Выбор параметров преобразователей

Основные требования к преобразователям

При проектировании УЗ дефектоскопов решаются следующие основные задачи:

1. Достижение максимальной чувствительности, т.е. максимального значения модуля коэффициента двойного преобразования к на некоторой оптимальной рабочей частоте.

2. Получение максимальной ширины полосы пропускания частот, т.е. расширение АЧХ коэффициента преобразования к. Широкополосность преобразователя обеспечивает возможность формирования акустического импульса заданной формы при излучении и возможность неискаженного восстановления акустического импульса при приеме.

3. Достижение максимальной стабильности акустического контакта преобразователя с объектом контроля. Это условие обеспечивает постоянство величины к при перемещении преобразователя по поверхности контролируемого изделия. При постоянном акустическом контакте в результате измерения будет вноситься дополнительная погрешность. Численно стабильность контакта оценивается статическим и динамическим коэффициентами.

4. Снижение шумов преобразователя. Шум определяется реверберационно-шумовой характеристикой, т.е. зависимостью амплитуды шумов от времени после окончания зондирующего импульса. Главный источник шумов – многократное отражение УЗК от протектора, демпфера и других конструкционных элементов.

5. Согласование полного электрического сопротивления преобразователя с генератором и усилителем. Полное электрическое сопротивление зависит от электрической и акустической нагрузок и является величиной комплексной.

6. Формирование акустического поля с заданными параметрами.

7. Повышение износостойкости преобразователя.

Рассмотрим применяемые в настоящее время технические решения для выполнения перечисленных требований.

3.2. Классификация преобразователей и основные требования предъявляемые к ним

Преобразователи для приборов неразрушающего контроля классифицируют по ряду признаков.

По способу акустического контакта твердотельной части преобразователя (протектора, призмы) с контролируемым объектом различают:

контактные преобразователи, которые прижимаются к поверхности изделия, предварительно смазанной жидкостью (маслом, глицерином и т. п.); в некоторых случаях слой жидкости заменяют эластичным материалом (эластичным протектором);

иммерсионные преобразователи, между поверхностью которых и изделием имеется толстый слой жидкости (толщина этого слоя во много раз превышает длину волны); при этом изделие целиком или частично погружают в иммерсионную ванну, используют струю воды и т. д.;

контактно-иммерсионные преобразователи, которые имеют локальную иммерсионную ванну с эластичной мембраной, контактирующей с изделием непосредственно или через тонкий слой жидкости;

щелевые (менисковые) преобразователи, между поверхностью которых и изделием создается зазор порядка длины волны ультразвука; жидкость в зазоре удерживается силами поверхностного натяжения;

преобразователи с сухим точечным контактом, имеющие шарообразную поверхность, плотно соприкасающуюся с изделием; площадь соприкосновения 0.01 - 0.5 мм²;

бесконтактные преобразователи, возбуждающие акустические колебания в изделии через слой воздуха (воздушно-акустическая связь) с помощью электромагнитно-акустических и оптико-тепловых эффектов; чувствительность этих преобразователей в десятки тысяч раз ниже чувствительности других преобразователей, поэтому они не нашли широкого практического применения.

Использование контактных преобразователей с эластичным протектором, а также щелевых, контактно-иммерсионных и бесконтактных преобразователей позволяет снизить требования к чистоте поверхности контролируемого изделия.

По способу соединения преобразователей с электрической схемой прибора можно выделить:

совмещенные преобразователи, которые соединяются одновременно с генератором и усилителем прибора и служат как для излучения, так и приема ультразвука;

раздельные преобразователи, состоящие из излучателя, соединенного с генератором прибора, и приемника, соединенного с усилителем;

раздельно-совмещенные преобразователи, состоящие из излучающего и приемного элементов, конструктивно связанных между собой, но разделенных электрическим и акустическим экранами.

По направлению акустической оси преобразователя подразделяют на:

прямые, излучающие волны нормально к поверхности изделия;

наклонные.

