Конструкция преобразователей

Прямой преобразователь. Прямой совмещенный преобразователь предназначен для генерации и приема продольных волн в импульсном режиме. Наибольшее распространение совмещенные преобразователи получили в качестве датчика эхо-импульсных ультразвуковых дефектоскопов. Типовая схема такого преобразователя представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема совмещенного пьезопреобразователя: 1 – пьезоэлемент; 2 – демпфер; 3 – электрод; 4 – протектор; 5 – контактная жидкость; 6 – объект контроля

Пьезоэлемент изготавливают, учитывая условие резонанса h = λ/2. Размеры в поперечных направлениях выбирают такими, чтобы интервалы времени пробега продольных УЗ-волн по толщине и длине пьезоэлемента значительно различались. Поперечные размеры пьезоэлемента должны быть во много раз больше его толщины.

Важную роль в обеспечении нормальной работы пьезоэлемента играют металлические электроды, которые наносятся не на всю поверхность, чтобы избежать пробоя по краям. В качестве материала электродов в основном используют серебро и никель. При прочих равных условиях соотношение между размерами площадей поверхности пьезопластины, покрытых электродами и свободных от них, оказывает существенное влияние на добротность пьезоэлемента и характеристики акустического поля. Регулируя размер электродов, можно в довольно широких пределах менять характеристики акустического поля в изделии.

Протектор предназначен для защиты пьезоэлемента от механических повреждений, защиты от коррозии и для обеспечения акустического контакта. Толщина протектора обычно выбирается четвертьволновой для обеспечения качественно акустического контакта. Для протекторов выбирают материалы, характеризующиеся высокой износостойкостью, малым затуханием УЗК и высокой скоростью звука.

Демпфер защищает пьезоэлемент от механических повреждений и гасит паразитные колебания. Демпфер изготавливают из материала с большим поглощением ультразвука, чтобы отраженная от верхней грани волна не возвращалась к пьезоэлементу и не вызывала помех. Рекомендуется, чтобы демпфер обеспечивал затухание паразитных сигналов не менее 60–80 дБ.

Между пьезоэлементом и объектом контроля обычно располагается несколько тонких промежуточных слоев. Сюда, в частности, входит электрод 3, подводящий электрическое напряжение к пьезопластине, протектор 4, защищающий пьезопластину от механических повреждений, и прослойка контактной жидкости между протектором и изделием (см. рис 1.3).

Добротность является важной характеристикой преобразователей любого типа, т. к. она характеризует резонансные свойства колебательной системы. Добротность определяется как:

, (1.14)

где – резонансная частота системы, – полоса частот на заданном уровне (например, на уровне 0,7 или 0,5 от амплитуды на резонансной частоте).

Полоса частот определяет фронтальную разрешающую способность.Лучевая разрешающая способность зависит от длительности УЗ-импульса. Общая добротность системы определяется величинами акустической и электрической добротности и связана с ними соотношением:

. (1.15)

Управлять акустической добротностью можно только на стадии изготовления за счет изменения конструктивных особенностей преобразователя. На электрическую добротность влияют параметры электрической цепи, поэтому ее можно изменять путем настройки электроакустического тракта прибора. Добротность связана с АЧХ, точнее – с полосой пропускания (рис. 1.4). Чем выше добротность, тем более узкой будет полоса пропускания частот.

Рис. 1.4. Амплитудно-частотная характеристика преобразователя

Повышение добротности увеличивает амплитуду колебаний пьезоэлемента, и, следовательно, повышает чувствительность прибора. Однако увеличение длительности колебаний пьезопластины весьма нежелательно при импульсном режиме работы, т. к. это мешает раздельной регистрации двух быстро следующих друг за другом импульсов. При большой добротности колебания пьезопластины долго не затухают, а фронт импульсов размывается, что существенно ухудшает лучевую разрешающую способность дефектоскопа.

Наклонные преобразователи.Наклонный преобразователь (рис. 1.5) используется для приема и излучения поперечных волн.

Выбор рабочего пьезоэлемента для наклонных преобразователей зависит от решаемых дефектоскопических задач, т. к. наряду с обычными требованиями здесь необходимо учесть наличие обязательной акустической линии задержки (более подробно об этом будет рассказано ниже), а также широкое применение преобразователей наклонного типа для выявления труднодоступных и удаленных дефектов. С учетом этого при выборе материала пьезопластины для наклонного преобразователя предпочтение отдают материалам с малым характеристическим импедансом и низкой диэлектрической проницаемостью.

Рис. 1.5. Схема устройства наклонного преобразователя: 1 – пьезопластина; 2– демпфер; 3 – призма; 4 – контактная жидкость; 5 – объект контроля; – угол призмы; – угол ввода

Призма обеспечивает ввод упругих колебаний в объект контроля под необходимым углом. Призма должна обеспечить при малых углах падения (углах призмы) достаточно большие углы – углы преломления акустической оси, что достигается за счет разности скорости ультразвука в материале призмы и в материале изделия. В качестве материала призмы обычно выбирают органическое стекло (плексиглас). Геометрические размеры призм в зависимости от назначения преобразователя могут изменяться в широких пределах. При этом также изменяются углы ввода луча в объект контроля. В наклонных преобразователях, осуществляющих контроль на сдвиговых волнах, углы призмы (углы падения) имеют значения в интервале между первым и вторым критическими углами.

