Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

превращения электрической энергии в механическую, большая стойкость к электрическому пробою, они могут работать при малых напряжениях (10 В и более). Кроме того, ультразвуковые преобразователи из титаната бария могут работать в импульсном режиме.

Для изготовления пьезоэлектрических преобразова­ телей используют пьезокерамику цирконий—титанат свинца (ЦТС), у которой пьезоэффект вдвое больше, чем у титаната бария. Пьезокристаллы ЦТС не растворимы в воде и имеют точку Кюри до 330° С, их тоже можно обрабатывать механическим способом. Поляризация пре­ образователей из ЦТС производится на высоковольтной установке в силиконовой жидкости при температуре 140° С. Преобразователь подвергается воздействию вы­ сокого напряжения в течение 2 ч, после чего оно посте­ пенно снижается. Величина поляризующего напряжения

предъявляет все более высокие требования к их электро­ механическим характеристикам. Одной из основных ха­ рактеристик пьезокерамик является пьезомодуль, опре­ деляющий величину пьезоактивности. Последняя в зна­ чительной степени связана с заключительным этапом из­ готовления пьезоэлектрического изделия — поляриза­ цией. Поэтому исследование влияния различных факторов на эффективность процесса поляризации представляет большой интерес как с теоретической, так и с практиче­ ской стороны. Такие исследования проводились на сегнетокерамике цирконат-титаната свинца, в результате чего изучена зависимость пьезомодуля от относительной ин­ тенсивности ультразвукового поля при различных тем­ пературах. При этом за относительную интенсивность ультразвукового поля принята величина, пропорцио­ нальная произведению частоты колебаний на напряжение, подаваемое на преобразователь.

Для поляризации пьезокерамики в лабораторных и цеховых условиях применяется установка УПК-1. Она состоит из высоковольтного выпрямителя и ванны с по­ догревом. Высокое напряжение снимается с выпрямителя, собранного по схеме удвоения напряжения на высоко­ вольтных кенотронах 1Ц7С. Плавная регулировка вы-

53

59

/

электродах образца возникает переменное напряжение, пропорциональное отношению cf33/e, по величине кото­ рого можно судить о происходящем в материале про­ цессе. С помощью установки можно проводить исследо­ вания старения пьезокерамики при различных темпера­ турах, а также с приложением деполяризующего поля определять статическую коэрцитивную силу Ес. Знание величины Ес в статическом режиме позволяет сравнить между собой исследуемые составы пьезокерамики по ус­ тойчивости пьезоэлектрической текстуры образцов.

Пьезокерамические преобразователи могут быть пло­ скими и фокусирующими (сферическими, цилиндриче­ скими и др.). Для правильного выбора типа преобразова­ теля, а также для определения основных электрических величин, обеспечивающих его работу, производят расчет

ставляет собой пластинку круглой или прямоугольной формы, толщина которой должна быть равна половине длины волны. В этом случае пластинка будет колебаться на основной частоте. Учитывая, что частота f = сіК и ранее приведенное условие d = %/2, собственную частоту/0 колебаний пластинки можно определить из выражения

/о — fr »

60

где d — толщина пластинки в см; с — скорость распро­ странения звука в пластинке в см/с.

Полуволновый преобразователь можно рассчитать по формуле

где k — постоянная излучателя в кГц.мм.

Постоянная излучателя k для кварца равна 2280, для сегнетовой соли — 1540, для титаната бария — 2200.

В работе [71 ] рассматривается сложный пьезокерами­ ческий преобразователь с использованием материала ЦТС-19. Преобразователь состоит из плоского пьезо­ элемента и жестко связанных с ним частотопонижающих накладок. Возбуждение сложного преобразователя осу­ ществляется таким образом, что вся система работает как полуволновой вибратор

находят применение четвертьволновые и многослойные преобразователи. Четвертьволновый преобразователь представляет собой систему, состоящую из двух жестко соединенных пластинок, одна из которых изготовлена из пьезокерамики, а вторая из металла.

.Толщина пластинок определяется из выражения

Многослойный преобразователь состоит из тонкой пьезокерамической пластинки и двух металлических на­ кладок. Собственная частота такого преобразователя за­ висит от размеров отдельных элементов многослойного преобразователя.

