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) обеспечения максимальной чувствительности;
• 2) обеспечения максимальной ширины полосы частот;
• 3) обеспечения максимальной стабильности акустического контакта;
• 4) снижения шумов преобразователя (максимальное увеличение соотношения сигнал — шум);
• 5) обеспечения согласования импеданса преобразователя с генератором и усилителем;
• 6) оптимизации акустического поля преобразователя;
• 7) обеспечения повышенной износостойкости поверхности пьезопластины (при помощи протекторов).

Рассмотрим эти вопросы более подробно.

Для получения сигналов большой амплитуды требуется повышение чувствительности. Чувствительность преобразователя описывается передаточной функцией. 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 Q_A и (?_эл — соответственно от акустической и электрической добротности. Эти величины являются характеристиками резонансных свойств колебательной системы.

где со₀ — циклическая частота;

Rq — приведенное сопротивление, С — емкость.

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

где р² — коэффициент электромеханической связи.

В этом случае максимальное значение коэффициента преобразования определяется по формуле.

где z₂ — импеданс акустической нагрузки;

Z — импеданс пьезопластины;

Z₀ — характеристический импеданс демпфера.

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

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 эхомстода, например, чувствительность. Расширить полосу пропускания без снижения чувствительности можно посредством рационального выбора электрической и акустической добротности пьезопрсобразователя. Широкополосность преобразователя позволяет добиться приема и излучения акустических импульсов без искажения их формы, а также улучшить параметры режима приема.

В теории колебаний полосу пропускания частот Д /= /I — /₂ определяют на основе амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

На практике полосу пропускания Д / обычно оцениваютна уровне —6 дБ от максимального значения коэффициента двойного преобразования К_тт, который соответствует резонансной частоте.

На рис. 5.14 представлено семейство АЧХ преобразователя с кварцевой пьезопластиной при различных значениях электрической добротности Q₃.

Рис. 5.14. Семейство АЧХ преобразователей из кварца с различной добротностью Q ;.

Видно, что с увеличением добротности (?_э 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.

Керамические пластины характеризуются высокими значениями пьезокоэффициентов, поэтому имеет место сильная электромеханическая связь (рис. 5.15). В этом случае с увеличением значения (?_эна АЧХ появ;

ляется локальный минимум на частоте — и сужается полоса частот.

/о.

Рис. 5.15. Влияние пьезопластины из ЦТС (без протектора).

на широкополосность: АЧХ 1 0_Э= 1; АЧХ2 0_Э = 10.

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

Условие обеспечения стабильности акустического контакта является наиболее важным для контроля контактным и щелевым способом при помощи прямого преобразователя. 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.

где z_np — импеданс протектора;

Z"" — импеданс пьезопластины;

Z_KX — 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.

Еще одним важным условием для контроля преобразователем является 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, т. к. в это время ультразвуковой импульс распространяется не в ОК. Однако в таком 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. 5.16). Она представляет собой зависимость амплитуды шумов от времени после окончания зондирующего импульса.

Рис. 5.16. Реверберационно-шумовая характеристика.

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

где h — величина мертвой зоны; т" — длительность импульса; т_ш — длительность ревербераций;

С — скорость УЗ; а — угол ввода.

Поскольку главным источником шумов являются многократные отражения в структурных элементах электроакустического преобразователя, постольку 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 (активная и реактивная), определяется как где о — частота;

С — емкость; g — пьезокоэффициент;

F — функция, характеризующая параметры электрической цепи. 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 параграфе 6.3 настоящего пособия.

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.