СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО СОГЛАСОВАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА ИММЕРСИОННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С КОНТРОЛИРУЕМОЙ СРЕДОЙ
METHOD OF ACOUSTIC MATCHING OF PIEZOELEMENT OF IMMERSION ULTRASONIC PIEZOELECTRIC CONVERTER WITH MONITORED MEDIUM

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковом контроле, в акустике и в медицинской технике.
Акустическое согласование пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя (далее по тексту - ПЭП) с контролируемой средой [Меркулов Л.Г., Яблоник Л.М. Теория акустически согласованного многослойного пьезопреобразователя. - Дефектоскопия, 1966, №5, с. 3-11] основывается на соотношениях, полученных теорией волн в слоистых средах [Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973. - 344 с.]. С помощью этой теории для монохроматической волны определяются: акустические сопротивления (далее по тексту - АС) материалов согласуемых сред и значение толщины протектора, который формируют между пьезоэлементом преобразователя и контролируемой средой. При этом вопросы, связанные с временной разрешающей способностью (разрешением), не рассматриваются, так как для монохроматической волны такое понятие не имеет физического смысла.
Под согласованием понимается передача наибольшей амплитуды монохроматической волны в согласуемую среду, что эффективно для близких по акустическому сопротивлению пассивных сред, не являющихся источником дополнительных ультразвуковых импульсов, вырабатываемых самой средой. Пассивный полуволновой слой в акустически близких и пассивных средах является акустически прозрачным и, как следствие, не влияющим на согласование. Таким образом, при согласовании его можно не учитывать [Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973. - 344 с., стр. 93].
Однако при ультразвуковом контроле, в акустике и в медицинской технике условия, принятые в теории волн и описанные выше, не выполняются, а именно:
1. Используется импульсное возбуждение пьезоэлемента длительностью в половину длины волны в материале пьезоэлемента или меньше.
2. Полуволновой слой не может быть акустически прозрачным, так как:
- согласуемые среды (контролируемая среда и пьезоэлемент ПЭП) существенно отличаются по акустическому сопротивлению;
- полуволновой слой в виде пластины из пьезокерамического материала является активным, а это значит, что поверхности пьезоэлемента, несущие электроды, преобразуют один возбуждающий электрический импульс сразу в два акустических, которые распространяются в обе стороны от электродов (или границ разделов сред), поэтому акустических импульсов становится уже четыре. При этом амплитуды импульсов пропорциональны коэффициентам прохождения в соответствующие среды [Газарян Ю.Л. О создании звукового импульса пьезоэлектрической пластинкой. - Акуст. журнал, 1958, №1, с. 33-36, стр. 35].
3. Значение эффективной частоты эхо-импульса f (далее по тексту - частота f) [ГОСТ 23702-90, стр. 4] может меняться в зависимости от его длительности.
uu
20дБ
N
Задачей согласования (при импульсном возбуждении) является передача/прием от пьезоэлемента ПЭП в контролируемую среду импульса с максимальной амплитудой и минимальной длительностью. Амплитуду (как чувствительность) импульса определим по [ГОСТ 23702-90, стр. 4] как импульсный коэффициент преобразования k. Для определения длительности этого импульса t (как разрешение) воспользуемся определением по ГОСТ 26266-90 и методом измерения по ГОСТ 23702-90 длительности эхо-импульса t, как длительности эхо-импульса на уровне NдБ от максимального значения, где N составляет 20 дБ (10 раз). Если ввести время для измерения длительности импульса, имеющее в качестве единицы измерения один полупериод, то это даст возможность измерять и сравнивать разрешение в виде числа полупериодов колебаний на любой собственной частоте пьезоэлемента ПЭП [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, стр. 8].
Известен способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой, включающий формирование между пьезоэлементом преобразователя и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента демпфера [Данилов В.Н. К вопросу об использовании четвертьволновых согласующих протекторов в прямых преобразователях. - Дефектоскопия, 2008, №5, с. 66-78, стр. 66]. При этом толщину пьезоэлемента и толщину протектора выбирают исходя из заданной эффективной частоты эхо-импульса f, которая является одной из важных характеристик ПЭП [ГОСТ 26266-90, стр. 7] и которая в данном способе предполагается равной резонансной частоте пьезоэлемента fпэ (далее по тексту - частота fпэ).
