5  Електричний з'єднувач; 6  струмовідвід; 7  заливальний компаунд;

8  Контактний шар (рідина); 9  акустична пастка; 10  ок.

Перетворювачі, що розраховані на частоти 0,2…5 МГц зазвичай служать для виявлення різних неоднорідностей в ОК. Останніми роками ці перетворювачі застосовують також для контролю якості виробів за частотної залежності швидкості поширення ульразвукових хвиль і коефіцієнта загасання ультразвуку в матеріалах, що сильно поглинають пружні коливання. Проте для неруйнівного контролю по цьому параметру частіше використовують більш високочастотний ультразвуковий діапазон 5…25 МГц. В ультразвуковій мікроскопії використовують частоти від 100 МГц до декількох ГГц.

Зі зниженням частоти виконання умов, за яких можна нехтувати коливаннями в поперечному напрямі, ускладнюється. В серійних перетворювачах, що працюють на частоті 5 МГц, у яких використовують круглі п′єзопластини, відношення діаметра до товщини становить приблизно 20, а в перетворювачах, розрахованих на частоту 0,2 МГц, це відношення зменшується до 4  5, тому для збереження рекомендованого відношення знадобилися б п’єзоелементи діаметром до 150 мм.

Очевидно, що пониження частоти випромінюваних коливань погіршує не тільки акустичні умови формування сигналів, але і зменшує збуджувальну електричну індукцію. Тому п’єзоелемент для низькочастотних п′єзоперетворювачів часто виготовляють у вигляді пакетів, склеєних з деякої кількості п′єзопластин, електрично сполучених між собою паралельно (рис. 7.28). При цьому сумарна товщина пакета має забезпечувати основну моду коливань на частоті , а сусідні п’єзоелементи  мати зустрічну поляризацію.

Р ис. 7.28. Акустичний вузол багатошарового перетворювача:

1  Пакет п’єзоелементів із зустрічною поляризацією, електрично включених паралельно;

2  Демпфер; 3  струмопідвідні провідники.

У серійних п′єзоперетворювачах, що входять в комплекти більшості дефектоскопів і структуромірів, п’єзоелемент має круглу форму, хоча кращі діаграми напрямленості за тих же лінійних розмірів мають прямокутні п’єзоелементи.

На рис.7.29 подано приклади типових конструкцій суміщених перетворювачів з нормальним вводом.

Рис. 7.29. Приклади типових конструкцій суміщених перетворювачів з нормальним вводом:

1  П’єзоелемент; 2  демпфер; 3  протектор; 4  корпус; 5  кришка корпусу;

6  Струмовідводи; 7  заливальний компаунд; 8  рознім; 9  акустичний уловлювач.

Перевагою круглих п’єзоелементів є відсутність виділених в площині п’єзоелемента напрямів ( або ), а отже, й обмежень напрямів рухів, здійснюваних оператором під час контролю виробів прямим перетворювачем. Проте під час виконання контролю поблизу меж виробу прямокутні п’єзоелементи забезпечують неконтрольовані кромки меншого розміру.

Розміри в поперечних напрямах вибирають такими, щоб інтервали часу пробігу ультразвукових поздовжніх хвиль по товщині і ширина п’єзоелемента значно розрізнялися. Поперечні розміри п’єзоелемента мають бути багато більшими від його товщини. Під час контролю малогабаритних виробів ці умови в перетворювачах порушуються. Прагнення підвищити продуктивність контролю призводить до збільшення поперечних розмірів п’єзоелемента, що часто суперечить електричним характеристикам навантажень генератора.

Поперечні розміри п’єзоелемента доводиться вибирати досить великими для створення вузькодіаграмних перетворювачів, призначених для виявлення далеко розташованих відбивачів. У цьому випадку або використовують генератори з поліпшеними характеристиками навантажень, або п’єзоелемент виготовляють у вигляді мозаїки, у якій окремі частини електрично сполучають послідовно, для того, щоб сумарна ємність забезпечувала нормальну роботу генератора (тут доводиться шукати компроміс між зменшенням напруженості електричного поля в кожному елементі за рахунок послідовного з'єднання окремих частин і зменшенням сумарної ємності для поліпшення роботи електричного генератора). На жаль, характеристики акустичного поля мозаїчних п’єзоелементів значною мірою неоднорідні в поперечному перетині через вплив місць з'єднання окремих елементів.

Важливу роль у забезпеченні нормальної роботи п’єзоелемента відіграють металеві електроди, що покривають його поверхні. Як матеріал електродів на п′єзокерамічних пластинах використовують переважно срібло і нікель, які забезпечують хорошу адгезію з п′єзокерамікою і, як наслідок, міцність паяння, стабільність роботи та ін. Співвідношення між розмірами площі поверхні п′єзопластини, покритої електродом і вільної від нього, істотно впливає за інших рівних умов на добротність п’єзоелемента і характеристики акустичного поля. Регулюючи розмір електродів п’єзоелемента, можна в досить широких межах змінювати характеристики акустичного поля у виробі, тобто впливати на виявлення дефектів.

Часто електроди на поверхнях п’єзоелемента роблять не суцільними, а секціонованими, чим досягається розділення суцільного п’єзоелемента на випромінювальні (приймальні) ділянки. Електричні з'єднання електродів виконують різними способами. Наприклад, якщо вони сполучені послідовно, то зменшується сумарна ємність п’єзоелемента і з'являється можливість збільшувати випромінювальну (приймальну) площу п’єзоелемента без перевантаження генератора. Перевагою такого п’єзоелемента порівнянно з мозаїчним є спрощення конструкції, хоча виникає сильний акустичний зв'язок між окремими елементами і погіршується форма випромінюваних пружних сигналів.

Іноді для зменшення електричних наведень у режимі приймання (в приймачах сигналів акустичної емісії), а також для управління характеристиками акустичного поля і процесами перетворення використовують диференціальне включення, для якого електрична індукція в окремих ділянках напрямлена зустрічно. В цьому випадку, наприклад, у режимі приймання, електричні сигнали, що знімаються з окремих ділянок п’єзоелемента, мають різні знаки.

На тильному боці п’єзоелемента розміщується демпфер 2 (див. рис. 7.27), який перебуває в акустичному контакті з п’єзоелементом. Основне призначення демпфера  це гасіння коливань пластини по товщині, тобто зменшення механічної добротності п′єзорезонатора. Зменшення добротності п′єзорезонатора приводить до скорочення часу вільних коливань п’єзоелемента і, природно, до скорочення тривалості зондувального імпульсу (розширення смуги частот). Крім того, демпфер одночасно служить утримувачем для п’єзоелемента і додає йому необхідної стійкості проти навантажень на стиснення і на удар, що виникають під час створення акустичного контакту з об'єктом контролю.

П'єзоелемент приклеюється до демпфера шаром епоксидного клею товщиною меншою за . Очевидно, що демпфер повинен мати надійний акустичний контакт з п’єзоелементом по всій тильній його поверхні. Міцність приклеєного до демпфера перетворювача істотно підвищується.

Імпеданс демпфера вибирають відповідно до бажаного демпфування п’єзоелемента. Найвище демпфування відбувається, коли імпеданс демпфера і п’єзоелемента збігаються, коли вся акустична енергія від тильної стінки п’єзоелемента переходить без віддзеркалення в демпфер. Демпфер повинен за можливості повністю поглинути цю енергію, щоб у демпфері не настав резонанс. Тобто матеріал демпфера, окрім характеристик міцності, повинен мати високий коефіцієнт загасання і при цьому імпеданс матеріалу демпфера має бути близьким або рівним імпедансу перетворювача.

Але якщо на перше місце ставиться питання підвищення чутливості, а не роздільної здатності або зменшення мертвої зони, то демпфування може бути частковим, тобто демпфер може бути з іншим імпедансом, наприклад, з чистого компаунда без наповнювачів.

Часто вказані вимоги виявляються суперечливими. Наприклад, використовування для виготовлення демпфера металів і їх сплавів з характеристичним імпедансом, близьким до імпедансу п’єзоелемента, обмежено малим загасанням, яке не можуть компенсувати спеціальні розсіювачі, встановлювані на поверхні демпфера. Крім того, наявність необхідного клейового з'єднання між п’єзоелементом і демпфером значно знижує вхідний опір демпфера, а сильна відмінність температурних коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів демпфера і п’єзоелемента обмежує температурний діапазон працездатності перетворювача. Проте відомі випадки успішного використання для демпфера таких матеріалів, як латунь, бронза, що за імпедансом наближаються до п′єзокераміки, але з порівняно великим коефіцієнтом загасання ультразвуку. Непогані результати одержані при використанні як демпфувальної маси компаунда з галію, олова і нікелю з вольфрамовим наповнювачем, що має характеристичний імпеданс 25·10⁶ Н·с/м³, проте труднощі його виготовлення обмежують вживання в серійному виробництві.

