Славутский Л.А. Волновые процессы и устройства

что возникающие в пьезоэлектрике механические деформации сопровождаются образованием электрических полей, и наоборот, при приложении электрического поля возникают механические деформации. Используя (4.6.6) при выводе волнового уравнения для упругих волн в пьезоэлектрике (см. разд. 3.1), можно получить выражение для скорости звука v :

ρ - плотность. Из (4.6.7) видно, что наличие пьезоэффекта

носит название коэффициента электромеханической связи

распространенным пьезокристаллом является кварц (SiO 2 ).

Простейший пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пьезоэлектрическую пластину, на которую c двух сторон нанесены тонкие металлические электроды. При приложении к электродам переменного электрического напряжения в пластине за счет пьезоэффекта возникают упругие колебания. Электрическое поле, направленное нормально к электродам, в зависимости от пьезосвойств кристалла может вызывать как продольные, так и поперечные деформации (U L ,U S , рис.4.19).

200

Рис.4.19

Для подавления излучения в противоположном направлении и повышения эффективности преобразования пьезопластина крепится на специальном демпфере, обладающем

тогда, когда в пластине устанавливаются стоячие упругие волны,

преобразователя носит резонансный характер и максимальная эффективность преобразования достигается при n = 0 .

В диапазоне ультразвуковых частот 1-50 МГц, который чаще всего используется в жидкостях и твердых телах на практике, величина K для разного вида пьезопреобразователей меняется от единиц до нескольких десятков дБ.

202

Глава 5. Волновая диагностика объектов и сред

5.1.Классификация волновых методов диагностики

Сразвитием современной техники волны различной природы и диапазонов - радио, оптические, ультразвуковые - находят все более широкое применение для получения информации о свойствах различных сред и объектов. Волновые методы и устройства лежат в основе радиолокации,

неразрушающего контроля (дефектоскопии) и т.д. Работа устройств и систем волновой диагностики (зондирования) может быть основана на рассеянии (отражении) волн, их затухании, рефракции, измерении скорости их распространения, измерении частоты и интенсивности волн, излучаемых элементами объекта или среды. Все перечисленные эффекты в той или иной степени присущи волнам любой природы при распространении в любой среде. Поэтому, если метод диагностики основан на одном из таких эффектов, необходимо либо учитывать остальные особенности распространения волн, либо создавать условия, когда некоторыми из них можно пренебречь.

Всилу указанных причин и многообразия волновых методов их строгой единой классификации не существует. Приведем несколько основных признаков, которыми можно характеризовать волновые методы и устройства:

1.Физическая природа и диапазон волн, которые используются для получения информации о среде или объекте. Методы, использующие электромагнитное излучение, можно разделить на рентгеновские, оптические, СВЧ и т.д., акустические методы - на гиперзвуковые, ультразвуковые, звуковые и т.д.

Впоследние годы интенсивно развиваются смешанные методы зондирования, использующие волны различной природы:

203

акустических волнах. В этом случае оптическое излучение служит для регистрации упругих колебаний вместо акустических приемников.

РАДИОАКУСТИЧЕСКИЙ метод основан на модуляции упругими волнами электромагнитного излучения радиодиапазона. Применяется, в частности, для зондирования земной атмосферы.

Список смешанных методов может быть продолжен.

электрические поля могут взаимодействовать с электронами проводимости, если пьезоэлектрик обладает проводящими свойствами (пьезополупроводник), или взаимодействовать с материалами, находящимися в контакте с пьезоэлектриком.

2. Волновые методы диагностики и зондирования

отраженного, диссипирующего и т.д.). Пассивные методы не требуют излучающих устройств и основаны на анализе собственного излучения среды или объекта.

