Переход на стартовую страницу книги Гликмана А.Г.
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En
 приобрести книгу 

V.2.2. Использование пьезоэлементов для изучения собственных колебательных процессов

     Первым примером такого использования пьезокерамики можно считать рассмотренный в параграфе II.3 способ определения собственной колебательности пьезоэлементов с помощью схемы, изображенной на рис. II.16. Но прежде, чем продолжить подобные исследования, необходимо решить один принципиальный вопрос.
     Колебательные свойства пьезоэлементов известны давно. Это, в первую очередь, кварцевые резонаторы, применяемые во всем Мире уже больше 80 лет. Кроме них нынче широко применяются в радиопромышленности пьезокерамические резонаторы. Резонансные свойства пьезоэлементов объясняются в существующей на сегодняшний день научной литературе исключительно наличием пьезоэффекта. Принято считать, что пьезорезонаторы эквивалентны колебательным контурам, в силу чего и обладают резонансными свойствами, и теория этих резонансных устройств организована таким образом, что, опираясь на теорию контуров, не имеет никаких точек соприкосновения с теорией поля упругих колебаний.
     В отличие от этого, общепринятого подхода, мы считаем, что наличие резонансных свойств пьезорезонаторов определяется исключительно акустическими свойствами материала объекта, его геометрией и качеством границ. Пьезоэффект же является лишь средством для получения информации о наличии этих резонансных свойств. Для того, чтобы разобраться в этом противоречии, проведем исследования на двух совершенно идентичных пьезокерамических дисках из титаната бария.
     Для проведения этого эксперимента используем установку для определения скорости распространения упругих колебаний сквозь пластины, изображенную на рис. III.3. Установим в ней два одинаковых пьезокерамических диска таким образом, чтобы один из них находился на месте образца 4, а другой - симметрично ему относительно излучателя 1. При этом обе эти пьезокерамические пластины должны быть строго параллельными друг другу, а также пьезопреобразователям измерительной установки, и тогда можно будет добиться, чтобы оба сигнала, снимаемые с пьезоприемников 2 и 3, и подаваемые на два входа двухканального осциллографа, оказались идентичными.
     Уточним. В отсутствии исследуемых пьезопластин сигналы, поступающие на оба входа осциллографа, обязательно должны быть идентичными. Это является признаком нормального функционирования измерительной установки. Помещаемые в установку исследуемые нами пьезопластины полностью изменяют очертания сигналов, но идентичность их должна сохраняться. Это будет признаком одинаковости исследуемых пластин. Спектр этих сигналов будет определяться суммой резонансных свойств прозвучиваемых пластин и пьезопреобразователей измерительной установки.
     Теперь следует одну из прозвучиваемых пластин лишить пьезосвойств, для чего достаточно нагреть ее до температуры, превышающей точку Кюри, и повторить прозвучивание. При этом мы убедимся, что форма сигнала, снимаемого с пьезопластины 2 или 3 никак не изменяется в зависимости от того, обладает прозвучиваемая пластина пьезосвойствами или нет.
     Таким образом, можем считать доказанным, что резонансные свойства пьезоэлементов не зависят от наличия у них пьезосвойств, а целиком определяются акустическими свойствами материала. Наличие же пьезосвойств, как уже говорилось, может позволить эти акустические свойства обнаруживать и изучать.
     На основании доказанного можем считать правомерным осуществление физического моделирования для изучения собственных колебательных процессов в объектах с использованием пьезосвойств материала этих объектов.
     Воспользовавшись схемой, изображенной на рис. II.16, подвергнем испытаниям имеющиеся в наличии пьезокерамические диски. Результаты этих испытаний сведены в таблицу V.1.

Табл. V.1

 

материал

диаметр

толщина

h / d

собственные частоты

скорость Vсдв

Vh/Vd

d

h

f0(d)

f0(h)

Vd*103

Vh*103

мм

мм

 

кГц

кГц

м/с

м/с

 

1

титанат бария

128

19

0,148

25,0

150,0

2,85

3,2

1,12

2

-

99

3,50

0,035

33,5

810,0

3,32

2,84

0,85

3

-

99

2,95

0,029

34,0

964,0

3,37

2,84

0,84

4

-

99

1,80

0,018

33,9

1594,0

3,36

2,87

0,85

5

-

99

1,00

0,010

33,4

2993,0

3,31

2,99

0,91

6

-

31

5,50

0,177

109,4

519,7

3,37

2,86

0,85

7

ЦТС-19

50

1,80

0,036

45,4

1163,0

2,27

2,09

0,92

8

ЦТС-22

10

8,20

0,820

174,3

227,0

1,74

1,84

1,06

9

-

8,2

3,90

0,475

227,6

497,0

1,87

1,94

1,04

     Значения скоростей Vh и Vd, которые определяются перемножением каждого размера объекта на соответствующую собственную частоту (см. выражение (I.1), могут быть определены с очень высокой степенью точности. Это то, к чему мы всегда стремились. Но теперь, когда эта точность достигнута, оказалось, что скорость V в керамике различается в различных направлениях. Что это? Следствие какой-то анизотропии? Принято считать, что пьезокерамика обладает анизотропией, обусловленной ее электрической поляризацией. Однако если сравнить отношение скоростей (Vh / Vd) в различных строках таблицы, то увидим, что оно стремится к единице при стремлении к единице отношения h/d. И, в конце концов, что же это за скорость, которая определяется произведением размера объекта на соответствующую ему собственную частоту?
     Проведя аналогичные измерения на множестве пьезокерамических пластин с размерами 3,5*99 мм, мы зафиксировали разброс значений (Vh / Vd) до 15%. Означает ли это, что испытывавшиеся пластины имеют различные механические свойства (размеры их строго одинаковые) или нарушенность? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо провести подобные исследования на металлических объектах, для которых возможно чередовать акустические измерения с разного рода нагружениями, а также осуществлять контроль развивающейся в результате нагружений нарушенности другими, неакустическими способами. Однако металлы не обладают пьезоэффектом, и для их исследования нужно применять другие методы акустических измерений. В частности, методы спектрально-акустической дефектоскопии.
     С помощью моделирования на пьезоэлементах можно проследить влияние на колебательные свойства резонатора граничных условий, что будет сделано в разделе VI.


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: