Воробьев E.A. Теория ультразвуковых колебаний как основа построения и применения технических средств получения информации

Подождите немного. Документ загружается.

чающей” поверхности F в трубе, колеблющиеся с одинаковыми фазами

и амплитудами, являются самостоятельными, малоразмерными источ-

никами Гюйгенса.

Эти элементы Гюйгенса создают самостоятельные источники звука,

которые излучают сферические волны во всех направлениях, но стенки

трубы экранируют их таким образом, что в направлении x распростра-

няется плоская и однородная акустическая волна.

Легко понять, что при выходе из трубы звуковой пучок расширяется

и в силу интерференции эти звуковые волны от отдельных источников

Гюйгенса в одних точках пространства будут складываться (т. е. усили-

ваться), а в других точках, компенсируя друг друга, ослабляться.

Точный расчет подобных звуковых полей требует применения сложного

математического аппарата и ЭВМ. Этот вопрос рассматривать не будем,

хотя отметим, что при проектировании и применении акустических средств

измерений всегда имеет место интерференция ультразвуковых волн.

Интерференция возникает за счет переотражений между приемно-

передающими акустическими устройствами, ОК, дефектами ОК и даже

возникает из-за отражений от внешних предметов.

Однозначно аналитически описать интерференцию акустического

поля в этом случае практически невозможно. В результате отработки

разрабатываемого акустического измерительного прибора и отладки

методики применения прибора опытным путем добиваются минимиза-

ции влияния интерференции на результаты измерений.

Аналогичным образом поступают при проектировании и строитель-

стве концертных и театральных залов, добиваясь хорошей слышимости

в отдельных местах помещений. Только в одном случае эффект интер-

ференции используется в технике акустических измерений. Речь идет о

формировании стоячих волн в канале измерения с ОК, чтобы за счет

резонанса с большей чувствительностью и точностью выявить дефект

в ОК. Стоячая волна возникает всегда при нормальном падении звука

на границу раздела сред или материалов, обладающих разными акусти-

ческими сопротивлениями.

То же самое происходит при падении зондирующей звуковой волны

на дефект в ОК: какая-то часть энергии зондирующей волны дефектом

рассеивается, а другая часть, отражаясь в обратном направлении, обра-

зует с падающей стоячую волну, по которой трудно определить призна-

ки дефекта. Чтобы исключить этот нежелательный эффект, используют

импульсный режим работы.

Здесь рассмотрим полную аналогию с картиной стоячих волн в элек-

трических линиях передачи, полное электрическое сопротивление ко-

торых, отлично от сопротивления нагрузки. Если отражение звука про-

исходит от абсолютно жесткой поверхности, то, согласно граничным

условиям, всегда имеет место явно выраженные узлы и кучности давле-

ния в звуковой волне.

Напротив, если отражение происходит от “податливой” поверхности

(например, в воде на границе вода – воздух), то на границе раздела

имеется скачок фазы и часть энергии звуковой волны проникает во вто-

рую среду, и эффект чисто стоячих волн отсутствует (как при неполном

согласовании электрической линии передачи с нагрузкой). В этой связи

эффект акустического резонанса при применении средств измерения

осуществим только при соответствующем построении измерительных

каналов и при работе с ОК с резко отличными от воздуха акустически-

ми сопротивлениями.

В частности, на эффекте стоячих волн строятся ультразвуковые тол-

щиномеры конструкционных пластинчатых материалов и изделий с глад-

кими и плоскими поверхностями.

Дополнительными ограничением к применению резонансного эф-

фекта в акустических измерениях, естественно, является большое зату-

хание волн в измерительном канале и, особенно, в самом ОК.

Структура средств акустических измерений, работающих на различ-

ных эффектах интерференции, будет рассматриваться далее.

6. СОВРЕМЕННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И

ПРИЕМНИКИ ЗВУКОВЫХ И УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

Со времени созданного генератора ультразвука Кенигом в 1899 г. в

виде специального камертона проведены обширные исследования по

разработке генераторов и приемников звуковых и ультразвуковых коле-

баний.

Среди созданных ранее генераторов ультразвука следует отметить

мощные (более 50 Вт) газоструйные свистки и сирены, а также мощные

“термические излучатели”, построенные на принципе разряда электри-

ческой дуги в газе, или в жидкости.

Все они, конечно, имели и имеют ограниченное применение в тех-

нике акустических измерений. Для приборов ультразвукового контро-

ля, измерений и дефектоскопии желательно иметь “обратимые” излуча-

тели ультразвука, т. е. такие, которые могли бы работать эффективно и

на передачу, и на прием ультразвуковых колебаний.

К таким “обратимым” источникам ультразвука относятся:

– электродинамические и электростатические излучатели и прием-

ники;

– магнитострикционные излучатели приемники ультразвука и др.

Все они работают на принципе механического колебания малоинер-

ционного конструктивного элемента в переменном электрическом или

магнитном поле.

В 1880 г. был открыт пьезоэффект, состоящий в том, что при сжатии

или растяжении некоторых материалов на их поверхности появляется

электрический заряд.

В настоящее время пьезоэффект широко используется в акустичес-

кой технике, так как пьезоэлектрические преобразователи конструктивно

не сложны, технологичны в изготовлении, а главное – эффективны при

работе на передачу и прием ультразвуковых колебаний.

Следует рассматривать принцип действия пьезоэлектрического пре-

образователя в связи с тем, что он является основным функциональ-

ным узлом акустических приборов.

Итак, принцип действия пьезоэлектрического преобразователя ос-

нован на использовании пьезоэлектрического эффекта, согласно кото-

рому на поверхности отдельных классов кристаллов или пьезокерамик,

имеющих в своем составе две разновидности атомов, возникают элект-

рические заряды в результате приложения к ним внешних сил сжатия

или растяжения – прямой пьезоэффект.

При наведении на поверхности электрического заряда, наоборот, воз-

никают механические силы, которые деформируют пьезоэлемент – это

обратный пьезоэффект.

Физически механизм возникновения заряда на поверхности пьезоэ-

лемента (т. е. прямой пьезоэффект) объясняется тем, что при его дефор-

мации часть внутренних зарядов вытесняется на поверхность, образуя

на противоположных гранях пьезоэлемента заряды разных знаков. При

обратном пьезоэффекте картина обратная, а при подаче на противопо-

ложные грани пьезоэлемента электрического напряжения разной поляр-

ности происходит его деформация. Этим и объясняется “обратимость”

пьезопреобразователя, т. е. его работа как на прием, так и на излучение

звуковых и ультразвуковых колебаний.

Прямой пьезоэффект позволяет пьезопреобразователю работать в

качестве приемника ультразвуковых колебаний. Ультразвуковые коле-

бания, приходящие извне, его деформируют, а переменный электричес-

кий заряд, появляющийся на его поверхности, считывается и усилива-

ется электронной схемой.

Обратный пьезоэффект обеспечивает работу пьезопреобразователя

в качестве излучателя звуковых и ультразвуковых колебаний. При пода-

че на его поверхность соответствующего переменного, гармонически

изменяющегося напряжения пьезоэлемент деформируется (т. е. колеб-

лется с частотой приложенного напряжения), и тем самым излучает уль-

тразвук.

В силу физической сущности своего действия пьезопреобразователи

могут быть использованы в диапазоне от самых низких звуковых частот

до верхней части ультразвуковых частот – это определяется выбором

пьезоматериала и конструктивными решениями.

К пьезоматериалам относятся: кварц, сегнетовая соль, титаний ба-

рия, цирконат свинца, ниобат лития и некоторые другие материалы.

Важным свойством пьезоматериалов является существование для них

точки Кюри, т. е. значения температуры, при которой прямой и обрат-

ный пьезоэффекты исчезают.

Так, к примеру, для кварца точка Кюри – 400–500°С, для сегнетовой

соли всего 54°С, а для ниобата лития превышает 1500°С.

Теоретическое описание пьезоэффекта весьма сложное и оно оказы-

вается не одинаковым для различных материалов и конструктивных ре-

шений пьезоэлементов.

Пьезоматериалы (т. е. пьезоэлектрики) характеризуются симметрией

упругих и пьезоэлектрических свойств, что при проектировании и кон-

струировании всегда учитывается.

Иначе говоря, они обладают явно выраженной анизотропией своих

физических свойств. Этот факт позволяет использовать для математи-

ческого описания пьезоэффекта тензорный аппарат. Охарактеризовать

напряженное состояние пьезоэлемента можно совокупностью девяти

величин σ

(i,k = 1,2,3), являющихся составляющими компонентами

тензора напряжений пьезоматериала:

11 12 13

21 22 23

31 32 33

σσσ

(56)

где первый индекс при σ

указывает, к какой оси перпендикулярна

площадка пьезоэлемента, а второй – какой оси параллельно направле-

ние действия напряжения.

Составляющие с одинаковыми общими индексами изображают нор-

мальные (сжимающие или растягивающие) напряжения, а остальные –

касательные (т. е. сдвиговые напряжения).

При прямом пьезоэффекте составляющие вектора поляризации элек-

трического напряжения пьезоэлемента описываются уравнением

()

1, 2, 3; 1, 2, 3, , 6 ,

iijj

di j∆= σ = =

∑

E …

(57)

где d

, σ

– пьезомодули (т. е. элементарные объемы пьезоэлемента),

причем первый индекс указывает направление составляющей ∆E

век-

тора поляризации, второй – порождающее эти составляющие механи-

ческое напряжение.

Пьезомодуль с одинаковыми индексами i,j = 1,2,3 называют про-

дольным, характеризующим эффект при сжатии граней, с которых сни-

мается заряд; пьезомодуль с разными индексами (i ≠ j) – поперечным.

Пьезомодуль, у которого j=4,5,6, описывает электрический эффект

при действии касательных напряжений, и называется сдвиговым.

Вследствие симметрии свойств кристаллов некоторые из пьезомоду-

лей по своему действую могут быть равны друг другу или компенсиро-

вать друг друга. Обратный пьезоэффект может быть охарактеризован

уравнением

()

1,2, ,6; 1,2,3 ,

jjii

dj i

ξ= ∆ = =E …

(58)

где

– компоненты возникающей деформации, заданные подобной

формуле (56) матрицей; ∆E

– составляющие вектора напряженности,

но уже приложенного электрического поля.

Эффективность работы пьезоэлемента определяется рядом парамет-

ров, его геометрической толщиной и площадью, так как при резонансе

он обладает повышенной энергетической эффективностью, необходи-

мым напряжением механического и электрического возбуждения, акус-

тической мощностью излучения и т. п.

Эти параметры оказываются исходными при проектировании и кон-

струировании пьезопреобразователей с требуемыми функциональными

характеристиками.

По форме пьезоэлементы могут быть плоские и сферические; для

направленного излучения и приема ультразвука, как правило, применя-

ются плоские преобразователи, конструкции которых оказываются не

сложными, а технология изготовления более простая и, следовательно,

более дешевая.

Приведем некоторые из основных теоретических соотношений, оп-

ределяющих функциональные характеристики плоских пьезоэлементов.

Для обеспечения работы пьезоэлемента в виде пластины в резонанс-

ном режиме необходимо знать частоту собственных колебаний, которая

может быть найдена из приближенного выражения

г.э

≈

(59)

где t

г. э

– геометрическая толщина пластины элемента; K – постоянная,

зависящая от типа пьезоэлектрика и размеров его конструкции.

В акустических приборах контроля и дефектоскопии чаще всего на-

ходят применение полуволновые и четвертьволновые пьезопреобразо-

ватели, т. е. у которых акустическая толщина пластин соответствует

0,5 или 0,25 от резонансной длины волны в материале пластины.

Конструктивно пьезопреобразователи состоят обычно из двух жест-

ко соединенных пластин, одна из которых изготавливается из пьезома-

териала, а другая из металла. При этом акустические сопротивления

пьезопластины и металлической пластины должны быть близки (т. е.

А.п.э

≈ R

А.м.п

). Такая пластинчатая структура может быть приведена к

резонансному режиму, если ее полная геометрическая толщина выбра-

на из следующего приближенного соотношения:

∑

≈≈

(60)

Применяются также многослойные пьезоэлементы, состоящие, на-

пример, из пьезопластинки и двух охватывающих ее металлических на-

кладок, но и в этом случае условие, оговоренное формулой (60), долж-

но выполняться.

Рассмотрим некоторые зависимости, определяющие работу пьезоэ-

лектрического преобразователя в режиме излучения ультразвуковых ко-

лебаний. Эти зависимости – приблизительные, но они наглядно пока-

зывают, от чего зависят энергетические характеристики преобразовате-

ля.

Удельная энергия излучения двух пластинчатых пьезопреобразовате-

лей в Вт/см

может быть найдена из следующего соотношения:

уд. А.ср

Э0,5,

KV R

′

≈≈

(61)

где W

– полная акустическая мощность преобразователя, Вт; S – пло-

щадь его пластин, см

; K – коэффициент, зависящий от материала пье-

зопреобразователя; V' – амплитудное значение колебательной скорости

поверхности S преобразователя, см/с; R

A.ср

– акустическое сопротивле-

ние среды, в которую преобразователь излучает ультразвук, г

см

с.

Соотношение (61) является приближенным и полная акустическая

мощность преобразователя W

зависит от величины возбуждающего его

напряжения и ряда других фильтров, в частности, от значения коэффи-

циента K.

Поэтому главным энергетическим критерием качества пьезопреоб-

разователя, работающего на излучение, будет его КПД

с.в

КПД 100%,

≈

(62)

где W

с.в

– электрическая мощность системы возбуждения преобразователя.

Для расчета W

необходимо знать: величину возбуждающего его на-

пряжения в В, а также его омическое сопротивление, которое, напри-

мер, для пьезоэлемента из кварца:

А.п.э

710

, Ом,

−

⋅

≈

(63)

а для пьезоэлемента из сегнетовой соли:

А.п.э

210

, Ом.

−

⋅

≈

(64)

Все, приведенные выше соотношения, позволяют дать только при-

ближенную оценку энергетической эффективности работающего в ре-

жиме излучения пьезопреобразователя.

На практике они, как правило, уточняются в процессе настройки и

эксплуатации каждого конкретного преобразователя с учетом его со-

гласования с акустическим сопротивлением среды, в которую он излу-

чает ультразвук.

Для пьезопреобразователя, работающего на прием ультразвуковых

колебаний, важнейшим параметром является его чувствительность, т. е.

минимальная акустическая мощность, попадающая извне на его плас-

тины, которую можно еще зафиксировать электронной схемой.

Здесь можно дать только общие, качественные оценки. В этом слу-

чае реализуется прямой пьезоэффект и можно допустить, что даже бес-

конечно малое акустическое давление на поверхность пластин пьезоп-

реобразователя приведет к появлению бесконечно малого электричес-

кого заряда на других его гранях.

Реальная чувствительность пьезопреобразователя, работающего на

прием ультразвука в общем случае, зависит от следующих факторов:

– во-первых, от степени его акустического согласования с внешней

средой и от механической “податливости” материала пластин внешне-

му акустическому давлению;

– во-вторых, от чувствительности электронной схемы, считываю-

щей электрический заряд с его боковых граней;

– в-третьих, от уровня внешних (акустических) помех и внутренних

электрических помех (электрических шумов) электронной схемы.

Несомненное достоинство пьезопреобразователей – возможность та-

кой работы, когда один и тот же датчик используется в режиме переда-

чи и приема импульсных ультразвуковых сигналов, а также применение

для повышения точности измерений низкочастотной амплитудной мо-

дуляции ультразвукового сигнала. Конструктивная простота пьезопре-

образователя, элементарная система электрического возбуждения и съема

преобразованного в электрическое напряжение принятого акустическо-

го сигнала позволяют строить системы, состоящие из большого числа

однотипных пьезопреобразователей.

Такие антенные решетки из пьезопреобразователей обладают повы-

шенной по сравнению с одним преобразователем направленностью, и

повышенной многократно суммарной акустической мощностью излу-

чения.

Энергетические устройства управления антенными решетками из

пьезопреобразователей относительно не сложны, поэтому подобные

решетки широко используются в технике акустических измерений и

гидролокации.

Подробно вопросы обеспечения требуемых метрологических харак-

теристик пьезоэлектрических датчиков-преобразователей будут рассмот-

рены в соответствующем разделе курса ФОПИ.

7. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

ИЗДЕЛИЙ И МАТЕРИАЛОВ

С помощью ультразвука можно получать полезную информацию о

качестве изделий и материалов. Положительную роль ультразвуковые

методы контроля играют при обеспечении точности и устойчивости

специальных технологических процессов изготовления изделий аэро-

космической техники.

Одна из причин широкого распространения акустических методов

заключается в том, что свойства контролируемых материалов и изде-

лий, определяющих возбуждение и распространение механических (уль-

тразвуковых) колебаний, тесно связаны с физико-механическими харак-

теристиками последних.

В основе всех разработанных на сегодняшний день ультразвуковых

методов контроля качества изделий и материалов лежит теория ультра-

звуковых колебаний.

В соответствии с ГОСТ 23829-79 “Контроль неразрушающий акус-

тический. Термины и определения” акустические методы делятся на

две основные группы:

1. Активные методы, использующие излучение и прием акустичес-

ких колебаний и волн.

2. Пассивные методы, основанные только на приеме колебаний и

волн от ОК.

Активные акустические методы

Активные методы подразделяются на две подгруппы, использующие,

соответственно, прохождение и отражение ультразвуковых волн. В ме-

тодах, использующих прохождение волн, применяются два пьезопреоб-

разователя: излучающий и приемный, располагаемые по разные сторо-

ны ОК, или контролируемого его участка. При работе на отражение

применяется один пьезопреобразователь, который и излучает зондиру-

ющий сигнал, и принимает отраженный от дефекта ОК акустический

сигнал.