научная статья по теме ОБ ОПТИМИЗАЦИИ ФОРМЫ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ МАЛОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ИММЕРСИОННОМ КОНТРОЛЕ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «ОБ ОПТИМИЗАЦИИ ФОРМЫ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ МАЛОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ИММЕРСИОННОМ КОНТРОЛЕ»

УДК 620.179.16

ОБ ОПТИМИЗАЦИИ ФОРМЫ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ МАЛОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ИММЕРСИОННОМ КОНТРОЛЕ

С.И. Коновалов, А.Г. Кузьменко

Рассмотрен пьезопреобразователь в виде пластины, излучающей в воду. Тыльная сторона пластины граничит с воздухом. Расчетным путем изучено влияние формы излучаемого преобразователем акустического импульса на точность определения расстояния до объекта. Показано, что оптимальными являются акустические импульсы длительностью три и пять полупериодов на резонансной частоте преобразователя. Представлены формы соответствующих возбуждающих импульсов электрического напряжения.

Ключевые слова: пьезопластина, принцип Даламбера, компенсация, пьезоэлектрический преобразователь, акустический импульс, электрический импульс, дистанция, погрешность измерения.

ВВЕДЕНИЕ

Импульсный режим работы пьезоэлектрической аппаратуры в настоящее время получил широкое распространение в у.з. дефектоскопии. Объяснение данного факта состоит в том, что режим излучения-приема короткого акустического импульса позволяет решать актуальные задачи, связанные с улучшением параметров аппаратуры контроля (снижение мертвой зоны, улучшение разрешающей способности, точности определения координат исследуемых объектов). Измерение расстояния до дефекта с возможно более высокой точностью является одной из важных задач, возникающих в процессе изучения исследуемых образцов материалов и изделий. При этом необходимо учитывать некоторые особенности режима работы пьезопрео-бразователей, при котором излучаемый акустический импульс состоит всего лишь из нескольких колебаний высокой частоты.

Одним из эффективных способов исследования импульсного режима работы преобразователя является применение метода Даламбера [1—4]. Наиболее удобен он для определения формы акустического импульса, излучаемого преобразователем простой формы, например, пластинчатым. Метод основан на применении принципа суперпозиции и заключается в том, что колебания граней пьезопластины рассматриваются независимо друг от друга. Результирующий сигнал при этом получается сложением компонентов, излученных каждой гранью в отдельности, с учетом отражений от граней пластины. В настоящей работе данный метод был применен для определения формы акустических импульсов, излучаемых пьезопластиной, нагруженной на жидкость, при возбуждении пластины электрическими сигналами сложной формы.

Для нахождения расстояния до интересующего объекта (дефекта) обычно используют у.з. импульсы, имеющие вид высокочастотных колебаний (несущая частота), амплитуда которых изменяется за счет модуляции низкочастотными сигналами (огибающая). Формой огибающей задается форма излучаемого (зондирующего) сигнала (например, прямоугольный, экспоненциальный, гауссов импульсы). При измерениях расстояния до объекта определяется время между моментом излучения зондирующе-

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

Андрей Григорьевич Кузьменко, канд. техн. наук, доцент кафедры электроакустики и ультразвуковой техники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ". Тел. (812) 234-37-26. E-mail: sikonovalov.eut@gmail.com

го сигнала и отметкой от исследуемого объекта. При этом принято считать, что погрешность измерения времени прихода сигнала равна половине длительности зондирующего импульса. Хотя описанный метод нельзя отнести к прецизионным, такую погрешность считают приемлемой во многих случаях. Прежде всего это справедливо в ситуации, для которой пространственная протяженность зондирующего сигнала существенно меньше измеряемого расстояния до объекта. Описанная модель импульса справедлива в случаях, когда число высокочастотных колебаний достаточно велико. При их значительном снижении, т. е. при работе пьезопреобразовате-ля в режиме излучения короткого импульса, понятие огибающей утрачивает свой смысл. Рассмотрение импульса, состоящего всего лишь из нескольких полупериодов колебаний, должно осуществляться с учетом его дискретной структуры. Если рассматривать пьезокерамическую пластину, нагруженную с одной стороны на воду, а с другой — на воздух, то при ее возбуждении электрическим напряжением в виде одного полупериода синусоиды на частоте толщинных колебаний излучаемый импульс колебательной скорости будет иметь длительность, превышающую двадцать полупериодов. Использование метода Даламбера [1—4] позволяет определить амплитуду каждого из полупериодов этого переходного процесса, который может быть прекращен, если в любой из полупериодов после начального подать компенсирующий электрический импульс определенной амплитуды в противофазе с переходным процессом в данный полупериод. Компенсация произойдет в следующий полупериод. Расчет амплитуды компенсирующего импульса может быть выполнен в соответствии с методикой, подробно изложенной в [5, 6].

