CC BY
71
С/ш
Рис. 3. Вероятностные характеристики обнаружения
Из вышеизложенного видно, что применение кепстральной обработки эхо-сигналов в нелинейной гидроакустике при профилировании слоистой структуры возможно и более эффективно по сравнению с линейными антеннами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. Л.: Су-
достроение, 1981. С. 264.
2. Новиков Б. К., Тимошенко В. И. Параметрические антенны в гидролокации.- Л.:
Судостроение, 1990. С. 256.
3. Зарайский В. А., Тюрин А. М. Теория гидролокации. Л.: Военно-морская академия,
1975.
4. Яковлев А. Н., Каблов Г. П. Гидролокаторы ближнего действия. Л.: Судостроение, 1983.200 с.
А.К. Батрин, А.М. Гаврилов, В.Ю. Медведев
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОПЛАСТИН ОТ ТОЛЩИНЫ ЭЛЕКТРОДОВ
При построении электроакустических преобразователей для ультразвуковых приборов неразрушающего контроля [1], контрольно-измерительной и медицинской аппаратуры широко используются высокочастотные пьезокерамические пластины. Существующие технологии не обеспечивают необходимой повторяемости электрофизических и пьезоэлектрических параметров при изготовлении тонких пьезопластин. Разброс может достигать 30% от номинального значения параметров [2]. Обес-
печение идентичности пьезопластин путем отбора образцов не всегда эффективно и весьма затратно.
В данной работе предлагается метод подстройки характеристик высокочастотных пьезопластин путем увеличения толщины электродов электрохимическим способом [3]. В электрохимии нанесение металлических покрытий осаждением металлов из водных растворов солей используется для придания обрабатываемой поверхности антикоррозионных свойств и для получения точных копий предметов с богатым рельефом и др. Высокое качество получаемых покрытий, хорошее сцепление с основой и прогнозируемые физические свойства позволяют использовать электролитическое осаждение в технологическом процессе изготовления ультразвуковых преобразователей.
В работе экспериментально исследуется зависимость частотных характеристик электрического импеданса (ЧХЭИ) и проводимости (ЧХЭП) пьезопластин от толщины электролитически осаждаемого металла на электроды, изготовленные в заводских условиях. В качестве покрытия используется медь, осаждаемая из сульфата меди. Выбор в пользу меди обусловлен простым составом электролита и доступностью составляющих его компонентов, высоким качеством покрытия и приемлемой скоростью получения покрытий значительных (по меркам гальванопластики) толщин, хорошими электротехническими свойствами и химической инертностью. Последнее обстоятельство является важным при использовании ПЭП в условиях интенсивного влияния коррозии.
Согласно закону Фарадея, количество вещества, выделившегося на катоде, прямо пропорционально количеству прошедшего через раствор электричества, выражаемого числом кулонов: 1 Кл = 1 А • с . Для определения толщины осаждаемого покрытия может быть использовано выражение [3]
§= 3,6РкСпТ,
У
где д - толщина покрытия, мкм; Бк - рекомендованная для данного электролита и его температуры катодная плотность тока, А/дм2 (Б =2-5 А/дм2); С- электрохимический эквивалент, мг/Кл (для двухвалентной меди С=0,33 мг/Кл); п - выход по току, % (для меднокислых электролитов п =100%); Т - продолжительность процесса электролиза, ч; у- плотность металла, г/см3 (у =8,93 г/см3).
Приведенная формула не учитывает форму и площадь катода и анода. Распределение осаждаемого металла на поверхности катода никогда не бывает равномерным. На кромках и выступах толщина покрытия значительно больше, чем в местах впадин из-за неравномерного распределения силовых линий электрического поля по профилю катода [3].
Для получения равномерного распределения линий тока ширина электродов при проведении эксперимента выбрана равной ширине электролитической ванны. Анодные электроды представляют собой две прямоугольные медные пластины, закрепленные параллельно друг другу и имеющие надежный электрический контакт между собой. Пластины помещаются в электролит. Для контроля силы тока использовался миллиамперметр (рис.1). Состав различных электролитов для меднения можно найти в литературе [3, 4].
