7.4.2. Конструкції перетворювачів і їх основні елементи
Метод ультразвукового неруйнівного контролю, конфігурація ОК, умови контролю, тощо істотно впливають на вибір конструкцій п′єзоперетворювачів. Тому вони мають багато різновидів. Проте принципи, покладені в основу створення конструкцій перетворювачів, зберігаються для всіх типів перетворювачів.
Основний елемент перетворювача п’єзоелемент. Розміри і форму п’єзоелемента визначають з умов використання перетворювача. Основний розмір п’єзоелемента його товщина. Як правило, це товщина резонансна:
.
Поперечні розміри перетворювача задають характеристику напрямленості випромінювання (зони випромінювання, діаграму напрямленості, кутову і фронтальну роздільні здатності, чутливість і ін.), від поперечних розмірів залежить поява в спектрі випромінювання побічних сигналів, викликаних реверберацією в радіальному напрямі, у тому числі й на типах хвиль, що знову з'явилися.
Розглянемо деякі способи вибору поперечних розмірів п’єзоелемента:
рекомендаційний коли на підставі досвіду рекомендується вибирати співвідношення поперечного розміру до товщини близько 20, тобто
.
У цьому випадку співвідношення збудження п′єзопластини найефективніше;
виходячи із заданої зони випромінювання: ближньої (наприклад, для фокусування) або дальньої (для дефектоскопії). Річ у тім, що під час роботи в ближній зоні знижується ймовірність виявлення дефектів і точність оцінки їх розмірів (через релеївський розподіл тиску в перетині ближньої зони, див. розділ 5). Тому бажано, щоб дефект був у дальній зоні випромінювання;
виходячи з кутової або фронтальної роздільної здатності (характеристики напрямленості випромінювання).
Таким чином, вибір поперечних розмірів завдання компромісне: збільшення розмірів п’єзоелемента веде до підвищення чутливості в дальній зоні, проте знижує ймовірність і відтворюваність результатів в ближній зоні, водночас зменшення поперечних розмірів п’єзоелемента призводить до зменшення чутливості, втрачається поперечна (кутова, фронтальна) роздільна здатність.
Систематизація основних типів конструкцій п’єзоелектричних перетворювачів показана на рис.7.26.
Прямі суміщені перетворювачі. Прямими перетворювачами називають такі перетворювачі, які забезпечують випромінювання в ОК і приймання пружних хвиль під прямим кутом до поверхні виробу, що контактує з перетворювачем.
Основним елементом
перетворювача є п’єзоелемент 1
(рис. 7.27), який перетворює електричну
енергію в енергію пружних коливань і
навпаки. Товщина п’єзоелемента (як
правило, п′єзокерамічного) визначається
робочою частотою
.
По обидва боки п’єзоелемента нанесено
електроди, товщина яких складає тисячні
частки міліметра. Провідники, по яких
до п’єзоелемента підводиться або
відводиться електричний сигнал, припаюють
низькотемпературним припоєм або
закріплюють за допомогою електропровідного
клею чи просто забезпечується надійний
електромеханічний контакт. Радіальні
коливання п’єзоелемента гасяться
уведенням його кромки в демпфувальну
масу.
Прямі контактні перетворювачі серійно випускають на частоти 25 кГц…25 МГц. Перетворювачі на частоти 25…200 кГц використовують переважно в комплекті ультразвукових приладів для контролю якості матеріалів за часом настання збудження або за часом спаду збуджених у виробі коливань, зокрема для приймання сигналів акустичної емісії.
Рис. 7.27. Елементи конструкції суміщеного ультразвукового перетворювача з нормальним вводом: 1 п’єзоелемент; 2 демпфер; 3 протектор (захисне донце); 4 корпус;