1
При данных условиях считают толщину протектора h равной четверти длины волны ультразвука на частоте пьезоэлемента в его материале, имеющем акустическое сопротивление  равное среднегеометрическому значению АС среды и демпфера.
Недостатком известного способа является плохое акустическое согласование пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой, что обусловлено низким значением чувствительности и разрешения из-за ошибок в определении:
- толщины протектора для коротких по длительности эхо-импульсов;
пр
- Z, определяемой по формуле (1);
пэ
пэ
д
- неопределенность значения, для прозрачного полуволнового слоя пьезоэлемента Z исходя из формулы (1), хотя на это значение для обеспечения синфазного суммирования импульсов в протекторе должно быть наложено ограничение, т.е. Z>Z.
д
Повышение чувствительности путем уменьшения демпфирования (или Z) приводит к ухудшению разрешения. Улучшение разрешения путем повышения демпфирования приводит к понижению чувствительности. Согласование по формуле (1) по данным работы [Данилов В.Н. К вопросу об использовании четвертьволновых согласующих протекторов в прямых преобразователях. - Дефектоскопия, 2008, №5, с. 66-78, стр. 74] приводит к росту длительности и к уменьшению амплитуды в максимуме огибающей принятого импульса, то есть не обеспечивает улучшение чувствительности и разрешения.
1
Известен способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового преобразователя с контролируемой средой, принятый за прототип, включающий формирование между пьезоэлементом преобразователя и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента демпфера. При этом, толщину пьезоэлемента и толщину протектора выбирают исходя из заданной эффективной частоты эхо-импульса f, которая, как и в аналоге, предполагается равной резонансной частоте пьезоэлемента fпэ. При данных условиях считают толщину протектора h равной четверти длины волны ультразвука на частоте пьезоэлемента в его материале, имеющем акустическое сопротивление  равное среднегеометрическому значению АС согласуемых сред, то есть среды и пьезоэлемента [Данилов В.Н. К вопросу об использовании четвертьволновых согласующих протекторов в прямых преобразователях. - Дефектоскопия, 2008, №5, с. 66-78, стр. 66].
Однако данное техническое решение также не обеспечивает требуемое акустическое согласование пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой (см. таблицу 2), что обусловлено низкими значениями чувствительности и разрешения из-за ошибок в определении:
- толщины протектора для коротких по длительности эхо-импульсов;
пр
- Z, определяемой по формуле (2);
д
пэ
д
- неопределенность значения для Z из формулы (2), хотя на это значение для обеспечения синфазного суммирования импульсов в протекторе должна быть наложено ограничение, т.е. Z>Z
Данные выводы подтверждаются в работе [Данилов В.Н. К вопросу об использовании четвертьволновых согласующих протекторов в прямых преобразователях. - Дефектоскопия, 2008, №5, с. 66-78, стр. 68, 77].
Задача и достигаемый при использовании изобретения технический результат - улучшение акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ПЭП с контролируемой средой за счет повышения его чувствительности и разрешения.
Это достигается тем, что в способе акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой, включающем формирование между пьезоэлементом преобразователя и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента преобразователя демпфера, согласно изобретению толщину пьезоэлемента и толщину протектора определяют исходя из резонансной частоты пьезоэлемента fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2), где f - эффективная частота эхо-импульса, а материалы протектора и демпфера выбирают с акустическими сопротивлениями из диапазонов, удовлетворяющих соотношениям
где Zсреды, Zпр, Zпэ, Zд - акустические сопротивления среды, протектора, пьезоэлемента и демпфера соответственно.
Сущность данного технического решения иллюстрируется фигурами графических изображений.
На фиг. 1 представлены графики зависимости частоты fпэ от f для ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по предложенному способу и для несогласованного ПЭП (без протектора).
На фиг. 2 показана форма оптимальных теоретических импульсов.
На фиг. 3 представлено сравнение теоретических импульсов и экспериментального импульса, излученного ПЭП без протектора.
