uprinmatusИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроениеProceedings of the Southwest State University. Series: IT Management, Computer Science, Computer Engineering. Medical Equipment Engineering2223-1536Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1536-2025-15-2-58-73uprinmatus-309Research ArticleМЕХАТРОНИКА, РОБОТОТЕХНИКАMECHATRONICS, ROBOTICSО влиянии неточностей изготовления конструктивных элементов пьезопреобразователя на длительность акустического зондирующего импульсаOn the influence of manufacturing inaccuracies of the structural elements of a piezoelectric transducer on the duration of an acoustic probing pulsehttps://orcid.org/0000-0002-5033-344XКоноваловС. И.KonovalovS. I.

Коновалов Сергей Ильич, доктор технических наук, профессор

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, г. Санкт-Петербург 197022

Sergey I. Konovalov, Doctor of Sciences (Engineering), Professor

5/F Professora Popova Str., St. Petersburg 197022

sikonovalov.eut@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0003-0018-6810ВечёраМ. С.VecheraM. S.

Вечёра Михаил Сергеевич, аспирант

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, г. Санкт-Петербург 197022

Mikhail S. Vechera, Post-Graduate Student

5/F Professora Popova Str., St. Petersburg 197022

vechiora.mihail@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0155-2718КоноваловР. С.KonovalovR. S.

Коновалов Роман Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электроакустики и ультразвуковой техники; доцент

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, г. Санкт-Петербург 197022

пр-т Московский, д. 9, г. Санкт-Петербург 190031

Roman S. Konovalov, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor, Head of the Department of Electroacoustics and Ultrasound Technology; Associate Professor

5/F Professora Popova Str., St. Petersburg 197022

9 Moskovsky Ave., St. Petersburg 190031

rskonovalov@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7386-7233ЦаплевВ. М.TsaplevV. M.

Цаплев Валерий Михайлович, доктор технических наук, профессор

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, г. Санкт-Петербург 197022

Valery M. Tsaplev, Doctor of Sciences (Engineering), Professor

5/F Professora Popova Str., St. Petersburg 197022

valery@convergences-fr.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1075-3420ЮлдашевЗ. М.YuldashevZ. M.

Юлдашев Зафар Мухамедович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой биотехнических систем

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, г. Санкт-Петербург 197022

Zafar M. Yuldashev, Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Head of the Department of Biotechnical Systems

5/F Professora Popova Str., St. Petersburg 197022

yuld@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University "LETI"Russian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина); Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра IРоссияSaint Petersburg Electrotechnical University "LETI"; Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport UniversityRussian Federation2025020820251525873Copyright © Коновалов С.И., Вечёра М.С., Коновалов Р.С., Цаплев В.М., Юлдашев З.М., 20252025Коновалов С.И., Вечёра М.С., Коновалов Р.С., Цаплев В.М., Юлдашев З.М.Konovalov S.I., Vechera M.S., Konovalov R.S., Tsaplev V.M., Yuldashev Z.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://uprinmatus.elpub.ru/jour/article/view/309

Цель исследования – определить длительность излучаемых пьезоэлектрическим преобразователем акустических сигналов при малых отклонениях (увеличении или уменьшении) толщины согласующего слоя и его удельного акустического сопротивления от оптимальных значений. Методы. Объект исследований −  пьезоэлектрические преобразователи пластинчатого типа, нагруженные на водную среду. Для расчета использован метод эквивалентных схем пьезопреобразователей и спектральный метод на основе преобразований Фурье. Методом эквивалентных схем определются частотные характеристики пьезопреобразователей. Для импульса электрического возбуждения конкретной формы с помощью прямого преобразования Фурье определяется его спектральная функция. Обратным преобразованием Фурье находится вид зондирующего акустического  импульса. На основании анализа импульсного режима работы пьезопреобразователей определяются зависимости длительностей зондирующего сигнала от оптимальных значений волновой толщины согласующего слоя и его удельного акустического сопротивления. Результаты. На основе анализа работы пьезопреобразователей выделены основные причины нарушения идентичности их свойств. Для различных степеней демпфирования пьезопреобразователя определены формы зондирующих сигналов, излучаемых в воду. Проведена оценка влияния неточностей изготовления слоя на длительность зондирующего сигнала. Определена длительность излучаемых пьезоэлектрическим преобразователем акустических сигналов при малых отклонениях (увеличении или уменьшении) толщины согласующего слоя и его удельного акустического сопротивления от оптимальных значений.Заключение. Полученные результаты предназачены для оценки качества заготовок конструктивных элементов пьезопреобразователей при их изготовлении малыми партиями, когда неизбежны погрешности соблюдения толщины согласующего слоя и значения его удельного акустического сопротивления как внутри одной партии, так и между партиями.

The purpose of the research is  to determine determine  the duration of acoustic signals emitted by a piezoelectric transducer with small deviations (increase or decrease) in the thickness of the matching layer and its specific acoustic resistance from the optimal values. Methods. The object of the study is plate-type piezoelectric transducers loaded onto an water medium. The calculation was performed using  the equivalent circuit method of piezoelectric  transducers and  the spectral method based on Fourier transforms. The equivalent circuit method is used to determine the frequency characteristics of piezoelectric transducers. For an electrical excitation pulse of a specific shape, its spectral function is determined using the direct Fourier transform. The type of the probing acoustic pulse is found using the inverse Fourier transform. Based on the analysis of the pulsed operating mode of piezoelectric transducers, the dependences of the probing signal durations on the optimal values of the wave thickness of the matching layer and its specific acoustic resistance are determined.  Results. Based on the analysis of the operation of piezoelectric transducers, the main causes of violation of the identity of their properties are  identified. For different degrees of damping of  the piezoelectric  transducer, the shapes of the probing signals radiated into water are determined. The effect of inaccuracies in the manufacture of the layer on the  duration of the probing signal is assessed. The duration of acoustic signals emitted by a piezoelectric  transducer  is determined with small deviations (increase or decrease) in the thickness of the matching layer and its specific acoustic resistance from the optimal values. Conclusion. The obtained results are intended to assess the quality of blanks of structural elements of piezoelectric transducers during their manufacture in small batches, when errors in maintaining the thickness of the matching layer and the value of its specific acoustic resistance are inevitable both within one batch and between batches.  

