Математическое моделирование передаточных характеристик пьезокерамичеких преобразователей в режиме возбуждения волн Лэмбра

Abstract

Розглянута розрахункова схема перетворювача контактного типу з п'єзоелектричним елементом у формі диску. Перетворювач випромінює пружні хвилі у масивному металевому листі через шар узгоджуючої рідини. Виконано розрахунок коефіцієнта передачі з електричної на механічну сторону п'єзоелектричного диску. Показано, що для ефективної роботи випромінювача в області високих частот, необхідно вибирати диски з мінімально можливим діаметром. Досліджено рух матеріальних часток у шарі узгоджуючої рідини. Показано, що цей шар є своєрідним резонатором, який суттєво змінює спектральний склад імпульсу тиску, що формується перетворювачем на поверхні металевого листа. Вперше зроблено висновок про необхідність урахування як факту існування шару узгоджуючої рідини, так і товщини цього шару. Отримані вирази для розрахунку амплітуд нормальних хвиль Лемба, які збуджуються нормальними напругами, діючими на одній боковій поверхні листа. Вперше отримані розрахункові співвідношення, які враховують вплив геометричних та фізико - механічних параметрів всіх елементів ультразвукового перетворювача контактного типу на ефективність збудження нормальних хвиль Лемба в заданому діапазоні частот. Вони можуть бути використані при проектуванні нових пристроїв неруйнівного контролю листового металопрокату.

Рассмотрена расчетная схема преобразователя контактного типа с пьезоэлектрическим элементом в форме диска. Преобразователь излучает упругие волны в массивном металлическом листе через слой согласующей жидкости. Выполнен расчет коэффициента передачи с электрической на механическую сторону пьезоэлектрического диска. Показано, что для эффективной работы излучателя в области высоких частот, необходимо выбирать диски с минимально возможным диаметром. Исследовано движение материальных частиц в слое согласующей жидкости. Показано, что этот слой является своеобразным резонатором, который существенно изменяет спектральный состав импульса давления, что формируется преобразователем на поверхности металлического листа. Впервые сделан вывод о необходимости учета как факта существования согласующего слоя жидкости, так и его толщины. Получены выражения для расчета амплитуд нормальных волн Лэмба, которые возбуждаются нормальными напряжениями, действующими на одной боковой поверхности листа. Впервые получены расчетные соотношения, которые учитывают влияние геометрических и физико-механических параметров всех элементов ультразвукового преобразователя контактного типа на эффективность возбуждения нормальных волн Лэмба в заданном диапазоне частот. Они могут быть использованы при проектировании новых устройств неразрушающего контроля листового металлопроката. Ключевые слова: пьезоэлектрический преобразователь, волны Лэмба, слой согласующей жидкости

The calculation scheme of the transducer of a contact type with a piezoelectric element of a disk-form was considered. The transducer radiates the elastic waves in a massive metal plate through the layer of matching liquid. The coefficient of transmission from the electrical to the mechanical side of the piezoelectric disc was calculated. It was shown that for the effective operation of the radiator at high frequencies, it is necessary to choose the discs with the smallest possible diameter. The motion of material particles in the layer of the matching liquid was researched. It was shown that this layer is a peculiar resonator, which significantly modifies the spectral structure of the pulse pressure, which is formed on the metal plate surface. The conclusion was made about the need to consider the existence of the matching liquid layer as well as the thickness of this layer. The expressions for calculating the amplitudes of normal Lamb waves, which are excited by the normal stresses acting on one side of the sheet were obtained. For the first time there were obtained the calculated relations that take into account the effect of geometrical, physical and mechanical properties of all the elements of the ultrasonic transducer of a contact type on the efficiency of excitation of normal Lamb waves in a given frequency range. This relations can be used in the design of new devices for nondestructive testing of metalrolling.