Электроакустические пьезопреобразователи и антенные решетки. Учебное пособие

3.1. О

ЭАП

процессе эксплуатации

АП и параметр могут изменяться,

ности, снижении сопротивления изоляции и т. д. Причин , в з -

ва

ие эти изменения, можно условно раз ить на три групп

:

–

причин

, в званн е изменением свойств пьезоактивного

–

материала;

прео ра-

причин

, в

званн е изменением условий ра от

зователей (нару

ение контакта излуча

ей повер ности с

герметизиру

им покр тием, о р в или зам

кание элект-

рически

цепей,

проникновение жидкости в элемент

конс-

–

трукции

АП);

ением целостности прео разова-

причин

, в

званн е нару

телей.

се это предопределяет нео

одимость проведения контроля

параметров

АП,

т. е. проведения измерительной процедур

, ус-

танавлива

ей наличие изменений (отклонений) параметров

прео разователей от заданн

или первоначально измеренн

значений.

Поскольку

электрические измерения осу

ествля

тся про е

и они олее точн

, чем акустические, в практике исп

таний пье-

зопрео разователей важное место занима т метод

и

контроля с

электрической сторон

. Для электрического контроля

арактерно

то, что воздействие на

АП и все измерения явля тся электричес-

ции закл чается в измерении значения модуля проводимости на

частоте ме анического резонанса, поскольку это значение зависит

как от электрофизически

параметров, так и от акустической на-

грузки АП.

При сравнении частотой зависимости проводимости с аналогич-

ной зависимость для исправного прео разователя такой же конс-

трукции, в ранного за эталон, можно определить причин

, в -

звав

ие изменение параметров пьезопрео разователя: появление

нов

резонансов свидетельствует о нару ении целостности

АП,

увеличение проводимости на частоте ме анического резонанса яв-

ляется следствием нару

ения контакта ра очей повер ности

АП

с водой, умень ение проводимости на частоте резонанса при одно-

временном понижении частот антирезонанса о условлено изме-

нением пьезосвойств активного материала прео разователя.

3.2. К

ЭАП

Измерительн й тракт, показанн

й на рис. 3.1, о чно состоит

из самого прео разователя-приемника, а также согласу

его уси-

лителя 1 с в

соким в одн м сопротивлением и

лока 2 о ра отки

сигнала.

т два варианта проведения измерений с цель кон-

Различа

троля

АП [3]: вариант 1 – сигнал через вспомогательн

й резис-

тор подается от генератора кача

ейся частот

в точку А с ем

тракта (этот вариант ча е используется при откл чении

АП от

измерительного тракта), вариант 2 – сигнал генератора подается в

точку

, в разр в «земляного» провода прео разователя. При этом,

Рис. 3.1. Структурная с ема измерительного тракта

Перв

й вариант измерений полность

совпадает со с емой, из-

мерения сопротивления, т. е. при в полнении условия RB >> |Z|

амплитуда сигнала на в

оде измерительного тракта

удет про-

порциональна модул импеданса прео разователя.

торой вариант, в том виде, в котором он показан на рис. 3.1,

позволяет контролировать только целостность электрически це-

пей, оценить же свойства прео разователя не представляется воз-

можн м. Один из методов,

о еспечива

и нео одим й кон-

троль

АП, закл чается

в

реализации

измерений

частотной

арактеристики проводимости прео разователя путем установки

параллельно в оду усилителя последовательно соединенн

вспо-

могательного сопротивления и перекл

чателя, котор

й,

в сво

очередь, подкл

чает вспомогательное сопротивление параллель-

но в оду усилителя при контроле прео разователя-приемника.

тим реализуется о

чная с ема измерения проводимости АП.

Если на в оде усилителя для за ит

от перегрузок стоит ди-

одн й ограничитель (встречно-параллельная диодная пара), то

вспомогательное сопротивление устанавливается последователь-

но с ограничителем, так что в ра очем режиме, при мал

уровня

в одн

сигналов, цепь из вспомогательного сопротивления и ди-

одного ограничителя не влияет на в одное сопротивление усили-

теля. При кали ровке с генератора, вкл

ченного в разр

в

«земля-

ного»

провода, подается синусоидальн й сигнал с напряжением, в

3 5 раз прев

а

им напряжение откр вания диодов,

и прак-

тически реализуется с ема измерения проводимости.

