Возбуждение ультразвуковых колебаний

ПЬЕЗОЭФФЕКТ

Прямой пьезоэлектрический эффект – появление в некоторых веществах (пьезоматериалах) электрической поляризации (зарядов) под действием приложенных к ним механических напряжений и деформаций.

Обратный пьезоэлектрический эффект – возникновение механического напряжения и деформации в пьезоматериале, помещенном в электрическое поле.

ПЬЕЗОМАТЕРИАЛЫ

Естественные минералы	Пьезокерамика
кварц, турмалин сульфат лития сегнетова соль	титанат бария (ВаТiO3 ) цирконат-титанат свинца (ЦТС) ниобат свинца

Точка Кюри (К°) – температура, при которой материал теряет пьезоэлектрические свойства.

Кварц К° = 570°С

ЦТС-23 К° = 280°С

ВаТiO₃ К° = 90°С

7

λ/2 d

λ – длина волны

D – толщина пьезопластины

С_{пл –} скорость продольной волны в материале пьезопластины

d = 0,5 λ = 0,5 С_пл / f f₀= C_пл/2d

f₀ -резонансная частота пластины

 

Толщина пьезоэлемента обратно пропорциональна частоте генерируемых ультразвуковых волн. Чем выше частота, тем тоньше должна быть пьезопластина.

 

Пример

Кварц. Спл.= 5600 м/с = 5600 000 мм/с

f = 5,0 МГц = 5 000000 Гц (1/с)

 

d = 0,5 С_пл / f = 0,5 х 5600 000/ 5 000000 =

= 0,55 мм

 

8

Схема прямого раздельно - совмещенного ПЭП

 

 

И П

7

1

2

 

3

5

6

 

 

F

Основные конструктивные элементы

1 – Демпфер (гаситель колебаний)

2 – Пьезопластина

3 - Призмы из оргстекла, полиимида, или

плавленого кварца

4 – Электроакустический (разделительный) экран

5 – Протектор

6. – Корпус преобразователя

7 – Разъемы для подключения преобразователя к прибору.

Схемы прямых совмещенных ПЭП

И,П И,П

Разъем Разъем

Корпус

 

демпфер

 

пьезопластина

протектор

 

линия задержки

 

 

10

Схема электромагнитно-акустического преобразователя (ЭМА)

магнит

N S

Катушка

+++++++ вихревые токи

упругие волны

 

ЭМА – преобразователи возбуждают продольные или поперечные волны непосредственно в изделии

Контактная смазка не требуется.

 

 

11

 

Влияние демпфера

 

τ - длительность импульса (временная протяженность импульса).

От нее во многомзависит минимальный диапазон контролируемых толщин.

Для уменьшения τ применяют демпфирование колебаний. Но при этом уменьшается их амплитуда

 

 

t время

 

τ_имп.1

 

t t

 

τ_имп.3

τ_имп.2

 

12

Акустическое поле ПЭП

 

 

Ближняя зона

размером r_{бл -}

- область вблизи ПЭП, в

которой давление

изменяется немонотонно.

При импульсном излучении

невозможно рассчитать

поле однозначно.

 

Дальняя зона –

Θmax

область монотонного

изменения поля. Расчет поля

в этой области хорошо

совпадает с экспериментом.

 

 

 

Θ_{max – полуширина основного лепестка диаграммы направленности}

 

 

13

ЗАТУХАНИЕ

Затухание -способность среды гасить акустические волны.

Коэффициент затухания δ складывается из коэффициента поглощения δп и коэффициента рассеяния δр.

δ = δп + δр

При поглощении акустическая энергия переходит в тепловую, а при рассеянии энергия остается акустической, но она уходит из направленно распространяющейся волны.

 

Для жидкостей и газов δп ≡ f², δр=0

Для аморфных материалов (стекло, однородные пластмассы) δп ≡ f, δр=0.

 

Для металлов δп ≡ f.

δр зависит от соотношения среднего размера зерна D и длины волны ультразвука λ (или частоты). Рассеяние очень сильно сказывается в сталях аустенитного класса, бронзах, некоторых марках сплавов на медной основе, чугунах.

В сплавах на основе алюминия рассеяние мало.