Теоретические основы

Ультразвуковые преобразователи.

Для возбуждения и приёма ультразвуковых колебаний используют электроакустические преобразователи.

Генерация и регистрация ультразвуковых волн в электроакустических преобразователях основана на так называемом пьезоэлектрическом эффекте.

Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в поляризации материала при воздействии на него растягивающими или сжимающими нагрузками. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в образовании сжимающих или растягивающих нагрузок при поляризации материала.

Иллюстрация возникновения прямого пьезоэлектрического эффекта приведена на

рис. 1.

Рис. 1. Прямой пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают некоторые керамические материалы, например, цирконат-титана свинца или титанат бария.

Поверхности пьезоэлемента металлизированы и являются электродами. При подаче на них электрического напряжения пластина изменяет свою толщину вследствие действия обратного пьезоэлектрического эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель и частота её колебаний соответствует частоте прикладываемого напряжения.

Если пьезоэлектрическая пластина воспримет импульс давления, то на её обкладках, вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появятся заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пьезопластина работает как приёмник.

Конструкции основных типов ультразвуковых преобразователей представлены на рис. 2.

Различают прямые, излучающие в контрольный объект продольные волны нормально к поверхности (рис. 2 а, в), и наклонные (рис. 2 б), с помощью которых в изделии возбуждаются поперечные, поверхностные, нормальные и продольные волны.

По конструкции преобразователи подразделяют на раздельные, которые предназначены только для генерации или приёма ультразвуковых волн (рис. 2 а, б), совмещённые, у которых один пьезоэлемент служит излучателем и приёмником и раздельно-совмещённые, имеющие два пьезоэлемента в одном корпусе (рис. 2 в).

В зависимости от геометрических размеров объекта, искомых дефектов, типа материала, схемы контроля могут быть использованы наклонные преобразователи с углом ввода от 40° до 75° и рабочей частотой от 1 до 5 МГц. Эти преобразователи позволяют генерировать частотные колебания, являющиеся для объекта контроля источником поперечных ультразвуковых волн, скорость распространения которых в стали составляет около 3250 м/с.

Рис. 2. Конструкции основных типов ультразвуковых преобразователей.

а - прямой, б—наклонный (призматический), в—раздельно-совмещенный (РС); 1 - корпус; 2— демпфер, 3 — пьезопластина, 4— защитное донышко (протектор), 5 — призма, 6 — токоподвод, 7 — акустический экран.

Рис. 3. Внешний вид ультразвуковых преобразователей дефектоскопа А1212. 1 – прямой совмещённый датчик-преобразователь LL017.

2 – наклонный совмещённый датчик-преобразователь ПКН 5.0-50°.

Прямые преобразователи используются в основном для определения толщины изделий.

Наклонные преобразователи используются в случаях, когда установить датчик-преобразователь непосредственно над контролируемой поверхностью не представляется возможным из-за конструктивных особенностей объекта контроля (например, сварные соединения, угловые соединения, поверхности со сложным профилем), или из-за его повышенной шероховатости. Максимальная шероховатость поверхности (Rz) для применения ультразвукового контроля не должна превышать 40 мкм.

Для определения внутренних дефектов в объекте контроля в основном используются наклонные преобразователи, поскольку они позволяют эффективно сканировать объект контроля по вертикали. Прямые преобразователи не в полной мере отвечают этому назначению, поскольку не позволяют определять наличие «нижних дефектов» под «верхними дефектами». Сигнал отражается от «верхнего дефекта» и не позволяется зафиксировать «нижний дефект» (рис. 4). При использовании наклонного преобразователя возможно, перемещая его по горизонтальной поверхности, сканировать дефекты, расположенные в вертикальной плоскости (рис. 4).

Рис. 4. Определение координат отверстий с помощью прямого (а) и наклонного (б) преобразователя.

1 – дефекты; 2 – прямой преобразователь; 3 – наклонный преобразователь;

4 – риска на наклонном преобразователе;

Н – глубина залегания дефекта; L – расстояние до дефекта по горизонтали;

Х – полное расстояние до дефекта; a – угол ввода преобразователя.