Mir_elektroniki_Datchiki_-_Sharapov_2012

Глава 14. Гидроакустические преобразователи

14.9. Некоторые конструкции преобразователей

При конструировании преобразователя необходимую форму колебаний выбранного активного элемента реализуют как за счет соответствующего крепления активного элемента к корпусу преобразователя или антенны, так и за счет необходимого электрического включения частей активного элемента (см. рис. 14.7) [12].

в)

Рис. 14.7. Основные формы колебаний пьезокерамических преобразователей и электрическое включение пьезоэлементов, обеспечивающее их реализацию: а, б — пульсирующий и осциллирующий цилиндры; в — полуволновый стержень; г — круглая изгибная пластинка

В связи с тем, что гидроакустические преобразователи предназначены для длительной работы в морской воде, для обеспечения заданной надежности и долговечности, необходимо осуществить электроизоляцию и герметизацию тех частей их активных элементов, которые находятся под электрическим напряжением.

Требуемую механическую прочность активных элементов преобразовате- лей-излучателей обеспечивают армированием с помощью специальных упрочняющих деталей (бандажей, стяжек и др.) из металлических или полимерных материалов. Для защиты от электрохимической коррозии используют корро- зионно-стойкий материал (титан) либо принимают специальные меры (покрытия, протекторы и др.). Элементы электроизоляции, герметизации и армирования должны образовывать единую колебательную систему с активным элементом, поэтому необходимо соответствующее их механическое сопряжение. Для исключения ненужного излучения (приема) звука тыльными и противофазными участками поверхностей преобразователей их экранируют звукомягкими или звукожесткими акустическими отражающими или поглощающими (в случае приемников) экранами.

Таким образом, задача конструирования преобразователя — выбрать такие основные конструктивные элементы и их сопряжения, которые обеспечат не-

14.9. Некоторые конструкции преобразователей

обходимые эффективность, надежность и долговечность преобразователя при его минимальных размерах, массе и стоимости [1, 6—9, 12, 15].

Следует отметить, что самое широкое применение в современной гидроакустической практике нашли пьезокерамические преобразователи, обеспечивающие наибольшую эффективность и надежность при работе в режимах излучения и приема. На частотах ниже 1 кГц в режиме излучения с ними конкурируют составные магнитострикционные и электромагнитные преобразователи.

Одна из распространенных конструкций гидроакустического преобразователя показана на рис. 14.8. Активный элемент 6 этого преобразователя состоит из простейших пьезоэлементов (призм), склеенных друг с другом. Электроизоляцию активного элемента обеспечивают слои твердых, жидких и газообразных электроизоляционных материалов 5, расположенные между активным элементом 6 и корпусом преобразователя 1 или морской водой. Герметизируют активный элемент, сочетая вулканизированные или склеенные слои герметизирующих материалов (детали 7, 3, 4). Соответствующий выбор материалов и размеров деталей обеспечивает механическую прочность всех элементов. Механическую прочность активного элемента в случае необходимости можно повысить наложением элементов армирования 4, создающих специальные сжимающие напряжения. Активный элемент крепят к корпусу 1 с помощью эластичного крепления 3 из полимерных или металлических материалов. В качестве акустического экрана 7 используют слои материалов с высокими коэффициентами отражения звука в воде (слои воздуха, а также воздухозаполненных полимеров и металлоконструкций).

В силовых конструкциях (рис. 14.8 и 14.9) внутренний объем активного элемента и корпуса заполнен воздухом или электроизоляционным газом. Активный элемент и прочный корпус таких конструкций способны противостоять гидростатическому давлению. Гидростатическое давление трансформируется в нагруженных элементах конструкций в одно-, двух или трехосное механическое напряженное состояние, значительно (до 10...15 раз) большее, чем вызывающее его гидростатическое давление.