Указанное

3.3. К

ЭАП

Рассмотрим

возможность контроля электроакустически па-

раметров АП по электрическим измерениям при одной и той

же акустической нагрузке. Рассмотрение удем вести для слу-

чая, когда изменения параметров

АП произо

ли из-за измене-

ния свойств пьезоактивного материала, а нару

ение ме аничес-

кой целостности прео разователя отсутствует.

то соответствует, в

частности для излучателя, услови

, что закон распределения ко-

ле ательной скорости по излуча

ей повер ности не меняется, а

меняется сама величина амплитуд коле ательной скорости, что

приводит к изменени величин

излучаемой акустической мо -

ности и давления, создаваемого излучателем.

η

= r Q

1

.

мa

s

м ω m

р э

ηмa

=

Qм

,

η

Q

м1

мa1

где ез индекса о означен

параметр

АП на момент исп таний.

Равенство rs = rs1 о условлено тем,

что геометрия излуча ей

повер ности и закон распределения коле ательной скорости на

этой повер ности не меня

тся.

Опираясь на последнее соотно

ение и учит вая уравнение для

определения электроме анического КПД

АП, можно сделать в -

вод, что для контроля изменения величин

электроакустического

КПД достаточно периодически измерять с электрической сторон

тангенс угла диэлектрически

потерь, коэффициент электроме а-

нической связи и до ротность

АП.

n = k ω

р

(Cтm )1 2

= (ω2Cm )1 2.

е

е

э

р э

идно, что при условии постоянства mэ все величин

определя-

тся по измерениям только на электрической стороне.

еличину

ние динамической емкости можно определить, например, по изме-

рениям модуля полной проводимости в экстремальн

точка .

Если АП ра отает на частоте резонанса, то нео

одимо кон-

Модуль 3. Измерение и контроль параметров ЭАП

p(r) = aд

(ρ c)вneQмωpcэU

,

r

где константа aд опис вает дифракционн

е эффект ; c – скорость

звука в воде.

идно,

что

чувствительность

АП

в режиме

излучения

γи = p(r)/U neQм/ωр. По аналогии с в ражениями для контроля

КПД получим:

n

k Cт 1 2

C

1 2

e

=

e

т

=

,

ne1

ke1 C1

C1

γ и

=

neQм

.

γ

и1

n Q

e1

м1

Сдвиг фаз

давления,

создаваемого

АП относительно фаз

воз ужда

его его напряжения, равен

( м

p

p

ω

)

arctg Q

(ω2

− ω2 ) ω

,

т. е. имеется возможность контролировать не только амплитуду,

но и фазу давления, создаваемого излучателем.

При определении изменения чувствительности прео разовате-

ля-приемника

удем использовать формулу,

полученну из экви-

валентной с ем

АП [14]:

U

1

n

γ = p = kдS

Cтe

, γ 0

= γ Qe ,

ω2m

р

э

где Qe

электроме аническая до ротность; kд

коэффициент диф-

ракции; γ чувствительность на частота

много ниже резонанса;

γ0

максимальная чувствительность на частоте антирезонанса.

то соотно ение можно также переписать в виде

1

k

γ = kдS

ω

(Ceт) 1 2

.

m

э

p

Учит

вая, что в процессе эксплуатации kд

и S не изменя тся, а

mэ

не зависит от пьезосвойств

АП, при условии постоянства час-

тот

ме анического резонанса получим:

γ

k Cт 1 2 Q n

Cт

Q

=

e

C1т

e

=

e

C1т

e

.

γ

1

k

Q

n

Q

e1

e1

e1

e1

Если при исп тании

АП изменением частот резонанса пре-

не речь нельзя, то ее нео

одимо учит

вать в приведенн в е

формула .

таком случае

АП нео одимо кали ровать по некоторому со-

вокупному параметру,

арактеризу ему его ра оту в о ои ре-

жима .

ерем в качестве такого параметра чувствительность

в режиме «прием

излучение» (чувствительность в э олокацион-

ном режиме) χ, определяему произведением γγи = U2/U1, где U2 −

напряжение

олостого

ода в режиме приема; U1 − напряжение,

подводимое к

АП в режиме излучения. О означая, как и ранее,

н по конструкции АП, когда можно полагать одинаков

ми и

конструктивн

е параметр

, такие как коэффициент дифракции,

ра очая пло

адь излуча

ей или приемной повер ности

АП,

различие параметров прео разователей о условлено причинами,

относя

имися к первой группе данной ранее классификации.

