Metod_LR_EAP

Лабораторна робота № 4

Детальне ознайомлення з методами контролю коливальних систем п’єзокерамічних циліндричних перетворювачів на наявність дефектів.

Придбання практичних навиків застосування цих методів

Мета роботи

1.Ознайомлення з механічними параметрами перетворювачів. Вивчення методів їх контролю.

2.Придбання практичних навиків застосування методів по п.1 шляхом виконання робіт по контролю механічної коливальної системи циліндричних перетворювачів на наявність дефектів в конкретних зразках.

Завдання 1 (2 години)

1.З’ясувати і визначити технічну суть і визначення механічних параметрів п’єзокерамічних перетворювачів.

2.Вивчити методи контролю механічних параметрів зразків перетворювачів. Ознайомитися з інструкціями застосування необхідних вимірювальних приладів.

3.Скласти письмовий звіт згідно з вимогами ЄСКД.

Зміст технічного звіту по завданню №1

1.Письмовий виклад технічної суті механічних параметрів перетворювачів.

2.Письмовий виклад:

1)методу контролю коливальної системи циліндричних зразків на наявність дефектів;

2)методу контролю наявності дефектів в неармованих п’єзокерамічних блоках перетворювачів шляхом аналізу спектра вільних коливань. Виклад включає:

-структури вимірювальних схем; -вимірювальну апаратуру і її призначення;

-алгоритми вимірювання і обробки результатів.

Завдання №2 (2 години)

1. Придбати практичні навики застосування методу контролю механічної коливальної системи циліндричних перетворювачів на наявність дефектів. Для цього:

1.1.Базуючись на знаннях, одержаних при виконанні завдання 1, вибрати вимірювальні прилади.

1.2.Зібрати вимірювальний стенд.

1.3.Обміряти подані зразки.

1.4.Виконати обробку одержаних експериментальних даних.

1.5.Скласти письмовий технічний звіт.

31

Зміст технічного звіту по завданню №2

1.Письмово викласти результати робіт по п.п. 1.1-1.4.

Література

1.Подводные электроакустические преобразователи: Справочник/Под ред. В.В. Богородского.–Л.: Судостроение, 1983.–248с.

2.Орлов Л.В., Шабров А.А. Гидроакустическая апаратура рыбопромыслового флота. –Л.:Судостроение, 1987.–2с.

3.Технические описания измерительных приборов: генератора, вольтметра.

Теоретичні положення

1.Механічні величини п’єзокерамічного перетворювача

ξ– коливальна швидкість, м/с;

ам – акустико-механічний ККД. Дорівнює 0,7-0,8 для перетворювачів з малими втратами (конструкції заповнені повітрям) і 0,5-0,6 – для конструкцій, заповнених мастилами;

z, r, x, rм.вт. – повний, активний, реактивний опір і опір механічних втрат, кг/с; rs, xs – активний і реактивний опір випромінювання, кг/с.

32

2.Механічна міцність перетворювачів

Впроцесі експлуатації на перетворювач діють як статичні, так і динамічні (знакозмінні) навантаження. Виникаючі при цьому механічні напруження в активних елементах перетворювачів є сумою всіх діючих напружень.

До динамічних напружень відносяться напруження, які виникають і циклічно змінюються при роботі перетворювача в режимі випромінювання.

Динамічні напруження зумовлені циклічно змінюваною деформацією коливальних систем перетворювачів при випромінюванні ними акустичної енергії, розігрівом перетворювачів та кавітаційними явищами, які супроводжують випромінювання звуку в навколишнє середовище. Максимальні механічні напруження, які збуджуються у випромінювачі, залежать від питомого опору п’єзокераміки, ступеню навантаження випромінювача і тих форм коливань, які в ньому використовуються. Їх амплітудне значення дин на

будь-якій частоті можливо розрахувати, виходячи із закону Гука, значення зміщення та еквівалентної електромеханічної схеми перетворювача:

механічного резонансу; f – змінювана частота; Wпит – питома потужність перетворювача; (рс)к і (рс)с – питомі хвильові опори п’єзокераміки і середовища відповідно; α – безрозмірний коефіцієнт активної складової опору випромінювання перетворювача; kдинi – коефіцієнт, що залежить від форми

коливань, тобто типу механічної коливальної системи перетворювача. Розрахунки наведених механічних напружень дозволяють оцінити динамічну міцність перетворювача. Динамічна міцність – це опір перетворювача, зокрема його найбільш уразливої частини – п’єзокераміки знакозмінному механічному напруженню. Для збільшення динамічної міцності перетворювача в його активному елементі заздалегідь створюють сталі стискуючі напруження – напруження армування.

До статичних напружень відносять механічні напруження, які створюються статичним тиском, імпульсними діями та флуктуаціями температури зовнішнього середовища, а також армуванням перетворювача.

Статичну міцність активного елемента перетворювача характеризує властивість чинити опір розриву при дії постійних розтягуючих зусиль. Кількісною мірою статичної міцності є межа міцності – максимальне напруження розтягування роз , яке даний матеріал витримує. Особливість

п’єзокерамічних складів полягає в тому, що міцність їх на стиснення, на порядок вища міцності на розтягування. Таким чином, статичні і динамічні напруження, що виникають в п’єзокераміці, не повинні перевищувати

33

відповідної межі роз . Наявність пор, тріщин, не проклеєних місць в

з’єднувальних швах знижує міцність перетворювачів.

П’єзокераміка є крихким матеріалом з великою кількістю випадкових дефектів, що утворюються при спіканні. Ці особливості обумовлюють великий розкид міцністних характеристик п’єзоелементів, їх залежність від розмірів (масштабний ефект міцності). При тривалій дії як статичних, так і циклічно змінних напружень в об’ємах п’єзокераміки накопичуються випадкові ушкодження, які залежать від діючих в цих об’ємах напружень і випадкових значень їх меж міцності. Аналіз працездатності активних елементів при наявності ушкоджень показує, що їх оцінка міцності здійснюється, виходячи із передумови однозначного зв’язку між руйнуванням активного елементу і розвитком хоча б одної наскрізної тріщини в любому із п’єзоелементів, із яких його набрано. З іншої сторони багаторічна практика показала, що найбільш вірогідними причинами механічного руйнування перетворювачів є наявність прихованих дефектів в елементах армування і активних елементах, наприклад, непроклеїв, тріщин, гострих кромок і т.п.

Відомо, що неоднорідна механічна коливальна система має багато резонансів порівняно з однорідною монолітною системою. Саме ця особливість і покладена в основу електромеханічної перевірки стану резонансів механічної коливальної системи. Розглянемо існуючи методи такої перевірки.

3.Методконтролюколивальноїсистемициліндричних п’єзокерамічнихзразківнанаявністьдефектів

3.1.Область поширення методу.

3.1.1.Метод контролю поширюється на секційовані зразки, що працюють на пульсуючій моді коливань, а так само на декількох формах, включаючи пульсуючу.

3.1.2.Всі зразки необхідно перевіряти на пульсуючій моді коливань.

3.1.3 За бездефектний зразок вибирають такий, форма осцилограми вільних коливань якого має вид монотонно затухаючих синусоїд.

3.2.Схема установки.

3.2.1. Для реєстрації вільних коливань механічної системи зразка слід застосовувати схему приведену на рис. 4.1.

Рис. 4.1Схема установки

3.2.2. За допомогою імпульсного генератора збуджують механічні коливання зразка. По характеру осцилограм вільних коливань визначають механічний стан коливальної системи.

34

3.2.3. Перелік вимірювальної апаратури приведений в рекомендованому додатку 3. Для реєстрації форм вільних коливань зразка можна застосовувати будь-який осцилограф з мінімальною тривалістю 1 мкс.

3.3. Проведення контролю.

3.3.1Коротким відеоімпульсом від імпульсного генератора викликати вільні механічні коливання зразка, які трансформуються п’єзоефектом в електричну напругу і реєструються на екрані осцилографа.

3.3.2Експериментально встановити таку частоту проходження імпульсів, при якій кожен наступний імпульс збуджує зразок практично після згасання вільних коливань.

3.3.3Встановити тривалість імпульсів, достатню для розгойдування зразка, тобто таку, при якій створюється достатньо інтенсивний коливальний процес. При цьому на екрані осцилографа повинна спостерігатися стала осцилограма вільних коливань.

Примітка. Контроль однотипних партій зразків слід проводити при постійній амплітуді вихідного імпульсу і його тривалості.

3.4. Критерії відбраковки.

3.4.1Дефектність зразка встановлювати по ступеню відхилення форми осцилограми його вільних коливань від форми коливань осцилограми коливань бездефектного зразка.

3.4.2Для контролю у виробництві партії однотипних зразків необхідно виготовити на прозорому матеріалі шаблон, що представляє собою сімейство кривих, характерних для огинаючих монотонно затухаючих синусоїд, бездефектних зразків. Сітка кривих повинна заповнювати все поле шаблону, що має розміри відповідні розмірам екрану осцилографа.

