23. Опишите структуру прямого пьезопреобразователя и назначение отдельных элементов.

Пьезоэлектрические преобразователи представляют собой устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии в акустическую и наоборот. Принцип их действия основан на использовании пьезоэффекта.

Рассмотрим схему контактного пьезопреобразователя (рисунок 2.1). Чувствительным элементом является пьезопластина 1, поляризованная по толщине. Ее плоскости покрыты серебряными электродами 3. Одна плоскость пьезопластины приклеивается к демпферу 2. Между пластиной и средой 6, в которую излучается ультразвук, располагается несколько тонких слоев: электрод, протектор 4, защищающий пластину от повреждений, и прослойка смазки 5.

Рисунок 2.1 – Структурная схема пьезопреобразователя.

Пьезопластина обычно имеет толщину, равную половине длины волны ультразвука на рабочей частоте. Демпфер служит для ослабления свободных колебаний пьезопластины и для управления добротностью преобразователя. Его форма и размеры должны обеспечивать полное затухание колебаний. Наилучшее гашение колебаний наблюдается при согласовании характеристических импедансов материалов пластины и демпфера. Протектор защищает пластину от износа и воздействия иммерсионной жидкости и улучшает согласование материалов пластины и контролируемого изделия или среды. Для изготовления протекторов применяют твердые сплавы, сталь, сапфир, минералокерамику, материалы на основе эпоксидных смол с наполнителями. Их толщина составляет (0,1...0,5)10^-3 м. Иногда протектор делают многослойным с целью оптимизации тех или иных свойств преобразователя.

24. В чем состоит физический смысл коэффициента преобразования? Каким образом можно добиться реального увеличения коэффициента преобразования?

Достижение максимального значения модуля коэффициента преобразования К на некоторой оптимальной частоте f₀ значит достижение максимальной чувствительности

Коэффициент преобразования - это количественное выражение отношения между различными физическими величинами, измеренными на входной и выходной частях преобразователя. Коэффициенты преобразования при излучении и приеме определяются выражениями

(3.15)

(3.16)

где  - нормальные напряжения (давления) на рабочей поверхности преобразователя; U_u , U_п - напряжение генератора, возбуждающего преобразователь и напряжение на входном сопротивлении усилителя соответственно.

Если в приборах используется усилитель тока, а не напряжения, то вводят коэффициенты

(3.17)

(3.18)

Для совмещенных преобразователей, т.е. когда излучение и прием ультразвука производят одним преобразователем, пользуются коэффициентом двойного преобразования. В общем случае режим двойного преобразования характеризуют четыре передаточные функции:

(3.19)

Как уже отмечалось, коэффициенты преобразования определяют чувствительность преобразователя.

Установлено также, что максимальная чувствительность достигается при условии, когда электрическая добротность преобразователя равна

(3.26)

Подставив выражения (3.7) и (3.26) в формулу (3.25) получим, что максимальная чувствительность равна

(3.27)

Данная формула показывает, как уменьшается чувствительность с увеличением акустического импеданса демпфера Z₀.

Достижение максимальной чувствительности, т.е. максимального значения модуля коэффициента преобразования К на некоторой оптимальной частоте f₀.

Как отмечалось выше, акустическая добротность преобразователя определяется выражением (3.7). Установлено также, что максимальная чувствительность достигается при условии, когда электрическая добротность преобразователя равна

(3.26)

Подставив выражения (3.7)

(3.7)

и (3.26) в формулу (3.25) получим, что максимальная чувствительность равна

(3.27)

Данная формула показывает, как уменьшается чувствительность с увеличением акустического импеданса демпфера Z₀.

Практическим методом повышения чувствительности является метод, основанный на применении согласующего четвертьволнового протектора. Когда мы рассматривали прохождение волн через cреды, разделенные слоем, то отмечали, что коэффициент прохождения резко увеличивается при условии

(3.28)

где Z₂ - характеристический импеданс протектора. В этом случае максимальная чувствительность достигается при

и равна

(3.29)

Таким образом, чувствительность по сравнению с выражением (3.27) повысилась в четыре раза.