Способ испытания пьезоэлементов составных стержневых пьезопреобразователей Советский патент 1993 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к области электроакустики и ультразвуковой техники, в частности к контролю качества гидроакустических преобразователей.

Известен способ испытания пьезоэле- ментов составных стержневых пьезопреоб- разователей, в котором путем увеличения внутреннего гидростатического давления разрушают образец, оценивая статическую прочность осесимметричного нагруженного кольца или цилиндра. Этот способ позволяет определить только статическую прочность пьезоматериала пьезоэлемента. Известен способ динамических испытаний пьезоэлементов, в котором испытуемый образец в виде стержня подвергают высокоин- течсивным механическим колебаниям на ультразвуковой частоте при фиксированном значении амплитуды колебаний. Путем проведения испытаний до разрушения образцов при разных амплитудах нагружения получают усталостные кривые для матерйала образцов, по которым судят о прочностных характеристиках изделий из этого материала.

Недостатком способа является необходимость изготовления для испытаний специальных образцов в виде стержней, отличающихся по технологии изготовления от пьезоэлементов составных пьезопреоб- разователей, например, ориентацией направления деформирования и направления поляризации.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ исследования прочностных характеристик пьезокерамики 7 путем электрического возбуждения колебаний испытуемого пьезоэ- лемента и оценки его усталостной прочности. Пьезоэлемент возбуждают на резонансной частоте нулевой моды радиальных колебаний за счет поперечного пье- зомодуля dsi.

Недостатком данного способа испытаний является то, что испытания производят в условиях и в режиме колебаний, не отвечающих условиям и режиму испытаний пье- зоэлемента в составном стержневом пьезопреобразователе как по частоте колебаний, так и по акустической нагрузке пье- зоэлемента во время колебаний, что снижает качество испытаний, достоверность и информативность полученных в результате испытания данных для оценки усталостной прочности испытуемых пьезоэлементов.

Цель изобретения - повышение достоверности и информативности полученных в результате испытаний данных за счет приближения условий испытания к эксплуатационным путем создания на исследуемом пьезоэлементе статических сжимающих и циклических нагрузок, соизмеримых с пределом выносливости материала пьезоэле- мента.

Сущность способа заключается в следующем. Испытуемый пьезоэлемент устанавливают между двумя симметричными расположенными соосно с ним присоединенными массами, обеспечивая тем самым акустическое нагружение пьезоэлемента такое же, как и в составном стержневом преобразователе. Размеры присоединенных масс выбираются такими, чтобы резонансная частота продольных колебаний системы пьезоэлемент - присоединенные массы была равна резонансной частоте продольных колебаний стержневого составного преобразователя, в котором должен работать пьезоэлемент.

Настройку системы пьезоэлемент - присоединенные массы на резонансную частоту ее продольных колебаний производят путем изменения длины присоединенных масс и величины задаваемого статического сжимающего напряжения, жесткости колебательной системы.

Сжимающие (армирующие) продольные напряжения, соизмеримые с пределом выносливости материала испытуемого пьезоэлемента, обеспечивают стягивающей

0 шпилькой и дополнительным пьезоэлемен- том, на который подают статическое электрическое напряжение, что позволяет обеспечить идентичность условий нагруже- ния (частота, статические напряжения) ис5 пытуемого пьезоэлемента в колебательной системе пьезоэлемент - присоединенные массы и в составном стержневом пьезопреобразователе.

Величину статического сжимающего на0 пряжения регулируют затягиванием резьбового соединения стягивающей шпилькой (грубо) и изменением подаваемого на дополнительный пьезоэлемент статического электрического напряжения (плавно). Зна5 чение сжимающего статического напряжения измеряют тензорезистором.

Циклическое нагружение испытуемого пьезоэлемента под акустической нагрузкой в условиях, воспроизводящих условия его

0 работы в составном стрежневом пьезопреобразователе, производят прикладывая к электродам пьезоэлемента электрическое гармоническое напряжение заданной амплитуды резонансной частоты колеба5 тельной системы пьезоэлемент - присоединенные массы. Амплитуду электрического гармонического напряжения устанавливают такой, чтобы обусловленные ею механические динамические напряжения стали

0 соизмеримы с пределом выносливости пье- зоматериала. По результатам испытания пьезоэлемента, оценивают его усталостную прочность.

Пример. Установка, реализующая

5 способ испытания пьезоэлементов составных стержневых пьезопреобразователей, содержит (см. чертеж) механически связанные между собой испытуемый пьезоэлемент 1 и присоединенные массы 2, между которы0 ми имеется клеевой шов 3. Испытуемый пьезоэлемент 1 электрически подключен к усилителю мощности 4, на вход которого подают электрические радиоимпульсы с генератора 5. К верхней присоединенной

5 массе 2 приклеен дополнительный пьезоэлемент 8, а также тензорезистор 11; к допол- нительному пьезоэлементу 8 приклеена накладка 9. Вся конструкция зажата стягивающей шпилькой 10. На дополнительный пьезоэлемент 8 подают статическое напряжение от источника 12. Амплитуду механических колебаний накладки 9 измеряют оптическим способом измерителем 13. Осциллограф 6 индицирует напряжение на испытуемом пьезоэлементе и ток, протекающий через этот элемент и активное сопротивление 7.

