3 Заливальна маса; 4 корпус; 5 електричні з'єднувачі;
6 Електроакустичний екран; 7 контактний шар рідини;
8 ОК
У роздільно-суміщених перетворювачах першого типу призми задають деякий кут між нормалями до поверхні п′єзоелементів і вироби. Цей кут, як правило, виконують малим, що не перевищує 8°, для запобігання виникненню інтенсивної зсувної хвилі у виробі в разі падіння на його межу під кутом початкової поздовжньої хвилі, а також для зменшення акустичних шумів.
Рис. 7.43. Схеми побудови роздільно-суміщених перетворювачів з похилим уводом:
а типу "дует", б типу "тандем"
Оскільки в разі збудження перетворювача цугом хвиль з низькою частотою напрямленість випромінювання і приймання зменшується, кути між нормалями до поверхонь п′єзоелемента і ОК з пониженням робочої частоти також зменшуються. Наприклад, для серійних роздільно-суміщених перетворювачів, що працюють на частотах 2,5…5 МГц, кут призми вибирають рівним 7°; на частотах 0,5…1 МГц 3°; на частотах 0,2…0,4 МГц 0°.
У роздільно-суміщених перетворювачах другого типу кут між нормалями до п′єзоелемента і поверхні ОК вибирають таким, щоб забезпечити трансформацію на поверхні виробу початкової поздовжньої хвилі в зсувну або в підповерхневу хвилю. Кут у перпендикулярній площині, на відміну від перетворювачів попереднього типу, обирають в межах 1°…70° залежно від робочих частот і необхідних характеристик. Оскільки галузі застосування, типи хвиль і відповідно вимоги до роздільно-суміщених перетворювачів обох типів значно розрізняються, надалі їх розгляднуто окремо.
З погляду акустичних схем роздільно-суміщені перетворювачі з похилим уводом можуть бути розділені на дві групи: в одній випромінювач і приймач розташовані поряд (рис.7.43, а), а в другій один за одним (рис. 7.43, б). Першу схему називають «дуетом», а другу «тандемом». У схемі «дует» конструкцію кожної з частин перетворювача виконують повністю аналогічно похилим перетворювачам, проте вимоги до призм щодо забезпечення малого часу реверберації знімаються, оскільки головним видом завад у разі хорошого акустичного екранування, як і для всіх роздільно-суміщених перетворювачів, стають хвилі, що поширюються вздовж поверхні ОК.
Рис. 7.44. Варіант конструкції роздільно-суміщеного перетворювача з похилим уводом типу "дует": 1 – перетворювач; 2 – додатковий демпфер; 3 – узгоджувальний шар; 4 – корпус; 6 – демпфер; 7 – заливальний компаунд; 8 – призма; 9 – кабель; 10 – постійні магніти (присоси)
Найбільше поширені роздільно-суміщені перетворювачі з нормальним уводом. У цих перетворювачах незадовільне електричне екранування зумовлює електричне наведення у момент випромінювання на приймальний п′єзоелемент, спричиняючи реверберацію в приймальній призмі. Незадовільне акустичне екранування призводить до того, що ревербераційні коливання випромінювального п′єзоелемента і випромінювальної призми потрапляють на приймальний п′єзоелемент. У зв'язку з цим обов'язковим елементом роздільно-суміщених перетворювачів є електроакустичний екран між п′єзоелементами, який, як правило, виконується багатошаровим: один шар (металевий) електричний екран; все інші акустичні.
Під час проектування екрана загальною вимогою є забезпечення його мінімальної товщини зі збереженням ізолювальних властивостей. Очевидно, що збільшення товщини екрана зі збереженням мінімальної глибини залягання дефекту вимагає великих кутів призми, що спричиняє великі акустичні завади у вигляді поверхневої хвилі. Таким чином, надійно виявлятимуться тільки дефекти великих розмірів, а для виявлення дефектів малих розмірів необхідно збільшити мінімальні відстані від поверхні виробу до дефектів (тобто збільшиться мертва зона).
Створення електричного екрана зазвичай не викликає труднощів. Для цього використовують різні види металевої фольги. У процесі складання перетворювача екран заземляють.
Для акустичних екранів потрібні матеріали з малим характеристичним імпедансом і великими коефіцієнтами загасання звуку. Такі властивості сприяють хорошій акустичній ізоляції за рахунок як великого коефіцієнта віддзеркалення звуку, так і його поглинання. Найкращі результати з погляду акустичного екранування забеспечує порожнистий екран, коли роль звукоізолятора відіграє повітря. Проте повітряні екрани ускладнюють конструкцію перетворювачів. Крім того, завдяки капілярному ефекту рідина, що створює акустичний контакт, може засмоктуватися в повітряний проміжок, різко погіршуючи екранування. Тому застосовують штучну шкіру СК-4 (непротекс) і спінений пінополістирол.
