Выбор параметров преобразователей Основные требования к преобразователям

При проектировании УЗ дефектоскопов решаются следующие основные задачи:

1. Достижение максимальной чувствительности, т.е. максимального значения модуля коэффициента двойного преобразования к на некоторой оптимальной рабочей частоте.

2. Получение максимальной ширины полосы пропускания частот, т.е. расширение АЧХ коэффициента преобразования к. Широкополосность преобразователя обеспечивает возможность формирования акустического импульса заданной формы при излучении и возможность неискаженного восстановления акустического импульса при приеме.

3. Достижение максимальной стабильности акустического контакта преобразователя с объектом контроля. Это условие обеспечивает постоянство величины к при перемещении преобразователя по поверхности контролируемого изделия. При постоянном акустическом контакте в результате измерения будет вноситься дополнительная погрешность. Численно стабильность контакта оценивается статическим и динамическим коэффициентами.

4. Снижение шумов преобразователя. Шум определяется реверберационно-шумовой характеристикой, т.е. зависимостью амплитуды шумов от времени после окончания зондирующего импульса. Главный источник шумов – многократное отражение УЗК от протектора, демпфера и других конструкционных элементов.

5. Согласование полного электрического сопротивления преобразователя с генератором и усилителем. Полное электрическое сопротивление зависит от электрической и акустической нагрузок и является величиной комплексной.

6. Формирование акустического поля с заданными параметрами.

7. Повышение износостойкости преобразователя.

Рассмотрим применяемые в настоящее время технические решения для выполнения перечисленных требований.

3.2. Классификация преобразователей и основные требования предъявляемые к ним

Преобразователи для приборов неразрушающего контроля классифицируют по ряду признаков.

По способу акустического контакта твердотельной части преобразователя (протектора, призмы) с контролируемым объектом различают:

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

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 (менисковые) преобразователи, между поверхностью которых 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 (воздушно-акустическая связь) с помощью электромагнитно-акустических и оптико-тепловых эффектов; чувствительность этих преобразователей в десятки тысяч раз ниже чувствительности других преобразователей, поэтому они не нашли широкого практического применения.

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, 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. Преобразователи с переменным углом наклона позволяют изменять угол ввода лучей.

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 (или веерные), излучающие пучок расходящихся лучей;

фазированные решетки (мозаичные преобразователи), представляющие собой плоский преобразователь, состоящий из ряда отдельно управляемых элементов; подавая различные по фазе и амплитуде сигналы на эти элементы, можно изменять направление излучения (т. е. угол ввода), 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.