Рис. 14.8. Цилиндрический пьезокерамический преобразователь силовой конструкции: 1 — корпус; 2 — токоввод; 3 — крепление; 4 — бандаж; 5 — электроизоляция; 6 — активный элемент; 7 — акустический экран

Электроизоляционный газ, заполняющий внутренние объемы преобразователей силовых конструкций, выполняет одновременно и роль внутреннего акустического экрана. Герметизацию и электроизоляцию активных элементов силовых конструкций от корпусных деталей обеспечивают слои полимерных материалов и металлов.

Литература

Акустическое экранирование поверхностей преобразователей (в том числе и внутренних) осуществляют экранами, рассчитанными на работу при соответствующем гидростатическом давлении [2].

Основные технические характеристики некоторых приемных преобразователей приведены в табл. 14.4 [4].

Таблица 14.4. Параметры приемных преобразователей [4]

Еще одна распространенная конструкция гидроакустических преобразователей состоит из набора полых пьезоэлектрических цилиндров или шайб, стянутых с помощью металлического стержня (см., например, патент США №6.109.109.А.Brown, 08.2000, G01№29/00). С увеличением количества цилиндров, а также дополнительных металлических шайб или цилиндров можно уменьшать рабочую частоту преобразователя.

Параметры пьезоэлектрических гидроакустических преобразователей могут быть улучшены при использовании асимметричных биморфных элементов, доменно-диссипативных пьезоэлементов и отрицательной электромеханической обратной связи (см. гл. 9) [15].

Новые методы улучшения технических характеристик гидроакустических преобразователей описаны в [18].

Информацию о выпускаемых серийно гидроакустических преобразователях можно найти в [16—20].

Литература

1.Домаркас В.И., Кажис Р.-Й.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. — Вильнюс: Минтис, 1975. — 258 с.

2.Глазанов В.Е. Экранирование гидроакустических антенн. — Л.: Судостроение, 1985. — 145 с.

3.Дианов Д.Б., Кузнецов В.М. Влияние переходных слоев на частотные характеристики стержневых пьезопреобразователей // Изв. Ленингр. электротехн. ин-та им. В.И. Ульянова (Ленина). 1968. — Вып. 63. — С. 60-78.

Глава 14. Гидроакустические преобразователи

4.Кулиев Ю.Н. и др. Пьезоприемники давления. — Изд. Ростовского университета, 1976. — 152 с.

5.Магнитные и диэлектрические приборы / Под ред. Г.В. Катца. — Ч 1. — М.: Энергия, 1964. — 416 с.

6.Подводные электроакустические преобразователи: Справочник / Под ред. В.В. Богородского. — Л.: Судостроение, 1983. — 248 с.

7.Пьезокерамические преобразователи: Справочник / Под ред. С.И. Пугачева. — Л.: Судостроение, 1984. — 256 с.

8.Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. — Л.: Судостроение, 1980. — 232 с.

9.Свердлин Г.М., Огурцов Ю.П. Расчет преобразователей. — Л.: Изд-во ЛКИ, 1976-1977.

10.Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика. — Л.: Судостроение, 1976.

11.Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны: Справочник.

—Л.: Судостроение, 1984. — 300 с.

12.Справочник по гидроакустике / А.П.Евтютов, А.Е.Колесников, Е.А.Корепин и др.

—Л.: Судостроение, 1988. — 552 с.

13.Тюлин В.Н. Введение в теорию излучения и рассеяния звука. — М.: Наука, 1976.

14.Ультразвук (маленькая энциклопедия) / Под ред. И.П. Голяминой. — М.: Сов. энциклопедия, 1979. — 400 с.

15.Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. — М.: Техносфера, 2006. — 631 с.

16.Sharapov V. Piezoceramic sensors. — Springer Verlag, 2011. — 498 p.

17.В.М. Шарапов, И.Г. Минаев, Ж.В. Сотула, К.В. Базило, Л.Г. Куницкая. Пьезокерамические трансформаторы и датчики / Под ред. В.М. Шарапова. — Черкассы: Вертикаль, 2010. — 278 с.