Раздельно-совмещенные преобразователи называют нормальными или наклонными, в зависимости от направления их общей акустической оси, соответствующей направлению максимальной чувствительности таких преобразователей. Преобразователи с переменным углом наклона позволяют изменять угол ввода лучей.

По форме акустического поля различают:

плоские преобразователи с пьезопластиной плоской формы, у которых форма акустического поля зависит от формы электродов, поляризации пьезопластины и т. п.;

фокусирующие преобразователи, обеспечивающие сужение акустического поля в некоторой области контролируемого объекта;

широконаправленные (или веерные), излучающие пучок расходящихся лучей;

фазированные решетки (мозаичные преобразователи), представляющие собой плоский преобразователь, состоящий из ряда отдельно управляемых элементов; подавая различные по фазе и амплитуде сигналы на эти элементы, можно изменять направление излучения (т. е. угол ввода), добиваться фокусировки или расфокусировки, устранять боковые лепестки.

По ширине полосы рабочих частот выделяют узкополосные и широкополосные преобразователи; к первому типу условно относят преобразователи с шириной полосы пропускания меньше одной октавы, а ко второму - с шириной полосы пропускания больше одной октавы (отношение максимальной частоты к минимальной больше двух); широкополосности можно достигнуть, если сделать пьезоэлемент переменной толщины, включить в конструкцию несколько активных (т. е. из пьезоэлектрических материалов) и пассивных (непьезоэлектрических) слоев, использовать толстый пьезоэлемент, излучающий только своей поверхностью (остальная часть пластины служит просто волноводом); в зависимости от способа достижения широкополосности различают преобразователи переменной толщины, многослойные преобразователи и толстые, или апериодические, преобразователи.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЭХО-МЕТОДОМ

Современные дефектоскопы комплектуют обычно целым набором излучателей и приемников ультразвуковых волн. Они отличаются по ряду признаков:

· по способу контакта с изделием различают – контактные, щелевые, иммерсионные преобразователи;

· по направлению УЗ колебаний к поверхности изделия – прямые и наклонные;

· по способу соединения с дефектоскопом – раздельные ( один элемент выполняет роль излучателя, другой – приемника), совмещенные (один и тот же элемент выполняет функции излучателя и приемника).

Кроме того существуют специальные преобразователи: фокусирующие, широкозахватные, для контроля по грубой поверхности, с переменным углом ввода. Рассмотрим устройство основных типов преобразователей.

Прямые преобразователи

Контактного типа для работы по совмещенной схеме. В отечественных преобразователях пьезопластина обычно изготавливается из ЦТС. В преобразователях фирмы «Крауткремер» пьезоплпстину изготавливают из кварца, хотя в последнее время часто применяют пьезокерамику. Применение кварца, обладающего низкой чувствительностью, объясняется его высокой стабильностью и равномерностью излучения всех элементов пластины. Толщину пьезопластины делают равной половине длины волны. Примеры практических конструкций приведены на рис. 2.

 

Рис. 2

Пластина 1 соединяется с кабелем и дефектоскопом проводниками 5, 7. Обычно один электрод соединяется с корпусом, который заземляеется. В преобразователе «Снежинка» в демпфере размещают катушку индуктивности контура пьезопластины. Иногда даже внутри преобразователя помещают предусилитель. В преобразователе «Крауткремер» катушку индуктивности монтируют в разъеме кабеля, подсоединяемого к преобразователю. Преобразователь ИЦ – 1 предназначен для работы с дефектоскопом, в котором катушки индуктивности размещены в приборе.

Пьезопластину приклеивают к демпферу 2. В преобразователе ИЦ – 1 демпфер изготовлен из эпоксидной смолы. В его часть, прилегающую к пластине, вводят порошок вольфрама или свинца в пропорции 1:12 (по массе). Это повышает характеристический импеданс демпфера и увеличивает широкополосность преобразователя.

