Пьезоэлектрические преобразователи

В настоящее время известны много способов возбуждения ультра­звуковых колебаний (УЗК), основанных на различных физических явлениях (термоакустическом, электромагнитоакустическом, пьезоэлектрическом и др.).

Суть темроакустического эффекта заключается в следующем. Если нагреть поверхностный участок какого-либо тела, то другие участки этого тела приобретут повышенную температуру не сразу, а лишь через некоторое время. Неравномерное распределение температуры приводит к неравномерному тепловому расширению тела, к появлению термомеханических напряжений, изменяющихся во времени. При этом возникают акустические волны, излучаемые слоем с изменяющейся температурой.

Электромагнитоакустические методы возбуждения и приёма УЗК основаны на явлениях магнитострикции, магнитного и электродинамического взаимодействия.

Магнитострикция – явление изменения геометрических размеров ферромагнитных материалов под воздействием изменяющегося внешнего магнитного поля. Обратный эффект называют магнитоупругостью.

Магнитное взаимодействие заключается во взаимном притяжении и отталкивании ферромагнитного материала и проводника (катушки) с переменным электрическим током.

Электродинамическое взаимодействие состоит в возбуждении в токопроводящем материале вихревых токов, которые взаимодействуют с постоянным магнитным полем и вызывают колебания атомов, т.е. кристаллической решетки материала.

Явления магнитострикции, магнитного и электродинамического взаимодействия реализованы в электромагнитоакустических преобразователях (ЭМАП), которые позволяют бесконтактным способом возбуждать волны различных типов в ферромагнитных и токопроводящих материалах.

Для возбуждения и приема ультразвуковых волн в различных материалах применяют пьезоэлектрические, магнитострикционные, электромагнито-акустические, ёмкостные и лазерные преобразователи. Чаще всего при контроле деталей подвижного состава используются пьезопреобразователи (ПЭП), в которых реализуются явления прямого и обратного пьезоэффектов. В 1880 г. французские ученые Пьер и Жак Кюри обнаружили, что деформация пластинки кварца вызывает появление на её гранях электрических зарядов. Если на поверхность пластинки методом напыления нанести электроды (например, тонкий слой серебра или никеля) и с помощью проводников (рис. 1.46) подсоединить их к чувствительному прибору, то окажется, что при сжатии пластинки на её поверхности возникает электрическое напряжение.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхностях пластин при их деформациях называется прямым пьезоэлектрическим эффектом (рис. 1.47). При растяжении пластинки возникает такое же напряжение, но противоположного знака.

Если к электродам пластинки подвести электрический заряд, то её размеры будут изменяться в зависимости от полярности приложенного напряжения (пластинка то сжимается, то растягивается в такт со знаком приложенного напряжения) (рис. 1.48).

Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Явление прямого и обратного пьезоэффекта позволяет преобразовывать электрические сигналы в ультразвуковые волны и обратно. Как объяснить явления прямого и обратного пьезоэффекта?

Элементарная ячейка кристалла кварца SiO₂ (рис. 1.49) содержит три атома кремния с зарядом +4 и три атома кислорода с зарядом –4. Ячейка не деформирована и является электрически нейтральной. Заряд атома 1 компенсируется зарядами группы 2 и 6, расположенных от плоскости А дальше, чем атом 1. При сжатии пластины (рис. 1.49, б) отрицательные группы 2 и 6 перемещаются к плоскости А и на этой поверхности появляется избыточный отрицательный заряд. У поверхности Б по такой же причине возникает избыточный положительный заряд. При растяжении (рис. 1.49, в) полярность заряда поверхностей А и Б меняется на противоположную.

Кристалл кварца имеет форму шестигранной призмы с пирамидальными сужениями на концах (рис. 1.50). Если провести линию, параллельную граням призмы, то она определит оптическую ось Z кристалла. Электрическая ось определяется линией, соединяющей противоположные углы шестигранной призмы (ось х).

Таким образом, в каждом естественном кристалле кварца (рис. 1.51) имеется три оси х. Ось у (их также три) направлена перпендикулярна к каждой площадке призмы. Оси х и у перпендикулярны оси z.

Пьезоэффект проявляется лучше всего в случае, когда пластинки вырезаны в плоскости, параллельной оси z и одной из осей у и перпендикулярны оси х. Такая пластинка называется х-срезом. Если такую пластинку деформировать в направлении оси х, то на её поверхности возникнут электрические заряды.

При помещении пластинки в переменное электрическое поле, направленное вдоль оси х, пластинка будет совершать толщинные колебания (рис. 1.52, а).

В пластинах у – среза срез выполнен перпендикулярно оси у и параллельно осям х и z.

При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колебания (рис. 1.52, б).

Пластинки х – среза служат для возбуждения продольных колебаний, а у – среза – поперечных волн.

Пьезопластины (круглые или прямоугольные) изготавливают из естественных органических минералов (турмалин, кварц, сегнетова соль, сульфат лития) или искусственных пьезокерамических материалов (ниобат лития, титанат бария, цирконат-титанат свинца марок ЦТС-19, ЦТС-23 и т.д.).

Кварцевые пьезопластины используют в специализированных преобразователях, работающих при температурах до 400 ºС. Наиболее широкое распространение получила пьезокерамика, так как она обеспечивает высокую чувствительность, достаточный температурный диапазон и низкую стоимость изготовления. Пластинки поляризуют под действием постоянного электрического напряжения из расчета 1000 В на 1 мм толщины пластины в течение нескольких часов. В результате они приобретают пьезоэлектрические свойства.

Пластины из титаната бария теряют пьезосвойства при температуре 120 ºС, а ЦТС – при критической температуре (точка Кюри) 290 ºС.

Пьезоэлектрические свойства пьезоэлемента могут быть восстановлены путем повторной поляризации.

Итак, пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) служат для излучения и приема акустических (ультразвуковых) волн в контролируемой среде.

Основной элемент ПЭП имеет следующую конструкцию: пьезопластина 1, которая приклеена с одной стороны к демпферу, а с другой – к протектору 3. В существующих ПЭП пьезопластина (ПП) выполнена круглой или прямоугольной формы из пьезокерамики типа ЦТС-19 (цирконата-титана свинца). На обе поверхности ПП нанесены тонкие слои серебра 4, к которым присоединены электроды 5 (рис. 1.53, а). Демпфер в ПЭП служит для подавления паразитных колебаний, укорочения длительности импульса колебаний и повышения механической прочности ПП. Протектор предназначен для защиты ПП от механических повреждений, обеспечения электрического согласования с выходом генератора и акустического контакта.

Если пьезопластину сдавливать или разжимать, то на ее поверхностях возникают электрические заряды, полярность которых определяется направлением деформации (действия сжимающих или растягивающих сил). Величина заряда прямо пропорциональна силе, т. е. амплитуде упругой волны. Это прямой пьезоэффект и используется для приема акустических колебаний (рис. 1.53, в). Пьезоэффект – явление обратимое, т. е. если на пластину подавать электрическое напряжение, то в зависимости от его полярности пьезопластина будет сжиматься или разжиматься. Это обратный пьезоэффект, используемый для возбуждения акустических колебаний. Например, если на пьезопластину подавать переменное электрическое напряжение, то она, испытывая толщинные деформации, будет колотить по поверхности объекта контроля, возбуждая в контролируемой среде продольные волны (рис. 1.53, б).

Для контроля деталей подвижного состава железнодорожного транспорта применяют прямые и наклонные ПЭП. На рис. 1.53, а показан прямой ПЭП, который осуществляет ввод в ОК и прием продольных l-волн, направленных перпендикулярно поверхности ОК (угол ввода α_l = 0°).

На рис. 1.54 приведена схема наклонного ПЭП, где пьезопластина 1 с демпфером 2 установлена на площадке 6 призмы 7, выполненной под углом к основанию (или, что то же, к поверхности ОК). Здесь l-волна создается в призме, после чего преломляется и вводится в ОК.

Если акустический контакт ПЭП с ОК осуществлен, то определенная часть энергии ультразвуковых волн излучается в контролируемую среду в пределах узкого расходящегося луча, образуя так называемое акустическое поле преобразователя. Рассмотрим наиболее простой случай поля – возбуждение l-волн прямым ПЭП (рис. 1.55, 1.56, а).

Из всех точек колеблющейся пьезопластины в точку М среды приходят упругие волны в различные моменты времени, т. е. имеет место разность прихода этих волн в эту точку. Оценим наибольшую разность хода как:

. (1.93)

Используя для скобок бином Ньютона, получим:

. (1.94)

Если разность хода меньше половины длины волны, то колебания от разноудаленных точек пьезопластины складывается в фазе, т. е. интерференция мала, и условие слабой интерференции запишется так: . Если , то интерференцию следует считать сильной. Тогда характеризует некоторую границу, ниже которой преобладают интерференционные явления, и поле ПЭП осциллирует (рис. 1.56). В этой так называемой ближней зоне образуется акустическое поле с сильной неравномерностью давления вдоль акустической оси и в поперечных ее сечениях. В этой зоне ПЭП создает нерасходящийся пучок в виде цилиндра с длиной (учитываем, что ).

