книги из ГПНТБ / Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении

интенсивности ультразвукового поля в жидких средах, Отличительная особенность метода — повышенная точ­ ность измерений, не зависящая от температуры среды. Устройство для измерения этим методом состоит из воз­ душного резервуара, микрокрана, манометра, капилляра и сосуда с жидкостью, на дно которого помещается магнитострикционный преобразователь. Если магнитострикционный преобразователь не подключен к ультразвуковому генератору, в системе устройства существует определен­ ное статическое давление, которое отмечает спиртовый манометр. При открытии микрокрана из воздушного ре­ зервуара воздух поступает в капилляр, вытесняя из него жидкость. При определенном давлении Р х из капилляра проскакивает пузырек воздуха. В этот момент отмечаются показания манометра. При включении магнитострикционного излучателя давление в системе изменяется, в резуль­ тате чего пузырек проскакивает при большем давлении

где К — коэффициент пропорциональности; / — интен­ сивность ультразвука; с — скорость распространения звука в жидкости.

Исследования показали, что для разных диаметров капилляров (0,6 мм; 0,89 мм, 1,1 мм) избыточное давле­ ние Рх прямо пропорционально квадрату звукового дав­ ления

где Рт—■звуковое давление; с — скорость звука. Характерной особенностью этого метода является кру­

говая диаграмма направленности приемника (капилляра), т. е. постоянство избыточного давления при разных углах наклона капилляра относительно направления распро­ странения ультразвуковых волн. В результате, не меняя положения капилляра, можно работать как при горизон­ тальном, так и вертикальном направлениях звуковых пучков.

Показания прибора не зависят ни от толщины стенок капилляра, если она мала по сравнению с длиной волны, ни от материала капилляра (при постоянном внутреннем

50

диаметре). Это дает возможность при подборе определен­ ного материала капилляра использовать этот метод в са­ мых агрессивных средах. На показания прибора не влияют вязкость, поверхностное натяжение, температура и другие факторы, если они существенно не изменяются в процессе измерения в течение 2—3 мин. Это позволяет применять прибор при высоких температурах и даже в расплавлен­ ных металлах. Учитывая, что диаметр капилляра прибора может быть выбран 0,2 мм и меньше, этот способ удобен при измерениях в малых объемах, а также при исследова­ ниях тонкой структуры ультразвукового поля, не искажая самого поля.

Учитывая высокие эксплуатационные качества, воз­ можность использования в тяжелых лабораторных и про­ мышленных условиях, возможность серийного произ­ водства без индивидуальной градуировки каждого при­ бора, рассматриваемый способ можно использовать как для непосредственных измерений, так и в качестве вторич­ ного эталона для градуировки других более удобных в каж­ дом конкретном случае измерительных приборов.

В связи с широким применением акустических методов исследования твердых тел и широким распространением методов ультразвуковой дефектоскопии и интроскопии возникает необходимость измерения интенсивности уль­ тразвуковых колебаний в широком диапазоне частот. Однако на частотах выше нескольких десятков мегагерц величины механических смещений в твердых телах столь малы, что их непосредственное измерение сложно. По­ этому на высоких частотах обычно используются косвен­ ные методы измерения интенсивности ультразвуковых колебаний. При этом большинство описанных в литера­ туре методов имеет существенные недостатки. К числу основных недостатков относятся прежде всего ограниче­ ние частотного диапазона несколькими десятками мега­ герц, малая чувствительность, сложность и неудобство измерительной аппаратуры.