Демпфером на металевій основі може бути компаунд, що складається з порошку вольфраму, олова або якого-небудь іншого пластичного металу (алюмінію, міді, свинцю). Для збільшення коефіцієнта загасання в компаунд уводять порошок заліза (близько 7%).

Найбільшого поширення як матеріали для демпферів набули композитні матеріали, що складаються з розсіювачів та зв'язуючого компонента. Перші  це порошки важких металів і їх оксидів, а другі – це смоли (найчастіше епоксидні ЕД-5 або ЕД-6) або компаунди. В літературі описано характеристики демпфера на основі епоксидної смоли з наповнювачами у вигляді порошків маршалиту (подрібнений кварц), карбіду титану, вольфраму, а також компаунду з двох частин воску і однієї частини каніфолі зі свинцем і вольфрамом. Характеристичний імпеданс таких матеріалів становить (4…12)·10⁶ Нс/м³, а коефіцієнт поглинання звуку на частоті 1 МГц  близько 80 м^-1.

Натепер використовуєть гаряче пресування порошку вольфраму і зв'язуючого фенопласту. Виготовлені таким чином демпфери мають дуже високий коефіцієнт загасання ультразвуку і досить високе значення характеристичного імпедансу (15·10⁶ Н·с/м³). Проте на відміну від розглянутих вище цей демпфер не може бути одержаний безпосереднім затвердінням на п’єзоелементі, а повинен бути приклеєний, що, зрозуміло, знижує його ефективний імпеданс. Проте демпфер одержаний гарячим пресуванням фенопласту з вольфрамовим наповнювачем, використовують майже у всіх прямих контактних перетворювачах. Перевагою цього демпфера є також його достатньо висока електрична провідність.

Щільне притиснення при склеюванні демпфера до п’єзоелемента, на поверхню якого нанесено металевий електрод, забезпечує виникнення в деяких точках поверхонь електричного контакту між демпфером і п’єзоелементом. Це вирішує завдання електричного зв'язку з електродом п′єзопластини.

Разом з епоксидними смолами і фенопластом як зв'язуючий компонент широко застосовують знайшли силікон, поліуретан, каучук, сиру гуму. Для деяких комбінацій зв'язуючого компонента і порошку-наповнювача вдається досягти великого поглинання звуку за досить високого значення характеристичного імпедансу. Наприклад, якщо як зв'язуючий компонент використовувати герметик УЗО-МЭС5, що самовулканізується , то для такого самого вмісту вольфрамового порошку, що й вмісту епоксидної смоли, коефіцієнт загасання ультразвуку на частоті 2,0 МГц стане в 2,5 разу більшим. Крім того, використання герметика, що самовулканізується, дозволяє відмовитися від клейового шару між демпфером і п’єзоелементом, що збільшує вплив демпфера на інерційність п’єзоелемента . Аналогічні результати отримують під час використання демпфера, виготовленого із суміші частинок пластмаси і фторовуглецю, яка за підвищеної температури безпосередньо з'єднується з поверхнею п’єзоелемента.

Д

α

осить перспективним з погляду поліпшення сукупних властивостей демпферів є виготовлення їх зі змінними по довжині акустичними властивостями (рис. 7.30): максимальним характеристичним імпедансом поблизу п’єзоелемента (малий коефіцієнт віддзеркалення) і мінімальними швидкістю звуку та густиною в протилежному кінці демпфера (коефіцієнт поглинання звуку за рахунок в'язкості і пружності обернено пропорційний кубу швидкості звуку і першого ступеня густини). Від плавності зміни властивостей демпфера залежить коефіцієнт віддзеркалення по всій довжині демпфера.

Р

α

ис.7.30. Демпфер з розподіленими по товщині імпедансом та загасанням: