Формирование зондирующих сигналов пьезоэлектрических преобразователей для ультразвукового контроля

Введение. Сокращение длительности зондирующего импульса на выходе многослойного излучателя является актуальной задачей акустического неразрушающего контроля, поскольку способствует улучшению разрешающей способности системы, точности определения координат дефектов и снижению протяженности мертвой зоны. Наиболее распространенным методом достижения малой длительности сигнала является механическое демпфирование. Применение с этой целью RL-цепей, подключаемых к электрической стороне пьезопреобразователя (ПЭП), изучено в меньшей мере. Интерес представляет сравнительное исследование потенциальных возможностей двух указанных способов получения короткого сигнала.

Цель работы. Проведение сравнительного исследования двух вариантов снижения длительности зондирующего сигнала с целью установления предпочтительности их применения в практике ультразвукового контроля.

Материалы и методы. Для определения границ предпочтительного применения одного из методов в сравнении с другим использован математический аппарат, основанный на использовании интегрального исчисления, а также численных методов расчета. При построении математической модели ПЭП применен метод схем-аналогов в сочетании со спектральным методом на основе преобразований Фурье. Численные расчеты выполнены в среде MathCad.

Результаты. Установлено, что применение электрической корректирующей цепи с оптимальными параметрами позволяет в широком диапазоне изменения значений удельного акустического сопротивления протектора добиваться меньшей длительности зондирующих сигналов на выходе ПЭП, чем в случае использования демпфированного ПЭП при значениях удельного акустического сопротивления демпфера z_д, меньших 10⋅10⁶ Па⋅с/м. При z_д > 10⋅10⁶ Па⋅с/м предпочтение стоит отдавать механическому демпфированию пьезоэлемента. Установлено, что амплитуда сигналов на выходе ПЭП с подключенной к нему корректирующей цепью превышает амплитуду сигнала при осуществлении демпфирования пьезоэлемента.

Заключение. Полученные результаты позволяют априорно оценивать и сравнивать между собой возможности ПЭП при использовании двух методов создания короткого зондирующего сигнала, а также обоснованно выбирать материалы для создания протектора в широком диапазоне удельных акустических сопротивлений. Корректный выбор параметров конструктивных элементов ПЭП дает возможность улучшения разрешающей способности систем излучения-приема, снижения протяженности мертвой зоны и повышения точности определения координат дефектов, что, в итоге, способствует повышению качества акустического контроля материалов и изделий.

1. Неразрушающий контроль: справ.: в 7 т. Т. 3: Ультразвуковой контроль / под общ. ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.

2. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: справ: в 2 кн. Кн. 1 / под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 1986. 488 с.

3. Потапов А. И., Сясько В. А. Неразрушающие методы и средства контроля толщины покрытий и изделий. СПб.: Гуманистика, 2009. 904 с.

4. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / под общ. ред. И. Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986. 280 с.

5. Синтез и коррекция акустических сигналов в системах излучения-приема. Алгоритм расчета и проектирования / С. И. Коновалов, Р. С. Коновалов, В. М. Цаплев, З. М. Юлдашев, Д. И. Нефедьев // Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль. 2022. № 3. С. 39–46. doi: 10.21685/2307-5538-2022-3-4

6. Fabrication and characterization of transducers / E. P. Papadakis, C. G. Oakley, A. R. Selfridge, B. Maxfield // Physical Acoustics. 1999. Vol. 24. P. 43– 134. doi: 10.1016/S0893-388X(99)80024-4

7. Sherman Ch. H., Butler J. L. Transducers and Arrays for Underwater Sound. New York: Springer, 2007. 610 p.

8. Stepanov B. G., Bystrova N. A. Method of excitation of plate transducers for the generation of short acoustic pulses // Intern. Scientific Conf. Technical and Natural Sciences, SPb., June 2018. SPb.: National development, 2018. P. 28–32.

9. Найда С. А. Возбуждение коротких ультразвуковых импульсов недемпфированным пьезоэлектрическим преобразователем // Электроника и связь. 2012. № 2. С. 35–40.

10. Wolfgang S., Nelson N. H. Ultrasonic Transducers for Materials Testing and Their Characterization // Physical Acoustics / ed. by W. P. Mason, R. N. Thurston. 1979. Vol. 14. P. 277–406.

11. Uchino K. Advanced Piezoelectric Materials. Science and Technology. 2nd ed. Cambridge: Woodhead Publishing, 2017. 830 p.

12. Григорьев М. А., Толстиков А. В., Навроцкая Ю. Н. Возбуждение и прием коротких акустических импульсов многослойными пьезокерамическими преобразователями // Акуст. журн. 2003. Т. 49, № 4. С. 489–493.

13. Данилов В. Н., Воронкова Л. В. Исследование возможностей ультразвукового контроля чугуна с пластинчатым графитом с использованием стандартных прямых преобразователей // Контроль. Диагностика. 2020. Т. 23, № 1. С. 4–18.

14. Данилов В. Н., Воронкова Л. В. Исследование влияния затухания упругих продольных волн в чугуне с пластинчатым графитом на характеристики сигналов при ультразвуковом контроле // Контроль. Диагностика. 2019. № 6. С. 18–33.

15. Коновалов С. И., Кузьменко А. Г. Особенности импульсных режимов работы электроакустических пьезоэлектрических преобразователей. СПб.: Политехника, 2014. 294 с.

16. Konovalov S. I., Kuz’menko A. G. Effect of electrical circuits on duration of an acoustic pulse radiated by a piezoplate // J. Acoust. Soc. Am. 2009. Vol. 125, № 3. P. 1456–1460. doi: 10.1121/1.3075582

17. Коновалов С. И., Кузьменко А. Г. Исследование возможности излучения и приема коротких импульсов при использовании механического демпфирования или согласующих слоев // Дефектоскопия. 1998. № 8. С. 3–12.