1630 4,2 270 340 435 .—.
20 W 1,38 2060 2,8 62 85 — —
50 W 2,19 1750 3,8 115 190 —. —.
80 W 3,82 1400 5,3 180 470 — —
ЭД-6 30 1,49 2120 3,1 23 39 —*.
50 1,95 2000 3,9 53 80’- 125 —
70 Цемент 1,82 2860 5,2 69 81 —- —, -
30 РЬО 1,50 2340 3,5 17 45 54 —
50 РЬО 1,90 2180 4,1 70 " 165 200 206
70 РЬО 2,60 1910 4,9 139 232 295 —•
Карбинольный 30 РЬО 1,32 2940 3,0 102 147 186 263
сироп 50 РЬО 1,65 2180 3,6 114 157 196 273
70 РЬО 2,42 1920 4,6 133 244 974 .—•
• 30 РЬ3о4 1,34 2380 3,1 57 86 104 160
50 РЬЯО4 1,78 2290 4,0 71 98 114 165
70 РЬ3О4 2,59 1740 4,5 82 141 219 238
30 W 1,49 2370 3,5 23 75 76 92
50 W 2,12 2145 4,5 . 29 100 133 177
70 W •3,04. 1840 5,5 71 135 157 214
•Фенопласт 30 W 1,89 2200 4,1 - 92 ;
50 • w- 2,50 2000 5,0 —. 115 а—. i—
70 W 3,70 1700 6,2 —. 427 -—. —»
- 90 W 7,60 1400 10,2 • .—- — — —
95 W 11,36 1350 15,2 —• — — —
эдп 30 1,48 2700 4,0 16 - —
50 1,76 2950 5,2 20 — — •—
70 SiO2 2,45 3100 7,6 . — — —
30 W 1,74 2300 4,0 70 .—- —— —
50 W 2,38 2050 4,8 106 — —-
70 W 3,57 1850 6,6 2 .—• —
80 W 7,2 1550 11,2 •—
207
' - Продолжение, табл 6
Л • • Компаунд , ' Наполнитель ' Плотность/1 О-3, кг/м3 Скорость, М/с Характеристический им- педанс-10-5, Н-с/м3 . Коэффициент затухания ко- лебаний, мт1 на- частотах, ' :.мгц '..'
Количество’, % -Тип'
1 ,2 1,7Б 2.S ' 4
Две части воска и' 'одна. - часть канифоли Олово -р.ИИ- “ кель тр галлий 39 SO: 70 ро -.. 30 50 - 70 7 90 • 5 30 ' 50 .70 / ... ,. РЬ". ; РЬФ : Pb . • W. -Г . W? - сЩР ; АУ- ЛУ W' . W w 1,37 1,83 :' 2; 63 Б; 9.3 .1,49 ;2-,0б зд ' 6,2 5,7 7, Б" 10,3 17,6 ’1900 ''TZ60 .1'600 . 1350 17,60 ' 15Б0 1350 : 1290 3300, 2750 2450 • 2200; 2,6 3,2 .4,2- ' 8,0 2,6;' 3,2 4,2 8,0 18,8 20,6 25,2 25,5 J 1 1 1. I 1 1 1 1 Г 1 1 J 111! 1.1- U.'l i !" I 1.1'1 м 1 i ! । г 1-1:1. 1 1 1 j 1 1 1 I' Р.
Вольфрам Д . 4- олово , ‘ ' . ЮГ '30 ' БО ' 80 ' \v ' w. .. w ' w . О,.5 ' 8,Б. 10 12- : 3200' '3200' 3200 3200 24,6, 27,0 32,0 38,4 h п т. 1 1 1 Г - 1 и .1 . 7 1 1 1 1
. Аналогичные результаты получают' при 'использовании демпфе-
ра, изготовленного из смеси частиц пластмассы и фтороуглербда,.
которая' при повышенной температуре непосредственно соединяется
с.поверхностью пьезоэлемента. • ’ •-
' Весьма перспективным с'точки зрения улучшения'совокупных'
свойств, демпферов является изготовление их с переменными по
Длине -акустическими свойствами: максимальным характеристике- ;
ским импедансом вблизи.пьезоэлемента (малый коэффициент отра-
жения) и минимальными скоростью j звука' и плотностью в проти-
воположном 'конце- демпфера /(коэффициент поглощения звука за
счет вязкости и упругости обратно пропорционален; кубу скорости
звука и первой степени плотности' [45]; От плавности, изменения
свойств, демпфера зайисит коэффициент Отражения по всей .длине
демпфера. Для обеспечения плавности изменения свойств массу
компаунд—наполнитель в процессе /ее отвердения подвергают'
вибрационной' обработке. В результате обработки более тяжелые
частицы наполйите'ля опускаются вниз к поверхности, которая в
дальнейшем приклеивается -,к пьезопластине. Характеристический
импеданс массы в'максимуме достигает (12—-18) 106 Н-с/м3.
Возможен принципиально-' другой подход к получению нужного
входного импеданса, при1 котором-между-.собственно демпфером-',
звукопоглотителеМ" помещают, четвертьволновой слой либо набор
208 '
слоев,, обеспечивающий согласование.входного акустического сопро-
тивления демпфера и характеристического импеданса- пьезоэлемен-
та,. Рднацоущж этом -может,-измениться длительность коротких
упругих, сигналов, .так как требуется определенное время на 'уста-
новление.: .интерференционной. картины внутри такого -демпфера.
Кроме; того, ..при .демпфировании....пьезоэлемента, излучающего цуг
волц, демпфер, необходимо изготовлять индивидуально для каждо-
го, •преобразователя из-за неизбежного.разброса частоты колебаний
пьсзоэлсментов.
.. Большую роль в формировании сигналов, излучаемых в. объект
контроле, и;-в.обеспечении, общей работоспособности пьезрпреобра-
зователей. играет протектор — промежуточный твёрдый слой, вво-
димый. между контролируемым изделием и пьезоэлементом для за-
щиты последнего от истирания и механических повреждений. Если '
толщина протектора превышает половину пространственной протя-
женности излученных импульсов, то возникают многократно отра-
женные, разделенные по времени, импульсы. Такой протектор'носит
название,акустической задержки и будет рассмотрен несколько
.ниже. .
Если же толщина протектора меньще половины пространствен-
ной протяженности импульсов, то многократно отраженные сиг-
налы отсутствуют, но: коэффициент отражения на границе пьезоэле-
мент-— протектор становится функцией толщины протектора. Эда
зависимость становится пренебрежимо малой, если’ время пробега
в протекторе много меньше длительности акустического импульса
или его фронта. Поэтому для протекторов в прямых совмещенных
преобразователях стремятся выбрать материалы, обладающие не
только большой износостойкостью, но. характеризующиеся и высо-
кой скоростью распространения звука. К ним относятся, бериллий
и различные твердые сплавы, Протекторы из этих материалов
используют на частотах 0,5—10 МГц в комплектах ко всем серий- '.
ным дефектоскопам. Большая скорость распространения звука при-
водит к тому, что характеристический импеданс протекторов ока-
зывается большим по сравнению с импедансом жидкостного слоя,
осуществляющего, акустический контакт с объектом контроля.
Вследствие этого механические напряжения/ создаваемые преобра-
зователями на поверхности объекта контроля, в значительной стё-
•пени зависят от толщины контактного слоя,, обработки поверхно-
сти. изделия и т. д. Поэтому Широкое применение находят также
полимерные пленки, в которых малая скорость распространения
звука компенсируется- возможностью использования малых толщин
и большим затуханием, устраняющим интерференционные явления.
На рис,|. 90 представлена конструкция серийного преобразова-
теля со сменным протектором в виде пленки. Полиуретановую плен-,
ку 3 прижимают к пьезоэлементу 2 с помощью специальной при-
жимной гайки 1, которая навинчивается на резьбовую часть кор-
пуса. Так как характеристические импедансы полиуретана'и пьезо- ,
элемента значительно различаются, то между, ними' помещают• со-
гласующие слои, улучшающие прохождение ультразвуком этой :
Рис. 90. Совмещенный преобразователь с протекто-
ром из пленки,
границы. Эти слои в серийных преоб-
разователях выполняют из эпоксидной
смолы с вольфрамовым наполните-
лем, наносимой непосредственно на
пьезоэлемент. Такая конструкция пря-
мых контактных преобразователей
позволяет с успехом применять их в
некоторых случаях даже без контакт-
ной жидкости между протектором и
объектом контроля. Наилучшие ре-
зультаты достигаются при использо-
вании-таких преобразователей на низких частотах порядка десят-
ков килогерц.
Перейдем к рассмотрению особенностей прямых преобразова-
телей, содержащих акустические линии задержки. Введение таких
линий задержки позволяет достичь следующих положительных ре-
зультатов: во-первых, момент прихода информативных сигналов,
отодвинут от времени действия возбуждающего электрического
импульса; во-вторых, появляется возможность улучшать ввод и
вывод упругих импульсов в изделие, не оказывая влияния на ра-
боту пьезоэлемента.
' В качестве линий задержки используют, как твердые, так и
жидкие среды,-В последнем случае преобразователи описываемого
типа называют иммерсионными-. При использовании твердых или
жидкостных линий задержки возникают определенные требования
к их геометрическим размерам: соотношения между поперечными
размерами линии задержки и ее длиной должны обеспечивать
отсутствие боковых отражений. Разумеется, эти соотношения, явля-
ются функциями геометрических размеров пьезоэлементов, пара-
метров упругих импульсов, а также ожидаемого времени прихода
эхосигналов от отражателей.
Выбор твердой или жидкостной линии задержки осуществляют
в зависимости от дефектоскопической задачи. Твердые линии за-
держки обеспечивают больший уровень полезных сигналов, боль-
шие удобства в проведении контроля, более широкую номенкла-
туру изделий, для которых возможен контроль с применением ли-
ний задержки, а также формирование наиболее коротких во вре-
мени упругих импульсов.
Иммерсионные преобразователи располагают на сравнительно'
большом расстоянии от объекта контроля. Они обеспечивают более
стабильный акустический контакт с изделием, что и определяет их
область применения: для оценки характера отражателей, в. авто-
матизированных установках контроля, для контроля- изделий
сложной формы и т. д. Крупными сериями собственно иммерсион-
ные преобразователи не выпускают, однако в качестве таковых
можно использовать вкладыши к-контактно-иммерсионным преоб-
разователям (см. ниже).
210
Характеристический импеданс _ материала пьезопластины в
15—20 раз больше, чем иммерсионной жидкости (воды), поэтому
происходит «сильное» отражение ультразвука на границе пьезо-
пластины — жидкость. Для улучшения акустического согласова--
ния пьезопластины с жидкостью применяют четвертьволновый со-
гласующий протектор (см. гл. II) из компаунда. Он также спо-
собствует гидроизоляции. Для иммерсионного преобразователя;
особенно важно обеспечить хорошее демпфирование.
Использование линии задержки позволяет расширить область-
применения прямых преобразователей. Для регулирования шири-
ны УЗ пучка, излучаемого (принимаемого) преобразователем,'на:
торец акустической линии, обращенной к изделию, наносят звуко-
поглощающие маски с отверстием. Размер отверстия может быть
как постоянным, так и регулируемым. В других конструкциях
торец линии задержки, обращенный к изделию, делают неплоским,,
например, сферическим, что обеспечивает фокусировку УЗ пучка
в некоторой'небольшой области пространства (подробнее эти во-
просы рассмотрены ниже).
Наличие акустической линии задержки позволяет значительно1
расширить температурный рабочий диапазон преобразователя,,
обычно ограниченный' сверху температурой Кюри. Если линия
задержки выполнена не из металла, обладающего высокой тепло-
проводностью, а из диэлектрика с малой теплопроводностью
(плавленый кварц, стекла специального состава и т. д.), то-такие-
преобразователи, например, из комплекта прибора «Кварц-15»,,
позволяют измерять толщину изделий с температурой поверхноети
до 500 6С при нахождении в контакте с изделием непрерывно до-
10 с.
При необходимости длительных измерений в конструкцию»
преобразователя вводят холодильник, размещаемый на противопо-
ложном изделию торце цилиндрической линии задержки. Как пра-
вило, в холодильнике циркулирует проточная вода, что позволяет
поддерживать температуру этого торца линии задержки и, следо-
вательно, температуру находящегося с ним в контакте пьезоэле-
мента в диапазоне 50—60 °C, в то время как температура поверх-
ности изделия может достигать 1000 °C и более.
Большой'проблемой при высокотемпературном неразрушающем
контроле является обеспечение стабильного акустического контак-
та между линией задержки и изделием. Он создается, как пра-
вило, с помощью специальных паст на базе тяжелых масел, рас-
плавленных неорганических солей, металлургических легкоплав-
ких шлаков и т. д.
Отметим, что значительное различие акустических импедансов-
материалов линии задержки и контактной жидкости вызывает
сильное отражение ультразвука от торца задержки. Например,,
при использовании стальной линии задержки для ввода ультразву-
ка в стальное изделие через слой воды или масла толщиной 0,1—
0,2 мм интенсивность уменьшается более чем в 100 раз. Лучшее-
прохождение достигается при использовании линий задержек ив
211
Рис. 91. Совмещенный преобразователь со
специальной линией' задержки
материалов с меньшим- ха-
рактеристическим импедан-
сом *— пластиков, стекла, ,кё-
рамик. : •.
Разработаны конструкции
преобразователей, обеспечи-.-
вающих ввод и вывод У8 ко-
лебаний в объект контроля, без специальных контактных сред
за счет создания сильного-давления на поверхность. Йод действи-
ем. такого давления .продавливается окалина, неизбежно покрыва-
ющая поверхности сильно нагретых изделий, но при этом иногда
несколько деформируется поверхность изделия. Разумеется, де-..
-формация допустима только в специфических ситуациях, напри--
мер, при контроле проката на.наличие следов усадочной ракови-.
гны в процессе прокатки; слежении за фронтом кристаллизации-в.
машинах непрерывной разливки стали и. т. -д,. . ' :
Сканирование поверхности нагретых изделий, особенно при. соз-
дании избыточных давлений; весьма затруднительно при цсполь- .'
зовании цилиндрических линий задержки. Йоэтому часто для этих,
целей линию задержки выполняют в виде цилиндра, находящегося,
в контакте с изделием, не торцовой, а бокрвой поверхностью
(рис. 91). Пьезоэлемент. 5 с демпфером 2 крепится к протектору
© виде втулки 1, внутренняя поверхность которой плоская, а на-
ружная — цилиндрическая. Втулка вместе с пьезоэлементом встав-
ляется-в сквозное осевое отверстие линии задержки. Для охлажде-
ния пьезоэлемента в . отверстии циркулирует охлаждающая жид-
кость.
Аналогичные, конструкции, использующие-идею замены сколь-,
жения Линии задержки по поверхности объекта контроля ,на каче-,
ние, применяют в преобразователях, работающих и при нормаль-
ных температурах, для повышения производительности контроля.
Иногда такую линию -задержки выполняют двухслойной; в этих
•случаях нижний цилиндр делают либо износостойким, либо очень
’ податливым, например, из полиуретана, что обеспечивает возмож--
косты ввода упругих волн в объект контроля (особенно на низких
частотах).. без контактной жидкости. Такие преобразователи полу-
щили название катящихся. Некоторую сложность конструкции соз-
дают устройства, обеспечивающие постоянную ориентацию пьезо-
элемента относительно объекта контроля и надежный акустиче^
•ский контакт пьезоэлемента и катящегося цилиндра при их.вз.а-
' .имном перемещении. ’ - —
При использовании акустических линий задержки для контроля
изделий сложной формы, большой кривизны и т. д. „торцу линий
задержки придают форму, повторяющую, локальный профиль ,конт-
рокируемой поверхности. . >.
: У нас (В ,стране крупными сериями выпускают прямые пьезо--,
преобразователи, с минералокерамическими и пленочными, (из. по-
312 :
Таблица 7
Номинальная часто- та, мГц Габаритные размеры пре- образователя, мм Масса преобразова- теля, г Минимальный диа- метр контрольного отражателя, мм Глубина залегания контрольного отра- жателя, ММ Примечание
0,6 1,0 2,0 . 2,0 2,0 4,0 5,0 6,0 8,0 8,0 10,0 10,0 12,0 1Б,0 54x40x48 ' 80 10 3,!2 1,6 2,5 2 1,2 1,6 От 40 15—110 ' 10—110 20—110' До 180 10—70 До 180 8—70 7—70 2—15 6—70 5—40 4—30 3—30 С дефектоскопом УД-ЮУА Контрольные отражатели — торцевые сверления в образцах из сплава Д-16Т
46x30x42 55X42X 48 018x38. 46x30x42 018x38 40 120
40
46x30x42 1,2 2,0 1,2 1,2
024x62 46x30x42 80 40 40
018x38
1,0 1,26 1,8 2,5 2,5 4,0 0,6 1,25 2,5 5,0 10,0 0,2 0,4 55 x 42 x 48 120 3,2 30—110 30—180 30—180 20—180 До 180 До 180 От 20 10—180 10—180 5—70 5—20 20—200 20—140 С дефектоскопом УД-24 Контрольные . отражатели торцевое сверление в образцах из сплава Д-16 С дефектоскопом ДУК-60 Контрольные отражатели — торцевые сверления в образцах из сплава Д16Т С дефектоскопом УД-23УМ Контрольные отражатели — торцевые сверления в образцах из стеклопласти- ка
042x43 250
032x43 2,5
018X38 060x58 055x45 40 80 2,0 1,6 8 2
043x40 060X132 40 80 1,2 Дно 15
лиуретана) ;протекторами, с цилиндрическими линиями задержки
и низкочастотные катящиеся преобразователи, а также вкладыши
к контактно-иммерсионным преобразователям. Их основные экс-
плуатационные характеристики приведены в табл. 7 (глубины зале-
гания плоскодонных отражателей даны по комплекту образцов
КСО-1, выполненных из дюралюминия).
213
1. НАКЛОННЫЕ СОВМЕЩЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
_ '
Для решения большого чис'ла практических задач необходимо
вводить ультразвук наклонно к поверхности контролируемого из-
делия. Преобразователи, предназначенные Для этой" цели, назы-
вают наклонными. Пьезоэлемент в них ^размещают на специальной
линии задержки. Для работы преобразователя используются про-
дольные волны. В объекте контроля, в'зависимости от угла .паде-
ния могут возбуждаться и продольные, и сдвиговые волны. До по-
следнего времени для выявления, дефектов использовали в основ-
ном, сдвиговые волны, которые обладают меньшей 'длиной волньц
позволяют лучше выявлять дефёеть! "малых'' размеров в направ;
ленйй‘‘ норггалиТ'к’' по1ю.рхнбсти ввода и“ близко р аспблбжённые:к
этбй''‘поверхнрсти.' 1фя)тбму угол ввода для таких’преобразоватс--
лей следует выбирать больше перв'ого критического угла,1 что'обес-
печивает отсутствие в изделии продольных волн. Однако в ‘по-
бэЖнйе..годы появились наклонные преобразователи,, использую-
щие продольные волны, распространяющиеся в изделии. Главная
область применения таких преобразователей — контроль материа-
лов с высоким уровнем структурных шумов., Чтобы устранить ме-
шающее влияние сдвиговых Волн, углы падения в этом случае
должны быть на 3—10° меньше первого критического угла.
Выбор пьезоматериала в наклонных Совмещенных-преобразова-
телях зависит от решаемых дефектоскопических задач, таккай^на-
ряду с обычным требованием (Максимальность квадрата коэффи-
циента электромеханической связи) здесь необходимо учесть сле-
дующее. Во-первых, наличие обязательной акустической линии за-
держки, характеризующейся малой скоростью распространения
звука (для обеспечения больших углов преломления), приводит:к
тому, что в качестве акустической нагрузки выступает среда с ма-
лым характеристическим импедансом. А так как амплитуда излу-
чаемого в нагрузку сигнала пропорциональна- коэффициенту про-
зрачности границы пьезоэлемент — нагрузка, то предпочтение сле-
дует отдавать пьезоматериалам с малым характеристическим им-
педансом. Во-вторых, наклонные преобразователи часто использу-
ют для выявления далеко расположенных дефектов; при этом
амплитуда полезного эхосигнала пропорциональна площади пьезо-
элемента. Увеличение же площади пьезоэлемента, как уже отме-
чалось, ограничивается нагрузочной характеристикой электриче-
ского генератора. Следовательно, предпочтение следует отдать
пьезоматериалам с малой диэлектрической проницаемостью.
Таким образом, в качестве материала для пьезоэлементов мож-
но с успехом использовать пьезокерамику ‘(ЦТС, PZT),. и пьезо-
электрические монокристаллы (особенно кварц). Форму пьезоэле-
ментов, применяемых в наклонных преобразователях, выбирают
и круглой, и,квадратной, и прямоугольной, в зависимости от гео-
метрии объекта контроля. В наклонных преобразователях, как пра-
вило, поперечные размеры значительно превышают толщину, и по-
этому их взаимное влияние на частоты колебаний практически
’214
Отсутствует. Кроме того, йалйчиё акустических линий задерЖкЙ
делает несущественным влияние колебаний в поперечных направ-
лениях на работу преобразователя.
с ;.- Чрезвычайно , большую, роль .в:, эксплуатационных характеристи-
ках. наклонных, преобразователей; играет линия задержки ‘(приз-
ма), во многом определяющая функциональную пригодность пре-
образователя, так,-как она,.оказывает существенное влияние на
формирование полезного сигналам ;И на уровень шумов.
.. .Призма обеспечивает ввод упругих колебаний в объект контроля
под необходимым углом и их прием.. В то же время многократные
отражения. УЗ волн внутри призмы являются источником ревер-
берационных помех. Поэтому требования, предъявляемые -.к мате-,
риалу призмы, в значительной мере противоречивы, и чтобы до- '
биться нужных свойств линии задержки, следует пользоваться
разнообразными конструкторскими приемами. -
’ Рассмотрим сначала требования к призмам, направленные на
подавление в определенной мере акустических шумов. УЗ.волны,
выступающие в роли акустических шумов, возникают на границе
раздела призма — объект контроля за счет различия импедансов
обеих сред. Чем ближе эти импедансы, тем .меньше исходная
амплитуда акустических шумов. Добиваться равенства акустиче-
ских импедансов подбором одинаковых скоростей распространения
звука нельзя, так как пропадает трансформация волн, лежащая в
основе работы наклонных преобразователей. Следовательно, аку-
стическое согласование на границе призма —объект контроля
должно вестись подбором их плотностей.
Возникшие на границе раздела сигналы, распространяясь в
призме,., попадают на пьезоэлемент и вызывают мешающие элект-
рические сигналы. Для уменьшения этих сигналов необходимо до-
биться .их значительного уменьшения в .процессе распространения
. в призме. Уменьшение амплитуды УЗ волн за счет затухания оп-
ределяется коэффициентом затухания в материале призмы и пу-
тем, проходимым по призме ультразвуком. Увеличение коэффици-
ента затухания в материале призмы одновременно-уменьшает ам-
плитуду полезного сигнала. Поэтому необходимо стремиться ис-
пользовать такую конфигурацию призмы, чтобы сигналы, возник-
шие на границе раздела, не могли непосредственно попасть .на
пьезоэлемент. Для этого в призмах создают так' .называемые ло-
вушки (рис. 92). Призма обеспечивает короткий путь для. полез-
ного сигнала и весьма длинный путь для акустических шумов.
