ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Пьезоэлектрические преобразователи при импульсном возбуждении из "Ультразвуковой контроль материалов " Сначала нужно ответить на вопрос о том, почему малое затухание пьезопластины не всегда является преимуществом. Чтобы излучить при определенной частоте непрерывную звуковую волну с возможно более высоким звуковым давлением, разумеется, нужно возбуждать соответствующую пластину с ее резонансной частотой и поддерживать ее демпфирование минимальным. Поэтому целесообразно демпфировать ее только со стороны подключенного вещества, а с задней стороны она должна граничить с воздухом. Такой случай при контроле материалов встречается редко, так как даже при работе с непрерывным ультразвуком в большинстве случаев частоту приходится покачивать , чтобы избежать возникновения стоячих волн в образце. При таком смещении частоты амплитуда должна оставаться по возможности постоянной, чего узкая резонансная кривая не позволяет. Идеальной была бы частотная кривая с пологой формой на соответствующем участке, которую однако трудно получить, если не работать слишком далеко от резонанса с малыми амплитудами. Поэтому принимают некоторое компромиссное решение и расширяют резонансную кривую (сглаживают пик) путе демпфирования до требуемой величины, причем резонансная полоса уже получается не плоской, и на границах составляет только 70 % максимального значения. [c.157] Каждый импульс может быть представлен в виде ряда Фурье как сумма большего или меньшего числа неограниченных во времени составляющих колебаний синусоидальной формы, содержащихся в более или менее широкой полосе частот.. .До импульса и за ним эти составляющие как раз взаимно гасятся. Чем короче импульс (независимо от его формы), тем шире полоса частот, в которой располагаются составляющие частоты с еще заметной амплитудой. Если при передаче в механической или электрической системе подавить некоторую часть частот, то импульс будет искажен, в частности удлинен. Дей--ствует правило, что для передачи импульса продолжительностью Т без существенного искажения достаточна ширина полосы частот 6=1/7 , даже если эта полоса, как при резонансной кривой на рис. 7.9, на обоих концах уже характеризуется сни-..жением амплитуды до 70%. [c.158] Следовательно, при ширине полосы частот на рис. 7.9 в 0,18 МГц можно передавать сравнительно без искажений импульс продолжительностью 1/0,18 = 5,5 мкс, например пять ко--лебаний частотой 1 МГц, из которых каждое продолжается одну микросекунду. Напротив, если пытаться задать на такую пьёзопластину импульс в 1 мкс, то соответствующая полоса частот в I МГц не будет пропущена, и импульс на выходе получится ненамного короче 5 мкс, что видно и по процессу затухания колебаний пластины на рис. 7.8,6. [c.158] Так как короткие импульсы для контроля материалов особенно важны, теперь следует рассмотреть результат более строгого анализа поведения пьезопластины, который просто и эффективно позволяет правильно сконструировать нужный нмпульс звукового давления для любого возбуждающего напряжения [258, 1246]. [c.160] Без вывода можно сформулировать основное правило для пьезопластины как излучателя (рис. 7.14). [c.160] Когда водны внутри пластины подходят к границе раздела, для их отражения и преломления справедливы известные законы—-формула (2.1) согласно правилу изменение фазы на противоположную при отражении от акустически более мягкого материала. Далее эти волны накладываются одна на другую без помех. [c.161] что в пластине две волны идут одна навстречу другой, отнюдь не удивительно. Достаточно вспомнить, что уже рассматривались основное колебание пластины и его верхние гармоники, которые можно было составить из двух противоположно движущихся волн. Там шла речь о частном случае сииуеоидальных волн здесь это ограничение опускается. Вместо прямоугольных импульсов иа рнс. 7.14 могут быть использованы также и любые другие напряжения н формы импульсов. [c.161] Применим вышеприведенные правила к различным условиям подсоединения и формам импульса. Пусть вначале задан короткий прямоугольный импульс, как на рис. 7.14, и имеется толстая пластина, так что время прохождения волны в пластине превышает длительность импульса. Далее для начала рассматривается простой случай подсоединения без отражения с обеих сторон (21=.2о=22), что экспериментально можно приближенно воспроизвести при размещении кварца между двумя пластинами из алюминия при этом все четыре волны одинаковы. Внутренние волны проходят через противолежащие поверхности -беспрепятственно и полностью выходят из пьезопластины (рис. 7.15). Следовательно, наружу выходят один за другим лш одинаковых противоположно направленных импульса, причем промежуток между ними равен времени прохождения волны через пластину. [c.161] На рис. 7.16 показан случай, когда пластина слева граничит с воздухом. При этом справа наблюдается полное отражение волны с инверсией фазы. На рис. 7.17 и правая граница уже не является неотражающей. Отношение 2г/2о выбрано равным 0,25, что примерно соответствует переходу кварц/плексиглас. -При этом возникает серия импульсов с промежутками, равными времени прохода через пластину, из которых на рис. 7.18 показаны в увеличенном масштабе первые восемь. Из них вто- рой импульс всегда получается вдвое больше первого, а последующие уменьшаются в постоянном соотношении. [c.161] При возбуждении несколькими следующими друг за другол импульсами напряжения нужно определять результат только одного импульса и многократно складывать его с учетом сдвига во времени с аналогичным результатом от других импульсов. Таким путем можно построить звуковую волну, относящуюся к цугу синусоидальных волн, из результата для одной синусоидальной полуволны и тем самым определить входной и выходной переходные колебательные процессы также и за пределам резонанса. Практически это можно выполнить расчетом, а также графически. [c.164] Для приемника нужно отметить следующее правило (рис. 7.20). [c.164] При проникновении любой волны звукового давления в пьезопластину на ее электродах возникает электрическое напряжение холостого хода, которое пропорционально площади под, кривой звукового давления уже вошедшей волны. Если в пластине одновременно движутся несколько волн, например вследствие зигзагообразного отражения, то соответствуюпще площади суммируются с учетом их знаков. [c.164] В качестве примера на рис. 7.20, а в толстую пластину проникает прямоугольная волна (длительность волны меньше времени прохода). Площадь в пластине (заштрихованная) увеличивается линейно следовательно, так же увеличивается и напряжение. Оно остается постоянным до тех пор, пока внутри пластины находится целая длина волны. Поскольку пластина выполнена с задней стороны неотражающей, волна выходит иа-. нее беспрепятственно, вследствие чего напряжение опять падает до нуля. [c.164] Если волна имеет большую длину, то она может полностью-заполнить пластину при этом напряжение достигнет максимума, максимальное напряжение сохранится до тех пор, пока пластина будет полностью заполнена волной. И, наконец, если волна является очень длинной по сравнению со временем пробега (рис. 7.20, г), то изменение напряжения все больше походит на форму волны. Следовательно, при помощи правильно подогнанной с задней стороны пьезоэлектрической пластины можно-тем точнее преобразовывать звуковую волну в электрическое-напряжение, чем тоньше эта пластина. Впрочем, при это амплитуда напряжения уменьшается с толщиной пластины, так, как одновременно уменьшается и упомянутая площадь. [c.164] На практике не так просто подсоединить пьезоэлектрическую пластину без отражения на ее границе. Если она с задней стороны граничит с акустически мягким материалом, то там происходит отражение с инверсией фазы. При этом отдельный короткий импульс дает переменное напряжение с уменьшающейся амплитудой (рис, 7.21). [c.164] Если изменить поляриость пьезокристалла, то изменится и поляркгость излучаемого им импульса, т. е. ои начнется, например, ие с максимума давления, а с минимума. Если такой кристалл используется также и для приему то форма электрических эхо-импульсов в обоих случаях будет одинаковой. Лишь при использовании раздельных излучателей и приемника эхо может изменять знак в зависимости от их полярности, т. е. начинаться с отрицательной волны напряжения вместо положительной. [c.165] Поскольку современные излучатели обычно бывают очень низкоомными, электрическое согласование обычно бывает нужным только со входным сопротивлением приемника. Если электрический импеданс излучателя очень высок или очень мал по сравнению с входным сопротивлением приемника, то простая параллельно подсоединенная катушка не обеспечит оптимального согласования. В этом случае необходим трансформатор, который согласует импеданс излучателя требуемым образом с импедансом приемника. Кроме того, при очень длинных кабелях или при высоких частотах к кабелю нужно подключать наконечник с известным импедансом, чтобы избежать мешающих отражений. Подсоединять наконечник можно либо к прибору, либо к искателю. [c.166] Согласование электрического контура с механической резонансной частотой излучателя служит не только для усиления полезной частоты, но н для одновременного подавления мешающих частот. Как было показано пьезопластина при ударном возбуждении колеблется не только со своей основной частотой в ней возникают также и поперечные колебания и высшие гармоники. Поперечные колебания коррелируют с поперечными размерами, которые обычно бывают очень велики по сравнению с толщиной пластины. Поэтому их частота получается много ниже полезной частоты. Таким образом, благодаря фильтрующему действию электрического резонансного контура можно подавить как попереч1[ые колебания с более низкой частотой, так и верхние гармоники с повышенной частотой. [c.166] Вернуться к основной статье