Вибір геометричних розмірів п′єзоелементів для роздільно-суміщених перетворювачів визначається переважно колом дефектоскопічних завдань. Для роздільно-суміщених перетворювачів першого типу розміри в поперечному напрямі варіюють в дуже широких межах: від 2…3 мм в мініатюрних перетворювачах до 30…40 мм у широкозахватних. Перші використовують для виявлення різного роду відбивачів у труднодоступних місцях виробів, а також в товщинометрії, де важлива локальність вимірювань, а другі для забезпечення підвищеної продуктивності контролю.
Розміри п′єзоелементів визначаються частотою, на якій необхідно проводити ультразвуковий контроль (0,2…10 МГц). У разі потреби їх збільшення для підвищення продуктивності контролю, збільшення глибини прозвучування, тощо, застосовують секціонування електродів, багатоелементні випромінювальні п′єзоелементи та ін.
Зазвичай у роздільно-суміщених перетворювачах п′єзоматеріали для випромінювача і приймача обирають однаковими (у вітчизняних серійних перетворювачах використовують п′єзокераміку типу ЦТС), хоча роздільні п′єзоелементи дозволяють покращувати характеристики перетворювачів вибором п′єзоелементів з різних матеріалів, що найкращим чином працюють або на випромінювання, або на приймання.
Один з варіантів схеми конструкції комбінованого роздільно-суміщеного перетворювача, що використовується в ультразвукових товщино мірах, показано на рис. 7.45. Його особливість полягає в тому, що перші два перетворювачі вирішують завдання роздільно-суміщеного перетворювача з нормальним уве денням, а третій працює як приймач підповерхневих (головних) хвиль. Між випромінювачем і приймачами розташовано електроакустичний екран 9.
Рис. 7.45. Конструкція комбінованого роздільно-суміщеного перетворювача з нормальним і похилим уводами:
1 п′єзоелементи; 2 демпфери; 3 протектори; 4 корпус; 5 кришка корпусу; 6 струмовиводи; 7 заливальний компаунд; 8 призма; 9 електроакустичний екран
Рис. 7.46. Схема конструкції перетворювача, що забезпечує одночасно з пошуком дефектів контроль стану акустичного контакту: 1 п′єзоперетворювач для похилого уводу; 2 перетворювач нормального уводу; 3 демпфер; 4 призма; 5 ОК
Іноді для контролю стану акустичного контакту за похилого введення використовують комбінований перетворювач (рис. 7.46), у якому суміщено два перетворювачі: один з похилим уведенням для пошуку дефектів, а другий з нормальним уведенням для контролю акустичного контакту.
Сканувальні перетворювачі. Основне призначення сканувальних перетворювачів це отримання дво- або тривимірного зображення (В-скан або С-скан) розподілу такого акустичного локального параметра як акустичний імпеданс.
Механічне сканування шляхом механічного переміщення суміщеного перетворювача по поверхні ОК навряд чи може задовольнити потреби візуалізації акустичного поля як за якістю зображення, так і за масштабом часу.
Найпростішим варіантом перетворювача-сканера з механічним скануванням є лінійний електромеханічний сканер, який формує прямокутний растр (рис. 7.47, а).
Рис. 7.47. Схеми конструкцій механічних сканерів:
а секторскан; б круговий сканер; в роторскан;
1 електродвигун; 2 механізм перетворення обертання в гойдання; 3 ′єзоперетворювач; 4 захисний акустично прозорий ковпак (вікно); 5 напрям випромінювання; 6 імерсійна рідина; 7 корпус; 8 акустично прозоре кругове вікно; 9 вал; 10 ротор
Одноелементний випромінювач-приймач 3 за допомогою електричного приводу і перетворювача обертального руху в поступально-поворотний рух ковзає по протектору всередині корпуса, заповненого імерсійною рідиною. Режим сканування жорстко визначається електромеханічним приводом, до того ж настає швидке його зношування. Колові й секторні механічні сканери (рис. 7.47, б г ) мають ті ж недоліки, що і лінійні.
Н
аступним
кроком у розробленні сканерів став
електромеханічний сканер (рис.7.48), у
якому секторне сканування забезпечується
за рахунок хитання дзеркала, а динамічне
фокусування здійснюється лінійною
матрицею фазованих п′єзоелементів.
