Электромагнитные ультразвуковые преобразователи

Создание контактной связи ультразвуковых колеба­ний с объектом контроля через жидкую среду является одним из главных факторов, сдерживающих широкое применение УЗ-контроля в производстве. Поэтому в на­стоящее время ведутся исследования по разработке бес­контактных способов возбуждения и приема ультразву­ковых колебаний. Наибольшие успехи достигнуты при возбуждении и приеме ультразвуковых колебаний в ме­таллах с помощью электромагнитного поля. Разработаны специальные электромагнитно-акустические преобра­зователи (ЭМА), принцип действия которых основан на превращении электромагнитных колебаний в акустические непосредственно поверхностью металла, находяще­гося в зоне преобразователя.

ЭМА-преобразователь работает следующим образом (рис. 2.9). При пропускании через обмотку 1 импульса тока ультразвуковой частоты на поверхности металла 2 воз­никает вихревой ток 3. Взаимо­действуя с магнитным полем постоянного магнита 5, вихре­вой ток создает силу (силу Лоренца), которая заставляет колебаться с ультразвуковой частотой поверхность металла 2. Последняя тем самым превращается в излучатель ультразвука. Отразившиеся от противоположной поверхности металла 4 ультразвуковые ко­лебания через небольшой

Рис. 2.9. Схема ЭМА-преобразователя.

 

промежуток времени возвращаются к поверхности металла 2 и заставляют ее колебаться. Поскольку поверхность 2 на­ходится в постоянном магнитном поле, ее колебания при­водят к возникновению переменного тока, который транс­формируется в высокочастотную обмотку /. Кроме силы Лоренца, на основе взаимодействия статического маг­нитного поля с динамическим магнитным полем, создан­ным импульсом возбуждения, возникают ультразвуковые колебания, связанные с магнитострикцией. Происходит наложение обоих процессов. При контроле ферромагнит­ных сталей в зависимости от способа возбуждения и конструкции датчика процесс преобразования ультразву­ковых колебаний определяется либо силами Лоренца, либо магнитострикцией.

Как следует из рассмотренного выше, в ЭМА-преобразователях излучателем и приемником ультразвуковых колебаний становится сама поверхность металла, распо­ложенная в зоне действия обмотки преобразователя. Поэтому в зазоре между ЭМА-преобразователем и поверхностью металла существует только электромагнитное поле, следовательно, жидкость для акустического кон­такта не нужна. ЭМА-преобразователи могут возбуждать ультразвуковые колебания как перпендикулярно к по­верхности изделия, так и под заданным углом, что позво­ляет реализовать методики контроля, разработанные ранее для пьезопреобразователей.

В зависимости от конструкции ЭМА-преобразователей возбуждаются либо продольные, либо поперечные волны с заданным направлением плоскости поляризации. Это открывает новые возможности в практике неразру­шающего контроля, так как использование линейно-по­ляризованных поперечных ультразвуковых волн позво­ляет получить дополнительную информацию о структуре, остаточных напряжениях и некоторых других характери­стиках материала.

С помощью ЭМА-преобразователей возможно также бесконтактное возбуждение рассмотренных выше волн Лэмба, Рэлея и горизонтально поляризованных попе­речных (SH) волн, применение которых перспектив­но при контроле тонких листов и тонкостенных конст­рукций.

ЭМА-преобразователи позволяют достаточно просто осуществить фокусировку ультразвуковых колебаний. В ряде случаев такая фокусировка получается естест­венным путем за счет кривизны поверхности изделия, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания. Фо­кусировку можно осуществить также путем смещенного по фазе управления сегментными приемно-излучающими преобразователями. К недостаткам ЭМА-преобразователей относятся их более низкий (на два-три порядка) коэффициент меха­нической связи по сравнению с пьезопреобразователями и небольшие (1—5 мм) рабочие зазоры между ЭМА-пре­образователем и поверхностью контролируемого изделия. Поэтому для получения необходимой чувствительности аппаратуры ультразвукового контроля с ЭМА-преобразователями мощность зондирующих импульсов, посту­пающих на ЭМА-преобразователь, должна быть сущест­венно больше, чем при использовании пьезопреобразователей. Как показали исследования, удовлетворитель­ная чувствительность аппаратуры с ЭМА-преобразователями при рабочих зазорах до 5 мм получается при индукции постоянного магнитного поля в зазоре 0,7—1,0 Тл.

ЭМА-преобразователи перспективны для автоматизи­рованного ультразвукового контроля качества металлопродукции в технологическом потоке производства, в том числе и при высокой температуре.