Пьезоэлектрические преобразователи продольных колебаний

Пьезоэлектрические преобразователи продольных колебаний [c.524]

При определении модулей упругости импульсными методами, независимо от того, используется ли при этом сквозное прозвучи-вание или локационный принцип, чаще всего возбуждают высокочастотные импульсы продольных или поперечных колебаний с помощью пьезоэлектрических преобразователей. Импульсные методы широко применяются при определении констант упругости монокристаллов и в дефектоскопии. Время прохождения импульсом заданного расстояния измеряют по развертке на осциллографе, куда посылают сигналы датчик возбуждений и приемный датчик. Датчики имеют акустический контакт с образцом, что легко осуществимо при температурах, близких к комнатной, но требует применения специальных переходников в случае экспериментов, проводимых при повышенных температурах. [c.207]

Экспериментальная установка, использованная для получения данных, приведенных па фиг. 31, показана на фиг. 32. Эти данные были получены с использованием пьезоэлектрических преобразователей с продольными колебаниями по толщине для возбуждения и приема упругих волн в металлической полосе. [c.196]

Мы рассмотрим подробно эквивалентную схему одного из типов преобразователей, а затем приведем результаты для преобразователей других типов. В случае гармонического возбуждения продольных колебаний стержня с электродами на торцах, т. е. находящегося в электрическом поле, параллельном направлению распространения упругих волн (постоянное О), и с поперечным сечением, малым по сравнению с длиной (постоянное Т), пьезоэлектрические уравнения и уравнение движения имеют вид [c.284]

Большинство магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователей работает в режиме одностороннего излучения, когда излучающей является лишь одна его сторона. Максимальная амплитуда колебаний преобразователя т даже на резонансном режиме небольшая — не более 5—10 мкм. Для увеличения амплитуды колебаний инструмента и согласования преобразователя с нагрузкой применяют ультразвуковые концентраторы (трансформаторы скорости). Стержни или трубки постоянного сечения, соединяющие преобразователь или концентратор с нагрузкой, называют ультразвуковыми волноводами. В зависимости от типа колебаний различают волноводы продольных, изгибных, радиальных и поперечных колебаний. [c.21]

В качестве материалов для вибровозбудителей высокочастотных упругих колебаний применяется промышленная пьезокерамика обладающая высокой добротностью (например, марок ПКР-Ю, ЦТС-23, ПКР-22 М). Еще большее повышение добротности упругой системы головки дает применение волноводов специальной формы (концентраторов колебаний). На рис. 6.7 приведена конструкция сенсорной головки со ступенчатым концентратором, обладающим наибольшим усилением [А. с. 819567 (СССР)]. Пьезоэлектрический преобразователь 1 с осевой поляризацией и волновод 2 представляют собой единую колебательную систему, соединенную с корпусом 3 головки посредством подвижного торцового зубчатого соединения, при этом средняя линия зацепления проходит через узел продольных резонансных колебаний волновода (рис. 6.7, а, б). В режиме измерения [c.191]

Средняя кривая соответствует сигналу акустической эмиссии от продольно поляризованного, установленного на поверхности пьезоэлектрического преобразователя, который широко применяется на практике в лабораторных и эксплуатационных испытаниях. Поскольку этот преобразователь выполнен из материала Р2Т-5А, он имеет те же возможности работы в окружающей среде, которые были описаны выше. Этот преобразователь реагирует в основном на сдвиговые колебания и волны Релея. Фронт импульса обозначен достаточно хорошо, однако очевидна нежелательная затянутость сигнала (1,5—2 мсек). Кроме того, электрическое напряжение, снимаемое с преобразователя, имеет интенсивные составляющие на таких низких частотах, как 100 кгц. В сильных шумовых полях, например в условиях гидравлической кавитации, трудно регистрировать низкочастотные сигналы, так как помехи перегружают предусилитель или проходят через фильтр, вызывая ложное срабатывание. Поэтому в таких случаях следует применять настроенную цепь. [c.42]

