Физика и практика спектральной сейсморазведки

II.3. Свойства пьезоэлементов

     Использование прямого и обратного пьезоэффекта позволяет реализовать преобразователи как акустоэлектрические (аэп), так и электроакустические (эап). То есть с помощью аэп получать информацию в виде электрического сигнала о наличии сигнала акустического, а с помощью эап получать сигнал акустический путем электрического его возбуждения. Тот факт, что пьезопреобразователь является обратимой системой (то есть может быть одновременно и аэп и эап), дает возможность выявлять некоторые его параметры. В частности, наиболее существенную для нас, его АЧХ, а в конечном итоге, его колебательную характеристику.
     На рис. II.16 приведена схема, позволяющая оценить собственную колебательность пьезоэлементов.
     Короткий электрический импульс (настолько короткий, чтобы мы могли относиться к нему как к -функции) возбуждает в исследуемом пьезоэлементе все характерные для него собственные колебательные процессы, которые, в свою очередь, вызывают появление соответствующего электрического сигнала. Анализируя с помощью регистрирующего устройства этот электрический сигнал, мы можем охарактеризовать возникшие в пьезоэлементе (или в конструкции преобразователя, содержащего пьезоэлемент) собственные колебательные процессы. Конденсаторы С₁ и С₂ обеспечивают электрическую развязку между элементами схемы и предотвращают шунтирование исследуемого пьезоэлемента низкоомным источником короткого электрического импульса.

На рис. II.17 показано временнóе (а) и спектральное (б) изображение сигнала, полученного при использовании схемы, приведенной на рис.II.16. Исследуемый пьезоэлемент – пьезокерамический диск диаметром (d) 128 мм и толщиной (h) 19 мм. Материал – титанат бария. Два характерных экстремума на спектрограмме свидетельствуют о том, что пьезокерамический диск является колебательной системой с двумя собственными частотами. Наличие двух гармонических составляющих соответствует двум размерам объекта. То есть подобный пьезоэлемент является эквивалентом двум колебательным системам, собственная частота каждой из которых f₀ связана с соответствующим размером так, что:

по диаметру f_0-d = 25 кГц;
по толщине f_0-h = 150 кГц.

Необходимо отметить, что начала обоих процессов не плавные, а удароподобные. Это имеет место потому, что электрическое возбуждение пьезокерамики подобно возбуждению механическому при совпадении формы фронта возбуждающего воздействия с формой соответствующей поверхности объекта.

Наличие выявленной таким образом собственной колебательности пьезокерамического диска свидетельствует о том, что подобный элемент не может быть использован в качестве аэп при спектрально-акустических измерениях.
На рис. II.18 показан сигнал, полученный подобным же образом, но при пленочном пьезоэлементе.

     На временнóм изображении сигнала видно, что возбуждающий импульс (а), точно такой же, как использовался для возбуждения пьезокерамики, искажен только за счет емкостного характера электрического сопротивления пьезопленки. Об этом свидетельствует его длительный спад (б). Собственная же колебательность пьезопленки отсутствует.
     Следовательно, применение пьезопленки для аэп при проведении спектрально-акустических измерений предпочтительнее, чем пьезокерамики.
     Рассматривая свойства пьезоэлементов, мы, к сожалению, никак не можем дать достаточно объективную характеристику их эффективности, то есть, соответственно, акустоэлектрического (_а-э) и электроакустического (_э-а) коэффициентов преобразования. Объективная характеристика их не может быть получена потому, что, как уже говорилось, отсутствует возможность аппаратурно оценить уровень поля упругих колебаний. Кроме того, при составлении встречающихся в многочисленных справочниках таблиц параметров пьезоматериалов, не учитывалась собственная колебательность пьезокерамики, и поэтому не представляется возможным использовать эти таблицы даже для сравнительной оценки различных пьезоэлементов.
     Чтобы иметь хотя бы сравнительную характеристику пьезоэлементов, поступим следующим образом. Будем количественно характеризовать не единичный преобразователь, а четырехполюсник, изображенный на рис. II.19.

Оба преобразователя помещены в резервуар с звукопроводящей жидкостью (масло, вода) на расстоянии l друг от друга. Эта лабораторная установка представляется элементарно простой, однако без учета целого ряда факторов с ее помощью можно попасть в множество заблуждений.
Так, для начала отметим, что амплитудно - частотная характеристика коэффициента передачи K_эп такого четырехполюсника, равного отношению U₂/U₁, столь неравномерна, что отношение максимального экстремума к минимальному может превышать 10³.

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