3.2. Классификация преобразователей и основные требования предъявляемые к ним

По способу акустического контакта твердотельной части преобразователя с контролируемым объектом различают:

• контактные преобразователи, которые прижимаются к поверхности изделия, предварительно смазанной жидкостью (маслом, глицерином и т. п.) либо эластичным материалом;

• иммерсионные преобразователи, между поверхностью которых и изделием имеется толстый слой жидкости (толщина этого слоя во много раз превышает длину волны); при этом изделие целиком или частично погружают в иммерсионную ванну, используют струю воды и т.д.;

• контактно-иммерсионные преобразователи, которые имеют локальную иммерсионную ванну с эластичной мембраной, контактирующей с изделием непосредственно или через тонкий слой жидкости;

• щелевые преобразователи, между поверхностью и изделием создается зазор порядка длины волны ультразвука; жидкость в зазоре удерживается силами поверхностного натяжения;

• преобразователи с сухим точечным контактом, имеющие шарообразную поверхность, плотно соприкасающуюся с изделием; площадь соприкосновения 0.01 - 0.5 мм²;

• бесконтактные преобразователи, возбуждающие акустические колебания в изделии через слой воздуха с помощью электромагнитно-акустических и оптико-тепловых эффектов;

Использование контактных преобразователей с эластичным протектором, а также щелевых, контактно-иммерсионных и бесконтактных преобразователей позволяет снизить требования к чистоте поверхности контролируемого изделия.

По способу соединения преобразователей с электрической схемой прибора можно выделить:

• совмещенные преобразователи, которые соединяются одновременно с генератором и усилителем прибора и служат как для излучения, так и приема ультразвука;

• раздельные преобразователи, состоящие из излучателя, соединенного с генератором прибора, и приемника, соединенного с усилителем;

• раздельно-совмещенные преобразователи, состоящие из излучающего и приемного элементов, конструктивно связанных между собой, но разделенных электрическим и акустическим экранами.

По направлению акустической оси преобразователя подразделяют на: прямые и наклонные.

По форме акустического поля различают:

• плоские преобразователи с пьезопластиной плоской формы, у которых форма акустического поля зависит от формы электродов, поляризации пьезопластины и т. п.;

• фокусирующие преобразователи, обеспечивающие сужение акустического поля в некоторой области контролируемого объекта;

• широконаправленные, излучающие пучок расходящихся лучей;

• фазированные решетки, представляющие плоский преобразователь, состоящий из ряда отдельно управляемых элементов; подавая различные по фазе и амплитуде сигналы, можно изменять направление излучения, добиваться фокусировки или расфокусировки, устранять боковые лепестки.

По ширине полосы рабочих частот выделяют узкополосные и широкополосные преобразователи; к первому типу условно относят преобразователи с шириной полосы пропускания меньше одной октавы, а ко второму - с шириной полосы пропускания больше одной октавы (отношение максимальной частоты к минимальной больше двух); широкополосности можно достигнуть, если сделать пьезоэлемент переменной толщины, включить в конструкцию несколько активных (т. е. из пьезоэлектрических материалов) и пассивных (непьезоэлектрических) слоев, использовать толстый пьезоэлемент, излучающий только своей поверхностью (остальная часть пластины служит просто волноводом); в зависимости от способа достижения широкополосности различают преобразователи переменной толщины, многослойные преобразователи и толстые, или апериодические, преобразователи.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЭХО-МЕТОДОМ

Современные дефектоскопы комплектуют набором излучателей и приемников ультразвуковых волн. Они отличаются по ряду признаков:

• по способу контакта с изделием различают - контактные, щелевые, иммерсионные преобразователи;

• по направлению УЗ колебаний к поверхности изделия - прямые и наклонные;

• по способу соединения с дефектоскопом - раздельные (один элемент выполняет роль излучателя, другой - приемника), совмещенные (один и тот же элемент выполняет функции излучателя и приемника).