В настоящее время в качестве преобразователей в ультразвуковой спектроскопии используются диски из пьезоэлектрических (или ферроэлектрических) материалов. Они совершают продольные колебания под действием приложенных к их металлизированным обкладкам электрических напряжений. Колебания диска под- действием приложенного электрического поля зависят от механических характеристик диска. Важными [c.66]

Наиболее распространенный тип возбудителя основан на явлении магнитострикции физические размеры соответствующего металлического тела изменяются при действии на него магнитного поля. Простейшим ультразвуковым генератором такого типа является обыкновенный никелевый стержень, колеблющийся с первой резонансной частотой иод действием переменного магнитного поля, образуемого переменным током фиксированной частоты, протекающим через витки катушки, внутри которой находится стержень. Такой возбудитель имеет узел посередине длины и максимальную амплитуду продольных перемещений на концах стержня, один из которых будет представлять собой излучающую поверхность. Амплитуда колебаний излучающей поверхности может быть около 0,013 мм. Наиболее распространены магнитострик-ционные преобразователи с частотным диапазоном от 5000 до 50 000 Гц. Существенно более высокие частоты можно получить на основе пьезоэлектрического эффекта, с помощью специального кристалла, вырезанного надлежащим образом. Кристалл, который обычно представляет собой маленькую прямоугольную пластинку из кварца или кусочек титаната бария, изменяет свои размеры под действием приложенной к нему разности потенциалов. Кристалл соответственно закрепляется и затем в нем возбуждаются резонансные колебания под действием переменного напряжения, прикладываемого к его поверхности, которая посеребрена для обеспечения электрического контакта. Кристаллические генераторы ультразвуковых колебаний удобно применять в диапазоне частот от 250 ООО до 2 ООО ООО Гц. [c.125]

Источниками ультразвуковых колебаний являются два основных типа преобразователей — магнитострикционные и пьезоэлектрические. Первый тип изготовляется из ферромагнитных материалов (т. е, никеля, кобальта, железа и их сплавов), которые при намагничивании изменяют свои размеры, хотя это изменение составляет всего лишь 0,003% Для увеличения к. п. д. преобразователь собирается в пакет из тонких пластинок и с целью образования своего рода электромагнита снабжается обмоткой. При пропускании переменного тока пластинки вибрируют с каждой переменой полюсов магнита. Максимальный уровень колебаний наступает, когда частота переменного тока совпадает с продольной резонансной частотой пластинок пакета. Для увеличения частоты колебаний служат специальные приемы, такие, как приложение постоянного тока с наложением компоненты переменного тока. Магнитострикционные пре- [c.129]

Для определения скоросги распространения продольных волн, в особенности для целей дефектоскопии, разработан широкий ассортимент пьезоэлектрических преобразователей продольных колебаний. В преобразователях применяется обладающая высоким коэффициентом электромеханического преобразования пьезоэлектрическая керамика. Однако преобразователи чисто сдвиювых или [c.53]

Возбуждение продольных колебаний стержней осуществляют электромагнитными, электродинамическими, пьезоэлектрическими или электростатическими возбудителями колебаний. Возбудитель колебаний устанавливают около одного конца стержня, на другом его конце располагают обратный преобразователь, преобразующий механические колебания стержня в электрические — датчик частоты колебаний и амплитуды вибросмещения. На резонансе при совпадении частоты возбуждающей силы с частотой собственных колебаний стержня благодаря высокой добротности колебательной системы амплитуда вибросмещения резко возрастает. Это обстоятельство используют для определения резонансных частот. [c.136]

Узел акустического прпбора для неразрушающего контроля, содержащий преобразователь (преобразователи) электромагнитных колебаний в упругие и обратно, называют искателем. Ниже описаны конструкции типовых пьезоэлектрических искателей, получивших наибольшее распространение. На рис. 25, а представлен нормальный совмещенный искатель. ГГьезопластина (пьезоэлемент) 1 приклеена илп прижата к демпферу 2. Между пьезопластпной и средой 5, в которую производится излучение УЗК, может располагаться несколько тонких промежуточных слоев — один или несколько протекторов 3 и прослойка контактной смазки 4. Искатель размещен в корпусе 6. Выводы 7 соединяют пьезопластину с электронным блоком дефектоскопа. Для ввода ультразвуковых волн под углом к поверхности пли возбуждения сдвиговых, поверхностных, нормальных волн путем трансформации из падающей продольной волны в конструкцию введена призма 8 (рис. 25, б). В зависимости от назначения можно использовать различные конструктивные варианты основных типов искателей. [c.179]

Излучатели второго типа основываются на различных физич. эффектах электромеханич. преобразования. Как правило, они линейны, т. е. воспроизводят по форме возбуждающий электрич. сигнал. Большинство излучателей УЗ предназначено для работы на к.-л. одной частоте, поэтому в устройстве излучающих преобразователей обычно используются резонансные колебания механич. системы, что позволяет существенно повысить их эффективность. Преобразователи без излучающей механич. системы, напр, основанные на электрич. разряде в жидкости, применяются редко. В низкочастотном УЗ-вом диапазоне применяются электродинамические излучатели и излучающие магни-тострикционные преобразователи и пьезоэлектрические преобразователи. Элект-родинамич. излучателп используются на самых низких ультразвуковых частотах, а также в диапазоне слышимых частот. Наиболее широкое распространение в низкочастотном диапазоне УЗ получили излучатели магнитострикционного и пьезоэлектрич. типов. Основу магнитострикционных преобразователей составляет сердечник из магнитострикционного материала (никеля, специальных сплавов или ферритов) в форме стержня или кольца. Пьезоэлектрич. излучатели для этого диапазона частот имеют обычно составную стержневую конструкцию в виде пластины из пьезокерамики или пьезоэлектрич. кристалла, зажатой между двумя металлич. блоками. В магнитострикционных и пьезоэлектрич. преобразователях, рассчитанных на звуковые частоты, используются изгибные колебания пластин и стержней или радиальные колебания колец. В среднечастотном диапазоне УЗ применяются почти исключительно пьезоэлектрич. излучатели в виде пластин из пьезокерамики или кристаллов пьезоэлектриков (кварца, дигидрофосфата калия, ниобата лития и др.), совершающих продольные или сдвиговые резонансные колебания по толщине. Кпд пьезоэлектрич. и магнитострикционных преобразователей при излучении в жидкость и твёрдое тело в низкочастотном и среднечастотном диапазонах составляет 50—90%. Интенсивность излучения может достигать нескольких Вт/см у серийных пьезоэлектрич. излучателей и нескольких десятков Вт/см у магнитострикционных излучателей она ограничивается прочностью и нелинейными свойствами материала излучателей. Для увеличения интенсивности и амплитуды колебаний используют УЗ-вые концентраторы. В диапазоне средних УЗ-вых частот концентратор представляет собой фокусирующую систему, чаще всего в виде пьезоэлектрич. преобразователя вогнутой формы, излучающего сходящуюся сферич. или цилиндрич. волну. В фокусе подобных концентраторов достигается интенсивность 10 —10 Вт/см на частотах порядка МГц. В низкочастотном диапазоне используются концентраторы — трансформаторы колебательной скорости в виде резонансных стержней переменного сечения, позволяющие получать амплитуды смещения до 50—80 мкм. [c.14]

УЗ-вая С. производится с помощью стержневых колебательных систем, совершающих продольные (рис. 1), изгибные (рис. 2) и крутильные (рис. 3) колебания. В состав колебательной системы входят резонансный магни-тострикционньп (или пьезоэлектрический) преобразователь и УЗ-вой кон- [c.311]

Оценка эффективности конкретных пьезоэлектрических преобразователей или систем преобразователей осуществляется путем присоединения электрических или эквивалентных механических источников и нагрузок к клеммам соответствующей эквиваленг-нон схемы, проведения анализа получающейся электрической цепи и последующего перехода к механическим и акустическим параметрам. Рассмотрены эквивалентные схемы для преобразователей с двумя парами механических клемм (двумя поверхностями), к которым может быть приложена нагрузка. Анализ значительно упрощается в часто встречающихся на практике случаях, когда нагрузка присоединена только к одной паре клемм (одна поверхность преобразователя нагружена, а другая свободна) или когда свободны обе поверхности. Так как эти упрощения влияют сходным образом на эквивалентные схемы различных типов, мы ограничимся здесь исследованием только одного типа преобразователя — стержня, совершающего продольные колебания по длине, с электродами, нанесенными на его боковые поверхности (эквивалентная схема. этого преобразователя показана на фиг. 57). [c.291]

Пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для возбуждения сдвиговых колебаний в ленточной линии задержки, могут изготовляться в виде кристаллических пластинок, например из кварца У-среза. Однако чаще применяются пьезокерамические материалы, так как они обладают более высоким коэффициентом электромеханической связи. Чтобы получпть волны сдвига, ориентированные надлежащим образом, керамическая полоска поляризуется вдоль ее длинной стороны и возбуждается электрическим полем, направленным по толщине (параллельно направлению распространения волн в ленте). В отличие от преобразователей, работающих на продольных колебаниях, которые рассматриваются в 5, п. 2, преобразователи, возбуждающие сдвиговые колебапия по толщине, имеют частотную постоянную, не зависящую от отношения ширины пластины к ее толщине. [c.515]

Мей [7] поставил ряд экспериментов с проволочными линиями задержки, возбуждаемыми с помощью цилиндрических пьезоэлектрических преобразователей. Работа проводилась в диапазоне нескольких мегагерц и проследовала цель получить линейное 11.1М0И0Н110 задорж] 11 с частотой путем использования той части характеристики для нормальной волны L (О, 1), которая расположена вблизи первой точки перегиба. Основная трудность состояла в нреимущественном возбуждении первой продольной нормальной полны, так как опыты, проведенные Тью и др. [48], с импульсным возбуждением продольных колебаний в проволоке показали, что распространяется много различных нормальных волн. [c.528]

Если один из магнитострикционных преобразователей сделать передвижным, то можно менять время задержки в пределах, ограниченных лишь длиной линии. Ввиду простоты установки на линии дополнительных преобразователей эта конструкция пригодна в качество многоотводной линии задержки. Так как обычно цель разработки заключается в создаипп лпнии, не обладающей дисперсией, что требует использования первой продольной волны прп малом значении отношения // о, то для работы на высоких частотах диаметр проволоки следует выбирать малым. Соединение катушки преобразователя, возбуждающего продольные колебания, с проволокой даже весьма малого диаметра не представляет труда в отличие от пьезоэлектрических преобразователей, соединение которых с торцевой поверхностью проволоки малого диаметра представляет собой серьезную проблему, или от преобразователей для создания крутильных колебаний, в которых приходится приваривать к поверхности проволоки тонкие полоски. [c.532]

Необходимо отметить, что анализ Оноэ не учитывает отрицательного члена — 4ф /Со, который соответствует последовательной с Zg// sin pZ емкости в полной эквивалентной схеме для преобразователя на продольных колебаниях [25 J. Прп оценке эквивалентной схемы преобразователя п.з керамики титаната бария, создающего продольные колебания по толщине, с коэффициентом связи 0,3 Мей [63] нашел, что при такой связи влияние отрицательного емкостного члена незначительно. Пьезоэлектрические преобразователи пз таких материалов, как KNaNbOa [72] илп PZT-5 [73], имеют коэффициент электромеханической связи в пределах от 0,6 до 0,7, поэтому для них член — 4ф /Со обязательно следует учитывать. [c.556]

Импульсные ультразвуковые исследования проводят с помощью сейсмоскопов (дефектоскопов). Для возбуждения и приема упругих колебаний обычно используют пьезоэлектрические преобразователи (сегнетовая соль, керамика титаната бария или титанат-цирконата свинца ЦТС и др.). Излучатели поршневого типа возбуждают продольные волны, сдвиговые излучатели - поперечные волны. [c.147]

При изучении и проектировании пьезоэлектрических электромеханических преобразователей и анализе переходных состояний целесообразно эквивалентную электрическую схему рассматривать в виде шестиполюсника с распределенными параметрами. Эта модель была предложена Мэзоном [68] и в дальнейшем разработана Редвудом [100]. При выводе параметров эквивалентной электрической схемы Мэзон предполагал, что резонатор испытывает некоторый тнп колебаний, распространение которых происходит в одном выделенном направлении со скоростью v. Определим параметры ЭЭС иа примере продольных колебаний узких стержней, ориентированных в прямоугольной системе координат в соответствии с рис. 2.3. При этом толщина стержня (в направлении оси Л з) равна 2а, ширина (в направлении оси Хг) 2Ь и длина (в направлении оси Х ) 21. Уравнение движения стержня, ориентированного в соответствии с рис. 2.3,(7, представляет соотношение (2.31а), а в соответствии с рис. 2.3,6 — выражение (2.36а). Скорость распределения смещения v в направлении оси Xi, характеристический импеданс 2с и емкость между электродами Со определяются выражениями [c.164]

Существует ряд способов возбуждения ультразвуковых колебаний, в том числе механический, рациационный, лазерный, магнитный и др. [2, 4, 5]. В практике диагностирования в полевых условиях для получения и ввода ультразвуковых колебаний применяют специальные устройства — преобразователи, основанные на использовании электромагнитно-акустического (ЭМА) и пьезоэлектрического эффектов. Важным преимуществом ЭМА-преобразователей является возможность контроля бесконтактным методом через слой изоляции. Вместе с тем такие преобразователи, в силу их конструктивных особенностей и низкого коэффициента преобразования, используются для прозвучивания поперечными и продольными волнами по нормали к поверхности объекта контроля и применяются в основном для толщинометрии металлоконструкций. [c.147]

Продольные и сдвиговые колебания по толщине рассматриваются как одномерный случай в предположении, что пьезоэлектрическая пластина имеет бесконечно большие боковые размеры н что все точки в некоторой плоскости, параллельной плоскостям пластины, движутся с одинаковыми амплитудами и в одной и той же фазе. Очевидно, это не наблюдается в действительности, так как поверхность реальных колеблющихся пластин разбиваетсяна ангармонические моды, которые обычно связаны с наложением обертонов, отраженных от боковых поверхностей пластины, имеющей конечные размеры. Эти эффекты обычно рассматриваются как искажения, накладывающиеся на основную моду колебаний по толщине. Однако одномерное приближение дает неожиданно хорошие результаты в случае сильно нагруженного преобразователя, так как при этом ангармонические моды в значительной мере подавляются это приближение может использоваться для точного расчета ультразвуковых измерительных преобразователей и таких устройств, как ультразвуковые линии задержки. Следует заметить, что чистые колебания по толщине (без искажений) могут быть получены также при возбуждении пластин с небольшими электродами спещ4альной формы. [c.278]

Г., предназначенные для измерит, могут. В жидкостях затухание Г. же как и УЗ, основываются гл. обр. целей, должны быть ненаправленными очень велико, и дальность распро- на использовании явлений пьезоэлект-и обладать ровной частотной хар-кой странения мала. Сравнительно хорошо ричества и магнитострикции. Для во всей области исследуемых частот. Г. распространяется в тв. телах — возбуждения Г. можно использовать Для этой цели удобно пользоваться монокристаллах, гл. обр. при низких резонансные пьезоэлектрические пре-малыми по сравнению с длиной волны темп-рах. Так, напр., даже в моно- образователи пластинчатого типа, полыми сферич. приёмниками из пье- кристалле кварца, отличающемся ма- к-рые широко применяются в УЗ зокерамики, совершающими сфериче- лым затуханием в нём упругих волн, диапазоне частот, однако для Г. тол-ски симметричные колебания. продольная гиперзвук, волна с ча- щина таких преобразователей должна [c.122]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...