3.4.3Зразок шаблону повинен додаватися до технічної документації на зразок (рис.4.2).

Рис. 4.2 Зразок шаблону

3.4.4 Шаблон необхідно прикріпити до екрану осцилографа, осцилограму вільних коливань контрольованого зразка візуально порівнювати з шаблоном.

3.4.5. Придатним вважати зразок, вершини всіх синусоїд осцилограми якого не виходять за межі поля двох сусідніх кривих шаблону.

Деякі типові осцилограми форм вільних коливань циліндричних зразків, що мають певні механічні дефекти, приведені в додатку 4. При цьому вершини перших трьох синусоїд встановити в центрі поля допуску.

У відповідній графі контрольного паспорта відзначають знаком «плюс» зразки, що пройшли дану перевірку.

35

4.Методаналізуспектрувільнихколивань.Контрольнаявностідефектів неармованихп’єзокерамічнихзразків

4.1.Область поширення методу

Метод аналізу поширюється на п’єзокерамічні зразки, спектр власних частот яких fi задовольняє умові 1,2 fi 1 fi 0,8 fi 1

Метод служить для виявлення дефектів механічної системи активних елементів зразків, що впливають на спектр вільних коливань зразка.

4.2. Для реєстрації спектру вільних коливань механічної системи зразків застосовують схему, приведену на рис. 4.3

Перелік приладів наведено в додатку 3.

Рис. 4.3 Часові або частотні залежності електричної напруги на виході кожного блоку схеми

4.3.Опір резистора R (рис. 4.3) вибирають з умови R 10 Zi , де Zi –

модуль повного опору контрольованого зразка на i-й власній частоті. З іншого боку, повинна дотримуватися нерівність R 0,1 Rвх , де Rвх – вхідний опір аналізатора спектру.

4.4.Порядок і методика налаштування апаратури приведені у відповідних технічних описах і інструкціях з експлуатації.

4.5.Підготовкадо контролю.

4.5.1.Контроль здійснюють в ненавантаженому стані електроакустичного зразка (в повітрі), підключеного до схеми контролю.

4.5.2.На генераторі відеоімпульсів встановлюють вказані в «Інструкції по контролю» кожного конкретного виробу частоти повторення Fповт амплітуди імпульсу U і його тривалості τ на кожній власній частоті fi . При цьому

тривалість імпульсу розраховують із співвідношення 1,5 на кожній власній fi

частоті.

4.5.3. На аналізаторі спектру встановлюють центральну частоту, рівну fi , на якій проводиться контроль. Встановлюють кнопки «смуга пропускання» і «смуга огляду» в положення, вказані в «Інструкції по контролю» на частоті fi .

36

4.5.4.Для перевірки працездатності схеми вимірюють часові характеристики напруг U1(t) U2(t), U3(t) (рис.4.3) за допомогою допоміжного осцилографа 6.

4.5.5.За допомогою ручки плавного регулювання амплітуди генератора відео-імпульсів і допоміжного осцилографа 6 встановлюють таку величину відеоімпульсу, щоб амплітуда вільних коливань на другому періоді дорівнювала величині обмеженого відео-імпульсу.

4.6. Проведення контролю.

Рис.4.4 Спектр власних коливань зразку а) справною б) з дефектом

4.6.1.На екрані аналізатора спектру реєструють спектр вільних коливань на кожній власній частоті fi типу, показаного на рис. 4.4.

4.6.2.Вимірюють наступні параметри спектру:

–амплітуда спектру Аі;

–немонотонності спектрів i по наявності додаткових максимумів

A

i Ai i

–резонансні частоти fi ,

–ширину спектру F на рівні 0,7.

4.6.3. Відлік амплітуд Ai здійснюється за показами ручок децибельників аналізатора спектру при установці амплітуди спектру в положення «10» (максимальне).

4.7.2.У випадку, якщо одержане відхилення перевищує допустиме відхилення, вказане в «Інструкції по контролю», виріб вважають дефектним.

4.7.3.Результати контролю оформляють у вигляді таблиці:

37

Додаток 3.

Таблиця 5. Метод контролю цілісності коливальної системи циліндричних п’єзокерамічних зразків.

Перелік приладів

39

Додаток 4.

Таблиця 7. Осцилограми форм вільних коливань зразків, що мають типові дефекти

1.Дефекту немає

2.Непроклей на твірній п’єзокерамічного зразка на 14h

3.Непроклей на твірній п’єзокерамічного зразка на 12h

4.Непроклей на твірній п’єзокерамічного зразка на 34h

5.Повний непроклей на твірній

п’єзокерамічного зразка

40