В работе использовалась пьезокерамика типа ЦТС-19 в виде круглых пластин диаметром ё=20 мм с толщинами t = 0,8 мм и 1,2 мм. Подбирались время и ток, величина которого оставалась неизменной на протяжении всего технологического цикла. После каждого интервала меднения пьезопластина обмерялась на автоматизированной измерительной установке [5].
Из-за неравномерного распределения электрического поля толщина осаждаемого металла не равномерна по сечению диска и увеличивается к краям, приобретая форму параболоида вращения [6]. Перед измерениями форма поверхности кон-
тролировалась и, при необходимости, выравнивалась шлифованием. Приращение толщины электрода за один интервал меднения составляет единицы микрон. Поэтому для оценки толщины нанесенного слоя меди использовалась приведенная выше формула.
На рис.2а представлены ЧХЭИ пьезопластины № 1 (диаметр 20 мм, толщина 1,2 мм). Меднение выполнялось с обеих сторон пьезопластины. На рисунке хорошо прослеживается динамика изменений ЧХЭИ в зависимости от толщины электродов. Первоначально наблюдается рост абсолютного значения максимума импеданса пьезопластины (кривые 2- 6) на частоте электромеханического резонанса. Максимальное значение импеданса (кривая 6) возросло на 20% по сравнению с первоначальным значением (кривая 1). Дальнейшее наращивание толщины электродов сопровождается уменьшением максимума импеданса (кривые 7, 8).
Наряду с изменением абсолютных значений импеданса наблюдается смещение частотной характеристики в низкочастотную область. Максимальное смещение частоты антирезонанса составляет 2%, резонанса - 1,5%. Соответствующие значения характеристических частот ЧХЭИ представлены в табл.1. Здесь /р и /а соответствуют частотам резонанса и антирезонанса. Время каждого интервала меднения составляло 5 минут, что соответствует расчетному приращению толщины электрода -Л1«1,1 мкм.
Для сравнения на рис. 2б представлены ЧХЭП пьезопластины № 1. Обладая изначально двумя локальными максимумами, в процессе меднения характеристика смещается вниз по частоте, сохраняя эту свою особенность. Причинами раздвоенности резонанса могут быть неоднородность структуры материала пьезопластины, непостоянство толщины из-за непараллельности поверхностей и т.п.[1].
Обращает на себя внимание механический резонанс в области 1330 кГц (кривые 7, 8) на рис.2б. Поскольку рост толщины электродов не привел к смещению его вниз по частоте, то происхождение этого резонанса, очевидно, не связано с толщиной пьезопластины и может быть объяснено проявлением одной из гармоник радиального резонанса.
На рис. 3 приведены результаты измерений ЧХЭИ и ЧХЭП пьезопластины № 2, обладающей «одногорбой» характеристикой (толщина 0,8 мм, диаметр 20 мм). Здесь, как и в предыдущем случае, кривой 1 соответствует пьезопластина до меднения. Для обеспечения равномерности толщины после каждого меднения электроды пьезопластины шлифовались. Параметры резонансов сведены в табл. 2.
В целом поведение ЧХЭИ и ЧХЭП данного образца аналогично рассмотренному выше случаю. Однако обращает на себя внимание резкое увеличение (в 5 раз) проводимости и ее компонент (рис.За, в, д) на частоте механического резонанса. Также наблюдается и значительный рост импеданса (в 1,8 раза) и его компонент (рис. Зб, г, е) на частоте электромеханического резонанса. Такое поведение ЧХЭИ и ЧХЭП свидетельствует об уменьшении сопротивления механических потерь и, как результат, об увеличении механической добротности пьезоэлемента. Рост добротности можно проследить на рис.4 по нормированным частотным зависимостям активной составляющей проводимости, соответствующих рис.Зг.
электролитическая
ванна
Г
Рис. 1. Экспериментальная установка для осаждения металла на электроды пьезокерамических элементов (ПЭ)
Таблица 1
Динамика характеристических частот пьезопластины №1
№ fp , кГц Л/р , кГц ^тах, См /А , кГЦ ЛЛ4,кГц тах , Ом
1 1357,8 - 0,24 1504,7 - 1190
2 1355,8 2 0,187 1501,8 2,9 1217
3 1350,7 5,1 0,21 1497,1 4,7 1285
4 1346,8 3,9 0,197 1493 4,1 1346
5 1343,9 2,9 0,17 1488,3 4,7 1405
6 1341,7 2,2 0,15 1483,8 4,5 1426,8
7 1339,3 2,4 0,13 1479,9 3,9 1367,2
8 1336,6 2,7 0,11 1476,2 3,7 1305
Частота, кГц
а - частотные зависимости модуля импеданса
Частота, кГц
б - частотные зависимости модуля проводимости
Рис. 2. Динамика частотных характеристик импеданса и проводимости пьезопластины № 1
Таблица 2
Динамика характеристических частот пьезопластины № 2
№ /р , кГц Л/р, кГц ^тах, См /А , кГц ЛЛА,кГц тах , Ом
1 2779,3 - 0,22 3151,5 - 130
2 2645,3 134 1,34 3001,8 149,7 237,3
3 2478,7 166,6 0,9 2836,4 165,4 243,5
4 2414,3 64,4 0,68 2738,4 98 193,8
5 2308,2 106,1 0,57 2605,7 132,7 153,5
6 2229,8 78,4 0,35 2466 139,7 155,8
7 2130,6 99,2 0,36 2324,7 141,3 85,2
8 2027,8 102,8 0,28 2191,2 133,5 88
Увеличение волновой толщины пьезопластины за счет утолщения электродов, как и следовало ожидать, приводит к смещению частот толщинных резонансов: механического резонанса на 27%, электромеханического на 30%.
Таким образом, наращивание толщины электродов позволяет в значительной степени влиять на резонансные частоты высокочастотных пьезопластин. При этом суммарное время осаждения составило 3,5 часа, что примерно соответствует 93 мкм осажденной меди. Исследования при более длительном наращивании электродов не проводились.
Частота, кГц
а - модуль импеданса
1500 1900 2300 2700 3100 3500
Частота, кГц
б - модуль проводимости
Частота, кГц
в - активная часть импеданса
Частота, кГц
г - активная часть проводимости
д - реактивная часть импеданса
е - реактивная часть проводимости
Рис. 3. Динамика ЧХЭИ и ЧХЭП пьезопластины № 2 в процессе увеличения толщины электродов
1500 1900 2300 2700 3100 3500
Частота, кГц
Рис.4. Активная часть проводимости пьезопластины № 2 при различной толщине электродов
Кроме толщинного резонанса, исследовалось поведение ЧХЭИ и ЧХЭП на частотах радиальных мод круглой пьезопластины № 3 при увеличении толщины электродов. Использовалась пьезокерамика такого же типа и размера, что и в предыдущем случае (толщина 0,8 мм, диаметр 20 мм). Измеренные ЧХЭИ и ЧХЭП первых трех радиальных мод представлены на рис. 5. Анализ приведенных характеристик свидетельствует о том, что толщина электродов влияет и на радиальные резонансы, приводя к повышению их частоты (табл. 3).