На фиг. 4 приведено сравнение экспериментального и теоретических импульсов, излученных ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по предложенному способу и несогласованного ПЭП (без протектора).
На фиг. 5 приведено сравнение теоретических и экспериментального импульса, излученных ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по способу - прототипу.
На фиг. 6 представлен эхо-импульс от ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по предложенному способу, и его спектр.
На фиг. 7 показан эхо-импульс от ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по способу-прототипу, и его спектр.
На фиг. 8 приведен внешний вид ПЭП.
Для акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой необходимо исходить из требуемой частоты f, на которой необходимо произвести согласование. Из соотношения fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2) определяют резонансную частоту пьезоэлемента, в мегагерцах. Из таблиц, предлагаемых производителями пьезокерамики, выбирают материал пьезоэлемента (Zпэ) и скорость звука в нем. Зная fпэ, скорость звука в пьезоэлементе, вычисляют толщину пьезоэлемента.
Соотношение fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2) было получено в результате аппроксимации экспериментальных данных.
пэ
пр
д
20дБ
20дБ
На фиг. 1 приведены графики, показывающие зависимость частоты fпэ от частоты f иммерсионного ПЭП, пьезоэлемент которого согласован со средой по предлагаемому способу и для ПЭП без протектора, то есть без согласования. Для этого было изготовлено 6 экземпляров ПЭП из пьезокерамики ЦТС-19 с Z=27 аком; Z=Z=4,6 аком и с fпэ=(2,5; 3; 4,4; 4,6; 5,8; 6,5) МГц без протектора и с протектором толщиной h (т.е. ПЭП согласованный со средой). Зависимость t>10 (или Δf/f≤0,4, выделена треугольниками) для эхо-импульса большой длительности для пьезоэлектрических преобразователей без протектора показывает, что в этом случае f-fпэ, а после формирования протектора (см. зависимость t=7 (или 0,4≤Δf/f<1, выделена квадратами)) наблюдается понижение частоты f относительно частоты fпэ для всех ПЭП. Как показывают экспериментальные данные частота fпэ стала равной fпэ=1,1125f+0,1096 с достоверностью 0,999, что находится в границах заявленных диапазонов, присутствующих в соотношении fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2).
При изменении частоты fпэ в рамках указанных диапазонов толщина пьезоэлемента (например, для частоты f=3,9 МГц) будет изменяться в пределах ±13 мкм, а толщина протектора - в пределах ±25 мкм. При этом наблюдается минимальное отклонение частоты f от номинального значения.
Материалы протектора и демпфера выбирают с акустическими сопротивлениями из диапазонов, удовлетворяющих соотношениям
пр
пр
Выбрав материал протектора и зная с - скорость продольных колебаний в нем, вычисляют толщину протектора, которая будет равна h=с/(4×fпэ).
cp
пр
пэ
д
На основе модели для ПЭП без протектора [Redwood М. Analog of а piezoelectric transducer. - Journ. Acoust. Soc. Amer., 1964, Vol, 36, №10, p. 1872-1880, см. стр. 1875] и добавляя к пьезоэлементу ПЭП протектор (при импульсном возбуждении) рассчитаны амплитуды полупериодов излучаемого ПЭП акустического импульса в контролируемую среду в зависимости от коэффициентов отражения. Разработана программа, в которой рассчитываются относительные амплитуды полупериодов, строится теоретический (расчетный) импульс в зависимости от акустических сопротивлений: иммерсионной среды Z, протектора Z, пьезоэлемента Z, демпфера Z. При этом (для выбора диапазона) требования к используемым материалам и излучаемому импульсу предъявлялись следующие:
д
2
- минимальное демпфирование, т.е. Z≤7,5 аком, что позволит использовать для демпфера легко доступные, технологичные материалы и достичь максимум амплитуды, наибольшей для второго полупериода А;
6
7
2
6,7
2
2
20дБ
- амплитуды 6 (А) или 7 (А) полупериода не должны превышать 0,1 от уровня максимальной амплитуды второго полупериода А, то есть отношение А/А≤0,1А, или разрешение t=5.
Указанные выше критерии позволяют установить заявленные диапазоны (3) и (4), в рамках которых можно достичь повышения чувствительности и разрешения.
В таблице 1 приведены наиболее оптимальные значения из указанных диапазонов. В этом случае протектор и демпфер могут изготавливаться из одного и того же материала, что является наиболее технологичным.
20дБ
д
пр
На фиг. 2 приведена форма оптимальных теоретических импульсов при согласовании пьезоэлемента с Zпэ=27 аком с водой при толщине протектора h и разрешении t=5, при этом Z=Z=4,99 (см. таблицу 1).
Выбор указанных диапазонов подтверждается фиг. (3-7), в которых приведены результаты, подтверждающие совпадение импульсов, рассчитанных по программе и полученных экспериментально.
cp
пр
д
пэ
cp
uu
На фиг. 3 приведено удовлетворительное совпадение импульсов, рассчитанного по программе при Z=Z (фиг. 3а) и рассчитанного (для сравнения) по [Redwood М. Analog of a piezoelectric transducer. - Journ. Acoust. Soc. Amer., 1964, Vol, 36, №10, p. 1872-1880.] (построен на основании соотношений, выведенных Редвудом, и на фиг. 3а полностью совпадающий с расчетным импульсом) и экспериментального импульса от ПЭП (фиг. 3б) без протектора с Z=2,2 аком, Z=27 аком, Z=1,5 аком. Экспериментальный импульс принят широкополосным ПЭП. В литературе считается, что наибольшую амплитуду (k) и худшее разрешение имеет ПЭП без протектора [Меркулова В.М. Широкополосный иммерсионный пьезопреобразователь с согласующим протектором. - Дефектоскопия, 1972, №6, с. 57-62, стр. 57]. Для эхо-импульса от экспериментального ПЭП без протектора (согласование отсутствует) получены (и внесены в таблицу 2) следующие параметры:
uu
- импульсный коэффициент двойного преобразования (или чувствительность) составляет 24,44 дБ (k=20log(200B/12B)),
20дБ
- разрешение или длительность составляет t=35,
- относительная полоса пропускания составляет 12,5% (Δf/f=0,575 МГц/4,6 МГц=0,125 или 12,5%).
пр
д
пр
cp
На фиг. 4 приведено сравнение экспериментальных и расчетных импульсов при согласовании по предлагаемому способу. На фиг. 4а приведен экспериментальный импульс от ПЭП с протектором толщиной h, Z=27 аком, Z=Z=4,6 аком, Z=1,5 аком, принятый в воде широкополосным ПЭП. На фиг. 4б этот импульс обозначен сплошной линией. Пунктирной линией выделен теоретический импульс при тех же исходных данных и практически полностью совпадающий с экспериментальным. На фиг. 4в приведено сравнение импульсов, излучаемых пьезоэлементом ПЭП с протектором (сплошная линия) и без него (прерывистая линия), из которого видно, что импульс с протектором короче по длительности и выше по амплитуде, то есть имеет лучшие значения чувствительности и разрешения. Происходит как бы сжатие импульса с повышением амплитуды.
пэ
cp
д
20дБ
На фиг. 5 приведено сравнение импульсов: рассчитанного по программе (фиг. 5а) и экспериментального импульса (фиг. 5б), излученных ПЭП пьезоэлемент которого согласован по способу прототипу при  На фиг. 5а приведен импульс, рассчитанный по программе при Z=27 аком, Z=1,5 аком, Z=4,6 аком;  выделенный сплошной линией. Пунктирной линией выделен расчетный импульс для ПЭП без протектора при тех же значениях АС. Из фиг. 5а видно, что 6 и 7 полупериоды импульса не скомпенсированы до нуля и даже превышают порог в 0,1 от амплитуды 2 полупериода, т.е. t>7. На фиг. 5б приведен экспериментальный, излученный импульс, имеющий удовлетворительное совпадение с теоретическим. Из сравнения фиг. 4 и 5 видно, что согласование по предложенному способу позволяет достичь лучших характеристик по разрешению.
д
д
Способ согласования, принятый за аналог, позволяет сжимать импульс, то есть достичь разрешения, равного 5, только при Z≥9 аком, при этом  При таких значениях Z будет сказываться сильное демпфирование и чувствительность не превысит уровень (35-40)дБ, что неприемлемо.
uu
20дБ
Для сравнения способов по чувствительности и разрешению проведено измерение коэффициента двойного преобразования k и длительности t в соответствии с требованиями ГОСТ 23702-90 для ПЭП, пьезоэлементы которых согласованы со средой (вода) с помощью предлагаемого способа и способа прототипа.
cp
пр
д
пр
пр
На фиг. 6 представлен эхо-импульс от пьезоэлемента ПЭП, согласованного по предложенному способу, и его спектр. На фиг. 6а приведен эхо-импульс, а на фиг. 6б - его спектр с f=3,9 МГц. Z=1,5 аком, Z=Z=4,6 аком, Zпэ=27 аком. Толщина протектора при с=2,3 км/с составила: h=c/(4,5f+0,438)≈0,128 мм [2,3 км/с /(4,5×3,9+0,438) МГц=0,128 мм], fпэ=1,1125f+0,1096=4,45 МГц.
cp
д
пр
пэ
1
На фиг. 7 приведен эхо-импульс (см. фиг. 7а) от пьезоэлемента ПЭП, согласованного по способу прототипу и его спектр (фиг. 7б). Z=1,5 аком, Z=4, баком, Z=6,4 аком, Z=27 аком. Толщина протектора h≈0,147 мм (2,3/4×3,9=0,147 мм), fпэ=4,45 МГц.
Для удобства сравнения способов данные по чувствительности и разрешению сведены в таблицу 2.
uu
20дБ
Из сказанного выше следует, что предлагаемый способ позволяет улучшить согласование за счет повышения чувствительности (k) и разрешения (t).
Пример осуществления способа.
пэ
пэ
пэ
пэ
пр
пр
cp
uu
20дБ
Для акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ПЭП с контролируемой средой (вода) задавались необходимой частотой эхо-импульса f, например: 3,9 МГц (обычно эта частота задается в техническом задании) и материалом керамики пьезоэлемента: ЦТС-19 с Z=27 аком при скорости звука в нем с=4,36 км/с. Из соотношения f=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2) определили резонансную частоту пьезоэлемента, равную 4,45 МГц, и толщину пьезоэлемента из известного соотношения d=с/2fпэ=0,49 мм. Из диапазонов, удовлетворяющих соотношениям  и Zсреды≤Zпр≤Zд<Zпэ, подбирали необходимые материалы для протектора и демпфера. При этом, используя таблицу 1 для воды, выбрали один материал с Z=4,99 аком для демпфера и для протектора. Как наиболее близким материалом по акустическому сопротивлению к этому была выбрана «холодная сварка» или супер шпатлевка фирмы «Mannol» с Zпр=Zд=4,6 аком, со скоростью ультразвука в ней с=2,3 км/с. Из соотношения h=с/4fпэ определили толщину протектора, равную 0,128 мм. После выбора материалов и определения конструктивных параметров был изготовлен ПЭП. Качество акустического согласования проверялось в воде с Z=1,5 аком и представлено на фиг. 6. Электрическое согласование (добавление внешних электрических элементов) не использовалось. Определение коэффициента двойного преобразования (K), длительности эхо-импульса t, эффективной частоты эхо-импульса (f) и полосы частот (Δf) осуществлялось по ГОСТ 23702-90. Полученные числовые значения приведены в табл. 2. Использовался дефектоскоп USD-60 производства фирмы «Кропус», осциллограф АСК2206 фирмы «Актаком». С помощью дефектоскопа были выведены на компьютер и сохранены временные и частотные характеристики эхо-импульсов.
uu
20дБ
Как видно из табл. 2 по чувствительности (k) и по разрешению (t) известный способ согласования уступает предлагаемому.
По предлагаемому способу проверялось согласование пьезоэлементов из пьезокерамики с разными АС: марки ЦТС-19, ПКР-1, ПКР-7, ТС-1 на разных частотах (от 2 МГц до 6 МГц) с контролируемой средой (вода, глицерин). Все указанные ПЭП (внешний вид некоторых из них приведен на фиг. 8) показали согласование, не хуже описанного выше.