Способ испытания пьезоэлементов составных стержневых пьезопреобразователей

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 17886 ю)5 Н 04 Я 29/О ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ет определить только стат сть пьезоматериала пьезо стен способ динамичес пьезоэлементов, в котором разец в виде стержня подве течсивным механическим ультразвуковой частоте при значении амплитуды колеба ведения испытаний до раз цов при разных амплиту получают усталостные крив чес ле и кую прочноэ мента, Извеких испытанийиспытуемый обргают высокоинколебаниям на фиксированном ний. Путем прорушения образдах нагружРния ые для материа(21) 4817430/10(71) Центральный научно-исследовательский институт "Гидроприбор" и Институт проблем прочности АН УССР(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"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(54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ СОСТАВНЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ(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.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 10поляризации.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 бз.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, чтоснижает 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 исследуемомпьезоэлементе 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 ча 15202530 3540 45 50 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 пьезоэлемента 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.П р и м е р, 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 напря 17886025 10 15 20 25 30 35 40 45 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 продольных размеров присоединенных масс 2 и создания требуемых значений амплитуд статических продольных напряжений стягивающей шпилькой 10 и дополнительным пьезоэлементом 8, Величину амплитуд циклических напряжений Оа измеряют измерителем 13, статических напряжений сЬ - 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 д и (Ъ . 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, отл ича ю щи й 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 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.1788602 Составитель С, ПугачТехред М.Моргентал ектор С. Пекар акт оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 аз 78 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5