Возбуждение и прием акустических волн

Для возбуждения и приема акустических волн используют преобразования электрических колебаний в механические и обратно с помощью электроакустических измерительных преобразований — пьезоэлектрического, магнигострикционного, электромагнитно-акустического, термоакустического.

Возбуждение и прием акустических волн с использованием пьезоэлектрического и магнитострикционного измерительных преобразований.

Пьезоэлектрические измерительные преобразователи получили наибольшее применение для возбуждения и приема акустических волн в широком диапазоне частот от 10³ Гц до К)" Гц.

Физическая сущность прямого и обратного пьезоэффектов подробно описана в разд. 3.4. Здесь же остановимся на особенностях использования этих явлений для электроакустических преобразований.

Основным элементом электроакустического пьезоэлектрического преобразователя (рис. 7.9) является пластина из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами (кварц, пьезокерамика). При подаче на металлизированные обкладки пластины переменного напряжения, пластина начинает упруго деформироваться с частотой электрического сигнала (обратный пьезоэффект).

На рис. 7.9 в качестве примера объекта измерительного преобразования показана металлическая пластина. Для ввода возбуждаемых акустических волн в объект пьезоэлектрический преобразователь прижимается к поверхности пластины. Однако, как бы плотно ни контактировал пьезопреобразователь с пластиной, из-за наличия шероховатости как объекта преобразования, так и преобразователя, обычно присутствует некоторый воздушный зазор между контактирующими поверхностями (увеличенный фрагмент рис. 7.9). Несмотря на малую толщину этого воздушного слоя, он может являться непреодолимой преградой на пути акустической волны вследствие огромной разницы в плотностях материалов пьезопластины и объекта преобразования по сравнению с воздушной средой. Поэтому имеющийся зазор между пьезопластиной и объектом обычно заполняется некоторой промежуточной (контактной) средой, которая легко заполняет зазор и имеет соизмеримую плотность с материалами пьезопластины и объекта преобразования. В качестве такой среды чаще всего используется хорошо смачивающая жидкость (масло, глицерин, вода со смачивающими добавками), а в ряде случаев твердый эластичный материал (резина, полиуретан). Для исключения влияния контактной среды на результат преобразования толщина зазора, заполняемого этой средой, нс должна превышать длину возбуждаемых акустических волн.

Рис. 7.9. Возбуждение и прием акустических волн с помощью пьезоэлектрического измерительного преобразователя:

• 1 — пластина из пьезоэлектрика; 2 — металлизированная обкладка;
• 3 — слой жидкости; 4 — объект измерительного преобразования

В некоторых случаях толщина слоя промежуточной среды может значительно превышать длину волны, что нужно учитывать при интерпретации результатов преобразования. Чаще всего такое соотношение толщины промежуточного слоя и длины волны имеет место при использовании варианта исключения воздушного зазора путем погружения объекта преобразования в резервуар с жидкостью. Поэтому данный вариант ввода акустических волн в объект называется иммерсионным (от латинского immersio — погружение), а промежуточную среду в этом случае называют иммерсионной.

При необходимости обеспечения угла ввода р акустических волн в объект, отличающегося от 0°, используют призмы (рис. 7.10). Если материал призмы имеет малую скорость распространения акустических волн (оргстекло, капролон, поликарбонат, эпоксидные компаунды) по сравнению с материалом объекта преобразования (например, металлом), то даже при малых углах падения, а могут быть обеспечены углы преломления (ввода) до 90°.

Рис. 7.10. Изменение угла ввода акустических волн с помощью призмы: 1 — пьезопластина; 2 — призма;

3 — контактная жидкость; 4 — объект измерительного преобразования

Поскольку описанный выше эффект возникновения упругих деформаций пьезопластины под действием электрического сигнала является обратимым, то пьезопреобразователь, рис. 7.9, может быть использован и для приема акустических волн (их преобразования в электрический сигнал). В этом случае пьезопреобразователь, так же как и ранее, прижимается к поверхности объекта, в котором распространяются акустические волны, а для обеспечения надежного акустического контакта используется контактная либо иммерсионная среда. Проходящие в пьезопластину акустические волны вызывают ее упругую деформацию и соответственно возникновение переменной разности потенциалов на ее металлизированных обкладках (прямой пьзоэффскт).

Магиитострикционные измерительные преобразователи используются для возбуждения и приема акустических колебаний больших мощностей на частотах от 2 кГц до 100 кГц.

Физическая сущность магнитострикционного и обратного ему магнитоупругого эффекта описана в разд. 4.5. Основным элементом магнитострикциоппого преобразователя (рис. 7.11) является обмотка с магнитопроводом (сердечником) из ферромагнитного материала с ярко выраженными магнитострикционными свойствами (никель, алфер, пермаллой, пермендюр, ряд ферритов). Если пропустить через обмотку переменный электрический ток, то в сердечнике возникнет переменное магнитное поле. Намагничивание сердечника в таком поле вызывает в нем упругие деформации (эффект магнитострикции) и возникновение акустических волн. Если, как и в случае пьезоэлектрического преобразователя, прижать магнитострикционный преобразователь к объекту, обеспечив с помощью контактной среды хороший акустический контакт, то возбужденные в магнитном сердечнике акустические колебания распространятся в материал объекта.

Рис. 7.11. Возбуждение акустических волн с помощью магнитострикционного измерительного преобразователя: 1 — обмотка; 2 — сердечник из магнитострикционного материала; 3 — контактная среда;

4 — объект измерительного преобразования.

Поскольку магнитосгрикционный эффект является обратимым, магнитострикционный преобразователь, рис. 7.11, может быть использован и для приема акустических волн. При наличии акустического контакта поверхностей объекта и сердечника преобразователя, достигаемого, как и в предыдущем случае, использованием контактной либо иммерсионной среды, попадающие из объекта преобразования в сердечник акустические волны вызывают его упругую деформацию, и как следствие — изменение магнитной проницаемости ферромагнитного материала (магнитоупругий эффект). Дальнейшее преобразование изменений магнитной проницаемости в электрический сигнал осуществляется на основе индуктивного либо взаимоиндуктивного измерительных преобразований (разд. 4.4, 4.5). Для повышения линейности преобразования в магнитную цепь магнитострикционного сердечника включается источник подмагничивания постоянным магнитным полем (электромагнит либо постоянный магнит).

Достоинством использования магнитострикционного и пьезоэлектрического преобразований для возбуждения и приема акустических волн является их применимость для объектов практически из любых материалов. Общим существенным недостатком является необходимость обеспечения непосредственного акустического контакта поверхностей измерительного преобразователя и объекта преобразования. Далее рассматриваются электроакустические измерительные преобразования, свободные от данного недостатка и обеспечивающие бесконтактные ввод и прием акустических волн.