3  Узгоджувальний шар; 4-коропус; 5-притискна гайка; 6-синтетична плівка;

7-заливальний компаунд

Узгоджувальні шари в серійних перетворювачах виконують із суміші епоксидної смоли з вольфрамовим наповнювачем, яка наноситься безпосередньо на п’єзоелемент і виконує роль протектора.

Така конструкція прямих контактних перетворювачів дозволяє успішно застосовувати їх у деяких випадках навіть без контактної рідини між протектором і ОК.

Розглянемо особливості прямих перетворювачів, що містять акустичні лінії затримки.

Уведення таких ліній затримки (див. рис. 7.32) дозволяє досягти таких позитивних результатів:

 момент надходження інформативних сигналів відокремлено від часу дії збуджувального електричного імпульсу;

 з’являється можливість поліпшити введення і виведення пружних імпульсів в ОК, не впливаючи на роботу п’єзоелемента;

 дозволяє під час вимірювання малої товщини позбутися похибок за рахунок товщини шару контактної рідини (у товщинометрії).

Рис. 7.32. Ультразвуковий перетворювач з твердотілою лінією затримки:

1  П’єзоелемент; 2  демпфер; 3  твердотільна акустична лінія затримки;

4  Корпус; 5  електричний рознім; 6  струмовідвід; 7  заливальний компаунд;

8  Ізоляційна шайба; 9  акустичний уловлювач

к устичні лінії затримки можуть бути не тільки твердими, але й рідкими середовищами. У разі рідких середовищ перетворювачі описуваного типу називають імерсійними (Рис.7.33).

Рис. 7.33. Перетворювач імерсійного типу:

1  п’єзоелемент із захисним шаром; 2  демпфер;

3

 імерсійний шар; 4  корпус; 5  електричний з'єднувач;

7  заливальний компаунд; 8  подача імерсійної рідини; 9  ОК

Під час використання твердих або рідинних ліній затримок виникають певні вимоги до їх геометричних розмірів: співвідношення між поперечними розмірами лінії затримки і її довжиною мають усувати бічні віддзеркалення. Зрозуміло, ці співвідношення є функціями геометричних розмірів п’єзоелемента, параметрів пружних імпульсів, а також очікуваного часу надходження луносигналів від відбивачів.

Вибирають тверду або рідинну лінію затримки залежно від дефектоскопічного завдання. Тверді лінії затримки забезпечують більший рівень корисних сигналів, великі зручності в проведенні контролю, більш широку номенклатуру виробів, для яких можливий контроль із застосуванням ліній затримки, а також формування найкоротших в часі пружних імпульсів (у товщинометрії).

Імерсійні перетворювачі розміщують на порівняно великій відстані від ОК. Вони забезпечують більш стабільний акустичний контакт з виробом, що й визначає їх галузь використання: для оцінювання характеру відбивачів, в автоматизованих установках контролю, для контролю виробів складної форми та ін.

Характеристичний імпеданс матеріалу п’єзоелемента в 15  20 разів більший, ніж імерсійної рідини (води), тому відбувається «сильне» віддзеркалення ультразвуку на межі п’єзоелемент  рідина. Для поліпшення акустичного узгодження п’єзоелемента з рідиною застосовують чвертьхвильовий шар із компаунду. Він також сприяє гідроізоляції. Для імерсійного перетворювача особливо важливо забезпечити ефективне демпфування.

Використання лінії затримки дозволяє розширити галузь застосування прямих перетворювачів. Іноді торець лінії затримки, повернений до виробу, роблять неплоским, наприклад, сферичним, що забезпечує фокусування ультразвукового пучка в деякій невеликій зоні простору.

Наявність акустичної лінії затримки дозволяє значно розширити температурний робочий діапазон перетворювача, зазвичай обмежений зверху температурою Кюрі. Якщо лінію затримки виконано не з металу, який має високу теплопровідність, а з діелектрика малої теплопровідності (плавлений кварц, скло спеціального складу і т. ін.), такі перетворювачі дозволяють вимірювати товщину виробів, температура поверхні яких досягає 500 ⁰C, при перебуванні у контакті з виробом безперервно до 10 с.

