книги из ГПНТБ / Рохлин, Л. Л. Акустические свойства легких сплавов

6

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗВУКОПРОВОДОВ

УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ

Одной из областей применения металлических материалов, в том числе и легких сплавов, в которой имеют значение их акусти­ ческие свойства, являются ультразвуковые линии задержки (УЛЗ), широко используемые в современной технике. В УЛЗ электри­ ческие сигналы преобразуются в ультразвуковые, которые распро­ страняются по звукопроводу, имеющему определенные размеры и конфигурацию, и затем обратно преобразуются в электрические сигналы. Скорость ультразвука на несколько порядков меньше, чем скорость распространения электрических сигналов по проводам схемы. Вследствие этого в УЛЗ происходит задержка сигналов во времени. Вначале назначение УЛЗ состояло исключительно в за­ держке сигналов, однако в последние годы они широко использу­ ются также и для преобразования и обработки сигналов [6].

Ультразвуковые линии задержки находят применение в самых различных областях радиотехники. Тем не менее наиболее широко они используются в радиолокации, электронно-вычислительной

Важное применение в радиолокации находят дисперсионные УЛЗ, в которых звукопровод выполнен таким образом, что скорость распространения ультразвука зависит от частоты [81.

В электронно-вычислительных устройствах УЛЗ в основном используются в качестве элементов памяти. Поступающая в линии задержки в виде сигналов информация задерживается и затем сопо­ ставляется с вновь поступающей информацией.

В цветном телевидении с помощью УЛЗ обеспечивается передача информации, формирующая изображения различного цвета.

Ультразвуковые линии задержки используются также для ко­ дирования и декодирования сигналов, для спектрального и корре­ ляционного анализов, для имитации целей, для обработки сигналов антенных фазированных решеток, для моделирования оптических и радиосистем, для дисперсионного анализа спектра сигналов, для генерирования и усиления сигналов высоких и сверхвысоких частот [6].

119

Задержка сигналов и некоторые другие функции УЛЗ могут быть выполнены с помощью радиоэлектронных устройств. Однако исполь­ зование УЛЗ, как правило, приводит к уменьшению числа элемен­ тов в схемах, сокращению объема и габаритов аппаратуры. Так, согласно Мею [14], дисперсионная УЛЗ, представляющая собой алюминиевую ленту шириной около 2,5 см, толщиной 0,18 см и длиной 4,56 м, свитую в спираль диаметром 30 см, имеет характерис­ тики, для получения которых с помощью электрических схем необходимы две стойки размером 1,8 м, содержащие свыше 5000 де­ талей. Следует также иметь в виду, что некоторые виды обработки сигналов стали возможны только благодаря применению УЛЗ.

Основные элементы УЛЗ — преобразователи электрических ко­ лебаний в ультразвук и звукопровод. Эти элементы, а также свой­ ства материалов, используемых для акустического контакта между преобразователями и звукопроводом, в значительной степени оп­ ределяют характеристики линий задержки. В качестве преобразо­ вателей электрических колебаний в ультразвуковые широкое рас­ пространение получили пьезокристаллы кварца, которые отли­ чаются хорошей стабильностью и высокими механическими свойст­ вами. Наряду с пьезокристаллами кварца в последние годы большое внимание уделяется преобразователям на основе пьезокерамики из тнтаната бария, цирконата-тптаната свинца, ниобата свинца-калия н других материалов [7].

Большое значение для характеристик УЛЗ имеет выбор мате­ риала для переходных слоев, с помощью которых осуществляется акустический контакт между преобразователями и звукопроводом. В качестве материалов для переходных слоев используют жидкости, например кремннйорганнческое масло, глицерин, а также различ­ ные клеи, церезин и индиевую фольгу [7, 9, 10]. Размеры, форма и материал звукопровода УЛЗ могут быть различными. В значитель­ ной степени они определяются назначением линии и требуемыми характеристиками.

В качестве материалов звукопровода могут быть использованы жидкости или твердые тела. Ультразвуковые линии задержки с жидким звукопроводом [8—10] вначале получили широкое распро­ странение, однако впоследствии их роль в значительной степени снизилась. Преимущество линий задержки с жидким звукопрово­ дом заключается в возможности плавной регулировки времени за­ держки, а недостатки — в сложности конструкции и малой надеж­ ности.

Наиболее широкое распространение в качестве жидкости для УЛЗ получила ртуть [8, 9, 11]. Ртуть токсична и, кроме того, при низких температурах окружающей среды замерзает, вследствие чего нарушается акустический контакт между звукопроводом и преобразователями. Линии задержки с использованием ртути в качестве материала звукопровода также очень тяжелые.

В последние годы наибольшее распространение получили линии задержки с твердым звукопроводом, которые по сравнению с

120

ложные сигналы [8]. Наряду с вышеперечисленными в линиях задержки используют также волны другого типа.

К УЛЗ предъявляется ряд требований, которые в значительной степени определяются их назначением. Так, в случае дисперсион­ ных УЛЗ важна точность выполнения геометрических размеров звукопровода, которая дает возможность получить требуемые дис­ персионные характеристики. Важна температурная стабильность характеристик линий. Во многих случаях применения УЛЗ жела­ тельно иметь линии с наибольшим временем задержки и с наиболее высокой полосой пропускания. Чем больше время задержки линии и чем больше полоса пропускания, тем больший объем информации может быть обработан с помощью этой линии [7, 8, 15]. Увеличение полосы пропускания достигается при увеличении рабочей частоты, так что стремление получить высокую полосу пропускания соот­ ветствует повышению рабочей частоты линии задержки. Большое значение для надежности работы УЛЗ имеют их механическая прочность, в том числе устойчивость к различным ударам, вибра­ циям и т. п.

Наибольшее распространение получили линии задержки, в которых используются радиоимпульсы с несущей частотой 10— 40 Мгц.

Согласно имеющимся в литературе данным [7, 276], в линиях задержки с рабочей частотой в этом диапазоне время задержки мо­ жет достигать 5 мсек и более. Уменьшение частоты заполнения им­ пульсов в УЛЗ менее 8—10 Мгц обычно нежелательно в связи с тем, что при этом увеличивается расхождение ультразвукового пучка, что сопровождается повышением уровня ложных сигналов. Увеличение частоты заполнения импульсов в УЛЗ свыше 40 Мгц нежелательно в связи со значительным увеличением затухания ультразвука и трудностью изготовления эффективных электроакус­ тических преобразователей. В последнее время предложен ряд УЛЗ на относительно небольшое время задержки, но с высокой рабочей частотой (более 100 Мгц) [6, 277, 278].

Для изготовления звукопроводов УЛЗ с твердым звукопроводом используются различные по своей природе материалы. Общим для этих материалов является достаточно низкий уровень затухания упругих колебаний в том диапазоне частот, для которого предна­ значена ультразвуковая линия задержки. В зависимости от времени задержки и назначения линии требование к материалу звукопро­ вода в отношении низкого затухания ультразвука может быть более или менее жестким, но это требование всегда существенно. Особен­ но высокие требования в отношении низкого затухания ультразвука в материале звукопровода предъявляются тогда, когда необходимы линии с большим временем задержки. Фактически возможности увеличения времени задержки в линиях ограничиваются затуха­ нием ультразвука в материале звукопровода. Важная характерис­ тика материалов для звукопроводов УЛЗ — температурный коэффи­ циент задержки, который характеризует зависимость времени

122

задержки в материале звукопровода линии от температуры окружаю­ щей среды. Чем меньше температурный коэффициент задержки, тем более стабильно время задержки линии и более стабильна ра­ бота аппаратуры, в которой она используется.

Наряду с затуханием ультразвука и температурным коэффициен­ том задержки большую роль играют также другие характеристики материалов, в частности их механические и технологические свойст­ ва. Механические свойства материала звукопровода учитываются при конструировании линий задержки и в той или иной степени обеспечивают прочность линии и надежность ее работы в различных условиях. Технологические свойства материалов определяют возможности изготовления из них звукопроводов различной кон­ фигурации и размеров, а также постоянство их акустических харатернстик, что особенно важно при серийном производстве линий.

Для линий задержки, работающих при низких частотах (не более нескольких мегагерц), используются сплавы на основе системы железо—никель. Выбор этих сплавов связан с тем, что они обла­ дают низким температурным коэффициентом задержки (некоторые составы даже нулевым). Некоторые из предложенных составов спла­ вов с низким температурным коэффициентом задержки представ­ лены в табл. 7.

Типичные значения температурного коэффициента задержки сплавов — порядка КГ6 град-1.

В ряде систем нашли применение линии задержки, звукопровод которых выполнен из магнитострикционного материала [12, 14]. Обычно магнитострикционные линии задержки имеют звукопровод в виде проволоки или полоски и рассчитаны на большое время задержки и низкую частоту. В каком-либо определенном месте пу­ тем приложения электромагнитного поля в этих линиях возбужда­ ется акустический сигнал, который распространяется по звукопро­

123

воду и затем обратно преобразуется в электрический сигнал. Пред­ ложенные для магнитострикцнонных линий задержки сплавы раз­ личаются между собой величиной эффекта магнитострикцми, зату­ ханием упругих волн и температурным коэффициентом задержки. В качестве материалов для звукопроводов этих линий задержки приводятся [12] никель ( ~ 99% Ni), пермендюр (49% Со, 2% V, 49% Fe), пермаллой 45 (45% Ni, 55% Fe), сплав никеля с кобальтом (18% Со, 82% Ni), т. е. сплавы группы железа.

Для диапазона частот 10—40 Мгц наибольшее распространение в качестве материалов для звукопроводов УЛЗ получили магниевые сплавы [9, 11, 279] и плавленый кварц [9, 15]. Считается, что плав­ леный кварц более звукопроводный материал, чем магниевые спла­ вы, и на его основе можно создать линии задержки с более высокой рабочей частотой и большим временем задержки. Зато магниевые сплавы намного дешевле и более технологичны.

По температурному коэффициенту задержки (т.к.з.) магниевые сплавы и плавленый кварц приблизительно равноценны. Для маг­ ниевых сплавов т.к.з. составляет для продольных волн порядка Н-1,5• \0^град'1и для поперечных воли— около+2,5- 10~4 град-1 [9], для плавленого кварца т.к.з. для продольных и поперечных волн составляет соответственно около —1-10'4 и —0,75- 10‘4град-1 [9].

Противоположный знак т.к.з.. для магниевых сплавов и плавле­ ного кварца позволяет сконструировать термокомпенсированные линии задержки, состоящие из магниевого и кварцевого звукопро­ водов. В этих линиях задержки время задержки не зависит от температуры окружающей среды вследствие того, что изменения с температурой характеристик магниевого и кварцевого звукопро­ водов взаимно компенсируют друг друга [9, 280, 281]. Помимо магниевых сплавов и плавленого кварца для диапазона частот 10—40 Мгц или около него предлагаются также другие материалы. Среди них в первую очередь следует отметить сплавы на основе алюминия.

Алюминиевые сплавы в основном предлагаются как материал для полосковых звукопроводов [282, 283], очевидно, вследствие того, что высокая пластичность алюминиевых сплавов при комнат­ ной температуре позволяет получать из них тонкие полоски требуе­ мых размеров с большой точностью. В [282, 283] использовали сплав

5052-Н32, в состав которого входит 95—97% А1, 2% Mg, 0,2% Сг

[284]. Имеются также указания об использовании для звукопроводов УЛЗ дюралюминов [11].

Среди других материалов для звукопроводов линий задержки следует отметить стекла. Обычное стекло имеет довольно высокий коэффициент затухания ультразвука и довольно высокий отрица тельный температурный коэффициент задержки. Однако имеются специальные стекла, которые характеризуются пониженным коэф­ фициентом затухания и,, что особенно важно, низким т.к.з. (около 1-10'® град'1) [7]. Для диапазона частот, близкого к 10—40 Мгц, предлагаются в качестве материалов для звукопроводов монокрис

124

»• С 2,1 ат. % 7л. г* При 0° С. » При 7° С. « При — 190° С. 5* При — 195° С. •* При — 183° С.

П р и л о ж е н и е 2

Скорость ультразвука, модули упругости, коэффициент Пуассона и плотность элементов при комнатной температуре

(при составлении таблицы использовались данные [209, 224, 310—313])

128