а -- модуль импеданса: 1-я мода
270 27б 2S2 2SS 294
Частота, кГц
437 443 449 455 4б1
Частота, кГц
б - модуль импеданса: 2-я в - модуль импеданса: 3-я
мода
мода
437 443 449 455 4б1 4б7
Частота, кГц
г - модуль проводимости: д - модуль проводимости: е -модуль проводимости:
1-я мода 2-я мода 3-я мода
Рис.5. ЧХЭИ и ЧХЭП пьезопластины № 3 на радиальных модах
Частота, кГц
Таблица 3
Динамика характеристических частот пьезопластины №3
№ fp , кГц Gmax, См fA , кГц Rmax , Ом
1-я мода 1 10S,05 0,06033s 119,61 5678,9
2 109,01 0,03б235 120,19 2557,5
3 109,9S 0,024649 120,24 2081,5
4 110,45 0,025345 120,78 1530
5 111,б5 0,025236 118,75 1180,1
б 111,24 0,023179 119,78 939,08
2-я мода 1 279,бб 0,021129 283,22 352,81
2 2S3,1S 0,02014 286,54 306,32
3 2S5,36 0,01796 288,46 256,74
4 2SS,36 0,017468 291,17 237,49
5 290,43 0,018233 293,07 233,81
б 291,S7 0,017721 294,41 210,43
3-я мода 1 442,32 0,0094198 444,2 62,593
2 447,53 0,0095987 449,4 56,672
3 451,4 0,0085216 453,05 50,806
4 455,72 0,0074261 457,21 40,934
5 457,S4 0,0074856 459,24 35,355
б 4б0,01 0,0076042 461,55 36,057
Многочисленные экспериментальные исследования зависимостей ЧХЭИ и ЧХЭП от толщины слоя медного покрытия электродов, выполненные для различных типоразмеров пьезопластин, выявили ряд общих особенностей:
- медное покрытие оказывает влияние как на толщинные, так и на радиальные моды колебаний пьезопластин, при этом частота толщинного резонанса понижается с увеличением толщины электродов, а частоты радиальных резонансов - повышаются;
- величина смещения резонансной частоты пропорциональна времени меднения;
- небольшое увеличение толщины электродов способно весьма существенно повысить механическую добротность пьезопластин;
- изменение толщины электродов позволяет корректировать резонансную частоту пьезопластин без внесения дополнительных механических потерь.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981. 240 с.
2. Пьезокерамические преобразователи: Справочник/ Сост. В.В. Ганопольский, Б. А. Касаткин и др. Л.: Судостроение, 1984. - 256 с.
3. Ямпольский А.М., Ильин В.А. Справочник гальванотехника. Л.: Машиностроение, 1981.
4. Сорокин И.Н., Сеченов Д.А., Милешко Л.П., Королев А.Н, Методические указания по изучению курса «Физико-химические процессы в технологии радиоэлектронных средств и микроэлектроники» Ч. 3. Электрохимическое осаждение металлов. Таганрог: ТРТИ, 1988.
5. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю., Батрин А.К. Автоматизация лабораторных измерений частотных характеристик пьезоэлементов и пьезопреобразователей / Известия вузов. Северо-Кавказский регион. 2002. Юбилейный выпуск. С. 82-87.
6. Справочник по гальванотехнике /Под ред. В.И. Лайнера. М.: Металлургия, 1967.
Б .В. Дюдин, В.Б. Дюдин
ФЕРРОЖИДКОСТНЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
В последние годы значительно возрос интерес к изучению физикохимических и механических свойств ферромагнитных дисперсионных систем, которые представляют собой взвесь с ярко выраженными магнитными свойствами (т.е. обладают значительным собственным магнитным моментом единицы объе-ма).Ферромагнитные жидкости открывают большие перспективы их использования в научных исследованиях и в создании принципиально новых технических устройств.
Рассмотрим конструктивное исполнение излучателей на ФМЖ, работающих в поршневом режиме, их инженерный расчет и использование ФМЖ для повышения эффективности параметрических излучателей.
Конструкция феррожидкостного преобразователя основывается на том, что на объем ФМЖ воздействуют однородным постоянным магнитным полем с напряженностью Н=, выбираемой из кривой намагниченности для ФМЖ и переменным
магнитным полем Н я , создаваемым неоднородным градиентом, коллинеарным направлению излучения, и способствующим уменьшению радиальных колебаний объема, являющихся паразитными и отбирающих энергию от основных осевых колебаний жидкости. При наложении на объем ФМЖ неоднородного переменного магнитного поля за счет пондеромоторных сил в объеме жидкой фазы возникают переменные давления, которые являются источником акустических колебаний.
Полый цилиндр 1 с немагнитной боковой поверхностью заполнен магнитной жидкостью 2, которая граничит с воздухом и жидкой средой, принимающей излучаемые колебания, и отделена от них мембранами 3 и 4, тонкими податливыми