По законам геометрической акустики УЗ волны вообще не долж-
ны были бы попасть на пьезоэлемент. Однако из-за неидеально-
сти плоского пучка и наличия боковых лепестков импульсы, отра-
женные от границы призма — изделие, достигают приемника. Там,
где нужны малые габаритные размеры призмы, используют мате-
риалы с повышенным коэффициентом затухания. .
Скорость распространения звука в .материале призмы также
оказывает существенное,, но не однозначное влияние. Во-первых,
при конструировании наклонных •? преобразователей, работающих
215
S/Ofes. Хк f’fic. 92. бовмещеиныё наклонный преобразователь;
4 ' 1 — пьезоэлемент; 2 — призма; 3 — прижим; 4 -у про-
___/ кладка; 5 —втулка
___'? ... .
" На сдвиговых, волнах-, желательно
стремиться обеспечить ма'лую ско-
роСтЬ Продольных волй в материале
• призмы, так как это увеличивает об-
.5 ласть существенной трансформации
исходных продольных волн в едвиго-
. ——х—J вне. Во-вторыХ, малая скорость зву-
ка отодвигает время прихода полез-
ного сигнала по сравнению с временем реверберации. В-третьих,
малая скорость звука, увеличивая размер ближней зоны и умень-
шая угол расхождения Пучка, увеличивает путь, по которому акус-
тические сигналы-шумы попадают на пьезоэлемент, хотя, с другой
стороны, расхождение пучка сопроождается дополнительным к за-
туханию уменьшением его амплитуды?. Поэтому в материале приз-
мы предпочтительна малая скорость звука.
Характеристический импеданс Материала призмы должен удов-
летворять противоречивым требованиям, так как он одновременно
ответственен за акустическое согласование с пьезоэлементом, ха-
рактеристический импеданс которого высок, и с объектом Контро-
ля,. характеристический импеданс которого мал за счет наличия
контактного слоя. Акустический контакт между пьезоэлементом и
призмой создается средой с малым импедансом (слой масла, клей),
но толщина слоя этой среды очейь мала, так как склеиваемые
поверхности специально обрабатываются, и, следовательно, харак-
теристический импеданс пьезоэлемента со стороны призмы выше.
В этих условиях предпочтение отдают малым характеристиче-
ским импедансам материала призм, так как .толщина контактного
слоя между преобразователем и изделием в процессе контроля
изменяется и при акустическом рассогласовании значительно
влияет на- амплитуду полезного сигнала.. Наилучшие результаты
могут быть достигнуты на материалах с переменным по высоте
характеристическим импедансом, что: обеспечивает хорошее аку-
стическое согласование 'на обеих, торцевых поверхностях акустиче-
ской линии задержки. Кроме того, -прй соответствующем подборе
градиентов скорости звука возможен!-уход отраженного от грани-
цы раздела пучка в ловушку' призмы за . счет волноводных
эффектов. '
Улучшение соотношения полез'ный сигнал/шум в наклонных
преобразователях моЖет быть достигнуто не только соответству-
ющим подбором коэффициента затухания звука, но и уменьшением
коэффициента отражения сигналов, создающих шум. Наибольшее
распространение получили' следующие меры уменьшения коэффи-
циента отражения от нерабочих граней призмы (рис. 93): нанесе-
ние на поверхности нерабочих граней специального слоя из мате-
риала; сильно поглощающего звук и хорошо акустически согласу-
ющегося с материалом призмы;'нанесение на отражающие поверх-
216
Рис. 83. Меры по уменьшению реверберации в призме наклонного. совмещенного преобра-
зователя:
а — уменьшение коэффициента отражения на отражающих поверхностях; б — создание
рассеивателей на отражающих поверхностях; в — создание криволинейных отражающих
поверхностей
ности различного рода неровностей, хорошо рассеивающих звук;
изготовление отражающих поверхностей неплоскими.
К важным неакустическим требованиям к материалу призм
наклонных преобразователей относятся хорошая смачиваемость их
поверхности контактной жидкостью, износостойкость и темпер ату-
ростойкость. Первое из требований обеспечивает более высокую
стабильность акустического контакта между преобразователем и
изделием при их относительном движении.
Высокие результаты достигаются при принятии мер для пре-
дотвращения истирания всей находящейся в контакте с изделием
поверхности призмы. Для этого на поверхность наносится специ-
альный протектор. Протектор может быть сменным, например,
полиуретановая пленка, прижимаемая • к призме через слой кон-
тактной жидкости специальным приспособлением, либо постоян-
ным в виде приклеенной пластинки из износостойкого материала.
Дак и в прямых преобразователях, важным- требованием к про-
тектору, наряду с высокой износостойкостью, является хорошее
акустическое согласование с материалом призмы или малая (по
сравнению с длиной волны) толщина. Кроме полиуретана в каче-
стве протектора используют ситалл. и древесностружечные мате-
риалы. . .
Что касается третьего из названных требований, то тут можно
назвать два аспекта. Во-первых, темпер атуростойкость должна
обеспечивать сохранение эксплуатационных свойств преобразова-
теля при пониженных или повышенных температурах. Такие усло-
вия реализуются при транспортировании преобразователя с заво-
да-изготовителя к потребителю, когда низкая транспортная темпе-
ратуростойкость приводит к выходу из строя преобразователя.
Высокий коэффициент линейного расширения материала призмы
приводит в некоторых конструкциях преобразователей к наруше-
нию контакта призмы с пьезоэлементом. В качестве, другого при-
мера могут быть названы различные структурные изменения в ком-
позитных материалах призм, особенно в области повышенных тем-
ператур. Во-вторых, температуростойкость должна обеспечивать
сохранение эксплуатационных свойств преобразователя при изме-
8 Зак. 92Б 217
нении температуры в процессе контроля, т. е. сохранение и обеспе-
чение работоспособности в 'возможно более широком интервале
температур.
'Всем перечисленным , требованиям не . может удовлетворить,
какой-то один- материал.' Поэтому' в зависимости от конкретных
условий предпочтение отд ают “’тому или' Другому материалу. Тем
не менее, в эхоимпульсной дефектоскопии -на частотах 2—6 МГц.
в' качестве: материала призмы наибольшее распространение полу-
чило органическое стекло, обладающее хорошими акустическими
рврйстцами, хорошей смачиваемостью-. маслами, и водой. - Органи-
ческое стекло весьма доступно и‘'легко поддается механической
обработке.-
• В последние годы получили' также ;распространение ,новые
полимерные материалы — капролон, поликарбонат, которые при
тех же скоростях звука выгодно отличаются от органического'
стекла более высокой износостойкостью (в 3—7 раз выше). Кроме-
того, эти материалы (особенно поликарбонат) обладают более
высоким коэффициентом затухания ультразвука, что, как отме-
чалось; в некоторых' случаях оказывается полезным свойством, а-
также более широкой областью термической стабильности. Однако-
'адгезия этих материалов к пьезокерамйкё и смачиваемость кон-
тактными! жидкостями заметно хуже, чем у органического стекла.
При повышенных частотах, когда требуется уменьшение коэффи-
циента затухания, но по-прежнему необходима’сравнительно ма-
лая скорость звука, Можно'использовать полиаМидоимид, полисти-
р'ол. ' " •.'.•••
Геометрические размеры призм в зависимости от назначения
преобразователя изменяются в очень широких пределах. Также
широко изменяются углы ввода упругих волн в объекты контроля.
В наклонных преобразователях, осуществляющих . контроль на
'сдвиговых волнах, углы падения изменяются от первого до второго'
критического угла. Для пары органическое стекло — сталь этот
диапазон углов составляет 28,5—55°. Кроме того, выпускают пре-
образователи для неразрушающёго контроля на поверхностных
волнах. В этих преобразователях часть призмы срезана (штри-
хов аялиния на рис. 94) для обеспечения лучших,условий распро-
странения поверхностных волн под призмой (условия на границе-
раздела приближаются к условиям 'на свободной границе). При-
менёние продольных волн, распространяющихся под углом к по-
верхности изделия, расширило диапазон углов призм в сторону
углов, меньших, чем критические. '
Важной эксплуатационной' характеристикой геометрии призмы
является так называемая стрела призмы А/—расстояние от точки
ввода УЗ пучка в .изделие'до передней грани' призмы. Стрела
характеризует" минимальное расстояние, на котором можно распо-
ложить преобразователь вблизи выступов на поверхности изделия
'(наример, валик усиления сварного, шва). Это расстояний выби-
рают таким, чтобы зеркальцо отражающиеся от поверхности изде-
лия УЗ колебания Не попадали'непосредственно на пьезоэлемент.
216 ' . •
1
Рис. 84. Наклонный преобразователь для
контроля поверхностными волнами
Рис. ОБ. Наклонный преобразователь со
сменным резонатором: •
а — общий вид; б—сменный резонатор
(вкладыш); 1 — призма; 2 — прижимная
гайка; 3 —заливочная масса; 4 — корпус
резонатора; Б — демпфер; 6 —пьезозле-
меит; ; 7 — втулка
. На конструкцию наклонных преобразователей, наряду с геомет-
рией призмы и мерами по обеспечению ее работоспособности, суще-
ственное влияние оказывают способы соединения пьезоэлемента
с призмой и меры по демпфированию паразитных колебаний пьезо-
элемента. По способу создания акустического контакта между
пьезоэлементом и призмой все наклонные преобразователи можно
разделить на разъемные и неразъемные.
Типичным примером разъемного преобразователя может быть
названа конструкция,, показанная на рис. 92, в которой пьезопла-
стина прижимается к призме через слой контактной жидкости
(масла). Выход из'строя (истирание) призмы допускает сохране-
ние пьезоэлемента. В этой конструкции специальное демпфирова-
ние пьезоэлемента>1 практически отсутствует, так как с его тыль-
ной стороны обычно ставят асбестовую прокладку 4 для предо-
хранения раздавливания пьезопластины при прижатии ее втулкой
5 к призме 2. Отсутствие демпфера повышает чувствительность
преобразователя, хотя и ухудшает его разрешающую способность
по глубине. Вообще говоря, наличие линии задержки и наклон-
ный ввод колебаний в изделие.в сильной степени уменьшают роль
демпфера, так как', паразитные колебания пьезоэлемента влияют,
только на длительность сигналов при их малых уровнях.
Отсутствие. жесткой связи между пьезоэлементом и призмой
оказывается весьма полезным при изменении температуры, особен-
но в сторону низких температур, так как в такой конструкции в
месте соединения не возникают механические напряжения. Однако,
с другой стороны, именно отсутствие жесткой связи требует перио-
дического нанесения между пьезоэлементом и призмой контакт-
ной жидкости вследствие ее испарения. Частое выполнение такой
операции приводит к поломкам- пьезопластин вследствие их ма-‘
лой толщины и хрупкости.- Поэтому пьезоэлемент- размещают в
8* 219
Рис. 96. Серийные конструкции неразъемных наклонных преобразователей:
а —из комплекта КГН-1; б — из комплекта «Снежинка»
специальном корпусе и фиксируют там с помощью заливочной
массы..К призме же крепят не пьезоэлемент, а корпус, в котором
предусматривают специальные элементы для крепления.
: Для примера на рис. 95 представлена конструкция такого на-
клонного преобразователя, входящего в комплект прибора УД-24.
Такая конструкция сводит практически к нулю вероятность полом-
ки пьезоэлемента, что позволяет производить смену призм или
пьезоэлементов не только на ремонтных участках, но и непосред-
ственно при контроле даже в сложных условиях. Кроме того, в
такой конструкции возможно изготовление набора так называе-
мых вставок с различной степенью демпфирования на разные ча-
стоты, что позволяет оптимизировать контроль. Конструкция вста-
вок аналогична прямым преобразователям. Демпфер в них может
быть прессованным или заливным с различной концентрацией тя-
желых порошков. На поверхность пьезопластины, обращенную к
призме, может наноситься согласующий слой (слои).
Конструкция неразъемного преобразователя показана на
рис. 96. Здесь также возможно два подхода.. В одном из них в
призме делают специальную выборку, В которой размещается
пьезоэлемент,’приклеиваемый к призме и заливаемый компаун-
дом ((рис. 96, а). Компаунд фиксирует пьезоэлемент и одновре-
менно выполняет функции демпфера. Таким' образом устроены
наклонные преобразователи из комплекта КГН-1. В'другой кон-
струкции призму с приклеенным пьезоэлементом’ помещают в спе-
циальный корпус и фиксируют с помощью заливки компаундом
(рис. 96, б). Компаунд демпфирует колебания пьезоэлемента и од-
новременно уменьшает коэффициенты отражения от граней призмы.
Такая конструкция, позволяющая уменьшить размеры наклонных
преобразователей, - используется в комплекте «Снежинка» и дру-
гих наклонных преобразователях к серийным дефектоскопам. Об-
щим недостатком неразъемных конструкций является возникнове-
ние больших термических напряжений на границах пьезоэлемент —
призма и пьезоэлемент — заливка.
Разновидностью наклонных преобразователей являются преоб-
разователи с переменным углом ввода, в которых угол падения
УЗ пучка можно регулировать в широких пределах. Для измене-
ния угла ввода, как правило, используют специальный профиль
220
Рис, 97. Наклонный преобразователь с переменным углом ввода:
а — с изменяющейся точкой ввода колебаний; б — с неизменной точкой ввода колебаний
призмы. В иммерсионных наклонных преобразователях призма как
таковая отсутствует, а для изменения угла ввода используют спе-
циальный юстировочный механизм. Сам' элемент, осуществляющий
преобразование электрической энергии в упругую и наоборот,
обычно выполняют в отдельном корпусе в виде вставки, анало-
гичной представленной на рис. 97. На корпусе пьезоэлемента име-
ются. специальные приспособления, осуществляющие связь корпуса
с перемещающим механизмом. Акустический контакт между пьезо-
элементом и призмой создают за счет слоя контактной жидкости.
Так как без принудительной подачи смазки слой быстро высыхает,
, в наклонных преобразователях предусмотрены каналы, по которым
контактная жидкость подается на пьезоэлемент из специального
резервуара или непосредственно оператором. Иногда используют
конструкции, в которых призма вместе с пьезоэлементом и переме-
щающим механизмом помещена в масляную ванну.
Для изменения угла ввода наибольшее распространение полу-
чили две конструкции призмы. В одной из них в призме выполняют
цилиндрический канал, в который помещают корпус пьезоэлемен-
та с приспособлениями для связи с механизмом перемещения
(рис. 97, а). С корпусом пьезоэлемента обычно соединен указа-
тель угла падения в призме. Пьезоэлемент приклеивают к полу-
цилиндру диаметром, равным диаметру канала. Полуцилиндр изго-
товляют из того же материала, что и призму. Обе трущиеся по-
1 верхности хорошо обрабатывают для уменьшения влияния акусти-
ческого контактного слоя между ними. Такую конструкцию исполь-
зуют в выпускаемых серийно преобразователях, входящих в ком-
плект дефектоскопа УД-24. Недостатком этого конструкторского
решения является изменение положения точки ввода и длины пути
в призме УЗ пучка при изменении угла падения.
Другая '.конструкция призмы (рис. 97,6) предусматривает из-
готовление ее в виде части цилиндра, по боковой поверхности
которого перемещается пьезоэлемент в корпусе. Преимуществом
такой конструкции является сохранение примерно постоянными
пути УЗ пучка в призме и точки ввода колебаний в изделие
независимо от угла падения. Линия ввода совпадает с геометри-
ческой осью боковой поверхности (ось цилиндра). Разумеется, эти
утверждения верны в пределах справедливости, геометрического
221
222
поминальная . tro tbtwvn't 'АЛТтт 1 г г Материал призму ’ Угол наклона । призмы, град; Размеры пьезо- элемента, мм Габаритные размеры (без кабеля), .мм Диаметры контрольного отражателя, мм
Блнжний, Дальний
.1,0 . Поликарбо^ нат 29 36 53 16X12 50X36X20 1,6 1,6
1,25 Капррлон 30 40 50 30 40 50 55 -60 65 67X 20 X20 67X20X50 67X20X36 50 x 20 x 50 50X20X50 50x20x50 50X17X36 50X17X36 50х 17X36 1,6 2,0 2,0
2,0-
1,8 30 • 40 18 48X25X58,5 48x25x55 2,0
2,0 Поликар- бонат 29" 36 53 53" 13X10 50x36x20 50X36X20 50X36X20" 50x36x34 1,6. . 1,6-’
Таблица 8
Материал ' контрольного образца Глубина Примечание
Ближний ' Дальний .. залегания отражателей, мм
Д16Т Д1-6Т 0,5—30 . 0,5—25 0,5—20 С-прибором ПД-10УА
Д16Т ’ Органичес- кое стекло Органичес- кое стекло’ 0,5—45 . 0,5—45 0,5—35 0,5—45 0,5—45 0,5—35 5—20 . 5—15 , -5—10 ’ ’ 5—50 С приборами ДУК-66 ПМ,' УД-10П
С прибором УД-24 ‘
Сталь 45- С прибором ДУК-66П
‘ Д16Т Д16Т 0,5—40 ' 0,5—35 ’ 0,5—35 0,5—30 С приборами УД10П, УД-10УА
223
Номинальная частота МГц Материал призмы Угол наклона призмы, град Размеры пьезо-», элемента, мм Габаритные размеры (без кабеля), мм Диаметры . контрольного отражателя, мм
Ближний Дальний
2,5 Капролон 30 40 50 53 13x10 67X17X45 67X17X36 67X17X36 23x16X13 1,6- 1,6 2,0
2,5 Капролон 55 68 12X3 23X16X13 62X17X36 1,6 2,0 •1,6
2,5 Органичес- кое стекло 30 40 50 12 30X17X35 34х 17X35 34X17X35 2,0 2,0
4,0 Поликар- 35 29 36 Зхз 4X10 3x3 14,6x14,6х Х22 1,6 1,6
5,0 . бон ат 30. 30 40" 40. . 50 50 ' 3x3 4X10 3x3 4X10 зхз ~4х'10 13,6х6,6х Х18 15x15x22 13,6x6,6x18 15x15x22 13,6x6,6x18 15x15x22 1,6 1,6 ;
Продолжение табл. 8
Материал контрольного ' . образца . Глубина- ••залегания отражателей, -- ММ Примечание
Ближний Дальний
Д16Т Д16Ц ' Органичес- кое стекло 0,5—45 0,5—40 0,5—35 0,5—35 С приборами ДУК-66ПМ, 4810П-
Д16Т Органичес- кое стекло Д16Т Д16Т 0,5^35 5 ' . С прибором УД-24
Сталь 45 Органичес- ское стекло 3—40 /3—40 2—35 С прибором ДУК-66П
1—-40 1—35 1—30 2—70 1—70" 2—60 1— 60’ 1—40 ”1—50 С приборами УД-10УА, УД-10П
С приборами ДУК-66, УД-10УЛ
С приборами ДУК-66, КДЮУА-. -
224
Номинальная частота, МГц Материал призмы Угол наклона призмы, град Размеры пьезо- элемента, мм Габаритные размеры (без кабеля),' мм Диаметры контрольного отражателя, мм
Ближний Дальний
40 50 23x16x13
53 55 1,6
5,0 Капролон 30 40 50 12x4 14X6X18 1,6
55 60 65 68 2,0 2,0 —
5,0 Органичес- кое стекло 30 40 40 8 24x8x33,5 24X8X33,5 30x13x30 1,6 1,6 2,0 2,0 2,0 2,0
50 8 24x8x33,5 1,6 2,0
Продолжение табл. 8
Материал контрольного образца Глубина залегания отражателей, мм Примечание
Ближний Дальний
Д16Т Органичес- кое стекло 0,5—45 0,5—35 0,5—30 0,5—30 0,5—45 0,5—45 0,5—40 0,5—40 0,5—30 С приборами ДУК-66ПМ, УД-10П
С прибором УД-24
Д16Т
Органичес- кое стекло —. 5 5'
Органичес- кое стекло Сталь 45 Д16Т • Органичес- кое стекло 0,5—45 0,5—45 2—30 0,5—40 С прибором УД-24
С прибором ДУК-66
Д16Т
Продолжение табл. 8
Номинальная частота, МГц Материал призмы Угол наклона призмы, град Размеры пьезо - 1 элемента, мм Габаритные размеры (без кабеля), мм Диаметры контрольного отражателя, мм Материал контрольного образца Глубина залегания отражателей, мм Примечание
Ближний Дальний Ближний Дальний.-
10,0 Капролон 50 60 • 6.8 — 14X6X18 1,6 2,0 2,0 1,6 Д16Т Органичес- кое стекло Д16Т 2,0—1,5 5 5 G прибором ДУК-66
Преобразователи с переменным углом ввода
1,25 Органичес- кое стекло 0—90 УЗО 40 50 — 63 x 36x 44 2,0 2,0 Органичес- кое стекло Органичес- кое стекло
2,5 0—90 30 40 50
5,0 0—90 30 40
СИ
10—40 20—35 5—30
10—35 5—30 5—20 С прибором УД-24
5—35 5—30 5—25
приближения в акустике, и их выполнение ухудшается с уменьше-
нием частоты и размеров пьезоэлемента.
Главный недостаток описанных конструкций — относительно-
большие размеры и, как следствие, большой путь прохождения
ультразвука в призме и его значительное затухание, г
В иммерсионных наклонных преобразователях используют та-
кую же идею, совмещая геометрическую ось поверхности, которую
описывает при перемещении,, преобразователь, с- предполагаемой'
линией ввода.
В заключение приведем сведения об основных эксплуатацион-
ных параметрах некоторых наклонных преобразователей, выпускае-
мых серийно (табл. 8). ' ......
3. РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
В рассмотренных выше преобразователях возникновение шумов
обусловлено реверберационными явлениями в самом пьезоэлемен-
те и в элементах конструкции пьезопреобразователей. Наиболее
очевидный способ устранения этих шумо,в— применение раздель-
ных пьезоэлементов для излучения и приема упругих сигналов. Та-
кие преобразователи получили название раздельно-совмещённых
(PC), так как для удобства работы приемный и излучающий
пьезоэлементы объединены в общий корпус. В РС-преобразова-
телях длительность излучйемых упругих сигналов, и ревербераци-
онные . шумы мало влияют на выявление близко, расположенных
дефектов. Поэтому при работе, с ними обычно использую'г доста-
точно длинные радиоимпульсы в виде цугов волн.
В зависимости от решаемых задач РС-пьезопреобразователи
могут быть двух типов (рис. 98). Первый обеспечивает выявление
дефектов, расположенных непосредственно под преобразователем
(аналог прямых совмещенных преобразователей). Второй выявляет
дефекты, смещенные от преобразователей в сторону,',, (аналог на-
клонных совмещенных преобразователей). В РС-преобразователях
имеются акустические линии задержки (призмы)', создающие не-
обходимую ориентацию пьезоэлементов. В РС-преббразователях
первого типа призмы создают некоторый угол между нормалями к
поверхности. пьезоэлементов и изделия, а в преобразователях, вто-
рого типа — еще и дополнительный угол в плоскости; перпендику-
лярной плоскости симметрии. При этом угол между нормалями в,
преобразователях первого типа, как правило, выполняют неболь-
шим, не превышающим 10°, для предотвращения возникновения
интенсивной сдвиговой .волны в изделии при падении на его гра-
ницу под углом исходной продольной волны, а также для, умень-
шения акустических шумов (см. выше). . ......
Так как при возбуждении преобразователя цугом волн с низ-
кой частотой направленность излучения и приема уменьшается, то
углы между нормалями к поверхностям пьезоэлемента и объекта
контроля с понижением используемых частот также уменьшаются.
Например, для серийных PC-преобразователей, работающих на ча-
226
• Рис. , Я8.. Конструкции раздельно-срвмещеиных преобразователей:
а — аналог прямого преобразователя; б —аналог наклонного преобразователя; I — корпус;
2 — внешний электрический экран; 3 —внутренний электрический экран; 4 —< акустический
экран; 5 — пьезоэлемент; б —форма; 7 — заливочная масса
стотах 2,5—5 МГц, угол призмы выбирают равным 7°; на частотах
0,5-—1 МГц —3°; на частотах 0,2—0,4 МГц-—0°.
В PC-преобразователях второго типа, наоборот, угол' между
нормалями к пьезоэлементу .и поверхности объекта контроля
выбирают большим, обеспечивающим трансформацию на поверх-
ности изделия исходной продольной волны в сдвиговую или в под-
поверхностную волну. Угол же в перпендикулярной плоскости, в
отличие от преобразователей предыдущего типа, выбирают в пре-
делах 1—70° в зависимости от используемых частот и, требуемых
характеристик. Поскольку области применения, типы волн и со-
ответственно' требования к PC-преобразователям обоих типов зна-
чительно различаются, то в дальнейшем они будут рассмотрены
отдельно. . , '
' Наиболее распространены преобразователи первого типа. В этих
преобразователях плохое электрическое экранирование обусловли-
вает электрическую наводку в момент .излучения на приемный
пьезоэлемент, который приходит в движение’ вызывая дальнейшую
реверберацию в приемной призме. Плохое .акустическое экраниро-
вание приводит К тому, что реверберационные колебания излуча-
ющего пьезоэлеМента и излучающей призмы попадают на прием-
ный" пьезоэлемент. В связи с _этим обязательным элементом
РС-пьезопреобразователей ЯВтается_2"эдёИр'оа1<у.стипес1<йй’ экран,'
которКшПнакПтрцвилоу-в-ыно-лнЯ^тся многослойным: один слой (ме-
таллический) — элёктр>ическйй"'.экран; все другие — акустические.
При проектировании экрана общим,..требованием является обеспече-
ние его...‘мйнймальнбй 'толщйны при сохранении изолирующих
свойств. Очевидно, что увеличение толщины’' экрана при сохране-
нии минимальной глубины' залегания дефекта требует больших
углов призмы, что вызывает большие, а'кустйческие помехи в виде'
поверхностной волны. Таким образом, надежно будут выявляться
только дефекты больших размеров', а для выявления дефектов не-
больших размеров необхбдимо увеличить минимальные расстояния
227
от поверхности изделия до дефектов (т. е. увеличится мертвая
зона).
Создание электрического экрана обычно Йе вызывает затруд-
нений. В качестве него используют различнее виды металличе-
ской фольги. При сборке преобразователя экран заземляют. Для
акустических экранов нужны материалы с малыми характери-
стическими импедансами и. большими коэффициентами затухания
звука. Такие свойства способствуют хорошей акустической изоля-
ции как за счет большого коэффициента отражения звука, как и
за счет его поглощения. Наилучшие результаты с точки зрения
акустического экранирования дает полый экран, когда роль звуко-
изолятора играет воздух. Однако воздушные экраны усложняют
конструкцию преобразователей. Кроме того, за сч'ет капиллярного
эффекта жидкость, создающая акустический контакт, может-заса-
сываться в воздушный промежуток, резко ухудшая экранирова-
ние. Поэтому применяют искусственную кожу СК-4 (непротекс) и
вспененный пенополистирол (см. п. 3 гл. IX).
Выбор геометрических размеров пьезоэлементов для РС-преоб-
разователей в основном определяется кругом дефектоскопических
задач. Для PC-преобразователей первого типа размеры в попе-
речном направлении варьируют в очень широких пределах: от 2—
3 мм в миниатюрных РС-преобразбвателях до 30—40 мм —в ши-
рокозахватных. Первые используют для выявления различного
рода отражателей в труднодоступных местах изделий, а также в
толщинометрии, где важна локальность измерений, а вторые — для
обеспечения повышенной производительности контроля. Размеры
пьезоэлементов определяются частотой, на которой необходимо
проводить УЗ контроль (0,2—10 мГц). При необходимости их уве-
личения для повышения производительности контроля, увеличения
глубины прозвучивания и т. д. применяют уже упоминавшиеся
меры: секционирование электродов, использование многоэлемент-
ных излучающих пьезоэлементов и т. д.
Обычно в РС-преобразователях пьезоматериалы для излуча-
теля и приемника выбирают одинаковыми (в отечественных серий-
ных преобразователях используют пьезокерамику типа ЦТС),
хотя наличие раздельных пьезоэлементов позволяет улучшать ха-
рактеристики преобразователей путем выбора пьезоэлементов из
разных материалов, наилучшим образом работающих либо на из-
лучение, либо на прием.
Важную роль в работе PC-преобразователя играют акустиче-
ские линии задержки. Требования к их материалам аналогичны
сформулированным выше применительно к линиям задержки пря-
мых и наклонных преобразователей. Геометрические размеры ли-
ний задержки обычно выбирают с учетом используемой частоты
ультразвука и размеров пьезоэлементов, стремясь отодвинуть об-
ласть возможного нахождения дефектов в дальнюю зону преобра-
зователя. Однако увеличение протяженности призмы в направле-
нии распространения ультразвука приводит к искажению формы
УЗ импульса вследствие расхождения пучка и отражения от боко-
228
вых поверхностей. Поэтому рост продольного размера обычно
сопровождается рбстом поперечных размеров.
PC-преобразователи наиболее широко применяют в тех слу-
чаях, когда необходимо достичь малой мертвой зоны, т. е. при
контроле изделий с малыми размерами в направлении прозвучи-
вания (РС-преобразователи первого типа). Наиболее массовыми
изделиями такого типа, кроме листового проката, являются прутки
и трубы. При их контроле плоская поверхность линии задержки,
строго говоря, касается поверхности объекта контроля только
.по образующей, поэтому между поверхностями преобразователя и
изделия образуется криволинейный клинообразный слой контакт-
ной жидкости. Наличие этого слоя вызывает реверберацию в нем,
одновременно снижая амплитуду полезного сигнала, так как толь-
ко на образующей толщина слоя мала и определяется обработой
поверхности изделия. Очевидно, что чем больше ширина призмы
(в направлениях, перпендикулярных распространению звука) и
кривизна (радиус) изделия, тем сильнее влияние указанных эф-
фектов. Стремление уменьшить ширину контактной поверхности
приводит к тому, что конструкцию преобразователя делают вытя-
нутой в направлении образующей контролируемого цилиндра.
Иногда торцевой поверхности призмы придают форму поверх-
ности объекта контроля. К недостаткам такой конструкции сле-
дует отнести необходимость подгонки преобразователей под кон-
кретные размеры изделий и невозможность их использования при
изменении радиуса кривизны. Другим недостатком является воз-
никающая фокусировка ультразвука в изделии, препятствующая
равновероятному обнаружению дефектов во всем сечении. Для
круглого цилиндра это означает хорошее обнаружение отражате-
лей вблизи оси и слабую чувствительность к дефектам вблизи
поверхности ввода колебаний.
При контроле плоских изделий для повышения производитель-
ности контроля (широкозахватные преобразователи), а также для
увеличения прозвучиваемой толщины изделий используют пьезо-
элементы и призмы больших размеров. Проблемы, возникающие
при проектировании таких преобразователей, а также способы их
решения для каждой половины PC-преобразователя аналогичны
рассмотренным выше в параграфах, посвященных прямым и на-
клонным преобразователям.
•, Общим недостатком PC-преобразователей'является немонотон-
ная зависимость амплитуды огибающей отраженного сигнала от
глубины залегания отражателя. При использовании плоских пьезо-'
элементов существенное улучшение монотонности может быть
достигнуто соответствующим выбором их взаимного расположения
(рис. 99), как показано в п. 6 гл. VII, или использованием несколь-
ких излучающих пьезоэлементов, расположенных на одной призме
под разными углами (рис. 99, б).
Другой путь заключается в использовании пьезоэлементов,
создающих расходящиеся акустические поля. В пределе такое
направленное поле могут создать точечные излучатели и прием-
229
Рис. - 99. Размещение пьезоэлементов в раздель-
но-совмещенных.* преобразователях:
. а — преобразователь’ с<• одним излучающим пьезо-
' элементом; б — с двумя излучающими пьезоэле-
ментами; 7 — излучающий пьезоэле.мент; 2 —
* экран; 3— приемный пьезоэлемент
ники. Поэтому с уменьшением раз-
меров пьезоэлементов ' при фикси-
рованной часто'ге или с понижение
.ем. частоты при фиксируемых раз-
мерах пьезоэлементов зависимость
? эхосигнала .от глубины залегания
, , отражателей ослабляется. Однако,,
как уже отмечалось, такой путь сопровождается-уменьшением ам-
плитуды полезных сигналов и ростом шумов.
• /Удачным решением, устраняющим отмеченное противоречие^
является PC-преобразователь с линиями.задержки в виде волново-
дов-концентраторов. • Пьезопластины ' .размещаются на широком
торце волновода, и благодаря их большому; диаметру достигается
высокий , уровень полезных сигналов. Узкие торцы волноводов,
контактируют с объектом контроля,, обеспечивая создание расхо-
дящегося акустического-поля.
.Уменьшение 1 фокусировки может быть-также достигнуто при
использовании пьезоэлементов и призм специальной формы, напри-
мер, . выпуклых, также . создающих1 расходящееся акустическое
поле. ' . ' . ' 1
•: Переходя к описанию конструкторских решений, реализуемых,
в РС-преобразователях второго типа (наклонных), отметим, что*
наибольшее распространение получили преобразователи, использу-
ющие для выявления отражателей подповерхностные (головные)
волны. Требования к размерам пьезоэлементов и линий задержек
практически не отличаются от рассмотренных выше, однако для
увеличения полезных сигналов необходимо увеличение размеров;
пьезоэлементов и, как следствие, размеров, призм в поперечном,
игпродольном направлениях. В преобразователях ИЦ-61 и ИЦ-70*
используют пьезоэлементы диаметром 18 мм.
• Специфическим требованием к материалу призмы этих преобра-
зователей является обеспечение скорости продольных волн, мень-
шей, чем в материале изделия. Как мы уже 'отмечали, в наклонных
и РС-преобразователях стараются соблюсти это соотношение для
улучшения условий контроля изделий и изготовления преобразова-
телей. Однако Для преобразователей на подповерхностных волнах
оно является необходимым, так как обеспечивает возбуждение-
подповерхностной (головной) волны [Б4],
С точки зрения акустических схем PC-преобразователи второго-
типа могут быть разбиты на две группы: в одной — излучатель и*
приемник, как и выше, расположены рядом (рис. 100, а), а в Дру-
гой— од ин за другим (рис. 100,6). Первую схему называют-
«дуэт», а вторую—* «тандем». В схеме «дуэт»' конструкцию каж-
дой из частейпреобразователя выполняют полностью аналогично-
230-
Таблица. -S'
Номи- нальная частота, МГц Материал призмы 1 Угол", наклона J призмы/ град Размеры пьезо- . элемента,- мм Габаритные ’ размеры > ' (без;.кабёля), " ММ . Диаметр . контроль- ного от- ражателя, мм Материал контрольного образца Глубина залегания, мм " Примечание
0,2 0,4 ' 0,6 1,0 Спрессованная вольфрама и пласта . смесь фено- 0 ' 20x20 60x34x70 Донный 15 12 8 Стекло- пластик 20—120 12—140 6—70 6—30 . С прибором УД‘22УЛ^,-
1,0 . 1,25 3 ’ 15X4. 38x8x34. '37x8,6x37 ' 5, • 4 ' ' • "L 2—70 1 2—70 '
2,0 2,0 . 7 - 38x8x34 16x16x34 . :й . • '2 . 2—70 : 2—70 *
2,5 2,5 2,5 Органическое стекло 3 . 7 • 3 15x4 . 10x5 30X4 37X8,6X37 .15x45x36 35x14x36 to ьэьэ *• •• • • Д16Т: 2—180 . .2—180 2—180 С приборами УД-10УА, УД-10П
5,0 5,0 . 4,0 7 : ? 10X5 4x3 — 15x15x36' 13x8x55 16X16X34 1,2 ’ 1,2 1,2 .. ' 2—50 0,5—30 2—50 •
6,0 8,0 10,0 - 4хз: 13x8x25 1,6 1,2 '• 1,2 1—ЗОЬ 2—30 2—20 •. С прибором УД-24 - .
. Контактно-иммерсионные преобразователи
2,0
2,5
400
4,5
Вода
049x92
048x100
049X 92.
054X10
' 2 : ’
2 Стёкло-
16 . пластик
’ 16 . '
5—110
5—110
5—40
5-40
С приборами УД-10УА,
ДУК-66
Рис. 100. Раздельно-совмещенные наклонные преобразователи:
а — дуэт; б — тандем
наклонным преобразователям, однако, требования к призмам по
обеспечению малого времени реверберации снимаются, так как
главным видом помех при хорошей акустической экранировке, как
и во всех PC-преобразователях, становятся волны, распространя-
ющиеся вдоль поверхности объекта контроля. Основные эксплуа-
тационные характеристики наиболее распространенных РС-преоб-
разователей приведены в табл. 9.
Рассмотренные общие идеи, которыми руководствуются при
проектировании тех или других преобразователей при создании
преобразователей для контроля конкретных видов промышленной
продукции, могут приводить к сильно различающимся конструк-
торским решениям. В качестве одного из таких примеров^ можно
привести идею использования эластичного протектора.
Развитием ее являются преобразователи контактно-иммерсион-
ного типа. В них иммерсионная ванна контактирует с поверхно-
стью изделия через эластичную оболочку в форме мембраны или
катка [13]. Такие преобразователи применяют для контроля изде-
лий с грубой поверхностью.
Большое разнообразие в конструкцию преобразователей вно-
сит геометрия изделий: различного рода буртики, галтели, высту-
пы, неконтролируемые кромки и т. д. Поэтому при создании, в
случае необходимости, новых конструкций преобразователей нуж-
но руководствоваться либо возможностью доработки серийных
преобразователей без нарушения их функциональной пригодно-
сти, либо изложенными здесь основными общими принципами.
Глава IX
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЯМЫХ
СОВМЕЩЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Конструкция прямых совмещенных преобразователей преду-
сматривает наличие нескольких обязательных элементов: пьезоэле-
мента, демпфера, протектора и корпуса. Поэтому технология изго-
товления прямых совмещенных преобразователей включает в себя
технологию получения каждого элемента и их соединение между
собой. Как правило, при изготовлении корпусов пьезопреобразова-
телей проблемы возникают только при крупносерийном производ-
стве, так как они касаются поиска оптимальной формы корпуса
для многоцелевого использования преобразователей, эстетичности
их внешнего вида, производительности, стоимости и т. д. Для
электрического экранирования корпус пьезопреобразователя изго-
товляют из металла или диэлектрика с металлизацией изнутри.
Резонатор, включающий в себя пьезоэлемент, демпфер и протек-
тор, собирают отдельно, а затем закрепляют в корпусе с помощью
заливки какой-нибудь подходящей заливочной массой. Для этого
производят припайку электрических проводов, осуществляющих
подведение (снятие)’ электрического напряжения к пьезоэлементу.
После установки в корпус провода выводят на разъем, а при отсут-
ствии последнего провода припаивают к электрическому кабелю,
идущему к электронному прибору, а кабель фиксируют в корпусе.
Сборку, резонатора начинают с подготовки пьезоэлемента.
В основном используют пьезоэлементы, выпускаемые серийно на
специализированных предприятиях, тем более, что к настоящему
времени освоена довольно широкая номенклатура пьезоэлементов
по толщине й поперечным размерам. В состоянии поставки пьезо-
элементы поляризованы и покрыты электродами. Однако требо-
вания, предъявляемые к контролю тех или других изделий, иногда
вызывают необходимость доработки выпускаемых серийных пьезо-
элементов в лабораторных условиях.
Для подгонки пластин по форме их кладут на ровную твер-
дую плиту и режут (точнее, царапают) толстой иглой или остро
заточенным надфилем, а затем отламывают по линии реза. Пла-
стины из кристаллов (кварца, турмалина) режут алмазом, как
стекло.
• Если необходимо уменьшить толщину пластины или обеспечить
плоскопараллельность клиновидной пластины (такие пластины
иногда встречаются в партии), то ее шлифуют на чугунной дово-
233
дочкой плите/В качестве абразивного материала, применяют кар-,'
«бид бора; плиту смачивают водой. Для обеспечения параллельно/
сти поверхностей несколько пластин приклеивают к плоской
оправке смесью воска 'и канифоли/ .?
...Иногда возникает, необходимость в изготовлении из плоскопа.^
-раллельных заготовок искривленных фокусирующих пластин (см.
л. 7 гл. VII) или пластин переменной толщины (см. гл. IV). Даже
пластины, которым при изготовлении была придана соответству-
ющая форма, обычно нуждаются в доводке. Такие операции вы-
полняют на,токарном. станке. .В. качестве инструмента используют
.абразивный диск диаметром Л.0- -20 мм (аналог диска, применяе-
мого в медицинских бормашинах), который приводится во враще-
ние. со скоростью -З-—4 тыс. об/мйн миниатюрным электродвигате-
лем. ,.••• •
Диск с двигателем помещают на поворотном рычаге, закреплен-
ном в суппорте токарного станка, и,, поворачивают вручную. Обра-
батываемую заготовку приклеивают к оправке смесью , воска -с
канифолью,- а оправку закрепляют в патроне токарного станка.
Патрон медленно поворачивают (если нужно получить сфериче-
скую поверхность) или-оставляют неподвижным и перемещают
«суппорт (если требуется получить цилиндрическую поверхность).
При обработке, необходимо соблюдать правила техники без-
опасности, предупреждающие вдыхание пыли (особенно токсич-
ной пыли,ЦТС). Обычно используют отсос или работают в рес-
пираторе.
- Электроды на поверхность пьезокерамикш наносят вжиганием.
Для этого пластину моют, в растворе соды или в спирте, затем
сушат при температуре 600 °C в течение 2-ч. Серебряную пасту
наносят на поверхность кисточкой очень тонким слоем. Пасте дают
•высохнуть при температуре 60—80°C. Затем пластину обжигают
вчмуфельной печи в течение 2 Ч и охлаждают вместе с печью. Да-.
лее наносят второй слой пасты тем же способом. Если нагрев пла-г
•Стины нежелателен, то ее покрывают коллоидным серебром без
обжига, но такие электроды соединяются с керамикой менее йроч-
но. Кварцевые пластаны серебрят напылением в вакууме. .-
, Поляризацию пластин из ЦТС производят в ванночке с транс-
форматорным маслом или силикатной жидкостью. На дно ,ванноч-
ки помещают металлический электрод. Второй .пружинящий элект-
род подводят к верхнему электроду пластины.. Режим поляриза-
ции: напряженность электрического поля 30-^40 кВ/см; темпера-
тура 140°C; время выдержки 2 ч; охлаждение под напряжением.
Следует опасаться возгорания масла и следить, за тем, чтобы пла-
стина не пробилась. О пробое свидетельствует резкое уменьшение
подведенного напряжения.
К электродам пластины припаивают выводы; при этом часто
возникает задача не нарушать поляризацию пластины. Для этого
Пайку выполняют электропаяльником с жалом из медной прово-
локи Диаметром 1—2' мм со скошенным торцом. Температура
нагрева не должна превышать 100 °C. Применяют легкоплавкие
234
припои (сплав Вуда или Луповца), имеющие малую усадку при
твердении. В качестве флюса используют раствор в этиловом спир- „
те '30 % канифоли или 6 % канифоли и 14 % глицерина. •
Флюсом смазывают участок пьезопластины в месте пайки..
Кладут кусочек припоя размером около 0,2 мм и накладывают
контактный провод (обычно медную ленту толщиной 0,02 мм). Па-
яльником разглаживают припой. Толщина такой пайки составляет
около 0,025 мм, контакты выдерживают усилие на отрыв 4 И.
Рассмотрим некоторые,’. не :всегда учитываемые требования к
электродам пьезоэлементов, используемых в типовых конструкциях
прямых совмещенных преобразователей. Исследования структуры
серебряных электродов пьезопластин из ЦТС-19, выпускаемых
серийно, показали, что они имеют достаточно сложное строение
и представляют собой тонкий пористый слой сплава серебра, свин-
ца и висмута, покрытый с обеих сторон: рыхлым зернистым слоем
окиси дисперсного серебра. Слой дисперсного серебра со ,стороцы
пьезокерамики гораздо тоньше, чем с внешней, стороны. Размеры
его частиц в несколько раз меньше микрополостей пористого слоя,
поэтому зернистый слой серебра лишь частично перекрывает
. микропоры. .( , .
Приближенные измерения суммарной площади пор показали,
что микрополости внутреннего сдоя занимают свыше 25 % общей
площади электродов. Поэтому, предлагается перед сборкой резо-
наторов поверхностный зернистый слой серебряного покрытия,,
'прикрывающий вход клеящего компаунда в микропоры, удалять
с помощью полирования пьезоэлемента на войлочном круге. После
полирования пьезопластину необходимо обезжирить, например,
в растворе синтетического моющего средства, а затем просушить.
Подготовленную таким образом пьезопластину перед сборкой ре-
зонатора следует выдержать в нагретом и' разбавленном раствори-
телем (ацетоном) эпоксидном. клее, который за время выдержки
заполняет все микропоры'.
Следующим этапом сборки резонаторов является клеевое соеди-
нение пьезоэлемента с другими элементами конструкции — протек-
тором и демпфером;
. Типовые технологии склеивания металлических и неметалличе-
ских материалов регламентируются ОСТ 4 ГО.054.2Ю. Для умень-
шения толщины клеевого соединения, улучшения их растекания
и устранения воздушных пузырей при использовании эпоксид-
ных' клеев допускается их нанесение на предварительно нагретые
до 40—50 °C поверхности. ОСТ . оговаривает способы подготовки
к склеиванию поверхностей изделий из различных материалов, а
также технологию приготовления клеев. Из эпоксидных клеев, ис-
пользуемых при сборке пьезопреобразователей, наибольшее' рас-
пространение получили клеи на основе, эпоксидной смолы, а также
некоторые термостойкие клеи.
В табл. 10 приведены рецептуры нескольких из них, а также
их жизнеспособность. ’ " '
В клеях горячего Утверждения в качестве отвердителя исполь-
235
Таблица 10
Марка клея Наименование компонентов Состав, % по массе Жизнеспо- собность, г
ВК-9 Смола эпоксидно-диановая ЭД-20 Смола ПО-ЗОО Компаунд АГМ-3 в, г или компаунд АДЭ-3 в, г Асбест переработанный для клеев Пудра алюминиевая 60 40 0,6 5 10 2
клн Смола"эпоксидно-диановая неотвержденная ЭД-20 Смола эпоксидная марки ДЭГ-1 или ТЭГ-1 Тиокол жидкий марки П Полиэтиленполиамин марок А, В 100 20 30 10 от основы 1,5
К-400 {состав 1) Смола Т-Ш Смола низкомолекулярная полиамидная Л-20 Окись хрома или нитрид бора в порошке 100 40 60 2
К-400 {состав 2) Смола Т-Ш Смола низкомолекулярная Бутилацетат 100 40 150 2
ПД-20 Эпоксидная смола ЭД-20 . Полиэтиленполиамин Титанат бария Песок кварцевый .100 7—10 •20 40 2
зуется также триэтаноламин, вводимый в пропорции 1 : 10. В ре-
жиме отверждения выдержка 10 ч при температуре 120 °C.
Усредненные значения прочности на разрыв при склеивании
в режиме горячего отверждения для широкого класса металлов
лежат в области 400—600, а при использовании клеев холодного
-отверждения — в области (100—-200) 103 Па.
Сравнение этих значений прочности на разрыв с типичными
значениями адгезионной прочности серебряного покрытия с пьезо-
зкерамикой показывает, что прочность клеевого соединения замет-
но выше. Аналогично соотносятся прочности на разрыв клеевого
соединения и металлического покрытия протектора. (В серийных
преобразователях в качестве протектора используется минерало-
керамика, покрытая со стороны пьезоэлемента слоем, никеля.)
Поэтому при возникновении больших механических напряжений
наиболее слабыми по прочности местами оказываются металли-
ческие электроды на пьезокерамике.
Большие механические напряжения в резонаторе прямого
совмещенного преобразователя в основном. возникают при перепа-
дах температуры окружающей среды. Они обусловлены различием
•термических коэффициентов линейного расширения керамики, ме-
таллических покрытий и эпоксидного компаунда, а также усадкой
236
эпоксидного компаунда в процессе полимеризации при изготовле-
нии преобразователей. Усредненные значения термического коэф-
фициента линейного расширения эпоксидного компаунда состав-
ляют (60—65)10-6 1°С. Усадка для эпоксидного клея с 10-часоврй
полимеризацией при температуре 120 °C (клей горячего отвержде-
ния) составляет 1,73 %, а эпоксидного клея с 48-часовой полиме-
ризацией при температуре 20 °C (клей холодного отверждения) —
не более 0,2 %. Кроме того, поскольку регламентированный техни-
ческими условиями температурный диапазон серийных преобразо-
вателей лежит в пределах —10++ 50 °C, то он значительно отли-
чается от температуры полимеризации клея горячего отверждения
(120 °C) и совсем близок к температуре полимеризации клея хо-
лодного отверждения (+20 °C). Соответственно термические
механические напряжения в первом случае заметно больше, чем
во втором. Следовательно, для прочного и надежного клеевого со-
единения элементов резонатора во всем рабочем диапазоне темпе-
ратур предпочтительным является клей холодного отверждения.
Однако клею холодного отверждения присущи определенные недо-
статки, затрудняющие изготовление высококачественных преобра-
зователей. К ним относятся большая вязкость,, затрудняющая
создание тонких клеевых слоев, и малая жизнеспособность (при-
близительно 30 мин), что усложняет организацию сборки резо-
наторов в крупносерийном производстве.
Применение некоторых технологических приемов позволяет
уменьшить упомянутые недостатки. В числе таких приемов могут
быть названы предварительная сушка эпоксидной смолы при тем-
пературе 120—150 °C до прекращения вспенивания и выделения
газовых пузырей с последующим ее охлаждением; использование
в качестве отвердителя полиэтиленполиамина, а также введение
растворителя (ацетона). Добавление ацетона не только уменьшает
в 2—3 раза вязкость компаунда, но и увеличивает его жизнеспо-
собность до 24 ч при хранении компаунда в плотно закрытой емко-
сти. При соблюдении обычной технологии склеивания, но с обяза-
тельной предварительной выдержкой (10—15 с) на воздухе по-
верхности с нанесенным клеем для- свободного улетучивания раз-
бавителя снижения прочности клеевых соединений не наблюдается
при введении разбавителя до 30 % по отношению к смоле.
Хорошо себя зарекомендовал при сборке резонаторов клей
холодного отверждения ПД-20 (рецептура приведена в табл. 1,0).
Технология его приготовления и использования в гидроакустиче-
ской аппаратуре, работающей в условиях больших механических
деформаций, описана в литературе. Навеску эпоксидной смолы
помещают в фарфоровый или металлический стакан и нагревают в
термостате до температуры 80—90 °C. Наполнитель (порошок ти-
таната бария, предварительно размолотый в шаровой мельнице и
просеянный через сито) просушивают в термостате в течение 2 ч
при температуре 120—130°C. После охлаждения высушенного
наполнителя до температуры 80—90 °C его вводят в смолу при
постоянном перемешивании стеклянной палочкой или текстолито-
237
вым стержнем. Перемешанную' с наполнителем смолу подвергают
вакуумированию для удаления воздушных1 включений в вакуумном-
термостате при температуре ,80—90 °C в течение 20—25 мин/При-
готовленная таким образом ма'сса в охлажденном до температуры
20°C состоянии может храниться,в герметичных сосудах длитель-
ное время. Перед употреблением массу перемешивают, берут необ-
ходимое количество для склеивания й затем добавляют отверди,-
тель (полиэтиленполиамин). /С добавленным отвердителем1 жизне-
способность массы при температуре 20 °C сохраняется в течение
40—60 мин. Пьезокерамические детали обезжиривают спиртобен-
зиновой смесью. При склейке детали укладываю^в-'приспособле-
ние, обеспечивающее давление в склеиваемом'шве (5—8)104 .Паи
'толщину клеевого шва 80—120- мкм.' Отверждение клеевого шва
происходит при температуре 20±5°С в течение 48 ч.,
Наряду с применением клея холодного отвержДенйя,. для повы-
шения механической прочности склеенного резонатора применяют
и другие дополнительные меры. Например, удаляют металлическое:
покрытие с протектора со всей его поверхности, за исключением
узкой полоскщ к которой припаивают проводник, осуществляю-
щий подвод одного из потенциалов (как правило, нулевого) от
электронного прибора. В этом: случае клеящий компаунд сцепля-
ется по всей поверхности с материалом протектора, и только по-
узкой полоске склеивание производится с металлическим покры-
тием. Для улучшения адгезии металлического электрода с пьезо-
, керамикой выполняют предварительное лужение пьезоэлемента без;
. применения флюса сплавом Pb—Cd—Bi с температурой плавления
91 °C. Иногда-применяют и более сложные меры, такие, как УЗ
пайка, лужение и т. д. '
Подчеркнем, что склеивание резонатора обязательно произво-
дится в специальном приспособлении, обеспечивающем необходи-
мое прижимное усилие. Конструкция приспособления должна от-
вечать особенностям конструктивного исполнения демпфера, так
как протектор в прямых совмещенных преобразователях представ-
ляет собой плоскопараллельную пластинку и не создает никаких'
затруднений при склеивании. В демпфере же. для уменьшения
амплитуды импульсов, отраженных от противоположной пьезоэле-
менту грани, последняя выполняется не параллельной грани, нахо-1-
дящейся в контакте с пьезоэлементом. Иногда демпфер имеет и
более сложную, например коническую, форму. Поэтому-при' соз-
дании прижимного приспособления должны быть приняты специ-
альные меры для обеспечения равномерного прижима, устранения:
перекосов и т. д. Более того, в электропроводящих демпферах на
противоположной пьезоэлементу поверхности предусматривается
специальный штырек для припайки провода, подводящего (сни-
мающего) электрический потенциал с пьезоэлемента. Таким обра-
зом, склеивание резонатора при использовании твердых демпферов;
требует применения достаточно'Сложных приспособлений. Тем не.-
менее, поскольку такие демпферы обеспечивают наиболее хоро-
шее демпфирование, они' находят широкое- Применение/; '
238'
Склеенный резонатор <размещают В корпусе преобразователя и
фиксируют с помощью заливки какой-либо подходящей по харак-
теристикам заливочной массой.
1 Гораздо более‘.простой оказывается технология сборки пьезо-
преобразователя при использовании1 не приклеенного демпфера, а
заливного на базе- эпоксидной смолы с наполнителем, так как и
технология изготовления самой демпфирующей Массы весьма не-
сложна, и отсутствует необходимость приклеивания демпфера.
Кроме того, операция* фиксации' резонатора в корпусе совмеща-
ется с операцией заливки демпфера.
Однако при такой технологий очень часто происходит отрыв
демпфера от пьезопластины, так-как усадка в центральной части
сильнее, чем на краях. В результате этого центральная часть демп-
фера. отрывается от пьезоэлемента и не выполняет своих функций.
Поэтому более надежна технология изготовления демпфера как
самостоятельной детали, его старение, шлифование контактной
поверхности и приклеивание к: пьезопластине.
В исходную эпоксидную смолу вводят пластификатор (тиокол
и полиэфир) и смесь тщательно перемешивают. Затем взвешивают
и засыпают наполнитель (вольфрам,''сурик, Окись свинца и т. д.).
После перемешивания смеси до однородной консистенции непосред-
ственно перед заливкой пьезопреобразователя (за 5—7 мин) в нее
добавляют отвердитель из расчета 7—10 г на 100 г смолы (поли-
этиленполиамины). Поверхности пьезопластины И корпуса обезжи-
ривают, корпус устанавливают в приспособление, После чего про-
изводят заливку. Полимеризация заливочной массы продолжается
свыше 24 ч при температуре 20 °C. В зависимости от необходимой
степени демпфирования используют различные смеси, В качестве
Примера приведем состав1 нескольких смесей (табл. 11).
Для достижения максимального демпфирования применяют на-
полнитель из..тяжелого металла (вольфрама) с процентным содер-
жанием в смеси до 70 (при более высоком содержании наполни-
теля масса становится непластичной). Для дальнейшего повыше-
ния демпфирующих свойств^ демпфер -во1 время полимеризации
помещают на вибростенд или. центрифугу, в результате чего тяже-
лые частицы наполнителя сосредоточиваются вблизи той области
демпфера,, которая примыкает к пьезопластине (см. и. 1 гл. VIII).
Таблица 11
№ смеси Смола ЭД-20, Наполнитель, % Прочие материалы, %
1 .70 Сурик свинцовый 30 .—-
2 30 Сурик свинцовый 70
7 50 Окись свийца 50
8' 19 Вольфрам 66, сурик свинцовый 9 Полиэфир 2, тиокол 4
. 10 44 Вольфрам 40, сурик свинцовый 11 Полиэфир 2, тиокол 3
Примечание. В качестве отвердителя используется полиэтиленполиамин.
239
Если демпфер изготовляют из текстолита, то для расширения
рабочего температурного диапазона преобразователей в сторону
отрицательных температур может быть использована специальная
технология склеивания. Пьезоэлемент с припаянными контактами,
протектор и демпфер предварительно смазывают клеем № 88,
затем детали сушат под марлей, а потом помещают в термошкаф
на 1ч при температуре 60 °C. Эту операцию повторяют 3 раза,
после чего детали собирают в приспособлении в узел и выдержи-
вают в термошкафу в течение 2,5—3 ч при температуре 70 °C.
Фиксация резонатора в корпусепроизводится . заливйой клея
К-153. Хорошие клеевые швы в резонаторе получаются также [55]
при использовании лака ГЭН-150, растворенного в смеси бутил-
ацетата с ацетоном. Раствор состоит из бутилацетата, ацетона и
лака ГЭН-150 (соответственно 40, 40 и 20 частей по массе). Со-
бранные по такой технологии нреобразователи обеспечивают рабо-
чий температурный диапазон —20±±40°С.
После склеивания резонатора и его фиксации в корпусе выпол-
няется последняя технологическая операция —притирка протек-
тора, т. е. обеспечение плоскостности его поверхности, обращенной
к объекту контроля. Необходимость этой операции обусловлена
тем, что при полимеризации компаунда за счет усадки происходит
деформация тонкого протектора, в результате которой его поверх-
ность становится неплоской, что приводит -к появлению дополни-
тельного слоя контактной срёды между преобразователем и изде-
лием, влияющего на акустическое поле преобразователя.
В заключение остановимся на некоторых общих требованиях,
предъявляемых к клеящим массам и компаундам, используемым
при сборке УЗ преобразователей. К ним в первую очередь следует
отнести требование малой усадки при полимеризации, близость
коэффициентов линейного расширения клеев, компаундов и мате-
риалов склеиваемых деталей резонатора, возможность получения
тонких слоев, сохраняющих прочность соединения, достаточно ши-
рокую температурную область сохранения прочности соединения,
сопротивление старению (снижению со временем когезионных и
адгезионных свойств клея).
Обычно клей классифицируют по принадлежности основного
компонента к термореактивным или термопластичным полимерам.
Первые (фенолоформальдегидные, эпоксидные и пр.) дают высоко-
прочные, теплостойкие клеевые соединения. Вторым (полиамиды,
производные акриловой и метакриловой кислот и др.) свойственны
эластичность, относительно невысокая термостойкость (100—-
150 °C) и низшая механическая прочность. Так как УЗ преобра-
зователи по условиям эксплуатации не испытывают больших ста-
тических механических напряжений, а температурный рабочий
диапазон и условия транспортирования не превышают —40±
±60 С, то наиболее существенными оказываются не абсолютные
значения тех или других параметров,. а их стойкость к динамиче-
ским воздействиям и особенно к перепадам температуры, так как,,
к сожалению, температурные коэффициенты линейного расширения
240
клеящих масс и элементов конструкции прямых преобразователей
значительно различаются:
а-10’, град-1
Цинк............................. ................. 30
Алюминий............................................ 24
Серебро . . . 19,7
Медь.............................................. 17
Сталь................................................. П
Стекло.............................................. 8,8—12
Фарфор.............................. .............. 2,5—4,5
Кварц.............................................. 0,5
Пьезокерамика................................... 4,6—7,5
Органическое стекло . . . . .............. ... . 80—90
Эпоксидная смола................................... 60—70
Полиэфиры. . . .................................. 80—100
Фенолоформальдегидная смола.......................... 25—60
Карбамидная смола.................................... 25—30
Хлоркаучук....................... . . .......... 120—130
Норакрил 100 ....................................... 70—80
Капролон......................................... 100—110
С этой точки зрения использование термопластичных полиме-
ров следует признать предпочтительным, хотя, как уже отмеча-
лось, наибольшее распространение при сборке преобразователей
получили эпоксидные клеи, относящиеся к группе термореактив-
ных полимеров.
Технология склеивания термопластичным клеем более про-
стая, чем термореактивным. Если" режим склеивания после подго-
товки поверхности органического стекла эпоксидным клеем тре-
бовал температуры 70—80 °C и давления 500—1.000 Па, то норакри-
лом можно клеить при температуре 20 °C без давления.
Исследования стойкости клеевого соединения к циклическим
перепадам температур (выдержка в нагревательной печи в тече-
ние 1 ч при 50 °C, а затем охлаждение при температуре —10 °C
в течение 1 ч) показали, что предел прочности клеевого слоя
компаунда К-115 снижается до нуля при 10—-12 циклах. Разру-
шение всегда происходило по границе раздела органическое стек-
ло— клеевой слой. В случае работы с норакрилом после 24 циклов
предел прочности снижался лишь вдвое, а разрушение происхо-
дило как по клеевому шву, так и по границам 'раздела.
Кроме того, важной особенностью условий эксплуатации клея-
щей массы в УЗ преобразователях является воздействие упругих
колебаний на клеевой слой во время работы преобразователя.
Обычно ухудшение свойств клеящей массы не учитывается. Тем
не менее, как показали эксперименты, эти эффекты оказываются
весьма существенными.
При УЗ воздействии на пьёзопластину диаметром 12 мм с ре-
зонансной частотой 2,5 МГц импульсов амплитудой 170 В с часто-
той следования 31 кГц.было обнаружено неодинаковое уменьше-
ние прочности разных адгезивов. Предел прочности компаунда
снижается быстрее, и, следовательно, норакрил долговечнее, чем
241
эпоксидный компаунд; Предел прочности п&слё 500 ч работы у ком-
паунда K-Пб уменьшился почти в 10 раз,- а у Норакрила йрактиче-
ски остался неизменным:. Предел прочности адгезива, контрольных
образцов, -не подвергшихся вибрационному воздействию, не .изме-
нялся в течение 10 мес. и составлял 80 и 45-10s Па для нор акрила
и компаунда соответственно'. Низкое абсолютное значение предела
прочности" -эпоксидного клея можно объяснить его малой адгезией
к органическому стеклу.. Отметим, что как показал эксперимент,
при использовании- норакрила разрыв шел по самому' клеевому
слою, а для компаунда К-115 — по поверхности клеевой слой —
органическое стекло.
Таким образом, для многих'типов преобразователей нор акрил
может с успехом заменить- эпоксидные клеи. Кроме Того, большим
достоинством норакрила является весьма малое, время 'отвержде-
ния (всего 20—30 мин при' температуре .20°C), а также обнару-
женный экспериментально малый, по сравнению с- эпоксидным
компаундом, разброс пределов прочности клеевых соединений. По-
следнее обстоятельство' свидетельствует о невысокой критичности С
качества клеевого шва в зависимости от условий склеивания.
2. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАКЛОННЫХ
СОВМЕЩЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
При изготовлении наклонных преобразователей необходимо
принимать во внимание общие, соображения, изложенные1 в пре-
дыдущем параграфе. Кроме того, появляются дополнительные
факторы, связанные со спецификой конструкций наклонных преоб-
разователей (наличие призмы, менее жесткие требования к демп-
феру и т. д.).
Наиболее простыми с точки зрения технологии сборки явля-
ются наклонные преобразователи, в которых пьезопластина при-
жимается к призме через жидкую смазку (масло). Однако отме-
чавшиеся их недостатки — сложность конструкции, высыхание,
масла, адсорбирование, масла микропорами пьезокерамики, сни-
жающее ее пьезомодуль, частые поломки пьезоэлемента делают
такую конструкцию нежелательной. Поэтому в последниё годы наи- •
большее распространение находят наклонные преобразователи с
жестким клеевым соединением пьезопластины с призмой. При этом
в зависимости от материала призмы для обеспечения лучшей адге-
зии технология сборки преобразователей имеет те или другие-осо-
бенности.
Прежде чем приступить к анализу технологии сборки, отме-
тим, что чрезвычайно большое влияние на качество работы пре-
образователей оказывает наличие несплошностей в материале приз-
мы или клеевом соединении. С этой точки зрения преимущество-
следует отдавать материалам, оптически 'прозрачным в видимом
диапазоне спектра. В противном случае заготовки призм следует
подвергать неразрушающему контролю. Эти особенно существец-
242
но.,при использовании'В качестве призм новых, полимер пых мате-
риалов -г. капролона, поликарбоната и др.
Органическое стекло, широко применяемое в качестве -материа-
ла призм, оптически прозрачно. Однако адгезия к нему эпоксид-
ных клеев,, как уже отмечало,сь, невысока и еще более ухудша-
ется при воздействии перепадов температур. Наихудшее качество
клеевого шва получается при использовании смолы ЭД-6. Не-
сколько лучших, результатов при рабочем диапазоне температур
-|-Б-т-±40?С можно, достичь, используя эпоксидные компаунды-
Д-139, К-153, К-300. Для увеличения диапазона рабочих темпера-
тур до —20 °C рекомендуется [55] приклеивать пьезопластину к
призме из органического стекла и призму к протектору клеем
БФ-4, а фиксацию призмы в корпусе осуществлять с помощью
заливки компаундом К-153. Все склеиваемые поверхности предва-
рительно обезжиривают в бензине, дважды и обезвоживают в спир-
те, а поверхности деталей (кроме керамики) загрубляют шлифова-
нием без нарушения плоскостности. Склеивание., пакета пьезопла-
стина— призма — протектор (если он есть) производят в фикси-
рующем эти детали приспособлении, помещенном в термошкафу,
при температуре 70 °C в течение 4 ч.
В конструкциях, не предназначенных для работы при низких
температурах, при тех же склеиваемых элементах срок службы
преобразователей можно значительно увеличить,' добавив в состав
клея дихлорэтан. Дихлорэтан хорошо клеит органическое стекло,
поэтому улучшается, его адгезия, к пьезокерамике и металлу.
Наклонные ,преобразователи обычно не .имеют демпфера. Од-
нако часто для герметизации пьезопластину заливают, сверху той
же клеёной композицией, которой осуществляют приклейку пла-
стины к призме. В этом случае возникает опасность отрыва пла-
стины от призмы ,в результате усадки герметизирующей массы,
плотно склеивающейся с пластиной. Для предотвращения этого на
неизлучающую часть пластины предварительно накладывают не-,
проводящий ультразвук эластичный материал (пробку, пенопласт),
на который ложится герметизирующая масса.
Клеевую композицию готовят следующего состава .(в частях
ПО массе):, 100.смолы, 12 отвердителя и 8 дихлорэтана. Не реко-
мендуется готовить сразу более 5 г.клея, так как у него .при
выстаивании повышается вязкость. Более радикального улучшения
адгезии, как уже отмечалось, можно достичь, при замене эпоксид-
ных компаундов на термопластичные клеи.
: Специального рассмотрения ' требует вопрос создания надеж-
ного клеевого соединения ’ между пьезопластиной и призмой, когда
последняя изготовлена', не из органического стекла, а из других
полимерных-материалов с улучшенными характеристиками, так как
каждый новый такой материал требует своей технологии склейки.
Наиболее подробно' исследована технология склейки пьезопла-
'стины с призмой из капролона, используемой в.наклонных преобра-
зователях. После механической обработки, материал призмы про-
мывают в щелочном растворе в течение 15—20 мин. Затем призму
243
подвергают термообработке нагревом ее до температуры, доста-
точной для снятия внутренних. напряжений. После этого перед
склеиванием пьезопластины с призмой последовательно произво-
дят обработку призмы водой при температуре ее кипения в тече-
ние 2,5—3 ч и химическую обработку призмы щелочным раствором
в течение 1 ч. Далее призму промывают водой при температуре
не ниже 70 °C в течение 1,5 ч, а затем высушивают при темпера-
туре не менее 100° в течение 1 ч с последующим остыванием в-
термопечи до температуры окружающей среды. После такой под-
готовки призму склеивают с пьезоэлементом. Для этого доводят
температуру призмы до температуры разжиженного эпоксидного-
клея, обезжиривают склеиваемую' поверхность спиртом, пропиты-
вают ее клеем, а затем в фиксирующем приспособлении произво-
дят склейку. Призму с приклеенной пьезопластиной нагревают в-
приспособлении до температуры 50—60 °C, а затем заливают демп-
фирующей массой.
