материалах радиальные колебания затухают довольно быстро,
что позволяет возбуждать очень короткие импульсы.

С учетом вышесказанного, метаниобат свинца является
наиболее предпочтительным материалом для эхо-импульсного
контроля. Недостатком метаниобата свинца является низкая
скорость звука, поэтому пластины из этой керамики,
предназначенные для работы на высокой частоте, должны
быть очень тонкими и, соответственно, будут хрупкими.

Сульфат лития растворим в воде, поэтому при его использова-
нии необходимо принимать специальные меры по его защите.

Ниобат лития имеет самую высокую точку Кюри (1210 град.),
поэтому его можно использовать при контроле в условиях
высоких температур.

Титанат бария имеет самую низкую точку Кюри.

Сульфат и ниобат лития имеют диэлектрическую проницае-
мость, которая на порядок ниже, чем у пьезокерамики. Это
обеспечивает хорошее электрическое согласование на высоких
частотах и больших площадях излучателя, т. к. емкость
преобразователя будет в этом случае наименьшей.

Как следует из вышесказанного, не может быть оптимального
пьезоэлектрического материала вообще, каждый из материа-
лов имеет свои преимущества и недостатки.

Излучение и прием акустических
волн пьезоэлектрической пластиной.

Если в пластине возбудить колебания кратковременным
воздействием, то частицы обеих поверхностей начнут

---

колебаться одновременно по направлению, например, наружу,
а затем внутрь, тогда как частицы в средней плоскости 43остаются в состоянии покоя. Такая картина соответствует так
называемой стоячей волне, которая может быть представлена
в виде двух движущихся навстречу друг другу одинаковых
волн. Поэтому колебания по толщине пластины могут
быть описаны следующим образом. Плоская волна проходит
через пластину перпендикулярно поверхности, отражается от
нее, движется навстречу самой себе и после отражения от
второй поверхности совмещается сама с собой. Таким образом,
через пластину постоянно движутся две противоположно
направленные волны.

Толщина пластины h, при которой может происходить
описанный выше процесс, определяется по формуле:

2
. X С
h = — =
2f₀

г де С - скорость продольной волны в материале пластины;
- частота свободно колеблющейся пластины (собст-
венная частота):

Если возбужденную при таких условиях пластину предоста-
вить самой себе, то она будет свободно колебаться в течение
некоторого времени. Амплитуда колебаний будет уменьшаться
вследствие потерь энергии из-за внутреннего трения и
передачи в прилегающее вещество. Первая причина обычно
бывает незначительной по сравнению со второй, которая
собственно и является основным назначением излучающего
преобразователя. Вследствие потери энергии амплитуда
каждого последующего колебания отличается от амплитуды
предыдущего на величину, которая определяется коэффи-
циентом затухания 5, зависящим в основном от характеристик
прилегающего вещества. Частота затухающих колебаний
практически остается равной собственной частоте.

Если пьезопластина возбуждается переменным напряжением,
то после окончания переходного процесса пластина будет
совершать вынужденные колебания постоянной амплитуды
на частоте возбуждения. Амплитуда вынужденных колебаний
44 для пластины данной толщины зависит от частоты приложен-
ных колебаний. Если частоту возбуждения изменять в
определенном диапазоне, то на некоторой частоте амплитуда
колебаний будет максимальной. Эта частота, на которой
пьезопластина совершает вынужденные колебания с
наибольшей амплитудой, называется резонансной f

Таким образом, собственная частота f_o характеризует
свободные колебания пластины, а резонансная частота f_p -
вынужденные. В общем случае резонансная частота отличается
от собственной частоты. Частоту вынужденных колебаний
называют рабочей частотой.

Отношение амплитуды колебаний на резонансной частоте
к амплитуде статического изменения толщины (на частоте,
равной нулю) называется коэффициентом добротности или
добротностью и обозначается буквой Q. Добротность связана
с коэффициентом затухания 5 следующим соотношением:

7 1 _ 71

1пб " 2.3031g5

Ч тобы получить волну с возможно более высоким звуковым
давлением, необходимо возбуждать пластину на рабочей
частоте, равной резонансной, при минимальном демпфи-
ровании. Под демпфированием понимают ослабление
(заглушение) механических колебаний путем поглощения
части энергии колеблющейся системы. Однако на практике
колебания приходится довольно сильно демпфировать с
целью расширения резонансного пика. Такое расширение
необходимо для передачи коротких акустических импульсов,
которые обеспечивают лучшее разрешение, т.е. обнаружение
близко расположенных отражателей. Если определять ширину
полосы частоты В на уровне 70% максимального значения
амплитуды колебаний, то при среднем демпфировании
(добротность превышает - 10) можно воспользоваться
приближенным выражением:

Следует отметить, что увеличение демпфирования приводит
к уменьшению амплитуды колебаний, т.е. к уменьшению
чувствительности контроля.

