RU2159427C2 - Sensitive element for ultrasonic piezoelectric receiving converter - Google Patents
Sensitive element for ultrasonic piezoelectric receiving converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2159427C2 RU2159427C2 RU98120680A RU98120680A RU2159427C2 RU 2159427 C2 RU2159427 C2 RU 2159427C2 RU 98120680 A RU98120680 A RU 98120680A RU 98120680 A RU98120680 A RU 98120680A RU 2159427 C2 RU2159427 C2 RU 2159427C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- lowering cylinder
- cyl
- piezoelectric element
- sensitive element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к неразрушающему контролю промышленных объектов, основанному на регистрации акустических волн с помощью контактных приемных преобразователей, а именно к чувствительным элементам для ультразвуковых пьезоэлектрических приемных преобразователей, и может быть использовано, в частности, для контроля протяженных объектов и объектов с высоким затуханием звука, в процессе которого регистрируются акустические волны в частотном диапазоне от 20 до 200 кГц. The invention relates to non-destructive testing of industrial facilities, based on the registration of acoustic waves using contact receiving transducers, and in particular to sensitive elements for ultrasonic piezoelectric receiving transducers, and can be used, in particular, for monitoring extended objects and objects with high sound attenuation, during which acoustic waves are recorded in the frequency range from 20 to 200 kHz.
К чувствительным элементам любых первичных преобразователей предъявляются весьма высокие требования к техническим характеристикам, определяющим разрешающую способность (коэффициенту электроакустического преобразования, ширине рабочего частотного диапазона, неравномерности АЧХ и др.). Обеспечение высокой чувствительности и рабочего частотного диапазона от 20 до 200 кГц требует применения чувствительных элементов, работающих в резонансном режиме, длина которых соизмерима с длиной волны в пьезокерамическом материале. Однако проектирование таких чувствительных элементов сопряжено с рядом особенностей:
1) размер чувствительного элемента в продольном направлении (при использовании продольной моды колебаний) может превышать 100 мм (использование радиальных колебаний чувствительных элементов в виде пьезокерамических дисков диаметром до 100 мм нецелесообразно из-за ухудшения акустического контакта преобразователя с искривленной поверхностью контролируемого объекта);
2) при контроле протяженных объектов (например, нефтегазопроводов) применяются длинные кабельные линии (метры - десятки метров). Для обеспечения требуемого уровня сигнала на входе усилительно-преобразовательной аппаратуры необходимо, чтобы собственная электрическая емкость чувствительного элемента по возможности была больше емкости нагрузки соединительных кабелей или, по крайней мере, должна быть соизмерима с ней;
3) пьезоэлементы простой конструктивной формы (в виде диска или цилиндра) имеют изрезанную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), неравномерность (изрезанность) которой в области радиального резонанса в зависимости от материала может достигать 10-25 дБ.Sensitive elements of any primary converters are subject to very high requirements for technical characteristics that determine the resolution (electro-acoustic conversion coefficient, width of the working frequency range, frequency response unevenness, etc.). Ensuring high sensitivity and an operating frequency range from 20 to 200 kHz requires the use of sensitive elements operating in a resonant mode, the length of which is comparable with the wavelength in a piezoceramic material. However, the design of such sensitive elements is associated with a number of features:
1) the size of the sensitive element in the longitudinal direction (when using the longitudinal vibration mode) can exceed 100 mm (the use of radial vibrations of the sensitive elements in the form of piezoceramic disks with a diameter of up to 100 mm is impractical due to the deterioration of the acoustic contact of the transducer with the curved surface of the controlled object);
2) when monitoring long objects (for example, oil and gas pipelines), long cable lines (meters - tens of meters) are used. To ensure the required signal level at the input of the amplification-conversion equipment, it is necessary that the intrinsic electrical capacitance of the sensing element is as large as possible than the load capacitance of the connecting cables or, at least, be commensurate with it;
3) piezoelectric elements of a simple structural form (in the form of a disk or cylinder) have a rugged amplitude-frequency characteristic (AFC), the unevenness (indentation) of which in the region of radial resonance, depending on the material, can reach 10-25 dB.
Решение поставленных задач усложняется еще и технологическими проблемами поляризации пьезоэлементов длиной десятки мм. Для поляризации, например, удлиненных пьезокерамических цилиндров необходимо весьма высокое поляризующее напряжение (десятки киловольт - исходя из расчета 2 - 2,5 кВ/мм). Технология поляризации удлиненных пьезоэлементов при напряжении свыше 20 кВ является очень сложной, что ведет к удорожанию пьезоэлементов и соответственно преобразователей. The solution of the tasks is complicated by the technological problems of polarization of piezoelectric elements tens of mm long. To polarize, for example, elongated piezoceramic cylinders, a very high polarizing voltage is required (tens of kilovolts - based on a calculation of 2 - 2.5 kV / mm). The polarization technology of elongated piezoelectric elements at voltages above 20 kV is very complex, which leads to a rise in the cost of piezoelectric elements and, accordingly, transducers.
Известен ультразвуковой преобразователь /1/, содержащий корпус и расположенные в нем дисковую аксиально поляризованную пьезопластину и протектор. Выбор отношений размеров пьезопластины и протектора в определенных пределах обеспечивают повышение чувствительности и точности измерений. Однако применение данного преобразователя ограничено из-за весьма узкой полосы пропускания. Заданными соотношениями толщины пьезопластины к ее диаметру реализуется относительно близкое расположение двух основных резонансов колебаний пьезоэлемента (резонанса радиальных колебаний и резонанса колебаний по толщине), при котором области динамического подъема амплитудно-частотной характеристики практически полностью перекрывают друг друга и "сливаются" в один резонанс в виде колокола с узкой полосой пропускания. К тому же для реализации требуемого частотного диапазона необходимо применение пьезоэлементов в виде цилиндра высотой свыше 20 мм, что ведет к усложнению технологии изготовления. Known ultrasonic transducer / 1 / containing the housing and located in it axially polarized disk piezoelectric plate and protector. The choice of the relationship between the sizes of the piezoelectric plate and the tread within certain limits provides an increase in the sensitivity and accuracy of measurements. However, the use of this converter is limited due to the very narrow bandwidth. Given the ratios of the thickness of the piezoelectric plate to its diameter, a relatively close arrangement of the two main resonances of the oscillations of the piezoelectric element (the resonance of radial vibrations and the resonance of vibrations through the thickness) is realized, in which the areas of dynamic rise in the amplitude-frequency characteristic almost completely overlap and merge into one resonance in the form narrow band bells. In addition, the implementation of the required frequency range requires the use of piezoelectric elements in the form of a cylinder with a height of over 20 mm, which leads to a complication of manufacturing technology.
Известен также широкополосный пьезоприемник для исследования сигналов акустической эмиссии /2/, содержащий пьезопластину, вклеенную между протектором и стержневой линией задержки, которая фактически является частотно-понижающим элементом. Однако такой преобразователь применяется для исследования высокочастотных акустических сигналов, длительность которых меньше времени двойного пробега продольной волны по стержневой линии задержки. В области низких частот у него наблюдается резонанс, сужающий полосу пропускания и ухудшающий неравномерность АЧХ. Also known is a wideband piezoelectric receiver for studying acoustic emission signals / 2 / containing a piezoelectric plate glued between the tread and the rod delay line, which is actually a frequency-lowering element. However, such a converter is used to study high-frequency acoustic signals, the duration of which is less than the double run time of a longitudinal wave along the delay rod line. At low frequencies, he has resonance, narrowing the passband and worsening the frequency response unevenness.
Задача, решаемая изобретением, направлена на создание чувствительного элемента для ультразвуковых пьезоэлектрических приемных преобразователей (в дальнейшем по тексту - чувствительный элемент), предназначенных для контроля протяженных объектов и объектов с высоким затуханием звука. The problem solved by the invention is aimed at creating a sensitive element for ultrasonic piezoelectric receiving transducers (hereinafter referred to as a sensitive element), designed to control extended objects and objects with high sound attenuation.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение полосы пропускания и уменьшение неравномерности амплитудно-частотной характеристики. The technical result of the present invention is to expand the bandwidth and reduce the unevenness of the amplitude-frequency characteristics.
Технический результат достигается тем, что в известном чувствительном элементе для ультразвукового пьезоэлектрического приемного преобразователя, содержащем цилиндрический пьезоэлемент и установленный на нем частотно-понижающий цилиндр, новым является то, что размеры и резонансные частоты пьезоэлемента и частотно-понижающего цилиндра выбраны из условий:
Dпэ>Hпэ,
fR пэ =K1•f2,
fP пэ=K2•f2,
f1<fP1 ц<fR пэ,
Dц<Hц,
где f1 - нижняя граница полосы пропускания;
f2 - верхняя граница полосы пропускания;
Dпэ - диаметр пьезоэлемента;
Hпэ - высота пьезоэлемента;
fR пэ - собственная частота радиальных колебаний пьезоэлемента;
0,7 ≤ K1<1 - первый эмпирический коэффициент;
fP пэ - собственная частота продольных колебаний пьезоэлемента;
1,5 ≤ K2 ≤ 2,5 - второй эмпирический коэффициент;
fP1 ц - первая собственная частота продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра;
Dц - диаметр частотно-понижающего цилиндра;
Hц - высота частотно-понижающего цилиндра.The technical result is achieved by the fact that in the known sensitive element for an ultrasonic piezoelectric receiving transducer containing a cylindrical piezoelectric element and a frequency-decreasing cylinder mounted on it, it is new that the dimensions and resonant frequencies of the piezoelectric element and the frequency-decreasing cylinder are selected from the conditions:
D pe > H pe
f R pe = K 1 • f 2 ,
f P pe = K 2 • f 2 ,
f 1 <f P1 c <f R pe ,
D i <H q,
where f 1 is the lower limit of the passband;
f 2 - the upper limit of the passband;
D pe - the diameter of the piezoelectric element;
H pe - the height of the piezoelectric element;
f R pe - the natural frequency of the radial oscillations of the piezoelectric element;
0.7 ≤ K 1 <1 - the first empirical coefficient;
f P pe - natural frequency of the longitudinal oscillations of the piezoelectric element;
1,5 ≤ K 2 ≤ 2,5 - the second empirical coefficient;
f P1 c - the first natural frequency of longitudinal vibrations of the frequency-lowering cylinder;
D c - the diameter of the frequency-lowering cylinder;
H c - the height of the frequency-lowering cylinder.
С целью уменьшения неравномерности АЧХ вторая собственная частота продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра fP2 ц выбирается из условия:
fR пэ < fP2 ц < fP пэ.In order to reduce the frequency response unevenness, the second natural frequency of longitudinal vibrations of the frequency-lowering cylinder f P2 c is selected from the condition:
f R pe <f P2 c <f P pe .
С целью уменьшения неравномерности АЧХ собственная частота радиальных колебаний частотно-понижающего цилиндра fR ц выбирается из условия:
fR ц= (0,9-1,1)•fR пэ.In order to reduce the frequency response unevenness, the natural frequency of radial vibrations of the frequency-lowering cylinder f R c is selected from the condition:
f R c = (0.9-1.1) • f R pe .
С целью увеличения коэффициента электроакустического преобразования механическая добротность материала частотно-понижающего цилиндра выбирается выше механической добротности материала пьезоэлемента. In order to increase the coefficient of electroacoustic conversion, the mechanical quality factor of the material of the frequency-lowering cylinder is selected above the mechanical quality factor of the material of the piezoelectric element.
С целью уменьшения неравномерности АЧХ в теле частотно-понижающего цилиндра выполнены не пересекающие основание выемка или плоский срез, не параллельный основанию. In order to reduce the frequency response unevenness in the body of the frequency-lowering cylinder, a recess or a flat cut, not parallel to the base, are made that do not intersect the base.
Расширение полосы пропускания и уменьшение неравномерности амплитудно-частотной характеристики достигаются выбором соотношений размеров пьезоэлемента и частотно-понижающего цилиндра, а также выбором соотношений их резонансных частот и границ полосы пропускания, что определяет форму и свойства амплитудно-частотной характеристики (коэффициент электроакустического преобразования, неравномерность или изрезанность АЧХ, крутизна спада частотной характеристики вблизи границ полосы пропускания и др.). Синтез амплитудно-частотной характеристики осуществляется из частично перекрывающих друг друга мод колебаний в продольном и радиальном направлении. Области динамического подъема смежных резонансов частично перекрывают друг друга и образуют АЧХ, по форме близкую к трапеции с широкой полосой пропускания. The broadening of the passband and reducing the unevenness of the amplitude-frequency characteristic are achieved by choosing the ratio of the sizes of the piezoelectric element and the frequency-decreasing cylinder, as well as by choosing the ratios of their resonant frequencies and the boundaries of the passband, which determines the shape and properties of the amplitude-frequency characteristic (electro-acoustic conversion coefficient, unevenness or irregularity Frequency response, slope of the frequency response near the borders of the passband, etc.). The amplitude-frequency characteristic is synthesized from partially overlapping vibration modes in the longitudinal and radial directions. The regions of dynamic rise of adjacent resonances partially overlap each other and form an AFC that is similar in shape to a trapezoid with a wide passband.
Условие Dпэ > Hпэ предопределяет полосовые свойства пьезоэлемента. При данном соотношении размеров пьезоэлемента собственная частота радиальных колебаний будет ниже собственной частоты продольных колебаний. При соблюдении данного условия в практическом большинстве случаев соблюдается неравенство (1,5-2,4)•fR пэ<fP пэ (множитель перед fR пэ зависит от соотношения скоростей звука в продольном и поперечном направлениях, а также от соотношения геометрических размеров пьезоэлемента). Моды колебаний пьезоэлемента в продольном и радиальном направлениях частично пересекаются и синтезируются в АЧХ, по форме близкую к трапеции.The condition D pe > H pe determines the strip properties of the piezoelectric element. With this ratio of the sizes of the piezoelectric element, the natural frequency of radial vibrations will be lower than the natural frequency of longitudinal vibrations. Under this condition, in most practical cases, the inequality (1.5-2.4) holds: • f R pe <f P pe (the factor in front of f R pe depends on the ratio of sound velocities in the longitudinal and transverse directions, as well as on the ratio of geometric dimensions piezoelectric element). The oscillation modes of the piezoelectric element in the longitudinal and radial directions partially intersect and are synthesized in the frequency response, in shape close to the trapezoid.
Условия fR пэ = K1•f2 и fP пэ = K2•f2 определяют размеры пьезоэлемента и задают границы полосы пропускания пьезоэлемента. При этом полоса пропускания пьезоэлемента реализуется несколько выше требуемой (≈ от 0,7•f2 до 2,5•f2). После установки частотно-понижающего цилиндра на пьезоэлемент полоса пропускания смещается в требуемую область нижних частот (f1 - f2). Данное соединение должно обеспечивать акустический контакт между пьезоэлементом и частотно-понижающим цилиндром и может быть осуществлено путем склеивания, пайки, сварки и т.п.The conditions f R pe = K 1 • f 2 and f P pe = K 2 • f 2 determine the dimensions of the piezoelectric element and set the boundaries of the passband of the piezoelectric element. In this case, the passband of the piezoelectric element is realized slightly higher than required (≈ from 0.7 • f 2 to 2.5 • f 2 ). After installing the frequency-lowering cylinder on the piezoelectric element, the bandwidth is shifted to the desired region of low frequencies (f 1 - f 2 ). This connection should provide acoustic contact between the piezoelectric element and the frequency-lowering cylinder and can be carried out by gluing, soldering, welding, etc.
Пределы эмпирического коэффициента K1 обуславливаются соотношением ширины и формы спектров собственных колебаний чувствительного элемента в продольном (FP) и радиальном направлении (FR), а также целесообразностью уменьшения диаметра пьезоэлемента Dпэ и, соответственно, площади плоского акустического контакта приемного преобразователя с искривленной поверхностью контролируемого объекта. Данные моды колебаний должны находиться в пределах полосы пропускания (f1 - f2), частично пересекаться и синтезироваться в полосовую АЧХ. В практическом большинстве случаев продольная мода колебаний чувствительных элементов на основе пьезоэлементов в виде диска или цилиндра характеризуется более широким спектром по сравнению с радиальной модой, ограниченной более выраженной резонансной кривой. Такое соотношение ширины и формы спектров собственных колебаний чувствительного элемента в продольном и радиальном направлении предопределяет положение частоты FR на участке резкого спада резонансной кривой FP. Ограничение площади акустического контакта обуславливает расположение частоты FR вблизи верхней границы полосы пропускания f2. Таким образом, нижний предел эмпирического коэффициента (K1= 0,7) показывает допустимое отклонение частоты FR от f2, при котором возможен синтез полосовой АЧХ с приемлемой неравномерностью (изрезанностью) в области пересечения спектров собственных колебаний чувствительного элемента, а также допустимый диаметр пьезоэлемента, обеспечивающий надежный акустический контакт преобразователя с контролируемым объектом. Верхний предел эмпирического коэффициента (K1 < 1) определяет необходимое для осуществления синтеза полосовой АЧХ положение частоты fR пэ и, соответственно, FR (частота радиального резонанса чувствительного элемента FR остается равной собственной частоте радиальных колебаний пьезоэлемента fR пэ) в пределах полосы пропускания (f1 - f2).The limits of the empirical coefficient K 1 are determined by the ratio of the width and shape of the spectra of natural vibrations of the sensitive element in the longitudinal (F P ) and radial direction (F R ), as well as the feasibility of reducing the diameter of the piezoelectric element D pe and, accordingly, the area of the flat acoustic contact of the receiving transducer with a curved surface controlled object. These oscillation modes should be within the passband (f 1 - f 2 ), partially intersect and synthesized into a band-frequency response. In the practical majority of cases, the longitudinal vibrational mode of sensitive elements based on piezoelectric elements in the form of a disk or cylinder is characterized by a wider spectrum compared to the radial mode limited by a more pronounced resonance curve. This ratio of the width and shape of the spectra of the natural vibrations of the sensing element in the longitudinal and radial direction determines the position of the frequency F R in the area of sharp decline of the resonance curve F P. The limitation of the area of the acoustic contact determines the location of the frequency F R near the upper boundary of the passband f 2 . Thus, the lower limit of the empirical coefficient (K 1 = 0.7) shows the permissible deviation of the frequency F R from f 2 at which the synthesis of a band-frequency response with acceptable unevenness (indentation) in the region of intersection of the spectra of natural vibrations of the sensitive element, as well as the permissible diameter a piezoelectric element providing reliable acoustic contact of the transducer with the controlled object. The upper limit of the empirical coefficient (K 1 <1) determines the position of the frequency f R pe and, accordingly, F R (the radial frequency of the sensitive element F R remains equal to the natural frequency of the radial oscillations of the piezoelectric element f R pe ) necessary for the synthesis of the strip frequency response, within the band transmission (f 1 - f 2 ).
Пределы эмпирического коэффициента K2 обуславливаются оптимальными соотношениями коэффициента электроакустического преобразования и электрической емкости, а также технологическими соображениями допустимого напряжения поляризации пьезоэлемента и, соответственно, его высоты. С одной стороны, для удлиненных пьезоэлементов в виде цилиндров при прочих равных условиях характерна более высокая чувствительность по сравнению с пьезоэлементами в виде тонких дисков, поскольку коэффициент электроакустического преобразования в целом пропорционален объему пьезоэлемента, а с другой стороны - с увеличением высоты пьезоэлемента возрастают потери чувствительности приемного преобразователя, нагруженного на длинную кабельную линию. Таким образом, нижний предел эмпирического коэффициента (K2=1,5) показывает максимальную высоту пьезоэлемента, обеспечивающую допустимое снижение амплитуды принимаемого сигнала на входе усилительно-преобразовательной аппаратуры с нагрузкой длинной кабельной линии при контроле протяженных объектов, а также - технологичность конструкции пьезоэлемента. Верхний предел (K2=2,5) определяет минимально допустимый коэффициент электроакустического преобразования. К тому же условие fP пэ = K2•f2 способствует достижению равномерной АЧХ за счет существенного сдвига данной собственной частоты за пределы полосы пропускания.The limits of the empirical coefficient K 2 are determined by the optimal ratios of the coefficient of electroacoustic conversion and electric capacitance, as well as technological considerations of the permissible polarization voltage of the piezoelectric element and, accordingly, its height. On the one hand, elongated piezoelectric elements in the form of cylinders, ceteris paribus, are characterized by higher sensitivity compared to piezoelectric elements in the form of thin disks, since the electroacoustic conversion coefficient is generally proportional to the volume of the piezoelectric element, and on the other hand, with an increase in the height of the piezoelectric element, the sensitivity of the receiving converter loaded on a long cable line. Thus, the lower limit of the empirical coefficient (K 2 = 1.5) shows the maximum height of the piezoelectric element, providing an acceptable decrease in the amplitude of the received signal at the input of the amplification-conversion equipment with a load of a long cable line when monitoring extended objects, as well as the manufacturability of the structure of the piezoelectric element. The upper limit (K 2 = 2.5) determines the minimum allowable coefficient of electro-acoustic transformation. In addition, the condition f P pe = K 2 • f 2 helps to achieve a uniform frequency response due to a significant shift of this eigenfrequency beyond the bandwidth.
Условие f1 < fP1 ц < fR пэ обеспечивает максимальный коэффициент электроакустического преобразования и минимальную неравномерность АЧХ. Это условие определяет положение собственных частот колебаний чувствительного элемента в продольном FP и радиальном направлении FR в следующем порядке: f1 < FP < FR < f2 (частота FP в силу соотношений размеров пьезоэлемента и частотно-понижающего цилиндра несколько смещается в область нижних частот по сравнению с частотой fP1 ц, а частота FR остается равной fR пэ). Данные моды колебаний частично пересекаются друг с другом и синтезируются в полосовую АЧХ. При совпадении резонанса fP1 ц с резонансом fR пэ происходит уменьшение коэффициента электроакустического преобразования и увеличение изрезанности частотной характеристики вблизи верхней границы частотного диапазона f2 в результате существенного подавления радиальной моды колебаний пьезоэлемента. При условии fP1 ц < f1 собственная частота чувствительного элемента смещается за пределы границы рабочего диапазона (f1), что, безусловно, нарушает необходимые условия для синтеза полосовой АЧХ (расположение частоты FP в пределах полосы пропускания от f1 до f2). При fP1 ц > fR пэ частотно-понижающий цилиндр работает неэффективно и амплитудно-частотная характеристика чувствительного элемента приближается к спектру пьезоэлемента. Причем при fP1 ц ≈ (0,8 - 1,2)•fP пэ наблюдается существенное подавление продольной моды колебаний пьезоэлемента, уменьшение коэффициента электроакустического преобразования и увеличение неравномерности (изрезанности) АЧХ во всем рабочем диапазоне частот. Предпочтительным вариантом является равноудаленное положение собственной частоты колебаний частотно-понижающего цилиндра fP1 ц между нижней границей полосы пропускания и собственной частотой радиальных колебаний пьезоэлемента
Соотношение размеров частотно-понижающего цилиндра Dц < Hц предопределяет, что основной низкочастотной модой колебаний чувствительного элемента будет продольная мода. При этом радиальная мода колебаний частотно-понижающего цилиндра будет смещена к верхней границе полосы пропускания либо за ее пределы, что позволяет достичь требуемой равномерности АЧХ.The condition f 1 <f P1 c <f R pe provides the maximum coefficient of electro-acoustic conversion and minimal non-uniformity of frequency response. This condition determines the position of the natural frequencies of the vibrations of the sensing element in the longitudinal F P and radial directions F R in the following order: f 1 <F P <F R <f 2 (the frequency F P , due to the size ratios of the piezoelectric element and the frequency-lowering cylinder, is somewhat shifted to lower frequencies compared with the frequency f P1 c , and the frequency F R remains equal to f R pe ). These oscillation modes partially intersect with each other and are synthesized into a band-frequency response. When the resonance f P1 c coincides with the resonance f R pe there is a decrease in the electroacoustic conversion coefficient and an increase in the frequency response indentation near the upper boundary of the frequency range f 2 as a result of substantial suppression of the radial mode of the piezoelectric vibrations. Under the condition f P1 q <f 1, the natural frequency of the sensitive element is shifted beyond the boundaries of the operating range (f 1 ), which, of course, violates the necessary conditions for the synthesis of a band-frequency response (frequency F P within the passband from f 1 to f 2 ) . For f P1 c > f R pe, the frequency-lowering cylinder is inefficient and the amplitude-frequency characteristic of the sensitive element approaches the spectrum of the piezoelectric element. Moreover, at f P1 c ≈ (0.8 - 1.2) • f P pe there is a significant suppression of the longitudinal mode of oscillations of the piezoelectric element, a decrease in the coefficient of electroacoustic conversion, and an increase in the frequency response unevenness (roughness) in the entire operating frequency range. The preferred option is the equidistant position of the natural frequency of oscillation of the frequency-lowering cylinder f P1 c between the lower boundary of the passband and the natural frequency of the radial oscillations of the piezoelectric element
The ratio of the dimensions of the frequency-lowering cylinder D c <H c determines that the main low-frequency mode of oscillations of the sensitive element will be the longitudinal mode. In this case, the radial oscillation mode of the frequency-lowering cylinder will be shifted to the upper boundary of the passband or beyond, which allows you to achieve the required uniformity of frequency response.
Совокупность отличительных признаков позволяет реализовать требуемый спектр чувствительного элемента в области частот (f1 - f2), по форме близкий к трапеции, с высоким коэффициентом электроакустического преобразования и приемлемой неравномерностью АЧХ. Его средняя частота (собственная частота) определяется временем пробега продольной акустической волны по чувствительному элементу. На более высоких частотах наблюдаются гармоники (собственные частоты колебаний более высокого порядка). Из-за узких полос пропускания и существенно меньшей чувствительности гармоники не используются для регистрации и анализа акустических сигналов, распространяющихся в контролируемом объекте.The combination of distinctive features allows you to implement the required spectrum of the sensing element in the frequency domain (f 1 - f 2 ), similar in shape to a trapezoid, with a high coefficient of electro-acoustic conversion and acceptable frequency response unevenness. Its average frequency (natural frequency) is determined by the travel time of the longitudinal acoustic wave along the sensitive element. At higher frequencies, harmonics (eigenfrequencies of higher order vibrations) are observed. Due to the narrow bandwidths and significantly lower sensitivity, harmonics are not used for registration and analysis of acoustic signals propagating in a controlled object.
Выбор второй собственной частоты продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра из условия fR пэ < fP2 ц < fP пэ позволяет уменьшить неравномерность АЧХ. При несоблюдении данного условия возможно частичное подавление той или иной моды колебаний пьезоэлемента и, соответственно, ухудшение коэффициента электроакустического преобразования и равномерности АЧХ. Предпочтительным вариантом является равноудаленное положение второй собственной частоты продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра fP2 ц между собственными частотами радиальных и продольных колебаний пьезоэлемента:
При задании собственной частоты радиальных колебаний частотно-понижающего цилиндра fR ц в окрестности собственной частоты радиальных колебаний пьезоэлемента (0,9-1,1)•fR пэ частично подавляется радиальная мода пьезоэлемента, в результате чего возможно выравнивание амплитудно-частотной характеристики вблизи верхней границы полосы пропускания, что является важным при использовании пьезокерамического материала с высокой механической добротностью.The choice of the second eigenfrequency of the longitudinal oscillations of the frequency-lowering cylinder from the condition f R pe <f P2 c <f P pe allows to reduce the frequency response unevenness. If this condition is not met, it is possible to partially suppress a particular mode of oscillations of the piezoelectric element and, accordingly, worsen the coefficient of electroacoustic conversion and uniformity of frequency response. The preferred option is the equidistant position of the second natural frequency of the longitudinal vibrations of the frequency-lowering cylinder f P2 c between the natural frequencies of the radial and longitudinal vibrations of the piezoelectric element:
When setting the natural frequency of the radial vibrations of the frequency-lowering cylinder f R c in the vicinity of the natural frequency of the radial vibrations of the piezoelectric element (0.9-1.1) • f R pe the radial mode of the piezoelectric element is partially suppressed, as a result of which the amplitude-frequency characteristic can be aligned near the upper border bandwidth, which is important when using a piezoceramic material with high mechanical quality factor.
Выбор материала частотно-понижающего цилиндра с механической добротностью выше добротности пьезокерамического материала позволяет реализовать более выраженные резонансы колебаний частотно-понижающего цилиндра и, соответственно, чувствительного элемента и, тем самым, повысить коэффициент электроакустического преобразования чувствительного элемента. The choice of the material of the frequency-lowering cylinder with a mechanical quality factor higher than the quality factor of the piezoceramic material allows one to realize more pronounced resonances of the oscillations of the frequency-lowering cylinder and, accordingly, of the sensitive element and, thereby, increase the coefficient of electroacoustic conversion of the sensitive element.
Выролнение в теле частотно-понижающего цилиндра выемки или плоского косого среза, не пересекающих основание, способствуют уменьшению динамического подъема АЧХ на соответствующей резонансной частоте и расширению полосы пропускания за счет разноразмерности (разной высоты) чувствительного элемента. Выемка может быть образована сечением тела частотно-понижающего цилиндра любой криволинейной поверхностью, обеспечивающей заданную коррекцию АЧХ, например, в виде цилиндрического паза, пересекающего образующую и верхнюю поверхности цилиндра. The completion in the body of a frequency-lowering cylinder of a recess or a flat oblique cut that does not intersect the base contributes to a decrease in the dynamic rise of the frequency response at the corresponding resonant frequency and to an increase in the passband due to the different dimension (different height) of the sensing element. The recess can be formed by the cross section of the body of the frequency-lowering cylinder by any curved surface that provides a given correction of the frequency response, for example, in the form of a cylindrical groove intersecting the generatrix and the upper surface of the cylinder.