Наиболее широкое применение в ультразвуковой дефектоскопии получили контактные преобразователи. Конструкции основных типов преобразователей приведены на рисунке 4. Пьезопластина 1 в контактном прямом совмещенном пьезопреобразователе (рисунок 4, а) приклеена или прижата с одной стороны к демпферу 2, с другой - к протектору 3.

а) б) в)

Рисунок 4. Конструкция пьезопреобразователей:

а — прямого; б — наклонного; в — раздельно-совмещенного.

Пьезопластину, демпфер и протектор, склеенные между собой, называют вибратором. Вибратор размещен в корпусе 6. С помощью выводов 7 Пьезопластину соединяют с электронным блоком дефектоскопа. Контактная жидкость (смазочный материал) 4 обеспечивает передачу упругих колебаний ультразвуковой частоты преобразователя к контролируемому изделию 5 и наоборот.

Прямые преобразователи предназначены для возбуждения продольных волн. В контактных наклонных совмещенных преобразователях (рисунок 4,б) для ввода ультразвуковых колебаний под углом к поверхности контролируемого изделия применяют призму 8. Эти преобразователи предназначены для возбуждения в основном сдвиговых (поперечных) и поверхностных волн, а также продольных волн, наклонных к поверхности контролируемого объекта.

Вибратор контактных раздельно-совмещенных преобразователей (рисунок 26,в) состоит из двух призм 8 с приклеенными к ним пьезопластинами 1, которые разделены электроакустическим экраном 9. Он служит для предотвращения прямой передачи сигналов от излучающей пьезопластины, подключенной к генератору, к приемной пьезопластине, подключенной к усилителю электронного блока дефектоскопа.

Пьезопластина обычно имеет толщину, равную половине длины волны ультразвука в пьезоматериале на рабочей частоте. Противоположные поверхности пьезопластины покрыты металлическими (обычно серебряными) электродами для приложения электрического поля.

Демпфер служит для ослабления свободных колебаний пьезопластины, управления добротностью преобразователя и защиты пьезопластины от механических повреждений. Материал и форма демпфера должны обеспечивать достаточное затухание и отвод колебаний, излученных пьезопластиной в материал демпфера без возвращения их к пластине. Демпферы обычно изготавливают из искусственных смол (эпоксидных) с добавками порошковых наполнителей с высокой насыпной плотностью. Для уменьшения многократных отражений демпфер выполняют в виде конуса, либо тыльную поверхность демпфера выполняют непараллельной пьезопластине, либо в материал демпфера вводят рассеиватели.

Протектор служит для защиты пьезопластины от механических повреждений и воздействия иммерсионной или контактной жидкости, согласования материала пьезопластины с материалом контролируемого изделия или средой, улучшения акустического контакта при контроле контактным способом. Материал протектора должен обладать высокой износостойкостью и высокой скоростью звука, которая определяет необходимую его толщину. Для изготовления протекторов применяют кварц, сапфир, сталь, твердые сплавы, керамику, а также материалы на основе эпоксидных смол.

Призму изготовляют обычно из материала с небольшой скоростью звука (оргстекло, капролон, поликарбонат), что позволяет при небольших углах падения  получать углы преломления  до 90.

Корпус служит для обеспечения прочности конструкции, а также для экранирования от электромагнитных помех.

АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Акустическое поле излучения преобразователя определяется давлением, которое действует на элементарный приемник, расположенный в произвольной точке пространства.

Акустическое поле излучения - приема определяется сигналом приемного преобразователя, возникающим при отражении сигнала возбуждающего преобразователя от элементарного рассеивателя, расположенного произвольной точке пространства.

Такое поле имеет две зоны:

1. ближняя зона (зона Френеля) толщиной ,в пределах которой отсутствует расхождение лучей и пучок лучей в сечении повторяет сечение пластины.

2. Дальняя зона (зона Фраунгофера)- это зона при , в пределах которой наблюдается расхождение лучей. Она характеризуется тем, что интенсивность акустической волны при удалении от преобразователя уменьшается обратно пропорционально расстоянию r.