204

частотой волны меняются и все характеристики ее распространения в среде или рассеяния на объекте. Поэтому, зондируя (при активном методе) среду или объект сигналами разных частот, можно получить информацию об их свойствах. Большинство пассивных методов основано на спектральном анализе волновых сигналов. Сразу необходимо уточнить, что при таком разделении временные и спектральные измерения подразумевают параметры волн, распространяющихся в среде, а не математический способ преобразования сигналов после их приема. Спектральная обработка, преобразование Фурье, частотная фильтрация повсеместно применяются и при

5.2. Импульсные измерения

Импульсное зондирование используется для электромагнитных и акустических волн практически всех диапазонов. В радиодиапазоне наиболее характерным примером импульсных измерений является радиолокация. Ультразвуковые импульсные измерения широко используются в промышленной дефектоскопии и медицинской диагностике. С возникновением лазеров, работающих в режиме модулированной добротности и генерирующих короткие импульсы в оптическом диапазоне, импульсный метод все более широко применяется при оптическом зондировании.

205

На рис.5.1 приведена принципиальная схема импульсного

длину волны излучения, называется несущей частотой или частотой заполнения. Радиоимпульс подается на излучающее устройство (для ЭМ волн - антенна, для упругих волн - акустический излучатель). Для оптического диапазона роль генератора (Г) импульсов и излучателя играет лазер, работающий в импульсном режиме.

Рис.5.1.

Волновой импульс после распространения в среде поступает в приемное устройство (антенна, микрофон, оптический приемник) и преобразуется в электрический сигнал, который после усиления (У) подается на вход регистрирующего (Р) устройства (осциллограф, аналого-цифровой преобразователь и компьютер). Для определения временного положения

синхронизации, который подается непосредственно в приемный тракт (например, для запуска развертки осциллографа или запуска АЦП).

206

Наиболее широко распространен импульсный радиолокационный или эхо - метод зондирования, основанный на отражении волнового импульса от объекта или неоднородности среды. В этом случае излучатель и приемник излучения в схеме, представленной на рис.5.1, совмещены (приемно-передающая антенна или акустический преобразователь) или расположены достаточно близко друг от

зондирования, реализовать обзор (сканирование) некоторой пространственной области.

Глубина (дальность) импульсного зондирования определяется уменьшением амплитуды волнового импульса при его распространении. Такое уменьшение происходит вследствие затухания волны, ее рассеянии на неоднородностях, угловой расходимости излучения. Поскольку затухание и рассеяние в среде растет с увеличением несущей частоты волны, размеры пространственной области зондирования в этом случае уменьшаются. Дальность зондирования может быть увеличена за счет увеличения интенсивности импульсного излучения и чувствительности приемника, уменьшения диаграммы направленности излучателя. Однако для фиксированной несущей частоты эти характеристики ограничены и определяют

ширины волнового пучка, которая связана с апертурой и диаграммой направленности излучателя. В радиоимпульсе должно вмешаться хотя бы несколько периодов волны несущей частоты, поэтому продольная разрешающая способность импульсного устройства на фиксированной частоте ограничена. Поперечные размеры волнового пучка также ограничены частотой волнового сигнала.

Таким образом, для увеличения разрешающей способности импульсного устройства необходимо увеличивать частоту и, соответственно, уменьшать длину волны излучения. При этом увеличивается затухание и рассеяние сигнала, что приводит к уменьшению дальности зондирования. Это справедливо для волновой диагностики любой физической природы и составляет основную принципиальную проблему при технических разработках.

Диапазон частот зависит от назначения импульсной системы зондирования. В радиодиапазоне радиолокационные

в водную среду, имеют рабочие частоты от единиц Гц до десятков кГц. В ультразвуковых импульсных устройствах, как правило, несущая частота составляет от единиц до десятков МГц. Импульсы именно таких частот составляют основу ультразвуковой дефектоскопии и ультразвуковой медицинской диагностики.

5.3. Доплеровские измерения

Если излучатель и приемник волновых сигналов двигаются относительно друг друга, или объект, рассеивающий волновой сигнал, находится относительно их в движении, то частота принимаемого сигнала отличается от излучаемой частоты на

208