13. Структура пьезопреобразователей и назначение отдельных элементов. Классификация преобразователей.

Пьезоэлектрические преобразователи представляют собой устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии в акустическую и наоборот. Принцип их действия основан на использовании пьезоэффекта.

Рассмотрим схему контактного пьезопреобразователя (рисунок 2.1). Чувствительным элементом является пьезопластина 1, поляризованная по толщине. Ее плоскости покрыты серебряными электродами 3. Одна плоскость пьезопластины приклеивается к демпферу 2. Между пластиной и средой 6, в которую излучается ультразвук, располагается несколько тонких слоев: электрод, протектор 4, защищающий пластину от повреждений, и прослойка смазки 5.

Рисунок 2.1 – Структурная схема пьезопреобразователя.

Пьезопластина обычно имеет толщину, равную половине длины волны ультразвука на рабочей частоте. Демпфер служит для ослабления свободных колебаний пьезопластины и для управления добротностью преобразователя. Его форма и размеры должны обеспечивать полное затухание колебаний. Наилучшее гашение колебаний наблюдается при согласовании характеристических импедансов материалов пластины и демпфера. Протектор защищает пластину от износа и воздействия иммерсионной жидкости и улучшает согласование материалов пластины и контролируемого изделия или среды. Для изготовления протекторов применяют твердые сплавы, сталь, сапфир, минералокерамику, материалы на основе эпоксидных смол с наполнителями. Их толщина составляет (0,1...0,5)10^-3 м. Иногда протектор делают многослойным с целью оптимизации тех или иных свойств преобразователя.

Таким образом, видно, что пьезопластина работает в условиях довольно сложной акустической нагрузки.

При воздействии переменного давления или электрического напряжения возможно совпадение их частоты с собственной частотой колебаний пластины. В этом случае амплитуда переменной деформации пьезоэлемента A_r возрастает по сравнению с амплитудой A_s при возбуждении на частоте, далекой от резонансной. Возрастание амплитуды колебаний равно

(2.1)

где Q - механическая добротность преобразователя, характеризующая эффективность его работы как колебательной системы.

Добротность преобразователя, граничащего с окружающей средой, зависит от соотношения удельных волновых сопротивлений материала преобразователя _пс_п и окружающих его сред.

Если преобразователь окружен средой с сопротивлением ₁с₁, то его добротность без учета внутренних потерь можно выразить

(2.2)

Если с одной стороны преобразователя расположена cреда с удельным волновым сопротивлением ₁с₁, а с другой ₂с₂, то добротность выразится формулой

(2.3)

В частном случае, когда удельное сопротивление одной из сред равно нулю (практически граница с воздухом), формула (3.7) приобретает вид

(2.4)

Видно, что добротность преобразователя, излучающего в одну сторону, вдвое выше, чем при двустороннем излучении.

Для целей неразрушающего контроля важно знать акустическую мощность колебаний, вводимых в контролируемый объект.

На практике можно с приемлемой точностью считать, что, например, при излучении в воду или при жестком соединении преобразователя с поверхностью твердого тела достаточно больших размеров, излучается плоская волна, и следовательно cреда является активной нагрузкой.

Акустическая мощность излучателя, работающего в непрерывном режиме, может быть в этом случае определена из выражения

(2.5)

где ₀ - плотность среды; c₀ - скорость звука в среде; Q_п - механическая добротность преобразователя; S_п - площадь излучающей поверхности преобразователя; U - амплитуда возбуждающего напряжения.

Как видно из формулы, эффективность работы пьезопреобразователя в значительной степени определяется его механической добротностью. Для наиболее эффективной работы преобразователя необходимо обеспечить высокий электрический к.п.д. (т.е. передачу значительной доли электрической энергии от генератора преобразователю) и высокий акустический к.п.д. (т.е. передачу значительной доли энергии упругих колебаний преобразователя в среду).

Для возбуждения и приема ультразвуковых колебаний используют ультразвуковые преобразователи (ПЭП). Различают следующие основные виды преобразователей: прямые, излучающие в контролируемое изделие продольные волны нормально к поверхности, и наклонные, с помощью которых в изделии возбуждаются поперечные, поверхностные, нормальные и продольные волны. По конструкции преобразователи подразделяют на совмещенные, у которых один пьезоэлемент служит излучателем и приемником, и раздельно-совмещенные (РС), имеющие два пьезоэлемента (излучатель и приемник) в одном общем корпусе (рисунок 1.2).

С позиций направленности поля излучения ПЭП классифицируются на плоские (поршневые), у которых пьезопластина плоская; фокусирующие, обеспечивающие сужение поля в заданной локальной зоне вдоль оси; широконаправленные веерные, формирующие диаграмму направленности, близкую к П-образной с резким переходом на границе свет-тень.

С позиций ширины полосы рабочих частот выделяют узкополосные ПЭП, у которых ширина полосы меньше одной октавы, и широкополосные, у которых ширина полосы пропускания больше одной октавы (отношение максимальной и минимальной частот на уровне 0,5 больше двух).

Ч

исло пьезоэлементов в ПЭП также является классификационным признаком (одно-, двух- и многоэлементные). Обычно многоэлементные ПЭП называются акустическими системами, или матрицами. К последним также относятся ПЭП в виде фазоуправляемых или, как их чаще называют, фазированных решеток, формирующих заданную направленность акустического поля (например, изменение угла ввода) за счет последовательного возбуждения пьезоэлементов по выбранному временному закону.

По способу расположения электрода относительно пьезоэлемента различают ПЭП с контактным электродом и бесконтактным (разнесенным). В последнем случае возбуждение пьезоэлемента осуществляется через зазор, заполненный диэлектриком.

По динамике сканирования выделяют ПЭП и акустические системы с фиксированным и переменным углом ввода (качающийся луч), регулируемым автоматически или вручную.

Ультразвуковые волны мегагерцового частотного диапазона не проходят через воздух. Поэтому между рабочей поверхностью ПЭП и объектом контроля создается жидкая прослойка — акустический контакт. В основной массе применяются контактные ПЭП, у которых толщина контактного слоя меньше длины волны. У ПЭП с щелевым контактом толщина слоя воды составляет 0,5-1 мм; ПЭП иммерсионные работают в иммерсионной ванне, где слой воды значительно больше ближней зоны и составляет десятки миллиметров.

Призма в наклонном ПЭП создает наклонное падение продольных волн на границу раздела с изделием. На этой границе происходит трансформация волн, в результате чего в изделие вводится требуемый тип волны, определяемый углом падения и соотношением скоростей звука в призме и изделии по закону Снеллиуса.

В раздельно-совмещенных прямых ПЭП призмы выбираются с углом 5-10° и служат акустическими задержками, что позволяет минимизировать мертвую зону.

Разработаны и применяются РС-ПЭП без задержек (призм), а также с кварцевыми задержками. Последние используются при контроле изделий с температурой до 600 °С.

РС-ПЭП широко применяется при контроле сварных тавровых соединений и стыковых соединений со снятым усилением шва. Кроме того, их используют для обнаружения расслоений в листах и дефектов пайки.

Максимальная амплитуда достигается, когда дефект находится примерно в точке пересечения акустических осей. Зона максимальной чувствительности соответствует зоне пересечения основных лепестков диаграмм направленности пьезоэлементов.

Для объективного контроля качества необходимо, чтобы средствами неразрушающего контроля обеспечивались единство и воспроизводимость его результатов. Поэтому основные характеристики преобразователя нормируются.

Коэффициент преобразования определяется соотношением между взаимосвязанными акустическими и электрическими величинами.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяет изменение величины коэффициента преобразования от частоты.

Реверберационно-шумовая характеристика (РШХ) — зависимость амплитуды реверберационных шумов преобразователя от времени — характеризует возможность выявления дефектов, расположенных вблизи поверхности («мертвая зона»), и измеряется длительностью от начала развертки при заданном коэффициенте усиления дефектоскопа. РШХ зависит, прежде всего, от коэффициента затухания волн в демпфере и призме.

С целью уменьшения РШХ применяют раздельно-совмещенные прямые и наклонные преобразователи.

Выбор ПЭП определяется конструкцией объекта, наиболее вероятным местоположением и ориентацией дефекта, наличием ложных сигналов и т.п. Поэтому промышленностью выпускаются различные типы ПЭП.