Протектор 3 преобразователя должен обладать высокой износоустойчивостью, обеспечивает высокую чувствительность преобразователя и стабильность акустического контакта с изделием. В преобразователе «Снежинка» используют металлокерамический протектор. Он удовлетворяет лишь первым двум условиям. Протектор преобразователя ИЦ-1 изготавливают из материала с повышенным затуханием ультразвука – эпоксидной смолы с металлическим (обычно бериллиевым) наполнителем или из лигнофоля – прессованной древесины. Это повышает стабильность акустического тракта, однако износостойкость такого протектора значительно хуже, чем металлокерамического. В преобразователе «Крауткремер» протектор выполнен из эластичного материала типа полиуретана. Он обладает большим поглощением звука, может деформироваться и до некоторой степени облегать неровности поверхности изделия, что повышает стабильность акустического контакта. Такой преобразователь позволяет контролировать изделия с неровностями поверхности до 0,2 мм без смазки жидкостью. Однако он не может скользить по поверхности изделия. Для сканирования его нужно отрывать и вновь плотно прижимать к поверхности, что сильно замедляет процесс контроля. Большое затухание в протекторе снижает чувствительность примерно на 20 дБ.

Размеры пьезопластины выбирают с учетом поля излучения – приема. Увеличение ее диаметра сужает диаграмму направленности в дальней зоне, но в то же время увеличивает протяженность ближней зоны, где выявление дефектов затруднено из-за наличия максимального и минимального сигнала. Целесообразно применять маленькие преобразователи для контроля тонких изделий и большие – для контроля изделий больших толщин.

В серийных преобразователях отечественных дефектоскопов отношение диаметра пьезопластины к длине волны в стали

В других странах обычно применяют пьезопластины большего диаметра

Максимальный диаметр пластин может достигать 50 – 100 мм.

 

Наклонные преобразователи

Отличаются от прямого наличием наклонной призмы (рис. 3).

 

Рис. 3

Пьезоэлемент излучает в призму продольные волны, которые на гарнице призмы с изделием преломляются и трансформируются в поперечные. Не вошедшая в изделие часть ультразвуковой энергии попадает в ловушку и гасится в ней. Демпфер в наклонных преобразователях либо отсутствует, либо его делают из материала с малым акустическим сопротивлением (т.к. здесь нет идущей в направлении к пластине отраженной волны). Пьезопластину прижимают к призме через слой масла или приклеивают к ней. Призму чаще всего делают из оргстекла. Угол падения луча или преломляющий угол a выбирают таким, чтобы в изделии возникали только поперечные волны. Это условие выполняется в интервале между первым и вторым критическими углами. Особенное внимание уделяют на то, чтобы не возбуждалась поверхностная волна, т.к. она вызовет появление интенсивных ложных сигналов от неровностей поверхности изделия. Для этого необходимо выполнить условие

где - длина волны в материале призмы;

2а – диаметр пластины;

- угол падения, при котором возбуждается поверхностная волна.

Для пары оргстекло – сталь при угол a выбирают в пределах 28,5 – 55⁰. При этом, согласно закону синусов, в стали будут возбуждаться поперечные волны под углами .

Если возникает задача возбуждения волны в изделии под меньшими углами преломления, угол падения выбирают меньше первого критического и используют продольную преломленную волну. Чтобы поперечная волна на мешала контролю, следует отступить от первого критического угла на 4 и более градусов в меньшую сторону. Например, для пары оргстекло – сталь при угол преломления продольной волны будет 45⁰, а поток энергии продольной волны в два раза больше потока энергии поперечной волны. Наклонные преобразователи с возбуждением продольных волн используют часто для контроля сварных швов.

Выбирая соответствующие углы наклона, с помощью наклонных преобразователей возбуждают поверхностные, поверхностно-продольные волны и различные моды волн в пластинах и стержнях.

При конструировании призмы обращают внимание на то, чтобы отраженные от поверхности призма-изделие волны попадали в ловушку, а не на пьезопластину. Для улучшения гашения ультразвуковых волн в ловушке ее грани иногда делают ребристыми или в ловушке сверлят много мелких отверстий.