Преобразователи ультразвуковые магнитострикционные. Методы измерения характеристик

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ

МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

ГОСТ 27955-88

(МЭК 782)
Издание официальное

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

Москв
а

УДК 534.232.45:006.354

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ

Методы измерения характеристик
Ultrasonic magnetostrictive transducers.
Methods of measuring characteristics

ОКСТУ 6866

Дата введения 01.01.90

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий стандарт распространяется на. магнитострикцион­ные преобразователи (далее—преобразователи), изготовленные из шихтованных металлических материалов и из ферритов и предназ­наченные для излучения звуковой и ультразвуковой акустической мощности в жидкие или твердые среды, а также для процессов уль­тразвуковой обработки различного рода, например резания, свар­ки, химической обработки, и на специальные преобразователи на­пример преобразователи, предназначенные для воздействия на рас­плавленные металлы и т. п.
Преобразователи звуковые и ультразвуковые работают на ре­зонансной частоте и получают питание от генераторов электричес­кой мощности.
В настоящем стандарте рассматривают преобразователи толь­ко с одной рабочей резонансной частотой.
Стандарт не распространяется на преобразователи, предназна­ченные для создания сигналов, передающих информацию.

2. НАЗНАЧЕНИЕ

Настоящий стандарт устанавливает основные характеристики и предпочтительные методы измерений для оценки работы преобра­зователей.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

3.1. Преобразователи подразделяют на две категории:
Издание официальное Перепечатка воспрещена
★
© Издательство стандартов, 1989
Категория Р (ультразвуковые излучатели) — преобразователи, предназначенные для излучения акустической мощности в жид­кость. Металлическая диафрагма или поршень, присоединенные к излучающему концу преобразователя для лучшего согласования со> средой, могут рассматриваться как часть самого преобразователя.
Категория А (ультразвуковые инструменты) — преобразовате­ли с механическими трансформаторами для увеличения амплитуды колебаний или иного способа согласования с нагрузкой или без них, предназначены для ультразвукового резания, сварки и т. п. Инструмент или наконечник, присоединенный к выходному концу трансформатора, может рассматриваться как часть измеряемого преобразователя.

4. ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

4.1. Основные измеряемые характеристики совместно с соответ­ствующими методами и с указанием категории преобразователя приведены в таблице.
Характеристика
Категория преобразо­вателя
Метод измерения
Номер пункта

основной
дополнительный

Входная элект­рическая мощ­ность Ре , Вт
Р А
Ваттметра

7.1.1

Р А

Импеданс­ный
7.1.2

Р А

Трех вольт­метров
7.1.3
Электроакусти­ческий кпд ’lea, %
Р
Калоримет­ра-ваттметра

7.2.1

А
Потока мо­щности

7.2.2

Р А

Ваттметро- вый
7.2.3

Р А

Импеданс- диаграмм
7.2.4
Амплитуда ко­лебательного смещения 6, мкм
А
Оптического микроскопа

7.3.1

Р А

Виброметра
7.3.2

П родолжение

Метод измерения

Характеристика
Категория преобразо­вателя
основной
дополнительный
Номер пункта
Резонансная частота fres, кГц
р
А
Максималь­ной мощности

7.4.1

А

Максималь­ной амплиту­ды
7.4.2

Р
А

Импеданс­ных характе­ристик
7.4.3
Ширина поло­сы Л/, кГц; механическая добротность Q
Р
А
Частотной характеристики входной мощ­ности

7.5.1

А

Амплитуд­но-частотной характеристи­ки
7.5.2
Электрический импеданс на ре­зонансной часто­те Z res, Ом
Р
А
Вольтметра и ваттметра

7.6.1

Р
А

Мостовой
7.6.2

Р
А

Вольтметра и фазометра
7.6.3

Р
А

Трех вольт­метров
7.6.4
Электрический импеданс затор­моженного ^демпфированно- то) преобразова­теля Zd, Ом
Р
А
Вольтметра и ваттметра

7.7'

Р
А

Мостовой
7.7

Р
А

Вольтметра и фазометра
7.7

Р
А

Трех вольт­метров
7.7

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ

5.1. Входная электрическая мощность Ре
Ре — активная мощность переменного тока 7т, потребляемая преобразователем от электрического генератора, определяется по формуле
Ре=г 1/т/т cos
где Ут — напряжение возбуждения на зажимах преобразовате­ля, В;
/т — ток, протекающий через обмотку, А;
<р — сдвиг фаз между напряжением и током.
Примечание. Для всех синусоидальных меняющихся напряжений и то­ков соответствующие обозначения означают средние квадратические значения.
Полная электрическая входная мощность Ре может быть выра­жена через составляющие ее части
Pe=7’d+Pmi+/’a=7’d+7’ni)
Лп—Лм+^а»
где Рл — акустическая выходная мощность, Вт;
Рй — мощность магнитных потерь из-за магнитного гистере­зиса и вихревых токов, Вт;
Рт\— мощность внутренних механических потерь,.Вт;
Рт — общая механическая мощность преобразователя, Вт.
Преобразователи, подмагничиваемые постоянным током или переменным током низкой частоты 7тр , потребляют дополнительно к мощности переменного тока Ре мощность тока подмагничивания Рер в ваттах
Р =Г2 -R
где 7тр — ток подмагничивания, А;
7?w — активное сопротивление обмотки, Ом.
5.2. Электроакустический коэффициент по­лезного действия преобразователя Цеа
Леа — отношение, выраженное в процентах, акустической вы-, ходной мощности Рл к электрической входной МОЩНОСТИ Ре:
Значение т; еа может быть выражено как
71еа=/1ет' бта >
где т]еа — электромеханический КПД нагруженного преобразо­вателя;
Д та — механоакустический КПД.
Электромеханический КПД ї]ет
Л ет — отношение, выраженное в процентах, общей механиче­ской мощности Рт к электрической входной МОЩНОСТИ Ре
Лет=/Г--Ю0°/о-
Механоакустический КПД r|ma
Л та — отношение, выраженное в процентах, акустической ВЫ­ХОДНОЙ мощности Ра к общей механической МОЩНОСТИ Рт
Чта=^ -100%= ра^рт1- -100%.
5.3. Амплитуда колебательного смещения £
£ — амплитуда механических колебаний рабочего конца ульт­развукового инструмента, т. е. выходного конца механического трансформатора, присоединенного к преобразователю.
5.4. Резонансная частота f res
fres — частота, соответствующая максимальному значению электрической входной мощности Ре или максимальному значению амплитуды колебательного смещения | (амплитуды колебательной скорости £а>).
f res зависит от электрического выходного импеданса Zg out воз­буждающего генератора. Если Zg out очень мал по сравнению с электрическим импедансом Z преобразователя и напряжение воз­буждения при изменении частоты остается постоянным (Ут *= ;= const), то fres приблизительно совпадает с антирезонансной ча­стотой fa. Если Z g out очень велик по сравнению с электрическим импедансом преобразователя и ток возбуждения сохраняется пос­тоянным при изменении частоты (/т =const), то fres приблизи­тельно совпадает с частотой последовательного резонанса fr. В ре­альных условиях резонансная частота находится между fr и fa.
Частота резонанса fr
fr — резонансная частота для случая, когда преобразователь возбуждается электрическим генератором тока постоянной величи­ны (выходной импеданс Zg out очень велик по сравнению с Z). Ча­стота fr приблизительно равна частоте, соответствующей максиму­му электрического импеданса преобразователя или максимальной амплитуде колебательной скорости и максимальной входной мощ­ности при постоянном значении тока возбуждения.
Частота антирезонанса fa
fa — резонансная частота для случая, когда преобразователь возбуждается электрическим генератором напряжения постоянной величины (выходной импеданс Zg out очень мал по сравнению с Z). Частота fa приблизительно равна частоте, соответствующей мини­муму электрического импеданса преобразователя или максималь­ной амплитуде колебательной скорости и максимальной входной мощности при постоянном значении напряжения возбуждения.
5.5. Ширина полосы Af
Д/ — частотный интервал в области резонанса на частотной ха­рактеристике преобразователя, ограниченный с обеих сторон fres частотами, соответствующими либо значениям равным поло­вине максимального значения, либо значениям |, равным 0,7 мак­симального значения.
Частотная характеристика (при постоянном напряжении) —
график зависимости Ре или g от частоты при постоянном значе­нии Ут . Частотный диапазон характеристики берут достаточно широким, чтобы правильно описать преобразователь в условиях на­грузки.
Частотная характеристика (при постоянном токе) —
график зависимости Ре и £ от частоты при постоянном значе­нии 7т . Частотный диапазон характеристики берут достаточно ши­роким, чтобы правильно описать преобразователь в условиях на­грузки.
Механическая добротность Q преобразователя является мерой его механических потерь и определяется как
Q fres 4 ■
5.6. Электрический импеданс преобразовате­ля Z
Z — отношение переменного напряжения возбуждения на зажи­мах преобразователя к соответствующему переменному току, про­текающему через его обмотку, выражается в виде
Z=\Z\el?, где модуль импеданса преобразователя равен
ср — угол сдвига фаз между напряжением возбуждения и током. Другая форма для выражения импеданса
Z=P+jX,
где R — действительная, X — мнимая его составляющие.
При этом имеют место следующие соотношения:
tgT=4 •
5.6.1. Электрический импеданс на резонансной частоте ZTes .
Zres — значение электрического импеданса преобразователя на его резонансной частоте.
5.6.2. Электрический импеданс заторможенного (демпфирован­ного) преобразователя ZA
Z — электрический импеданс преобразователя в отсутствии механических колебаний.

6. УСЛОВИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

6.1. Общие требования
Измерения характеристик преобразователя следует проводить при условиях, максимально приближенных к услбвиям реальной работы в ультразвуковых устройствах:
температуры окружающей жидкости или воздуха;
охлаждения;
крепления преобразователя;
граничных сред на боковых и тыльной поверхностях (воздух или пористый материал);
режима подмагничивания;
нагрузочных режимов.
Измерения характеристик , g, fres , ДА Q> Zres и Zd преобра- зователей категории А допускается проводить без внешней нагруз­ки, если импеданс нагрузки достаточно мал по сравнению с внут­ренним механическим импедансом преобразователя.
Измерения КПД (см. п. 7,2) в каждом случае следует прово­дить с соответствующим импедансом нагрузки. Поскольку преоб­разователь категории А обычно работает с переменной нагрузкой,