На фиг. 1 изображен вариант выполнения чувствительного элемента для ультразвуковых пьезоэлектрических приемных преобразователей. На фиг. 2 приведены типовые АЧХ чувствительного элемента и пьезоэлемента при приеме нормально падающих на основание продольных волн. In FIG. 1 shows an embodiment of a sensing element for ultrasonic piezoelectric receiving transducers. In FIG. Figure 2 shows typical frequency response of a sensitive element and a piezoelectric element when receiving longitudinal waves normally incident on the base.
Чувствительный элемент состоит из цилиндрического пьезоэлемента 1 и установленного на нем частотно-понижающего цилиндра 2 с криволинейной выемкой, не пересекающей основание. The sensitive element consists of a cylindrical piezoelectric element 1 and a frequency-lowering
На фиг. 2 приведены: 1 - амплитудно-частотная характеристика чувствительного элемента, состоящего из пьезоэлемента в виде диска ⌀ 12,5×5 мм из пьезокерамического материала ЦТС-19 и частотно-понижающего цилиндра ⌀ 12,5×15 мм из стали 30ХГСА; 2 - амплитудно-частотная характеристика пьезоэлемента. In FIG. 2 are shown: 1 - amplitude-frequency characteristic of a sensitive element consisting of a piezoelectric element in the form of a disk ⌀ 12.5 × 5 mm made of piezoceramic material TsTS-19 and a frequency-lowering cylinder ⌀ 12.5 × 15 mm made of 30KhGSA steel; 2 - amplitude-frequency characteristic of a piezoelectric element.
В приведенном примере полоса пропускания чувствительного элемента составляет 150 кГц (f1=30 кГц, f2=180 кГц), коэффициент электроакустического преобразования на частоте 100 кГц равен ≈60 дБ отн. 1 В/м/с, а неравномерность амплитудно-частотной характеристики не превышает ±6 дБ относительно значения коэффициента преобразования на частоте 100 кГц. Собственная частота радиальных колебаний пьезоэлемента составляет fR пэ≈185 кГц, а собственная частота его продольных колебаний - fP пэ≈450 кГц. Коэффициент преобразования пьезоэлемента на частоте 100 кГц равен ≈53 дБ отн. 1 В/м/с, а неравномерность АЧХ превышает ±10 дБ. Электрическая емкость пьезоэлемента равна ≈400 пФ и допускает без существенной потери разрешающей способности применение кабельной линии длиной несколько метров. Первая собственная частота продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра равна fP1 ц≈80 кГц, а вторая частота - fP2 ц≈240 кГц. Амплитудно-частотные характеристики чувствительного элемента и пьезоэлемента определялись экспериментально на метрологическом оборудовании для калибровки ультразвуковых приемных преобразователей в условиях воздействия нормально падающих продольных волн, частоты fP1 ц и fP2 ц определялись теоретически по известной формуле для стержня, закрепленного одним концом:
где n = 1 при расчете первой собственной частоты частотно-понижающего цилиндра fP1 ц; n = 2 при расчете второй собственной частоты частотно-понижающего цилиндра fP2 ц; Eц - модуль упругости материала частотно-понижающего цилиндра; ρц- плотность материала частотно-понижающего цилиндра.In the above example, the bandwidth of the sensing element is 150 kHz (f 1 = 30 kHz, f 2 = 180 kHz), the electro-acoustic conversion coefficient at a frequency of 100 kHz is ≈60 dB rel. 1 V / m / s, and the unevenness of the amplitude-frequency characteristic does not exceed ± 6 dB relative to the value of the conversion coefficient at a frequency of 100 kHz. The natural frequency of the radial vibrations of the piezoelectric element is f R pe ≈185 kHz, and the natural frequency of its longitudinal vibrations is f P pe ≈ 450 kHz. The conversion coefficient of the piezoelectric element at a frequency of 100 kHz is ≈53 dB rel. 1 V / m / s, and the frequency response uneven exceeds ± 10 dB. The electric capacitance of the piezoelectric element is ≈400 pF and allows the use of a cable line several meters long without significant loss of resolution. The first natural frequency of the longitudinal oscillations of the frequency-lowering cylinder is f P1 c ≈80 kHz, and the second frequency is f P2 c ≈240 kHz. The amplitude-frequency characteristics of the sensitive element and the piezoelectric element were determined experimentally on metrological equipment for calibrating ultrasonic receiving transducers under the influence of normally incident longitudinal waves, the frequencies f P1 c and f P2 c were determined theoretically by the well-known formula for a rod fixed at one end:
where n = 1 when calculating the first natural frequency of the frequency-lowering cylinder f P1 c ; n = 2 when calculating the second natural frequency of the frequency-lowering cylinder f P2 c ; E c - the modulus of elasticity of the material of the frequency-lowering cylinder; ρ c - the density of the material of the frequency-lowering cylinder.
Выбор материала частотно-понижающего цилиндра - стали 30ХГСА с механической добротностью (≈4500) выше добротности пьезокерамического материала ЦТС-19 (≈50 - 85) позволяет повысить коэффициент электроакустического преобразования на 6-10 дБ. The choice of the material of the frequency-lowering cylinder — steel 30KhGSA with a mechanical Q factor (≈4500) higher than the Q factor of the PZT-19 piezoceramic material (≈50 - 85) allows to increase the electro-acoustic conversion coefficient by 6-10 dB.
Чувствительный элемент работает следующим образом. The sensitive element operates as follows.
