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

VI.7. Применение пьезопленочных и пьезокерамических аэп для изучения структуры поля упругих колебаний

     Мысль применить пьезопленку для аэп возникла в связи с попытками добиться широкополосности преобразователей за счет отсутствия в пленке, которая по механическим свойствам подобна полиэтиленовой, собственных колебаний.
     Пленочные пьезоматериалы были синтезированы еще в 60-х годах. Однако широкого применения в практике акустических измерений они не получили ввиду низкой, как утверждается в литературе, их эффективности. Полагая, что современный уровень усилительной техники позволит применить нам даже очень малочувствительные пьезоматериалы, мы приступили к попыткам использования пьезопленки.
     И тут оказалось, что информация о низкой эффективности этого пьезоматериала не вполне соответствует действительности.
     Для знакомства с пьезопленкой применялась установка, показанная на рис. II.19. В качестве преобразователей поочередно устанавливались пьезокерамические и пьезопленочные элементы, и в таблице VI.1. приведены коэффициенты передачи получившихся при этом четырехполюсников.
     При наличии у преобразователей резонансных явлений коэффициент передачи изменяется в очень широких пределах, и поэтому пары, содержащие пьезокерамику, должны работать в широкополосном режиме, вне (ниже) резонанса.

Табл. VI.1.

NN

излучатель (эап)

приемник (аэп)

коэффициент передачи

1

пьезокерамика

пьезокерамика

0,001

2

пьезокерамика

пьезопленка

0,0002

3

пьезопленка

пьезокерамика

0,0002

4

пьезопленка

пьезопленка

0

     Как видно из этой таблицы, пьезопленка как в режиме излучения, так и в режиме приема не намного уступает по эффективности пьезокерамике, но это касается тех случаев, когда пленка работает в паре с керамикой. В случае пары пленка-пленка коэффициент передачи оказывается столь малым, что полезный сигнал на выходе выделить на фоне помех не удается. В связи с этим у меня возникла гипотеза, состоящая в том, что пьезопленка излучает один тип упругих колебаний, а принимает другой, ортогональный излучаемому.
     Для проверки этой гипотезы несколько усложним эксперимент, с помощью которого мы наблюдали эффекты монохроматора и АРП. Для этого в установке, изображенной на рис.VI.2 приемный преобразователь 5 заменен на комбинированный аэп, содержащий одновременно и керамику, и пленку так, как это показано на рис.VI.6.



Рис.VI.5.

     Подавая теперь на два входа двухканального осциллографа сигналы с этих двух пьезоэлементов, увидим на частоте f0 изображение, подобное приведенному на рис.VI.4. При этом с пьезопленки будет снят сигнал, подобный сигналу а, а с пьезокерамике - подобный сигналу б. Особенность наблюдаемых сигналов заключается в том, что при наблюдении эффекта АРП с помощью такого комбинированного аэп, при частоте зондирующего сигнала, равной собственной частоте прозвучиваемой пластины-резонатора f0 (то есть на резонансе), исчезает только тот сигнал (средняя часть его, как это показано на рис. VI.3), который снимается с пьезокерамики. Амплитуда же сигнала, снимаемого с пьезопленки, на изменение частоты вблизи прохождения через резонанс не реагирует.
     Следовательно, пленка и керамика в режиме приема реагируют на различные составляющие поля упругих колебаний.
     Оба сигнала, снимаемые с комбинированного аэп, существуют одновременно. Они совершенно синхронны друг другу, и момент их прихода соответствует скорости, близкой к скорости объемных волн. При наличии или отсутствии образца между преобразователями момент прихода сигналов, естественно, смещается, но синхронность сигналов, снимаемых с пьезопленки и с пьезокерамики сохраняется. При этом вблизи частоты монохроматора fмх оба сигнала одинаково увеличиваются, в соответствии с эффектом монохроматора. Следовательно, получается, что, с одной стороны, оба сигнала соответствуют объемным волнам, а с другой, что объемные волны, оказывается, имеют две взаимно ортогональные составляющие.
     В работе [17] было предложено называть эти составляющие продольной и поперечной. Поперечная и продольная составляющие объемных упругих волн - звучит непривычно, но такая картина представляется более логичной, чем общепринятое утверждение о том, что при распространении объемных волн имеет место исключительно продольное смещение колеблющихся частиц. Думается, что если бы это было так, такие волны нельзя было бы назвать объемными. Если же представить себе объемный процесс как распространение совокупности пульсирующих сфер, то существование как продольной, так и поперечной его составляющих становится просто необходимым.
     И все же сейчас мне кажется, что это предложение было неправомерным. Вряд ли целесообразно так конкретизировать выявленные составляющие объемного упругого процесса, не имея по-прежнему соответствующего аппаратурного обеспечения. Думается, что пока нет возможности определить более конкретно действительную структуру этих составляющих, правильнее будет просто присвоить им соответствующие индексы. Обозначим составляющую, регистрируемую пьезокерамикой, индексом с (по-английски, ceramics) , а пьезопленкой - индексом p (по-английски пленка - pellicle).
     Во всяком случае, наличие двух взаимно ортогональных составляющих объемных волн показывает, что упоминание о поперечной их составляющей является не таким уж и нонсенсом.
     Различие в свойствах с и p -волн пока что видно только в следующем. Наблюдая эффект АРП с помощью комбинированного пленочно-керамического пьезоприемника, мы видим, что в преобразовании в собственный колебательный процесс участвует только с - составляющая объемного процесса. p-составляющая в процессе этого преобразования не участвует.
     В соответствии с вышеизложенным в этом же параграфе, пьезопленочный преобразователь излучает один тип упругих колебаний, а реагирует в режиме приема на другой, ортогональный излучаемому им. И если он принимает p-составляющую объемных волн, то излучает, получается, с-составляющую. Пьезокерамика, исходя из той же логики, принимает лишь ту составляющую, которая участвует в формировании эффекта АРП, то есть с-волны, а излучает обе составляющие объемных вон.
     Здесь очень важным является следующий момент. В самом начале раздела VI было заявлено, что отсутствие датчиков базисных параметров поля упругих колебаний является основанием того, что будет неправомерным делать какие-то выводы не то что о свойствах, но даже о существовании тех или иных типов волн. А в конце того же параграфа, по-прежнему не имея этих датчиков, мы, тем не менее, делаем выводы о существовании различных типов волн и о способах их регистрации. Имеем ли мы на это право?
     Дело в том, что мы не претендуем на то, чтобы характеризовать составляющие объемных волн траекториями смещения колеблющихся частиц, а предлагаем совершенно другой подход, который выглядит следующим образом:

  1. p-волны являются такой частью объемных волн, которая может быть зафиксирована пьезопленочным аэп, и не может быть зафиксирована пьезокерамическим;
  2. c-составляющая объемных волн ортогональна p-волнам в том смысле, что может быть зафиксирована пьезокерамическим аэп и не может - пьезопленочным;
  3. Обе эти составляющие (c и p) распространяются с одинаковой скоростью, равной скорости распространения упругого процесса.

     Далее, с-составляющая при наличии соответствующих условий (при наличии слоя-резонатора) преобразуется в собственный колебательный процесс, который идет на сдвиговых волнах. Обозначим сдвиговые волны индексом sh (сдвиг - shear).
     Разделение и наблюдение в отдельности с и p-волн возможно только при нормальном падении плоского (или аппроксимируемого плоским) фронта на плоскую поверхность аэп.
     Здесь получается как бы два типа ортогональности. Первая - это взаимная ортогональность c и p-волн, распространяющихся в одном направлении, но регистрируемых различными аэп. Вторая - ортогональность с и sh-волн, распространяющихся во взаимно ортогональных направлениях. Рассматривать взаимное соответствие p и sh-волн, думаю, не имеет смысла, поскольку они не взаимодействуют: в sh-процесс преобразуется только c-составляющая объемных волн.
     С помощью рис. VI.6 рассмотрим более подробно схему, приведенную на рис. II.9, применительно к случаю исследования поля упругих колебаний с помощью аэп.

     По мере прохождения акустического сигнала, обусловленного наличием источника, через исследуемый объект и через звукопроводящую часть аэп, структура поля упругих колебаний, определяемая соотношением между c и p-составляющими объемных волн, изменяется в зависимости от характера звукопроводности как исследуемого объекта, так и самого аэп.
     Поскольку c и p-составляющие объемных волн взаимно ортогональны, суммарное поле должно рассматриваться на комплексной плоскости так, что:

     Поле в точке 0    ;

               в точке 1   ;

               в точке 2   .

     Коэффициент передачи акустического сигнала от источника до точки приложения аэп К1 определяется звукопроводностью исследуемого объекта:

 (VI.8)

     В дальнейшем коэффициент передачи акустического сигнала будем называть звукопроводностью. Как видно из выражения (VI.8), звукопроводность является комплексной величиной, мнимая часть которой обращается в нуль при условии:

      (VI.9)

     То есть когда на входе и на выходе звукопроводящего объекта не изменяется соотношение с и p-составляющих объемных волн. Это происходит тогда, когда материал объекта не содержит приповерхностных зон, обладающих реактивной звукопроводностью.
     Таким образом, материалы, объекты из которых являются резонаторами, можем называть материалами с комплексной звукопроводностью, а материалы ряда оргстекла и полиэтилена - материалами с активной звукопроводностью. Первоначально, в публикациях, сделанных до 1992 г, было предложено звукопроводящие среды делить по этому принципу на активные и пассивные, но такое деление себя не оправдало, поскольку, как оказалось, одна и та же среда может при различных условиях менять характер своей звукопроводности. Поэтому в дальнейшем будем различать не среды, а типы их звукопроводности.
     Выявленные выше два вида ортогональности (c-p и c-sh) можно представить себе следующим образом. c-p ортогональность обусловлена комплексным характером поля упругих колебаний, то есть объемных волн, а c-sh ортогональность - комплексным характером звукопроводности конкретных объектов. с и p-составляющие поля существуют независимо друг от друга и не взаимодействуют между собой, тогда как наличие sh-проводимости уменьшает с-составляющую проводимости.
     Вернемся к схеме, изображенной на рис. VI.6.
     Коэффициент звукопроводности аэп K2 характеризует ту часть конструкции преобразователя, через которую звуковой поток проходит прежде, чем происходит преобразование акустического сигнала в электрический. В случае пьезопленочного аэп при условии отсутствия каких-либо элементов конструкции между точками (1) и (2) K2=1. В случае пьезокерамического аэп даже при отсутствии элементов конструкции между прозвучиваемым объектом и пьезокерамикой K2, в общем случае, не равен единице, и содержит реальную и мнимую составляющие, так как звукопроводность пьезокерамики сама по себе имеет комплексный характер.
     Поле в точке (2), а точнее было бы сказать, в зоне акустоэлектрического преобразования, определяется следующим образом:

      (VI.10)

     В случае применения пьезопленочного аэп величина электрического напряжения на его выходе U определяется величиной , а в случае применения пьезокерамического - .

     Рассматривая влияние звукопроводности аэп на характер поля в точке (2), можно понять причину искажений сигнала, описанных в параграфе V.1, при наличии у величины К2 мнимой составляющей.
     Для этого умножим на К2 поле в точке (1):

  (VI.11)

     При наличии мнимой составляющей звукопроводности аэп при использовании пьезокерамики возможны ситуации, когда  = 0, то есть в спектральном изображении сигнала могут возникнуть дополнительные минимумы, а следовательно, и максимумы, что эквивалентно увеличению количества наблюдаемых гармонических составляющих по сравнению с реально существующими. Вследствие этого, кроме того, возникают смещения по частоте реально существующих экстремумов. Что мы и видели при исследовании стеклянного шара с помощью пьезокерамического аэп.
     При использовании пьезопленки мнимая составляющая звукопроводности аэп возникает, если в составе его конструкции имеются материалы с комплексной звукопроводностью, и это также приводит к искажениям спектрального изображения анализируемого сигнала, но к искажениям другого рода, поскольку в нуль обратиться не может.
     Для того же, чтобы электрический сигнал, снимаемый с аэп не был искажен относительно сигнала акустического, следует не только применять пьезопленку, но и заботиться о том, чтобы звукопроводность аэп К2 имела чисто активный характер.


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: