Передаточная функция преобразователя

Пьезопластина является основным чувствительным элементом ПЭП. Она электрически соединена с генератором и приемником прибора, а механически – с другими элементами преобразователя: демпфером, протектором, призмой.

В связи с этим возникает необходимость характеризовать свойства ПЭП как целого узла с точки зрения эффективности излучения и приема акустических волн. Такими характеристиками служат комплексные передаточные функции, определяющие связь электрических и акустических сигналов.

Передаточной функцией называют зависимость комплексного отношения сигнала на выходе преобразователя к сигналу на его входе от частоты при определенной электрической и/или акустической нагрузке. Различают передаточные функции режимов излучения, приема и двойного преобразования. В общем случае комплексную передаточную функцию можно записать в виде

. (1.21)

Модуль передаточной функции называется коэффициентом преобразования.

Передаточную функцию при излучении определяют как отношение давления (механического напряжения, колебательной скорости) излученной волны к электрическому напряжению (току) возбуждающего генератора, а передаточную функцию при приеме – как отношение электрического напряжения на приемнике к давлению (механическому напряжению) падающей акустической волны. Указанные функции зависят от частоты сигнала. Вместо давления иногда используют смещение, а вместо электрического напряжения – ток. Для совмещенных ПЭП или пары раздельных преобразователей (излучателя и приемника), которые используют для контроля методами отражения и прохождения, вводят передаточную функцию двойного преобразования .

Для решения большинства практических задач используют частные характеристики, следующие из передаточной функции, такие как коэффициент преобразования, рабочую частоту, полосу пропускания.

Коэффициент преобразования – максимальное значение модуля передаточной функции.

Рабочая частота – частота, соответствующая максимуму передаточной функции.

Полоса пропускания – частотный диапазон, в котором передаточная функция уменьшается не более чем на 6 дБ от максимума.

Определим коэффициент преобразования в режиме излучения, приема и двойного преобразования.

В режиме излучения входными параметрами являются электрическое напряжение либо ток; выходным – нормальное давление (либо механическое напряжение, колебательная скорость). Эти величины можно рассматривать в точке рабочей поверхности преобразователя или на каком-то принятом расстоянии от нее. Введем обозначения:

– электрическое напряжение на генераторе;

– ток возбуждающего генератора;

– нормальное давление на поверхности преобразователя.

На практике в режиме излучения наиболее часто используются следующие коэффициенты преобразования:

, . (1.22)

В режиме приема входными параметрами являются механическое напряжение, давление, смещение или колебательная скорость, а выходными – электрическое напряжение, сила тока. Для характеристики режима приема используют обозначения :

– электрическое напряжение на генераторе;

– ток возбуждающего генератора;

– нормальное давление на поверхности преобразователя.

В этом случае обычно используют следующие коэффициенты преобразования

, . (1.23)

Для режима двойного преобразования (излучения-приема) входными сигналами являются и , а выходными – и . В общем случае режим двойного преобразования характеризуют четыре коэффициента преобразования:

, , , . (1.24)

Коэффициент двойного преобразования можно определить через коэффициенты преобразования в режимах излучения и приема:

. (1.25)

Коэффициент двойного преобразования зависит от большого числа факторов: характеристик материала пьезопластины, параметров внешней электрической цепи, геометрии преобразователя и др. Изменяя эти факторы, можно регулировать значение коэффициента двойного преобразования и, следовательно, управлять чувствительностью. При этом следует учитывать, что в общем случае акустический импульс, проходя через среду, испытывает как ослабление, так и затухание, что влияет на величину коэффициента преобразования.

Задача о расчете электроакустического тракта УЗ-дефектоскопа заключается в определении коэффициента двойного преобразования. Эта задача решается с учетом эффектов ослабления и затухания ультразвука в контролируемом изделии.