В Центральном конструкторском бюро ультразвуко­ вых и высокочастотных установок (ЦКБ УВУ) прове­ дены исследования составных пакетных преобразовате­ лей на основе новейших отечественных пьезокерамиче­ ских материалов. В работе [31 ] приводятся рекоменда­ ции по выбору материала и методика расчета пакетного

61

преобразователя, предназначенного для озвучивания

жидких сред.

Материал пьезоэлемента выбирается по максимальным значениям произведения пьезомодуля d33 и модуля упру­ гости Ею временного сопротивления и степени стабиль­ ности параметров материала при изменении температуры. Из отечественных пьезокерамических материалов этим условиям удовлетворяют некоторые материалы на основе цирконата-титаната свинца. Площадь пьезоэлемента опре­ деляется по заданным полной и удельной мощности

где Р — полная мощность; Р 0 — удельная мощность; г|э — к. п. д. преобразователя (ориентировочно 0,45— 0,55).

Толщина пьезоэлемента определяется из условий

где k = ю/с — волновой коэффициент; с — скорость звука

принимаются равными площади пьезоэлемента либо не­ значительно отличающимися по конструктивным сообра­ жениям. Толщина рабочей накладки определяется реше­ нием уравнения, полученного из условия оптимума для удельной мощности, толщина нерабочей накладки опре­ деляется решением уравнения резонанса пакетного пре­ образователя [31 ].

Проверка параметров преобразователя производится из условия прочности пьезоэлемента

где W — волновое сопротивление пьезоэлемента; Wcp — волновое сопротивление среды; Р 0— удельная мощность; а д. п — допустимое напряжение в пьезоэлементе; В — тригонометрическое соотношение толщины пьезоэлемента, волнового коэффициента и волновых сопротивлений пьезо­ элемента и накладок.

Для уменьшения напряжения на преобразователе пьезоэлемент может набираться из двух и более пластин толщиной h = 1/2. В этом случае обе накладки зазем­

62

ляются, а напряжение подается на прокладку между пьезоэлементами. В этом случае полное сопротивление преобразователя уменьшается приблизительно в 4 раза, а напряжение — в 2 раза. Конструктивный расчет па­ кетного преобразователя с двойным пьезоэлементом можно производить без больших погрешностей, принимая

/= 2/і.

Спомощью пьезокерамических преобразователей можно получить относительно небольшие интенсивности уль­ тразвука. Это объясняется целым рядом факторов: уста­ лостной прочностью материала излучателя и нагревом излучателя вследствие электрических и механических потерь. Плоские преобразователи не позволяют получить большие амплитуды колебаний, так как имеется опре­ деленный предел механической и электрической прочно­ стей материала преобразователя. Кроме того, у плоских преобразователей наибольшая интенсивность наблюдается только у поверхности, а по мере удаления от поверхности интенсивность резко понижается из-за поглощения. При излучении ультразвука в жидкость возникает еще один ограничивающий фактор — кавитация, на образование которой расходуется значительная часть излучаемой энергии. Чтобы поддержать постоянство излучаемой мощ­

ности, нужно существенно увеличить амплитуду колеба­ ний преобразователя, а это как раз и ограничивается уста­ лостно-прочностными свойствами материала. Однако даже при значительном увеличении амплитуды колебаний ин­ тенсивность в рабочей зоне, находящейся на некотором рас­ стоянии от поверхности преобразователя, будет всегда меньше, чем вблизи его. Кроме того, сама излучающая по­ верхность неизбежно подвергается кавитационной эрозии.

Указанных недостатков не имеют фокусирующие пре­ образователи, которые позволяют получить очень боль­ шие интенсивности в заданной области на некотором рас­ стоянии от излучающей поверхности. В таких системах интенсивность нарастает по мере приближения от излу­ чающей поверхности к фокальной области по закону Ѵг для цилиндрической и 1/г2 для сферической фокусировки, где г — радиальная координата, отсчитываемая от центра фокальной области или соответственно от фокальной оси. Интенсивность излучения в центре фокального пятна у сферических преобразователей превышает в 50— 150 раз среднюю интенсивность на излучающей поверхности пре­ образователя.

63