В дальней зоне поле монотонно убывает, пучок расходится, с увеличением расстояния от ПЭП энергия волн монотонно падает. Если измерять амплитуду акустического сигнала на акустической оси x, например, в точке М, то ее величина (амплитуда смещения ξ, давление Р волны) будет

, (1.95)

где U₀– амплитуда сигнала, а S_а – площадь пьезопластины.

Амплитуда акустического сигнала не на оси, а вообще в любой точке N дальней зоны определяется с учетом множителя Ф( ), т. е.

. (1.96)

Функцию Ф( ) называют диаграммой направленности поля (ДН), она характеризуется нормированной функцией углового распределения амплитуды. То направление, в котором сигнал максимален (равен единице), является акустической осью ДН. Половина угла раскрытия дальней зоны (ДЗ) определяется как = arcsin0,61λ / а – для пьезопластины в форме круга (диска) и = arcsin0,5λ / а – для пьезопластины в форме квадрата со стороной 2а.

В полярной системе координат ДН имеет вид «булавы» (рис. 1.57, 1.58, а), а в прямоугольной – в виде «интегрального синуса» (рис. 1.58, б).

Основная часть энергии (85 %) излучается в пределах основного лепестка диаграммы, остальная часть – в «боковых» лепестках (см. рис. 1.56). Поэтому последние могут создавать мешающие контролю помеховые сигналы при дефектоскопировании. Это может произойти, если в поле бокового луча попадает какой-либо сильный отражатель (галтель вала, внутренний угол детали).

Чем больше а/λ – волновой размер пьезопластины, тем больше энергии проходит в продольную волну, ýже ДН. Так как а – размер пьезопластины, а λ = С/f определяется средой, в которой волна распространяется, то ДН обусловлена конструкцией пьезопластины и материалом ОК.

Случай наклонного ПЭП1 более сложен, так как здесь мы оперируем с мнимым излучателем 2, расположенным на расстоянии от точки ввода (рис. 1.59). У мнимого ПЭП2 радиус ПП – а₁ = acosα / cosβ, а угол раскрытия = arcsin0,61λ / а₁ = . Основной лепесток ДН в плоскости падения волны несимметричен, он как бы «прижимается» к границе раздела сред. Угол наклона α₀ оси ДН зависит от волнового параметра α/f и отличается от угла α_с, рассчитываемого по закону Снеллиуса (см. рис. 1.58, а)

ДН наклонного ПЭП в плоскости, перпенди­кулярной плоскости паде­ния луча, практически не меняется с изменением β. Следовательно, мнимый излучатель представляет собой пьезопластину в виде диска эллипсовидной формы с полуосями а и а₁.

Сравнивая углы при нормальном и наклонном падении l-волны, видим, что угол раскрытия ДН наклонного ПЭП зависит еще от скорости C_t2 поперечной волны и от угла β призмы. Чем больше β, тем меньше 2_а1, тем шире ДН, тем хуже направленность ПЭП.

Упругие волны в зависимости от режима работы генератора можно излучать в деталь непрерывно (рис. 1.60, а) или в виде импульсов высокочастотных колебаний с экспоненциальной или колоколообразной формой огибающей (рис. 1.60, б, в).

Импульсы ультразвуковых колебаний (УЗК), вводимые в ОК преобразовываются в зондирующие импульсы (ЗИ). Звуковая волна, излучаемая ПЭП, не может быть введена в ОК, если между ним и искателем имеется прослойка воздуха, т.е. нет акустического контакта. Этот контакт обеспечивают заполнением пространства между излучающей плоскостью искателя и деталью контактирующей жидкостью.

Волна, введенная в деталь в виде импульса УЗК, дойдя до внутренних несплошностей или до поверхностей, в общем случае будет отражаться и трансформироваться на них. Интервал времени Т между ЗИ и эхо-импульсом (ЭИ) определяется длиной пути ультразвукового импульса в ОК и равен для прямого искателя 21/С₁, а для наклонного – 21/С_t+2t_п. Здесь t_п – среднее время прохождения импульса через призму в одном направлении, а 2t_п – так называемая акустическая задержка.

Примеры хода ультразвукового луча в ОК, соответствующие осциллограммам напряжений, и подсчет времени Т показаны на рис. 1.61.

Применяют раздельную схему включения ПЭП (рис. 1.62, а), один из которых выполняет функции излучения (И), а другой – приема (П), совмещенную (рис. 1.62, б), когда один и тот же ПЭП выполняет функции излучения ЗИ и приема ЭИ, и раздельно-совмещенную (рис. 1.62, в) схемы.

