7. Акустичні перетворювачі

Існує безліч методів і способів збудження та приймання акустичних коливань. В основу класифікації наявних методів покладено:

а) форму енергії, що перетворюється в акустичні коливання;

б) механізм самого перетворення;

в) обернене перетворення, тобто можливість перетворення акустичних коливань у первинну форму перетворюваної енергії (подвійного перетворення).

В інформаційних системах, до яких належать і системи акустичних вимірювань та контролю, здебільшого використовують ультразвукові коливання і хвилі, що виконують роль носіїв інформації. Тому до випромінювачів і приймачів ультразвукових коливань як до елементів інформаційного ланцюга можуть ставитися і відповідні вимоги, а саме: ККД, частотні, конструктивні, технологічні, температурна і часова стабільність та ін.

7.1. Класифікація способів отримання акустичних хвиль

7.1.1. Механічні способи збудження акустичних хвиль

У механічних випромінювачах форма первинної енергії – механічна. Як коливальну систему використовують порожнини, заповнені рідиною або газом, а головним чином тверді тіла у вигляді стрижнів або пластинок. У таких системах маса і пружність не зосереджені, як у системі маса – пружина, а розподілені у всьому об’єму . Роль пружини відіграє пружність речовини, а роль маси – густина і об'єм коливальної системи. Ці перетворювачі не мають властивості оберненості. Нижче наведено приклади конструктивних схем деяких механічних перетворювачів.

Язичковий свисток. Прототипом такого випромінювача є суддівський свисток (рис. 7.1). При вдуванні газу на вістря утворюються завихрення частотою

де – швидкість витікання газу з щілини ; – відстань між щілиною і вістрям .

Д ля збудження коливань у стовпі газу (резонаторі) треба, щоб частота зриву вихорів з вістря дорівнювала власній частоті стовпа газу. Використовують такого типу перетворювач переважно в духових музичних інструментах.

Рис. 7.1. Язичковий свисток

Газоструминний випромінювач (випромінювач Гартмана). Коливання в резонаторі збуджуються потоком газу, що витікає із сопла з надзвуковою швидкістю. За такої швидкості потоку виникають зони нестабільного тиску. Якщо резонатор помістити в таку зону, виникнуть коливання, які є деяким різновидом коливань релаксації, оскільки газ періодично надходить у резонатор під надмірним тиском, а потім виштовхується з нього (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Газоструминний випромінювач (випромінювач Гартмана)

Частоту газоструминного генератора визначають розмірами резонатора:

,

де – швидкість звуку в газі, який продувається через сопло.

На практиці тиск атм, ККД≈5%, потужність випромінювання на верхніх частотах близько 2 Вт. Так, для повітря, якщо мм кГц.

Рідинноструминний випромінювач. Плоско-паралельну пластину із загостреними краями, що шарнірно закріплена в двох точках, використовують як резонансну систему, в якій збуджуються згинні коливання (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Рідинноструминний випромінювач

Через сопло, виготовлене у вигляді чотирикутної щілини , потік рідини потрапляє на вістря пластини , яка коливається таким чином, що вузли коливальної швидкості містяться в точках кріплення пластини. Частота коливань рідини визначається співвідношенням

де – швидкість рідини, що витікає із сопла; а – відстань між вістрям і соплом. Резонанс настає, коли частота коливань струменя рідини дорівнює власній частоті згинних коливань, збуджуваних в пластині. Вся система знаходиться в рідині. Частота збуджуваних коливань кГц. Використовують у технологічних цілях.Механічні випромінювачі останнім часом витісняються більш ефективними магнітострикційними або п’єзокерамічними перетворювачами.

Механічне ударне збудження. Джерелом збудження акустичних хвиль є короткочасний механічний удар по поверхні твердого тіла. Чим коротший час удару, тим ширший спектр збуджених коливань. В цьому випадку випромінюються пружні хвилі всіх типів. Принцип механічного ударного збудження хвилі в ОК показано на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Схема ударного збудження: 1– індентор; 2 – привід індентора;

3 – об'єкт контролю; 4 – приймач акустичних коливань (мікрофон).

Якщо тверде тіло просторово обмежене або вміщує відбивні поверхні, у ньому на широкому спектрі збуджених коливань формуються підняття, що відповідають внутрішнім локальним резонансам. Перетворювачі такого типу використовують для інтегрального акустичного контролю виробів методом ударного збудження (або методом вільних коливань). Інформативним параметром є відмінність спектрів вільних коливань дефектного і контрольного об'єктів.