7.7. Стислий зміст розділу 7

В основу класифікації методів і пристроїв збудження і приймання акустичних коливань покладено :

- форму енергії, перетворюваної в акустичні коливання,

- механізм самого перетворення ;

- оборотність перетворення.

Відповідно до такої класифікації виокремлюють такі основні групи методів і пристроїв:

- механічні методи і пристрої, їм не властива оборотність перетворення,

- термічні на основі термоудару, їм також не властива оборотність перетворення,

- електромагнітомеханічні (електростатичні та електромагнітоакустичні перетворювачі), відрізняються оборотністю перетворення і

- перетворювачі на основі електромеханічно активних речовин (п′єзоелектричних і магнітострикційних), яким також притаманна оборотність перетворення.

В акустичних інформаційно-вимірювальних пристроях і системах ,зокрема в приладах і системах ультразвукової дефектоскопії та візуалізації акустичних полів використовуються п′єзоелектричні перетворювачі, які відповідають переважно всім вимогам для отримання максимуму інформації про ОК. Такими вимогами передусім є : широкий частотний діапазон, практична безінерційність, високі коефіцієнти електромеханічного перетворення, відносна простота технології виготовлення та інші , а оборотність процесів випромінювання-приймання дозволяє реалізувати на п′єзоперетворювачі основний режим контролю − режим віддзеркалення (луно-метод).

П′єзоперетворювачі залежно від висхідного матеріалу можуть бути монокристалічними або полікристалічними (керамічними). Більшості монокристалів різною мірою притаманний п′єзоелектричний ефект з певною орієнтацією вектора поляризації. Щоб виготовити з монокристала п′єзопластину із заданою орієнтацією вектора поляризації, її вирізують з монокристала з урахуванням природної поляризації.

У полікристалічних перетворювачах орієнтація вектора поляризації задається технологічним процесом (процесом лінеаризації электрострикції).

Основні елементи конструкцій ультразвукових перетворювачів - це п′єзоелемент, демпфер (у деяких конструкціях їх може не бути ) і протектор (або акустична лінія затримки, у тому числі і призма), які складають акустичний вузол перетворювача і визначають його характеристики.

У більшості перетворювачів товщина п′єзоелемента резонансна . У цьому випадку коефіцієнти перетворення досягають свого максимуму.

Основні показники п’єзоелектричних перетворювачів − це статичний коефіцієнт електромеханічного зв'язку, що є показником п′єзоматеріалу, і коефіцієнти перетворення з їх АХЧ, у тому числі коефіцієнт подвійного перетворення з його АЧХ для суміщеного перетворювача.

Важливими характеристиками перетворювача, включеного в режим контролю, є його добротність і смуга частот, які перебувають між собою в зворотній залежності - чим вища добротність, тим вужча смуга частот.

Добротність ненавантаженого п’єзоелемента визначають поглинанням акустичної енергії в самому п’єзоелементі

.

Навантаження п’єзоелемента демпфером , з одного боку, і ОК, з другого боку (без проміжних шарів), призводить до зниження акустичної добротності перетворювача до значення

,

отже, і до розширення смуги частот.

П′єзоелектричні перетворювачі (випромінювачі і приймачі ультразвукових коливань) можна розділити на групи залежно від їх призначення:

− одноелементні перетворювачі, в яких фіксовані точки і кут уведення променя. Сканування можливе тільки шляхом механічного переміщення перетворювача по ОК. Це основні перетворювачі, що використовують у дефектоскопії;

− скандувальні перетворювачі, в яких нерухомого перетворювача може в результаті електричного керування змінюватися точка введення або кут уведення променя або одночасно те й те. Застосовують передусім у медичній інтроскопії в режимі В- або С-розгортки. Натепер використовують у дефектоскопії і медичній діагностиці у вигляді ФГ і комутованих матриць з лінійним скануванням;

− фокусувальні перетворювачі, метою яких є досягнення високої просторової роздільної здатності. Це переважно одноелементні концентратори, акустичні лінзи або розподілені перетворювачі, що використовуються в поєднанні сканування з динамічним фокусуванням променя;

− вимірювальні приймальні перетворювачі інерційного типу, які приймають акустичні коливання за безпосереднього контакту з твердотілимими ОК. Залежно від положення смуги частот сигналу, що приймається, відносно власної частоти інерційного елемента вони можуть працювати в режимі віброметра (тобто вимірювати механічні зсуви ОК), у режимі велосиметра (тобто вимірювати швидкості зсуву в ОК) або в режимі акселерометра (тобто вимірювати прискорення переміщень ОК). Використовують в основному в режимі акселерометра. Найбільшого поширення набули ці перетворювачі у вібродіагностиці, а також для приймання сигналів акустичної емісії;

− повітряно-акустичні перетворювачі (ультразвукові мікрофони), як правило, вирізняються оборотністю, а середовищем випромінювання-приймання для них є повітря (газ). Для випромінювання в повітря використовуються згинні коливання тонкої пружної пластинки (мембрани) як дифузора, яка приводиться в рух приклеєною до неї мономорфною або біморфною п′єзоелектричною структурою з використанням зворотного п′єзоелектричного ефекту (під час випромінювання). У режимі приймання коливної мембрана у результаті прямого п′єзоефекту створює в шарі п′єзоелектрика електричний сигнал. Акустичний імпеданс такого перетворювача близький до імпедансу повітря, чим і досягається узгодження.

Існують методи безконтактного (через вакуум або повітря) збудження і приймання акустичних коливань. Найпоширеніші серед них електромагнітоакустичні перетворювачі, які ще й вирізняються оборотністю перетворення. Принцип роботи таких перетворювачів полягає в створенні сил Лоренца в ОК із заданою частотою і в заданому напрямі. Ці сили і є джерелом акустичних хвильових процесів. Електромагнітоакустичні перетворювачі здатні безконтактно збуджувати в твердотільному ОК поперечні хвилі з горизонтальною поляризацією.

Задачі

1. Розрахувати оптимальні розміри дискового п’єзоелемента з ЦТС-19 і його акустичну добротність, якщо випромінювання на робочій частоті МГц проводиться у воду, а імпеданс демпфера становить Пас/м. Для води Пас/м. Для ЦТС-19 Пас/м, с_ЦТС=3,3∙10³м/с. Як зміниться добротність п'єзоелемента в разі випромінювання в сталь? Прийняти z_ст= 46∙10⁶Па∙с/м .

Розв'язання: Резонансна товщина п’єзоелемента

.

Оскільки не задано вимог на характеристики випромінювання, то вибираємо поперечні розміри на підставі рекомендацій, тобто

. Вибираємо .

Таким чином, розміри п’єзоелемента складуть 2а × d =13,0 × 0,66 мм.

Акустична добротність перетворювача в разі випромінювання у воду

.

За випромінювання в сталь

Контрольні питання

1. Через які особливості ультразвукові магнітострикційні перетворювачі не набули широкого використання в ультразвуковому неруйнівному контролі?

2. Чому на високих частотах (понад 100 МГц) не використовуються п’єзокерамічні перетворювачі?

3. Навіщо потрібна лінеаризація електрострикції?

4. Які ви знаєте способи введення поперечних (зсувних) хвиль вертикальної і горизонтальної поляризації в об'єкт контролю?

5. Чим відрізняється коефіцієнт подвійного перетворення від коефіцієнта електромеханічного зв'язку?

6. З яких міркувань вибирають розміри п’єзоелемента?

7. Які вимоги ставляться до демпфера і протектора?

8. З якою метою виконують фокусування ультразвукового променя?

9. У процесі ультразвукового контролю задіяно прямий та зворотний п’єзоефекти. Коли це відбувається?

10. У чому суть лінеаризації електрострикції?

11. За яких умов спостерігається п'єзомагнітний ефект?

12. Як можна збільшити деформацію п’єзоелемента, не підвищуючи електричної напруги?

13. П'єзомодуль і п'єзоконстанта – це показники однакові чи різні?

14. Чому частота антирезонансу у п'єзоперетворювачі перевищує частоту резонансу?

15. Яке поняття вкладається в термін «добротність перетворювача»?

16. Чим відрізняється поляризований п’єзоелемент від неполяризованого? Для чого потрібна поляризація п’єзоелектрика?

17. Чим відрізняється імерсійний перетворювач від контактного?

18. Яка відмінність між електрострикцією та п’єзоелектричним ефектом?

19. Розкрийте поняття «акустичний контакт». Які є способи забезпечення акустичного контакту?

20. Чим відрізняються сумісні перетворювачі від роздільних?

21. Яким чином можна розширити частотну характеристику п'єзоперетворювача?

22. Відповідно якого принципу побудовано п’єзоелектричні повітряноакустичні перетворювачі?

23. Який принцип покладено в основу побудови акустичного перетворювача типу акселерометр?

24. Чому в якості призму для перетворювачів переважно з похилим введенням використовують органічні або подібні за характеристиками матеріали?

25. Які п'єзоматеріали застосовуються для роботи на частотах сотень мегагерців?

26. У чому особливості технології виготовлення п'єзоперетворювачів типу фазованих лінійних ґраток?

27. Яка відмінність між лінійними комутованими матрицями і ФГ?

28. Що відбудеться з п'єзоперетворювачем, якщо його нагріти до температури, що перевищує точку Кюрі?

29. Що означає надтональний або підтональний режим п'єзоперетворювача?

30. Які існують обмеження щодо значення напруги зондувального імпульсу, що подається на п’єзоелемент?

31. П'єзопластина на високих частотах дуже тонка і крихка. Яким чином підвищити її міцність?

32. Які переваги та недоліки електромагнітоакустичних порівняно з п'єзоелектричними?

372