В Институте радиотехники и электроники АН СССР

разработан ультразвуковой детектор (АДУ) на основе акустоэлектрического эффекта, упрощенная схема кото­ рого показана на рис. 14. Использование детектора поз­ воляет избежать указанных недостатков многих методов. Акустоэлектрический эффект заключается в появлении постоянного напряжения на концах соответственно ориен­ тированного кристалла при прохождении через него

51

Рис. 14. Упрощенная схема ультразвуково­ го детектора

ультразвуковой волны. В условиях сильного электрон-фо- нонного взаимодействия в ряде пьезополупроводниковых кристаллов (таким, как CdS, ZnS, GaAs и др.) этот эффект достигает заметной величины. При этом напряжение хо­ лостого хода Ux х при малых значениях электронной проводимости кристалла линейно связано с интенсив­ ностью ультразвуковой волны Q в широком диапазоне частот ІІХ х = К -Q, где К — коэффициент пропорцио­ нальности, связанный с электрическими и акустическими параметрами кристалла. Это позволяет использовать акустозлектрический приемник в качестве широкополосного детектора ультразвука, чувствительность которого опре­ деляется параметрами кристалла. Ультразвуковая вол­ на 1, распространяясь в некоторой среде, попадает на акустоэлектрический приемник, представляющий собой нужным образом ориентированный кристалл CdS, и по­ глощается в поглотителе 2. Образующееся на выходе акустоэлектрического приемника напряжение регистри­ руется индикатором 3. Максимальная чувствительность АДУ достигается путем изменения интенсивности освеще­ ния. Измерения могут производиться как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В последнем случае удобно применение низкочастотной модуляции.

Простота измерений, высокая чувствительность, ли­ нейность в широкой полосе частот позволяет исполь­ зовать АДУ для исследования амплитудно-частотных характеристик электромеханических преобразователей. Пример измерений с помощью АДУ тонкой структуры частотных характеристик преобразователей с диффузион­ ным слоем в CdS показан на рис. 15, а. Преобразователи с диффузионным слоем в CdS представляют собой ориен­ тированные перпендикулярно (для продольных колебаний) или поперечно (для поперечных колебаний) гексагональ­ ной оси пластинки CdS п-типа с малым удельным со­ противлением. На одну грань пластины в вакууме

52

Рис. 15. Измерение с помощью АДУ тонкой структуры частотных характеристик преобразователей:

а — схема измерения: 1 — экрану 2 — обедненный слой; б — частотная характеристика преобразователя

53

напыляется легирующая примесь (Cu, Ag и л иАи). Т о н к и й диффузионный слой высокоомного материала образуется путем последующей диффузии примеси в глубь пластинки. Толщина полученного слоя определяется температурой и временем диффузии. При наложении радиочастотного поля на пластинку практически все напряжение падает на этом слое, который представляет собой полуволновый ультразвуковой преобразователь. На кривой 1 рис. 15, б видна тонкая структура частотной характеристики такого преобразователя, работающего на первой, третьей и пя­ той гармониках. Наблюдаемая периодическая рябь соот­ ветствует интерференции на плоскопараллельных гранях пластинки CdS. Искусственное нарушение плоскопараллельности граней приводит к исчезновению ряби (кри­ вая 2).

Ультразвуковой детектор на основе акустоэлектрического эффекта сочетает в себе высокую чувствительность, широкополосность, линейность, простоту и удобство измерений [115].

В качестве универсальных приборов, предназначенных для измерения многих параметров, являются бескон­ тактные виброметры УБВ-2 и УБВ-4. Они могут быть использованы для измерения амплитуды, частоты и формы вибрации, исследования частотного спектра вибрации, изучения распределения амплитуды смещения на по­ верхности трансформаторов упругих колебаний, осциллографирования кратковременных и нестационарных про­ цессов в преобразователях, снятия частотных характе­ ристик преобразователей, наблюдения фазовых соотноше­ ний смещения различных точек сложных колебательных систем, исследования потерь в материалах [150].

Техническая характеристика выброметра УБВ-4 сле­ дующая: пределы измерений смещения (амплитудное зна­ чение) 0—5; 0— 10; 0—30 или 0— 10; 0—30; 0— 100 мкм;

диапазон частот вибрации 8—50 кГц; наименьший диа­ метр измеряемой площади 12 мм; несущая частота 40— 44 МГц; питание от сети переменного тока 220 В; габа­ риты 410x320x280 мм; масса 10 кг.

