286
КОНОВАЛОВ, КУЗЬМЕНКО
R
U(t)
L R
гк г3 г2
Рис. 2.
добротности контура. Решение задачи сводится к определению пары оптимальных значений параметров Q и п (для каждого из рассматриваемых случаев подключения электрических цепей), при которых длительность акустического импульса колебательной скорости, излучаемого в среду, минимальна.
На рис. 2 изображена схема решаемой задачи при нагрузке излучателя на твердое тело. В данном случае она имеет существенно более сложный вид. Это объяснется следующим. На практике исключительно редко встречается случай непосредственной нагрузки излучателя на твердую среду, поскольку возникающие при этом требования к степени обработки (шлифовке) соприкасающихся поверхностей очень высоки. Применение слоя жидкости, помещаемого между пьезоке-рамикой и твердой средой, далеко не всегда улучшает ситуацию, что связано с неизбежно возникающим механическим разрушением поверхностного слоя активного элемента (электрода) при осуществлении сканирования. Часто встречающимся способом преодоления указанных трудностей является использование системы, изображенной на рис. 2, которая включает в себя ряд переходных слоев. Использована следующая система обозначений: и г3 - удельные акустические сопротивления наружного и внутреннего контактных слоев; z1 - слоя, который выполняет функции механической защиты пьезоэлемента; гн и гк - удельные акустические сопротивления нагрузки и пьезокерамики. Пусть хк - волновая толщина пьезокерамики, а х1, х2 и х3 - волновые толщины наружного контактного слоя, защитного слоя и внутреннего контактного слоя, соответственно. Введем параметры аъ а2 и а3 так, что а1 = хх/хк, а2 = х2/хк и а3 = х3/хк. Это дает возможность с их помощью выражать волновые толщины всех трех слоев в долях от хк. Помимо перечисленных параметров, аналогично случаю нагрузки на жидкость, описанную систему можно охарактеризовать параметрами Q и п (для каждого из рассматриваемых вариантов подключения элек-
трических цепей). Задача сводится к определению вида импульса колебательной скорости, излучаемого в среду, и нахождению значений параметров, характеризующих описанную систему, при которых длительность акустического сигнала минимальна.
Методика решения поставленной задачи описана в предшествующих работах [1-4]. Как и ранее, будем считать, что электрическое возбуждение осуществляется импульсом напряжения и({) в виде полупериода синусоиды на частоте антирезонанса пластины. За длительность импульса, аналогично предыдущему, будем принимать время от его начала до момента снижения амплитуды колебательной скорости в десять раз от максимума. Для удобства введем безразмерное время
Т = ( t. , где Т0 - период колебаний на частоте (Т о'2)
ю0. Это позволит измерять длительность излучаемых импульсов числом полупериодов колебаний на собственной частоте пьезопластины. Далее приводятся результаты расчетов.
Нагрузка на жидкость (воду). Возможности преобразователя с подключенной последовательной Ж-цепью (ключ в положении 1 на рис. 1) подробно исследованы и приведены в [2]. Оптимальные с точки зрения достижения минимальной длительности излучаемого сигнала значения параметров, характеризующих систему, составляют в этом случае: Q = 1.5 и п = 1.15. При этом акустический импульс имеет длительность ти, близкую к 5.5 полупериода. Аналогичные исследования формы импульсов колебательной скорости для варианта применения параллельной Ж-цепи (ключ в положении 2 на рис. 1) позволили установить, что наименьшая их длительность достигается при Q = 1 и п = 0.85. Интересно отметить, что и в этом случае ти ~ 5.5. Амплитуды излучаемых сигналов в обоих случаях практически одинаковы.
Отмеченное выше позволяет утверждать, что при нагрузке на жидкую среду применение обоих типов цепей дает сходные результаты. При этом резонансная частота электрического контура должна соответствовать условиям: юэл > ю0, если контур последовательный (п = 1.15) и юэл < ю0, если контур параллельный (п = 0.85).
Нагрузка на твердое тело. В данном случае первоначально необходимо определить оптимальные значения параметров п и Q. Выберем в качестве материала контактных слоев воду, акустической нагрузки - сталь. Перебором многочисленных вариантов расчета можно установить, что оптимальными являются пары значений: п = 1.15 и Q = 2 (для случая, когда на рис. 2 ключ находит-
О ВЛИЯНИИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
287
"И
14 12 10
8 6 4 2
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
¿2 х 10-6, Па ■ с/м
И
14 12 10 8 6 4
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
х 10-6, Па ■ с/м
Рис. 3.
Рис. 4.
3
3
2
2
1
1
2
ся в положении 1) и п = 0.9 и Q = 1 (ключ в положении 2). При указанных значениях названных параметров излучаемые импульсы колебательной скорости являются наиболее короткими во всем диапазоне рассматриваемых в расчете значений удельных акустических сопротивлений защитного слоя г2, которые изменялись от г2 = 2 х х 106 Па с/м (водоподобные материалы) до г2 = = 46 х 106 Па с/м (материалы, близкие по акустическим свойствам к стали). Стоит отметить, что обе пары значений параметров п и Q остаются оптимальными для всего рассмотренного в расчете диапазона изменения волновой толщины наружного контактного слоя аь Волновая толщина внутреннего контактного слоя а3 выбрана равной 0.01 и сохранена неизменной. Это объясняется тем, что технологические возможности изготовления преобразователей вполне позволяют выполнение весьма малым зазора, предназначенного для заполнения материалом внутреннего контактного слоя. В процессе работы излучателя контроль постоянства этого параметра также не вызывает сложностей. В расчете волновая толщина защитного слоя а2 принята равной 0.1. На рис. 3 и 4 показаны зависимости длительностей акустического импульса ти от значений г2. При этом рис. 3 соответствует случаю подключения последовательной ЯЬ-цепи, а рис. 4 - параллельной. Для обоих рисунков принята следующая нумерация кривых: 1 - а1 = 0.01; 2 - а1 = 0.05 и 3 -а1 = 0.1. Из попарного сравнения кривых 1, 2 и 3, представленных на рис. 3 и 4, можно видеть, что в обоих вариантах подключения корректирующей электрической цепи длительности излучаемых импульсов очень близки и составляют величину от ти ~ 5.5 при а1 = 0.01 до ти ~ 9 при а1 = 0.1.
Величины амплитуд излучаемых сигналов для двух рассматриваемых вариантов подключения
цепей несколько разнятся. Так, в случае, соответствующем применению последовательной ЯЬ-це-пи, сигнал примерно на 10-15% больше, чем в случае подключения параллельной цепи.
Таким образом, расчетно-теоретическим путем проведено сравнительное исследование возможности получения короткого акустического импульса при нагрузке пьезоизлучателя на жидкую и твердую среды для случаев последовательного подключения к преобразователю последовательной и параллельной корректирующих ЯЬ-цепей. Установлено, что при оптимальных значениях параметров Q и п, характеризующих рассматриваемые системы, длительности и амплитуды излучаемых сигналов в обоих случаях применения электрических нагрузок близки. Определены значения указанных параметров и получены конкретные оценки длительностей и амплитуд излучаемых акустических импульсов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коновалов СИ, Кузьменко А.Г. Влияние электрической нагрузки на длительность электрического импульса на пьезоприемнике // Акуст. журн. 2001. Т. 47. № 6. С. 856-857.
2. Коновалов С И, Кузьменко А.Г. Влияние электрической нагрузки на длительность акустического импульса, излучаемого пьезопластиной // Акуст. журн. 2004. Т. 50. № 1. С. 129-130.
3. Коновалов С И, Кузьменко А.Г. Демпфирование пьезопластины и использование электрической цепи на ее входе для получения короткого акустического импульса // Акуст. журн. 2005. Т. 51. № 6. С. 829-832.
4. Коновалов С И, Кузьменко А.Г. Выбор параметров системы излучения-приема, обеспечивающих наименьшую длительность импульса на выходе // Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 6. С. 852-854.
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.