научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ»

Акустические методы

УДК 620.179.16

ИСЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

А. Ф. Мельканович, С.И. Коновалов

Разработана модель генератора ударного возбуждения, учитывающая изменение напряжения на преобразователе, вызванное протеканием импульса тока через электрическую цепь, состоящую из пьезопреобразователя и электрической нагрузки. Выполнен расчет форм импульсов напряжения возбуждения и принятого эхоимпульса в зависимости от параметров генератора и преобразователя с электрической нагрузкой. Показано, что изменение параметров пьезопреобразователя и его электрической нагрузки может сильно влиять на форму импульса возбуждения, что приводит к непредсказуемым формам эхоимпульсов. Выполнен анализ причин, вызывающих сильную зависимость формы импульсов от толщины контактного слоя при нагрузке на сталь. Экспериментально проверены основные выводы работы. Изложены рекомендации по использованию результатов исследования.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, генератор ударного возбуждения, многослойный пьезопреобразователь, передаточные функции, электрическая нагрузка, электрический импульс, эхоимпульс, параметры и форма импульса.

Для возбуждения пьезопреобразователей в у.з. дефектоскопах часто используют генератор ударного возбуждения. Однако его работа в совокупности с пьезопребразователями изучена не в полной мере. Физические процессы, протекающие в генераторе ударного возбуждения, достаточно подробно описаны в [1]. В предлагаемой работе получены математические выражения для описания формы импульса напряжения на пьезопреобразователе в виде функций от параметров преобразователя и его электрической нагрузки.

Поскольку импульс тока формируется схемой, содержащей один или несколько нелинейных элементов, форму импульса тока будем аппроксимировать выражением

4 = ехр(-цд)дц, (1)

к • dt

где д =-; д — текущее время в периодах частоты антирезонанса пьезо-

Т 1 пластины. Здесь к = 1, 2, 3..., Ы; N ~ 212; Т = —; / — частота антирезонанса

г а

^ а

пьезопластины; dt — интервал дискретизации по времени; ц, ц — безразмерные параметры. При расчете временных зависимостей будем использовать быстрое преобразование Фурье, подразумевающее применение приведенных величин Ы, dt, к.

С помощью формулы (1) становится возможным получение различных форм импульса тока, в том числе и с необходимой длительностью переднего фронта и требующейся длительностью на определенном уровне. Осуществить это можно путем изменения значений параметров ц и ц. Для примера на рис. 1 представлены некоторые формы импульсов тока и их спектры. Приведенные расчетные зависимости нормированы к единице. Расчеты приведены для следующих значений параметров: кривая 1 — ц = = 4,5 ■ 107; ц = 0,001; 2 — ц = 2 ■ 107; ц = 0,2; 3 — ц = 4 ■ 107; ц = 1,4; 4 — ц = = 1,5 ■ 107; ц = 1,5; х = / / /; /— текущая частота.

Анатолий Федорович Мельканович, канд. техн. наук СССР, доктор техн. наук республики Молдова. Тел. (812) 743-02-00. E-mail: anat73@mail.ru

Сергей Ильич Коновалов, канд. техн. наук, доцент кафедры электроакустики и ультразвуковой техники ЛЭТИ, Санкт-Петербург. Тел. (812) 234-37-26. E-mail: sikonovalov.eut@gmail.com

Из графиков видно, что варьируя параметры ц, можно менять как передний, так и задний фронты импульса тока в необходимых пределах.

б

0,8 0,6 0,4 0,2

\ - 11 1 1 1

- \ 3

-

1 1 1 1

Ч

0

0,4 0,8 1,2

1,6

Рис. 1. Формы импульсов тока I, (а) и его спектры | (б).

Импульс тока I,, протекая через нагрузку, состоящую из электрического сопротивления преобразователя и его электрической нагрузки, создает напряжение и,, которое и является напряжением возбуждения преобразователя. В качестве электрической нагрузки обычно используют последовательное соединение резистора Яэ и индуктивности, значение которой определим из равенства 1

^э = с с 2 .

Здесь Сп—емкость пьезопластины; со01 = 2л/—частота антирезонанса пьезо-пластины.

Используя результаты [2], определим электрическое сопротивление пьезо-преобразователя с учетом его электрической нагрузки. В результате получим:

7 7 1

и = Ь-77^-; 7 = к +- 1

(2)

7 э + 7п э э рЬ3 Здесь 7п, 7э — электрические сопротивления преобразователя и электрической нагрузки; Кэ, Ьэ — резистор и индуктивность электрической нагрузки; р = / • 2л/; / = у/ -1.

На рис. 2 представлены расчетные зависимости ип(д) напряжения на преобразователе от текущего времени (в периодах частоты антирезонанса

и

п 0,8

0,6

0,4

0,2

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ч

и

п 0,8

0,6

0,4

0,2

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ч

Рис. 2. Зависимость нормированного к единице напряжения от ч на преобразователе: пьезопластина без демпфера (а) и с демпфером (б).

х

б

а

пьезопластины). Значения ип нормированы к единице. На рис. 2 приведены результаты, полученные для преобразователя без демпфера и с демпфером. При расчете приняты следующие параметры: ^ = 4,5 • 107; ц = 0,001;

г = 2,32 -10'

кг

; гд = 10

м - с

кг

С = 0,1 • С ; С =

8 „8

2

м - с

; 80 = 8,85 • 10-12 Ф/м; В. = 0,5; Я = 100 Ом;

' 0 ' ' ' ' э

0°1

А

; р1 = 7,78 • 103 кг/м3; с1 = 4,0 • 103 м/с; 11 = 0,8

мм.

Здесь р с1 — плотность и скорость звука в пьезокерамике типа ЦТС-19; 11, 5 — толщина и площадь пьезоэлемента; гн, гд — удельные акустические сопротивления материалов нагрузки и демпфера соответственно; В1 — коэффициент электромеханической связи.

Из сравнения импульсов, приведенных на рис. 2, следует, что применение демпфирования пьезопластины приводит к изменению формы импульса возбуждения преобразователя.

Расчеты показали, что если к одной пьезопластине добавить еще один пассивный слой и (или) один активный, то на спадающем заднем фронте импульса возбуждения ик появятся дополнительные колебания в одной или нескольких областях. Форма импульса изменяется даже при изменении активного сопротивления Яэ. Количество и амплитуда колебательных всплесков будут меняться при изменении параметров введенных слоев. В такой ситуации введение дополнительных слоев не влечет за собой улучшения формы эхоимпульса. Более того, при этом нарушается даже логика построения формы эхоимпульса за счет введения активных и пассивных слоев. Указанное обстоятельство привело к решению об использовании дополнительных слоев только в режиме приема, то есть переходу к работе по схеме "тандем", содержащей два преобразователя.

На рис. 3 приведены расчетные данные, иллюстрирующие формы эхоим-пульсов в режиме приема для преобразователя, состоящего из одной пьезо-пластины, а также для случая многослойного преобразователя. При расчете приняты следующие параметры: в качестве пьезоматериала (слои 1 и 2) использовали пьезокерамику типа ЦТС-19; ^ = 2 • 107; ц = 0,3; г = 3,23-106

г = 10'

д

кг

2

м - с

кг

2

м - с

; Р1 = 0,5; Р3 = -Рр г = 10 мм; Яэ = 100 Ом; Сэ = 0,1 • С ; Р2 = Р4=

= 2,8 • 103 кг/м3; с2 = с4 = 4,0 • 103 м/с; 12 = 14 = 0,02 мм (слои 2 и 4 — пассивные); г — радиус активных и пассивных слоев. Нижний цифровой индекс указывает принадлежность к порядковому номеру слоя. Нумерация слоев идет от демпфера к нагрузке.

0

-0,5 -1,0

10

15

20

10

15

20

б

а

5

5

9

9

Рис. 3. Формы эхоимпульсов для преобразователя, состоящего из одной пьезопластины (а) и многослойного преобразователя в режиме приема (б).

Из сравнения импульсов видно, что использование многослойного преобразователя только в режиме приема позволило уменьшить в два раза длительность импульса по уровню 0,1.

Далее приведем фрагмент текста [3], который позволит пояснить переход от активного слоя к пассивному. Последнее вызвано тем, что в приведен-

0

ных выражениях содержится неопределенность типа —:

А = 7п(к)[7222(к) - ^(к)] + 2 ■ 2\2(к)[г2Ъ(к) - 722(к)];

чк -1

уи(к) = I [4 (к) - 4 (к) ]; У12(к) = -Ц-[712 (к) ^23 (к) - 712 (к) ^22 (к) ]

У22(к) = -1 [ 711 (к) 722 (к) - 4 (к)]; У2з(к) = I [4 (к) - 7П (к) ^ (к)].

Во все приведенные выше функции входят параметры трехстороннего пьезоэлектрического преобразователя:

7„(к) = -Ь 7„(к) = -ЬР^; 722(к) = 2к ^; 72з(к) = 7к^;

12^ ' ' к л 2 23ч ' к л 2

рск рУ1 Рк 1- а 1- а

ак = ехр(-рхк); р = /ю; тк = .

Си

Поскольку корректно устранить имеющуюся неопределенность может далеко не каждая программа, приведем два варианта решения:

1) при вычисленииу11(к); у12(к) положить значение Рк = 0, а ек" как можно малыми, но неравными нулю;

2) достаточно ввести равенства: у11(к) = 0; у12(к) = 0; 7Дк) = 0; 72(к) = 0. Перейдем к исследованию форм импульсов при нагрузке на твердую

среду с удельным акустическим сопротивлением, большим, чем сопротивление материала пьезопреобразователя, например сталь. В этом случае одной из особенностей является то, что первый максимум передаточных функций располагается на частоте х = 0,5 (а не х = 1, как обычно). Кроме того, необходимо установить протектор для защиты от истирания пьезоэлемента.

Результаты расчета импульсов возбуждения и принятых эхоимпульсов приведены на рис. 4. При расчете приняты следующие значения параметров: ^ = 2 ■ 107; ц = 0,3; параметры пьезопластины те же, что и на рис. 2;

параметры пассивных слоев: 7 = 45,5 -106 ^ ; 7 = 2,5 -106 ^ ;

н м • с д м • с'

Яэ = 7 Ом; р2 = 3,7 ■ 103 кг/м3; с2 = 10,2 ■ 103 м/с; р3 = 2,7 ■ 103 кг/м3; с3 = 0,92 х х103 м/с; ¡2 = 0,56 мм; 13 = 0,1 мм; Ьэ =-—. При расчете толщину протек-

э Сп Ю01

тора выбирали из условия обеспечения сдвига максимума частоты передаточной функции как можно ближе к х = 1. В результате удалось повысить частоту до х = 0,8. Только использование индуктивности позволило добиться того, чтобы частота максимума соответствовала х = 1. Из рис.4 видно, что

даже тонкий контактный слой (l3 = 0,1 мм) приводит к сильному увеличению длительности эхоимпульса и понижению эффективной частоты.

б

0,8 0,6 0,4 0,2

1-1-1-1-1-1-г

IL

J_I_I_I_I_I_L.

U 0,8 0,6 0,4 0,2 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 q

1 2 3 4 5 6 7 8 9 q

U

п

0,5 0

-0,5 -1,0

10

15

20

U

П

0,5 0

-0,5 -1,0

Рис. 4. Формы импульсов напряжения возбуждения и эхоимпульса при нагрузке на сталь: без контакта слоя (а, в) и с контактным слоем (б, г).

Дополнительные расчеты передаточной функции KUU и Zп показали, что максимум К сдвигается в низкоча

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком