АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ДВУХПЛАСТИНЧАТОГО КРУГЛОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Текст научной статьи по специальности «Физика»

_Ш

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

DOI: 10.53078/20778481_2022_2_49 УДК 534.86

В. И. Борисов, С. С. Сергеев, Е. Н. Прокопенко

АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ДВУХПЛАСТИНЧАТОГО КРУГЛОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

V. I. Borisov, S. S. Sergeev, E. N. Prokopenko

ACOUSTIC RADIATION FIELD OF A DUAL-PLATE CIRCULAR PIEZOELECTRIC TRANSDUCER

Аннотация

Методом численного анализа рассчитано акустическое поле излучения двухпластинчатого круглого акустического пьезоэлектрического преобразователя, содержащего круговую и кольцевую пьезопла-стины. Показано, что такой преобразователь позволяет проводить аподизацию генерируемого акустического пучка за счет изменения начальных фаз и амплитуд акустических волн, излучаемых круглой и кольцевой пьезопластинами, что дает возможность расширить информативность неразрушающего акустического контроля материалов и изделий.

Ключевые слова:

акустическое поле, фазированная решетка, пьезоэлектрический преобразователь, акустическая ось, дальняя зона, ближняя зона, акустическая волна, акустическое давление, аподизация, полуширина акустического пучка, центральный лепесток диаграммы направленности.

Для цитирования:

Борисов, В. И. Акустическое поле излучения двухпластинчатого круглого пьезоэлектрического преобразователя / В. И. Борисов, С. С. Сергеев, Е. Н. Прокопенко// Вестник Белорусско-Российского университета. - 2022. - № 2 (75). - С. 49-56.

Abstract

The method of numerical analysis is used to calculate the acoustic radiation field of a dual-plate circular acoustic piezoelectric transducer, containing circular and annular piezoplates. It is shown that this transducer makes it possible to perform apodization of a generated acoustic beam due to changing initial phases and amplitudes of acoustic waves emitted by the circular and annular piezoelectric plates, which expands the information content of non-destructive acoustic testing of materials and products.

Keywords:

acoustic field, phased array, piezoelectric transducer, acoustic axis, far zone, near zone, acoustic wave, acoustic pressure, apodization, acoustic beam half-width, central lobe of radiation pattern.

For citation:

Borisov, V. I. Acoustic radiation field of a dual-plate circular piezoelectric transducer / V. I. Borisov, S. S. Sergeev, E. N. Prokopenko // The Belarusian-Russian university herald. - 2022. - № 2 (75). - P. 49-56.

© Борисов В. И., Сергеев С. С., Прокопенко Е. Н., 2022

Фазированные акустические решетки (ФАР) состоят из ряда элементарных пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), каждый из которых может генерировать акустические волны с изменяемыми амплитудами и фазами. Это позволяет проводить динамическое управление характеристиками акустического поля излучения-приема ФАР, что расширяет информационные и метрологические возможности неразруша-ющего акустического контроля мате-

риалов и технических изделий [1-3].

Приведены результаты численного расчета акустического поля излучения пьезоакустического преобразователя, работающего в непрерывном режиме возбуждения акустических волн, состоящего из двух пьезопластин, одна из которых представляет собой круг, а вторая - кольцо, окружающее круг.

Расчетная схема пьезопреобразо-вателя приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема для расчета акустического поля двухпластинчатого кольцевого пьезопреобразователя

Расчеты акустического поля излучения проводились для нагруженных на стальное изделие пьезопла-стин, центральная круглая из которых имеет диаметр 10 мм, а кольцевая -ширину 5 мм и отстоит от центральной пьезопластины на 0,5 мм. Расчеты проводились для частоты возбуждения 5 МГц, что соответствует длине продольных волн в стали 1,2 мм. В целом излучающая область двухпластинчато-го ПЭП предствляет собой круг диаметром 21 мм.

Результирующее давление акустических волн в выбранной точке пространства А(Х, У, г) определялось путем

суммирования давления от всех элементарных площадок расположенных на круглой 1 и кольцевой 2 пьезопласти-нах, по методике, приведенной в [4].

На рис. 2 приведено распределение давления Р акустических волн, генерируемых круглым двухпластинча-тым ПЭП, в направлении акустической оси г для трех случаев возбуждения акустических волн пьезопластинами. Сплошной линией на рис. 2 показана зависимость, когда акустические волны, генерируемые элементарными излучателями на обеих пьезопластинах, имеют одинаковую амплитуду и начальную фазу. Пунктирной линией

обозначена зависимость давления аку- ко круглой пьезопластины, а штрихо-

стических волн при возбуждении толь- вой - только кольцевой.

7000 отн. ед. 6000

5000

4000

3000

2000

Р

1000

0 50 100 150 200 мм 250

z -

Рис. 2. Распределение давления акустических волн вдоль акустической оси, генерируемых двухпластинчатым ПЭП, при разных режимах возбуждения пьезопластин: 1 - при одновременном возбуждении круглой и кольцевой пьезопластин; 2 - при возбуждении круглой пьезопластины; 3 - при возбуждении кольцевой пьезопластины

Видно, что при каждом режиме возбуждения пьезопластин наблюдаются ближняя, средняя и дальняя зоны ПЭП с характерным режимом изменения давления акустических волн. При одновременном возбуждении круглой и кольцевой пьезопластин последний максимум, после которого наблюдается монотонное уменьшение давления акустических волн, находится на расстоянии 93,3 мм от ПЭП; при возбуждении только круглой пьезопластины -67 мм, а при возбуждении только кольцевой - 20,5 мм.

На рис. 3 приведена трехмерная картина акустического поля излучения в плоскости, перпендикулярной акустической оси ПЭП, в области максимума, на расстоянии 93,3 мм от одновременно возбуждаемых пьезопластин. Расчет

акустического поля проводился для случая равенства амплитуд и начальных фаз акустических волн, генерируемых кольцевой и круглой пьезопластинами.

Из рис. 3 видно, что наблюдается осесимметричный акустический пучок, направленный вдоль акустической оси ПЭП. Кроме основного максимума, в распределении акустического поля наблюдается дополнительный - величиной 40 % от основного, расположенный рядом с основным. Диаметр основного пучка по половинному от максимального значения давления (полуширина) составляет 8,3 мм. Такой характер акустического поля обусловлен различием фаз акустических волн, приходящих от разных элементарных пьезоплощадок в выбранную точку на оси ПЭП.

Рис. 3. Вид акустического поля излучения кольцевого двухпластинчатого ПЭП на расстоянии 93,3 мм от пьезопластин

Двухпластинчатая конструкция ПЭП позволяет уменьшить разброс фаз акустических волн, приходящих в выбранную точку пространства, путем изменения начальных фаз акустических волн, генерируемых на круговой пьезо-пластине, по отношению к начальным фазам волн, генерируемых на кольцевой пластине. Расчет показал, что акустические волны, генерируемые элементарными пьезоплощадками, расположенными в центре кольцевой пьезопласти-ны на расстоянии 13 мм от центра круговой пьезопластины, приходят в точку на оси ПЭП, расположенную на расстоянии 93,3 мм, с запаздыванием по фазе на 1,8 рад относительно волн, генерируемых в центре круглой пьезопласти-ны и приходящих в эту же точку.

Рассматриваемая конструкция ПЭП, кроме изменения фазовых характеристик акустических волн, генерируемых на круговой и кольцевой пьезо-пластинах, также позволяет изменять

амплитуду генерируемых волн, что дает возможность учесть разную площадь круговой и кольцевой пьезопластин. Так, для рассматриваемой конструкции ПЭП площадь кольцевой пьезопласти-ны в 3,2 раза больше площади круговой пьезопластины, поэтому увеличение амплитуды акустических волн, генерируемых круглой пьезопластиной, в 3,2 раза по отношению к амплитуде акустических волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной, позволяет вы-равнять вклад обеих пьезопластин в результирующее давление акустических волн.

На рис. 4 приведен вид акустического поля излучения двухпластинчато-го ПЭП для случая, когда начальная фаза акустических волн, излучаемых кольцевой пьезопластиной, опережает начальную фазу волн, излучаемых круговой пьезопластиной, на 1,8 рад, а волны, генерируемые на обеих пьезопла-стинах, имеют одинаковую амплитуду.

6000 отн. ед. 50004000 3000 2000 Р 000

30

Рис. 4. Распределение давления акустических волн, генерируемых двухпластинчатым ПЭП, вдоль оси z на расстоянии 93,3 мм от пьезопластин при опережающей начальной фазе волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной, 1,8 рад

х

Из рис. 4 видно, что в этом случае вдоль акустической оси ПЭП наблюдается гладкий акустический пучок без дополнительного максимума. Это сглаживание дополнительного максимума, по аналогии с оптикой, можно считать акустической аподизацией. Полуширина аподизированного акустического пучка меньше полуширины неаподизи-рованного и составляет 7,7 мм.

Характер изменения давления акустических волн на расстоянии 93,3 мм от пьезопластин в плоскости, перпендикулярной пьезопластинам, проходящей через акустическую ось ПЭП, при увеличении вклада акустических волн, генерируемых круговой пьезопластиной, с учетом разной площади круглой и кольцевой пьезопластин, представлен на рис. 5, а на рис. 6 приведены аналогичные зависимости на расстоянии от пьезопластин 65 (см. рис. 6, а) и 175 мм (см. рис. 6, б).

На рис. 5 и 6 сплошной линией 1 изображена зависимость давления акустических волн для случая равенства начальных фаз и амплитуд волн, генерируемых круглой и кольцевой пьезо-пластинами, а пунктирной линией 2 -зависимость давления для случая равенства амплитуд волн, генерируемых круглой и кольцевой пьезопластинами, и опережающей начальной фазе 1,8 рад акустических волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной. Штриховой линией 3 показана зависимость давления для случая, когда амплитуда волн, генерируемых круглой пьезопластиной, превышает амплитуду волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной, в 3,2 раза, а начальная фаза волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной, опережает начальную фазу акустических волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной, на 1,8 рад.

10000 отн. ед. 9000

8000

7000

6000

5000

Р 4000

3000

2000

1000

0

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 мм 25

х -

Рис. 5. Поперечное распределение давления акустических волн, генерируемых двухпластинчатым ПЭП, на расстоянии 93,3 мм от пьезопластин при разных начальных фазах и амплитудах на круговой и кольцевой пластинах

Рис. 6. Поперечное распределение давления акустических волн, генерируемых двухпластинчатым ПЭП, на расстоянии 65 (а) и 175 мм (б) от пьезопластин при разных начальных фазах и амплитудах на круговой и кольцевой пластинах

Из рис. 5 видно, что гладкая структура акустического пучка вблизи акустической оси ПЭП наблюдается в случае опережающего сдвига начальной фазы акустических волн, генерируемых

кольцевой пьезоплощадкой, как для случая равенства амплитуд волн на обеих пластинах, так и в случае увеличенной амплитуды волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной. При этом

полуширина акустического пучка в случае увеличенной амплитуды волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной, увеличивается и составляет 9,4 мм.

Зависимости, приведенные на рис. 6, демонстрируют динамику изменения вышерассмотренных акустических пучков на разных расстояниях от плоскости, в которой располагаются пьезопластины. Видно, что при изменении этого расстояния от 65 до 175 мм аподизация акустических пучков наблюдается для случая опережающей фазы акустических волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной, как при равных амплитудах волн, генерируемых обеими пьезопластинами, так и при увеличенной амплитуде волн, генерируемых кольцевой пьезопласти-ной. При увеличении расстояния от пьезопластин более 175 мм для акусти-

ческого пучка в случае увеличенной амплитуды волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной, появляются боковые максимумы, как для зависимости 1 на рис. 5, но для двух остальных пучков наблюдается аподизация.

При изменении величины начальной фазы акустических волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной, по сравнению с начальной фазой волн, генерируемых круговой пьезопластиной, наблюдается заметное изменение формы генерируемого акустического пучка. К примеру, на рис. 7 приведено поперечное распределение давления акустических волн Р, генерируемых двухпла-стинчатым ПЭП, на расстоянии 93,3 мм от пьезопластин при запаздывающей начальной фазе волн, генерируемых кольцевой пьезопластиной, 1,9 рад.

Рис. 7. Распределение давления акустических волн, генерируемых ПЭП, вдоль оси х на расстоянии 93,3 мм от пьезопластин при запаздывающей начальной фазе на кольцевой пьезопластине 1,9 рад и равных амплитудах волн, генерируемых круговой и кольцевой пьезопластинами

Из рис. 7 видно, что вдоль акусти- кий акустический пучок, окруженный

ческой оси ПЭП распространяется глад- кольцевым пучком со сравнимыми зна-

чениями максимального давления. При этом полуширина центрального пучка составляет 5,5 мм, а минимум между пучками практически равен нулю. Такая структура двойного акустического пучка может быть полезна при контроле изделий с одиночными локальными дефектами с размерами порядка 1...2 мм. При сканировании такого дефекта амплитуда отраженного от дефекта акустического сигнала увеличивается при сканировании областью максимума пучка и уменьшаться при сканировании областью минимума, как это видно из рис. 7, где цифрами 1-3 обозначены локальные дефекты, а стрелками - амплитуды отраженных акустических пучков.

Сканирование таким пучком объекта контроля с локальными дефектами дает возможность оценить размеры таких дефектов.

Таким образом, расчеты показали, что двухпластинчатая круглая схема ПЭП позволяет проводить аподизацию генерируемого акустического пучка за счет изменения начальных фаз и амплитуд акустических волн, излучаемых круглой и кольцевой пьезопластинами. Описанные возможности перестройки акустического поля излучения ПЭП позволяют расширить информативность неразрушающего акустического контроля материалов и изделий.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фалькевич, С. А. Фазированные решетки в ультразвуковой дефектоскопии (обзор) / С. А. Фалькевич // Дефектоскопия. - 1984. - № 3. - С. 3-16.

2. Реука, С. В. Введение в технологию применения ультразвуковых фазированных решеток / С. В. Реука. - Санкт-Петербург: СПГЭТУ ЛЭТИ, 2011. - 210 с.

3. Акустическое поле излучения пьезопреобразователя в виде двухмерной прямоугольной фазированной решетки / В. И. Борисов [и др.] // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2021. - № 2 (71). - С. 58-67.

4. Борисов, В. И. Тонкая структура акустического поля излучения пьезопреобразователей на основе круглых пьезопластин / В. И. Борисов, С. С. Сергеев, А. С. Никитин // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. -2015. - № 4 (48). - С. 102-108.

Статья сдана в редакцию 18 апреля 2022 года

Василий Иванович Борисов, д-р физ.-мат. наук, проф., Белорусско-Российский университет. Сергей Сергеевич Сергеев, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. E-mail: sss.bru@tut.by.

Елена Николаевна Прокопенко, ст. преподаватель, Белорусско-Российский университет. E-mail: enprokopenko@yandex.ru.

Vasily Ivanovich Borisov, DSc (Physics and Mathematics), Prof., Belarusian-Russian University.

Sergey Sergeevich Sergeev, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University.

E-mail: sss.bru@tut.by.

Elena Nikolayevna Prokopenko, senior lecturer, Belarusian-Russian University. E-mail: enprokopenko@yandex.ru.