Классификация преобразователей

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Для возбуждения и приема упругих колебаний применяют преобразователи, работа которых основана на различных физических явлениях. Преобразователи используют для возбуждения упругих волн в газообразных, жидких и твердых средах. Работа прибора основана на преобразовании акустической энергии в энергию какого-либо другого вида.

При акустических измерениях и контроле наибольшее распространение получили электроакустические преобразователи, причем в электромагнитных, электродинамических, электростатистических излучателях, в магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователях электрическая (магнитная) энергия преобразуется в энергию упругих колебаний твердого тела (диска, пластины, стержня и т.д.), которые в свою очередь излучают в исследуемую среду акустические колебания.

При акустическом контроле важно, чтобы процесс преобразования электрической энергии в механическую был обратимым, т.е. механические колебания тела преобразователя создавали электрический заряд на его электродах.

К преобразователям, наиболее часто применяемым в акустическом контроле, относятся пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) . ПЭП — это устройство, предназначенное для преобразования электрического (акустического) сигнала в акустический (электрический), основанное на использовании пьезоэлектрического эффекта и применяемое для работы в составе СНК (ГОСТ 23702-85).

Напомним суть пьезоэлектрического эффекта: под действием электрического поля пьезоэлектрический кристалл, вырезанный определенным образом, испытывает деформацию растяжения (сжатия), и наоборот, упругая деформация кристалла приводит к появлению электриче­ских зарядов на его гранях.

ПЭП работает в диапазоне частот от единиц килогерц до сотен мега­герц, КПД - от 40 до 70 %.

Для изготовления ПЭП можно использовать природные кристаллы кварца, сегнетовой соли и другие материалы. Во всех современных серийных акустических приборах применяют пьезокерамику, керамику из группы титаната-цирконата свинца (ЦТС) .

Конструктивно ПЭП выполняются таким образом, чтобы сравнительно небольшое их количество могло обеспечить возбуждение (прием) всех необходимых типов колебаний.

3

2

1

4 5

Рис. 1

Прямой совмещенный ПЭП применяют, как правило, для возбуждения и приема продольных упругих колебаний. В таком ПЭП используют одну пьезопластину, которая работает как для возбуждения упругих колебаний, так и для приема эхо-сигнала. ПЭП (см. рис. 1) состоит из корпуса 1, в котором размещается пьезопластина 5. Специальная пластина 4 называется протектором и является защитой от механических повреждений пьезопластины. Кроме того, износоустойчивый материал протектора улучшает согласование пьезопластины с изделием по акустическому сопротивлению.

Механические колебания пьезопластины возбуждаются от генератора УЗК через электрические вводы 2, которые, с одной стороны, присоединяются к электродам пьезопластины, а с другой, к генератору и усилителю электронного блока дефектоскопа. Демпфер 3, представляющий собой, например, эпоксидную смолу, смешанную с мелкодисперсным порошком вольфрама, предназначен для гашения свободных колебаний пьезопластины. Хорошее согласование демпфера и пьезоэлемента по их акустическому сопротивлению приводит к значительному укорочению длительности изучаемого ультразвукового импульса. Но кроме согласо­вания демпфера и пьезоэлемента по акустическому сопротивлению необходимо, чтобы материал демпфера имел большой коэффициент затухания, который бы исключал возможность появления паразитных импульсов. порожденных многократными отражениями упругих колеба­ний от элементов конструкции ПЭП.

При оптимальном согласовании материала демпфера и пьезопластины можно получить импульсы длительностью 0,2-0,5 мкс на частотах 5-10 МГц.

В практике ультразвукового контроля часто используют раздельно-совмещенный ПЭП (рис.2), в корпусе 2 которого размешают две пьезопластины,

Рис.3

Рис.2

отделенные друг от друга акустическим экраном 1. Одна из пьезопластин, например, 5 подключается с помощью электрических выводов 7 к генератору ультразвуковых импульсов, другая 3 — к усилителю. Протектором такого ПЭП служит оргстекло 4. Название демпфе­ра 6 такое же, как и в совмещенном ПЭП. Возбуждающая и приемная пластины ПЭП наклонены на небольшой угол (до 7°), поэтому макси­мальная глубина прозвучивания лежит в диапазоне 80—100 мм.

