Излучатели и приемники ультразвука

А. Ф. ЗАЦЕПИН

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОМЕТРИИ

Учебное пособие

Научный редактор проф., д-р техн. наук В.С. Кортов

Екатеринбург

УДК 534.2:658.562.6(042.4)

ББК 22.32+30.607я73

З 38

Рецензенты: кафедра физики УГЛТУ (зав. кафедрой, проф.,

д-р физ.-мат. наук М.П. Кащенко);

д-р физ.-мат. наук А.Б. Ринкевич

(ИФМ УрО РАН)

А. Ф. Зацепин

З­­ 38 Физические основы ультразвуковой дефектометрии: учебное пособие. В 2 ч. Ч.2 / А.Ф. Зацепин. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2006. – 117 с.

ISBN 5-321-00-943-0

Настоящее учебное пособие представляет собой вторую часть конспекта лекций по курсу «Акустический контроль», читаемого студентам специальности 190200 Приборы и методы контроля качества и диагностики. В пособии изложены основные принципы излучения и приема ультразвука. Рассмотрены методы расчета акустических полей, метрологические аспекты ультразвуковой дефектоскопии. Особое внимание уделено технологии ультразвукового контроля, стандартным образцам, устройству и областям применения наиболее распространенных типов УЗ-дефектоскопов.

Публикуется в рамках плана Уральского НОЦ «Перспективные материалы» (Award No. REC - 005 of the U.S. Civilian Research & Development Foundation (CRDF)) и при поддержке РФФИ (грант №04-02-96067-р2004урал_а «Акустические свойства материалов в состоянии предразрушения»).

Библиогр.: 8 назв. Табл. 4. Рис. 58.

УДК 534.2:658.562.6 (042.4)

ББК 22.32+30.607я73

ISBN 5-321-00-943-0 Ó ГОУ ВПО «Уральский государственный

технический университет – УПИ», 2006

Ó А.Ф. Зацепин, 2006

«…Господь, небеса, все божественные

слова в волнах…»

Нострадамус

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АК – акустический контроль

АРД – амплитуда – расстояние – диаметр

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика

НК – неразрушающий контроль

ОК – объект контроля

ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь

ЭМА – электро-магнитно-акустический

СО – стандартный образец

СОП – стандартный образец предприятия

УЗК – ультразвуковые колебания

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 6

1. ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКА.. 7

1.1. Пьезоэлектрический эффект. 7

1.2. Пьезоэлектрические материалы и их свойства. 13

1.3. Классификация пьезопреобразователей. 15

1.4. Конструкция преобразователей. 17

1.5. Обозначение пьезопреобразователей. 25

1.6. Передаточная функция преобразователя. 26

1.7. Эквивалентные схемы пьезоизлучателей и приемников. 28

1.8. Рациональный выбор параметров преобразователя. 31

1.9. Бесконтактные способы излучения и приема акустических волн. 38

1.10. Контрольные вопросы.. 48

2. АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. 49

2.1. Поле преобразователя произвольной формы.. 50

2.2. Поле дискового преобразователя. 52

2.3. Диаграмма направленности. 55

2.4. Поле кольцеобразного преобразователя. 57

2.5. Поле прямоугольного преобразователя. 58

2.6. Поле преобразователя с акустической задержкой. 62

2.7. Контрольные вопросы.. 68

3. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ 69

3.1. Модели дефектов. 70

3.2. Расчет акустического тракта для случая прямого преобразователя. 71

3.3. Расчет акустического тракта с наклонным преобразователем. 74

3.4. Стандартные образцы (СО) 78

3.5. Эквивалентный размер дефекта. 82

3.6 АРД-диаграмма. 83

3.7. Контрольные вопросы.. 84

4. АППАРАТУРА И ТЕХНОЛОГИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ.. 86

4.1. Ультразвуковой дефектоскоп. 86

4.2. Шумы и помехи при ультразвуковом контроле. 97

4.3. Причины возникновения и способы подавления ложных сигналов. 99

4.4. Процедура контроля. 104

4.5. Основные термины и определения акустического контроля. 106

4.6. Контрольные вопросы.. 113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 114

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 116

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебное пособие представляет собой вторую часть курса лекций «Акустической контроль». Часть первая «Введение в физику акустического контроля», изданная в 2005 году, посвящена рассмотрению основ физики колебаний малой амплитуды, закономерностей распространения и трансформации акустических волн. Главное внимание в указанном издании было сконцентрировано на основных понятиях геометрической и волновой акустики и физических принципах, положенных в основу ультразвуковых методов контроля.

Отличительная особенность настоящего пособия состоит в том, что оно содержит информацию об устройстве и характеристиках электроакустических преобразователей, методиках расчета параметров акустических полей и акустического тракта, включает сведения о дефектоскопической аппаратуре и технологии акустического контроля. Значительное уделено группе активных методов отраженного УЗ-излучения, получивших в настоящее время наиболее широкое распространение в практике неразрушающего контроля.

В пособии приведены примеры анализа характеристик акустического поля в произвольной точке пространства с учетом отражательной способности дефектов, наличия границ раздела сред и фазовых неоднородностей. Показано, что расчет поля излучения-приема пьезоэлектрических преобразователей сводится к определению амплитуды полезного сигнала, несущего информацию об измеряемом параметре. Для этого требуется вычисление передаточной функции двойного преобразования электрических сигналов в акустические и обратно акустических сигналов в электрические.

Вопросы собственно УЗ-дефектометрии изложены в последовательности, включающей вывод аналитических выражений для полезных сигналов, учет помех и ложных сигналов, выбор метрологического обеспечения и оптимизацию параметров метода контроля. Описаны принципы и даны примеры организации схем акустического контроля. Указанные вопросы рассматриваются прежде всего с точки зрения задач, решаемых при проектировании специализированной аппаратуры и развитии технологии УЗ-дефектоскопии.

ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКА

В настоящее время ультразвуковую (УЗ) контрольно-измерительную аппаратуру применяют в самых различных областях науки и техники: в дефектоскопии, при медицинской диагностике, исследовании физических свойств материалов, контроле геометрических размеров объектов и т. д. Обработка полезных сигналов значительно облегчается, если импульсы акустических волн имеют заданную пространственно-временную характеристику. Поэтому важнейшие функциональные и метрологические возможности ультразвуковой аппаратуры неразрушающего контроля определяются, как правило, параметрами электромеханических преобразователей – излучателей и приемников УЗ-колебаний. Ультразвуковые преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования электрических колебаний в механические и обратно. В качестве первичных датчиков используют преобразователи различных типов. По принципу действия преобразователи делятся на группы:

– механические;

– электродинамические;

– электрострикционные;

– пьезоэлектрические;

– магнитодинамические;

– магнитострикционные и др.

Наибольшее распространение в современных приборах УЗ-дефектоскопии получили пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП).