Влияние длительности возбуждающего сигнала на форму акустического импульса на выходе пьезоизлучателя

В представленной работе рассматривается исследование изменения формы и длительности излучаемого акустического сигнала от длительности возбуждающего электронного импульса. В качестве пьезопреобразователя рассматривается пьезопластина (ЦТСНВ-1), нагруженная на водную среду, тыльная сторона пластины имеет демпфер. Исследование проведено для различных степеней демпфирования пьезопреобразователя. В качестве инструмента исследования выбран аппарат схем-аналогов преобразователей и спектральный метод Фурье.

Ключевые слова: пьезопреобразователь, демпфер, возбуждающий сигнал, непрерывный режим, MathCAD, импульсный режим

В современном приборостроении широкое распространение получили ультразвуковые приборы на основе пьезоэлектрических преобразователей. Объемы выпуска таких приборов стабильно возрастают. Улучшаются эксплуатационные характеристики приборов на основе пьезоэлектрических преобразователей: снижается мертвая зона, уменьшаются шумы, возрастает разрешающая способность, увеличивается мощность излучения.

1. Вывод основных аналитических выражений.

В процессе выполнения работы проводится исследование импульсного режима пьезоэлектрического преобразователя пластинчатого типа. Для возбуждения активного элемента преобразователя на собственной частоте пластины применяется импульс электрического напряжения, длительность которого изменяется в диапазоне от одного до двенадцати полупериодов. Для исследования возможности снижения длительности акустических импульсов, излучаемых пластиной при различных степенях её демпфирования, в работе использован подход, основанный на применении аппарата эквивалентных схем пьезоэлектрических преобразователей в сочетании со спектральным методом на основе преобразований Фурье.

В ходе выполнения работы, предполагалось, что активным материалом является пьезопластина выполненная из пьезокерамики ЦТСНВ-1. В качестве акустической нагрузки выбрана водная среда. Тыльная сторона пластины контактирует с демпфером. Возбуждение активного элемента осуществляется импульсом электрического напряжения U(t). Требуется определить вид импульса колебательной скорости на выходе описанного преобразователя.

Рис. 1. Постановка задачи

-удельное акустическое сопротивление демпфера;

- удельное акустическое сопротивление воды.

Выполняя обратное преобразование Фурье в новых безразмерных переменных, с точностью до постоянного сомножителя получим выражение для колебательной скорости:

2. Результаты расчетов.

На основе предложенного ранее математического аппарата в компьютерной программе MathCAD были проведены расчеты формы импульса колебательной скорости на излучателе из пьезокерамики. В ходе исследования был рассмотрен импульсный режим работы нагруженной на жидкость пластины, с демпфером и без него. Были представлены случаи, когда на пластину оказывается воздействие электрическим сигналом, содержащим различное число полупериодов колебаний на собственной частоте пластины. На рисунках 2–4 представлены расчетные результаты, показывающие как изменяется форма импульса колебательной скорости в режиме излучения в зависимости от длительности электрического возбуждающего импульса и удельного акустического сопротивления используемого демпфера.

На всех рисунках приняты следующие обозначения:

1. Т — безразмерное время.
2. Значение амплитуды импульсов нормировано к единице.
3. Величина максимума излучаемого сигнала v_max представлена в условных единицах и указана для каждого графика.
4. Время Т, при котором длительность импульса определяется по уровню — 20 дБ.

На рисунках 2–4 рассмотрен случай, когда демпфер отсутствует, то естьзначение его удельного акустического сопротивления Z_д принимается равным 0. Изменяется только лишь длительность электрического возбуждающего импульса от 1 до 12 полупериодов.

Рисунок 2соответствует случаю, когда n=1 (число полупериодов,содержащихся в электрическом возбуждающем импульсе). На рисунке отчетливо видно, что ужена втором полупериоде амплитуда излучаемого импульса достигает своего максимумаv_max = 3.5. Затем она плавно снижается на протяжении всех остальных полупериодов. Промежуток длительности,на которой мы рассматриваем сигнал оканчивается значением равным 20 полупериодам.

Рис. 2. Форма акустического импульса при z_д = 0, n=1,

Рис. 4. Форма акустического импульса при z_д = 0, n=12,

Но даже за это время амплитуда сигнала не успевает уменьшитьсяпо отношению к максимуму до уровня в 20 дБ. По сравнению с рисунком 2, на рисунке 3 расположение максимума сместилось. В этом случае амплитуда колебательной скорости достигает своего максимума на шестом полупериоде и принимает значение v_max = 13.5, что в четыре раза превышает прежнее значение максимума. Этот случай соответствует длительность воздействующего импульса п=5. Длительность же излучаемого сигнала много больше 20 полупериодов. Легко видеть, что с ростом параметра n наблюдается значительное изменение формы импульса — с начала амплитуда сигнала постепенно возрастает, а затем, достигнув максимума, плавно спадает. Это хорошо видно на рисунке 4 (п= 12). Здесь сигнал имеет симметричную форму. Амплитуда принимает максимальные значения v_max = 17.1 при п=2 и при n=3. Это подтверждает то, что достигнуты условия, при которых преобразователь начинает работать в стационарном режиме.

Заключение.

В работе рассмотрена демпфированная пьезопластина, нагруженная на водную среду. Тыльная сторона пластины имеет демпфер. Возбуждение излучателя осуществляется импульсом электрического напряжения в виде одного, двух, трех и более полупериодов на частоте антирезонанса пластины.

На основе расчетно-теоретических исследований, базирующихся на использовании аппарата эквивалентных схем пьезопреобразователей и спектрального метода Фурье, определены формы акустических сигналов излучаемых пьезопреобразователем в жидкость.

Исследована динамика изменения формы импульса и его максимальная амплитуда в зависимости от числа полупериодов электрического сигнала, содержащихся в электрическом импульсе.

Литература:

1. Ермолов И. Н., Гитис М. Б., Королев М. В. и др. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. — М.. Машиностроение, 1986.
2. Голубев А. С. Преобразователи ультразвуковых дефектоскопов, учебное пособие / Л.: ЛЭТИ, 1986.
3. Lutsch A. Solid mixtures with specified impedances and high attenuation for ultrasonic waves. — JASA, 1962, 34, p. 131–132.
4. Лепендин Л. Ф. Акустика. — M.: Высшая школа, 1978.
5. Бабкин Н. В. Демпфер к пьезоэлементу искательной головки ультразвукового дефектоскопа. Авт. свид. № 172543. — Бюлл. изобр., 1965, № 13, с. 85.
6. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. Ч. 1. М.: Машиностроение, 1976.
7. Гитис М. Б. Преобразователи для импульсной ультразвуковой дефектоскопии. Основные теоретические положения. — Дефектоскопия, 1981, № 2, с. 65–84.
8. Бордюгов Г. Т., Буденко Б. А., Гитис М. Б. и др. Искательная головка к ультразвуковому дефектоскопу, Авт. свид. № 266328. — Бюлл. изобр., 1970, № 11, с. 131.
9. Дмитров Т. В., Сажин В. В. Комплект искателей «Снежинка». — Дефектоскопия, 1972, № 4, с. 136–140.
10. Кирияков В. Ф. О применении пьезопреобразователей с наклонным дном иммерсионной ванны. — Дефектоскопия, 1976, № 4, с. 96–104.
11. Ермолов И. Н., Рыжов-Никонов В. И. Теория работы пьезоэлектрических искателей ультразвуковых дефектоскопов. 1. Основные уравнения электроакустического тракта ультразвукового дефектоскопа. — Дефектоскопия, 1976, № 5, с. 7–18.
12. Меркулов Л. Г., Яблоник Л. М. Работа демпфированного пьезопреобразователя при наличии нескольких промежуточных слоев. — Акуст. журнал, 1963, 9, с. 449–459.
13. Яблоник Л. М. К вопросу о влиянии электрической нагрузки на работу многослойного преобразователя. — Акуст. журнал. 1964, 10, с. 234–238.
14. Меркулова В. М. Широкополосный иммерсионный пьезопреобразователь с согласующим протектором. — Дефектоскопия, 1972, № 6, с. 57–62.
15. Касаткин Б. А. Лебедев В. Г. Спектр собственных частотконтактного пьезопреобразователя. Дефектоскопия, 1979, № 6, с. 40–44.