Электроакустическими преобразователями (ЭАП).

Возбуждение и прием упругих волн осуществляют путем преобразования электрических колебаний в акустические, и затем обратно акустических в электрические с помощью небольшого устройства – преобразователя. Он подключается к дефектоскопу гибким коаксиальным кабелем, имеющим проводник в центре и экранирующую его оплетку.

Как правило, используют пьезоэлектрические преобразователи (пъезопреобразователи или ПЭП), в которых чувствительный элемент – пластина. На нее подают электрические колебания от генератора дефектоскопа и под их действием она расширяется и сжимается по толщине (рис.2.19,а). Прием происходит за счет обратного преобразования механических колебаний в электрические. Смещения граней пластины, показанные на рисунке, преувеличены. В действительности смещения не превосходят десятитысячной доли мм (1^-10мм).

Преобразователь с такой пластиной прижимают к поверхности изделия через слой контактной жидкости. В результате в изделии возникают продольные волны, направленные под прямым углом к поверхности, поэтому такой преобразователь называют прямым.

Чтобы возбудить поперечные волны можно заставить поверхности пъезопластины колебаться в направлениях, перпендикулярных ее толщине, т.е. совершать сдвиговые колебания (рис.2.19,б), но такие колебания трудно передать в изделие: поверхность пластины будет проскальзывать относительно поверхности изделия и обычная контактная жидкость передать колебания не поможет. Преобразователь с такой пластиной приклеивают к поверхности изделия или используют очень вязкую контактную жидкость.

Обычно применяют более удобный способ возбуждения поперечных волн. Продольную волну возбуждают в промежуточной среде (чаще всего – плексигласе или другой пластмассе) и направляют на поверхность изделия наклонно. Угол падения выбирают между первым и вторым критическими значениями. В результате в изделии распространяется наклонная к поверхности поперечная волна. Такой преобразователь называют наклонным.

Если колебания в пластине возбудить коротким электрическим воздействием, а затем предоставить ей возможность колебаться свободно, то колебания будут происходить на собственной частоте f, которую часто не вполне правильно называют резонансной. Она соответствует полуволновой толщине пластины h, т.е. равной половине длины волны в ее материале:

.

Из этого видно, что чем выше собственная частота, тем тоньше должна быть пластина. Под влиянием контактирующих с пластиной элементов эта частота немного изменяется. Частоту, которую возбуждает преобразователь, называют его рабочей частотой.

Например, пластина из цирконата-титаната свинца (ЦТС, с = 3,3 мм/мкс) на частоту 2,5 МГц должна иметь толщину h=3,3/2 ×2,5=0,66 мм, а на частоту 5 МГц – 0,33 мм.

Основные типы преобразователей (рис.2.20):

а) – прямые, б) – наклонные, в) – раздельно-совмещенные (РС).

Их основные конструктивные элементы:

1 – пьзопластина; 2 – демпфер; 3 – протектор, предохраняющий пьезопластину от повреждений и износа; 4 – преломляющая призма; 5, 6 – призмы РС преобразователя.

б) – наклонный; в) – раздельно-совмещенный (РС).

В преобразователях для превращения электрической энергии в акустическую и обратно используют различные физические явления. Чаще всего используют пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэффект состоит в проявлении электрических зарядов при деформации пьезоэлемента, а обратный – в его деформации под действием электрического поля. Таким образом, ПЭП излучает благодаря обратному, а принимает – благодаря прямому пьезоэффектам.

Обычно при УЗ контроле применяют пьезоэлементы в форме пластин (пьезопластины) с токопроводящими (обычно серебряными) электродами на больших поверхностях. На электроды подают напряжение от генератора и снимают сигнал, подаваемый на усилитель. Таким образом, направление электрического поля совпадает с толщиной пластины.

В настоящее время наиболее широко применяются синтетические пьезоматериалы, например цирконат-титанат свинца (ЦТС), титанат бария (ТБ), которые нужно поляризовать – выдерживать длительное время под большим постоянным напряжением, чтобы они приобрели пьезосвойства. Недостаток ТБ по сравнению с ЦТС – он располяризовывается со временем (стареет) и имеет низкую температуру Кюри, выше которой происходит располяризация.

Рабочая частота f_о соответствует максимуму коэффициента двойного преобразования. Она всегда близка к резонансной (точнее - собственной) частоте колебаний пьезопластины по толщине.

Ширина полосы пропускания частот определяется как , где =f_max-f_min – разница частот больших и меньших f_о; на которых коэффициент двойного преобразования уменьшается в два раза (см.рис.2.21, внизу). Чем шире полоса пропускания, тем более короткие импульсы может излучать и принимать преобразователь.

Широкополостность достигается согласованием параметров преобразователя и электрического колебательного контура, например, на рис. 2.21 максимальная широкополостность достигается при добротности электрического контура Q_э=3,5. Ее также увеличивают путем подбора волнового сопротивления материала демпфера (он должен быть близким к сопротивлению пьезопластины), применением просветляющего протектора и пьезопластины с низкой добротностью.

Из других типов ЭАП наиболее перспективны электромагнитно-акустические (ЭМА), лазерные и емкостные. Преимущество их перед ПЭП в бесконтактности, т.е. они не требуют контактной жидкости. В них преобразование электрического или теплового поля в упругие колебания поверхности изделия происходит в самом изделии. Недостаток – низкая чувствительность: в тысячи раз меньшая, чем у ПЭП.

Классификация преобразователей по назначению и по другим признакам:

1) Способы соединения с электрической схемой.

Совмещенные преобразователи, в которых пьезоэлемент соединяется одновременно с генератором и усилителем прибора и служит как для излучения, так и для приема ультразвука. В раздельных преобразователях излучают и принимают ультразвук разные элементы, соединенные один с генератором, а другой с усилителем прибора. Они применяются совместно и предназначены для контроля теневым и эхо-методом с излучателем и приемником, расположенными на разных участках поверхности изделия или на разных поверхностях. РС преобразователи состоят из излучающего и приемного элементов, объединенных в одном корпусе, но разделенных электрическим и акустическим экранами. Они обычно предназначены для выявления дефектов близких к поверхности и контроля тонких изделий.

2) Направление излучения.

Прямые преобразователи излучают под прямым углом, а наклонные – наклонно к поверхности. Иногда угол наклона делают переменным.

3) Тип излучаемых и принимаемых волн.

Прямые пьезопреобразователи излучают, как правило, продольные волны, наклонные – все типы волн в зависимости от угла наклона: поперечные, продольные (редко), рэлеевские, головные (как правило, применяют РС преобразователи), в пластинах и стержнях.