В представленной работе рассматривается влияние демпфера и согласующего слоя на работу электроакустического тракта в непрерывном режиме работы. Моделирование производилось в специализированном программном пакете MicroSim Design Lab (PSpice).
Ключевые слова: пьезопреобразователь, согласующий слой, демпфер, электроакустический тракт, непрерывный режим, PSpice
Неотъемлемой часть любого ультразвукового дефектоскопа является электроакустический преобразователь, с его помощью излучаются и принимаются ультразвуковые волны. Свойства электроакустического преобразователя во многом определяют характеристики дефектоскопа в целом. Электроакустический тракт, в частности преобразователь состоит из различный слоев и материалов. Свойства слоя и материала так же влияют на характеристики дефектоскопа.
- Методы расчета пьезопреобразователей.
− Метод решения волновых уравнений, которые описывают колебания пьезопластин;
− метод схем-аналогов.
Первый метод требует решения системы, которая состоит из большого числа уравнений даже при небольшом числе слоев, составляющих тракт. В большинстве случаях наиболее удобным является использование второго метода (эквивалентных схем-аналогов), основанного на использовании принципа электромеханических аналогий и расчетов с применением теории электрических цепей. Также второй метод удобно реализовать при помощи специализированного программного пакета MicroSim Design Lab (PSpice).
1.1 Применение метода схем-аналогов впрограммной среде PSpice.
Есть несколько типов схем-аналогов пьезопреобразователей. Бывают в виде четырех и шестиполюсников. Наиболее часто в литературе используется схема-аналог, предложенная Л. Я. Гутиным и У. Мезоном.
Для работы со схемами-аналогами существую пакет электротехнических программ MicroSimDesignLab (PSpice), но походу работы обнаружилось, что оперировать частотнозависимыми сопротивлениями в это пакете не представляется возможны. В данной программе не предусмотрено задание величины сопротивления резисторов, зависимой от частоты.
Поэтому вместо схемы Гутина-Мэзона мы использовали схему М. Рэдвуда, в которой элементов, показывающим акустические свойства пьезопластины, является отрезок длинной линии.
1.2 Расчет электроакустического тракта.
Вычислим необходимые параметры для построения схем-аналога в программной среде PSpice.
Таблица 1
Данные для работы электроакустического тракта
|
Параметр |
Тип преобразователя |
|
пьезокварцевый |
|
|
Площадь пьезопластины, |
|
|
Пьезопостоянная, |
0,17 |
|
Коэффициент трансформации, |
0,038 |
|
Собственная емкость, |
|
|
Сопротивление нагрузки (волновое сопротивление среды), |
471 (вода) |
|
Акустическое сопротивление
преобразователя, |
4776 |
|
Время задержки, |
|
|
Частота (МГц) |
2 |
|
Диаметр пластины (мм) |
20 |
|
Пересчитанное |
3310000 |
|
Пересчитанное |
326200 (вода) |
(м2)
(Кл/м2)
(Ф)
(Ом)
(Ом)
(с)
(Ом)
, 
(Ом)
Под электроакустическим трактом понимается область среды, в которой осуществляется интересующее нас взаимодействие ультразвука и вещества или объекта. Средой является слой воды, сам преобразователь пьезокварцевый.
- Модель электроакустического тракта внепрерывном режиме.
Рис. 2. Электроакустический тракт в непрерывном режиме
В натурных условиях в такой схеме при непрерывном режиме работы будут происходить многократные отражения сигнала между излучателем и приемником. Чтобы избежать таких многократных отражений в нашей модели, в нее введен источник напряжения управляемый напряжением (Е2). Резистор R10 необходим для согласования с выходом линии задержки Т3.
- Влияние акустического сопротивления демпфера на работу тракта.
АЧХ преобразователя и форма импульсного сигнала на выходе тракта зависят от степени демпфирования пьезопреобразователей. Рассмотрим АЧХ при разных сопротивлениях демпфера.
Рис. 3. Зависимость максимальной амплитуды сигнала от акустического сопротивления демпфера
Рис. 4. Зависимость ширины частотной характеристики на уровне (-3дБ) от акустического сопротивления демпфера
На рисунках 3 и 4 представлены зависимости максимальной амплитуды сигнала от акустического сопротивления демпфера и ширины частотной характеристики от акустического сопротивления демпфера. Видно, что при увеличении акустического сопротивления демпфера максимальная амплитуда уменьшается, а ширина частотной характеристики напротив увеличивается.
- Влияние акустического сопротивления согласующего слоя на работу тракта.
Амплитуду и длительность сигнала на выходе электроакустического тракта можно изменять не только меняя акустическое сопротивление демпфера, но и вводя согласующие слои между пьезопластиной и акустической нагрузкой (средой).
Теоретически при работе в непрерывном режиме оптимальное значение акустического сопротивления согласующего слоя определяется как 
. Однако, как показано в работе [15] при работе с короткими импульсами целесообразно использовать более низкое значение сопротивления согласующего слоя. 
Рис. 5. Короткий импульс при акустическом сопротивлении согласующего слоя ρс=3×106 ((Па×с)/м)
Рис. 6. Короткий импульс при акустическом сопротивлении согласующего слоя ρс=4×106 ((Па×с)/м)
Если сравнивать рисунки 5 и 6 то видно, что при ρс=3×106 ((Па×с)/м). получается более закономерная форма спада импульса, а при ρс=4×106((Па×с)/м). спад колебаний в конце импульса не монотонен, что может вызвать затруднения при работе аппаратуры.
Заключение.
Моделирование электроакустического тракта с помощью специализированного программного пакета PSpice доказало, что он может быть использован для расчета пьезопреобразователей с помощью метода схем-аналогов. В данном методе мы использовали схему Редвуда, которая строится из отрезков длинных линий.
Расчет в программном пакете PSpice наиболее удобный, менее трудоемок и наглядно показывает сущность метода. Данная программа позволят за короткое время посмотреть множество вариантов и сочетаний свойств элементов пьезопреобразователя и получить оптимальные сочетания свойств и характеристик.
Приведенные в работе расчеты позволяют рекомендовать использовать в установках с иммерсионным электроакустическим трактом для получения коротких акустических импульсов, используя одновременно демпфирование и согласующие слои.
Результаты также показали целесообразность использования моделирования и расчета параметров электроакустических трактов программные средства на основе пакета PSpice.
Литература:
1 Голубев А. С. Преобразователи ультразвуковых дефектоскопов / Л.: 1986.
2 Теория и расчет электроакустических преобразователей / Сост.: Г. С. Габидулин. Л.: 1968.
3 Харитонов А. В. Теория электроакустических преобразователей / Л.: 1978.
4 Харитонов А. В. Электрические схемы-аналоги электроакустических преобразователей / Л.: 1979.
5 Голубев А. С., Иванов В. Е., Яковлев Л. А. О преобразовании упругой энергии в электрическую при отражении ультразвуковой волны от пьезовибратора // Акустический журнал,1965, т. XI, с.52–56.
6 Меркулов Л. Г., Федоров В. А., Яковлев Л. А. О полосе пропускания ультразвуковой линии задержки с многократными отражениями / Л.: Известия ЛЭТИ, 1971, вып. 95, с. 17–22.
7 Хайнеман Р. PSPICE. Моделирование работы электронных схем / М: ДМК Пресс, 2002.
8 Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0 / М.: «Солон-Р», 2000.
9 Лепендин Л. Ф. Акустика / М: Высшая школа, 1978.
10 Электроакустические преобразователи / Сост.: А. Г. Кузьменко, Л. А. Никифоров. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.
11 Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий /Под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 1976.
12 Скучик Е. Основы акустики / М.: Мир, 1976.
13 Домаркас В. Й., Кажис Р.-И. Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи / Вильнюс: Минтис, 1975.
14 Пьезокерамические преобразователи. Справочник / Л.: Судостроение, 1984.
15 Коновалов С. И., Кузьменко А. Г. Особенности импульсных режимов работы электроакустических пьезоэлектрических преобразователей. – СПб.: Политехника, 2014.