Колебательную систему испытуемый пьезоэлемент 1 - приклеенные к нему присоединенные массы 2 - дополнительный пьезоэлемент 8 - накладка 9 - тензорези- стор 11 - стягивающая шпилька 10 настраивают на резонансную частоту продольных колебаний колебательной системы, равную рабочей частоте составного стержневого пьезопреобразователя, в котором должен работать испытуемый пьезоэлемент, путем изменения продольных размеров присоединенных масс 2 и создания требуемых значений амплитуд статических продольных напряжений стягивающей шпилькой 10 и дополнительным пьезоэлементом 8. Величину амплитуд циклических напряжений О а измеряют измерителем 13, статических напряжений о™ -тензорезистором 11. Максимальная величина напряжения на активном сопротивлении 7, определяемая по осциллографу 6, свидетельствует о возбуждении колебательной системы на электрическом резонансе. Наступление механического резонанса определяют по максимуму показаний измерителя 13.

После настройки колебательной системы возбуждают ее колебания генератором 5 через усилитель мощности 4 на рабочей частоте пьезопреобразователя, в котором должен работать испытуемый пьезоэлемент 1. Величину подаваемого на пьезоэлемент 1 электрического напряжения задают в зависимости от режима испытаний, т.е. в зависимости от соотношения значений аа и от Измеряют количество циклов нагружения пьезоэлемента 1 до его разрушения, фиксируют величину, вид и количество мест разрушения, и по результатам статической обработки полученных в испытаниях данных для испытанных пьезоэлементов 1 делают оценку качества этих элементов: усталостной прочности, максимального количества циклов нагружения. величины, вида и количества мест разрушения для партии пьезоэлементов, выборочный контроль которой производят в условиях и в режиме их работы в составном стержневом пьезопреобразователе.

Предлагаемый способ испытаний пьезоэлементов составных стержневых пье- зопреобразователей обладает более высокой информативностью и достоверностью данных, получаемых в результате испытаний, вследствие того, что испытания

предлагаемым способом производятся в условиях и в режиме работы пьезоэлемента, приближенных к условиям и к режиму его работы в составном стержневом пьезопреобразователе. Использование предлагаемого способа позволяет получать данные об усталостной прочности пьезоэлементов, прогнозировать качество изготовленных из них составных стержневых пьезопреобра- зователей, а следовательно, управлять качеством изготавливаемой продукции, что создает положительный технический и положительный экономический эффект изобретения.

Формула изобретения

Способ испытания пьезоэлементов составных стержневых пьезопреобразовате- лей, заключающийся в электрическом возбуждении колебаний испытываемого

пьезоэлемента и оценке его усталостной прочности, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и информативности полученных данных путем приближения условий испытаний к условиям эксплуатации, перед электрическим возбуждением колебаний испытываемого пьезоэлемента к нему соосно и симметрично присоединяют дополнительные массы, прикладывают статистическую сжимающую

нагрузку, изменяя ее уровень до соизмеримого с пределом выносливости материала испытываемого пьезоэлемента, настраивают систему пьезоэлемент - присоединенные массы на резонансную частоту ее

продольных колебаний, равную рабочей частоте пьезопреобразователя, а электрическое возбуждение колебаний испытываемого пьезоэлемента производят на рабочей частоте пьезопреобразователя, выбирая

амплитуду электрического напряжения в соответствии с пределом выносливости материала испытываемого пьезоэлемента.

-Я-цгЛ,чт1яяГП У

TV.

XV

5

ZT

Использование: электроакустика и ультразвуковая техника. Сущность изобретения: электрически возбуждают колебания испытуемого пьезоэлемента и оценивают его усталостную прочность. Перед электрическим возбуждением колебаний испытуемого пьезоэлемента к нему соосно и симметрично присоединяют дополнительные массы, прикладывают статическую сжимающую нагрузку, изменяя ее уровень до величины, соизмеримой с пределом выносливости материала испытуемого пьезоэлемента, настраивают систему пьёзоэлё- мент - присоединенные массы на резонансную частоту ее продольных колебаний, равную рабочей частоте пьезопреобразо- вателя. Электрическое возбуждение колебаний испытуемого пьезоэлемента производят на рабочей частоте пьезопреоб- разователя, выбирая амплитуду электрического напряжения в соответствии с пределом выносливости материала испытуемого пьезоэлемента. 1 ил. ел с