СПОСОБ ДЕМПФИРОВАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DAMPING PIEZOELECTRIC RADIATORS AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Предлагаемые способ и устройство для его реализации относятся к области неразрушающего контроля, а именно к устройствам ультразвукового контроля материалов и изделий.
Известны способы демпфирования ультразвуковых пьезоэлектрических излучателей - как отдельных пьезопластин, так и пьезонреобразователей на их основе (ПП). Например, пьезопластины выполняют с переменной толщиной, выполняют частичную деполяризацию пьезопластины, шунтируют отдельные области пьезопластины активными сопротивлениями - см., например, книгу "Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля" / Под общей ред. И.Н.Ермолова. - М.: Машиностроение, 1986, в качестве демпфера используют электронные схемы типа конвертеров отрицательного сопротивления (см., например, а.с. №1254376), используют звукопоглощающие демпферы из различных материалов, сплавов или смесей, в том числе различные затвердевающие смеси, наносимые на заднюю поверхность пьезопластины (см. упомянутую выше книгу, стр.205, а также справочник Й. Крауткремер, Г. Крауткремер "Ультразвуковой контроль материалов", М., Металлургия, 1991 г.) и т.д.
Однако всем этим способам присущи недостатки. При использовании механических способов демпфирования (типа выполнения пьзопластин переменной толщины) основным недостатком является недопустимое снижение эффективности пьезопреобразователей. Это объясняется тем, что полоса пропускания пьезопластины переменной толщины как электрического элемента действительно расширяется, однако ее эффективность как излучателя ультразвука при переменной толщине снижается значительно быстрее, нежели расширяется полоса пропускания, поскольку как пространственный излучатель она перестает быть единым целым и может быть замещена группой разнесенных в пространстве излучателей разных частот с пропорциональным снижением эффективности возбуждения и приема на каждой из частот спектра. Поэтому результирующая эффективность задемпфированных таким способом пьезопластин оказывается во много раз меньшей, нежели у такой же пьезопластины постоянной толщины, что делает их в большинстве случаев непригодными для ультразвукового контроля.
При использовании физических способов (например, при использовании вольфрамо-эпоксидных смесей, наносимых на обратную сторону пьезопластины) основным недостатком является как недостаточная эффективность демпфирования, не позволяющая обеспечить прием сигнала той же пьезопластиной, которая возбуждает ультразвук, в ближней зоне, так и непредсказуемость результатов демпфирования. Эти недостатки, вероятно, могут быть устранены путем совершенствования технологии изготовления демпфера, однако при этом усложнится производство пьезопреобразователей и увеличится их стоимость.
При использовании электрических способов демпфирования обычно наблюдается полная неэффективность, поскольку быстро погасить колебания пьезопластины при ее возбуждении напряжением в сотни вольт демпфирующим устройством с питанием в несколько вольт невозможно. С другой стороны, практически невозможно реализовать достаточно быстродействующее и экономичное усилительное устройство с питанием в несколько сотен вольт, чтобы использовать его для демпфирования, поэтому подобный способ подавления колебаний при высоковольтном возбуждении пьезопластины можно рассматривать только как теоретический.
Наиболее близким по принципу к предлагаемому является устройство, представленное в справочнике "Ультразвуковой контроль материалов" Й. и Г. Крауткремеров на рис.10.14 г, стр.206. Это устройство содержит ключ, включенный между клеммами источника возбуждения последовательно с пьезопластиной, параллельно которой включен разрядный резистор. В устройстве реализуется следующий способ демпфирования - пьезопластину возбуждают путем кратковременного подключения ее к источнику возбуждения, после чего ее разряжают с помощью разрядного резистора, подготавливая к следующему циклу возбуждения. Поскольку после возбуждения пьезопластина продолжает деформироваться, на ее электродах возникают потенциалы, которые за счет наличия разрядного резистора создают через пьезопластину токи, противодействующие ее колебаниям, что обеспечивает эффект демпфирования.
Как и прочие способы электрического демпфирования, данный способ малоэффективен, поскольку демпфирующие токи намного меньше тока возбуждения. Для увеличения эффективности демпфирования данным способом приходится по возможности уменьшать сопротивление разрядного резистора, которое в реальных устройствах обычно составляет 50-75 Ом. При этом его дальнейшее уменьшение нежелательно, т.к. это приводит к существенному снижению эффективности возбуждения, сужению полосы пропускания и к увеличению потребляемой мощности.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение абсолютного демпфирования пьезопластин без ухудшения их эффективности как излучателя ультразвука.
С этой целью предлагается способ электрического демпфирования пьезопластины, которую возбуждают путем кратковременного подключения с помощью первого ключа к источнику возбуждения, после чего разряжают через разрядный резистор, отличающийся тем, что через интервал времени, равный одному периоду собственных механических колебаний пьезопластины, ее замыкают вторым ключем, при этом сопротивление разрядного резистора выбирают таким, чтобы выделившаяся на нем электрическая энергия в момент замыкания второго ключа была пропорциональна потерям механической энергии в пьезопластине за один период ее колебаний.
Устройство для реализации этого способа содержит первый ключ, включенный последовательно с источником возбуждения и совместно с ним параллельно пьезопластине, параллельно которой также включен разрядный резистор, и отличается тем, что в него введен второй ключ, причем входы обоих ключей соединены между собой через устройство временной задержки, создающее задержку, равную одному периоду собственных механических колебаний пьезопластины, при этом вход первого ключа подключен к выходу генератора запускающего импульса, а разрядный резистор включен параллельно второму ключу или последовательно с ним.
На фиг.1, 2 показаны два варианта функциональной схемы устройства, предназначенного для реализации предлагаемого способа демпфирования пьезопластины.
Устройство содержит источник возбуждающего напряжения 1, пьезопластину 2, первый ключ 3, вход которого подключен к генератору запускающего импульса 4, разрядный резистор 5, устройство временной задержки 6, включенное между входами управления первого ключа 3 и второго ключа 7.
Устройство функционирует следующим образом. После завершения зарядного импульса, создаваемого кратковременным замыканием первого ключа 3, пьезопластина 2 начинает колебаться с резонансной частотой своей механической системы.
1
Чтобы остановить колебания, необходимо отобрать запасенную ею энергию, а для этого необходимо подать на пьезопластину останавливающий импульс примерно такой же мощности, как при возбуждении. При этом нужно выполнить два условия - чтобы и кинетическая, и потенциальная энергия колеблющейся системы в результате останавливающего воздействия стала равна нулю. Очевидно, что запасенная пьезопластиной 2 механическая энергия при ее возбуждении путем замыкания первого ключа 3 пропорциональна электрической энергии, полученной от источника возбуждения 1, которая определяется изменением напряжения между обкладками пьезопластины 2 в процессе возбуждения. Допустим, что в результате замыкания ключа 2 напряжение между обкладками пьезопластины изменилось от нуля до U. Тогда запасенная пьезопластиной энергия составит
где С - емкость пьезопластины. Фиксированная часть этой энергии превращается в энергию механических колебаний.
1
Очевидно, что, чтобы остановить механические колебания, необходима такая же энергия. Это условие выполняется путем замыкания пьезопластины 2 вторым ключом 7, поскольку напряжение между обкладками при этом изменится от U до нуля, а следовательно, энергия, потерянная пьезопластиной, составит
При этом точно такая же фиксированная часть этой энергии, как и при заряде, превратится в энергию механических колебаний, равную по величине энергии возбуждения. Однако возникающие при разряде механические колебания будут иметь противоположную фазу. Следовательно, если зарядить пьезопластину, замкнув первый ключ, и сразу же разрядить ее, замкнув второй ключ, за интервал времени, много меньший периода колебаний ее механической системы, никаких механических колебаний не возникнет. Аналогичная картина наблюдается, если по механическому маятнику нанести почти одновременно удары одинаковой силы с двух противоположных сторон, в результате чего он останется неподвижным. Поскольку пьезопластина является относительно добротной колебательной системой, параметры запасенной в ней механической энергии (т.е. величина и фаза) к началу второго периода колебаний будут приблизительно соответствовать моменту возбуждения. Поэтому если разрядить пьезопластину в соответствии с предлагаемым способом точно через период ее собственных механических колебаний, то без учета потерь пьезопластина совершит всего одно механическое колебание, причем совершенно свободно, поскольку оба ключа 3, 7 в процессе колебания могут быть разомкнуты. После замыкания второго ключа 7 суммарная механическая энергия станет равной нулю, поскольку при разряде пьезопластины 2 ток через нее имеет противоположное направление, а следовательно, создаваемая им механическая энергия будет иметь точно такую же величину, но противоположную фазу по отношению к кинетической энергии пьезопластины, созданной возбуждающим импульсом. Это гарантирует максимальную эффективность возбуждения ультразвука при высокой и предсказуемой эффективности демпфирования. Фактически данный способ предполагает возбуждение пьезопластины и ее демпфирование двумя противоположными импульсами тока. Следует отметить, что при возбуждении пьезопластины предлагаемым способом длительность замыкания первого ключа 3 отражается только на амплитуде, но никак не отражается на результирующей форме колебаний, т.е. на характеристиках демпфирования. Продолжительность замкнутого состояния второго ключа 7 в любом случае должна быть достаточной для полного разряда пьезопластины 2.
От точности подачи разрядного импульса в предлагаемом устройстве зависит та остаточная энергия, которая остается в пьезопластине 2, а следовательно, степень демпфирования и уровень помех от процесса возбуждения. При этом погрешность всего в несколько процентов между длительностью периода механических колебаний ньезопластины и задержкой между импульсами заряда и разряда приводит к такому уровню остаточных колебаний, который с учетом очень большой энергии возбуждения делает такое демпфирование совершенно недостаточным для высокочувствительных ультразвуковых приборов. Это объясняется тем, что принятый отраженный сигнал весьма слаб, но при этом он обязательно должен превышать шум от остаточных колебаний пьезопластины, чтобы отношение сигнал/шум было существенно больше единицы (имеется в виду использование пьезопластины в совмещенном пьезопреобразователе). При этом попытки скомпенсировать временную ошибку за счет изменения соотношения между внутренними сопротивлениями обоих ключей или за счет дополнительного разряда пьезопластины не дают положительного результата, поскольку из-за наличия фазовых сдвигов такие приемы позволяют минимизировать только кинетическую энергию механических колебаний, но не потенциальную, а так как оба вида энергии имеют разные знаки, то их нельзя скомпенсировать одновременно. И только при переходе колебания через нуль потенциальная энергия равна нулю, а поэтому общая энергия пьзопластины может быть скомпенсирована предлагаемым способом. Это подтверждено экспериментальным путем.
Однако остановить колебания пьезопластины, используя только перечисленные операции, теоретически возможно только тогда, когда пьезопластина ничего не излучает в окружающую среду - например, если она находится в воздухе и если добротность ее механической системы стремится к бесконечности. В реальных пьезопреобразователях пьезопластина имеет ограниченную добротность и всегда находится в акустическом контакте с твердыми материалами - с одной стороны - это демпфер, а с другой - протектор. При этом делается все возможное, чтобы как можно большая часть энергии колеблющейся пьезопластины поглотилась протектором и контролируемым изделием для повышения эффективности контроля. Поэтому когда завершается первое колебание пьезопластины, сохраняющаяся в ней кинетическая энергия будет меньшей, нежели энергия возбуждения, так как часть энергии уйдет в соседние с пьезопластиной материалы. В то же время пьезопластина является хорошим изолятором, и электрическое напряжение на ней в течение одного колебания практически не меняется. Поэтому закорачивание пьезопластины, встроенной в реальный пьезопреобразователь, вторым ключом 7 приводит к тому, что разряд ее емкости становится как бы вторым возбуждающим импульсом. И хотя его амплитуда незначительна, тем не менее возникающие колебания оказываются значительно больше слабых принимаемых сигналов. При этом невозможно устранить этот импульс путем изменения интервала времени между зарядом и разрядом по причинам, указанным выше.
Поэтому для решения этой проблемы предлагается использовать разрядный резистор 5 строго определенного сопротивления, подбираемого для каждого конкретного пьезопреобразователя. Включение такого резистора, сопротивление которого обычно составляет несколько килоом, параллельно пьезопластине 2 позволяет несколько уменьшить электрическую энергию, запасенную в ней к моменту включения второго ключа, и тем самым устранить второй возбуждающий импульс. Такой способ решения проблемы приемлем только тогда, когда возбуждающий импульс намного короче периода колебаний пьезопластины, т.е. в основном применим для низкочастотных преобразователей. Аналогичные результаты получаются при включении разрядного резистора 5 последовательно с вторым ключом 7. В этом случае энергия, запасенная в пьезопластине 2, не меняется, однако изменяется разрядный ток, протекающий через пьезопластину при замыкании второго ключа 7, что эквивалентно некоторому уменьшению энергии разрядного импульса.
Такой прием менее удобен для реализации, однако пригоден для преобразователей с любой рабочей частотой. Сопротивление разрядного резистора в этом случае составляет единицы - десятки Ом. В результате подстройки сопротивления этого резистора возможно добиться практически абсолютного демпфирования, когда пьезопластина возбуждает в объекте контроля действительно единственное колебание, непосредственно после которого возможен прием отраженных сигналов.