В настоящей работе авторы ставили перед собой задачу определения расчетным путем длительности зондирующего акустического импульса, излучаемого преобразователем, позволяющего с наибольшей точностью определять дистанцию до интересующего объекта. При этом необходимо учитывать, что, с одной стороны, увеличение длительности акустического сигнала увеличивает погрешность определения дистанции, а с другой стороны — получение очень малой длительности излучаемого сигнала является проблематичным с технической точки зрения.

КРИТЕРИИ ВЫБОРА ФОРМЫ АКУСТИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА

Рассмотрим некоторые особенности коротких импульсов, которые могут быть полезными для лучшего измерения расстояния. Если импульс содержит несколько полупериодов, то целесообразно стремиться к тому, чтобы в его середине была максимальная амплитуда. Это возможно, когда число полупериодов в импульсе является нечетным. Максимальную амплитуду в середине импульса легче идентифицировать. При использовании ее для отсчета погрешности с разными знаками будут симметричны. При четном же числе полупериодов середина импульса приходится на переход через ноль, что несколько осложняет процесс измерений. Непосредственно около выбранного максимального полупериода желательно отсутствие слева и справа соседних максимумов той же полярности, соизмеримых с его амплитудой. Помимо этого желательно иметь возможно большим соотношение максимальной амплитуды и амплитуды первого полупериода.

Рассмотрим некоторые примеры с точки зрения выполнения описанных критериев. В качестве излучателя выберем пьезокерамическую пластину (ЦТСНВ-1). Одну ее сторону будем считать нагруженной на воду, противоположную — свободной. Зададим возбуждающее электрическое напряжение в виде одного полупериода синусоиды на собственной частоте пьезопластины. Амплитуду напряжения возбуждения примем за единицу.

Пусть удельное акустическое сопротивление пьезокерамики равно 30-106 Па-с/м, для воды оно составит 1,5-106 Па-с/м.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1а приведена форма импульсов электрического напряжения. В первый полупериод подается возбуждающий импульс с условной амплитудой, равной 1, а в третий — компенсирующий импульс с амплитудой ик = -0,905. На рис. 1 б приведена форма излучаемого акустического импульса колебательной скорости. Все амплитуды нормированы к амплитуде первого полупериода. Можно видеть, что длительность акустического импуль-

и 1,0 0,6 0,2 -0,2 -0,6

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Т

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Т

V 1,6 1,2 0,8 0,4 0

-0,4 -0,8 -1,2 -1,6 -2,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Т

Рис. 1. Формы электрического возбуждающего импульса (а) и излучаемого акустического сигнала (б).

1,2 0,8 0,4 0

-0,4 -0,8 -1,2 -1,6 -2,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Т

Рис. 2. Возбуждающий электрический импульс (а) и излучаемый акустический сигнал (б).

са составляет 3 полупериода. Далее происходит полная компенсация и колебательная скорость равна нулю. Импульс симметричен относительно середины второго полупериода. Амплитуды первого и третьего полупериодов равны единице и имеют одинаковую полярность. Амплитуда второго полупериода максимальна {У2 = -2) и имеет противоположную полярность по сравнению с другими полупериодами. Отмеченные особенности позволяют легко идентифицировать эту амплитуду и использовать ее для отсчета. Оценим точность (погрешность) определения расстояния при использовании данного акустического импульса. Так как один полупериод соответствует половине длины волны (Х/2) в воде, а половина длительности импульса составляет 3/2 полупериода, то получаем, что погрешность измерения

а

а

и

б

Г з 1 х з

не превышает Дг = ±1 —I —= ±—X. Например, для частоты / = 1 МГц

Дг = ±1,125 мм. Для более высокой частоты / = 2,5 МГц Дг = ±0,45 мм.

Рассмотрим теперь случай, который изображен на рис. 2. На рис. 2а показана форма импульсов электрического напряжения. В первый полупериод подается возбуждающий импульс, а в пятый — компенсирующий, амплитуда которого равна -0,819. Соответствующий акустический импульс колебательной скорости показан на рис. 2б. Видно, что длительность импульса составляет пять полупериодов. В качестве точки отсчета может быть использован максимум амплитуды Утах = 1,905 в центре импульса (2,5 полупериода). Однополярные максимумы (у = 1,0; У5 = 0,905) отстоят от центра на два полупериода каждый и имеют величины приблизительно в 2 раза меньше, чем Утах. Все это позволяет легко идентифицировать центральную амплитуду. С противоположным знаком (минус) имеются только два полупериода, что позволяет исключить их из рассмотрения, несмотря на амплитуды (У2 = -2 и У4 = -1,81), которые по своим величинам мало отличаются от центральной

амплитуды. Погрешность измерения здесь не превысит Дг = ±~^Х, что для

частоты / = 1 МГц составит Дг = ±1,875 мм, а для частоты / = 2,5 МГц Дг = ±0,75 мм.

При увеличении длительности акустических импульсов до семи и более полупериодов амплитуда в середине импульса не только не является максимальной из всех амплитуд, но и не сильно отличается от соседних с ней амплитуд, что может затруднить ее идентиф

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