Aau(co)=^Kuu(co)-10 1g [tfZn (со) (К Su )2]; (11)
Киа (со) = у-Кии (со) + 10 lg [HZl3 (w) (Киа )-2], (12)
где Кии (со) — амплитудно-частотная характеристика, дБ;
Z„.3 — электрическое сопротивление ПЭП, Ом; KSuiua) — опорный уровень, Киа =1 B/Па; (KSu =1 Па/В); Н — параметр взаимности, равный Н'^г ; a't — коэффициент затухания звука; в материале нагрузки на частоте мм-1.
При измерении Кии в теневом варианте с использованием двух дополнительных ПЭП, значения каждого Кии вычисляют по фор
муле Кии = Кии (1,6)+Кии {І, і)—Кии
где і, k, 1—1, 2, 3; Kuti —коэффициент преобразова
ния Кии і-го ПЭП, дБ; Кии (і,6)=і7*п—— коэффициент преобразования преобразователей с номерами і и k, измеренный в теневом варианте. £7*п — амплитуда напряжения эхо-импульса 1-го ПЭП, дБ; ики•—амплитуда импульса возбуждения 6-го ПЭП, дБ..
Значения Н' вычисляют по формуле Н' = Нал- 10-н/2°, где Нпл = 2 S/qu; 5 — плошадь рабочей поверхности ПЭП, м2; q — плотность материала нагрузки, кг/м3; v — скорость звука в материале нагрузки, м/с. Значения Н для прямых ПЭП, нагруженных на воду, органическое стекло, алюминиевый сплав Д16Т, сталь 45, приведены в черт. 16—20 для различных значений безразмерных параметров:
6a = 2n/‘a/u; kz=2nflz/v, (13)
где — частота, Гц; а — радиус (или половина стороны квадрата) пьезопластины, м; z — путь, пройденный акустическим сигналом в нагрузке, м.
Когда конструкция ПЭП или материал акустической нагрузки не позволяют воспользоваться для вычисления параметров взаимности черт. 16—20, значения Н должны быть указаны в технических условиях на конкретный тип ПЭП.
Максимальные значения Kou(uc) (и), измеренные по п. 2.5.2, являются коэффициентами преобразования Kau(ua) > а соответствующие частоты являются частотами /фщи<я-
Значения параметра взаимности Н для ПЭП с круглой пьезопластиной, нагруженного на воду
/_fta=10; 2-fca=15; 3-fta=20; 4-ka=25; 5-ka=30; 6 - ka=35-: 7-Aa=40; 8-ka=50- s-ka=60- 10—ka=70-, ll—ka=30; 12—ka=90; 13—Aa=100; 14—ka= = 150; 15—fca=160—400; 16—fca=500— '”"0
Черт. 16Значения параметра взаимности Н для ПЭП с
квадратной пьезопластиной, нагруженного на воду
О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0000 5500 Кг
—200 400
Черт. 17
Значения параметра взаимности И для ПЭП
с круглой пьезопластиной, нагруженного на
органическое стекло
=6,0; S—*c=7,5; 9—*а=10,0; 10—*а = 12,5; //—*а=15,0; /2—*а=20,0; 13— fe$=35
Значения параметра взаимности Н для ПЭП с
круглой пьезопластиной, нагруженного на
алюминиевый сплав Д16Т
Черт. 19
Значения параметра взаимности Н для ПЭП с круглой пьезопластиной, нагруженного на сталь 45
= 16,0; 8—Аа=18,0; 9—Аа=20,0; 10—*а=22,0; 11—/га=26,0; 12—ka=30,0; 13— fea=40,0; 14—ka=60,0—120,0
Ширину полосы пропускания Afauiuo). МГц, вычисляют по формуле
AfoU(Ua) = faU(Ua)—faU(Ua) . (14)
ГДЄ faU(Ua) , f oU(Ua) —СООТВЄТСТВЄННО ВерХНЯЯ И НИЖНЯЯ границы интервала частот, МГц, включающего в себя f aU(ua) . на которых /^ои(иа) (ч') принимает значения на уровне минус 3 дБ.
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики Bauiua) > МГц, вычисляют по формуле
B
aU(Ua) “A cU(Ua) —AoU(Ua) »
где /Саил(тах) > ЛїїаП(max) —минимальные (максимальные) значения Kav (to), Киа (to), соответственно, в рабочей области частот ПЭП.
С целью повышения производительности измерений определение параметров foU(Ua) , A/ouiua) > ^avtua) может быть выполнено с помощью диэлектрических преобразователей, как указано в приложении 3, а определение KaU(Ua) , faU(Ua) — методом сравнения с ПЭП того же типа, параметры которого измерены по пп. 2.5.1—2.5.3.
В этих случаях допускается измерение К ua(au) выполнять на частоте, равной номинальному значению /ши.
Метод измерения времени распространения звука В ПрИЗМе Тпр.
Аппаратура
Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на черт. 1.
Электронный блок УПНК, акустические нагрузки и стандартные образцы должны соответствовать пп. 1.9, 1.11 и табл. 1, осциллограф — п. 2.1.
Подготовка и проведение измерений
Измерение Тпр следует проводить с использованием трех однотипных ПЭП. Один из них подключают к генератору, а второй — к приемнику УПНК. Устанавливают прямые совмещенные ПЭП, как показано на черт. 21а, раздельно-совмещенные ПЭП и наклонные ПЭП — на черт. 216. Притирая рабочие поверхности ПЭП и перемещая ПЭП один относительно другого, добиваются получения максимального значения сигнала на экране приемника. С помощью осциллографа измеряют интервал времени между импульсом возбуждения и принятым сигналом. Повторяют указанные операции, используя первый и третий, а также второй и третий ПЭП. Время распространения звука в призме определяют по формуле
Ті 2 (Тік“ЬТіт Tkrn) I
(16)
где ті — время распространения звука в призме t-ro преобразователя, мкс; тік — измеренный в микросекундах интервал времени при использовании в качестве излучателя 1-го и приемника k-ro ПЭП; т, і, k равны 1, 2, 3.
Если выполняются условия:
наклонные раздельно-совмещенные ПЭП имеют одинаковые номинальные геометрические размеры призм;
наклонные ПЭП имеют номинальные значения тПр>2тн, где Тн — время распространения звуковых волн в акустической нагрузке, соответсвующей черт. 3;
импульс возбуждения не маскирует эхо-импульс от свободной грани призмы прямых совмещенных ПЭП — измерения Тпр следует проводить следующим образом. Подключают измеряемый ПЭП к УПНК и устанавливают его на акустическую нагрузку или стандартный образец, как указано в п. 2.1.2. Схема расположения наклонных ПЭП для возбуждения объемных волн должна соответствовать черт. 22. Акустической нагрузкой для прямых ПЭП с призмой (акустической задержкой) и наклонных раздельно-совмещенных ПЭП служит воздух. Притирают ПЭП к нагрузке и добиваются получения максимальной амплитуды эхо-сигнала, как указано в п. 2.1.2.
От генератора От генератора От генератора
К приемнику аО
/—первый ПЭП; 2—второй ПЭП; .3—призма первого ПЭП; 4-приз- ма второго ПЭП
Черт. 21
* УПНК ПЭП
Акустическая нагрузка
Измеряют по экрану осциллографа для раздельно-совмещенных и прямых ПЭП с призмой временной интервал в микросекундах между импульсами возбуждения и первым эхо-импульсом от рабочей поверхности призмы; для наклонных ПЭП — между импульсом возбуждения и первым и вторым эхо-импульсами. Полученное значение интервала для раздельно-совмещенных и прямых ПЭП с призмой является удвоенным временем распространения звука в призме тпр. Время распространения звука в призме тпр, мкс, для наклонных ПЭП определяют по формуле
тпр= (Зті— т2), (17)
где Т1 (т2) — временной интервал между импульсом возбуждения и первым (вторым) эхо-импульсом от отражателя, мкс.
Метод измерения угла ввода а (а') и его отклонения от номинального значения, ширины диаграммы направленности 0|(2), уровня боковых лепестков N& иммерсионных ПЭП.
Аппаратура
Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на черт. 23.
Иммерсионная ванна, содержащая узлы фиксации ПЭП и отражателей совместно с механизмом перемещения должна обеспечить перемещение отражателя (или ПЭП) по координатам Xi, Х3 в диапазонах от минус 30 до плюс 30° и от 0 до 250 мьГ соответственно, а также поворот ПЭП вокруг оси Х3 на 360°. Погрешность определения местоположения отражателя относительно ПЭП по Xi не должна быть более 12'; по Х3 — 0,5 мм; поворота ПЭП — 30'.
Плоский отражатель должен иметь размер рабочей поверхности (диаметр или меньшую сторону прямоугольника) не менее 100 мм, толщину — не менее 20 мм, параметр шероховатости 7?й< <0,63 мкм, допуск плоскостности 0,01 мм. Сферические отражатели должны быть изготовлены из нержавеющей стали по ГОСТ 7350 и иметь диаметры 2, 5, 10 мм. Расстояние от центра сферической поверхности отражателя до узла фиксации должно быть не менее 60 мм.
Приемник должен иметь чувствительность не менее 1 мВ и обеспечивать усиление эхо-сигнала на частоте /ии(э> измеряемого ПЭП, временное селектирование эхо-импульса от сферического отражателя, преобразование его в сигнал с амплитудой не менее 1 В для подачи на графопостроитель. Приемник должен иметь регулировку усиления от 0 до 80 дБ и дискретное ослабление сигнала на (6±0,1) дБ.
Генератор радиоимпульсов должен обеспечить возбуждение ПЭП на частоте /ии(э>, МГц, радиоимпульсами длительностью (2— —15)/fuu(s) мкс, с частотой следования в диапазоне 400—2000 Гц
/—иммерсионная ванна; 2—узел фиксации отражателя; 3—плоский отражатель; 4— сферический отражатель; 5—узел фиксации ПЭП; 6—проверяемый ПЭП; 7—механизм перемещения по координатам Х3; 8— графопостроитель; 9—приемник; 10—генератор; 11—осциллограф
Черт. 23
и амплитудой напряжения возбуждения ПЭП не менее 5/Juo) и не более 600/ии(Э) В.
Осциллограф и графопостроитель должны иметь параметры согласно пп. 2.1.1, 2.3.1.
Установка должна обеспечить запись углового положения отражателя по координате с погрешностью масштаба не более 1,5%. Метод проверки масштаба записи приведен в приложении 4.
Подготовка и проведение измерений
Устанавливают в узел фиксации сферический отражатель, удовлетворяющий условиям:
d=2 мм при />10,0 МГц;
d = 5 мм при 10,0>/> 1,0 МГц;
d=10 мм при /<1,0 МГц,
где / — номинальная частота максимума преобразования /ии или эффективная частота /э проверяемого ПЭП, МГц.
Устанавливают расстояние от ПЭП до сферического отражателя не менее L= (0,6+32/йа) - Гб при измерении диаграммы направленности до уровня минус 6 дБ и не менее L = (1,3 + 23/йа) -Лб при измерениях диаграммы направленности до уровня минус 20 дБ.
Здесь k = 2nf/v, Lt, = a2flv, а — радиус (или половина размера пьезоэлемента) проверяемого ПЭГІ в рабочей плоскости, мм; v — скорость звука в воде, мм/мкс.
Если средства измерения не позволяют реализовать условие £> (0,6+32/Ы)£б следует применить плоский отражатель, установив его на расстоянии Е'<0,5£б. Допуск перпендикулярности рабочей поверхности плоского отражателя к оси Х3 должен быть 0,02 мм на базе 100 мм.
Закрепляют ПЭП в узел фиксации, подключают к установке, как показано на черт. 23, и ориентируют его относительно плоскости измерения, как указано в технических условиях на ПЭП конкретного типа.
Устанавливают частоту генератора радиоимпульсов, равную частоте fuuo) проверяемого ПЭП. Перемещая отражатель в области Хі«0°, добиваются максимального значения эхо-сигнала на экране осциллографа. Регулировками генератора, приемника, графопостроителя устанавливают амплитуды сигнала и масштабы изображения и записи, обеспечивающие наибольшую точность измерений.
Включают перемещение отражателя по координате Xi и записывают график диаграммы направленности на графопостроителе. На полученный график наносят линию, соответствующую уровню 6 дБ.
Поворачивают ПЭП вокруг оси Х3 на угол 180° и повторяют запись диаграммы направленности. Ось симметрии записанных графиков является геометрической осью преобразователя.
Если измерения проводились с плоским отражателем, то для перевода полученного графика в диаграмму направленности Рцг» необходимо масштаб записи увеличить в два раза, а значения ординат по оси У графопостроителя возвести в квадрат.
Если в стандартах или технических условиях на ПЭП конкретного типа не указаны пределы перемещения отражателя, измерение диаграммы направленности следует проводить до уровня не менее минус 20 дБ.
Обработка результатов измерений
Ширину диаграммы направленности 0i(2) и угол ввода а (а') вычисляют по формулам:
0i(2) = /n/© ; a = mla; a' = mla, (18)
где m — масштаб записи,... °/мм; /0 — ширина графика диаграммы направленности на уровне минус 6 дБ, мм; Іа(їа ) —расстояние от максимума диаграммы направленности до геометрической оси преобразователя, мм. Отклонением угла ввода а (а') от его номинального значения является разность между значением» полученным по формуле 18, и номинальным значением.
Определяют по графику диаграммы направленности область ее основного лепестка. Для этого измеряют слева (справа) от точки Л(2), соответствующей значению диаграммы направленности на уровне минус 6 дБ, разность между минимумами диаграммы направленности и следующими за ними влево (вправо) максимумами. Ближайшую точке 6(2) точку минимума, в которой эта разность превышает 3 дБ, принимают за левую (правую) границу основного лепестка.
Уровнем боковых лепестков Nq является разность в децибелах между максимальными значениями диаграммы направленности в области основного лепестка и вне его соответственно. Если на границе диаграммы направленности указанных минимумов нет, следует считать, что боковые лепестки отсутствуют.