Способ испытания пьезоэлементов составных стержневых пьезопреобразователей

 

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 пьезопреобразователя. Электрическое возбуждение колебаний испытуемого пьезоэлемента производят на рабочей частоте пьезопреобразователя, выбирая амплитуду электрического напряжения в соответствии с пределом выносливости материала испытуемого пьезоэлемента. 1 ил. ел с

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

s Н 04 R 29/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4817430/10 (22) 23.04.90 (46) 15,01.93. Бюл. N - 2 (71) Центральный научно-исследовательский институт "Гидроприбор" и Институт проблем прочности АН УССР (72) Н.Я.Исаков, Г.Г.Писаренко, С.И.Пугачев и В.К.Хаустов (56) Зацаринный В.П. Прочность пьезокерамики, Изд. Ростовского госуниверситета, Ростов-на-Дону, 1978, с. 108 — 116, 192, 195.

Ананьева А.А. и др. Исследование усталостной прочности при высокочастотном нагружении, В сб. "Усталостная прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения", Киев: Наукова думка, 1977, с. 104—

109.

Кириллов В.И. и др, Исследование прочностных характеристик пьезокерамики. В сб. "Излучатели и приемники ультразвуковых колебаний и методы измерения акустических полей". Часть II "Активные материалы для пьезоэлектрических и магнитострикцион ных преобразователей" — Материалы к кратносрочному семинару 30 мая—

0,2 июня 1966„Л., ЛДНТП, 1966, с, 100-107.

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

Известен способ испытания пьезоэлементов составных стержневых пьезопреобразователей, в котором путем увеличения внутреннего гидростатического давления разрушают образец, оценивая статическую прочность осесимметричного нагруженного кольца или цилиндра. Этот способ позволя. Ы«1788602 А1 (54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ СОСТАВНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ

П Ь ЕЗОП P Е ОБ РАЗО ВАТЕ Jl ЕЙ (57) 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 пьезоэле мент — присоединенные массы на резонансную частоту ее продольных колебаний. равную рабочей частоте пьезопреобразователя. Электрическое возбуждение колебаний испытуемого пьезоэлемента производят на рабочей частоте пьезопреобразователя, выбирая амплитуду электрического напряжения в соответствии с пределом выносливости материала испытуемого пьезоэлемента. 1 ил. ет определить только статическую прочность пьезоматериала пьезоэлемента. Известен способ динамических испытаний пьезоэлементов, в котором испытуемый образец в виде стержня подвергают высокоинтечсивным механическим колебаниям на ультразвуковой частоте при фиксированном значении амплитуды колебаний. Путем проведения испытаний до разрушения образцов при разных амплитудах нагружения получают усталостные кривые для материа1788602 ла 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 пьезопреобразователей, например, ориентацией направления деформирования и направления 10 поляризации.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ исследования прочностных характеристик пьезокерамики 7 путем электрического возбуждения колебаний испытуемого пьезоэлемента и оценки его усталостной прочности. Пьезоэлемент возбуждают на резонансной частоте нулевой моды радиальных колебаний за счет поперечного пьезомодуля da>.

Недостатком данного способа испытаний является то, что испытания производят в условиях и в режиме колебаний, не отвечающих условиям и режиму испытаний пьезоэлемента в составном стержневом пьезопреобразователе как по частоте колебаний, так и по акустической нагрузке пьезоэлемента 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 пьезоэлемента, 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 ча15

55 стоту 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 шпилькой и дополнительным пьезоэлементом, на который подают статическое электрическое напряжение, что позволяет обеспечить идентичность условий нагружения (частота, статические напряжения) испытуемого пьезоэлемента в колебательной системе пьезоэлемент — присоединенные массы и в составном стержневом пьезопреобразователе.

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

Циклическое нагружение испытуемого пьезоэлемента под акустической нагрузкой в условиях, воспроизводящих условия его работы в составном стрежневом пьезопреобразователе, производят прикладывая к электродам п ьезоэлемента электрическое гармоническое напряжение заданной амплитуды резонансной частоты колебательной системы пьезоэлемент — присоединенные массы. Амплитуду электрического гармонического напряжения устанавливают такой, чтобы обусловленные ею механические динамические напряжения стали соизмеримы с пределом выносливости пьезоматериала. По результатам испытания пьезоэлемента, оценивают его усталостную прочность.

Пример. Установка, реализующая способ испытания пьезоэлементов составных стержневых пьезопреобразователей, содержит (см. чертеж) механически связанные между собой испытуемый пьезоэлемент

1 и присоединенные массы 2, между которыми 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 массе 2 приклеен дополнительный пьезоэлемент 8, а также тензорезистор 11; к дополнительному пьезоэлементу 8 приклеена накладка 9. Вся конструкция зажата стягивающей шпилькой 10. На дополнительный пьезоэлемент 8 подают статическое напря1788602

25

50 жение 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 — тензорезистор 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 и родольных размеров присоединенных масс 2 и создания требуемых значений амплитуд статических продольных напряжений стягивающей шпилькой 10 и дополнительным пьезоэлементом 8, Величину амплитуд циклических напряжений о> измеряют измерителем 13, статических напряжений сг — 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 систеMbl 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 оа и vm .

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 пьезопреобразователей 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 пьезопреобразователей, а следовательно, управлять качеством изготавливаемой продукции, что создает положительный технический и положительный экономический эффект изобретения, Формула изобретения

Способ испытания пьезоэлементов составных стержневых пьезопреобразователей, заключающийся в электрическом возбуждении колебаний испытываемого пьезоэлемента и оценке его усталостной прочности, о тл и ч а ю щи и с я 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 исп ытываемого 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.

1788602

40

50

Составитель С, Пугачев

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С. Пекарь

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 78 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5