Відомі конструкції, що використовують ідею заміни ковзання лінії затримки по поверхні ОК на кочення (рис. 7.34) для підвищення продуктивності контролю. Іноді таку лінію затримки виконують двошаровою; у цих випадках нижній циліндр роблять або зносостійким, або дуже піддатливим, наприклад, з поліуретану, що забезпечує можливість уведення пружних хвиль в ОК (особливо на низьких частотах) без контактної рідини. Такі перетворювачі називають катковими. Деяку складність конструкції створюють пристрої, що забезпечують постійну орієнтацію п’єзоелемента щодо ОК і надійний акустичний контакт п’єзоелемента та циліндра, що котиться, при їх взаємному переміщенні.

Рис. 7.34. Катковий перетворювач з лінією затримки: 1  п’єзоелемент; 2  демпфер; 3  лінія затримки, що котиться;

4  узгоджувальна циліндрична втулка

Під час застосування акустичних ліній затримки для контролю виробів складної форми, великої кривизни, тощо, торцю ліній надають форму, що повторює локальний профіль контрольованої поверхні.

Для формування коротких аперіодичних сигналів використовують широкосмугові (нерезонансні) перетворювачі. Такі перетворювачі ґрунтуються на використанні товстих п’єзоелементів (товщина яких значно перевершує довжину хвилі). У такому перетворювачі поздовжніх хвиль принципово можливе створення широкосмугового аперіодичного сигналу за таких умов:

 в об'ємі п’єзоелемента має бути один перетин (він може в окремому випадку збігатися з поверхнею п’єзоелемента), у якому спостерігається або градієнт напруженості збуджувального електричного поля або градієнт п′єзомодуля або одночасно те й те;

 п’єзоелемент повинен мати таку форму і розміри, за яких не будуть виникати стоячі хвилі, що генеруються в робочому (вертикальному) перетині або на його робочій поверхні.

Ці два принципи забезпечують широкосмуговість і аперіодичність п′єзоперетворювача в режимах випромінювання і приймання. Але окрім них, є ще один принцип, який необхідно враховувати в режимі приймання. Тільки імпульси вихідного електричного струму (а не напруги), що знімається з пєзоперетворювача під час його роботи в режимі прийому, повторюють за формою і тривалістю імпульси акустичного тиску, які діють на перетворювач.

Отже, у випадку роботи з широкосмуговим п′єзоприймачем необхідно використовувати підсилювач струму з малим (порядку одиниць омів) вхідним опором. Такий підсилювач забезпечує режим короткого замикання перетворювача на час приймання ультразвукових імпульсів, унаслідок чого з перетворювача надходять імпульси струму, що повторюють за формою акустичні сигнали, які сприймаються перетворювачем, тоді як імпульси електричної напруги відповідають інтегралу за часом від імпульсів ультразвукового тиску.

До першого типу широкосмугових аперіодичних перетворювачів ультразвукових хвиль належать нерівномірно поляризовані товсті п′єзоперетворювачі (НТП) (рис. 7.35), відмінні від звичайних товстих п′єзоперетворювача тим, що ступінь поляризації в їх об'ємі плавно зменшується від максимального значення біля передньої поверхні (що випромінюють у корисне акустичне навантаження) до нуля біля протилежної (задньої) поверхні.