Рис.7.48. Варіант конструкції електромеханічного секторного сканера: 1 фазовані грати, що здійснюють динамічне фокусування; 2 акустичне дзеркало, що гойдається, здійснює секторне сканування; 3 сектор сканування; 4 копус перетворювача; 5 протектор (узгоджувальний шар); 6 струмопідвідні лінії; 7 сканувальний промінь; 8 імерсійна рідину
Найдосконаліші перетворювачі будують на базі розподілених електрично керованих перетворювачів (рис. 7.49), за допомогою яких можна сканувати ОК ультразвуковим променем у реальному масштабі часу, виконувати динамічне фокусування променя, а також масштабне перетворення і локальний аналіз ОК.
Рис. 7.49. Конфігурація п′єзоелементів у різних типах розподілених перетворювачів: кільцеві гратки (а); одновимірні гратки (б г), у тому числі лінійна (б), конвексна (в) і мікроконвексна (г); двовимірні (д е), у тому числі плоска (д) і конвексна (е)
Р
озрахунок
розподілених перетворювачів, розглянутий
в розділі 5, не викликає труднощів.
Складність полягає в технології
виготовлення розподіленого
п’єзоперетворювача, особливо якщо
врахувати вимоги до ідентичності
характеристик елементів ґратки і їх
взаємної ізоляції, якщо періоді матриці
становить десяті частки міліметра (рис.
7.50).
Рис. 7.50. Схема конструкції акустичного вузла перетворювача типу лінійна комутована матриця або ФҐ:
1 елемент матриці; 2 демпфер; 3 протектор; 4 корпус; 5 електричний екран
Різноманіття ультразвукових сканувальних перетворювачів велике (рис. 7.51), проте більшість з них мають одні й ті ж компоненти (рис. 7.52).
Рис.7.51. Сканувальні перетворювачі для медінтроскопії: а секторний механічний;
б лінійний електричний; в конвексний; г мікроконвексний; д фазований секторний
Рис.7.52. Схема розташування компонентів перетворювача типу лінійних ґраток (вертикальний перетин уздовж елемента гратки):
1 – п′єзоелемент, 2– демпфер, 3– корпус,
4 – друкована плата з струмовиводами,
5 – електричні обкладки, 6 – узгоджувальний шар, 7 – захисний ковпак-лінза, 8 – акустично прозора рідина (або інша речовина), у якій
швидкість звуку нижча, ніж у біологічному тілі.
Робоча частота датчика і глибина прозвучування перебувають у зворотній залежності, тому практичною межею глибинного прозвучування біологічних м'яких тканин (до глибини 40 мм) є частота 10 МГц. Можливе обстеження біологічних структур і за більшої частоти, але на малих глибинах (менших за 40 мм). Найбільшого поширення набули сканувальні перетворювачі в ультразвуковій інтроскопії на частотах від 3,5…10 МГц.
Оскільки ОК у медицині є м'які тканини, тобто речовини, у яких не збуджуються поперечні хвилі (не відбувається трансформації хвиль), використання ФҐ не є складним. Проте застосувати ФҐ для секторного сканування в твердому тілі надто важко, особливо через з трансформації хвиль
Проте, якщо використовувати ФҐ як похилий перетворювач з керованим кутом уведення, то зразу ж розкривається цілий спектр його застосувань, наприклад, як мультиелементний, як тандем, як комбінацію похилого і прямого в одному т. ін..
Рис. 7.53. Використання комутованих матриць в дефектоскопії за схемою «тандем» (а) або кільцевого сканера (б): 1 – лінійна і 2 – конвексная комутовані матриці; 3 – ОК (труба); 4 – зварний шов
Фокусувальні перетворювачі. Фокусування ультразвукового променя використовують у дефектоскопії для підвищення фронтальної роздільної здатності. Це може відбуватися в тому випадку, якщо досліджувана ділянка розміщена в ближній зоні характеристики випромінювання.
Фокусування променя може бути активним (концентратори, фазовані перетворювачі типу ФҐ, дефлектори) або пасивним (акустичні лінзи – рефрактори).
У дефектоскопії або інтроскопії звук фокусується на частотах від одиниць до сотні мегагерців (рис. 7.54).
І
нша
ділянка, в якій використовуються
фокусувальні перетворювачі, – це
акустична мікроскопія.