При приеме акустической волны пьезоэлемент находится в объемном напряженно-деформированном состоянии и испытывает деформации в окружном, радиальном и осевом направлениях, приводящие к появлению электрического заряда на поверхностях пьезоэлемента. С электродов снимается электрический заряд, пропорциональный деформациям пьезоэлемента. Частотно-понижающий цилиндр позволяет сместить полосу пропускания в область нижних частот, что позволяет контролировать протяженные объекты и объекты с высоким затуханием звука. Смежные резонансы колебаний чувствительного элемента в продольном и радиальном направлениях частично перекрываются и синтезируются в амплитудно-частотную характеристику с заданной полосой пропускания (f1 - f2). Заданные соотношения размеров и частот пьезоэлемента и частотно-понижающего цилиндра определяют относительное положение собственных частот (резонансов колебаний в продольном и радиальном направлениях) и обеспечивают высокий коэффициент электроакустического преобразования и минимальную неравномерность АЧХ. Выбор материала частотно-понижающего цилиндра с механической добротностью выше добротности пьезокерамики позволяет повысить коэффициент электроакустического преобразования. Выбор собственной частоты радиальных колебаний частотно-понижающего цилиндра из условия fR ц = (0,9 -1,1)•fR пэ, а также выполнение выемки или плоского косого среза позволяет уменьшить неравномерность АЧХ.When receiving an acoustic wave, the piezoelectric element is in a volumetric stress-strain state and experiences deformations in the circumferential, radial and axial directions, leading to the appearance of an electric charge on the surfaces of the piezoelectric element. An electric charge proportional to the deformations of the piezoelectric element is removed from the electrodes. The frequency-lowering cylinder allows you to shift the passband to the low frequency region, which allows you to control extended objects and objects with high sound attenuation. Adjacent resonances of oscillations of the sensing element in the longitudinal and radial directions partially overlap and are synthesized into an amplitude-frequency characteristic with a given passband (f 1 - f 2 ). The specified ratios of the sizes and frequencies of the piezoelectric element and the frequency-lowering cylinder determine the relative position of the natural frequencies (vibrational resonances in the longitudinal and radial directions) and provide a high coefficient of electro-acoustic conversion and minimal frequency response unevenness. The choice of the material of the frequency-lowering cylinder with a mechanical quality factor higher than the quality factor of piezoceramics makes it possible to increase the coefficient of electroacoustic conversion. The choice of the natural frequency of the radial oscillations of the frequency-lowering cylinder from the condition f R c = (0.9 -1.1) • f R pe , as well as making a notch or a flat oblique cut, can reduce the frequency response unevenness.
Конструкция и технология изготовления такого чувствительного элемента проста и не требует специализированного оборудования. Для поляризации пьезоэлемента необходимо поляризующее напряжение 10-12 кВ, допускаемое традиционным технологическим оборудованием. Электрическая емкость пьезоэлементов, удовлетворяющих заданным соотношениям, составляет сотни-тысячи пФ и допускает применение длинных кабельных линий без существенного ухудшения разрешающей способности. The design and manufacturing technology of such a sensitive element is simple and does not require specialized equipment. To polarize a piezoelectric element, a polarizing voltage of 10-12 kV is required, which is allowed by traditional technological equipment. The electric capacitance of piezoelectric elements that satisfy the given ratios is hundreds to thousands of pF and allows the use of long cable lines without significant deterioration in resolution.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1128159, М.кл. G 01 N 29/04, опубл. в БИ N45, 1984 г.Sources of information
1. Copyright certificate of the USSR N 1128159, M.cl. G 01 N 29/04, publ. in BI N45, 1984
2. Е.В. Несмашный, Б.В. Скиба, В.Н. Соседов. Широкополосный пьезоприемник для исследования сигналов акустической эмиссии//Дефектоскопия, N 5, 1975 г., стр. 111-112. 2. E.V. Nesmashny, B.V. Skiba, V.N. Neighbors. Broadband piezoelectric receiver for studying acoustic emission signals // Defectoscopy,
Claims (5)
Dпэ > Hпэ,
fR пэ = K1 f2,
fp пэ = K2 f2,
f1 < fp1 ц < fR пэ,
Dц < Hц,
где f1 - нижняя граница полосы пропускания;
f2 - верхняя граница полосы пропускания;
Dпэ - диаметр пьезоэлемента;
Hпэ - высота пьезоэлемента;
fR пэ - собственная частота радиальных колебаний пьезоэлемента;
0,7 ≤ K1 < 1 - первый эмпирический коэффициент;
fp пэ - собственная частота продольных колебаний пьезоэлемента;
1,5 ≤ K2 ≤ 2,5 - второй эмпирический коэффициент;
fp1 ц - первая собственная частота продольных колебаний частотно-понижающего цилиндра;
Dц - диаметр частотно-понижающего цилиндра;
Hц - высота частотно-понижающего цилиндра.1. A sensitive element for an ultrasonic piezoelectric receiving transducer containing a cylindrical piezoelectric element and a frequency-lowering cylinder mounted on it, characterized in that their sizes and resonant frequencies are selected from the conditions:
D pe > H pe
f R pe = K 1 f 2 ,
f p pe = K 2 f 2 ,
f 1 <f p1 q <f R pe
D i <H q,
where f 1 is the lower limit of the passband;
f 2 - the upper limit of the passband;
D pe - the diameter of the piezoelectric element;
H pe - the height of the piezoelectric element;
f R pe - the natural frequency of the radial oscillations of the piezoelectric element;
0.7 ≤ K 1 <1 - the first empirical coefficient;
f p pe - natural frequency of the longitudinal oscillations of the piezoelectric element;
1,5 ≤ K 2 ≤ 2,5 - the second empirical coefficient;
f p1 c - the first natural frequency of longitudinal vibrations of the frequency-lowering cylinder;
D c - the diameter of the frequency-lowering cylinder;
H c - the height of the frequency-lowering cylinder.
fR пэ < fp2 ц < fp пэ.2. The sensitive element according to claim 1, characterized in that the second natural frequency of longitudinal vibrations of the frequency-lowering cylinder f p2 c selected from the condition
f R pe <f p2 c <f p pe .