Готовый пьезопреобразователь подвергают термической обра-
ботке в течение 8 ч при температуре 80 °C с последующим осты-
ванием в термопечи до температуры окружающей среды. Такая
процедура способствует нормализации клеевого шва.
Химическая обработка призмы водой и щелочью способствует
образованию «микросот» в склеиваемой поверхности в результате
взаимодействия воды с метиленовыми группами, составляющими
структуру полимера. Вода вымывает эти группы и создает «микро-
соты», куда хорошо проникает клей. Предварительная пропитка
клеем способствует заполнению этих микросот клеем, что сокра-
щает время, необходимое для создания стабильного акустического
контакта.
При изготовлении разборных преобразователей, состоящих из
призмы и сменных вкладышей, технология сборки достаточно про-
ста. Непосредственно вкладыш, состоящий из пьезоэлемента, демп-
фера и согласующего слоя (протектора), изготовляют по той же
технологии, что и прямые совмещенные преобразователи. При
этом требования к элементам конструкции и технологии сохраня-
ются. Затем вкладыш закрепляют на призме с помощью тех или
других креплений, предусмотренных конструкцией. Акустический
контакт между вкладышем и призмой в таких пьезопреобразова-
телях обычно осуществляется через слой масла.
3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАЗДЕЛЬНО-
СОВМЕЩЕННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Технология изготовления PC-преобразователей состоит из трех
этапов: изготовление каждой из половин резонатора, сборка резо-
натора и размещение и закрепление резонатора в корпусе преоб-
разователя. Под резонатором, как и раньше, подразумевается узел,
осуществляющий прямое и обратное преобразование электриче-
ской и упругой энергии. Он включает в себя две призмы с при-
клеенными к ним пьезоэлементами и электроакустический экран,
244
обеспечивающий электрическую и акустическую развязки пере-
дающей и приемной половин. Геометрия призм, определяемая
функциональным назначением преобразователя, была рассмотрена
выше. В качестве материала призм PC-преобразователей выби-
рают те же материалы, что и в наклонных преобразователях, по-
этому технология подготовки пьезоэлементов склеивания их с
призмами ничем не отличается от технологии, рассмотренной в
предыдущих параграфах.
Особенности технологии начинают проявляться на этапе сборки
преобразователей. Первая из особенностей относится к изготовле-
нию электроакустического экрана. Он должен включать элементы
электрического и акустического экранирования, так как обычно в-
одном элементе не удается совместить электрические и акустиче-
ские изолирующие свойства. Хорошие электроакустические экраны
получаются при использовании металлической фольги, на которую-
наклеиваются листки синтетической кожи СК-4 (непротекс) или-
вспененного пенополистирола. Этот материал получается следую-
щим образом.
Гранулированный полистирол небольшими порциями засыпают
в ванну с водой при температуре кипения. При постоянном поме-
шивании материал выдерживают 1—5 мин до активного вспенива-
ния. Затем вспененные гранулы засыпают в форму на 0,75 'ее объе-
ма, плотно закрывают крышкой и погружают на один час в термо-
статирующую жидкость, обеспечивающую температуру около-
100 °C. С повышением температуры длительности выдержки может
быть уменьшена. Далее форму охлаждают под струей холодной-
воды.
Разделку получившегося пласта осуществляют с помощью тонко
режущего инструмента. Например, на заводе «Электроточприбор»
используют специальное приспособление, представляющее собой
натянутый тонкий нихромовый провод, по которому протекает ток.
Силу тока выбирают такой, чтобы обеспечить температуру види-
мого покраснения нихрома. Полученные пластинки закладывают
в пресс-форму, обжимают до нужного размера и выдеживают в-
термостате при температуре 130—140 °C около получаса, после чего-
пресс-форма охлаждается. Как правило, для получения качест-
венного экрана его конечная толщина должна быть меньше исход-
ной в 5—8 раз. Затем осуществляют сборку экрана.‘Для этого на-
металлическую фольгу с обеих сторон наклеивают пластинки по-
лученного материала.
Следующая технологическая операция заключается в сборке
резонатора, которая осуществляется в специальном приспособле-
нии, обеспечивающем прижим призм к экрану, взаимную ориен-
тацию обеих половин резонаторов, а также размещение в одной
плоскости обеих торцевых поверхностей призм.
Склеенные резонаторы перед заливкой фиксируются в корпусе.
Особое внимание при этом должно быть обращено на необходи-
мость обеспечения симметричности резонатора в корпусе и совпа-
дения излучающей и принимающей плоскостей призм с рабочей
245.
плоскостью корпуса. Так, как последнее обстоятельство значитель-
но' влияет. на эксплуатационные характеристики преобразователя,
иногда целесообразна специальная технологическая операция, соз-
дающая плоскостность— притирка на приспособлении или станоч-
ная торцовка. ,
Все операции приклеивания и заливки РС-преобразователей
производят теми же клеящими. массами и по той же технологии,
что и при . изготовлении, наклонных преобразователей.
•I.
, Глава X
ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И УСИЛЕНИЯ
СНИМАЕМЫХ С НИХ СИГНАЛОВ
1. СХЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Основными элементами генератора зондирующих импульсов;
являются колебательный контур, включающий передающий пьезо-
элемент, и электронная схема, обеспечивающая генерацию корот-
ких импульсов той или иной формы, заполненных высокочастот-
ными колебаниями [13]. Наибольшее распространение получили ге-
нераторы ударного возбуждения. Схема простейшего генератора*
такого типа приведена на рис. .101. Колебательный контур состоит-
из пьезоэлемента П, катушки, индуктивности £в и шунтирующего*
резистора /?в. Изменением индуктивности Lb подбирают требуемую,
частоту заполнения генерируемого импульса, а регулировкой
обеспечивают необходимую добротность контура. Накопительный-
конденсатор Сн быстро разряжается через тиристор VD при пода-
'че на его. электрод пускового импульса C7san- Амплитуда генери-
руемого импульса зависит от напряжения Е, а также от постоян-
ной времени зарядной цепи, определяемой сопротивлением балла-
стного резистора 7?н и емкостью накопительного конденсатора Сн..
Увеличение указанных параметров .ограничивается частотой повто-
рения зондирующих импульсов, так-как с ее ростом конденсатор*
Сн не успевает полностью зарядиться. Питающее напряжение опре-
деляется типом применяемых тиристоров. В современных прибо-
рах обычно используют схемы с удвоением, позволяющие повысить.
амплитуду зондирующих импульсов.
Существенным недостатком генератора ударного возбуждения*
является несоответствие очень высокой частоты первого полуперио-
да колебаний (собственно удара) основной частоте требуемых ко-
лебаний. Это вызывает снижение коэффициента полезного дейст-
вия и расширение спектра частот. Поэтому в некоторых приборах
используют схемы получения зондирующих импульсов произволь-
ной формы, например, колоколообразной, '
которая характеризуется наиболее узким I
спектральным составом при заданной
длительности.
Перспективно применение генерато-
ров, вырабатывающих длительные им-
пульсы с последующим - сжатием прини-
Рис. 101. Схема генератора зондирующих им-
пульсов
24Т .
Рве. 102. Электроакустический тракт толщиномера УТ-31ЛЩ;
транзисторы VTI — КТ361Г; VT2. VT6 — KT342B; VT3 — ГТ310Б; VT4— КТ316В; VT6 —
диоды VD1 — КУ104Г; VD2— КС162А; а-—схема, связанная с пьезоизлучателем;
б.— с пьезопрнемником
маемых отраженных сигналов до одного-двух полупериодов, в ре-
зультате которого амплитуды принимаемых сигналов увеличивают-
ся за счет увеличения мощности излучаемого импульса при сохра-
нении небольшой амплитуды колебаний генератора и высокой раз-
решающей способности аппаратуры. Дополнительные возможности
нри этом открываются при использовании фазовой модуляции из-
лучаемого длительного сигнала с оптимальной фильтрацией прини-
маемых сигналов, позволяющей отстроиться от шумов элементов
электронной схемы прибора.
На рис. 102 показана схема электроакустического тракта пор-
тативного ^толщиномера УТ-31МЦ [31], рассчитанная на работу
со стандартным РС-пьезопреобразователем с собственной резо-
нансной частотой 2,5 МГц. Отличительной особенностью схемы яв-
ляется то, что генератор, возбуждающий пьезоэлемент, выполнен
на миниатюрном быстродействующем тиристоре КУ104Г, а зада-
ющий генератор-синхронизатор на ’ блокинг-генераторе VT2 одно-
временно выполняет функцию -схемы задержки, компенсирующей
время пробега УЗ импульсов по призмам пьезопреобразователя
(длительность импульса блокинг-генератора выбирается равной
этому времени). Короткий импульс, соответствующий по времени
•спаду импульса блокинг-генератора, снимается с выхода 1.
Широкая полоса рабочих частот и апериодичность НТП, ПВТП
и НПВТП позволяют излучать и принимать без искажений ультра-
короткие (до. единиц наносекунд) УЗ импульсы. Кроме того, на
•основе НТП, ПВТП и НПВТП можно создавать УЗ аппаратуру с
плавной ручной и автоматической перестройкой рабочей частоты
в широком диапазоне без смены преобразователей.
Специфической особенностью всех типов толстых пьезопреобра-
зователей является то, что их возможности, перечисленные выше,
реализуются в полной мере лишь тогда, когда они при приеме УЗ
волн работают в режиме, близком к короткому замыканию.
В связи с этим для экспериментального исследования ‘НТП,
248
ПВТП и НПВТП, 'а"также дйЯ их практического применения в УЗ
•аппаратуре оказалось необходимым разработать электронные схе-
|.мы возбуждения преобразователей в режиме излучения и схемы
усиления сигналов,.снимаемых с них в режиме приема, отвечающие
специфике применения этих преобразователей. Подобные схемы
описаны в п. 3 этой (главы.
-2. ВХОДНЫЕ ЦЕПИ И КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ СИГНАЛОВ
Приемно-усилительный тракт УЗ прибора содержит предусили-
тель, измеритель амплитуд (сигналов, .усилитель высокой частоты,
•детектор и;®идеоуоилитеодь [13]. Предусилитель обеспечивает согла-
сование умилительного тракта <с приемным преобразователем. '.Он
содержит ‘ограничитель -амплитуды; гиредо^р-аняющий усилитель от
перегрузок, связанных с воздействием' .фондирующего- импульса
(в тех случаях, когда преобразователь включен по совмещенной
схеме). При этом сигналы небольшой амплитуды практически не
искажаются. .Работа ограничителя обычно основана на том, что
сопротивление кремниевого диода резко уменьшается, когда напря-
жение на нем, действующее в прямом направлении, превосходит
0,5 В. При этом ограничительные элементы (диоды) шунтируют
как положительный, так и отрицательный полупериоды зондиру-
ющего импульса. Недостатком такой схемы является то, что шун-
тирование искажает принимаемые сигналы большой амплитуды.
Этот недостаток можно исправить, вводя цепочку из нескольких
последовательно включенных диодов.
Входное сопротивление предусилителя должно быть согласо-
вано с выходным сопротивлением преобразователя с учетом под-
ключенного к нему колебательного контура. Для достижения мак-
симальной чувствительности их импедансы должны быть примерно
равны. При настройке контура в резонанс с пьезопластиной актив-
ное сопротивление преобразователя составляет 20-—60 Ом в зави-
симости от частоты и акустической нагрузки. В этих условиях соп-
ротивление на входе усилителя не должно превышать 50—100 Ом.
Тепловые шумы предусилителя должны быть) меньше, чем в пре-
образователе. Однако тепловые шумы обычно не превосходят
шумов акустического происхождения.
Низкое входное сопротивление пьезопреобразователя позволи-
ло [31] сделать вывод, что в импульсных дефектоскопах и толщи-
номерах выгоднее применять усилители тока, а не напряжения.
Для получения одинакового напряжения на выходе усилителя тре-
буется на один-два порядка меньшее усилие -по токХу, чем по на-
пряжению. Однако практическое подтверждениие этот вывод полу-
чил пока только в схемах импульсных толщиномеров с апериоди-
ческим преобразователем, а .в других импульсных приборах при-
меняют усилители напряжения.
Амплитуды сигналов чаще всего измеряют с помощью калибро-
ванного делителя напряжения—-аттенюатора. .При этом сравни-
вают амплитуды двух или нескольких (сигналов -в относительных
9 Зак. 925 . 249
Рис. 108. Схема одной ступени.. 1 узкополосного диффе-
, ренциального усилителя
единицах. За единицу (0 дБ) обычно'
принимают максимальный сигнал, соот-
ветствующий амплитуде 'i акустического,
зондирующего импульса (иногда за еди-
ницу принимают, амплитуды других сиг-
налов,-например, донного. сигнала для
контролируемого'изделия). ’ Аттенюатор
располагают вблизи, входа приемно-уси-
лительного тракта для того, чтобы иска-
жение .амплитуд поступивших сигналов
- было минимальным., Требуемый диапазон измерения 80—120 дБ.
В посреднее время'разработаны автоматические измерители амп-
литуды с цифровым выходом.:. .
, /. ' .Усилители высокой частоты применяют двух типов: узкополос-
ные й широкополосные. Первые обладают высокой помехоустойчи-
востью, поэтому их применяют более широко. Полосу пропускания
выбирают не менее 0,2/о (где ^—-резонансная частота), что обес?
'печивает минимальные искажения принятых сигналов в приемном
тракте. Коэффициент-усиления узкополосных схем в современных
приборах достигает 80—90 дБ. Поскольку сигнал для дальнейшей'
•обработки должен иметь амплитуду порядка 1 - В;' минимальное
.значение сигнала на входе усилителя должно/ быть не менее
Л0~4 В. Коэффициент усиления широкополосных усилителей при-'
мерно на. порядок меньше. Как правило, применяют дифференци-
альные ступени усиления (рис. 103), обеспечивающие широкий
(примерно 30 дБ.) динамический диапазон и высокую стабильность,
коэффициента усиления. Недостатком узкополосных усилителей
.является необходимость перестройки частотного диапазона при
изменении . рабочей частоты - прибора. В этом отношении -имеют
преимущество широкополосные усилители, хотя они более сложны
и обладают худшей помехоустойчивостью. . '
• Усиленные высокочастотные сигналы поступают к детектору,.
. на нагрузке которого, выделяются огибающие- радиоимпульсов..
Продетектированные сигналы поступают на видеоусилитель с ко-1
эффициентом усиления приблизительно 20—30 .дБ. В некоторых ,
приборах;предусмотрена возможность наблюдения на электронно-
лучевом индикаторе, непродетектированных сигналов- с радиоча-
стотным заполнением. 1 = < .
Важной -характеристикой усилителя является.его динамический ,
диапазон, т., .е. отношение амплитуд • максимального и. минималь-
ного сигналов, усиливаемых, без искажения. Приборы .с большим'
динамическим диапазоном позволяют правильно оценить соотноше-
ние амплитуд сигналов наэкране'электронно-душевого индикатора
даже без применения аттенюатора; Максимальный динамический
диапазон имеют логарифмические усилители, у которых. амплиту-
да сигнала на выходе пропорциональна логарифму отношения ам-
плитуд принимаемых сигналов. - , ' " ' :
.260 ••
' Помимо калиброванного аттенюатора, амплитуду сигналов им-
пульсных дефектоскопов можно измерить и другими регуляторами
чувствительности. К ним относят регулятор, амплитуды зондиру-
ющего импульса, некалиброванный регулятор чувствительности
усилителя, систему временной-регулировки чувствительности и; ре-
гулятор-отсечки. Регулятор отсечки изменяет потенциал Порогово-
го, уровня отпирания детектора. Благодаря этому отсекаются все
импульсы, ‘ амплитуды которых меньше выбранной.' Применение от?
-сечки искажает реальное соотношение амплитуд пр одетектиров эн-
ных' сигналов и сужает динамический диапазон ..усилителя при-
>бора. В связи -с этим ^разработана система компенсированной от-
-сечки, которая,обеспечивает восстановление амплитуды отсеченно-
го сигнала, др первоначального'Значения. Очевидно, что .подобная
-схема‘позволяет'оценить амплитуды 'отраженных сигналов по экра-
ну электронно-лучевого индикатора даже при включении отсечки.'
Система временной .’регулировки, чувствительности \ (правильнее
-ее назвать, системой временной; автоматической. регулировки уси-
ления) предназначена для генерирования электрического, сигнала
-определенной формы, с помощью которого. изменяется во времени
усиление одной или нескольких ступеней, приемно-усилительного
тракта. Вызвано , это, как уже указывалось, необходимостью ком-,
ленсировать ослабление -УЗ волн в контролируемом изделии, обус-
ловленное их ^'фракционным расхождением и затуханием. Исходя
из этого закон изменения усиления должен; быть обратным’ закону ’
убывания амплитуд' отраженных сигналов от одинаковых по раз-
мерам дефектов по мере их удаления от преобразователя. ,. .
3. ПРИМЕНЕНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ ТОКА С МАЛЫМ ВХОДНЫМ
СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Как отмечалось в гл. V, НТП, ПВТП и НПВТП широкополое;
ян и ^периодичны в режиме приема только в., том случае, если они
нагружены на. малое (в пределе .равное нулю) входное сопротив-
ление гвх усилителя, т., е. потоянная времени входной цепи усили-
теля Твх^СоГвх должна быть много меньше длительности излучае-
мых и. принимаемых УЗ импульсов. Так, например,'при длительно-
сти импульса 25—5.0 нс,, обеспечивающей разрешающую способ-
ность аппаратуры цо глубине по стали и. алюминию примерно
:'-.0,05—0,14 мм, Твх должна, быть. приблизительно 2,5—5 нс. Следо-
вательно,. при типичной, емкости пьезоэлемента Co« 100-4-300 пФ
гвх должно'быть ~10—50 Ом.;,Отсюда видно,, что шунтирование
входа широкополосного усилителя напряжения' столь малым соп-
ротивлением должно приводить к резкому уменьшению амплитуды
сигналов, снимаемых.,О преобразователя,-до 1—0,1 мВ [74], Это
крайне нежелательно на практике, так как требует, в свою оче-
редь, или увеличения коэффициента усиления до 105—106 при по-
лосе пропускания усилителя 50—80 МГц, или при сравнительно
умеренном коэффициента усиления (103—-104) применения возбуж-
дающего, генератора выходных импульсов, .наносекундной длитель-
9* 25]
Рис. 104. Принципиальная схема электроакустического тракта длд экспериментального ис-
следования поверхностно-возбуждаемых пьезопреобразователей:
VT1 — КТ3102Б: VT2, VT3—KT356; УП/— КУ104Г; VD3— VD5 — КДБ22А
ности с амплитудой 103-—104 В. И то и другое представляют при-
мерно одинаково большую трудность на практике и особенно в--
полупроводниковой электронике.
В связи с этим1 были разработаны схемы электроакустического-
тракта, отвечающие специфике применения НТП и лишенные-
указанных недостатков. В этих схемах применен широкополосный:
усилитель импульсов тока с входным сопротивлением порядка не-
скольких ом вместо усилителя напряжения, как это было до по-
следнего времени широко принято в УЗ' аппаратуре. Трудности в;
совмещении-одном-пьезопреобразователе выхода мощного гене-
ратора возбуждающих импульсов и усилителя с малым входным:,
сопротивлением преодолены введением на входе усилителя схемы
быстродействующего последовательного ограничителя «сверху»-
амплитуды импульсов тока.
Если вернуться к схеме электроакустического тракта толщино-
мера УТ-31М.Ц (см. рис. 102), рассчитанной на работу с обычным
резонансным PC пьезопреобразователем, то необходимо подчерк-
нуть, что и в этой схеме использован широкополосный компакт-
ный усилитель импульсов тока на четырех транзисторах VT3—
VT6 с входным сопротивлением порядка 3 Ом.
Полезно отметить, что в случае применения усилителя тока с-
малым входным сопротивлением исключается противоречие между
необходимостью уменьшения гЁХ и, как следствие, повышением ко-
эффициента усиления, как это имело место в случае применения
усилителя напряжения. Уменьшение гвх приводит только к "увели-
чению амплитуды тока или заряда, переносимого с пьезопреобра-
зователя на вход усилителя [31].
Принципиальная схема (рис. 104), с помощью которой прово-
дились многие описаяные выше эксперименты с ПВТП, НПВТП,.
ПВРП и НПВРП, состоит из генератора двухполярных импульсов
напряжения, выполненного на тиристоре VD1, задающего блокинг-
252
Рис. 106. Функциональная схема приемно-
передающего устройства:
I — задающий генератор; 2 — генератор ра-
диоимпульсов; 3 — ограничитель; 4 — усили-
тель; 5 — делитель частоты; б — генератор
стробирующих импульсов; 7— индикатор
выход Вход
генератора усилитем
5 р 6 -------------------------------->- 7
генератора на VT1, преобразователя тока в напряжение на повто-
рителе тока \’12 и повторителя напряжения VT3. Генератором
фиксируются импульсы амплитудой ± (40—50) В и длительно-
стью 30—75 нс.
. Коэффициент преобразования схемы на VT2, VT3 равен сопг
ротивлению резистора R1. Повторитель тока VT2 имеет входное
сопротивление порядка 6—7 Ом. На входе схемы стоит ограничи-
тель тока VD4, VD5.
Недостатком описанной схемы является невозможность генери-
рованиия коротких радиоимпульсов с определенным числом полу-
периодов заполняющих синусоидальных колебаний.
Этого недостатка лишена описанная ниже схема, которая так-
же использовалась для проведения многочисленных описанных
экспериментов' с ПВТП, НПВТП, ПВРП и НПВРП. На рис. 105
показана функциональная схема электроакустического тракта. За-
дающий генератор 1 формирует непрерывный синусоидальный сиг-
нал, из которого путем стробирования в генераторе 2 получаются
возбуждающие преобразователь радиоимпульсы. Сигналы, приня-
тые тем же преобразователем, пройдя амплитудный ограничитель 3,
поступают на усилитель 4, а затем на индикаторное устройство
7. Ограничитель 3 не влияет на прохождение принятого сигнала,
но препятствует попаддниию возбуждающего импульса на вход
усилителя. При работе устройства с отдельным приемным преобра-
зователем, сигнал от последнего подается непосредственно на вход
усилителя 4, а ограничитель отключается.
