3) какой материал использовать для звукопровода. Применение плавленого кварца считают предпочтительным с точки зрения обеспечения высоких электромеханических параметров линии. Но для данного материала характерны высокая стоимость и сложность технологических процессов изготовления звукопровода, поэтому на низких частотах (не более десятков мегагерц) применяют сплавы на основе магния, выпускаемые предприятиями в виде катаных полос. Необходимо иметь в виду, что затухание продольных ультразвуковых колебаний в направлении проката значительно меньше, чем в любом другом направлении. Кроме того, если используются поперечные колебания, то для уменьшения затухания необходимо обеспечить совпадение плоскости поляризации (направление плоскости, в которой при колебаниях смещаются частицы среды) с направлением проката материала. При использовании солей хлористого натрия, калия и других существенно снижаются стабильность параметров и надежность линий [9];

4) какой тип колебаний применить. Скорость распространения продольных колебаний, например, в плавленом кварце при температуре 18-20 °С составляет 5,968-10 м/с, а поперечных колебаний - 3,764-10=* м/с. Следовательно, при выборе поперечных колебаний возможно уменьшение габаритных размеров линий, особенно при больших значениях времени задержки сигналов.

Ответы на поставленные вопросы позволяют выбрать направление проектирования ЛЗ и приступить к расчету основных параметров.

Приведем алгоритм расчета конструктивных параметров ультразвуковых ЛЗ на объемных волнах с пьезоэлектрическими преобразователями.

1. Рассчитывают длину пути поперечных ультразвуковых колебаний l=vj, где - скорость распространения поперечных колебаний в материале звукопровода.

2. Определяют число отражений ультразвукового колебания. Учитывая требования к габаритным размерам линии, выбирают конфигурацию звукопровода, например шестигранник, в котором лучи отражаются от граней под углом 45° (рис. 3.41). Для его построения на лист наносят масштабную сетку со стороной квадрата 0,5 А, где А - параметр, соответствующий расстоянию между осевыми линиями ультразвуковых пучков. Варьируя местоположением площадок 1 для установки преобразователей и соотношением сторон прямоугольника, добиваются соблюдения следую-

щего равенства: /=2 4/, где 4,- - длина i-ro хода ультразву-

кового колебания; п - число ходов этого колебания (на рис. 3.41 число ходов для различных шестигранников проставлено цифрами у соответствующих площадок).

Одним из недостатков шестигранника является различная длина ходов, для выравнивания которой используют звукопроводы в виде прямоугольника. В соответствии с рис. 3.42 длину /д и ак-

тивную ширину /щ звукопровода определяют по формулам: /д= = (/cosa)/n; /u,=/tg а+/„ш. где а=5-т-10° - угол скоса площадки, равный углу отражения колебания; /„ш - размер кварцевой пластины по ширине линии; n-lll. Величина /„ш является функцией центральной частоты (расчет приведен в § 3.3).

3. Соблюдают условие -4, где %-длина волны ультра-

звуковых колебаний, так как уменьшение размеров звукопровода за счет уменьшения его толщины приводит к увеличению общего затухания сигнала, что снижает площадь кварцевых пластин. Тогда площадь 5:0,25 XL, длина /кд-к/кш- Полученные значения геометрических размеров кварцевой пластины проверяют на соответствие заданной центральной частоте.

Рис. 3.41. К определению предварительных размеров шестигранного звукопровода

Рис. 8.42. К определению размеров звукопровода ЛЗ

4. Вычисляют толщину кварцевой пластины на резонансной частоте: 4т = 0,5 %.

5. Определяют емкость кварцевого преобразователя:

С„ = (8А)/(3,6яи. (3.7)

при продольных колебаниях ек=4,58, при поперечных колебаниях ек=4,7.

Пользуясь методикой, изложенной в [9], выполняют расчет электрических параметров ЛЗ, заключительным этаном которого является определение потерь задерживаемого электрического сигнала. Полученное значение потерь сравнивают с приведенным в ТЗ. Если требования ТЗ не удовлетворяются, то изменяют геометрические размеры преобразователя, уточняют используемые в конструкции материалы и расчет повторяют.

Приведем алгоритм расчета конструктивных параметров ленточной ультразвуковой ЛЗ на объемных волнах с пьезокерами-ческими преобразователями [9].

1. Выбирают материал для преобразователя с максимальным коэффициентом электромеханической связи k, например, для титаната бария k=0,3B.

2. Рассчитывают ширину полосы пропускания преобразователя:

3. Определяют требуемую ширину полосы пропускания линии для неискаженной передачи задерживаемого сигнала Ат=4/т„. Если А/т>Ап. то материал для преобразователя выбран правильно.

4. Уточняют материал для ленточного звукопровода, принимая во внимание то, что размеры зерен материала должны быть значительно меньше длины волны распространяющихся ультразвуковых колебаний. В этом случае применяют алюминий и сплавы на его основе. Перспективными материалами являются железонике-лиевые сплавы, для которых характерно малое значение а.

5. Вычисляют длину ленточного звукопровода: ltv.

6. Выбирают ширину /ц, ленточного звукопровода в пределах (15-г-20)?1, обеспечивая минимальное взаимодействие распространяющихся колебаний с граничными поверхностями (торцами звукопровода).

7. Находят среднюю толщину ленты звукопровода; =vj {A.F+ +2/о).

8. Исходя из рекомендаций п. 6, выбирают длину и толщину пластины преобразователя: /n>10?i; /1=0,5Я. При этом необходимо обеспечить условие 1ш>К- Тогда преобразователь формирует узконаправленный возбуждающий колебания луч, который в меньшей степени взаимодействует с поверхностями кромок звукопровода.

9. По формуле (3.7) рассчитывают емкость преобразователя, в которой вместо Sk вводят активную площадь пластины преобразователя Sn=/lcp/n-

10. Для обеспечения электрического согласования линии параллельно преобразователю подсоединяют согласующую катушку

индуктивностью Lc = l/(©oCo)-

11. Выполняют конструктивный расчет согласующей катушки согласно § 4.3. Электрические параметры пьезокерамического преобразователя могут быть вычислены аналогично параметрам кварцевого преобразователя с учетом того, что он имеет одностороннюю нагрузку [9].

Для расчета преобразователя на основе титаната бария используют следующие параметры, которыми характеризуется данный материал: «„=3,2-10* см/с; бп=620-10~" Ф/м, пьезомодуль d= =4-10" пьезоконстанта ел; 2-10"; коэффициент связи йэ=0,38, потери на преобразование Рп л; И дБ.

Приведем алгоритм расчета конструктивных параметров ультразвуковых магнитострикционных ЛЗ *.

1. Выбирают материал для звукопровода, обладающий высокими магнитострикционными свойствами и малыми значениями

* При расчете может быть полезен материал, изложенный в § 4.3 и § 4.4.