Рис. 7.54. Схема конструкції фокусувального перетворювача: 1 – п′єзоелемент; 2 – демпфер; 3 – акустична лінза; 4 – корпус; 5 – струмопідводи
Фокусувальні перетворювачі в акустичній мікроскопії використовують як режимі віддзеркалення, так і в режимі проходження. Робоче середовище, в якому фокусується звук, – рідина: очищена дегазована вода, рідкий аргон, рідкий азот, рідкий гелій. Довжини хвиль акустичного випромінювання у воді становлять приблизно 0,5 мкм за частоти 3 ГГЦ. На практиці використовувалися фокусувальні пристрої до 8 ГГц з роздільною здатністю на рідкому гелії до 0,03 мкм.
Основна проблема створення фокусувальних пристроїв для мікроскопії – це загасання звуку в рідкому робочому середовищі, яке для більшості рідин зростає пропорційно квадрату частоти. В рідкому гелії за температур 0,1К загасання дуже мале, тому верхня частотна межа пов'язана передусім з труднощами збудження і приймання акустичних хвиль. Усі рідини, окрім води, потребують знижених температур.
Вода як робоче середовище має дві переваги: з нею зручно працювати і вона характеризується якнайменшим серед усіх можливих робочих середовищ загасанням за кімнатної температури (20…50 дБ/мм на частоті 1ГГц). За температури +600°С загасання у воді спадає приблизно до 10 дБ/мм, тому у високочастотних фокусувальних перетворювачах фокусна відстань, що визначає довжину шляху у воді, складає частки міліметра.
Активні концентратори
як фокусувальні перетворювачі ефективніші,
ніж рефрактори, проте створення неплоских
п′єзоелектричних перетворювачів
пов'язано з технологічними проблемами.
Тому для виготовлення концентраторів
на частоти до 100…200 МГц використовують
синтетичну плівку ПВДФ (див. підрозд.
7.2.6), якою п
росто
виклеюється сферична виїмка в демпфері
(рис. 7.55).
Рис. 7.55. Схема конструкції високочастотного активного концентратора: 1 – пєзоперетворювач на базі металізованої синтетичної плівки ДВДФ; 2 – демпфер (елемент, що формує сферичну поверхню); 3 – корпус; 4 – кришка; 5 – струмовведення; 6 – електроізолювальна прокладка; 7 – електропровідна обойма
Значно простішим
у виготовленні вважається фокусувальним
перетворювач типу рефрактор. Площинна
хвиля збуджується тонкоплівковим
перетворювачем (наприклад, з оксиду
цинку
),
що наноситься на металізовану поверхню
сапфіра (
),
який характеризується високою швидкістю
поздовжніх акустичних хвиль, – 11,1103
м/с. На
протилежному боці плоско-паралельного
сапфірового елемента співвісно з
перетворювачем вирізано сферичну
виїмку, завдяки чому створюється
конфігурація лінзи.
Сферична поверхня
лінзи, найбільш зручна у зв'язку з
простотою її виготовлення, не є «ідеальною»
для забезпечення фазового фокуса. Проте
за великого відношення діаметра
випромінювача
до довжини хвилі в рідині
відмінність між «ідеальною» і сферичною
поверхнями стає неістотною.
Між лінзою і плоским ОК уводять краплю води або інше робоче середовище, яке утримується в полі випромінювання за рахунок сил поверхневого натягнення. В сучасних варіантах акустичних мікроскопів використовуються складні механічні розгортки з фокусувальними перетворювачами, що скануюють у двох напрямах.
Чим більший акустичний показник заломлення (відношення швидкостей звуку в лінзі та робочому середовищі), тим меншими будуть аберації, а фокус буде розташований практично в центрі сфери лінзи. На жаль, ця вимога суперечить вимозі внутрішніх перевідбивань, тобто вимозі задовільного акустичного узгодження з робочим середовищем через велику різницю імпедансу лінза – середовище.
У
режимі віддзеркалення, коли один і той
самий фокусувальний перетворювач є і
випромінювачем, і приймачем (рис. 7.56,
а),
товщина зразка не обов'язково обмежена,
хоча найкраще розрізняються об'єкти,
що розміщені поблизу поверхні об'єкта.
Відбивний мікроскоп ідеально підходить
для обстеження інтегральних мікросхем.
Рис. 7.56. Принцип побудови ультразвукових
фокусувальних перетворювачів для
акустичного мікроскопа у відбивному
(а) і трансмісійному (б) режимах:
1 – ОК; 2 – акустичне поле; 3
– робоче середовище (вода); 4 –
сферична лінза; 5 – сапфіровий блок;
6 – нижній електрод; 7 – шар
між металевими електродами; 8 –
верхній електрод; 9 – вихід електричного
луна сигналу; 10 – циркулятор; 11
– вхід зондувального електричного
сигналу; 12 – поліетиленова плівка;
13 – утримувач плівки з ОК
Акустичні мікроскопи в режимі проходження (трансмісійний метод з конфокальним розміщенням фокусувальних перетворювачів) використовують переважно в медицині і біології для дослідження тонких біологічних об'єктів (рис.7.56, б).
П′єзоелектричні вимірювальні перетворювачі. Вимірювальним перетворювачем називають засіб вимірювань, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для передаваня, подальшого перетворення, оброблення і зберігання, але непридатні для безпосереднього сприйняття спостерігачем.
На сьогодні для вимірювань динамічних механічних процесів найбільш широко застосовують п′єзоелектричні ВП інерційної дії. Принцип дії п′єзоелектричних ВП ґрунтується на використанні прямого п′єзоефекта.
Інерційний елемент
(рис. 7.57, а)
прикріплено до верхньої поверхні
п′єзоелемента 2,
а нижня поверхня п′єзоелемента – до
корпуса 4.
Якщо перетворювач установлюють на
досліджуваному ОК, перетворювач сприймає
вібрацію об'єкта. Унаслідок прагнення
інерційного елемента зберегти стан
спокою, п′єзоелемент деформується від
дії на нього інерційної сили
,
де
– маса інерційного елемента;
– прискорення ОК. Виниклий внаслідок
стиснення п′єзоелемента електричний
заряд пропорційний деформації
п′єзоелемента.
Рис. 7.57. Конструктивні схеми основних типів акселерометрів:
а – клеєний; б – клеєно-натиснутий; в – зі згинним консольним біморфним п′єзоелементом: 1 – інерційний елемент; 2 – п′єзоелемент з поздовжнім п′єзоефектом; 3 – виводи; 4 – корпус; 5 – підтискна пружина; 6 – п′єзоелемент з поперечним п′єзоефектом (біморфна структура); 7 – плоска пружина
Д
ля
визначення режимів перетворення
розглянемо спрощену еквівалентну схему
перетворювача інерційного типу (рис.
7.58) з одним степенем вільності (коливальна
система маса-пружина).
Рис. 7.58. Схема перетворювача інерційного типу
Інерційний елемент
з масою
закріплений на пружині з жорсткістю
,
другий кінець якої закріплений в точці,
жорстко пов'язаною з поверхнею ОК.
Демпфування системи враховано коефіцієнтом
в'язкого тертя
.
Тоді рівняння руху інерційної маси
набуде вигляду
,
де
– вібраційне переміщення точки
закріплення пружини (поверхні ОК) у
напрямі осі
;
– переміщення маси
,
або в комплексній формі
.
Резонансна частота такої коливальної системи
.
Вважатимемо, що
вібрації вимірються в діапазоні частот
.
Щоб за однакового масштабу часу сигнал
і відгук на нього були ідентичні, їх
амплітудні спектри мають бути однакові,
а фазові спектри відрізнятися на
величину, пропорційну частоті. Таким
чином, залежно від положення спектра
вимірюваних сигналів відносно резонансної
частоти
виокремо три режими ВП інерційного
типу.
Рис. 7.59. Амплітудночастотні характеристики ВП інерційної дії:
а – режим віброметра; б – режим велосиметра; в – режим акселерометра
У режимі віброметра
сигналом є переміщення
поверхні ОК. Для цього режиму характерне
розміщення частот сигналу
,
а
(рис.7.59, а).
Тут пунктиром показано АЧХ сигналу
,
а суцільною лінією - відповідний сигналу
відгук. При цьому має виконуватися умова
.
У режимі велосиметра
сигналом є швидкість переміщення ОК
.
Для цього режиму діапазон вимірюваних
частот (рис. 7.59, б)
можна визначати з виразу
.
При цьому повинна виконуватися умова
.
У режимі акселерометра
сигналом є прискорення
коливального процесу. Для цього режиму
діапазон вимірюваних частот (рис. 7.59,
в)
розташований в смузі
. При цьому має виконуватися умова
.
Таким чином,
вимірюючи переміщення, швидкості або
прискорення необхідно враховувати
оптимальні співвідношення між параметрами
коливальної системи
і
– вони мають задовольняти певні вимоги.
На практиці
вимірювальний п′єзоелектричний ВП
використовують здебільшого в режимі
акселерометра. Коефіцієнт перетворення
акселерометра обернено пропорційний
квадрату частоти перетворюваних
коливань, тому доцільно вибирати ВП,
який має настановний резонанс, що в
два-три рази перевищує верхню межу
спектру частот прискорень об'єкта.
Наприклад, якщо інерційну масу виконано
у формі циліндра завдовжки
,
площею перетину
і виготовлено з матеріалу, що має густину
і модуль Юнга
,
то
,
,
а резонансна частота (частота власних коливань) перетворювача
.
Настановний резонанс завжди нижчий за частоту власних коливань і залежить від якості установлення перетворювача на об'єкт і його розміщення на об'єкті. Він збільшується зі збільшенням площі та підвищенням якості контакту між п′єзоелементом і корпусом, корпусом і об'єктом. Настановний резонанс для широкосмугових перетворювачів може зменшуватися в півтора - два рази, для низькочастотних – на 5…10% відносно частоти власних коливань.
Як інерційний елемент зазвичай використовують металеву масу з матеріалу з великою густиною.
Перевагами п′єзоелектричних ВП інерційної дії є широкий діапазон частот, вібраційна й ударна міцність, простота конструкції, мала чутливість до магнітних полів, можливість створювати перетворювачі з малими масою і об'ємом.
Недоліками можна вважати наявність великого вихідного опору, неможливість вимірювання постійної складової.
Основні характеристики п′єзоелектричних ВП: коефіцієнт перетворення, мВс2/м (у режимі акселерометра); резонансна частота закріпленого перетворювача (настановна частота), кГц (не плутати з резонансною частотою п′єзоелемента); ємність перетворювача, пФ; граничне прискорення, м/с2.
Технічні характеристики сучасних п′єзоелектричних ВП: коефіцієнт перетворення, понад 10 мВc2/м ; ударна міцність (граничне прискорення), понад 10000 м/с2; частота, понад 10 кГц.
Спосби підвищення коефіцієнта перетворення: збільшення інерційного елемента; зменшення електричної ємності п′єзоелемента (хоча для зменшення нижньої межі частот діапазону використовують п′єзоелементи з великою ємністю; використання п′єзокераміки з великим значенням п′єзомодуля; використання згинних або зсувних деформацій п′єзоелемента; зменшення маси корпуса порівняно з інерційною масою.
Повітряноакустичні перетворювачі. Основне завдання зі створення повітряноакустичних перетворювачів (ПАП) – це узгодження твердотільного випромінювача із середовищем випромінювання (у цьому випадку – з повітрям), що має незначний порівняно з твердим тілом акустичний імпеданс.
Це завдання вирішають таким чином: як резонатор використовують пластиноподібний п′єзоелемент, приклеєний до пружної тонкої мембрани (мономорфна система) або два аналогічні елементи, приклеєні до мембрани з протилежних боків (біморфна система). Повітряно акустичні перетворювачі вирізняються властивістю взаємності, тобто можуть працювати як на випромінювання, так і на приймання і завдяки їх незначному акустичному імпедансу добре узгоджуються з повітряним середовищем.
Після подачі напруги на п′єзоелемент відбувається розтягування-стиснення його товщини, що у свою чергу призводить до появи поздовжньої деформації (вздовж шару). Жорсткість п′єзоелектрика у напрямі поляризації менша ніж в площині електродів. Зокрема, це характеризується тим, що коефіцієнт Пуассона для полікристалічної кераміки становить 0,5. Виходячи з цього, а також виходячи з умови постійності об'єму деформованого твердого тіла, можна знайти, що для відносних деформацій в поздовжньому і поперечному (товщинному) напрямах виконується така наступна рівність
.
Найпростіший варіант ПАП з мономорфним резонатором зображено на рис. 7.60.
Рис. 7.60. Схема конструкції ПАП: а – основні коливання; б – коливання на вищих гармоніках (обертонах); 1 – п′єзоелемент, 2 – мембрана, 3 – корпус, 4 – фланець
Механічну резонансну частоту можна приблизно обчислити за формулою
,
де
– константа, яка залежить від матеріалів
п′єзоелемента та мембрани і для основного
коливання становить близько
Гцм
для випадку, якщо кругову мембрану
виготовлено зі сталі і закріплено по
колу. При цьому радіус п′єзоелемента
має сановити 0,5…0,7 від радіуса мембрани
.
Для цих умов маса корпуса повинна
перевищувати масу резонатора в 100–200
разів.
Натепер є багато різних конструктивних рішень ПАП, але основні принципи, розглянуті тут, зберігаються для всіх видів ПАП.
Фактично власну
резонансну частоту
визначають передусім експериментально.
Ефективна резонансна частота ПАП досягає
значення 100 кГц.
За допомогою ПАП можна визначати відстані до предметів, виявляти рух предметів відповідно до принципу Доплера, контролювати наповнюваність посудин великої місткості, орієнтуватися незрячим в просторі для незрячих, виявляти перешкоди.
Параметри та характеристики перетворювачів. Існує безліч параметрів, за якими оцінюють перетворювачі. Ці оцінні параметри залежать від типу перетворювача, його призначення, режимів і умов роботи. Проте існують основні характеристики, які властиві всім без виключення перетворювачам, це: передатні функції (коефіцієнти перетворення); електричні опори; часові й частотні характеристики; параметри акустичного поля; загальнотехнічні характеристики.
Коефіцієнт перетворення. Коефіцієнт електромеханічного зв'язку визначено в статичному режимі (7.6). Він є мірою інтенсивності п′єзоефекту, показником якості п′єзоматеріалу і залежить від ступеня поляризації, пружних, діелектричних і п′єзоелектричних констант матеріалу, від взаємного просторового розподілу пружних зсувів і електричного поля, виду деформації.
Коефіцієнт
перетворення (передатна функція)
установлюють співвідношенням
взаємозв'язаних акустичних і електричних
величин у динамічному режимі. В режимі
випромінювання (зворотний п′єзоефект)
у разі подачі на п′єзопластину електричної
напруги
у ній виникають пружні коливання з
амплітудою
.
Таким чином коефіцієнт перетворення
при випромінюванні дорівнює
.
У режимі приймання,
коли в п′єзоелементі збуджуються
акустичні сигнали з амплітудою
,
на обкладаннях п′єзоелемента виникає
напруга
.
Коефіцієнт перетворення при прийомі
складе
.
Роботу перетворювача в суміщеному режимі характеризує коефіцієнт подвійного перетворення за напругою
,
де відношення
можна назвати коефіцієнтом ослаблення
електроакустичного тракту, а відношенні
– коефіцієнтом ослаблення акустичного
тракту, який показує, в скільки разів
амплітуда прийнятого акустичного
сигналу менша від амплітуди випромінювального
акустичного сигналу в тілі п′єзоелемента.
Коефіцієнт ослаблення акустичного
тракту становить мету розрахунку
акустичного тракту і він накладає
обмеження на вибір методу, вибір
акустичного тракту, робочої частоти,
розмірів перетворювача та багатьох
інших параметрів контролю і системи
(дефектоскопа). Аналогічні вирази можна
отримувати і за струмом.
О
чевидно,
що
залежить від частоти. Цю залежність
називають АЧХ перетворювача. Робоча
частота
відповідає максимуму АЧХ, вона визначає
максимальну чутливість перетворювача.
Проте зі збільшенням навантаження
зменшується добротність перетворювача
і зміщується його резонансний пік (див.
п.4.1.3).
Рис. 7.61. Залежність коефіцієнта подвійного
перетворення
(нормованого) від
для недемпфованого перетворювача за
різних навантажень: 1 – на воду; 2
– органічне скло; 3 – алюміній
Смуга частот
перетворювача визначається на рівні
мінус 3 дБ (0,707) в порівняно з максимальним
значенням коефіцієнта перетворення
під час випромінювання або приймання
або на рівні мінус 6 дБ (0,5) у режимі
подвійного перетворення порівняно з
максимальним значенням
.
Чим ширша відносна смуга пропускання
,
тим менше спотворення форми випроміненого
і прийнятого акустичних сигналів, менші
розміри мертвої зони, вища променева
роздільна здатність і точність визначення
координат відбивача.
Як уже відомо,
розширити смугу пропускання можна,
зменшивши акустичну
(механічної, унаслідок демпфування) й
електричну
(за рахунок унесення в електричну
коливальну систему активних втрат)
добротності, хоча це і призводить до
зниження чутливості. Добротність
ненавантаженого п′єзоелемента
визначається поглинанням акустичної
енергії в самому п′єзоелементі (див.
п.4.1.3)
.
Навантаження
п′єзоелемента демпфером
,
з одного боку, і ОК
– з другого боку (без проміжних шарів),
призводить до зниження акустичної
добротності перетворювача до значення
а отже, і до розширення смуги частот.
Слід зазначити, що механічна добротність знижується також і внаслідок поліпшення акустичного зв'язку з ОК.
