чем определяется собственная резонансная частота тонкой пьезопластины
УЗК общий. Только в твердых
1. В каких средах (материалах) могут распространяться поперечные волны?
1) в любых;
2) только в твердых ;++
3) в твердых и жидких;
2. Чем определяется скорость распространения ультразвуковой волны в безграничной среде?
1) скоростью колебания частиц;
2 ) модулями упругости и плотностью среды;++
4) длиной волны и частотой.
^
4) соотношение не зависит от углов.
2) точка на преобразователе, в которой амплитуда равна 0;
3) температура исчезновения ферромагнитных свойств;
4) ни одна из указанных.
^
5. Чем определяется собственная резонансная частота тонкой пьезопластины?
1) диаметром и пьезомодулем;
2) скоростью звука в пьезоматериале и толщиной;++
3) длиной излучаемой волны;
4) ни одним из перечисленных факторов.
^
4) sin cos = 0,61 а / (f С )
^
7. Как изменится длина ближней зоны и угол раскрытия диаграммы
направленности, если диаметр пьезопластины увеличился?
1) оба параметра уменьшатся;
2) оба параметра увеличатся;
4) длина ближней зоны уменьшится, а угол раскрытия увеличится.
^
8. Как изменится длина ближней зоны и угол раскрытия диаграммы
направленности, если частота ультразвука увеличилась?
1) оба параметра уменьшатся;
2) оба параметра увеличатся;
3) длина ближней зоны увеличится, а угол раскрытия уменьшится;++
4) длина ближней зоны уменьшится, а угол раскрытия увеличится.
^
9. Как изменится диаграмма направленности прямого преобразователя, если одновременно увеличить в 2 раза частоту и уменьшить в 2 раза радиус пьезопластины?
1) расширится;
2) останется неизменной;++
4) угол раскрытия диаграммы увеличится в 4 раза.
^
10. Для какого типа волн длина волны наибольшая, если частота неизменна?
1) продольной волны;++
2) поперечной волны;
4) поверхностной волны.
^
11. Угол, образуемый осью ультразвукового пучка, падающего на границу
раздела двух различных сред и линией, перпендикулярной границе раздела,
называется углом:
1) падения;++
12. Явление, при котором волна, упавшая на границу раздела 2-х сред,
меняет свое направление в той же среде, называется:
1) дивергенция;
13. Изменение направления распространения ультразвукового пучка при
прохождении им границы раздела двух различных сред называется:
1) преломление;++
14. Какой вид волн имеет наименьшую длину при условии равенства частоты и идентичности материала?
1) продольные волны;
4) поверхностные волны.++
^
15. Расстояние, преодолеваемое упругой волной за время равное одному
периоду колебаний, называется:
1) путь ультразвука в среде;
3) протяженность волны;
4) длительность импульса.
16. Отношение пути, пройденного упругой волной в данной среде, к времени прохождения этого пути называется:
1) скорость распространения волны ;++
2) характеристический импеданс;
3) механический импеданс;
4) ультразвуковой отклик.
^
17. Если ультразвуковая волна проходит через границу раздела двух сред,
первая из которых имеет большую величину характеристического
импеданса, но скорость распространения ультразвука в обоих материалах одинакова, то угол преломления будет:
1) больше, чем угол падения;
2) меньше, чем угол падения;
4) равным критическому углу.
^
18. Угол отражения ультразвукового пучка от поверхности раздела
1) составляет приблизительно половину угла падения;
2) в 4 раза больше, чем угол падения;
3) равен углу падения;++
4) составляет 0,256 от угла падения.
^
2) критическим углом;++
3) углом максимального отражения;
4) ни одним из вышеприведенных.
^
20. Волны сжатия-растяжения, при прохождении которых частицы колеблются параллельно направлению распространения волн, называются:
1) продольные волны;++
4) поперечные волны.
^
21. Направление движения частиц среды при прохождении сдвиговых волн:
1) параллельно направлению распространения ультразвукового луча;
2) перпендикулярно направлению распространения ультразвукового луча;++
3) является эллиптическим;
4) поляризовано в плоскости наклонной на 45 по отношению к направлению движения ультразвукового пучка.
^
22. Угол преломления продольных ультразвуковых волн, падающих на
1) соотношения характеристических импедансов воды и металла;
2) отношения скоростей звука в воде и в металле;++
3) частоты ультразвукового пучка;
4) соотношения плотностей воды и металла.
^
23. Продольные ультразвуковые колебания вводят из воды в сталь под углом 5 к нормали. В этом случае угол преломления для поперечных колебаний будет:
1) меньше, чем угол преломления для продольных колебаний;++
2) равным углу преломления для продольных колебаний;
3) больше, чем угол преломления для продольных колебаний;
2) представляет собой произведение плотности материала на скорость распространения звука в нем;++
3) выражается законом Снеллиуса;
4) используется для определения параметров резонанса.
^
25. Фактор, определяющий количество отраженной ультразвуковой энергии от поверхности раздела 2-х сред, называется:
1) коэффициент рефракции;
2) показатель преломления;
4) коэффициент отражения.++
^
26. Угол падения ультразвуковой волны на границу твердого тела,
при достижении которого исчезает поперечная волна в этом теле, называется:
1) первый критический угол.
2) угол преломления;
4) второй критический угол.++
^
28. Область между поверхностью излучателя и плоскостью, удаленной от
волны) называется:
1) ближняя зона;
2) зона Фраунгофера;
29. Криволинейные участки поверхности с небольшим отражением или без отражения от этих участков в общем случае огибают:
1) поперечные волны;
2) поверхностные волны;++
4) продольные волны.
^
30. С увеличением отношения характеристических импедансов контактирующих сред (контакт идеальный) коэффициент отражения от границы раздела между ними:
1) не изменяется;
4) увеличивается пропорционально величине отношения.
^
31. Какой из нижеперечисленных преобразователей содержит наиболее тонкий пьезоэлемент?
1) на частоту 1,25МГц;
2) на частоту 5,0 МГц;
3) на частоту 10,0 МГц;++
4) на частоту 2,5 МГц.
^
32. Зондирующий импульс:
1) формируется в результате отражения ультразвуковых колебаний
2) формируется в дефектоскопе для возбуждения преобразователя ;++
3) формируется в дефектоскопе для синхронизации его узлов;
33. Генератор зондирующих импульсов предназначен для:
1) синхронизации работы узлов дефектоскопа;
2) усиления сигналов;
3) возбуждения преобразователя;++
34. Генератор строб-импульсов предназначен для:
1) выделения временного интервала, в течение которого блок
АСД анализирует наличие и уровень принимаемых эхо-сигналов и
формирует решение о включении (выключении) звукового и (или)
2) уровня срабатывания блока АСД;
3) запуска генератора зондирующих импульсов;
4) усиления сигналов.
^
35. В режиме А-развертки на экране ЭЛТ индицируется:
1) путь ультразвуковых колебаний в объекте;
2) осциллограмма зондирующего импульса, эхо-сигналов и строб-импульса;++
3) изображение дефекта;
4) огибающая зхо-сигналов от дефекта.
^
36. Какой из перечисленных параметров определяет рабочую частоту преобразователя?
1) добротность пьезоэлемента;
2) толщина пьезоэлемента;++
3) площадь пьезоэлемента;
4) длина или диаметр пьезоэлемента.
^
37. Как называют отсечку шумов с сохранением амплитуды полезного
сигнала?
1) временная селекция;
2) традиционная отсечка;
3) компенсированная отсечка;++
4) комбинированная отсечка.
^
2) разрешающей способностью аппаратуры;
3) лучевой разрешающей способностью;++
39. Каково назначение пьезоэлемента в преобразователе?
1) подавление реверберационных шумов;
2) преобразование электрических колебаний в акустические и обратное преобразование;++
3) обеспечение наклонного падения ультразвуковой волны на границу с объектом;
40. Способность некоторых материалов преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот называется :
1) преобразование мод;
2) пьезоэлектрический эффект;++
41. Формула перевода относительных единиц измерения амплитуд U 1 и U 2 двух сигналов в децибелы имеет вид:
1) A = 10 lg (U 1 / U 2 );
42. Что такое фронтальная разрешающая способность?
1) возможность аппаратуры следить за фронтом бегущей волны;
2) возможность раздельно фиксировать дефекты,
последовательно проходимые фронтом волны при неподвижном преобразователе;
3) возможность раздельно фиксировать дефекты,
расположенные перпендикулярно направлению акустической оси
ПЭП на одной глубине;++
43. Основным недостатком пьезоэлементов из кварца является:
1) низкая добротность;
2) слабая эффективность при излучении и приеме упругих волн;++
3) низкая механическая прочность;
4) недостаточная стабильность.
^
44. Источник ультразвуковых колебаний, обычно используемый в
преобразователях, действует по:
1) магнитострикционному принципу;
2) пьезоэлектрическому принципу;++
3) электродинамическому принципу;
4) ни одному из вышеприведенных.
^
45. Диаметр бокового отверстия в СО, применяемом для настройки чувствительности, должен быть достаточно большим, чтобы избежать:
1) большой мертвой зоны ;
2) малых значений амплитуд сигналов;
3) зависимости угла ввода от глубины залегания отражателя;
4) наложения волн обегания и соскальзывания на прямо отраженный импульс.++
^
46. В ультразвуковом эхо-дефектоскопе, на экране которого эхо-сигналы
представляются в виде вертикальных пиков, а расстояния до отражателя
пропорциональны расстоянию от начала цикла до места появления
сигнала, используется:
1) развертка типа В;
2) развертка типа А;++
3) развертка типа Р;
4) развертка типа С.
^
47. Наиболее эффективным излучателем ультразвука из перечисленных пьезоэлектрических материалов является:
1) сульфат лития;
3) цирконат-титанат свинца (ЦТС);++
48. Блок временной регулировки чувствительности предназначен для:
1) подавления шумов в усилителе;
2) обеспечения равенства отображаемых на экране дефектоскопа амплитуд эхо-сигналов от равновеликих отражателей, залегающих на различных глубинах;++
3) защиты усилителя дефектоскопа от перегрузки;
4) повышения разрешающей способности.
^
49. Прямой совмещенный преобразователь применяют для контроля:
1) продольными волнами;++
2) поперечными волнами;
3) поверхностными волнами;
4) крутильными волнами.
^
50. Наклонный преобразователь применяют преимущественно для контроля:
1) продольными волнами;
2) поперечными волнами;++
3) поверхностными волнами;
51. Демпфирование пьезоэлемента используют для:
1) повышения лучевой разрешающей способности;
2) уменьшения длительности импульса;
3) увеличения амплитуды сигнала;
52. Протектор прямого контактного преобразователя предназначен для:
1) защиты пьезоэлемента от износа и механических повреждений;++
2) уменьшения длительности импульсов;
3) увеличения амплитуды сигнала;
53. Стрелой наклонного преобразователя называют:
1) общую длину преобразователя;
2) высоту преобразователя;
3) расстояние от передней грани до точки выхода;++
4) кратчайшее расстояние от центра пьезоэлемента до контактной поверхности ПЭП.
54. Способ акустического контакта через тонкий слой жидкости, много меньше λ называется:
1) иммерсионным;
55. Динамическим диапазоном усилителя называют:
1) отношение высшей и низшей частот усиливаемых сигналов;
2) диапазон амплитуд сигналов, усиливаемых без перегрузки и чрезмерных искажений;++
3) разность между верхней и нижней усиливаемыми частотами;
4) минимальную амплитуду усиливаемого сигнала.
^
56. Отношение амплитуд эхосигналов в 10 раз, выраженное в децибелах, составляет:
1) 5 дБ;
57. Отношение амплитуд эхосигналов в 2 раза, выраженное в децибелах, составляет:
1) 6 дБ;++
58. Устройство, выравнивающее амплитуды эхосигналов от одинаковых дефектов, расположенных на разных глубинах, называется:
1) отсечкой шумов;
2) задержанной разверткой;
3) стробирующим устройством;
4) временной регулировкой усиления (чувствительности).++
^
59. Точку пересечения акустической оси ультразвукового пучка с рабочей поверхностью преобразователя называют:
1) фокусом.
60. Фокусирующие преобразователи применяют для:
1) повышения лучевой разрешающей способности в определенной зоне ОК;
2) повышения чувствительности в определенной зоне ОК;
3) повышения фронтальной разрешающей способности в определенной зоне ОК;
61. Скорость распространения волн Лэмба зависит от:
1) толщины пластины;
3) частоты ультразвука;
4) всех указанных факторов.++
^
62. Эхо-дефектоскоп с прямым преобразователем имеет мертвую зону 7 мм.
Пьезоэлемент
Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики ), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.
Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.
Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.
Вам нужны устройства сбора и обработки данных с ультразвуковых датчиков? Обращайтесь к нам, мы поможем Вам выбрать!
Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.
Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя
Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности [2].
Пьезоэлектрические материальные уравнения
Поляризованные пьезоэлектрические материалы характеризуются несколькими коэффициентами и соотношениями. Четыре возможные формы для пьезоэлектрических материальных уравнений показаны ниже [13]:
Свойства пьезокерамики
Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.
По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. Рисунок 3 показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации [1]. Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.
и 
,
Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце [3]. А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля [1]. Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:
,
,
где с – скорость звука в материале, м/с [2]
Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.
,
Чтобы измерить эти частоты обычно используется анализатор импеданса, с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики (рисунок 6).
По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На рисунке 6 частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной ( fr), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной ( fa).
Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы
Рисунок 6 – Зависимость сопротивления от частоты у пьезокерамики [6]
Пьезомодуль dij (пьезоэлектрический коэффициент заряда или относительной деформации) – отношение механической деформации к приложенному электрическому полю или индуцированный электрический заряд на механическое напряжение (Кл/Н) [2]
,
Полезно помнить, что большие значения dij приводят к большим механическим смещениям (деформациям), что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей. d33 применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (рисунок 5г). d31 используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (рисунок 5б). d15 показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми (рисунок 5д).
, [10]
Пьезомодуль gij (пьезоэлектрическая постоянная давления) – отношение полученного электрического напряжения к приложенному давлению.
,
Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение gij ведет к большим выходным электрическим напряжениям, что является желательным для сенсоров.
, [11]
,
,
,
,
,
,
Изделия, основанные на пьезоэлектрическом резонансе, требуют высокой механической добротности.
Производство пьезоэлементов
Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО3 (напр., BaTiO3, РbТiO3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO3 — CaTiO3, BaTiO3 — CaTiO3 — CoCO3, NaNbO3 — KNbO3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO3 — PbZrO3 (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ2О6, напр. PbNb2O6, имеющих весьма высокую Кюри точку (
570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.
Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации [8].
Применение пьезокерамики
Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.
В генераторах, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.
Вам нужны устройства сбора и обработки данных с ультразвуковых датчиков? Обращайтесь к нам, мы поможем Вам выбрать!
В сенсорах, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.
В силовых приводах, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.
В преобразователях, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики [1].