3 Преобразователи

3.1. Излучатели и приемники акустичсеких колебаний

Как мы уже говорили, ввод акустических колебаний в изделие и регистрация выходящих из изделия акустических колебаний осуществляется с помощью преобразователей электрической энергии в акустический сигнал (излучатели) и преобразователей акустической энергии в электрический сигнал (приемники).

В качестве излучателей и приемников используют чаще всего преобразователи, действие которых основано на пьезоэлектрическом и магнитострикционном эффекте.

Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при сжатии или растяжении пластинки из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, на ее гранях появятся электрические заряды, пропорциональные действующей силе и скорости механической деформации пластинки. Этот эффект обратим. Т.е. если мы к пьезопластинке приложим переменное электрическое поле, то ее геометрические форма и размеры будут меняться. Этим изменения пропорциональны амплитуде и скорости изменения электрического поля.

Магнитострикционный эффект заключается в изменении геометрических размеров материалов под действием изменяющегося магнитного поля. Он также обратим. Т.е. при измерении геометрических размеров магнитостриктора, вокруг него возникает изменяющееся магнитное поле, величина которого зависит от силы и скорости изменения геометрических размеров.

В упругой среде, соприкасающейся с пластиной из пьезоэлектрика или магнитостриктора, находящихся соответственно в электрическом или магнитном полях, возникают упругие колебания с частотой, определяемой частотой приложенного магнитного поля.

Максимум энергии, излучаемой в среду, будет наблюдаться при совпадении частоты возмущающего электрического или магнитного поля с частотой механического резонанса пластины.

В настоящее время известно большое число пьезоэлектрических и магнитострикционных материалов. И те, и другие широко применяются для изготовления излучателей и приемников. Правда, в качестве приемников чаще всего используются пьезоэлектрические материалы.

Кристаллы сегнетовой соли – значительно дешевле кварца. Их получают выращиванием из насыщенных растворов, получаемых путем смешения соответствующих компонентов. Легко обрабатываются. По эффективности в режиме приема и излучения намного превосходят кварц. Главный недостаток – малая механическая прочность и узкая область рабочих температур (+5…+35^оС). Кроме того кристаллы сегнетовой соли сильно гигроскопичны и растворяются в воде. Поэтому сегнетовую соль редко применяют в качестве излучателей, а чаще всего используют для изготовления приемников.

Для повышения механической прочности изготавливают преобразователи в виде пакета склеенных пластин. Такие преобразователи имеют достаточно высокую прочность и низкие резонансные частоты (из-за большой массы) (15-50кГц), что позволяет использовать их для контроля бетонов, в сейсмических исследованиях и др.

Кристаллы фосфата аммония – также механически непрочны и по своим пьезоэлектрическим свойствам близки к кристаллам сегнетовой соли. Но в отличие от них они не гигроскопичны и могут работать при температурах до +100^оС. Главный недостаток – низкая стабильность пьезоэлектрических свойств. Как и для сегнетовой соли изготавливают преобразователи в виде пакетов склеенных пластин. Наиболее целесообразно использование в качестве приемников.

Титанат бария (тибар) – это пьезокерамика, обладающая высокими пьезоэлектрическими свойствами, легко получаемая и дешевая. Изготавливают из тонкодисперсного порошка BaTiO₃ путем прессования с небольшой добавкой цементирующего материала с последующим обжигом. Таким путем получают пьезодатчики любой формы: диски, призмы, полусферы, полые циллиндры и т.п. После формовки керамические элементы шлифуют и на рабочую поверхность наносятся путем вжигания металлические (серебряные) электроды. После этого их подвергают поляризации по следующей методике: помещают в трансформаторное масло, нагревают до температуры +150^оС, подают на нее высокое напряжение (из расчета 1,2кВ/мм), выдерживают в таких условиях 30 – 60 мин, а затем медленно охлаждают. Величина пьезомодуля такого датчика быстро уменьшается в течение 10 –12 суток на 20 –40%, а затем стабилизируется.

Такие пьезопреобразователи по пьезоэлектрическим свойствам намного превышают кварц и немного уступают сегнетовой соли, но обладают низкой температурной стабильностью и большими диэлектрическими потерями. Поэтому в последнее время они чаще применяются в УЗ технологических установках. Для стабилизации характеристик применяют тибары с добавками 5%CaTiO₂ (приемники) или 5%CaTiO₃+0,75%CaCO₃ (излучатели). Однако технология изготовления таких материалов сложна и они очень хрупки.

Более стабильными являются керамические преобразователи из ниобата свинца бария [60%PbNbO₆+40%BaNbO₆] и цирконата-титаната свинца (ЦТС) [Pb_0,95Sr_0,05(Ti_0,47Zr_0,53)O₃+1%Ta₂O₅ и 1%Nb₂O₅]. Особенно большое распространение получила керамика ЦТС, являющаяся универсальной по своим свойствам, стабильной по характеристикам, дешевой. Из нее изготавливают преобразователи самых различных форм.

Магнитострикционные материалы

Магнитострикционный эффект, в отличие от пьезоэлектрического – односторонний, т.е. независимо от знака изменения магнитного поля, изменение размеров сердечника происходит в одну сторону.

Поэтому, если магнитное поле изменяется с частотой f, то размеры будут изменяться с частотой 2f. Поэтому магнитострикторы обычно поляризуют, т.е. подают постоянное подмагничивание В_о. В этом случае изменения размеров будут происходить с частотой f и иметь значительно большую амплитуду.

Магнитострикционными свойствами обладают некоторые металлы и ферриты.

Преобразователи из металлов изготавливают в виде набора пластин толщиной 0,1 –0,2мм. Толщина берется небольшой – для уменьшения влияния вихревых токов. Из ленты такой толщины нарубают пластины чаще всего в виде прямоугольника. Эти пластины обезжиривают, промывают горячей водой и сушат. После этого пластины зажимают и укладывают в герметически закрытые железные ящики, из которых откачивают воздух. Ящики помещают в печь с температурой 600^оС. Затем температуру увеличивают до 850^оС и выдерживают пластины в течение 5ч. Затем печь охлаждают со скоростью 50^оС в час до 400^оС, после чего ящики вынимают и охлаждают на воздухе до полного остывания. После такого отжига пластинки поштучно раскладывают на поддонах, которые загружают в печь с температурой 300 –350^оС. Потом температуру в печи поднимают до 450^оС и выдерживают в течение 2ч. За это время пластина покрывается окисной пленкой. Затем печь охлаждают со скоростью 100^оС в час до температуры 250^оС, после чего пластины охлаждают на воздухе до полного остывания.

Потом пластинки собирают в пакет и по краям стягивают бандажом из очищенной медной проволоки толщиной 1.5 – 2мм. Затем на пакет наматывают две обмотки встречно по 16 витков проводом диаметром 2,5мм. Такой преобразователь с размерами 63115мм. имеет собственную резонансную частоту 12 – 22кГц и может отдавать мощность до 25кВт при токе возбуждения до 25А.

Такие излучатели используют для исследования материалов с сильным акустическим затуханием (грунты, горные породы, стройматериалы и т.д.). Для сравнения рабочей частоты размеры преобразователей уменьшают. Однако для металлических магнитострикторов f_max80кГц из-за резкого возрастания потерь на вихревые токи. Более высокие рабочие частоты получаются на ферритовых магнитострикторах, т.к. в них потери на вихревые токи малы (электропроводность в 10¹⁰раз меньше, чем у металлов). Для излучателей и приемников сердечники изготавливают в виде монолитных блоков. Для приемников рабочая обмотка имеет, как правило, большее число витков. В последнее время для возбуждения и приема акустических волн стали использовать электромагнитно-акустические преобразователи действие которых основано на эффектах электромагнитного поля. Работают в основном следующие три эффекта:

Эффект намагниченности – ферромагнитное изделие имеет внутреннее магнитное поле. При взаимодействии его с меняющимся внешним магнитным полем происходит смещение частичек среды.

Эффект магнитострикции – это изменение размеров материала при изменениях результирующего магнитного поля.

Эффект вихревых токов – переменное внешнее магнитное поле создает в изделии вихревые токи, которые создают свои переменные магнитные поля.

Магнитное поле вихревых токов, взаимодействуя с переменным внешним магнитным полем, приводит к смещению частичек среды.

В диапазоне частот до 10МГц основной вклад дают эффекты вихревых токов и намагниченности.

С помощью электромагнитно-акустических преобразователей можно возбуждать как продольные, так и поперечные волны. Для примера рассмотрим рисунок:

Рис. 1 Конструкция ЭМА - преобразователя

При таком расстоянии рабочей обмотки, изменение индукции В_n в зоне действия вихревых токов, расположено нормально к поверхности. Сила F взаимодействия такого поля с полем вихревых токов будет перпендикулярна В_n и В_вихр., т.е. будет направлена по касательной к поверхности. Следовательно, частички среды будут также смещаться вдоль поверхности, т.е. возбуждаются поперечные волны. Для возбуждения продольных волн используют другой тип преобразователя. Здесь изменение индукции В_т направлено по касательной к поверхности, следовательно, возбуждаются отходящие от границы продольные волны.

Термоакустический эффект. Известно, что если нагреть по­верхностный участок какого-либо тела, то другие участки этого тела приобретут повышенную температуру не сразу, а лишь спустя некото­рое время. Неравномерное распределение температуры приводит к неравномерному тепловому расширению тела, к появлению термоме­ханических напряжений. Поскольку эти напряжения изменяются во вре­мени, то в результате возникают акустические волны, излучаемые слоем с изменяющейся температурой. В этом и заключается суть термоакустического эффекта.

Нагрев может осуществляться бесконтактно (индукционный на­грев) и даже дистанционно (нагрев лучом лазера), что дает возмож­ность для бесконтактного возбуждения акустических колебаний в объекте контроля.