Застосовуючи
просвітлювальні шари і підбираючи
оптимальне демпфування, удається
розширити смугу частот за достатньої
чутливості. Висока чутливість у поєднанні
з широкою смугою частот досягається,
якщо
.
Електричний
опір перетворювача
є комплексним
опором, виміряним на затискачах
перетворювача за певного акустичного
навантаження на його робочій поверхні.
Еквівалентна схема п′єзоелемента, що
відповідаєа комплексному опору
перетворювача, має АХЧ з характерними
частотами
і
.
Значення
і його реактивні параметри використовують
для визначення оптимальних умов
узгодження перетворювача з електронним
блоком.
Якщо врахувати,
що опір навантаження
перетворювача також комплексна величина,
то її складові (власна ємність,
індуктивність і активний опір), увімкнені
паралельно або послідовно з перетворювачем,
обумовлюють його якнайкраще узгодження
з підсилювачем і генератором .
Часові характеристики. Із часових характеристик інтерес становить ревербераційно-шумова характеристика – часова залежність відношення електричної напруги на перетворювачі до амплітуди електричної напруги луноімпульсу. Ревербераційно-шумова характеристика пов'язана з тривалістю ревербераційних шумів і значною мірою визначає можливість виявлення дефектів поблизу поверхні (у мертвій зоні). Мертвою зоною називається передповерхнева ділянка виробу з боку установки перетворювача, в якій дефекти (відбивачі) заданого розміру не можуть бути виявлені за допомогою перетворювача і дефектоскопа. Мертва зона залежить перш за все від коефіцієнта загасання в демпфері й акустичної затримки (призмі) перетворювача, а також від інтерференційних процесів у протекторі (шумів перетворювача) і в контактному шарі. Основну частку у формування мертвої зони вносять шуми перетворювача, спричинені порушенням технології перетворювача (непроклеями між демпфером та п′єзоелементом і п′єзоелементом і протектором.
Глибина мертвої зони
,
де
– тривалість зондувального імпульсу;
– тривалість шумового процесу після
закінчення зондувального імпульсу;
– швидкість звуку в ОК. За наявності
акустичної затримки глибина мертвої
зони зменшується за рахунок скорочення
ревербераційних процесів. Мертву зону
краще оцінювати за виявлюваності
відбивачів заданого розміру, створених
у зразку з контрольованого матеріалу.
Параметри акустичного поля оцінюють діаграмою напрямленості (див. розділ 5).
На практиці за нижнє значення амплітуди основної пелюстки, що визначає кут розхилу променя, беруть 0,1 (-20 дБ) для поля випромінювання або приймання і 0,5 (-6 дБ) – для поля випромінювання-приймання.
Шириною діаграми
напрямленості вважають кут
,
у межах якого амплітуда акустичного
тиску змінюється не більше, ніж на –3
дБ або на –6 дБ для поля випромінювання-приймання.
Для фокусувальних перетворювачів важливо знати фокусну відстань , ширину і протяжність фокальної зони, на межі якої максимальне значення амплітуди тиску або коливальної швидкості зменшується на –3 дБ (або для поля випромінювання-приймання – на -6 дБ).
Для похилого перетворювача, крім ширини діаграми напрямленості важливою характеристикою є кут призми .
Загальнотехнічні характеристики визначають вимоги до надійності, зносостійкості, стійкості до зовнішніх дій.
Надійність перетворювача оцінюють напрацюванням на відмову або середнім терміном роботи.
Зносостійкість оцінюється протяжністю (площею) контрольованого об'єкта, на якій стирання протектора або призми не змінює товщини протектора або кута призми вище за допустимі значення.
Стійкість до зовнішніх дій залежить від стійкості до температурних змін, вогкості, механічних ударів, дії електромагнітного поля і т. ін.
До загальнотехнічних характеристик належать також габаритні розміри, маса, а для похилого введення – стріла перетворювача (відстань від точки введення акустичної осі до передньої грані перетворювача) тощо.
Основні вимоги до роботи з перетворювачами:
– температуру
п′єзоелектрика потрібно підтримувати
якнайнижчою порівняно з точкою Кюрі;
За тривалого процесу відповідно до
вимоги допускають температуру
навколишнього середовища, що нижча за
.
– перетворювач не можна розміщувати в зоні дії сильних електричних змінних або постійних полів напруженістю 5…10 кВ/см.
– кераміка не повинна піддаватися механічним напруженням, що перевищують 50…100 МПа.