14.2. Излучатели и приемники ультразвука

Ультразвуковая дефектоскопия основана на свойствах ультразву­ка проникать в толщу среды и отражаться от поверхностей или гра­ниц среды. Для возбуждения и регистрации ультразвуковых колеба­ний применяют электроакустические преобразователи-пластины из металла, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Если пье­зоэлектрическую пластину подвергнуть сжатию или растяжению, то на ее поверхности появятся электрические заряды. Знак заряда оп­ределяется характером деформации (сжатие или растяжение), а ве­личина — приложенной силой.

Преобразование механических деформаций в электрическое на­пряжение называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Если же пластину поместить в переменное электрическое поле, то она бу­дет колебаться с частотой изменения поля. Такой пьезоэффект на­зывается обратным. Эти явления позволяют преобразовывать элек­трические сигналы в ультразвуковые колебания и обратно. Наиболь­ший эффект преобразования удается получить в том случае, когда собственная резонансная частота пластины соответствует частоте прикладываемого электрического напряжения или частоте воздей­ствующих ультразвуковых колебаний.

Собственная частота пластины f₀ зависит от толщины пластины d и вычисляется по формуле:

где k – коэффициент колебаний, зависящий от материала пьезоэлектрической пластины

Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей исполь­зуют природные или искусственные вещества, обладающие пьезоэ­лектрическими свойствами. К ним относятся кристаллические веще­ства: кварц, турмалин, сегнетова соль, сульфат лития и вещества на основе керамики: титанат бария (ТБК-3), цирконат титанат свинца (ЦТС-19, ЦТСНВ-1, ЦТС-23).

Пластины изготавливают искусственным путем, смешивая ком­поненты, и запекают в специальных формах, а затем поляризуют, выдерживая под воздействием постоянного напряжения из расчета 1000 В на 1 мм толщины пластины в течение четырех часов. Важно знать одну особенность пьезопластин, изготовленных из пьезокера­мики, связанную с возможностью их работы при повышенных тем­пературах — эффективность преобразования пьезопластин, изготов­ленных из керамики, понижается при повышении температуры, осо­бенно пластин из титаната бария. Наиболее устойчивыми против тепла являются пластины из цирконата титаната свинца. Пластины из ЦТС теряют пьезоэлектрические свойства при температуре 290 °С, а из ТБК — при температуре 120 °С. Восстановить их можно по­вторной поляризацией. Форма пластин может быть круглой, квад­ратной, усеченной, прямоугольной и др.

Размеры пластин влияют на их частотные и электрические пара­метры. Чем больше толщина пластины, тем меньше ее собственная частота. Пластины из ЦТС-19 имеют резонанс на частоте 2,5 мГц при толщине примерно 0,72 мм, а из ТБК — при толщине 1 мм. В современных дефектоскопах, применяемых на транспорте, исполь­зуются пластины круглой формы с размером а - 6 мм (D = 12 мм).

Если между пьезоэлектрической пластиной, подключенной к ге­нератору переменного тока, и материалом создать акустический кон­такт, то в материале будет возбуждена продольная ультразвуковая волна с частотой колебания частиц сре­ды, равной частоте приложенного элект­рического напряжения (рис. 145).

Вблизи излучателя в зоне поля, называемой ближ­ней зоной (зона Френеля), волна будет распространяться без расхождения. Про­тяженность ближней зоны, повторяющей форму пластины, определяется по фор­муле: L_δ = α²/λ = α² f/с – для пьезопластины круглого сечения.

72

Рис. 145. Поле ультразвуковой волны кругового излучателя

За пределами ближней зоны начина­ется дальняя зона, основной характерис­тикой которой является равномерное убы­вание акустического давления при удале­нии от излучателя. Поле приобретает форму усеченного конуса с половинным углом раскрытия φ, равным φ = arcsin 0,61λ/a, где a – радиус пьезоэлемента.

Таким образом, ультразвуковые колебания распространяются в виде незначительно расходящегося пучка, называемого ультразвуковым лучом. Графически ультразвуковой луч принято условно обозначать пря­мой линией со стрелкой, совпадающей с акустической осью. При дефектоскопии в некоторых случаях возникает необходимость вво­дить ультразвук под углом к поверхности контролируемого изде­лия. Для этого между пьезоэлектрической пластиной и контроли­руемым изделием располагают призму с углом β, обычно изготов­ленную из оргстекла или капрона.