В наклонных преобразователях обязательным их элементом является призма, выполняемая из материала с малой скоростью распространения и большим затуханием ультразвука в нем (оргстекло, полистирол и др.). Это позволяет при малых углах падения β получать углы преломления α до 90°, а также быстрое гашение многократных отражений от граней призмы. Призмы из оргстекла используют для контроля стальных деталей подвижного состава. При угле β < β_кр1 = 27,5° в деталь вводится практически только продольная волна. При угле β_кр1 < β < β_кр2= 55° в стальном изделии возбуждается только поперечная волна. Призмы с углом β > β_кр2 могут быть применены для возбуждения в стали поверхностной волны.

По эффективности излучения и приёма акустических волн ПЭП характеризуется рядом параметров. Чувствительность ПЭП определяется коэффициентом двойного преобразования, т.е. отношением электрических напряжений принятого (отраженного от контрольного отражателя) и исходного (зондирующего) сигналов. Величина этого коэффициента зависит от соотношения волновых сопротивлений пьезопаластины, демпфера и среды, в которую излучается ультразвук, частоты и добротности.

Эффективная частота преобразования (f₀) соответствует максимуму коэффициента двойного преобразования и всегда близка к резонансной частоте пьезопластины, зависящей от её толщины.

Ширина полосы пропускания частот ПЭП определяется как Δf = f_max – f_min ,где f_max и f_min соответственно частоты, на которых коэффициент двойного преобразования уменьшается в 2 раза относительно своего максимального значения. Чем шире Δf , тем более короткие импульсы может излучать и принимать преобразователь.

Наибольший эффект преобразования (а, значит, и чувствительность) ПЭП достигается в случае, если частота механического резонанса (колебаний) пьезопластины равна частоте приложенного электрического напряжения или частоте принимаемых ультразвуковых волн. Собственная частота пьезопластины f зависит от её толщины h и скорости ультразвуковых волн С в применяемом пьезоматериале:

, (1.97)

Пластины для ПЭП выполняют толщиной:

, (1.98)

где λ – длина волны в материале пьезопластины;

С – скорость распространения ультразвука в материале.

Справка. Для пьезокерамики из цирконата-титана свинца (ЦТС-19), наиболее часто используемой для изготовления пьезопластин, скорость ультразвуковой волны С = 3300 м/с. Тогда толщина пьезопластины для частоты

f = 2,5 МГц = 2500000 Гц

h = С/2 f = 3300/5000000=0,0007 м = 0,7 мм.

Амплитуда колебаний пьезоэлемента зависит от напряжения на электродах и его собственной частоты колебаний. Наибольшая амплитуда колебаний пьезоэлемента достигается при резонансе, когда собственная частота его колебаний совпадает с частотой возбуждающего переменного напряжения.

Вынужденные колебания пьезоэлемента можно возбудить на любой частоте, но энергия излучения будет меньше, чем на резонансной частоте. Зависимость амплитуды возбуждаемых пьезоэлементом колебаний от частоты подаваемого на него переменного напряжения постоянной амплитуды называется его амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

На рис. 1.63 представлены АЧХ дисковых пьезоэлементов с толщинами 1,3 мм, 0,7 мм и 0,3 мм. Основными характеристиками пьезоэлементов являются: частотный спектр; излучаемая мощность звука; направленность излучения; коэффициент электромеханической связи k, определяющий чувствительность пьезоэлемента; минимальная температура, при которой материал теряет пьезосвойства (располяризовывается) – температура Кюри t⁰_к,, диэлектрическая проницаемость ε, скорость звука C, плотность ρ. Числовые значения параметров пьезоэлемента нормируются в ГОСТ 13927.

Одной из характеристик пьезоэлементов является добротность. Добротность – количественная характеристика резонансных свойств пьезоэлемента, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте, намного ниже резонансной, при одинаковой амплитуде вынуждающей силы. Короткое импульсное механическое воздействие на пьезоэлемент приводит к появлению на его обкладках электродах серии затухающих по экспоненте гармонических колебаний на собственной частоте пьезоэлемента. Количество периодов этих затухающих колебаний численно равно добротности пьезоэлемента. В ультразвуковой дефектоскопии используются пьезоэлементы с низкой добротностью в пределах от 1 до 10.

По способу создания акустического контакта с объектом контроля (ОК) ПЭП подразделяют на иммерсионные, щелевые и контактные.

В иммерсионных ПЭП контролируемую зону детали погружают в ёмкость с жидкостью, и ввод ультразвука осуществляют через толстый слой жидкости. В щелевых ПЭП создают фиксированный зазор между пьезоэлементом и поверхностью объекта контроля, который заполняется контактной жидкостью. При проведении ручного контроля применяют контактные ПЭП, перемещаемые по поверхности ОК, на которую предварительно наносится тонкий слой контактной жидкости (вода, масло, гипоидные смазки).