---

45
Акустическое поле излучателя.

Акустическое поле преобразователя определяет зависимость
акустических величин (давление, смещение, скорость) от
положения исследуемой точки в пространстве. Поле,
возникающее в результате действия излучающего преобразо-
вателя, называется полем излучения.

Одним из простых случаев является звуковое поле круглого
плоского излучателя, который колеблется с одинаковой фазой
и амплитудой по всей поверхности. Такой источник звука
называется идеальным поршневым излучателем.

Акустическое поле излучателя вблизи его поверхности и
на удалении существенно отличаются (рис. 5). Поэтому




Поле излучения на оси преобра-
зователя (а) и общая схема поля (б)




различают две характерные области поля - ближнее и
дальнее поля. В ближнем поле ультразвук распространяется
в виде нерасходящегося пучка, ограниченного краями
излучателя. Вдоль акустической оси пучка, проходящей через
центр поршневого излучателя и являющейся осью симметрии
звукового поля, имеются чередующиеся минимумы и
максимумы давления, количество которых равно отношению
диаметра преобразователя к длине волны. Например, круглый
излучатель с отношением диаметра к длине волны равным
четырем имеет два минимума давления на оси и два
максимума. Первый минимум располагается точно в центре

---

излучателя на его поверхности. Излучатель с отношением,
“46 равным семи, имеет четыре максимума и три минимума

давления, причем в центре излучателя располагается первый
максимум.

Наличие экстремумов объясняется с помощью метода
Френеля, который предложил усовершенствовать принцип
Гюйгенса, дополнив его принципом зонного строения поля.

По Гюйгенсу, вся поверхность колеблющегося поршня
представляется в виде множества элементарных излучателей,
возбуждающих элементарные волны, в которых звуковое
давление уменьшается пропорционально расстоянию. Таким
образом, звуковые давления элементарных волн в какой-либо
точке поля не просто складываются, а еще учитывается разница
путей, которые они проходят. Например, две волны одинаковой
интенсивности, имеющие разницу в длине пути (разность
хода), которая равна точно половине длины волны, при
сложении полностью погасят друг друга. Если же разность
хода равна нулю (или полной длине волны, что то же самое),
то звуковое давление при сложении волны удваивается. Таким
образом, различия в разности хода от нуля до половины
длины волны приводят к изменениям результирующего
звукового давления в какой-либо точке поля от нуля до
удвоенного максимального значения.

Сущность метода Френеля заключается в том, что все эле-
ментарные волны, образующие в какой-либо точке звукового
поля результирующее давление, разбиваются на группы.. В

---

каждую группу входят волны, которые проходят примерно
одинаковый путь. При плоской поверхности излучателя это
наблюдается для всех волн, выходящих из зоны, имеющей
форму кольца. Таким образом, можно разбить поверхность
дискового излучателя на некоторое количество зон, имеющих
одинаковую площадь. Волны, излученные каждой зоной,
складываются в звуковое давление, пропорциональное площади
зоны и обратно пропорциональное их пути до точки наблюдения.

На близком расстоянии от поверхности излучателя (по
сравнению с его диаметром) разность хода волны от
различных зон Френеля сильно различается, поэтому здесь
мы наблюдаем быстрое чередование минимумов и
максимумов давления по мере перемещения точки
наблюдения от поверхности излучателя. Однако, если еще
дальше отодвинуть точку наблюдения, разность хода волны
уже не будет такой существенной, и частота осцилляций 47давления уменьшается. На расстоянии Х==а²/2Х, где а - радиус
излучателя, будет наблюдаться точка последнего минимума
давления, в которой волны от всех зон приходят в
противофазе. При дальнейшем увеличении расстояния
наблюдается повышение давления и на расстоянии Х₆=а²Д
наблюдается последний максимум. Если еще больше
увеличивать расстояние, то в каждую следующую точку на

---

Смотрите также файлы

• Перечень академических прав и свободна основании ст. 47 Закона об образовании в рф.odt

• Слово философия широкое распространение получило Выберите один ответ.docx

• I. Машинный перевод История машинного перевода.doc

• Рассказу К. Паустовского Растрёпанный воробей.docx

• Адам денесіні айматары бойынша мшелер мен тіндерді зара орналасуын оу.docx