При работе дефектоскопа в совмещенном режиме требуется некоторое время для восстановления чувствительности усилителя после воздействия на его вход и ПЭП мощного импульса генератора. Это обстоятельство приводит к заметному увеличению времени, после которого возможен прием сигнала.

Раздельно-совмещенные ПЭП свободны от таких недостатков, в результате чего длительность времени от излучения до приема эхо-сигнала резко сокращается.

Для возбуждения сдвиговых, поверхностных и нормальных волн применяют наклонные ПЭП (рис. 3). Призма наклонного ПЭП 1 выполняется, как правило, из органического стекла, скорость распространения ультразвуковых колебаний в котором ~ 2670 м/с. Пьезоэлемент 2 крепится к призме под некоторым углом a к вертикали, называемым углом призмы. Точка призмы 3 называется точкой ввода, а угол g, под которым вводятся эти колебания — углом ввода.

Угол призмы, точка ввода и угол ввода влияют на результаты ультразвукового контроля при определении, например, расстояния до де­фекта (по глубиномеру) в сварных соединениях.

В процессе эксплуатации в результате неравномерного износа контактной поверхности ПЭП или перекоса пьезоэлемента угол призмы может отличаться от номинального значения на несколько градусов. Это, в свою очередь, приводит к неправильной оценке угла ввода. К этим погрешностям следует добавить погрешности нанесения точки ввода и погрешности глубиномерного устройства.

Если наклонный ПЭП будет иметь отклонение угла ввода более номинального значения, то ремонт сварного шва путем выборки дефекта с последующей подваркой может оказаться неэффективным.

Пьезоэлемент 2 наклонного ПЭП работает в совмещенном режиме и излучает продольную волну, распространяющуюся в призме с известной скоростью, поэтому для контролируемого материала можно рассчитать угол ввода, используя формулы закона преломления упругих волн на границе двух сред.

Отклонение угла ввода a от номинального значения для ПЭП входящих в комплект дефектоскопов общего назначения, выпущенных до 1988 г., допускалось равным ± 5°, а отклонение точки ввода l ± 3 мм. Начиная с 1988 г., эти отклонения для дефектоскопов высшей категории качества 1 и 2-й групп должны быть соответственно: a = ± 3° и ± 1,5°:

l = ± 2 и ± (0,5-1,0) мм.

Гашение колебаний, отразившихся от поверхности изделия и попавших в призму ПЭП, осуществляют различными по исполнению «ловушками». Эффективно ослабить эти колебания трудно, поэтому реверберационные шумы наклонного ПЭП обычно больше реверберационных шу­мов прямых ПЭП.

1.1. Способы ввода упругих колебаний в изделия. Выбор способа ввода упругих колебаний в изделие зависит от условий контроля: шероховатости поверхности материала, режима контроля (ручной или автоматиче­ский), конструкции ПЭП, материала изделий и т.д.

Контактный способ предусматривает прижатие ПЭП к поверхности изделия. Воздушные зазоры между ПЭП и поверхностью изделия убирают посредством различных жидкостей (касторового, машинного, трансформаторного и других масел, глицерина и т.д.) и консистентных смазок (солидола, литола, технического вазелина и т.д.). Тонкий слой смазки иногда заменяют эластичным материалом (например, износостойкой резиной). Контактный способ ввода упругих колебаний применяют, как правило, при ручном контроле с визуальной или автоматической расши­фровкой результатов контроля.

Непосредственный контакт ПЭП с поверхностью изделия (особенно шероховатой) приводит к очень быстрому износу протектора, а иногда и к выходу из строя пластины преобразователя. Поэтому одной из важнейших проблем ультразвуковой дефектоскопии является поиск эффективных способов передачи упругих колебаний в изделие без непосредственного контакта ПЭП с ним.

Заметим, что в акустической дефектоскопии и структуроскопии толщина контактной жидкости, как правило, не влияет на результат контроля, однако в акустической толщинометрии этот слой может быть источником достаточно заметных погрешностей, особенно при измерении толщин изделий с негрубой поверхностью.

Шелевой (менисковый) способ ввода УЗК осуществляют так: между ПЭП и поверхностью изделия создают зазор порядка длины волны возбуждаемых упругих колебаний, в который поступает жидкость, удерживаемая в зазоре силами поверхностного натяжения. Этот способ следует использовать для контроля плоских изделий. При контроле изделий, имеющих грубую поверхность и некоторую кривизну, применяют струйный способ ввода ультразвука, в котором в качестве контактной жидко­сти обычно используют воду. Иногда струйный ПЭП закрепляют на опре­деленном расстоянии от изделия, которое перемещается с заданной ско­ростью относительно неподвижного ПЭП.

Иммерсионный способ предусматривает погружение изделия и ПЭП в жидкость (воду). При контроле длинномерных изделий, например, труб, применяют так называемую локальную жидкостную ванну. Этот способ позволяет контролировать грубо обработанные изделия, автоматизировать процесс контроля, исключает износ элементов преобразователя.

Поиск способов бесконтактного ввода упругих колебаний в изделие ведется у нас в стране и за рубежом уже давно. Реализация таких способов расширила бы возможности акустического контроля и позволили бы контролировать изделия с большой скоростью, при низких и высоких температурах и в тех случаях, когда контакт или применение различных жидкостей недопустимы по технологии изготовления изделия.

В некоторых специальных случаях возможна воздушная акустиче­ская связь, например, при ультразвуковой толщинометрии, если толщина изделия соизмерима или меньше длины волны ультразвуковых колебаний, так как коэффициент отражения от поверхности изделия значительно уменьшается (увеличивается коэффициент прохождения ультра­звука в изделие).

Существует принципиальная возможность бесконтактного ввода упругих колебаний в изделия с использованием термоакустическою эффекта - возбуждение механических колебаний частиц изделия в результате ударного неравномерного нагрева поверхности изделия (например, лазером), однако прием эхо-сигнала при этом способе встречает значительные технические трудности.

В настоящее время самый перспективный способ бесконтактного ввода акустических волн в изделие - это способ, в котором используются эффекты электромагнитного поля - эффект намагничивания изделия и эффект вихревых токов.

На применении этих эффектов созданы злектромагнитно-акустические преобразователи - ЭМА-преобразователи. Но эти преобразователи громоздки, чувствительны к электрическим разрядам и могут применяться только для контроля электропроводящих материалов.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Достоверность ультразвуковой дефектоскопии во многом за­висит от надежной работы преобразователя — одного из главных элементов в системе неразрушающего контроля этого вида. Преобразователи классифицируют по ряду признаков.

По способу акустического контакта твердотельной части преобразователя (протектора, призмы) с контролируемым объектом различают:

· контактные преобразователи, которые прижимают к поверхности изделия, предварительно смазанной жидкостью (маслом, глицерином и т. п.); в некоторых случаях слой жидкости заме­няют эластичным материалом (эластичным протектором);

· иммерсионные преобразователи, между поверхностью кото­рых и изделием имеется толстый слой жидкости (толщина этого слоя во много раз превышает длину волны); при этом изделие це­ликом или частично погружают в иммерсионную ванну, исполь­зуют струю воды и т. д.;

· контактно-иммерсионные преобразователи, снабженные локальной иммерсионной ванной с эластичной мембраной, контактирующей с изделием непосредственно или через тонкий слой жидкости;

· щелевые (менисковые) преобразователи, между поверхностью которых и изделием создается зазор около длины волны ультразвука; жидкость в зазоре удерживается силами поверхностного натяжения;

· преобразователи с сухим точечным контактом, имеющие шарообразную поверхность, соприкасающуюся с изделием; площадь сонрикосновения 0,01 ...0,50 мм²;

· бесконтактные преобразователи, возбуждающие акустические колебания в изделии через слой воздуха (воздушно-акустическая связь) с помощью электромагнитно-акустического и онтикотепловых эффектов; эти преобразователи не нашли широкого практического применения, так как их чувствительность в десятки тысяч раз ниже чувствительности других преобразователей.

Использование контактных преобразователей с эластичным протектором, а также щелевых, контактно-иммерсионных и бесконтактных позволяет снизить требования к параметрам шероховатости поверхности контролируемого изделия.

В зависимости от способа соединения преобразователей с электрической схемой прибора можно выделить:

· совмещенные преобразователи, которые соединяются одновременно с генератором и усилителем прибора и служат как для излучения, так и приема ультразвука;

· раздельные преобразователи, состоящие из излучателя, соединенного с генератором прибора, и приемника, соединенного с усилителем;

· раздельно-совмещенные преобразователи, состоящие из излучающего и приемного элементов, конструктивно связанных между собой, но разделенных электрическим и акустическим экранами.