лектрический контроль идентичности по определенному па-

раметру однотипн

по конструкции

АП осу ествляется так же,

какидляодногопрео разователя, тольковкачестве ис одн зна-

чений в

ира т параметр одного из

АП в партии, а контроль

параметров остальн

прео разователей ведется относительно па-

раметров в ранного о разца.

3.4. К

ЭАП

мости в виде

G(ω) =

R

ω2

.

L2

ω

4

+

R2

−

2

ω

2

+

1

2

2 2

L

LC

L C

Тогда, используя о означения

μ =

1 R2

−

2

, η =

1

,

2

2

LC

L

LC

представим интеграл в виде:

R

∞

ω2dω

.

I =

∫

2

ω

4

+ 2μω

2

2

2L

0

+ η

∞

ω2dω

= 2π i

−i

.

∫

ω

4

+ 2μω

2

2

2 2(μ + η)

0

+ η

Подставив в последнее в

ражение значения и η, получим в

итоге

I = ∫∞ G(ω)dω =

π

1

.

0

2 L

Как следует из последнего в ражения, интеграл от активной

составля

ей проводимости, или пло

адь под кривой активной

составля

ей проводимости, с точность

до констант π/2

совпа-

L =

π

1

,

C =

2

I

.

2

I

π ω2p

Реально измерение активной составля ей проводимости осу-

[

1

2

]

δ I(0,∞)

= I(0, ω

)

+ I(ω , ∞)

I(0, ∞),

где I(0, ω1) и I(ω2, ∞) – соответственно значения интеграла в диапа-

зона частот 0–ω1 и ω2–∞.

и ω2 из условия (ω1ω2)1/2 = ωр, а диапазон

Если рать частот

ω1

измерений удет в 4–5

раз прев

ать

ирину резонансной кри-

вой активной составля

ей проводимости на уровне 0,5,

то с до-

статочной на практике точность

можно записать

δ I(0, ∞) =

2 Δω

,

π ω 2− ω 1

2 Δω

ω2

I = 1 +

× ∫ G(ω)dω.

π ω 2− ω 1

ω

1

Определение параметров динамической ветви эквивалентной

электрической с ем

АП через интеграл от активной состав-

ля

ей проводимости удо но проводить в измерительно-в

чис-

лительн

комплекса

,

поскольку име

тся прост

е алгоритм

в числения интеграла,

позволя

ие легко реализовать такой

под од, а также с использованием прост

устройств,

содержа и

интегратор.

построения простого при ора для конт-

Рассмотрим принцип

роля

АП, в котором используется стандартн

й анализатор час-

тотн

(

арактеристик,

содержа

ий генератор кача

ейся час-

тот

К )

и индикатор амплитудно-частотн

арактеристик

(ИА

) [4].

режима : «Измерение»

и «Контроль».

При ор ра отает в дву

режиме «Измерение»

проводятся измерения для

АП, в ран-

ного за о разцов

й.

режиме

«Контроль» вначале проводится ка-

ли ровкаиндикаторапоо разцовому

АП, азатемзавремяодного

качания частот

в установленном частотном диапазоне проводит-

ся автоматическое определение соответствия параметров исп

туе-

мого

АП относительно в

ранного о разцового элемента.

Основн

м параметром,

измеряем

м в о ласти частот ме ани-

ческого резонанса, является частотная

арактеристика активной

составля

ей проводимости

АП G(ω),

которая в

деляется с по-

мо ь

фазового

(син ронного) детектора.

при-

Процедура измерений G(ω)

понятна из структурной с ем

ора, приведенной на pис. 3.3,

где использован

о означения: 1

усилитель мо ности, 2

син ронн й детектор, 3

лок дополни-

тельн

резисторов, 4

АП, 5

интегратор, 6

лок управления

интегратором.

ей последователь-

Режим «Измерение» проводится в следу

ности:

•

Перекл чатель S перевести в вер нее положение ( ).

•

Подкл

чить о разцов

й

АП к при ору.

•

Подкл

чить вольтметр постоянного напряжения параллель-

но в оду Y ИА

(в

од Y при ора).