Пьезоэлектрические преобразователи. В основу созда­ ния пьезоэлектрических преобразователей положен пьезо­ электрический эффект. Сущность его состоит в том, что при определенных типах кристаллографической симме­ трии в результате формирования кристалла возникает так называемый прямой пьезоэлектрический эффект, когда

А

на гранях кристалла появляются электрические заряды, пропорциональные величине деформации. Имеет место и обратный пьезоэлектрический эффект, который заклю­ чается в том, что в кристаллах, помещенных в электриче­ ском поле, возникают внутренние напряжения, пропор­ циональные напряженности поля, т. е. под действием элек­ трических зарядов деформируется (изменяются размеры) кристалл.

Кристаллы имеют геометрически правильное располо­ жение составляющих их структурных элементов, чередо­ вание которых в пространстве образует кристаллическую решетку. В узлах решетки располагаются ионы, т. е. атомы с недостатком или избытком валентных электро­ нов, нейтральные атомы и молекулы. Наличие кристалли­ ческих решеток объясняет симметрию кристаллов, которые делятся на 32 класса, причем каждому классу присущи оси симметрии, плоскости симметрии и центр симметрии.

Под воздействием внешней силы кристаллическая решетка изменяет свое состояние. Деформация решетки, вызываемая механическим напряжением, приводит к пере­ распределению электрических зарядов. Однако не при любом расположении диполей в кристалле действие меха­ нической силы приводит к деформации, когда изменяется дипольный момент, т. е. расстояние между центрами тя­ жести разноименных зарядов. Это возможно только при наличии полярных направлений, которые имеются у кри­ сталлов определенных клас­ сов, не обладающих центром симметрии.

Из кристаллов пьезоэлек­ трическими свойствами обла­ дают кварц, сегнетова соль, турмалин, хлорит натрия, виннокислый калий, цинко­ вая обманка и др. Наиболее широкое применение из них в науке и технике получил кварц (двуокись кремния S i0 2). Кристалл кварца пред­ ставляет собой шестигранную призму (рис. 16), к которой сверху и снизу примыкают шестигранные пирамиды. У кристалла одна неполярная

55

ось симметрии Z (оптическая) и три полярных оси Х и Х 2, Х 3 (электрические). Каждая из них соединяет проти­ воположные, но не равнозначные ребра шестигранной призмы. Неравнозначность этих ребер объясняется тем, что у одного из каждой пары ребер имеются маленькие грани, в то время как у другого ребра данной пары эти грани отсутствуют.

С молекулярной точки зрения возникновение пьезо­ электрического эффекта можно объяснить следующим образом [15]. Как показывает рентгеноструктурный ана­ лиз, основой структуры кварца S i0 2 являются винтовые цепочки тетраэдров Si04, расположенные по оси симме­ трии третьего порядка (вдоль оптической оси). В струк­ туре кристалла каждый ион Si, обладающий положитель­ ным зарядом, тетраэдрически окружен четырьмя ионами О, каждый из которых обладает отрицательными зарядами, и каждый ион О связывает два иона Si. Однако заряды всех ионов кристаллической ячейки взаимно компенси­ руются, и в целом она электрически нейтральна.

зоэлектрического эффекта. При действии внешней силы на ячейку в направлении электрической оси X ячейка приобретает вид, изображенный на рис. 17, б. Вследствие этого на одной поверхности возникает положительный заряд, на другой — отрицательный, т. е. имеет место пря­ мой пьезоэлектрический эффект. Пользуясь моделью струк­ турной ячейки, можно объяснить обратный пьезоэлектри-

а — нейтральное состояние ячейки; б — прямой пьезоэлектрический эффект; в — обратный пьезоэлектрический эффект

56

ческий эффект. При подведении противоположных по знаку электрических зарядов наблюдается растяжение (сжатие) ячейки (рис. 17, в).

Кварц долгое время был одним из основных материалов для изготовления ультразвуковых преобразователей. Кварц очень устойчив к высоким температурам — пла­ вится при 1470° С, а теряет пьезоэлектрические свойства при 570°. Но кварц очень хрупок и не выдерживает боль­ ших механических нагрузок. Значительно большим пьезо­ электрическим эффектом по сравнению с другими пьезо­ кристаллами, в том числе и кварцем, обладает сегнетова соль. Самые незначительные механические воздействия на пластинку сегнетовой соли приводят к появлению электрических зарядов. Однако сегнетова соль имеет не­ достатки, которые ограничивают ее практическое приме­ нение. У сегнетовой соли низкая температура плавления (около 60° С), при которой она теряет пьезоэлектрические свойства и больше не восстанавливает их. Кроме того, сегнетова соль хорошо растворяется в воде.

Сравнительно недавно советские ученые под руковод­

обожженная при очень высокой температуре. Для прида­ ния титанату бария пьезоэлектрических свойств обожжен­ ную массу помещают в сильное электрическое поле, в ре­ зультате чего происходит поляризация кристаллов, их диполи занимают одинаковое положение, а после охла­ ждения фиксируются в этом положении.

У титаната бария пьезоэлектрический эффект в 50 раз больше, чем у кварца, а стоимость небольшая, так как для его изготовления имеется неограниченное количество сырья. Недостатком титаната бария являются большие механические и диэлектрические потери, что приводит его к перегреву, а при температуре более 90° С значи­ тельно снижает пьезоэлектрический эффект.

Керамике из титаната бария можно придать практиче­ ски любую форму (плоская пластина, цилиндр, полусфера, часть сферы и т. д.), а следовательно, такие преобразова­ тели могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении. Керамику из титаната бария можно резать, шлифовать, полировать, придавая преобразователю необходимые форму и размеры. У преобразователей из титаната бария высокий процент

67

превращения электрической энергии в механическую, большая стойкость к электрическому пробою, они могут работать при малых напряжениях (10 В и более). Кроме того, ультразвуковые преобразователи из титаната бария могут работать в импульсном режиме.

Для изготовления пьезоэлектрических преобразова­ телей используют пьезокерамику цирконий—титанат свинца (ЦТС), у которой пьезоэффект вдвое больше, чем у титаната бария. Пьезокристаллы ЦТС не растворимы в воде и имеют точку Кюри до 330° С, их тоже можно обрабатывать механическим способом. Поляризация пре­ образователей из ЦТС производится на высоковольтной установке в силиконовой жидкости при температуре 140° С. Преобразователь подвергается воздействию вы­ сокого напряжения в течение 2 ч, после чего оно посте­ пенно снижается. Величина поляризующего напряжения

предъявляет все более высокие требования к их электро­ механическим характеристикам. Одной из основных ха­ рактеристик пьезокерамик является пьезомодуль, опре­ деляющий величину пьезоактивности. Последняя в зна­ чительной степени связана с заключительным этапом из­ готовления пьезоэлектрического изделия — поляриза­ цией. Поэтому исследование влияния различных факторов на эффективность процесса поляризации представляет большой интерес как с теоретической, так и с практиче­ ской стороны. Такие исследования проводились на сегнетокерамике цирконат-титаната свинца, в результате чего изучена зависимость пьезомодуля от относительной ин­ тенсивности ультразвукового поля при различных тем­ пературах. При этом за относительную интенсивность ультразвукового поля принята величина, пропорцио­ нальная произведению частоты колебаний на напряжение, подаваемое на преобразователь.

Для поляризации пьезокерамики в лабораторных и цеховых условиях применяется установка УПК-1. Она состоит из высоковольтного выпрямителя и ванны с по­ догревом. Высокое напряжение снимается с выпрямителя, собранного по схеме удвоения напряжения на высоко­ вольтных кенотронах 1Ц7С. Плавная регулировка вы-

53

59