О влиянии неточностей изготовления конструктивных элементов пьезопреобразователя на длительность акустического зондирующего импульса

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.

1. Uchino K. Piezoelectric Devices for Sustainability Technologies // Encyclopedia of Sustainable Technologies (Second Edition). 2024. Vol. 3. P. 463–477. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-90386-8.00014-0

2. Memon A., Alhems L. EMAT Generated Guided Waves in Pipes: A Review // e-Journal of Nondestructive Testing. 2023. Vol. 28(10). https://doi.org/10.58286/28711

3. Application 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 content

4. Capacitive 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.2012.02.001

5. Applications 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.2025.100302

6. Piezoelectric 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.2014.06.001

7. Piezoelectric 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.2010.09.001

8. Степанов Б. Г. Пьезоэлектрические преобразователи стержневого и пластинчатого типов с амплитудно-фазовым возбуждением. Задачи синтеза и анализа. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. 220 с.

9. 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.

10. 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.2021.107290

11. Precise 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.2020.106341

12. Liu 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.2025.110605

13. Eason 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/10.1063/1.4940647

14. A 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/app9071483

15. Cross 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.2023.3293139

16. Dual 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/10.1063/1.5095994

17. Parameter 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.2022.111010

18. Xiong 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.2023.3324502

19. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / под общ. ред. И. Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986. 280 с.

20. 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/10.32603/1993-8985-2023-26-1-87-98