Согласно результатам гл. 2 и изложенному выше в данном параграфе элементарный импульс представляет собой широкополосный сигнал, высокочастотные составляющие которого ослабляются по мере распространения сигнала, а пьезопреобразователь реагирует на него совокупностью свободных колебаний на собственных частотах. Таким образом, преобразователь без принятия специальных мер для расширения его АЧХ, которые сводятся к демпфированию преобразователя, т. е. потере энергии сигнала, представляет собой частотный фильтр так называемого гребенчатого типа с максимумами АЧХ па собственных частотах. Для оптимальной регистрации АЭ-сигналов требуется частотный фильтр с АЧХ, аналогичной АЧХ преобразователя.
Однако это справедливо до тех пор, пока эквивалентное шумовое сопротивление преобразователя на антирезонансных частотах больше шумового сопротивления входного каскада усилителя, т. е. для относительно низких частот. Начиная с частот порядка десятков килогерц, шумовое сопротивление усилителя начинает преобладать, вследствие чего выигрыша в отношении сигнал—шум за счет увеличения количества максимумов в АЧХ фильтра достигнуто быть не может. Работа же на частотах, меньших десятков килогерц, связана с резким снижением акустической помехоустойчивости прибора. Поэтому целесообразен выбор рабочей частоты в диапазоне немногих сотен килогерц (реально—начиная с частоты порядка 100 кГц), совпадающей с одной из основных резонансных частот преобразователя. Аналогичные соображения приводят к выводу о том, что эта резонансная частота должна совпадать с одной из собственных частот колебаний образца. В этом случае образец и преобразователь образуют узкополосный фильтр, с АЧХ которого следует согласовать и полосу частот усиления усилителя , которая не должна превышать полосы пропускания указанного фильтра во избежание ухудшения отношения сигнал — шум на выходе прибора. Следовательно, можно считать целесообразной регистрацию сигналов в узкой полосе частот, находящейся в диапазоне сотен килогерц.
Такая задача успешно решается при помощи известных в технике радиоприема методов. В частности, можно использовать усилительный тракт обычного радиоприемника с отключенной системой автоматической регулировки усиления. Это существенно облегчает изготовление аппаратуры, избавляя от необходимости монтажа и настройки высокочастотных усилителей, фильтров, детекторов в усилителей огибающей сигнала. Таким образом, экономится время на создание аппаратуры, а простота обращения с ней повышает эффективность исследований.
В простейшем варианте пьезопреобразователь подключают непосредственно к антенному гнезду приемника, однако при этом его электрический импеданс не согласуется с входным импедансом антенных цепей, и чувствительность аппаратуры значительно меньше максимальной. При исследовании процессов трещинообразования такая чувствительность может оказаться достаточной, но для регистрации слабых сигналов целесообразно использовать простейший предварительный усилитель сигналов, который имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления (рис. 6.17). Питается он от того же источника, что и радиоприемник. Усилитель нс требует наладки, указанные величины номиналов резисторов и конденсаторов можно варьировать в широких пределах (в 1,5—2 раза).
Рис. 6.17. Схема простейшего предварительного усилителя АЭ-сигналов
Усилитель может быть размещен в корпусе преобразователя и соединен с приемником высокочастотным кабелем, по которому одновременно передаются сигналы с усилителя и осуществляется его питание. Нагрузочный резистор, с которого снимаются выходные сигналы, монтируется непосредственно у гнезда питания приемника.
Более сложный усилитель, используемый в большинстве исследований, содержит три каскада усиления на полевых транзисторах и имеет коэффициент усиления около 400.
Передача сигналов на регистрирующие устройства. Подключение внешних регистраторов, питаемых от промышленной электрической сети, ведет к проникновению импульсных электрических помех в усилительный тракт и к появлению импульсов, которые могут быть ошибочно идентифицированы как АЭ-сигналы. Для устранения этого явления может быть использован простейший олтронный преобразователь
Преобразователь монтируется таким образом, чтобы электрические схемы, связанные со светодиодом оптрона и его фотодиодом, были разделены заземленной металлической перегородкой, а которой сделан вырез для корпуса оптрона. Источники питания этих схем раздельные и представляют собой каждый по две батареи типа 3336Л или аналогичные. Автономное питание, особенно высокочастотной высокочувствительной схемы, обеспечивает высокую помехоустойчивость регистрации сигналов при подключении внешних регистрирующих устройств, питаемых от промышленной сети.
Выходные сигналы оптронного преобразователя усиливаются с помощью усилителя, выполненного на операционном усилителе. К выходу усилителя может быть подключен регистратор сигналов. В качестве таких регистраторов используются аналоговые устройства — самопишущий прибор, милливольтметр. магнитофон. В последнем случае возможен последовательный анализ сигналов при многократном воспроизведении записи.
На основании изложенного структурная схема устройств рассматриваемого типа может быть представлена в виде, показанном на рис. 6.18. Сигнал с пьезопреобразователя поступает на вход предварительного усилителя, после этого он подвергается частотному преобразованию, усиливается, фильтруется на промежуточной частоте, детектируется, преобразуется оптронным преобразователем, дополнительно усиливается и регистрируется. Цели, в которых усиливаются и преобразуются слабые сигналы, тщательно экранированы. Схема рис. 6.18 сравнительно проста и реализуется с помощью серийно выпускаемой радиоаппаратуры.