Делитель частоты 5 осуществляет деление частоты сигнала за-
дающего генератора в несколько сотен раз и задает период сле-
дования возбуждающих импульсов. Генератор 6 стробирующих
импульсов, запускаемый сигналом от Делителя частоты, вырабаты-
вает прямоугольные стробирующие импульсы, а также короткие
импульсы синхронизации для индикаторного устройства 7. Времен-
ное положение фронта стробоимпульса относительно момента при-
хода импульса запуска, а также длительность стробирующего им-
пульса могут регулироваться в широких пределах и независимо
друг от друга, что позволяет четко фазировать начало и конец
р ад иоимпульсов.
Принципиальная схема генератора, ограничителя и-усилителя
приемно-передающего устройства приведена на рис. 106.
На вход 1 от задающего генератора подается синусоидальное
напряжение амплитудой примерно 0,7 В, из которого формиру-
253
Рис. 106.' Принципиальная схема генератора, радиоимпульсов, ограничителя и усилителя электроакустического тракта:.
.W-VT3-KT363H:' УГ4—'КТ339Г;' КТ368А; Vf5.,.VT9, VT11 -.КТ310Б; VT7, VT3, VT10,~VT13-КТ313А;- VT12t- VT14-KW8S-' VT1S
КТ363Б; W/ff—KT325B;' УД7- КД223; VD! - КД31ГА,., VQ3, VD4-КД513А; VD5-VD8 - ВД522А . ' • v " Лхьиаь, V11S
: ются радиоимпульсы. На транзисторах. VT1—VT3 построен трех-
каскадный ключ. 'Стробирующий импульс положительной полярно-
сти и .амплитудой 10 В подается на вход 2. Для ослабления пара-
зитных выбросов напряжения, возникающих на выходе ключа - в
моменты его включения и выключения, в; цепь эмиттера транзи-
стора VT5 подаются компенсирующие сигналы. Цепь Rl, Cl, VD1,
С2; СЗ, R2 служит для формирования сигнала, компенсирующего
выброс от, фронта строб-импуЛьса, а цепь С4, R3, VD2, С5 — от
спада.,. , ,
С выхода каскада на, транзисторе VT5 радиоимпульсы посту-
.. пают на двухтактный усилитель мощности, выполненный' на тран-
зисторах VT6-—УТ13; Цепь R4, С6 корректирует усиление верхнего
(по схеме)- плеча усилителя в области верхней граничной частоты;
Диоды VD5—VJD6. подключают нагрузку' (пьезопреобразователь),
к выходу генератора лишь в .момент.- jдействия открывающего их
зондирующего- импульса.
. ’ Генератор при работе на емкостную нагрузку до- 300 пФ имеет
следующие параметры:
максимальная амплитуда выходного импульса 15 В;
' диапазон частот заполнения радиоимпульсов 100 кГц— 15 МГц;
। ' длительность фронта и спада импульсов 15 нс;
уровень выходного сигнала в, •паузе не . более —90 дБ по отцо-
• (пению к уровню сигнала в импуЛьсе.
у - Ограничитель.собран’на диоДах Г®7 и VD8. Уровень ограни-
чения выбран несколько большим максимально возможного уровня
., принимаемых сигналов. Усилитель VT14— VT16 имеет входное соп-
. ротивление приблизительно 3, Ом; коэффициент передачи 0,5 В/мА
в полосе частот 10 кГц—50 'М^ц;, .сила максимального входного
тока 5 мА. ' . , ,. .
: Ё практических' схемах. УЗ , приборов в качестве задающего
генератора; в электроакустическом тракте может быть применен
любой маломощный .высокочастотный генератор с перестраивае-
мой в требуемом диапазоне, -частотой. Генератором стробирующих
импульсов .может -'служить любой одновибратор с регулируемой
длительностью импульса, запускаемый от спада импульса такого
. же одновибратора. У -.
„.На рис. 37' показаны’юсцдллограммы сигналов на выходе гене*
. рато'ра, нагруженного да толстые цьёзопреобразователи различных
'" типов,' и сигналов на выходе усилителя, полученные в результате
: приема'соответствующих акустических'импульсов. На рисунке вид-
• но, что ПВТП, НПВТП-1 и НПВТП-2 вместе с описанной выше
, схемой электроакустического тракта практически без искажений
•- излучают и принимают УЗ. импульсы различной формы.
Как уже неоднократно,отмечалось выше, 'применение в элект?
" роакустическом тракте УЗ аппаратуры усилителей. тока с малым
входным, сопротивлением не только обеспечивает неискаженный
. прием УЗ импульсов,, но дает заметный выигрыш по сравнению с
усилителями напряжения в коэффициенте усиления. В работе [33]
проведен сравнительный анализ двух способов усиления сигналов
255
применительно к УЗ аппаратуре '(по току и напряжению) и выве-
дены расчетные формулы, позволяющие установить, какой из них
Предпочтительнее в Конкретных практических условиях. Так, на-
пример, получено, что для импедансного дефектоскопа при работе
на его низшей частоте (1 кГц) выгоДнее усиление по напряжению,
а при работе на высшей частоте (8 КГц) — усиленйе по току. В це-
лом, в усилителе импедансного-дефектоскопа выгоднее использо-
вать усиление по напряжению.
Пример, иллюстрирующий преимущество применения усилите-
лей тока в приборах с резонансным пьезопреобразователем на
частоты 5—10 МГц, приведен в работе [31].
В качестве третьего примера можно указать на целесообраз-
ность использования усилителя тока совместно с ТП, НТП, ПВТП
и 'НПВТП.
В работах [4, 52] - отмечается, что для воспроизведения формы
принимаемых коротких акустических импульсов необходим какой-
либо тйп толстого пьезопреобразователя, работающий в режиме
короткого замыкания. Для воспроизведения формы принимаемых
длинных акустических видеоимпульсов может быть использован ре-
зонансный пьезопреобразователь, работающий в режиме холостого
хода.
Например, с помощью пластины из ЦТС-19 толщиной 0,1 мм
можно воспроизводить видеоимпульсы с частотным спектром до
нескольких мегагерц. Такая возможность способствует решению
Задач приема -одиночных импульсов первичного' излучения акусти-
ческой эмиссии (без искажения их формы), что- может дать инфор-
мацию о происходящих в объекте процессах.
. Еще одним важным вопросом применения усилителей напряже-
ния и тока в УЗ приборах является вопрос помехоустойчивости
при приеме слабых сигналов. В работе [14] показано, что в зависи-
мости от типа основного шума (тепловой шум, дробовой эффект,
внешние и внутренние электрические и акустические домехи) наи-
большее отношение сипнал/шум может достигаться как в одном,
так и другом типе усилителя. Для выбора конкретного, типа уси-
лителя с точки зрения наилучшей помехоустойчивости надо знать
природу основного источника шумов. Так, например, если основ-
ным видом помех являются флуктуационные шумы (тепловой шум,
дробовой эффект) или помехи акустической природы , (ревербера-
ционные, структурные), то помёхоустойчивость усилителей обоих
типов примерно одинакова.-Если главный источник шумов — внеш-
ние близко расположенные сварочные устройства, контакторы
и т. д., то выгоднее использовать усилитель тока. Если основная
помеха — наводйа в усилителе за счет недостаточной развязки
цепей питания, то лучше применять усилитель напряжения.
Глава XI
ИЗМЕРЕНИЕ И КОНТРОЛЬ ХАРАКТЕРИСТИК
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗМЕРЕНИЙ
Для определения целей и задач измерений отметим особенно-
сти .разработки, изготовления и эксплуатации пьезопреобразовате-
ля как объекта измерения. В разработке преобразователей боль-
шой объем работ занимают экспериментальные наследования. Это
вызвано следующим:
используемые при конструировании иреобразователя материалы
и элементы, выпускаемые различными отраслями промышленно-
сти, не нормируются по акустическим, электрическим и электроаку-
стическим параметрам, которые необходимы для расчета характе-
ристик преобразователей;
несмотря на значительное развитие теоретических основ для
расчета преобразователей, многие вопросы при разработке преоб-
разователей удается решить лишь путем экспериментальных иссле-
дований;
в настоящее время число нормируемых параметров, характери-
зующих как преобразователь, так и электронный блок прибора,
недостаточно, чтобы: установить аналитически допустимые откло-
нения-параметров преобразователя, Которые Могли бы' обеспечить
взаимозаменяемость преобразователей’!
Для обеспечения промышленного производства, преобразовате-
лей, удовлетворяющих запроектированным показателям, требуется
проведение многочисленных операций по измерению и контролю
элементов конструкции преобразователя на различных этапах изго-
товления, а также проверка готовой продукции. Эффективный
контроль технологических отклонений во многих операциях, напри-
мер, при металлизации или склеивании, может быть осуществлен
лишь измерением электроакустических характеристик узлов кон-
струкции или готового изделия — преобразователя.
При эксплуатации преобразователей необходима периодиче-
ская проверка их параметров, Это вызвано тем, что в результате
истирания рабочей поверхности преобразователя, воздействия ме-
ханических и климатических факторов, а также пыли, влаги и
агрессивных сред возможны значительные отклонения параметров
преобразователя.
Из перечисленных особенностей следует, что измерение пара-
метров преобразователей имеет следующие задачи:
при разработке преобразователей —установление достигнутого
257
Таблица 12
№ группы * • . -.И - ; • > Наименование параметра (характеристики) Обозначение Единица измерения
1 Амплитудно-частотная характеристика ^uu{Aui) ДБ
Коэффициент преобразования :: %ии(Кш) дБ
Частота максимума преобразования fuiAJui) МГц
Полоса пропускания bfuu(bfui). МГц '
Неравномерность Buu(Bul) - дБ
Диаграмма направленности Pltpj (Эти;, ед.
Ширина диаграммы направленности [при: излучении e?’7(eo2*7). град, мм
2 Ширина основного лепестка диаграммы ' Град V
Угол ввода Уровень бокового излучения ч- Фокусное расстояние , , .--,. Протяженность фокальной области . Электрическое сопротивление . . ' Р1(Рг) 2-n. 0 град' ' - дБ ' мм '.мм .Ом
3 - Электрическое сопротивление на. частоте антирезб- нанса .(резонанса) .. , Частота резонанса (антирезонанса) . ' , , да . 1 -Ом . МГц. -,
Мнгновенные значения импульсной ^характеристики фий ; дБ
Мгновенные- интервалы ^импульсной ^характеристики МКС ’ ' -1. !
4 Временной интеррал импульсной характеристики tma.’K. мкс -
Длительность импульсной характеристики мкс
Реверберационно-шумовая характеристика- Л At) - дБ
Длительность' шумов ; < xa " МКС
Уровень шумов ' ДБ .
уровня разработки, определенйе номинальных Значений и их допу-'
стимых отклонений; :
в промышленном производстве —обеспечение выпуска преобра-
зователей с запроектированными показателями;; о
при эксплуатации — обеспечение; поверий преобразователей,
устанавливающей пригодность преобразователей. к дальнейшей
эксплуатации.- ’.г
Перечень Основных-параметров! характеристик преобразовате-
лей, и их определения приведены в п. 2 гл. I. Для удобства изло-
жения эти параметры сведены в табл. 12. ' г. - /
. В процессе разработки преобразователя определяют необходи-
мый перечень параметров, который наиболее полно характеризует
2Б8
конкретный тип преобразователя. При выборе:параметров учиты- .
вают среду, .На которую будет нагружен цреобразователь при экс- ‘
плуатации, ’ режим его возбуждения (импульсный или непрерыв- ?
ный), а также те требования, каким должен .удовлетворять дефек-
тоскоп, для которого предназначен преобразователь.
Следует отметить, что часто в качестве характеристик преобра-
зователей. (приводимых ..обычно в рекламных проспектах) указы-
вают: характеристики дефектоскопа при работе с данным преобра-
зователем. При этом используют такие. параметры: диапазон
контроля,’ условный запас чувствительности, диаграмму обнаруже-
ния, рабо'чую частоту и др/ Очевидно, что эти параметры не дают
объективной оценки преобразователя как самостоятельного изде-
лия, так. как они в большой степени зависят от используемого элек--
тронного блока • дефектоскопа, методики контроля, стандартного
образца. "
; 2, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Ж
Пьезоэлектрический преобразователь в большинстве случаев
представляет, собой неразборное .устройство, которое не’ поддается'
регулировке й настройте. Поэтому при изготовлении преобразова-
теля важно обеспечить строгое .соответствие , его ' конструктивных
элементов запроектированным требованиям. В. частности, возни-
кает задача определения электроакустических; параметров пьезо-
элементов, а также скорости и коэффициента затухания УЗ коле-
баний в материалах, используемых для призмы, протектора, согла-
. сующих слоев и демпфера. Ниже рассмотрены методы измерения,
перечисленных параметров. •
Определение параметров пьезоэлементов. Рассмотрим метод оп-
ределения'параметров пьезбматерийла, основанный на измерении
параметров: 7ПЭ .на характерных частотах. Установка, показанная
на рис. 107, позволяет наблюдать' на экране Измерителя АЧХ
график Хпэ(со) или Упэ=1/Хпэ(й)) и записать его на графопострои-
тель.-. Сопротивления Rz и Rtl- должны удовлетворять условиям:
7?2>£>0| ХпЭ| , МШ-
Сопротивления Zm определяют методом замещения пьезопла-
стины конденсатором,; емкость Cs которого известна. Частоты опре-
' деляют путем" совмещения dron-метки измерителя АЧХ с харак-
. терной точкой графика Zns И считывания показаний частотомера.'
В области,частот х<С1 имеем Zira=l/(coCn), а при х=2 ^3=
= 1/(юС^). Поэтому измерением непосредственно С„ и С„ можно
вычислить диэлектрические, проницаемости е ст и еи по формулам
, . е^ = СЖ e^3 = C?d/s, (172)
где'й и s — толщина и площадь пьезопластины.
259
/ *- 2 —* J
/ .
Рис. 107. Схема подключения пьезоэле-
мента при измерении:
о — в; б — Уп. 0; 1 — источник пита-
ния; 2 — пьезоэлемент; 3 — осциллограф
Рис. 108. Качественный ход кривой JZ 0
от
частоты х =
4—. Для
' а
пьезопластины
Несложно получить
= (173)
* Га \ и5 /а J
где р — коэффициент электромеханической связи колебаний по
толщине; fp и fa— частоты резонанса и антирезонанса соответ-
ственно; п=х=1, 3, 5, ... — номер нечетного резонанса.
Таким образом, измеряя частоты fp, fa в точках минимума и
максимума 2ПЭ (рис. 108), можно вычислить р согласно (173), а
также скорость' звука при постоянной ийДукДиии с®, постояннук)
упругости св33 и 'пьезоконстанту е33 йо ф'бр'мУл'ам '
cD=fR2d; c?3 = pW; es8=₽Ke4eD, (174)
где р-—плотность пьезоматериала; f0=fa — частота свободных ко-
лебаний пьезопластины.
Формулы (172) — (174) получены без учета механических ди-
электрических потерь в пьезоматериале, а также конечных раз-
меров пьезопластины. Эти факторы могут значительно влиять на
ход кривой Zn3(co). Радиальные колебания приводят к появлению
дополнительных-экстремумов в области х<1 (см. рис.' 108). При
малом отношении радиуса пьезопластины а к толщине d (aJd<2Q)
радиальные колебания могут настолько усложнить зависимость
Zna(co) в области основного резонанса, что определить fa и fp одно-
значно невозможно. В этом случае.иногда удается выполнить из-
мерения fp, fa для более высоких гармоник (и=3,5). Здесь влия-
ние радиальных колебаний становится незначительным, однако
возрастает влияние неучтенных потерь в неплоскопараллельности
рабочих поверхностей пьезопластины.
Измерение параметров пьезоматериала при отношении а/й>5
рекомендуется выполнять импульсным методом, основанным на воз-
буждении пьезоэлемента импульсом тока 7и(0 определенной формы
с последующим анализом электрического напряжения реакции
С7И(*) (рис. 109).
Й60
Тис. 10В. Схема установки едля намерения
«параметров пьеа'бматериа'ла импульсным
методом:
1 — генератор импульсов тока; 2 — осцнл-
। лограф
3 т-tfa
Рис. аЦО. Форма .Импульса 'Тока 'возбуж-
ден!1Д ’ -
'Если импульсы возбуждения имеют форму, показанную на
-рис. 110,
4 (0 = 4о [<r(0 + и (t - 2ти)], (175)
то форма импульса С/и(£) приближенно определяется формулой
£/1(Q = t71(i)
при
4г (0 = и{ (0 = U[ (0 - 2U[ (t—Тд) при
41" (0 = (?) — Ui при
о < t < тп;
тп< /<2ти;
t > 2ти,
(176)
где •
U\ (/) == 4о (Cg)-1 [/ + тхр20,25 (1 - р*)'1 е"6!f sin ;
,o(t) —единичная ступенчатая функция.
На рис. 111 приведено семейство кривых переходного процесса,
построенных согласно (176) для п=1, 2, 3.
Форму кривой переходного процесса легко объяснить, если
учесть, что форма кривой реакции обычной емкости Сэ на импульс
тока (175) имеет вид правильного треугольника (интеграл от им-
пульса тока) с амплитудой Пэ0=/в0ти/Сэ при 7=ти. При подаче
импульса (175) на пьезоэлемент С7И(^) будет состоять из импуль-
са Uc треугольной формы (как следствие заряда емкости пьезо-
пластины Cg) и переменной составляющей U__, обусловленной
колебаниями граней пьезопластины под воздействием пьезоэффек-
та. Как видно из (176), амплитуда переменной составляющей па-
дает с. уменьшением р и при р = 0 тоже равна нулю. Отсутствие
колебательной составляющей при £> 2ти и четном п объясняется
(компенсацией колебаний.1
Для измер ения представляет интерес форма импульса реакции
при тп='г1 (тг- = 1). В этом случае переменная составляющая при
7>2ти имеет "частоту, равную'основной частоте собственных коле-,
баний электрически ненагруженного пьезоэлемента.
Огибающая е~^»* содержит информацию о затухании колеба-
ний в материале пьезоэлемента. С помощью осциллографа изме-
ряют частоту колебаний ;f0, декремент затухания -колебаний -Si и
261
₽«• -111. .Формы импульсов напряжения Рве. 112. Схема установив для йзмере-
бп(О при • различных- длительностях им- - ния скорости УЗ колебаний:
пульсов 'тока n 1—источник временнйх сдвигов; 2—ин-
дикатор измерителя временнйх интерва-
лов И2-26; 3 — генератор радиоимпуль- ..
сов; 4 — усилитель; 5 — преобразователь;.
6—образец; 7 — устройство ориентации?
. преобразователя; в — иммерсионная' ванна?
вычисляют добротность пье’зоматериал'а .’на частоте f0 по формуле
Q~nf'o/6i- Емкость пьезопластины Сп° определяют измерением
амплитуды С7П(£) при t—xi, если известия До и 4=l/2f0, однако? .
проще и точнее это мбЖно сделать замещением пьезоэлемента на* .
.известное Св.
По измеренным- параметрам, известным геометрическим разме- .
рам пьезопластины и «ее,., плотности определяют параметры, харак-
теризующие пьезоматериал: |3,eg3, ess, с33.
В- заключение упомянем, что сравнительную, сугубо качествен-
ную оценку,, пьезосвойств пластин можно выполнить,, измеряя ам-
плитуду эхосигнала от-какого-либо отражателя. Напрймер, при-
жимая пьезопластину к поверхности плоскопараллельного образца?
через слой масла, измеряют амплитуду донного сигнала. В каче-
стве электронного блока используют обычный импульсный дефек-
тоскоп. Корпус его соединяют с металлом образца, а удлиненная
жила кабеля должна контактировать с электродом- на свободной?
поверхности пьезопластины.. • •
-. . Измерение скорости ультразвука в материалах (в том числе, й?.,,
пьезоэлектрических) рекомендуется выполнять импульсным эхо-
ме'тодом (риис. 112). Длительность1 импульса должна быть-’мень-
ше времени пробега в исследуемом образце. Этодостигается вы-
бором, частоты заполнения, и'числом периодов колебаний'в. импуль-
се,- Поперечные размеры образца должны быть -значительно-
больше его толщины, .чтобы не возникали помехи в виде ртраже- ,
ний от боковых поверхностей. . ••• ,-i . '• - К.
'Для. повышения точности измерения рекомендуетсяпринимать
следующие меры:
при- контактном способе — измерять интервал времени не меж-
ду зондирующим импульсом и первым- донным сигналом; а между
первым или вторым и п-м донными сигналами; благодаря этому
исключается , неточность,. связанная . с пробегом в слое контакт-
ной Жидкости (рис. 113),;
. Предпочтительно-.использовать, иммерсионный .способ,-измерения»
262;
2Рис..'.113. Формы импульсов,' наблюдаемые на индикаторе/измерителя временных^иитер*
| ' •. валов.,
, ' “г’:-';' ". ' ' ’ .
{см. рис. 112); это позволяет •исключить искажения фронта импуль-
са, вызываемые слоем жидкости в'контактном способе;
импульсы многократных отражений желательно наблюдать на
«осциллоскопе без' их детектирования ' и . выполнять . измерения по
-одним й тем же периодам колебаний (обычно Цервым) на одном
й‘том же уровне от максимального значения амплитуды;
выполнять измерения в дальней' зоне преобразователя (грани-
цу ближней зоны рассчитывают с учетом пути в иммерсионной
' жидкости, как указано в п. 5 гл. VII) при отношении размера пре-
образователя к'длине волны, большем 10; если это условие не
выполняется, следует учесть поправку, связанную с дифракцион-
ными эффектами А Дц.
Расчетная, формула для определения скорости ультразвука
имеет вид ;
. < . • v=2nd/t — Аод, (177)
уде d — толщина образца;1 -/ — измеряемый- ййтёрвал времени;''-п —
число перёотражений импульса, между, которыми' Измеряется вре-
' мя t. Например, если-измерение времени вып'олняётся между вто-
рым и пятым донными сигналами, то /г—5—2=3.
При выполнении сделанных рекомендаций погрешность измере-
: .ния скорости ультразвука может быть уменьшена до 0,1—0,5%.
Такая точность обычно вполне удовлетворяет: требованиям, предъ-
являемым к материалам, которые используются для. изготовления
преобразователей., ' ..
Измерение коэффициента затухания. Эти измерения .рекомендуг
-ется выполнять .импульсным эхометодом .при ,соблюдении требова-
ний, рекомендованных для. измерения ркорости. Установка для из;
мерения коэффициента затухания показана, на рис. Ц4. В .качестве
ее аппаратурной части может быть, использован УЗ дефектоскоп,
позволяющий наблюдать непродетектированные импульсы и изме-
нять их. амплитуды с помощью' аттенюатора. При измерениях .необ?
ходимб добиваться такой формы .отраженных, импульсов,, чтобы*
по крайней мере, в двух-трех периодах колебания, имели одинако-
вую амплитуду. Именно по этому участду импульса выполняют,.из-
мерения его амплитуды,
263
1 — образец: 2 — пьезопластина; 3 — пру-
жина; 4— электрический разъем; б—
прижим; 6 — подложка (бумага, фетр);
7 — стойка
сигнала
Амплитуда электрического напряжения на приемнике установ-
ки определяется формулой
U = е-«г U0RuvF (z) R, [(178)
где <х — коэффициент затухания' на пути z в образце 1 (см.,
рис; 114); t/0— напряжение сигнала генератора; Лии — коэффи-
циент преобразования; F(z)—множитель, учитывающий дифрак-
ционное' ослабление УЗ сигнала; R — множитель, учитывающий
потери на отражение ультразвука от сред, контактирующих с ис-
следуемым образцом.
На рис. 115 показана зависимость множителя F(z) в функции
безразмерного параметра z/zg. Здесь ze=c^l'k—длина ближней
зоны (см. п. 1 гл. VII), a-z=2nd—путь ультразвука в образце,,
равный его удвоенной толщине d, умноженной на номер донного-
сигнала, п, по которому выполняется измерение. ,
При контактном способе измерения (см. рис. 114) множитель-
R равен-произведению коэффициентов отражения по амплитуде от
нижней Ri и верхней R2 граней образца. Для n-го донного сиг-
нала
R = (179)
Чтобы сделать J?i = l, в качестве подложки используют бумагу,,
фетр и подобные материалы (они должны быть сухими) или в-
донной поверхности образца' на- участке против преобразователя'
делают отверстие в подложке 6 (см. рис. 114) и основании стойки
7. Чтобы сделать 1, преобразователь 2 выполняют в виде-
пьезопластины без демпфера.
Оценить величину R2 можно, прижимая к поверхности образца
(через отверстие) балластный преобразователь, аналогичный рабо-
тающему, но не подключенный к прибору, и измеряя наибольшее-
уменьшение амплитуды первого донного сигнала. При использо-
вании преобразователя демпфером такое измерение обязательно,.
И соответствующая поправка достигает 2—4 дБ.
Методика измерения коэффициента затухания предусматривает-.
•264
(180>
Исключение множителя U0Kuu- Для этого обычно определяют ам-
плитуды первого и второго U2 донных сигналов и берут их от-
ношение. Для исключения коэффициента отражения измерение-
первого донного сигнала U/ осуществляют с балластным преобра-
зователем, причем отыскивают такое его положение, при котором
ослабление донного сигнала за счет балластного преобразователя-
было бы максимальным. Второй донный сигнал измеряют без бал-
ластного преобразователя. Тогда
. . = F (21) e2rai
1 F (4Z)
откуда вычисляют а. Здесь принято Т?2=1. Если 2#>3£б,- то»
F(2d)/F(4d)=0,5. Если 4d<z6/2, то это отношение примерно рав-
но единице.
lip Иг иммерсионном способе измерения (по схеме рис. 112) ко-
эффициенты отражения рассчитывают по формуле
Д1.2=^к7|°6-, (i8i>
т ^об
где ZfK и Z06 — характеристические импедансы иммерсионной жид-
кости и образца.
Путь z для определения F вычисляют с учетом прохождения:
ультразвука в жидкостй, вводя добавочный путь Az, как для пре-
образователя с акустической задержкой (см. п. 5 гл. VII). Отно-
шение амплитуд первого и второго донных сигналов (при условии,,
что нижняя поверхность образца свободна, т. е. контактирует с воз-
духом, а не с жидкостью) дает формулу для вычисления 'а:
и1 = . £(2d-|-az) ,182у
U2 RiF(4d + te) * V ’
Часто ослабление УЗ сигналов, связанное с затуханием, оказы-
вается значительно меньше ослабления, вызванного другими фак-
торами. Поэтому необходимо принять ряд мер для повышения точ-
ности измерения. Следует обеспечить возможно более высокую точ-
ность измерения и расчета величин, определяющих R и F. При
контактном способе. измерения коэффициента затухания стабиль-
ность акустического контакта долита быть не хуже 0,2 дБ (опре-
деляется по многократному прижатию пьезопреобразователя к об-
разцу). Непараллельность поверхностей образца и пьезопластины
должна быть не более 0,01 мм. Погрешность задания рабочей ча-
стоты fmr не должна превышать 5 % •
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
• . Измерение параметров передаточных функций совмещенного*
режима, характеризующих работу преобразователя в частотной об-
ласти, выполняют одним из двух методов — методом, основанным
на возбуждении преобразователя радиоимпульсом с прямоугольной
265-
Задержанный
> импульс
7
‘Рис. 116. Схема устанбвки для;.' Измере-
ния параметров передаточных функций'
дри возбуждении . радиоимпульсом: .
1 — частотомер; 2 — генератор импульсов;
3—осциллограф; 4 —генератор радио- ,
ампульбов; ' 5 —входной .делитель; С.—'
усилитель; 7 —’ акустическая . нагрузка
Рис. '117. Схема, измерений различных
типов, преобразователей!
а —прямых контактных; б, — наклонных
для возбуждения поперечных .и продоль-
ных ^олн; в т— наклонных * для- возбужде;
;j ниц. поверхностных ‘д' нормальных' волн;'
2 — прямых иммерсионных; 1 — преобра-
зователь; • 2—акустическая нагрузка;
. 3— иммерсионная . ванна; 4 — плоский от-
1 ражатель . <
огибающей и последующим определением отношений амплитуд
эхосигнала и, импульса возбуждения/ и методом, 'использующим
возбуждение преобразователя вйдеоимпу'льсом с последующим из-
мерением отношения амплитуд 'огибающих спектров импульса эхо-
сигнала и импульса возбуждения. ' \ / ./
' Принципиальная схема установки, реализующей первый метод
.измерения, приведена на рис. Т16. При проведении измерений .пре-
образователи'совмещенного типа подключаются к '.разъему' Ш‘1;
и при 'исследовании PG преобразователя 'его излучатель подклю-
чают к разъему Ш1, а приемник— к. Ш2.
• 'Положение переключателя В устанавливают в положение 1
яри измерении напряжения возбуждения ГД и напряжения эхо-
сигнала для совмещенных преобразователей; в положение 2 при
измерении напряжения UR на сопротивлении R, пропорционального
силе тока возбуждения Д; в положение13 при определении Пп для
PC ‘преобразователей.' Далее' устанавливают преобразователь на
-соответствующую акустическую нагрузку' так, как показано на
рис. 117. Притирая преобразователь к поверхности нагрузки, смо-
ченной контактной смазкой, и изменяя ориентацию преобразовате-
''ля относительно отражающей поверхности, надо добиться макси-
мальной амплитуды эхосигнала в области устойчивого его повто-
рёнйя. За максимальную амплитуду'следует принимать амплитуду
импульса в области установившихся колебаний -(заштрихованная
«область на рис. 118).
. Определение Kuu—^n/Vi и |Дст| — Мп/Хи—ЦЛЭ/ПН выполняют
измерением отношений U-jUn и 'tZn/бд ,с использованием аттенюа-
. торов .входного делителя-ограничителя и усилителя. В этом случае
амплитуды сигналов' Г/и, UR и Z7H на экране осциллографа уста-
навливают на одном уровне,, что исключает влияние возможных
нелинейных искажений в усилительном тракте. Устанавливают ча-
266 •
Рис. 118. Фррми огибающих ехоимпульса
Пп(<) при различных частотах Гейера-
. ' .тора»
и f^fuu*
t >fou и f< fvxf; область установив-
шихся колебаний заштрихована
Рис. 11Я. Схема установки для измере-
ния параметров передаточных функций’
при возбуждении видеоимпульсом!
1 — генератор видеоимпульсов; 2 — гене-
ратор импульсов; . 3 — осциллограф; 4 —
входной делитель;1 5 — усилитель; 6 — аку-
стическая нагрузка; Z — частотомер;..
8 — ГСС; 9 — анализатор спектра
стоту генератора примерно в десяти равномерно расположенных
точках рабочей области частот преобразователя и фиксируют по-
казания аттенюаторов входного делителя и усилителя,
Для каждой из установленных частот рассчитывают значения-
О = 4|~4; Кии = Ки- -К^и; (183>
Кш = 4-4 + 201g (R/Kuil; = (184>
где +п, А{и, Д+ — показания аттенюаторов, зафиксированные при'
измерений Дп, Ди й UR соответственно на i-й частоте; Kuu(.U5) —
Максимальное-из значений Kuutui), дБ; Кщ—опорный, уровень.
Для построения .графиков АЧХ используют (значения Aczcz ,.
Xtzz> Частотой максимума преобразования fuufjui) называют ча-
стоту, при которой Хт/с/Ю = 0; коэффициентам преобразования-
Киисиг) — значения КиизKui на частбте fvuifui").
Основными составляющими погрешности измерения являются;-
погрешность определения отношения напряжений; ослабление сиг-
налов в акустической нагрузке, вызванное затуханием УЗ колеба-
ний- в материале нагрузки; шунтирующее влияние электрической-
цепи в режиме приема и нестабильность акустического контакта...
Влияние затухания УЗ колебании можно исключить посредст-
вом введения в выражения (183) и (184) слагаемого d(f) =
=2а0Д, где' ao(f) —коэффициент затухания УЗ колебаний в ма-
териале нгрузки,-д]Б/см; Д'—высота (радиус) акустической на-,
грузки, см. '
Влияние шунтирования преобразователя в режиме приема мож-
но исключить выбором генератора и входного делителя," удовлет-
воряющих условию •
4.8<|28|2О-\ . (185)
26Г
тде Z3=Z1Z2/(Z1+Z2), или введением в формулы (183),/ (184)
•слагаемого
Km = 201gZn.8/Z4) /
тде Z4= | ZnaZ31 /1 Zng+Z31 — модуль электрического сопротивления
схемы, показаной на рис. 116, между точкой а и корпусов, изме-
ренного при выключенном напряжении питания генератора радио-
импульсов. I
Погрешность определения U^JU^ UJUr численно 'равна .погреш-
ности аттенюаторов выходного делителя и усилителя. Осциллограф
в данной схеме измерения выполняет роль индикатора. 1
Схема установки, показанная на рис. 119, обеспечивает измере-
ние характеристик передаточных функций преобразователя при
возбуждении его генератором видеоимпульсов с последующим
•определением отношения амплитуд огибающих спектра.»импульса
возбуждения ЗгДсО') или Si (со) к амплитуде спектра эхоимпульса
-Sn(co). Для наблюдения SD-(co), Si(co) и Sn(co) служит анализатор
•спектра. Усилитель в данной схеме (в отличие от рассмотренного
и схеме на рис.. 116) должен содержать временной селектор, про-
пускающий на анализатор спектра только исследуемый импульс —
.импульс возбуждения или импульс эхосигнала. Генератор, синусои-
дальных колебаний и частотомер служат для строгого выделения
на анализаторе спектра составляющих спектров на определенных
частотах в рабочей области частот.
Назначение остальных элементов схемы, работа на установке,
«обработка результатов измерения и расчетные формулы ничем не
отличаются от элементов схемы на рис. 116.
При .измерении передаточных функций преобразователей спект-
ральным методом очень важным является определение формы им-
пульса возбуждения или, точнее, его спектра. Если выбрать им-
пульс возбуждения очень коротким, то можно обеспечить равно-
мерный спектр импульса возбуждения в широкой области частот,
и процесс измерения значительно упростится, так как отпадет
необходимость каждый раз измерять 5ц-(со) или Si (со). Однако в
этом случае возникает очень серьезный недостаток, заключающий-
ся в том, что невозможно выполнять измерения преобразователей
с малым Кии (менее-—30-;—40 дБ). Это обусловлено тем, что с
уменьшением длительности импульса падает амплитуда эхосигна-
ла, а компенсировать это уменьшение за счет увеличения ампли-
туды импульса возбуждения не всегда возможно из-за нелинейных
эффектов и электрического пробоя пьезоэлемента.
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
При исследовании характеристик распределения поля акусти-
-ческого давления используют два основных способа. Согласно пер-
вому исследуется поле излучения преобразователя с помощью
мйниатюрного приемника с широкой диаграммой направленности.
:268
Рис. 120. Схема установки для измерения
диаграммы направленности иммерсионных
преобразователей:
I — генератор радиоимпульсов; 2 — усилитель;
3 — временной селектор; — осциллограф;
5 — детектор; 6 — самописец; 7 — датчик
углового положения отражателя; 8 — преоб-
разователь; 9 — привод; 10 V сферический
отражатель; 11 — плоский отражатель
Второй способ предусматрива-
ет снятие характеристик поля
излучения — приема по отра-
жеш-пб (в импульсном режи-
ме) от столь же миниатюрно-
го объекта, обладающего оди-
наковыми отражающими свой-
ствами Iв различных направ-
лёниях 1 (по крайней мере, в
той плоскости акустического
поля, где выполяются исследо-
вания). Между характеристи-
ками, снятыми этими способа-
ми, существует зависимость
(136) — квадр ат р аспределе-
ния акустического поля излу-
чения равен распределению
поля излучения — приема. Эта
зависимость хорошо подтверж-
дается экспериментальными
данными для прямых преобразователей. Для наклонных преобра-
зователей с акустическими задержками эта зависимость несправед-
лива, поскольку коэффициенты прозрачности границы задержка —
изделие не одинаковы при переходе границы в прямом и обратном
направлениях.
Размеры приемника или отражателя должны быть меньше тех
пространственных неоднородностей акустического поля, которые
предполагается выявить. В противном случае будет наблюдаться
усреднение поля в области, соответствующей размерам приемника
или отражателя. Например, при исследовании последнего мини-
мума поля в ближней зоне прямого преобразователя (см. рис. 56)
диаметром 2g размер приемника или отражателя d должен быть
меньше 0,1g, так как полуширина этого минимума равна пример-
но 0,2g. Кроме того, для лучшего выполнения требований нена-
правленное™ приемника или отражателя его размер d должен
быть, по крайней мере, соизмерим с длиной волны. Для отража-
теля типа сферы допускается 15.
При исследовании полей-преобразователей, предназначенных
для контроля иммерсионным способом, используют ванну с жид-
костью (водой, выдержанной в Течение нескольких часов для дега-
зации). Внутреннюю поверхность ванны И водяное зеркало следует
хотя бы частично покрыть резиной или пенопластом для устране-
ния объемной реверберации. Преобразователь обычно закрепляют
в ванне в определенном положении, а приемник или отражатель
перемещают с помощью высокоточного безлюфтового координат-
ного механизма. Точность и воспроизводимость линейных отсчетов
•о’бычно порядка 0,1 мм.
В качестве примера на рис. 120 приведена типовая схема изме-
рения (ГОСТ 23702—79) диаграммы направленности йммёрбиОн-
269
ных" преобразователей. Методика измерения состоит в следующем. '.
Выбирают частоту заполнения; радиоимпульсов, равную. цастсте-
fuu исцытуемого, преобразователя.. Устанавливают сферический5
отражатель на .расстоянии 2 от/преобразователя, выполнявуслр,т
ВИЯ . ,. . < , ..-
' г>Ш к
4 < 2..'мм при' /уу >,5,0 МГц;
V ' ' 'Щ- С / (1£б>
Д<5мм при .5,0 > fuv^ 1,0 МГц; :
‘ 4^. 10 ММ При /[/[/-< Г.О^МГц, . ,.-ч '-. л
где Г —наибольший размер преобразователя в плоскостш рабочей
поверхности;. %-.—Длина волны ,в воде;',Д— диаметр, сферического'
отражателя..
Длительность стро.ба' селектора'.и его задержки должны быть,
такими, чтобы в зону строба попадал только эхссигпал .ст отра-
жателя. Устанавливают .отражатель: в положение,; при котором ..эхо-
сигнал имеет наибольшее значение. -Прйвключении привода .меха-
низма перемещения по координате, на двухкоординатный самопи-
сец поступают .электрические напряжения, .пропорциональные: од-
но—угловому . положению-' отражателя '. ф,, , другое — амплитуде-
эхосигнала Цг. (уровень сигнала.. устанавливают в области ... его
линейного усиления). Записанный .график Дп(ф)/^птах является
диаграммой направленности излучения — цриема преобразователя..
Для. высокочастотных преобразователей выполнить -условие
(186) часто оказывается невозможным, так как для этого необ-
ходимо установить очень большое z (до 7 м). В этом случае могут-
быть использованы так называемые методы ближнего поля, харак-
терная 1 особенность которых заключается в. том, что оценка на-
правленности поля в дальней зоне выполняется по результатам
измерений в ближней зоне [2]. Для дефектоскопии наиболее под-
ходящим является метод отражения от протяженного .плоского-
отражателя [16], который необходимо расположить 'на расстоянии?
z.< (0,1—0,025) Ь/%. Для перевода'полученного графика в.диаграм-
му направленности необходимо масштаб записи по ф увеличить в>
2 раза, а значения ординат возвести в квадрат.
Иммерсионную .ванну- с координатным- устройством также
иногда используют при исследовании полей контактных преобразо-
вателей (метод жидкостного моделирования). Однако для реше-
ния большинства практических вопросов, касающихся этих преоб;-
р азовате лей,, ванны не пригодны. Низкий акустический импеданр
жидкости способствует удлинению излучаемых импульсов, а -эт<>
искажает акустическое поле, Резкое различие скоростей звука и
воде и твердом теле не дает возможности исследовать преломляв
ющие свойства таких элементов преобразователей, как призмы и
линзы....Наконец, некоторые преобразователи портятся при дли-
тельном пребывании вводе.
270 . '
«J
Рис. 121. Акустическая
К >
//,
нагрузка для измерение Преобразователейi
с. прямая и наклонная для возбуждения продольник и поперечных волн; б — наклонная
.: для возбуждения поверхностных волн; в —наклонная для "возбуждения нормальных, волн
; • В срязи с изложенным- для исследования акустического поля
преобразователей, предназначенных для контроля контактным или
щелевым способом, обычно применяют образцы в виде твердого
тела, Когда преобразователь не; предназначен для контроля ка-
кого-то определенного материала, рекомендуется материал образ-
цов выбирать в . зависимости от частоты: для частот менее
1 МГц-—органическое стекло, .более Г МГц-— алюминий, .0,8—
7,5 МГц —углеродистая кованая сталь..
Наиболее распространенным является способ измерения поля
излучения — приема контактных преобразователей по отражению
'ют ’искусственных полых рефлекторов. Наилучшая форма отража-
теля—сфера, однако выполнение такого рефлектора в твердом
теле —довольно трудная задала. Поэтому отражатели, имитиру-
ющие сферу .(отверстия со сферическим дном), применяют только
для точных измерений поля в ближней зоне преобразователя, при
исследовании фокусировки ультразвука и 'т. п. В качестве основ-
.ноготйпа отражателей в образцах испойьзуют’ цилиндрйческие от-
-вер'стия. Их выполняют так, чтобы осьотверстия была перпенди-
кулярна исследуемому сечению акустического поля. В этих усло-
виях отличце цилиндрического отражателя от сферического прене-
брежимо мало:-'. ।
•. ,;.На .рис. Г21 . показаны- образцы,. рекомендованные
ГОСТ 23702-—79, для снятия диаграмм направленности попереч-
ных поверхностных волн и волн.в пластинах, Двойной стрелкой
показано.направление излученных и отраженных волн, а одинар-
ной е- направление перемещения-преобразователя.
Диаметры отражателей выбирают из тех же соображений, о ко-
торых говорилось применительно к иммерсионным преобразова-
телям. Для снятия диаграмм направленности используют отвер-
стия диаметром 2 мм в. образцах из алюминия для тех.случаев,
когда частота УЗ колебаний выше 5 МГц; 5 мм — в образцах из
стали и алюминия при-частоте не более 5 МГц; 10 мм —в образцах
-из органического стекла. Глубину залегания цилиндрического от-
верстия в образце (рис. . 121, G) выбирают из ряда .(10 k) мм,
где k=l, 2, 3, ... При этом должно выполняться условие,равенства
' 271
расстояния z до отражателя и размера дальней зоны преобразо-
вателя.
Рассмотрим более подробно процесс снятия диаграмм (направ-
ленности прямых и наклонных преобразователей для излучения!
продольных и поперечных волн с помощью электронного блока,,
подобного показанному на рис. 120. Сначала определяют точку
выхода луча, т. е. акустический центр преобразователя. Для этого-
наклонный преобразователь перемещают по плоской поверхности
полуцилиндрического образца и находят положение, соответству-
ющее максимуму эхосигнала от вогнутой цилиндрической поверх-
ности. Точка' выхода в это время располагается 'над осью цилинд-
рической поверхности.
Прямой преобразователь испытывают подобным образом дваж-
ды с поворотом вокруг оси на 90°. Если преобразователь круглый,,
выбор первоначального положения произволен.
Диаграмму направленности снимают, измеряя амплитуду эхо-
сигнала U от цилиндрического отверстия в образце в функции от-
расстояния I, которое определяют от точки выхода до проекции
оси отверстия на рабочую поверхность образца. На функцию»
t7(Z) помимо диаграммы направленности оказывает влияние изме-
нение расстояниях = Д/^2+Z2 . Чтобы исключить это влияние,.
U(l) умножают на поправку
з _________
= (&+?) 2 e2aVlt‘+i° , (187}
где а — коэффициент затухания в материале образца.
Находят максимум UFt, равный (UFi)m, относительно кото-
рого выполняют нормировку, т. е. рассчитывают зависимость
(UF^/fUF^..
Переходят от величины I к углу ср с помощью формулы
<р = arctg l]h. (1.88}
На образцах, изготовленных согласно ГОСТ 14782—76, дела-
ется шкала углов ср .устраняющая необходимость пересчета Z в ср..
Зависимость (UFi)/(UFi)m в функции от ср является- диаграммой
направленности излучения •“—'приема.
Для прямого преобразователя диаграмму направленности опре-
деляют дважды, поворачивая преобразователь на 90° так, чтобы
найденные ранее отметки точек выхода были обращены к наблю-
дателю.
Технически более сложным является способ измерения
диаграммы направленности излучателя с помощью миниатюрного
приемника, расположенного на цилиндрической поверхности полу-
цилиндрического образца. Для его реализации необходимо изго-
товление координатного устройства с лимбом для перемещения
приемника. При этом следует выполнить требование независимо-
• сти чувствительности приемника от угла его расположения. Этому
'требованию плохо удовлетворяет приемник из пьезокерамики при
272
исследовании поля поперйчн&х Во’лн. Значительно более пригоден
для этой цели электромагнитоакустический преобразователь.
По образцам, представленных на рис. 121, б и в, снимают диа-
граммы направленности преобразователей, предназначенных для
излучения и приема поверхностных волн и волн в пластинах.
При определении диаграммы направленности контактных пре-
образователей имеются значительные трудности в обеспечении по-
стоянства акустического контакта. Поэтому преобразователь кре-
пят в специальные рамы, содержащие взаимно перпендикулярные
•оси вращения, которые параллельны поверхности нагрузки и рас-
положены на расстоянии 3—5 мм от нее. В качестве нагрузки
используют нормированные усилия на р,амы .(.0,1—-0,6 Н). В ре-
зультате этих мер удается обеспечить равномерное усилие прижа-
тия всей поверхности преобразователя к образцу. Перед 'проведе-
нием измерений предварительно притирают преобразователь путем
возвратно-поступательного движения (3—6 циклов). После этого
изменения акустического контакта при перемещении преобразова-
теля в процессе измерения вызывают неравномерность принимае-
мого сигнала не более Чем 0,2 ДБ во всей ра’бочей области переме-
щения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акустические кристаллы/Под ред. М. П. Шаскбльской. Ml: .Наука',
1982. 632. '
2. 1>оббер Р. Д. Гидроакустические измерения.' М.: Мир, 1974. 362 с. ,
3. Викторов И. А. Звуковые поверхностные волиы в твердых телах. М.: >
Наука, 1981. 288. с.
4. Геллер В. М., Гитис М. Б. К вопросу об усилителях напряжения и тока
в ультразвуковой аппаратуре,—Дефектоскопия, 1983,' № 2, с. 7—11., '
. 5. Гитис М. Б., Макарычев Д; А., Химунин А. С. К расчету структуры аку- 1-
стического поля излучателей в поглощающих средах. — Дефектоскопия, .1982,
Хе 4, с. 56—58.......' ' 1 ...
6. Глозман И. А. Пьезокерамика. М.: Энергия, 1972. 288 с,- '
7. Гребенник В. С., Тайц М. 3. Расчет диаграммы направленности призма-
тического искателя.—Дефектоскопия, 1981, Хе 1, с. 87—101.
8. Гурвич А. К., Ермолов Й, Н. Ультразвуковой контроль сварных швов.
Киев: Технжа, .1972. 460 с, ,
9. Гурвич А. К, Кузьмина Л, й. Справочные' диаграммы направленности
искателей ультразвуковых дефектоскопов. Киев: Техника, 1980. 101 с.
10. Гутин Л. Я. Избранные труды. Л.: Судостроение/ 1977, 600 с,
,| 11. Дианов Д.. Б..’ Исследование направленности призматического преобра-
зователя.— Дефектоскопия, 1965, № 2, с. 8—22.
1/12- Домаркас В. Й., Кажис Р.-И.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектри- .
ческие преобразователи. Вильнюс: Мннтис, 1975.255 с. , ,
(Z13. Ермолов И. Н. Теории и практика ультразвукового контроля. М.: Ма-
шиностроение, 1981. 240 с.
14. Ермолов И. Н., Щербинский В. Г. Об использовании АРД-Диаграмм
при контроле наклонными искателями.—Дефектоскопия, 19.70, № 6, с.. 41—46,
15. Желудев И. б. Физика кристаллических диэлектриков. М,: Наука, 1968.
4.64 с. .
16. Зоиов Д.В., Ермолов И. Н.. Исследование эхосигнала от плоскости.—
Дефектоскопия, 1980, № .10, с. 37—47. '
17. Зонов И'. В. .Некоторые особенности Характеристик направленности пре-
образователей, излучающих импульсы различной формы.— Дефектоскопия, 1982,
: № 2, С, 59—67. ’’ ",
18. Иоссель Ю. Я., Кочанов Э. С., .Струиский М'.Г. Расчет электрической
' емкости. Л.: Энергия, 1969. 240 с. ' , < .. .
19. Исакович М. А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. 495 с.
20. Какие P.-И. Ю., Лукошевйчус А. И. Широкополосные пьезопреобразо-
ватели с неоднородным электрическим полем.—Акустический журнал, 1976, т. 22,
вьш. 2,- с. .294—296. " .
21. Калинин В. А., Пранйцкий А. А., Цеслер Л. Б. Современные ультразву-
ковые. толщиномеры. М.: Машиностроение, 1972. 53 р/ ' '
22. Каневский И. .Н. Фокусирование Ивуковых'и ультразвуковых воли: М.:
Наука, 1977. 336 с. • . '
23, Кескюла А. Ю. Способы увеличения широкополосности акустического
'тракта дефектоскопических устройств,—Дефектоскопия, 1975, № 3/ с. 50—61.
, 24.. Колесников А. Е.> Зона формирования характеристик направленности
ультразвуковых преобразователей.—Дефектоскопий, 1983, Хе. 8, с. 34—35,
274 '. . . . , '1
25. Кондратьев Ю. А. Исследование ультразвукового поля плоского преоб- ,
. . фазователя при неравномерном распределении амплитуд давления 'на его излу-
чающей поверхности.— Дефектоскопия, 1981, № 1, с. 62—76.
26. Кондратьев Ю. А., Карпельсон А. Е. Формирование узких слаборасхо-
дящихся ультразвуковых пучков,— Дефектоскопия, 1978, № 10, с. 95—102.
27. Кондратьев Ю. А. К вопросу об импульсном режиме работы фокуси-
рующего пьезопреобразователя.—Дефектоскопия, 1978,., № 2, с. 21—26. ''
28. Королев М. В., Карпельсон А. Е., Стариков Б. П. О работе резонансных
.-пьезопреобразователей в режимах излучения и: приема.— Дефектоскопия, 1981,
.№12^'242—259... ...
. (29^Королев М. В„ Карпельсон А. Е. Широкополосные ультразвуковые
(пьезопреобразователи. М.:-Машиностроение, .1982; 1’60 с.
30. Королев М. В., .Карпельсон А.. Е., Шевалдыкий В. Г.-О’ физическом
«тредставленин работы резонансных пьезопреобразователей. Сборник трудов
НИКИМПа, М,:-ЙИКИМП, 1983, с. 21—27. v '
31, Королев М. В. Эхоимпульсные толщиномеры. М.: Машиностроение, 1980,
' 32. Кузовков Н. Т. Теория автоматического регулирования, основанная на
частотных методах. М.: Оборонгиз, 1960. 446 с., '
33. Ланге Ю. В., Королев. М. В. О применении усйлителей тока и усилителей
«напряжения • в ультразвуковой аппаратуре;—Дефектоскопия, 1974, № 6,
. <С. 60—63. 1 .
,34 .'Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теорий упругости. М,.: Наука, 1965. 204 с.
" 35. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. М.: '
, Наука, 1982. 624 с. ' '
' 36. Лантух В. М. Исследование помехозащищенности контроля изделий раз-
дельно-совмещенными .. искателями с ультрйзвукопроводами,— Дефектоскопия,
1980, с, 15—22. ' ' . "
37. Лапин Ю. В., Ермолов И, Н. Диаграммы излучения прямоугольных иска-
телей в импульсном режиме.-^-Дефектоскопия,'. 1978, № 11, с. 106—109.
• '38; Лаппи Ю. В., Ермолов И.'Н.,, Краковяк М. Ф. Расчет и коиструирова-
еще раздельно-совмещеиных искателей1 для ультразвукового контроля крупно- .
габаритных изделий.-1-Дефектоскопия, 1980; № 3, с. 24—32. <
39. Львова Е. А., Химунин А. С. О структуре акустического поля кольцевых
(Излучателей в’'п6гЛбщающиК' 'средах,— Дефектоскопия, 1981, № 6, с. 103—105.
40. Львова Е, А.,'Химунин А. С. Структура'акустического поля кольцевых
излучателей конечной ширины.—Дефектоскопия,' 1980, № 12, с.. 75-2-84. . .
. ,4J., Мелькацович А.' <!>., ^уфкулей.Д. М. Многослойный электроакустический
преобразователь; содержащий актййЫе ' слбй,— Дефектоскопия, 1978, № 7,
с,,78—87\ . . У'. '
' '42. Мелькаиович А.Ф., Кушкулей Л, М. Многослойный. электроакустический
преобразователь, содержащий активные слои; соединенные ’ электрически па-
раллельно.—\Дефектоскопия, 1979, № 1, с, 44—52. .
'' ' 43. МеЛьДанович А. Ф., .Кушкулей Л. Ml, Пябус Г. В. Исследование спек-
. тральных Характеристик электроакустического тракта в устройствах. с генерато-
ром ударного возбуждения.—Дефектоскопия, 1980, № 5, с. 92—101.
44. Методы неразрушающих испытаний/Под ред. Р. Шарпа. М.: Мир,
.1972; 494 с,
45. Михайлов Й. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю, П. Основы молекулярной
акустики. М.: Наука, 1964. 514. с.
46. Най Д. Физические свойства кристаллов. М.: Мир;' 1967. 386 с. ...
47. Неразрушающие испытания. 'Сир авочиик/Под ред; .-Р.'Мак-Маст ер а..
Кн, 2. М.: Энергия, 1965.492 с; ’
"° 48. Никифоров Л. А., Харитонов А. В. Исследование параметров продоль-
' пых подповерхностных воли, возбуждаемых- клиновым преобразователем.;—Де-
фектоскопия, 1981, Ns. 6, с.' 80—85.
49. Перевалов С. П, Диаграмма направленности искателя'с околокритиче-
-ским углом призмы.— Дефектоскопия, 1981, №. 2; с. 96—101.
50. Поляков В. Е., Потапов А. И., Сборовский А. К- Ультразвуковой кон-
троль качества конструкций. Л.: Судостроение, 1978. 198 с.
275
51. Приборы для иеразрущающеГо контроля материалов и изделий. Спра-
вочник/Под ред. В- В. Клюева. Кн.. 2. М.: Машиностроение, 1576. 626 с.
52. Протасов А. К. О применении усилителей напряжения и тока в ультра-
звуковой аппаратуре.— Дефектоскопия, 1982, № 7, с. 40—42.
t/ 53. Пьезополупроводниковые преобразователи и их применение/.. А. И. М о-
розов, В. В. Прокло.'в, Б. А. Станко в сии, А. Д. Гингис. М.: Энер-
гия, 1973. 153 с.
54. Разыграев Н. П., Ермолов И. Н. Искатели для котроля приповерхност-
ного слоя головными волнами.— Дефектоскопия, 1981, № 1, 53—62.
55. Сажин В. В., Исаенко Ф. И., Константинов В. А. Механический демпфер
для ультразвуковых искател,ей.-тт'Дефектоскопия! 1971, № 3, с. НЗ^-115.. >
56. Смажевская Е. Г., Фельдман Н. Б. Пьезоэлектрическая керамика. М.:.
Сов. радио, 1971. 199 с.
57. Скучик Е. Основы акустики. М.: Мир, 1976, т. 2. 542 с.
58. Тамм И. Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1966. с. 620.
59. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнении математической физики. М.:
Наука, 1977.'735 с. . '
60. Тюлин В. Н,- Введение в /теорию излучения и рассеяния звука. М.: Нау-
ка, 1976. 254 с.
61. Ультразвук, маленькая энциклопедия/Под ред. И. П. Голяминой. М.г
Сов. энциклопедия, 1979. 221 с.
62. Физическая акустика. Т. 1. Методы и приборы ультразвуковых исследо-
ваний/Под ред. У. Мазона. Мл Мир, 1966. 592 с.
63. Фурдуев В- В- Теоремы взаимности, М,—Л.: Гостехиздат, 1948. 90 с.
64. Харкевич А. А. Избранные труды. Мл Наука, 1973, т. 1. 398 с.
65. Харкевич А. А. Теория электроакустических преобразователей. Волновые
процессы. Мл Наука, 1975. 400 с. .
66. Хаясака Т. Электроакустика. М.: Мир, 1982. 246 с.
67. Bommel Н. Е., Dransfeld К. Attenuation of Supersonic waves in guarts.—
Phys. Rev. Let., 1959; v. 2, p. 249—254.
68. Brown A. F., Weight I. P. Generation and reception of wide-band ultra-
sound.— Ultrasonics, 1974, v. 12, N. 4, p. 161—167.
69. Jacobsen E. H. Sources of sound in piezoelectric cristals. — JASA, I960,,
v. 32, N. 8, p. 949—953.
70. Mitchell B. F., Redwood M. The generation of sound by nonuniform
piezoelectric materials.—Ultrasonics, 1969, N. 7, p. 123—129.
71. Опое M. Theory of ultrasonic delay lines for direccurrent pulse transmis-
sion.—JASA, 1962, v. 34, N. 9, p. 1247—1254.
72. Redwood M. A study of waveforms in the generation and detection of
short ultrasonic pulses.—Appl. Mater. Research., 1963, v. 2, p. 76—84.
73. Redwood M. Experiments with the electrical analog of a piezoelectric
transduser. — JASA 1964, v. 36, N. 10, p. 1872—1880. , #
74. Redwood M., Lamb. J. On the measurement of attenuation in ultrasonic
delay lines. — Pros. IRE, 1956, 103B, p. 773—780.
75. Redwood M. Piezoelectric generation of an electrical impulse. — JASA,
1961, v.-33, N. 10, p. 1386—1390.
76. Redwood M. Transient performance of a piezoelectric transducer. JASA,
1961, v. 33, N. 4, p. 527—533.
77. Van der Pouw L. J. The planar transducer—a new type of transducer
for exiting longitudinal acoustic waves.—Appl. Phys. Let., 1966, v. 9, N. 3,
p. 129—131.
78. Weyns A. Radiation Field Calculations of Pulsed Ultrasonic Transdu-
cers.—-Ultrasonics, 1980, v. 18, N. 4, p. 183—188.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.............................................................. &
Основные обозначения и сокращения........................................ Т
Глава I. Типы преобразователей для приборов неразрушающего конт-
роля и физические основы их проектирования .... 9"
1. Типы преобразователей............................................ О'
2. Основные характеристики преобразователей....................11
3. Основные уравнения прямого и обратного пьезоэффекта ... 17’
4. Пьезоматериалы и их характеристики...............................23-
5. Методика расчета пьез.опреобразователей..................... . 30
6. Особенности характеристик акустического поля...................35--
7. Акустические шумы .............................................. 38
8. Методы увеличения широкополосности преобразователей . . . 42’
Глава II. Ультразвуковые преобразователи с плоскопараллельной пьезо-
пластиной, совершающей колебания по толщине .... 49'
1. Передаточные функции и входные сопротивления пьезопреобразо-
вателей .........................................................: 49’-
2. Анализ амплитудно-частотных и спектральных характеристик
пьезопреобразователей...............................................54-
3. Работа пьезопреобразователя в импульсном режиме при возбуж-
дении стандартными импульсами.......................................611
4. Работа пьезопреобразователя в устройствах с генератором удар-
ного возбуждения....................................................64-
Глава III. Многослойные пьезопреобразоватсли.......................... 701'
1. Методы расчета многослойных преобразователей.....................70*
2. Преобразователи с последовательным и параллельным соединением
пьезоэлектрических слоев.............................................74
3. Разновидности многослойных пьезопреобразователей .... 78;
Глава IV. Широкополосные преобразователи переменной толщины . 86-
1. Анализ работы преобразователей переменной толщины ... 86-
2. Взаимосвязь амплитудно-частотной характеристики с профилем по-
верхности преобразователей..........................................89'
3. Экспериментальное исследование основных характеристик осе-
симметричных преобразователей переменной толщины .... 93
4. Конструктивные особенности ультразвуковых пь’езопреобразователей 99
5. Способы корректировки АЧХ широкополосных пьезопреобразова-
телей . ......................................... 102.
Глава V. Нерезонансно возбуждаемые пьезопреобразователи . . 105
1. Неравномерно поляризованные толстые пьезопреобразователи . . 105’-
2. Поверхностно возбуждаемые толстые пьезопреобразователи . , 112’
3. Неравномерно поляризованные толстые пьезопреобразователи с по-
верхностным возбуждением . . ...........................117"
4. Чувствительность нерезонансно возбуждаемых пьезопреобразователей 124
5. Разновидности нерезонансных пьезопреобразователей .... ISO-
277’
(Г.лава VI: Резонансные пьезопрсобразрватели, возбуждаемые неоднород-
ным электрическим нолем , 143
1. Поверхностно возбуждаемые резонансные пьезопреобразователи . 143
2. Разновидности резонансных пВезопреобрааователей,1 возбуждаемых
неоднородным электрическим полем . . . . . \ 149
.Глава VII. Акустические поля пьезопреобразрвателей . . . . . 155
1. Методы расчета акустических полей . . , . . . . . 155
' '2. .'Круглый преобразователь .. . . . . ... ...... 160
3.. Кольцеобразные .преобразователи и преобразователи с неравномер-
ным распределением амплитуд. . . . .. . . 167
4. Прямоугольный преобразователь . . . . > . . . • . . 171
5. Преобразователь с акустической задержкой ....................... . ,174
6. Раздельно-совмещенный (PC) преобразователь . . . ' . .... 184
7. Фокусирующие и ' широконаправлениые преобразователи . . ,. 186
8. Ультразвуковые поля преобразователей с неоднородным распреде-
... леиием акустического-давления на излучающей поверхности .• . 192
(Глава VIII. Конструкции преобразователей . г. .. ? . . . .. 202
1.. Прямые совмещенные преобразователи "... .... . .... .. ... 202
2, Наклонные совмещенные преобразователи ... ... . .1 .. 214
; ..' 3. Раздельно-совмещенные преобразователи . .' . . .. .. 226
.Глава IX. Технология, изготовления пьезопреобразователей . . . ' 233
1. Особенности . технологии 'изготовления прямых ' совмещенных пре-
образователей . ' . . .... ,. . . 233
2. Особенности.' технологии изготовления наклонных совмещенных
преобразователей ' : . . 242
3. Особенности технологии изготовления раздельно-совмещенных
преобразователей ,...................... ... .... . . . 244
sT.лава X. Электронные схемы возбуждения пьезопреобразователей и уси-
ления снимаемых с них сигналов . . .’ . . :. . . 247
1. Схемы возбуждения пьезопреобразорателей ’ . , ,. 247
2. Входные цепи и каскады усиления сигналов . . ...... 249
3. Применение усилителей тока с малым входным сопротивлением . 251
.Глава XI. Измерение и контроль характеристик пьезопреобразователей 257
1. Цели и задачи измерений................................... . . 257
2. Определение параметров конструктивных элементов преобразователей 259
3. Определение -параметров передаточных функций пьезопреобразова-
телей . . . . . . . . .... ., . 265
4. Определение характеристик акустического 'поля преобразователей 268
Список литературы. .. . . . ... ’ • ... '. . . . . . - . 274
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
Игорь Николаевич ЕРМОЛОВ, Михаил Борисович ГИТИС,
Михаил Викторович КОРОЛЕВ, Аркадий Ефимович КАРПЕЛБСОН,
Анатолий Федорович МЕЛЬКАНОВИЧ, Алексей Харитонович ВОПИЛКИЮ
X УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
"X ' ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
\
\ Редактор Е. В. Григория-Рябова
, . Художественный редактор С. С. Водчиц
Переплет художника Г. Г. Кожанова
Технический редактор Г. И. Андреева
Корректор Н: Г. Богомолова
• ' . '• ? " . ИБ №4136
Сдано в набор 02.12.85. Подписано в печать 14.04.86. T-04S32. Формат 60X90’/ie
, Бумага типографская № 1. Гарнитура, литературная. Печать, высокая.' Усл. печ. л. 17,5.
Усл.-кр. отт. 17;5. Уч.-иад. л. 19,47.. Тираж 6100 экз. Заказ 025. Цена 1 ,р. 50 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство .«Машиностроение»,
-107076, Москва, Стромынский пер., 4. 1
Московская типография № 6 Союзполиграфпрома при Государственном
комитете СССР по делам издательств, полиграфии .и книжной торговли,
109088, Москва, Ж-88, Южнопортовая ул., 24.
(Г.лава VI: Резонансные пьезопрсобразрватели, возбуждаемые неоднород-
ным электрическим полем , 143
1. Поверхностно возбуждаемые резонансные пьезопреобразователи . 143
2. Разновидности резонансных пВезопреобрааователей,1 возбуждаемых
неоднородным электрическим полем . . . . . \ 149
.Глава VII. Акустические поля пьезопреобразрвателей . . . . . 155
1. Методы расчета акустических полей . . , . . . . . 155
' '2. .'Круглый преобразователь .. . . . . ... ...... 160
3.. Кольцеобразные .преобразователи и преобразователи с неравномер-
ным распределением амплитуд. . . . .. . . . 167
4. Прямоугольный преобразователь . . . . . > . . . • . . 171
5. Преобразователь с акустической задержкой ....................... . ,174
6. Раздельно-совмещенный (PC) преобразователь . . . ' . .... 184
7. Фокусирующие и ' широконаправлениые преобразователи . . ,. 186
8. Ультразвуковые поля преобразователей с неоднородным распреде-
... леиием акустического-давления на излучающей поверхности .• . 192
(Глава VIII. Конструкции преобразователей . г. .. ? . . . .. 202
1.. Прямые совмещенные преобразователи "... .... . .... .. ... 202
2,.Наклонные совмещенные преобразователи ... ... . .1 .. 214
; ..' 3. Раздельно-совмещенные преобразователи . .' . . .. .. 226
.Глава IX. Технология, изготовления пьезопреобразователей . . . ' 233
1. Особенности . технологии 'изготовления прямых ' совмещенных пре-
образователей . ' . . .... ,. . . 233
2. Особенности.' технологии изготовления наклонных совмещенных
преобразователей '. ' : . . 242
3. Особенности технологии изготовления раздельно-совмещенных
преобразователей ,...................... ... .... . . . 244
sT.лава X. Электронные схемы возбуждения пьезопреобразователей и уси-
ления снимаемых с них сигналов . . .’ . . :. . . 247
1. Схемы возбуждения пьезопреобразорателей ’ . , ,. 247
2. Входные цепи и каскада! усиления сигналов . . ...... 249
3. Применение усилителей тока с малым входным сопротивлением . 251
.Глава XI. Измерение и контроль характеристик пьезопреобразователей 257
1. Цели и задачи измерений................................... . . 257
2. Определение параметров конструктивных элементов преобразователей 259
3. Определение -параметров передаточных функций пьезопреобразова-
телей . . . . . . . . .... ., . 265
4. Определение характеристик акустического 'поля преобразователей 268
Список литературы. .. . . . ... ’ • ... '. . . . . . - . 274
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
Игорь Николаевич ЕРМОЛОВ, Михаил Борисович ГИТИС,
Михаил Викторович КОРОЛЕВ, Аркадий Ефимович КАРПЕЛЬСОН,
Анатолий Федорович МЕЛЬКАНОВИЧ, Алексей Харитонович ВОПИЛКИЮ
X УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
"X ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
\
\ Редактор Е. В. Григория-Рябова
, . Художественный редактор С. С. Водчиц
Переплет художника Г. Г. Кожанова
Технический редактор Г. И. Андреева
Корректор Н: Г. Богомолова
' ' . . ИБ №4136
Сдано в набор 02.12.85. Подписано в печать 14.04.86. Т-04032. Формат 60X90’/ie
, Бумага типографская № 1. Гарнитура, литературная. Печать, высокая.' Усл. печ. л. 17,5.
Усл.-кр. отт. 17;5. Уч.-иад. л. 19,47.. Тираж 6100 экз. Заказ 025. Цена 1 ,р. 60 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство .«Машиностроение»,
-107076, Москва, Стромынский пер., 4. 1
Московская типография № 6 Союзполиграфпрома при Государственном
комитете СССР по делам издательств, полиграфии .и книжной торговли,
109088, Москва, Ж-88, Южнопортовая ул., 24.