fR ц = (0,9 - 1,1) fR пэ.3. The sensitive element according to claim 1 or 2, characterized in that the natural frequency of radial oscillations of the frequency-lowering cylinder f R C selected from the conditions:
f R c = (0.9 - 1.1) f R pe
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98120680A RU2159427C2 (en) | 1998-11-16 | 1998-11-16 | Sensitive element for ultrasonic piezoelectric receiving converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98120680A RU2159427C2 (en) | 1998-11-16 | 1998-11-16 | Sensitive element for ultrasonic piezoelectric receiving converter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU98120680A RU98120680A (en) | 2000-08-27 |
| RU2159427C2 true RU2159427C2 (en) | 2000-11-20 |
Family
ID=20212345
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98120680A RU2159427C2 (en) | 1998-11-16 | 1998-11-16 | Sensitive element for ultrasonic piezoelectric receiving converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2159427C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2330389C2 (en) * | 2006-09-21 | 2008-07-27 | Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" | Piezo-electric electromechanical transducer |
| RU2339119C1 (en) * | 2006-06-26 | 2008-11-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью Производственно-Коммерческая Фирма "Курс" (Ооо Пкф "Курс") | Method for spectral property forming for ultrasound converter |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1303771C2 (en) * | 1967-06-23 | 1973-09-20 | Pohlman, Reimar, Prof Dr , 5100 Aachen Lierke, Ernst Gunter, Dr Ing , 6236 Esch born | COUPLING ARM FOR ULTRASONIC NUMBERS OF LIQUIDS |
| SU755322A1 (en) * | 1977-04-20 | 1980-08-15 | Fridrikh A Bronin | Electromechanic transducer |
| SU1128159A1 (en) * | 1980-10-27 | 1984-12-07 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт По Разработке Неразрушающих Методов И Средств Контроля Качества Материалов Кишиневского Производственного Объединения "Волна" | Ultrasonic converter |
| SU1295325A1 (en) * | 1985-04-29 | 1987-03-07 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт По Разработке Неразрушающих Методов И Средств Контроля Качества Материалов | Ultrasonic transducer |
| DE4014199A1 (en) * | 1989-05-17 | 1990-11-22 | Freiberg Brennstoffinst | Ultrasonic transducer for measuring gas flow speeds - has piezoelectric ceramic plate with quarter-wave transformation film consisting bubbled glass |
-
1998
- 1998-11-16 RU RU98120680A patent/RU2159427C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1303771C2 (en) * | 1967-06-23 | 1973-09-20 | Pohlman, Reimar, Prof Dr , 5100 Aachen Lierke, Ernst Gunter, Dr Ing , 6236 Esch born | COUPLING ARM FOR ULTRASONIC NUMBERS OF LIQUIDS |
| SU755322A1 (en) * | 1977-04-20 | 1980-08-15 | Fridrikh A Bronin | Electromechanic transducer |
| SU1128159A1 (en) * | 1980-10-27 | 1984-12-07 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт По Разработке Неразрушающих Методов И Средств Контроля Качества Материалов Кишиневского Производственного Объединения "Волна" | Ultrasonic converter |
| SU1295325A1 (en) * | 1985-04-29 | 1987-03-07 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт По Разработке Неразрушающих Методов И Средств Контроля Качества Материалов | Ultrasonic transducer |
| DE4014199A1 (en) * | 1989-05-17 | 1990-11-22 | Freiberg Brennstoffinst | Ultrasonic transducer for measuring gas flow speeds - has piezoelectric ceramic plate with quarter-wave transformation film consisting bubbled glass |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2339119C1 (en) * | 2006-06-26 | 2008-11-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью Производственно-Коммерческая Фирма "Курс" (Ооо Пкф "Курс") | Method for spectral property forming for ultrasound converter |
| RU2330389C2 (en) * | 2006-09-21 | 2008-07-27 | Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" | Piezo-electric electromechanical transducer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20090277273A1 (en) | Apparatus for measuring pressure in a vessel using acoustic impedance matching layers | |
| US7735373B2 (en) | Apparatus for measuring pressure in a vessel using magnetostrictive acoustic transducer | |
| JP5444670B2 (en) | Sound playback device | |
| US20100312119A1 (en) | Ultrasonic probe and ultrasonic imaging apparatus | |
| US10848124B2 (en) | Piezoelectric transducer device with resonance region | |
| RU2159427C2 (en) | Sensitive element for ultrasonic piezoelectric receiving converter | |
| Coffy et al. | Evidence of a broadband gap in a phononic crystal strip | |
| Papadakis et al. | 2 Fabrication and characterization of transducers | |
| EP3815794B1 (en) | Ultrasonic wave amplifying unit and non-contact ultrasonic wave transducer using same | |
| US6070468A (en) | Micromachined ultrasonic leaky wave air transducers | |
| KR101877769B1 (en) | Apparatus for hybrid multi-frequency ultrasound phased array imaging | |
| US7716991B2 (en) | Apparatus for measuring pressure using acoustic impedance variation | |
| JP4857464B2 (en) | Ultrasonic sensor | |
| Li et al. | Size effect study on high frequency transducers for sensitivity enhancement | |
| Yamamoto et al. | Tonpilz piezoelectric transducer with a bending piezoelectric disk on the radiation surface | |
| JPS5857707B2 (en) | On-patanshiyokushi | |
| Huan et al. | Development of an omni-directional shear horizontal wave transducer based on a radially poled piezoelectric ring | |
| RU2152140C1 (en) | Piezoelectric cell for band-pass transducer | |
| Yan et al. | A conical piezoelectric transducer with integral sensor as a self-calibrating acoustic emission energy source | |
| Allin et al. | Design and construction of a low frequency wide band non-resonant transducer | |
| RU2461852C1 (en) | Method of measuring central frequency of range of anisotropic acoustooptical deflector | |
| JP5240895B2 (en) | Ultrasonic edge position detector | |
| CN113663897B (en) | Broadband Longitudinal Vibration Transducer with Rectangular Through Hole Front Cover | |
| KR20240174750A (en) | Transducer-resonator composites and methods of fabricating them | |
| SU1193573A1 (en) | Method of measuring elasticity constants in piezoelectric ceramics |