Рис. 7.35. Широкосмуговий ультразвуковий перетворювач з товстим нерівномірно поляризованим п′єзоелементом:

1  п′єзоелемент; 2  демпфер; 3  протектор; 4  корпус;

5  електричний з'єднувач; 6  струмовідвід; 7  заливальний компаунд; 8  електроізоляційна шайба; 9  ущільнювальна прокладка

Електромеханічне перетворення в НТП відбувається переважно поблизу нижньої поверхні п’єзоелемента. Крім того, для запобігання багатократним віддзеркаленням ультразвукових хвиль, збуджених у передньої поверхні, до задньої поверхні НТП приєднується (припаюється, приклеюється) тіло з матеріалу, характеристичний імпеданс якого дорівнює або близький до імпедансу п’єзоелемента. Цьому тілу надається форма акустичного вловлювача, наприклад, конуса 2 (рис. 7.35). Така форма забезпечує поглинання і розсіяння у вигляді тепла тієї частини енергії ультразвукових хвиль, що виникають біля передньої поверхні НТП, випромінюється всередину його об'єму і безперешкодно (без віддзеркалення від задньої поверхні) надходить в акустичний уловлювач.

Розглянута конструкція НТП виключає багатократні віддзеркалення ультразвукових хвиль в об'ємі перетворювача і, отже, можливість виникнення в ньому стоячих ультразвукових хвиль; тому такий НТП уможливлює випромінювання одиночних ультразвукових імпульсів. Такий режим випромінювання неможливий в звичайних товстих перетворювачах.

Нерівномірна поляризація в НТП досягається частковою деполяризацією стандартних рівномірно поляризованих п’єзоелементів короткочасним нагріванням частини їх об'єму до температури, що перевищує верхню точку Кюрі п’єзокераміки. Акустичний уловлювач виготовляють з тієї ж п’єзокераміки або з металу з характеристичним імпедансом, близьким до імпедансу п’єзокераміки.

Важливою особливістю НТП є те, що їх широкосмуговість досягається збереженням можливості збудження п′єзоелемента однорідним електричним полем. Завдяки цьому НТП генерує в безпосередній близькості від своєї передньої випромінювальної поверхні синфазні ультразвукової хвилі з рівномірним розподілом акустичного тиску в їх фронті.

Д о типу широкосмугових аперіодичних ультразвукових перетворювачів належать перетворювачі, в яких п’єзоелемент збуджується неоднорідним електричним полем, створюваним, наприклад, планарними електродами, розташованими на одній з його поверхонь (рис. 7.36).

Рис. 7.36. Перетворювач з поверхневим збудженням п’єзоелементу: 1  товстий поверхнево збуджуваний п’єзоелемент; 2  електроди для збудження неоднорідного електричного поля; 3  заливальний електроізолювальний і зміцнювальний компаунд; 4  корпус, 5  електричний з'єднувач; 6  струмопідвід; 7  електроізоляційна шайба.

Похилі суміщені перетворювачі. Для вирішення значної кількості практичних завдань необхідно вводити ультразвук похило до поверхні контрольованого виробу. Перетворювачі, призначені для цієї мети, називають похилими. У них п′єзоелемент 1 розміщують на спеціальній лінії затримки (призмі) 8 (рис. 7.37). Для роботи перетворювача використовують поздовжні хвилі. В ОК залежно від кута падіння можуть збуджуватися всі типи хвиль  поздовжні, зсувні, поверхневі, головні та ін.).

Д ля виявлення дефектів різною мірою використовують усі типи ультразвукових хвиль, проте зсувні хвилі, які мають меншу довжину хвилі, дозволяють краще виявляти дефекти малих розмірів у напрямі нормалі до поверхні вводу і близько розташовані до цієї поверхні. Тому кут для таких перетворювачів потрібно вибирати більшим від першого критичного кута, що забезпечує відсутність у виробі поздовжніх хвиль.

Рис. 7.37. Схема конструкції похилого перетворювача:

1  п′єзоелемент; 2  демпфер або прокладка; 3  призма;

4  акустичний уловлювач; 5  електричний з'єднувач;

6  контактний шар; 7  ОК.

Для виявлення дефектів різною мірою використовують усі типи ультразвукових хвиль, проте зсувні хвилі, які мають меншу довжину хвилі, дозволяють краще виявляти дефекти малих розмірів у напрямі нормалі до поверхні вводу і близько розташовані до цієї поверхні. Тому кут для таких перетворювачів потрібно вибирати більшим від першого критичного кута, що забезпечує відсутність у виробі поздовжніх хвиль.

Призма 3 забезпечує уведення пружних коливань в об'єкт контролю під необхідним кутом і їх приймання. Водночас багатократні віддзеркалення ультразвукових хвиль усередині призми є джерелом ревербераційних завад. Тому вимоги, що ставляться до матеріалу призми, значною мірою суперечливі, і щоби домогтися потрібних властивостей призми, слід користуватися різноманітними конструкторськими прийомами.

Розглянемо спочатку вимоги до п′єзоелемента 1 перетворювача.

Вибір п′єзоматеріалу в похилих суміщених перетворювачах залежить від дефектоскопічних завдань, які потрібно вирішувати, оскільки разом зі звичайною вимогою (максимальність коефіцієнта електромеханічного зв'язку) ще необхідно врахувати таке: по-перше, наявність призми з малою швидкістю поширення звуку (для забезпечення великих кутів заломлення) призводить до того, що акустичним навантаженням для п′єзоелемента є середовище з малим характеристичним імпедансом. А оскільки амплітуда випромінюваного в навантаження сигналу пропорційна коефіцієнту прозорості межі п′єзоелемент  навантаження, перевагу слід віддавати п′єзоматеріалам з малим характеристичним імпедансом.

По-друге, похилі перетворювачі часто використовують для виявлення далеко розміщених дефектів; при цьому амплітуда корисного луносигналу пропорційна площі п′єзоелемента. Збільшення ж площі п′єзоелемента (збільшення його електричної ємності) обмежується характеристикою навантаження електричного генератора. Отже, перевагу належить віддати п′єзоматеріалам з малою діелектричною проникністю.

Таким чином, як матеріал для п′єзоелементів можна успішно використовувати п′єзокераміку (ЦТС, PZT) і п'єзоелектричні монокристали (особливо кварц). Форму п′єзоелементів, що використовуються в похилих перетворювачах, вибирають і круглої, і квадратної, і прямокутної, залежно від геометрії ОК і характеристики напрямленості випромінювання-приймання.

У похилих перетворювачах, як правило, поперечні розміри значно перевищують товщину, і тому справляється їх взаємний вплив на частоти коливань. Крім того, наявність акустичних ліній затримок робить неістотним вплив на роботу перетворювача коливань у поперечних напрямах.

Тепер розглянемо вимоги до призм для пригнічення до певної міри акустичних шумів. Це, в першу чергу:

 достатньо високий імпеданс для узгодження з п′єзоелементом, з одного боку, і ОК з другого;

 низька швидкість звуку для забезпечення критичних кутів;

 достатнє поглинання звуку для приглушення реверберацій.

Задовольнити одночасно всі зазначені вимоги повною мірою не вдається.

Ультразвукові хвилі як акустичні шуми виникають на межі поділу призма  ОК у наслідок різних імпедансів обох середовищ. Чим ближче ці імпеданси, тим менша початкова амплітуда акустичних шумів. Домагатися рівності акустичних імпедансів підбиранням однакових швидкостей поширення звуку не можна, оскільки пропадає ефект трансформації хвиль, покладений в основу роботи похилих перетворювачів. Отже, акустичне узгодження на межі призма  ОК повинне вестися підбиранням їх густини.

Сигнали, що виникають на межі поділу, поширюючись у призмі потрапляють на п′єзоелемент і створюють завади. Для зменшення цих завад необхідно створити умови для їх значного подавлення в процесі поширення в призмі.

Зменшення амплітуди ультразвукових хвиль за рахунок загасання визначається коефіцієнтом загасання в матеріалі призми і тривалістю шляху, який проходять ультразвуки в призмі. Збільшення коефіцієнта загасання в матеріалі призми одночасно зменшує амплітуду корисного сигналу. Тому необхідно прагнути використовувати таку конфігурацію призми, для якої сигнали, що виникли на межі поділу, не могли б безпосередньо потрапити назад на п′єзоелемент. Для цього в призмах створюють так звані уловлювачі 4.

