Основные характеристики преобразователей

К основным характеристикам преобразователя относят: передаточные функции (коэффициент электромеханического преобразователя); электрические сопротивления; временные характеристики; параметры акустического поля; общетехнические.

Коэффициент преобразования определяется соотношением между взаимосвязанными акустическими и электрическими величинами. Вследствие обратного пьезоэффекта при подаче на пьезопластину электрического напряжения U_и она излучает упругие колебания с амплитудой p_и. Коэффициент преобразова­ния (передаточная функция) при излучении К_и = p_и / U_и. В ре­жиме приема, кога на пьезоэлемент падает акустический сигнал с амплитудой p_п, на обкладках пьезоэлемента возникает напря­жение U_п. Коэффициент преобразования на приеме К_п = U_п /p_п.

Работу преобразователя в совмещенном режиме характеризует коэффициент двойного преобразования но напряжению

К_п = К_и К_п = U_п /U_и,

U_п, U_и — напряжение на выходе и входе.

Аналогично выражение для коэффициента преобразования по току. Выходные характеристики U_п и I_п определяют в условиях холостого хода на электрических клеммах преобразователя Z_м ³ Z^х_п . _э(10…20) или короткого замыкания Z_э ³ Z^з_п. _э/ (10 ... 20), где Z_э — сопротивление электрической нагрузки преобразователя; Z_п._э — электрическое сопротивление преобразователя; (10...20) — численный коэффициент.

Зависимость коэффициента преобразования от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ} преобразова­теля. В качестве параметров АЧХ принимают следующие вели­чины: рабочую частоту f, cooтветствующую максимальному значению коэффициента преобразования К_UU и предопределяющую достижение максимальной чувствительности пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП); полосу пропускания Df = f₁ - f₂, где f₁ и f₂ -частоты, при которых K_UU уменьшается на 3 дБ (0,707) по cравнению с максимальным значением при излучении либо приеме или на б дБ (0,5) в режиме двойного преобразования (совмещенном). Чем больше полоса пропускания, тем меньше искаже­ние формы излученного и принятого акустического импульса, меньше размеры мертвой зоны, выше разрешающая способность и точность определения координат дефектов. Расширить полосу пропускания можно путем уменьшения электрической доброт­ности Q_э или увеличения акустической добротности Q_а, однако при этом снижается чувствительность. Применяя четвертьволновой npocветляющий слой и подбирая оптимальное демпфирование, удается расширить полосу пропускания, одновременно по­вышая чувствительность, так как протектор снижает акусти­ческую добротность за счет отвода энергии ультразвука в сторону изделия. Высокая чувствительность в сочетании с широкой полосой пропускания достигается при Q_э = Q _а » 2 ... 4.

Электрическое сопротивление преобразоватля Z_п._э представ­ляет собой комплексное электрическое сопротивление, измеренное на зажимах преобразователя при определенной акустической нагрузке на его рабочей поверхности.

Значение Z_п._э обычно предедставляют графически в зависи­мости от частоты f. Частоты, при которых Z_п._э имеет минимум и максимум, называют соответственно частотами резонанса f_р и антирезонанса f_а. Значения Z_п._э и его параметры используют для определения оптимальных условий согласования преобразова­теля с электронным блоком дефектоскопа.

Сопротивление электрической нагрузки Z_э преобразователя — также комплексная величина, составляющими которой являются сопротивления емкости, индуктивности и резистора, включенные параллельно пли последовательно с пьезопреобразователем и обусловливающие наилучшее его согласование с усилителем.

К временным характеристикам преобразователя относят импульсный коэффициент преобразования К^и_U1, представляющий собой отношение максимальной амплитуды эхо-сигнала к максимальной амплитуде тока зондирующего импульса, и реверберационно-шумовую характеристику (PШX) — временную зависи­мость отношения электрического напряжения на преобразователе к амплитуде электрического напряжения эхо-импульса.

На практике вместо К^и_U1 наиболее целесообразно и просто измерять условный коэффициент импульсного преобразова­ния К^у_UU^и, представляющий собой отношение измеренного макси­мального эхо-сигнала в стандартном образце № 3 (СО-3) и импульса генератора, т. е. К^у_UU^и = U_эхо/U_г. PШX связана с длительностью t_р._ш реверберационных шумов, которая отсчитывается от переднего фронта импульса генератора до точки пересечения реверберационного сигнала с горизонтальной линией шкалы осциллографа, расположенной на уровне максимальной ампли­туды эхо-сигнала в СО-2. PШХ в значительной мере определяет возможность выявления дефектов, расположенных вблизи поверхности (в мертвой зоне). Она зависит прежде всего от коэффи­циента затухания волн в демпфере и задержке (призме) преобразователя. Кроме того, длительность t_р._ш определенным образом коррелирована с временем задержки эхо-сигналов в преобразова­теле t_пр, которое представляет собой двойное время задержки сигнала от момента подачи электрического сигнала на разъем преобразователя до момента появления акустического сигнала в точке выхода. На практике t_пр находят по формуле t_пр = 0,5 (t₀₁ — t₀₂ ), где t₀₁, t₀₂ — интервалы времени соответственно между зондирующим импульсом и первым эхо-сигналом и между первым и вторым эхо-cигналами в СО-3.

Основные характеристики преобразователей регламентированы ГОСТ 23702-85. В табл. 1. приведен перечень основных параметров наклонных ПЭП и средств, используемых для их измерений. Методика и средства измерения характеристик преоб­разователей изложены в ГОСТ 23702—85 и РД 50-407—83. Благодаря измерению характеристик преобразователей можно про­водить сравнительную оценку разрабатываемых ПЭП с целью определения уровня разработки.

Каждый серийно выпускаемый ПЭП должен быть метрологически аттестован с оформлением соответствующего паспорта. В паспорте на преобразователь содержатся следующие сведения: название и тип преобразователя; дата выпуска; назначение; пере­чень метрологических xapактеристик, которые подлежат аттеста­ции; резулытаты аттестации; отметка о cooтветствии метрологических xapактеристик преобразователя заданным; условия эксплуатации; подпись ответственного лица.

Кроме того, паспорт целесообразно снабжать графиками наи­более часто употребляемых характеристик: форма акустического импульса, АЧХ, АРД-диаграмма.

Основная акустическая характеристика ПЭП —диаграмма направленности. Центральную часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда сигнала уменьшается от единицы до нуля, называют основным лепестком. На практике за нижнее значение амплитуды основного лепестка, определяющее угол рас­хождения пучка лучей, принимают 0,1 (20 дБ дБ) для поля излуче­ния или приема и 0,01 (40 дБ) для поля излучения — приема.

Табл. 1