25. Какими преимуществами обладают широкополосные преобразователи? Какие существуют способы расширения полосы пропускания частот для пьезопреобразователей?

Достижение максимальной ширины полосы пропускания частот, определяемой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), т.е. зависимостью модуля коэффициента преобразования от частоты.

Частоту f, при которой меет максимум в области рабочих частот, называют частотой максимума преобразования f_mn. Частотный диапазон в рабочей области частот с неравномерностью АЧХ не более -6 дБ называют полосой пропускания Df_mn. Верхнюю и нижнюю границы полосы пропускания обозначают соответственно f_в, f_н (Df_mn= f_в-f_н).

В настоящее время существуют три основные группы методов создания широкополосных преобразователей:

- Методы, в которых полоса пропускания при использовании обычных полуволновых пьезоэлементов расширяется за счет их механического или электрического демпфирования, оптимального акустического согласования со средой, в которую они излучают, применения корректирующих R, L, C - цепей, использования многослойных преобразователей с активными и пассивными слоями;

- методы, основанные на применении специальных электронных схем возбуждения полуволновых пьезоэлементов и схем включения их в режиме приема для компенсации свободных колебаний пьезоэлементов, компенсации реактивной составляющей их входного сопротивления;

- методы, основанные на применении пьезоэлементов специальной формы, специальных составов пьезокерамики, использовании нерезонансно возбуждаемых пьезопреобразователей и др.

а) – плосковогнутый; б) – апериодический.

1 – толстый пьезоэлемент: 2,3 – электроды.

Наибольшее практическое применение получил метод механического демпфирования полуволновых резонансных пьезоэлементов. Для этого пьезоэлемент приклеивают к массивному телу (демпферу), которое изготавливают из материала с большим затуханием УЗ- волн и большим характеристическим импедансом. Жесткая связь с демпфером приводит к тому, что после окончания действия возбуждающего электрического или принимаемого УЗ-импульса свободные колебания пьезоэлемента быстро затухают, причем тем быстрее, чем ближе импедансы материалов демпфера и пьезоэлемента. Это объясняется снижением добротности и, как следствие, расширением полосы пропускания пьезоэлемента из-за вносимых потерь запасенной в нем акустической энергии, вызванных распространением УЗ-колебаний в объеме демпфера. В качестве материалов для демпферов используют различные гетерогенные смеси.

Широкое применение находят преобразователи в виде пьезокерамического цилиндра большой толщины, передняя грань которого является излучателем, а остальной объем - демпфером. В таком преобразователе преобразование колебаний электрических в механические и наоборот происходит не во всей массе пьезоматериала, а только там, где имеется градиент поляризации пьезопластины. В связи с этим равномерно поляризованная пластина излучает волны только поверхностями, на которые нанесены электроды, т.е. за пределами пьезоматериала поляризация скачком уменьшается до нуля. В этом случае достигается минимум добротности и максимальная широкополосность, потому что характеристические импедансы излучающей и демпфирующей частей равны и энергия полностью уходит от излучателя за период колебаний.

Достаточно большой широкополосностью и чувствительностью обладают преобразователи с пьезоэлементом переменной толщины. Такие преобразователи излучают и принимают колебания определенной частоты не всей поверхностью, а отдельными зонами, толщина которых кратна нечетному числу длин волн на данной частоте. К наиболее эффективным преобразователям относят преобразователи, одна сторона которых плоская, а другая - вогнутая или выпуклая (рис.3.6). При понижении частоты ультразвук излучается кольцом большего диаметра и со стенкой большей толщины, благодаря чему диаграмма направленности сохраняется почти неизменной. Если пьезопластина обращена к изделию плоской стороной, преобразователь подобен обычному; если вогнутой. то он подобен фокусируюшему.

Существенное развитие получили исследования многослойных преобразователей, содержащих несколько пластин. Пьезопластины при этом можно располагать так, чтобы направления поляризации их либо совпадали, либо были противоположными. В последнее время большое внимание уделяется преобразователям, содержащим набор пассивных и активных слоев. Использование в преобразователях нескольких активных слоев облегчает задачу оптимизации системы, т.к. имеются возможности влиять на ее характеристики изменением коэффициентов электромеханической связи и др. параметрами. Подобные преобразователи имеют широкие пределы изменения чувствительности и полосы пропускания.