неразрушающий контрольпьезоэлектрический преобразовательзондирующий акустический импульсnon-destructive testingpiezoelectric transduceracoustic pulse probeReferencesUchino K. Piezoelectric Devices for Sustainability Technologies // Encyclopedia of Sustainable Technologies (Second Edition). 2024. Vol. 3. P. 463–477. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-90386-8.00014-0Uchino K. Piezoelectric Devices for Sustainability Technologies. Encyclopedia of Sustainable Technologies (Second Edition). 2024;3:463–477. https://doi.org/10.1016/ B978-0-323-90386-8.00014-0Memon A., Alhems L. EMAT Generated Guided Waves in Pipes: A Review // e-Journal of Nondestructive Testing. 2023. Vol. 28(10). https://doi.org/10.58286/28711Memon A., Alhems L. EMAT Generated Guided Waves in Pipes: A Review. e-Journal of Nondestructive Testing. 2023;28(10). https://doi.org/10.58286/28711Application of Laser Ultrasonic Testing Technology in The Characterization of Material Properties: A Review / Y. Lian, F. Du, L. Xie, Q. Hu, P. Jin, Y. Wang, Z. Lu. // Measurement. 2024. Vol. 234. Р. 114855. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.114855Get rights and contentLian Y., Du F., Xie L., Hu Q., Jin P., Wang Y., Lu Z. Application of Laser Ultrasonic Testing Technology in The Characterization of Material Properties: A Review. Measurement. 2024;234:114855. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.114855Get rights and contentCapacitive Micromachined Ultrasonic Transducers: Technology and Application / M. Sabri Salim, M. F. A. Malek, R. B. W. Heng, K. M. Juni, N. Sabri // Journal of Medical Ultrasound. 2012. Vol. 20, is. 1. P. 8–31. https://doi.org/10.1016/j.jmu.2012.02.001Sabri Salim M., Malek M. F. A., Heng R. B. W., Juni K. M., Sabri N. Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers: Technology and Application. Journal of Medical Ultrasound. 2012;20(1):8–31. https://doi.org/10.1016/j.jmu.2012.02.001Applications of Piezoelectric-Based Sensors, Actuators, and Energy Harvesters / M. Ali Mangi, H. Elahi, A. Ali, H. Jabbar, A. Bin Aqeel, A. Farrukh, S. Bibi, W. A. Altabey, S. A. Kouritem, M. Noori // Sensors and Actuators Reports. 2025. Vol. 9. Р. 100302. https://doi.org/10.1016/j.snr.2025.100302Ali Mangi M., Elahi H., Ali A., Jabbar H., Aqeel Bin A., Farrukh A., Bibi S., Altabey W. A., Kouritem S. A., Noori M. Applications of Piezoelectric-Based Sensors, Actuators, and Energy Harvesters. Sensors and Actuators Reports. 2025;9:100302. https://doi.org/10.1016/j.snr.2025.100302Piezoelectric Single Crystal Ultrasonic Transducers for Biomedical Applications / Q. Zhou, K. Ho Lam, H. Zheng, W. Qiu, K. Kirk Shung // Progress in Materials Science. 2014. Vol. 66. P. 87–111. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2014.06.001Zhou Q., Ho Lam K., Zheng H., Qiu W., Kirk K. Shung. Piezoelectric Single Crystal Ultrasonic Transducers for Biomedical Applications. Progress in Materials Science. 2014;66:87–111. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2014.06.001Piezoelectric Films for High Frequency Ultrasonic Transducers in Biomedical Applications / Q. Zhou, S. Lau, D. Wu, K. Kirk Shung // Progress in Materials Science. 2011. Vol. 56, is. 2. P. 139–174. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2010.09.001Zhou Q., Lau S., Wu D., Shung K. Kirk. Piezoelectric Films for High Frequency Ultrasonic Transducers in Biomedical Applications. Progress in Materials Science. 2011;56(2):139–174. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2010.09.001Степанов Б. Г. Пьезоэлектрические преобразователи стержневого и пластинчатого типов с амплитудно-фазовым возбуждением. Задачи синтеза и анализа. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. 220 с.Stepanov B.G. Piezoelectric transducers of rod and plate types with amplitude-phase excitation. Problems of synthesis and analysis. Saint Petersburg: Izdatel’stvo SPbGETU "LETI"; 2019. 220 p. (In Russ.)Коновалов С. И., Кузьменко А. Г. Физические основы работы и проектирования импульсных пьезопреобразователей в задачах измерения и контроля. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. 228 с.Konovalov S.I., Kuz’menko A.G. Physical foundations of operation and design of pulse piezoelectric transducers in measurement and control problems. Saint Petersburg: Izdatel’stvo SPbGETU "LETI"; 2016. 228 p. (In Russ.)Review of Ultrasonic-Based Technology for Oil Film Thickness Measurement in Lubrication / P. Dou, Y. Jia, P. Zheng, T. Wu, M. Yu, T. Reddyhoff, Z. Peng // Tribology International. 2022. Vol. 165. Р. 107290. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107290Dou P., Jia Y., Zheng P., Wu T., Yu M., Reddyhoff T., Peng Z. Review of Ultrasonic-Based Technology for Oil Film Thickness Measurement in Lubrication. Tribology International. 2022;165:107290. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2021.107290Precise experimental determination of electrical equivalent circuit parameters for ultrasonic piezoelectric ceramic transducers from their measured characteristics / P. P. Janů, J. Bajer, P. Dyčka, R. Bystřický // Ultrasonics. 2021. Vol. 112. Р. 106341. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2020.106341Janů P.P., Bajer J., Dyčka P., Bystřický R. Precise experimental determination of electrical equivalent circuit parameters for ultrasonic piezoelectric ceramic transducers from their measured characteristics. Ultrasonics. 2021;112:106341. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2020.106341Liu W., Li D., Xie W. A Novel Time-of-Flight Difference Determination Method for Ultrasonic Thickness Measurement With Ultrasonic Echo Onset Point Detection // Applied Acoustics. 2025. Vol. 233. Р. 110605. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2025.110605Liu W., Li D., Xie W. A Novel Time-of-Flight Difference Determination Method for Ultrasonic Thickness Measurement With Ultrasonic Echo Onset Point Detection. Applied Acoustics. 2025;233:110605. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2025.110605Eason T. J., Bond L. J., Lozev M. G. Structural health monitoring ultrasonic thickness measurement accuracy and reliability of various time-of-flight calculation methods // 42nd Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation: Incorporating the 6th European-American Workshop on Reliability. Minneapolis, 2016. Vol. 1706. Р. 200003. https://doi.org/10.1063/1.4940647Eason T.J., Bond L.J., Lozev M.G. Structural health monitoring ultrasonic thickness measurement accuracy and reliability of various time-of-flight calculation methods. In: 42nd Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation: Incorporating the 6th European-American Workshop on Reliability. Vol. 1706. Minneapolis; 2016. Р. 200003. 2016;1706:200003. https://doi.org/10.1063/1.4940647A High-Resolution Ultrasonic Ranging System Using Laser Sensing and a Cross-Correlation Method / L. Jia, B. Xue, S. Chen, H. Wu, X. Yang, J. Zhai, Z. Zeng // Applied Sciences. 2019. Is. 9. Р. 1483. https://doi.org/10.3390/app9071483Jia L., Xue B., Chen S., Wu H., Yang X., Zhai J., Zeng Z. A High-Resolution Ultrasonic Ranging System Using Laser Sensing and a Cross-Correlation Method. Applied Sciences. 2019;(9):1483. https://doi.org/10.3390/app9071483Cross Correlation-Based Ultrasonic Gas Flow Sensor With Temperature Compensation / J. R. G. Oya, E. H. Fort, D. N. Miguel, A. S. Rojas, R. G. Carvajal, F. M. Chavero // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2023. Vol. 72. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/TIM.2023.3293139Oya J. R. G., Fort E. H., Miguel D. N., Rojas A. S., Carvajal R. G., Chavero F. M. Cross Correlation-Based Ultrasonic Gas Flow Sensor With Temperature Compensation. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2023;72:1–4. https://doi.org/10.1109/TIM.2023.3293139Dual Gaussian attenuation model of ultrasonic echo and its parameter estimation / D. Wang, Z. Wang, P. Li, Y. Chen, H. Li // AIP Advances. 2019. N 9(5). P. 055213. https://doi.org/10.1063/1.5095994Wang D., Wang Z., Li P., Chen Y., Li H. Dual Gaussian attenuation model of ultrasonic echo and its parameter estimation. AIP Advances. 2019;(9):055213. https://doi.org/10.1063/1.5095994Parameter estimation for ultrasonic echo signals through improved matching pursuit and flower pollination algorithms / M. Chang, Z. Lu, Q. Huang, C. Yang // Measurement. 2022. Vol. 194. P. 111010. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.111010Chang M., Lu Z., Huang Q., Yang C. Parameter estimation for ultrasonic echo signals through improved matching pursuit and flower pollination algorithms. Measurement. 2022;194:111010. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.111010Xiong J., Mao P., Li X. Enhancing Ultrasonic Time-of-Flight Estimation Using Adaptive Differential Evolution and Levenberg–Marquardt Algorithm // IEEE Sensors Journal. 2024. Vol. 24, N 2. P. 1224–1232. https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3324502Xiong J., Mao P., Li X. Enhancing Ultrasonic Time-of-Flight Estimation Using Adaptive Differential Evolution and Levenberg–Marquardt Algorithm. IEEE Sensors Journal. 2024;24(2):1224–1232. https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3324502Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / под общ. ред. И. Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986. 280 с.Ermolov I.N. (ed.). Ultrasonic Piezoelectric Transducers for Nondestructive Testing. Moscow: Mashinostroenie; 1986. 280 p. (In Russ.)Коновалов С. И., Юлдашев З. М. Формирование зондирующих сигналов пьезоэлектрических преобразователей для ультразвукового контроля // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2023. Т. 26, № 1. С. 87–98. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2023-26-1-87-98Konovalov S.I., Yuldashev Z.M. Formation of Probing Signals of Piezoelectric Transducers for Ultrasonic Testing. Izvestiya vuzov Rossii. Radioelektronika = Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2023;26(1):87–98. (In Russ.) https://doi.org/10.32603/1993-8985-2023-26-1-87-98

The authors declare that there are no conflicts of interest present.