Рациональный выбор параметров преобразователя

Выбор параметров преобразователя происходит на всех этапах расчета и является одним из важнейших этапов проектирования.

На этих стадиях решаются следующие задачи:

1) обеспечение максимальной чувствительности;

2) обеспечение максимальной ширины полосы частот;

3) обеспечение максимальной стабильности акустического контакта;

4) снижение шумов преобразователя (максимальное увеличение соотношения сигнал/шум);

5) обеспечение согласования импеданса преобразователя с генератором и усилителем;

6) оптимизация акустического поля преобразователя;

7) обеспечение повышенной износостойкости поверхности пьезопластины (при помощи протекторов).

Рассмотрим эти вопросы более подробно.

Обеспечение максимальной чувствительности.Повышение чувствительности требуется для получения сигналов большой амплитуды. Чувствительность преобразователя описывает передаточная функция. При излучении она позволяет найти акустический сигнал по известному электрическому, а в режиме приема – наоборот. Далее будет использоваться функция двойного преобразования, описывающая отношение принятого и посланного электрических сигналов.

Передаточная функция, как было отмечено выше, зависит от частоты. Коэффициент двойного преобразования достигает максимума на рабочей (оптимальной) частоте. При этом модуль функции двойного преобразования зависит от и – соответственно от акустической и электрической добротности. Эти величины являются характеристиками резонансных свойств колебательной системы:

, (1.27)

где – емкость;

ω₀ – циклическая частота;

– приведенное сопротивление:

. (1.28)

В режиме приема генератор в эквивалентной схеме отсутствует (зашунтирован). Модуль функции двойного преобразования достигает максимума при выполнении следующего условия:

, (1.29)

где – коэффициент электромеханической связи.

В этом случае максимальное значение коэффициента преобразования определяется по формуле

, (1.30)

где – характеристический импеданс демпфера;

– импеданс пьезопластины;

– импеданс акустической нагрузки.

Таким образом, задача обеспечения максимальной чувствительности решается подбором импедансов контактной жидкости (призмы) и демпфера, а также изменением входного и шунтирующего сопротивления пьезоприемника.

Обеспечение максимальной ширины полосы частот.Полоса пропускания частот преобразователя оказывает влияние на достоверность результатов контроля. Очень короткие импульсы имеют наиболее широкий спектр частот, поэтому для приема таких импульсов без искажения необходимо иметь достаточно широкую полосу пропускания. При этом следует помнить, что расширенная полоса частот характерна для колебательных систем с низкой добротностью, а это ухудшает другие характеристики эхо-метода, например, чувствительность. Расширить полосу пропускания без снижения чувствительности можно посредством рационального выбора электрической и акустической добротности пьезопреобразователя. Широкополосность преобразователя позволяет добиться приема и излучения акустических импульсов без искажения их формы, а также улучшения параметров режима приема.

В теории колебаний полосу пропускания частот D = ( – ) определяют на основе амплитудно-частотной характеристики (АЧХ):

. (1.31)

На практике полосу пропускания D обычно оценивают на уровне ­­‑6 дБ от максимального значения коэффициента двойного преобразования , который соответствует резонансной частоте.

На рис. 1.15 представлено семейство АЧХ преобразователя с кварцевой пьезопластиной при различных значениях электрической добротности .

Рис. 1.15. Семейство АЧХ преобразователей из кварца с различной добротностью : АЧХ 1: ; АЧХ 2: ; АЧХ 3: ; АЧХ 4:

Видно, что с увеличением добротности улучшается помехозащищенность, однако полоса пропускания частот сужается, что может приводить к искажению формы принимаемых коротких акустических импульсов. Таким образом, несмотря на то, что кварц характеризуется высокой акустической добротностью, он имеет низкие значения пьезокоэффициентов. Вследствие этого при использовании кварцевых преобразователей реализуется слабая электромеханическая связь.

На рис. 1.16 приведена серия АЧХ для пьезопреобразователей из пьезокерамики ЦТС. Поскольку керамические пластины характеризуются высокими значениями пьезокоэффициентов, имеет место сильная электромеханическая связь. В этом случае с увеличением значения на АЧХ появляется локальный минимум на частоте и сужается полоса частот.

Таким образом, за счет снижения чувствительности можно расширить полосу частот (в случае кварца до 40 %). Увеличить значение K с одновременным расширением полосы частот для кварцевых преобразователей возможно посредством дополнительного введения протектора. Для пьезокерамики это сделать сложнее из-за сильной электромеханической связи.

Рис. 1.16. Влияние пьезопластины из ЦТС (без протектора) на широкополосность: АЧХ 1: ; АЧХ 2:

Обеспечение стабильности акустического контакта. Условие обеспечения стабильности акустического контакта является наиболее важным для контроля контактным и щелевым способом прямым преобразователем. В связи с этим важно добиться малого изменения величины коэффициента прозрачности D при разной толщине контактного слоя.

Для выполнения последнего условия используют протектор, который создает эффект просветления, обеспечивая близость коэффициента прохождения границы к единице. Характеристический импеданс протектора должен удовлетворять соотношению

, (1.32)

где z_пр – импеданс протектора;

z_пп – импеданс пьезопластины;

z_кж – импеданс контактной жидкости.

Стабильность акустического контакта для преобразователей с акустической задержкой (призма или толстый слой иммерсионной жидкости) зависит только от условий перехода акустической волны из одной среды в другую без учета пьезоэффекта, т. е. наряду с просветлением границы стабилизируется акустический контакт.

Снижение шумов.При контроле по совмещенной схеме контактным способом после зондирующего импульса наблюдают многократные отражения ультразвуковых импульсов в пьезоэлементе, протекторе, демпфере, призме. Это помехи преобразователя. По мере удаления во времени от зондирующего импульса эти помехи уменьшаются и исчезают. При контроле преобразователем с акустической задержкой (иммерсионной жидкостью, призмой) помехи, непосредственно следующие после зондирующего импульса, не мешают контролю, так как в это время ультразвуковой импульс распространяется не в ОК. Однако в этом случае выявлению дефектов вблизи поверхности мешает интенсивный импульс, отраженный от этой поверхности, и сопровождающие его многократные отражения в элементах преобразователя.

Соотношение сигнал – шум определяется реверберационно-шумовой характеристикой (рис. 1.17). Она представляет собой зависимость амплитуды шумов от времени после окончания зондирующего импульса.

Рис. 1.17. Реверберационно-шумовая характеристика

Реверберационно-шумовая характеристика определяет величину мертвой зоны преобразователя, т.е. толщину приповерхностного слоя изделия, в котором дефекты не выявляются эхо-методом:

, (1.33)

где h – величина мертвой зоны; α– угол ввода; С – скорость УЗ; τ_и – длительность импульса; τ_ш – длительность ревербераций.

Поскольку главным источником шумов являются многократные отражения в структурных элементах электроакустического преобразователя, то для улучшения характеристик ПЭП необходимо обеспечить максимальное снижение шумов в протекторе и демпфере. Для этой цели используют демпфер специальной формы с акустическими ловушками – тупиковыми направлениями распространения волн, изготовленный из материала с высоким коэффициентом затухания (эпоксидные смолы с дисперсным металлическим наполнителем). Другой способ снижения шумов – повышение добротности пьезопластины.

Одно из важных требований, предъявляемых к пьезопреобразователю – согласование его полного электрического сопротивления с генератором по максимуму электрического напряжения на пьезопластине. Полное электрическое сопротивление пьезопластины – электрический импеданс – является комплексной величиной. По формуле эквивалентных проводимостей полная электрическая проводимость пьезопластины, представленной в виде двух нагрузок (активной и реактивной), определяется как:

, (1.34)

где – емкость;

– частота;

– пьезокоэффициент;

– функция, характеризующая параметры электрической цепи.

Оптимизация акустического поля преобразователя.Оптимизация акустического поля преобразователя – одно из требований при выборе метода акустического контроля и конкретных схем прозвучивания контролируемых изделий.

Оптимизировать параметры акустического поля можно, варьируя размеры, геометрическую форму и рабочие характеристики пьезопреобразователя (частоту, диаграмму направленности). Один и тот же преобразователь будет иметь различную структуру поля в разных средах. Характеристикой акустического поля преобразователя является диаграмма направленности. Более подробно данный вопрос будет рассмотрен в разделе 2 настоящего пособия.

Повышение износостойкости. Повышение износостойкости наиболее актуально для преобразователей контактного типа. Как уже было отмечено, в преобразователях наклонного типа используется призма из оргстекла. Если для осуществления контроля не требуется притирания рабочей поверхности призмы преобразователя к объекту (например, трубы различного диаметра), то в конструкции преобразователя используется протектор, который обеспечивает устойчивость к истиранию. Материал протектора и призмы обычно выбирается в зависимости от назначения пьезопреобразователя.