18.Шарапов В.М., Сотула Ж.В. Пьезокерамические электроакустические преобразователи. — Черкассы, 2012. — 280 с.

19.www.elpapiezo.ru.

20.www.sktbelpa.ru

21.www.akhtuba.vistcom.ru

22.www.mechinindustry.ru

23.www.alttpp.ru

24.www.oceanpribor.ru

25.www.priboy.ru

26.www.morfizpribor.ru

27.www.hydrodevices.kiev.ua

15.2. Магнитные методы

Магнитожесткие материалы (например, закаленная сталь) по сравнению с магнитомягкими материалами (незакаленной сталью) имеют большую коэрцитивную силу Нс, меньшую магнитную проницаемость dB / dH и намагниченность I (B / 0 ) H, где 0 — магнитная постоянная, равная 4<·107 (В с)/(А м). Обычно и I для характеристики материала ферромагнетика измеряют при малой напряженности намагничивающего поля H. В некоторых случаях также измеряют остаточную намагниченность Вт. Эти первичные информативные параметры используют для контроля степени закалки, прочностных характеристик и других свойств. Наличие и количество ферритной составляющей в неферромагнитном материале может быть определено по намагниченности насыщения I , т.е. при больших полях намагничивания. Эта величина тем больше, чем больше содержание феррита [10, 21].

Магнитные методы применяют для измерения толщины неферромагнитного покрытия на ферромагнитном основании. В качестве первичного информативного параметра в этом случае используют поток магнитного поля. П-образ- ный магнит помещают на поверхность объекта контроля с покрытием. Чем меньше толщина покрытия, тем больше поток магнитного поля через ферромагнитное основание и меньше рассеянный поток над объектом контроля. Этот поток измеряют по напряженности поля под изделием. Другой способ оценки потоков основан на измерении силы, необходимой для того, чтобы оторвать некоторый пробный магнит от объекта контроля.

Высокоточное измерение кривой намагничивания показывает, что она имеет скачкообразный характер (3 на рис. 15.2) в области крутого подъема. Это так называемый эффект Баркгаузена. Скачки возникают в результате перемагничивания областей спонтанного намагничивания (доменов), содержащихся в ферромагнитном материале. Параметры скачков кривой намагничивания (их число, величина, длительность, спектральный состав) используют как первичный информативный параметр для контроля таких свойств материала, как химсостав, структура, степень пластической деформации. Скачки сливаются в сплошной шум, если масса намагничиваемого материала велика, поэтому этот способ применяют к тонким проволокам, лентам [10].

При намагничивании объекта контроля, вблизи поверхности которого имеется несплошность (дефект), в области дефекта происходит резкое пространственное изменение напряженности магнитного поля, возникает поле

Глава 15. Преобразователи для неразрушающего контроля

проницаемости и ее изменении в зависимости от напряженности магнитного поля получают с помощью катушки индуктивности (индуктивный метод).

Дифференциацию магнитного вида неразрушающего контроля на различные методы по способу получения первичной информации рассмотрим на примере применения различных типов датчиков и веществ для обнаружения градиента магнитного поля вблизи несплошности. Градиент часто обнаруживают с помощью магнитного порошка или магнитной суспензии. Их частицы располагаются вдоль линий магнитной индукции поля рассеяния. Это магни топорошковый метод, широко применяемый для дефектоскопии поверхностных и подповерхностных слоев ферромагнитных материалов.

Для надежного выявления дефект должен пересекать линии магнитной индукции поля. Исходя из этого, для обнаружения различно ориентированных дефектов применяют разные направления намагничивания. На рис. 15.3, а изделие (стержень) помещают между двух полюсов магнита (полюсное намагничивание), что дает возможность выявить поперечные дефекты типа В. На рис. 15.3, б через изделие пропускают электрический ток. Линии магнитной индукции образуют окружности в плоскости, перпендикулярной направлению тока (циркулярное намагничивание). Это дает возможность выявить продольные дефекты типа С.

Помимо магнитного порошка для регистрации рассеянного магнитного поля используют магнитную пленку (магнитографический метод). Считывание сигналов о дефектах с пленки выполняют с помощью прибора, датчиком которого служит магнитофонная головка.

Для индицирования полей рассеивания на дефектах и измерения магнитных характеристик материалов также используют датчики типа феррозондов (феррозондовый метод), преобразователей Холла, магниторезисторов (меняющющих электросопротивление при внесении в магнитное поле) и др.

Развитие магнитных методов контроля идет по пути изыскания способов отстройки от мешающих факторов, изучения особенностей магнитных полей изделий сложной формы, содержащих дефекты; разработки новых высокочувствительных преобразователей; использования потенциальных возможностей эффекта Баркгаузена, а также других магнитных эффектов, таких как ядерный, электронный, магнитный резонансы, для целей контроля материалов и изделий [10, 21].

Датчики магнитных полей достаточно подробно описаны в гл. 10.

15.3. Электрические методы

Эти методы основаны на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с контролируемым объектом (собственно электрический ме тод), или поля, возникающего в контролируемом объекте в результате внешнего воздействия (термоэлектрический и трибоэлектрический методы). Первичными информативными параметрами являются электрические емкость или потенциал [10].

Емкостной метод применяют для контроля диэлектрических или полупроводниковых материалов. По изменению диэлектрической проницаемости, в том

15.4. Вихретоковые методы

числе ее реактивной части (диэлектрическим потерям), контролируют химический состав пластмасс, полупроводников, наличие в них несплошностей, влажность сыпучих материалов и другие свойства.

Метод электрического потенциала применяют для контроля проводников. Измеряя падение потенциала на некотором участке, контролируют толщину проводящего слоя, наличие несплошностей вблизи поверхности проводника. Электрический ток огибает поверхностный дефект. По увеличению падения потенциала на участке с дефектом определяют глубину несплошности с погрешностью в несколько процентов.

Термоэлектрический метод применяют для контроля химического состава материалов. Например, нагретый до постоянной температуры медный электрод прижимают к поверхности изделия и по возникающей контактной разности потенциалов определяют марку стали, титана, алюминия или другого материала, из которого сделано изделие.

Существует также ряд других электрических методов: экзоэлектронной эмиссии (эмиссия ионов с поверхности изделия под влиянием внутренних напряжений), электроискровой (измерения характеристик среды по параметрам электрического пробоя в ней), электростатического порошка (определение дефектов в диэлектриках с использованием в качестве индикатора наэлектризованного порошка). Эти методы пока находят сравнительно узкое практическое применение, но интенсивно изучаются [10].

15.4. Вихретоковые методы

Эти методы неразрушающего контроля [10, 21] основаны на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте. Его применяют только для контроля изделий из электропроводящих материалов. Вихревые токи возбуждают в объекте с помощью преобразователя в виде катушки индуктивности, питаемой переменным или импульсным током. Приемным преобразователем (измерителем) служит та же или другая катушка. Возбуждающую и приемную катушки располагают либо с одной стороны, либо по разные стороны от контролируемого объекта (метод прохождения).

Интенсивность и распределение вихревых токов в объекте зависят от его геометрических размеров, электрических и магнитных свойств материала, от наличия в материале нарушений сплошности, взаимного расположения преобразователя и объекта, т.е. от многих параметров. Это определяет большие возможности метода как средства контроля различных свойств объекта, но в то же время затрудняет его применение, так как при контроле одного параметра другие являются мешающими. Для разделения параметров используют раздельное или совместное измерение фазы, частоты и амплитуды сигнала измерительного преобразователя, подмагничивание изделия постоянным магнитным полем, ведут контроль одновременно на нескольких частотах, применяют спектральный анализ. Получаемые таким образом первичные информативные параметры позволяют контролировать геометрические размеры изделий (толщину стенки при одностороннем доступе), определять химический состав и структуру материала