Важной характеристикой и геометрическим параметром призмы является стрела преобразователя – расстояние от точки ввода УЗ-пучка в изделие до передней грани призмы (см. рис. 1.5). Стрела характеризует минимальное расстояние, на котором можно расположить преобразователь вблизи выступов на поверхности изделия (например, валик усиления сварного шва). Это расстояние выбирают таким образом, чтобы УЗ-колебания, зеркально отражающиеся от передней грани призмы и поверхности изделия, не попадали непосредственно на пьезоэлемент.

Другая характеристика наклонного преобразователя – точка выхода луча. Знание точного положения этой точки необходимо для определения условных размеров обнаруженного дефекта.

Угол ввода – угол, при котором регистрируется максимальное отражение от модельного дефекта в виде горизонтального сверления в стандартном образце СО-2. Как правило, при больших углах призмы угол ввода может существенно отличается от угла преломления акустической оси.

Раздельно-совмещенный преобразователь (рис. 1.6). В рассмотренных выше преобразователях возникновение шумов обусловлено реверберационными явлениями в самом пьезоэлементе и в элементах конструкции пьезопреобразователей. Наиболее очевидный способ устранения этих шумов – применение раздельных пьезоэлементов для излучения и приема упругих сигналов. Такие преобразователи получили название раздельно-совмещенных (РС). Для удобства работы приемный и излучающий пьезоэлементы объединены в общий корпус. В РС-преобразователях длительность излучаемых упругих сигналов и реверберационные шумы мало влияют на выявление близко расположенных дефектов.

Рис. 1.6. Схема устройства раздельно-совмещенного преобразователя: 1 – электроакустический экран; 2 – пьезопластина; 3 – демпфер; 4 – призма; 5 – корпус; 6 – объект контроля

РС-преобразователи наиболее широко применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить малую мертвую зону, например, при контроле толщины изделий с малыми размерами в направлении прозвучивания. Наиболее массовыми изделиями такого типа, кроме листового проката, являются прутки и трубы. РС-преобразователи применяются также при контроле изделий из крупнозернистых материалов и при контроле с применением головных волн.

Специальные пьезопреобразователи.К специальным пьезопреобразователям относят различные фокусирующие системы, а также так называемые фазированные решетки. Фокусирующие системы применяют для повышения разрешающей способности, чувствительности (особенно на фоне структурных помех), точности определения координат и размеров дефекта. Существует четыре основных типа фокусирующих систем.

Активные концентраторы – изогнутые пьезоэлементы, представляющие собой часть сферы или цилиндра (рис. 1.7). Фокусное расстояние F таких концентраторов равно радиусу их кривизны R; радиус а зрачка и фокусное расстояние определяют угол раскрытия фронта:

. (1.16)

Рис. 1.7. Активный концентратор

Рефракторы – линзы, преобразующие плоскую волну в сходящуюся (рис. 1.8). Линзы делают вогнутыми (ускоряющими) или выпуклыми (замедляющими) в зависимости от соотношения скоростей звука в среде и в материале линзы , т. е. от показателя преломления . Для фокусировки ультразвука при линза должна быть вогнутой, при – выпуклой. Если среда – иммерсионная жидкость, а линза сделана из органического стекла, то . Фокусное расстояние такой плосковогнутой линзы связано с ее радиусом кривизны соотношением

. (1.17)

Рис. 1.8. Рефрактор

Рефлекторы – отражатели, преобразующие плоскую волну в сходящуюся. В дефектоскопии применяют рефлекторы в виде криволинейных зеркал в призме, в которых формирование сходящегося фронта осуществляется одновременно с поворотом пучка (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Рефлектор

Дефлекторы – зональные пластинки, состоящие из чередующихся акустически прозрачных и непрозрачных колец, внутренний а_в и наружный а_н радиусы которых определяются соотношениями:

, (1.18)

где m = 0, 1, 2...

Существенного выигрыша в амплитуде сигнала при фазовой фокусировке можно достичь, разделив пластину на кольца, соответствующие зонам Френеля (например, глубокими бороздками), и подав на электроды четных и нечетных колец электрические сигналы в противофазе. Такое включение колец показано на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Дефлектор

Мозаичные преобразователи(фазированные решетки) в известной степени являются аналогией радиолокационных фазированных антенных решеток. Фазированные решетки (рис. 1.11) позволяют оптимизировать структуру акустического поля и увеличить чувствительность преобразователя.

В фазированных решетках пьезоэлементы подключаются последовательно со сдвигом по фазе , за счет этого происходит задержка по времени :

. (1.19)

Следовательно, можно управлять углом ввода УЗ в объект контроля:

, (1.20)

где d – период решетки.

Рис. 1.11. Фазированные решетки: а – схема расположения пьезопластин в мозаичном преобразователе; б – схема подачи напряжения на фазированную решетку