научная статья по теме О ВЛИЯНИИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСА, ИЗЛУЧАЕМОГО ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ Физика

Текст научной статьи на тему «О ВЛИЯНИИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСА, ИЗЛУЧАЕМОГО ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ»

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

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.

Показать целиком