1.2 Ультразвуковые преобразователи

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.

Рисунок 1.2 – Основные типы преобразователей

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.