По направлению акустической оси преобразователи подразделяют на прямые, излучающие волны нормально к поверхности изделия, и наклонные.

Раздельно-совмещенные преобразователи называют нормальными или наклонными, в зависимости от направления их общей акустической оси, соответствующей направлению максимальной чувствительности таких преобразователей. Преобразователи с переменным углом наклона позволяют изменять кгол ввода лучей.

По принципу формирования лучей различают:

· плоские преобразователи с пъезопластиной плоской формы, форма акустического поля которых зависит от формы электродов, поляризации пьезопластины и т. п.;

· фокусирующие преобразователи, обеспечивающие сужение акустического поля в некоторой области контролируемого объекта;

· широконаправленные (веерные), излучающие пучок расходящихся лучей;

· фазированные решетки (мозаичные преобразователи), пред­ставляющие собой плоские преобразователи, состоящие из ряда отдельно управляемых элементов; подавая различные по фазе и амплитуде сигналы на эти элементы, можно изменять направле­ние излучения (т.е. угол ввода), добиваться фокусировки или расфокусировки, устранять боковые лепестки.

В зависимости от ширины полосы рабочих частот выделяют узкополосные и широкополосные преобразователи. К первому типу условно относят преобразователи с шириной полосы про­пускания, меньшей одной октавы, а ко второму — с шириной полосы пропускания, большей одной октавы (отношение макси­мальной частоты к минимальной больше двух). Увеличения ширины полосы можно достичь, использовав пьезоэлемент перемен­ной толщины, а также включив в конструкцию несколько активных (т.е. из пьезоэлектрических материалов) и пассивных (непьезоэлектрических) слоев или применив толстый пьезоэлемент, излучающий только своей поверхностью (остальная часть пластины служит просто волноводом). В зависимости от способа достижения широкополосности различают преобразователи переменной толщины, многослойные и толстые (апериодические) пре­образователи.

Для обозначения преобразователей принята буквенно-цифровая система, отражающая большинство перечисленных признаков. Первая буква П означает «Преобразователь». Далее следует группа цифр, первая из которых означает способ контакта, на которой преобразователь рассчитан (1 — контактный, 2 — иммер­сионный, 3 — контактно-иммерсионный); вторая — направление акустической оси (1 — для прямых преобразователей, 2 — для наклонных); третья —режим работы (1 — совмещенный, 2 — раздельный, 3 — раздельно-совмещенный). На следующей по­зиции ставится буква Ф для фокусирующих преобразователей или буква Н для неплоских преобразователей; для плоских буква не ставится. Далее после дефиса следует группа цифр, указываю­щих частоту преобразователя в мегагерцах (с точностью 0,05 МГц). Затем для наклонных преобразователей после дефиса указы­вается угол призмы из органического стекла в градусах (если призма изготовлена из другого материала, проводится соответствующий пересчет на органическое стекло); для прямых преобразователей эти цифры не указываются.

Для преобразователей специального назначения после указанных цифр применяют условное обозначение дополнительных характеристик, например, Т120 — максимальная температура контролируемого объектa 120°С; КН — керамическая защита, нормальное исполнение корпуса; К36 — керамическая защита, диаметр пьезоэлемента 36 мм; М — малогабаритное исполнение корпуса; ММ — миниатюрное исполнение корпуса; НЗ — кор­пус нормальный, заливное изготовление призмы, и т. д.

В серийно выпускаемых ультразвуковых дефектоскопах для излучения и приема ультразвука чаще всего используют пьезопластины, обладающие пьезоэлектрическим эффeктoм. Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов на обкладках пьезопластины в результате ее деформации. Обратный пьезоэффект заключается в деформации пьезопластины под действием приложенного электрического поля. Обычно используют деформации растяжения — сжатия пластины по толщине. Обратный пьезоэффект, вызывающий такую деформацию, применяют для излучения продольных волн, а прямой пьезоэффект, связан­ный с деформацией по толщине, —для приема этих волн. Для возбуждения и приема поперечных волн используют деформацию сдвига по толщине. В этом случае для передачи деформации от пластины к изделию используют густые смазочные материалы, так как через жидкотекучие вещества поперечные волны практически не проходят. В качестве такой передающей среды используют нетвердеющие эпоксидные смолы.