Призма забезпечує короткий шлях для корисного сигналу і досить довгий шлях для акустичних шумів. Відповідно до законів геометричної акустики ультразвукові хвилі взагалі не повинні були б потрапити на п′єзоелемент. Проте через неідеальність плоского пучка і наявності бокових пелюсток імпульси, відображені від межі призма-виріб, досягають приймача. У випадках, коли потрібні малі габаритні розміри призми, використовують матеріали з підвищеним коефіцієнтом загасання.

Швидкість поширення звуку в матеріалі призми також чинить істотний, але не однозначний вплив:

 під час конструювання похилих перетворювачів, що працюють на зсувних хвилях, бажано прагнути забезпечити малу швидкість поздовжніх хвиль у матеріалі призми, оскільки це збільшує ділянку істотної трансформації початкових поздовжніх хвиль у зсувні;

 мала швидкість звуку віддаляє час надходження корисного сигналу порівняно з часом реверберації;

 мала швидкість звуку, збільшуючи розмір ближньої зони і зменшуючи кут розбіжності пучка, збільшує шлях, по якому акустичні сигнали-шуми потрапляють на п′єзоелемент, хоча розбіжність пучка супроводжується додатковим до загасання зменшенням його амплітуди. Тому в матеріалі призми переважно мала швидкість звуку.

Характеристичний імпеданс матеріалу призми має задовольняти суперечливі вимоги, оскільки він одночасно відповідальний за акустичне узгодження з п′єзоелементом, характеристичний імпеданс якого високий, і з ОК, характеристичний імпеданс якого малий через наявність контактного шару.

Акустичний контакт між п′єзоелементом і призмою створюється середовищем з малим імпедансом (шар масла, клей), але товщина шару цього середовища дуже мала, оскільки контактні поверхні спеціально обробляються, і, отже, характеристичний імпеданс п′єзоелемента з боку призми вищий. Разом з тим характеристичний імпеданс матеріалу призми, яка відділена від ОК рідинним контактним шаром, з боку ОК видається меншим. В цих умовах перевагу віддають малим характеристичним імпедансам матеріалу призми, оскільки товщина між перетворювачем і виробом в процесі контролю змінюється і в разі акустичного неузгодження значно впливає на амплітуду корисного сигналу.

Рис. 7.38. Схеми пригнічення ревербераційних завад, що виникають у призмах завдяки введенню в призму поглинача 2 (а), за рахунок відведення хибних луносигналів у патску 4 з неплоскими поверхнями призми 3 (б)

Кращих результатів можна досягнути на матеріалах зі змінним по висоті характеристичним імпедансом, що забезпечує хороше акустичне узгодження на обох торцевих поверхнях акустичної лінії затримки.

Поліпшення співвідношення корисний сигнал/шум у похилих перетворювачах можна досягнути не тільки відповідним підбором коефіцієнта загасання звуку, але й зменшенням коефіцієнта віддзеркалення сигналів, що створюють шум. Найбільшого поширення набули такі заходи щодо зменшення коефіцієнта віддзеркалення від неробочих граней призми:

 нанесення на поверхні неробочих граней спеціального шару з матеріалу, що сильно поглинає звук і добре узгоджується акустично з матеріалом призми (рис.7.38, а);

 нанесення на відбивні поверхні призми різного роду нерівностей, що добре розсіюють звук (рис. 7.39);

 виготовлення відбивних поверхонь неплоскими (рис. 7.38, б).

Рис. 7.39. Конструкція рознімного перетворювача з похилим уводом:

а  акустичний вузол перетворювача; б  розсіювач; 1  п′єзоелемент; 2  пружна прокладка; 3  призма; 4  корпус; 5  електричний з'єднувач; 6  струмопроводна втулка; 7  ізоляційна втулка; 8  прижимна гайка-роз'єм; 9  акустичний уловлювач;