5.4. Ультразвуковые преобразователи

Современные приборы комплектуют набором излучателей и приемников ультразвуковых волн - электроакустических преобразователей (ЭАП) или датчиков. Мы рассматриваем только пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), нашедшие наиболее широкое применение в ультразвуковом контроле [45].

Преобразователи для приборов ультразвукового контроля классифицируют по ряду признаков.

По способу акустического контакта твердотельной части преобразователя (протектора, примы) с контролируемым объемом различают:

• контактные преобразователи, которые прижимаются к поверхности изделия, предварительно смазанной жидкостью (маслом, глицерином и т.д.); в некоторых случаях слой жидкости заменяют эластичными материалом (эластичным протектором);

• иммерсионные преобразователи, между поверхностью которых и изделием имеется толстый слой жидкости; 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 (менисковые) преобразователи, между поверхностью которых 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;

• бесконтактные преобразователи, возбуждающие акустические колебания в изделии через слой воздуха.

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 преобразователя с электрической схемой прибора можно выделить:

• совмещенные преобразователи, которые создаются одновременно с генератором и усилителем прибора, как для изделия, так и прима ультра звука;

• раздельные преобразователи, состоящие из излучателя, соединенного с усилителем;

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

По направлению акустической оси преобразователи подразделяются на:

• прямые, излучающие волны нормально к поверхности изделия;

• наклонные.

Раздельно совмещенные преобразователи называют нормальными или наклонными, в зависимости от направления их общей акустической оси, соответствующей направлению максимальной чувствительности таких преобразователей.

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

• широко направленные (или веерные), излучающие пучок расходящихся лучей.

По ширине полосы рабочих частот выделяются узкополосные и широкополосные преобразователи; к первому типу условно относятся преобразователи с шириной полосы пропускания меньше одной октавы, а ко второму - с шириной полосы пропускания больше одной октавы. Широкополосности можно достигнуть, если сделать пьезоэлемент переменной толщины, включить в конструкцию несколько активных слоев, использовать толстый пьезоэлемент, излучающий только своей поверхностью.

Рассмотрим подробнее конструкции некоторых типов преобразователей.

Рис. 5.4.1. Совмещенный преобразователь

Рис. 5.4.2. Наклонный преобразователь

Наклонный преобразователь предназначен для излучения волн наклонно к поверхности объекта контроля. В нем пьезопластина приклеена к призме 4. Чаще всего он излучает поперечные волны. Для этого угол призмы делают между первым и вторым критическими углами, но иногда это продольные волны (если угол призмы меньше первого критического). Возбуждаемые одновременно поперечные волны в этом случае являются мешающими. Наклонными преобразователями с соответствующими углами призм возбуждают также поверхностные волны в пластинах и стержнях.

Рис. 5.4.3. Раздельно-совмещенный преобразователь

Основное преимущество раздельно-совмещенных преобразователей – низкий уровень помех, особенно помех самого преобразователя. Их применяют для контроля тонких изделий, когда необходима маленькая мертвая зона.

Основные конструктивные элементы преобразователей показаны на рис. 5.4.1, 5.4.2 и 5.4.3.

Пьезоэлемент или пьезопластина 1 – основной чувствительный элемент преобразователя.

Демпфер 2, к которому приклеивается не излучающая в ОК сторона пьезопластины. Он способствует гашению (демпфированию) колебаний для получения короткого импульса (при этом увеличивается широкополосность преобразователя). Он также повышает механическую прочность тонкой и хрупкой пьезопластины. Материал и форма демпфера подбирается таким, чтобы не возникали ложные сигналы от его поверхности, противоположной пьезопластине.

Протектор 3, предохраняющий пьезопластину от повреждений и износа. При соответствующем выборе материала и толщины он способствует передаче колебаний в среду (особенно при иммерсионном способе контакта) и стабилизации акустического контакта (при контактном способе).

Преломляющая призма 8 обеспечивает требуемый угол наклона. Ее конструируют так, чтобы не возникали сигналы помех в результате отражений волн от поверхностей. например, помеха может появиться в результате отражения излученной пьезоэлементом продольной волны от угла призмы.

Кроме перечисленных основных элементов конструкции в преобразователе имеются проводники (рис. 5.4.1, 5.4.2, 5.4.3), соединяющие электроды на плоскостях пьезопластины с корпусом преобразователя 6 и с внутренним проводником кабеля 7; электроакустический экран 9 (в раздельно-совмещенном преобразователе), разделяющий излучатель и приемник.