При регистрации непрерывной АЭ в большинстве случаев плотность вероятностей имеет близкое к нормальному распределение. При узкополосной фильтрации распределение нормализуется еще более, а после детектирования нормальное распределение переходит в рэлеевской [108]. Следовательно, во многих случаях от амплитудного анализа можно отказаться. Однако учет специфики конкретных решаемых задач требует дискриминация и регистрации сигналов с разными амплитудами. Для этой цели используется устройство, представляющее собой дискриминатор уровня на операционном усилителе, работающем в режиме компаратора.
С целью дальнейшего упрощения усилительных и фильтрующих блоков регистрирующей системы разработаны схемы, осуществляющие так называемое прямое преобразование частоты. Сущность такого преобразования заключается в получении детектированного сигнала (низкочастотной огибающей) за счет низкочастотных биений исследуемых сигналов с высокочастотным сигналом, вырабатываемым гетеродином преобразователя. При этом узкополосная фильтрация осуществляется на низкой частоте с использованием RС-цепей вместо колебательных контуров, что упрощает построение и наладку аппаратуры. Прямое преобразование тем более целесообразно, так как при этом практически исключается паразитная обратная связь между двумя частями усилительной схемы, разделенными оптронным преобразователем, что позволяет без самовозбуждения схемы получить большой коэффициент усиления на низкой частоте.
Поступающий с предусилителя сигнал подается на один из затворов полевого транзистора, работающего а режиме преобразователя частоты. На второй затвор воздействует гетеродин, собранного по схеме с автотрансформаторной индуктивной обратной связью. Режим работы транзистора смесителя выбран таким, чтобы обеспечить максимальную крутизну преобразования при минимальном уровне сигналов, проходящих по побочным каналам из-за нелинейности преобразователя. Нагрузкой последнего служит низкочастотный фильтр. Выходное напряжение низкой частоты усиливается и подается на оптронный преобразователь, сигналы которого обрабатываются описанным выше методом.
Выбор размеров пьезопреобразователя.
В качестве пьезоэлементов можно использовать пластины из пьезокерамики ЦТС. Выбор размеров последних в значительной степени произволен и определяется интервалом частот регистрации. Промышленные радиоприемники дают возможность регистрировать сигналы в диапазонах частот 150—400 и 520— 1600 кГц. Как показывает практика, высокую чувствительность к акустическим сигналам проще получить в диапазоне частот 150—300 кГц. Размеры пластины должны быть связаны с частотой регистрации соотношением Н≈ 1900/f, где Н — размер пластины (диаметр, толщина), мм; f—центральная частота полосы регистрации, кГц. Т1рн таком выборе обеспечиваются резонансный режим работы преобразователя, и. соответственно, увеличение амплитуды сигналов. Наин использованы пьезоэлементы диаметром 10 мм и толщиной от 3 до 10 мм. При толщине пластины 5 мм наибольшая чувствительность имела место на частотах около 195 и 385 кГц. что соответствует радиальному и толщинному резонансам пьезопреобразователя. При размерах преобразователя 10X3 мм резонансные частоты составляли 195 и 635 кГц. Применялись также пьезоэлементы в виде брусков, вырезанных из пьезопластин. При размерах бруска 18x6x3 мм наблюдались резонансные частоты а области 100, 300 и 600 кГц.
Способ крепления образца и пьезоэлемента в корпусе преобразователя.
Автор с сотрудниками использовали одну из двух конструкций пьезопреобразователя—в виде тонкой узкой пластины или стержня. Образец или звукопровод а виде тонкой узкой пластины находятся в непосредственном контакте с пьезоэлементом. Дюралюминиевый корпус преобразователя закреплен на массивном основании, установленном на резиновой прокладке для лучшей виброизоляции. К корпусу двумя винтами крепится накладка, зажимающая исследуемый образец. Пьезоэлемент прижимается к образцу через масляную прослойку латунным штырем, являющимся входным электродом входного каскада усилителя, собранного на плате. Прижимное усилие обеспечивается пружиной, навитой на штырь, боковое смещение пьезоэлемент предотвращается втулкой из изоляционного материала. Можно использовать конструкцию преобразователя, в которой при· меняется цанговый зажим цилиндрического образца (или соединённого с ним звукопровода).
Создание АЭ-сигналов для градуировки и настройки аппаратуры.
Разработаны простые способы градуировки, позволяющие быстро и с помощью общедоступных средств настроить АЭ — аппаратуру и определить ее чувствительность. Первый способ — с использованием шума при электрохимических процессах —позволяет осуществить относительную градуировку и подстройку АЭ-аппаратуры на максимяльную чувствительность. Второй — с помощью струи песка — близок к методам абсолютной градуировки. Оба метода описаны в § 2.6. Здесь отметим, что опыт применения показал их надежность и простоту реализации в условиях неспециализированных лабораторий.
Для подстройки описанных простых приборов после достижения стационарного уровня шума, контролируемого по скорости счета АЭ-импульсов па выходе при некотором уровне дискриминации, с помощью регулятора усиления усилителя прибора добиваются заданного значения средней скорости счета (обычно 1000—3000 имп/с).
Воспроизводимость результатов при подобном способе градуировки находится в пределах статистической погрешности определения скорости счета, среднеквадратическое значение которой равно 1,3—2,2% для указанных выше скоростей счета. Градуировка аппаратуры при наличии подготовленных заранее образцов занимает 2—3 мин.
