1.Теоретичні відомості
а) Метод отримання АЧХ
У процесі виготовлення п'єзоперетворювачів УЗ ехоскопів чи їх експлуатації можуть трапитися відхилення їх параметрів від розрахункових. Для вимірювання цих параметрів розроблена методика, що складається з отримання й обробки АЧХ активної та реактивної компонент електричного імпедансу окремих елементів.
Для вимірювань використовалась схема, зображена на (рис.1).
ВЧ-напруга
від генератора із заданою частотою і
постійною амплітудою
,
що підтримується, через баластний опір
Rσ
подавалась на п'єзоелемент. Вимірювалися
амплітуда напруги на п'єзоелементі та
зсув фаз між напругою
і
за допомогою цифрового фазометра.
б) Метод аналізу АЧХ.
Випадок п’єзоелементів без узгоджуючих шарів і електричних ланцюгів.
П’єзоперетворювач, як вже зазначалось, являє собою елемент з розподіленими параметрами. Однак для його аналізу часто використовується електрична еквівалентна схема із зосередженими параметрами, наведена на (рис.2 (а)).
Рис.1
(В-вольтметр ВЗ-43; Ф-фазометр Ф2-34; Ч-частотомір ЧЗ-34А; Г-генератор ГЗ-112)
Рис.2
Рис.3
– динамічна
ємність;
Со – статична ємність п'єзоелемента;
– динамічна
індуктивність; (1)
– динамічний
опір втрат на випромінювання;
ω1
– частота електричного резонансу, та
ω0=
– частота механічного резонансу,
пов'язані для випадку Ra=0
співвідношенням
(2)
або наближеним співвідношенням:
(3)
Ця схема
є найбільш точною при k1+k2<<1
так як на частоті ω1
вона представляє паралельне з'єднання
ємності
і еквівалентного опору навантаження
(рис.2(б)), а на частоті ω0
– послідовне з'єднання тієї ж ємності
і опору Ra0
(рис.2(в))
(4)
тобто можливі схеми паралельного чи послідовного з'єднання активного і реактивного опорів для всього діапазону частот 0<ω<2ω0.
Послідовна схема особливо зручна для суміщеного п'єзоелемента, уякому випромінювання і приймання УЗ-хвиль здійснюється на частоті механічного резонансу. У наявній літературі вимірювання за цією схемою нам не зустрічалися.
Легко
показати, що параметри послідовної
схеми пов'язані зі значеннями
,
,
та φ наступними співвідношеннями:
(5)
Переходячи від схеми (рис. 2(а)) до (рис 2(в)), отримаємо:
(6)
де
(7)
2.Порядок виконання
З аналізу виразів (6) слідує:
1. Частота механічного резонансу fо визначається за положенням максимуму Rа.
2.
3.
звідки
(8)
4.
,
при
,
при f≈f0
слідує
де
(смуга по кривій Rа(f)
визначаєтьcя по рівню 0.5, т.я.
).
5.
Позначивши
,
знайшовши похідну від
по х
на частоті
,
отримаємо
Значення добротності знаходиться за формулами п.п.4 і 5, kt – за формулою (8), а акустичне навантаження знаходимо з виразу (7).
3.Контрольні запитання
1.Оцінити ємність і активний еквівалентний опір напівхвильової п’єзопластини з матеріалу ЦТС-19, на частоті 2.5 МГц, діаметром 12мм, що навантажена:
1) на демпфер Z1=6·106 Па·с/м та біологічну тканину;
2) на оргскло, демпфер відсутній.
2.Визначте еквівалентний електричний опір від механічних втрат ЦТС, якщо механічна добротність п’єзопластини Qм=50, fa=2.5 МГц.