1.4. Конструкция пьезоэлектрических преобразователей

Для излучения и приема ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), рис. 1.6.

а5 б в

4

3 l 9

2 n 7

1

6 7

8

Рис. 1.6. Конструкция прямого (а), наклонного (б), и раздельно-совмещенного (в) ПЭП: 1 – пьзоэлемент, 2 – демпфер и заливная масса, 3 – подводящие провода, 4 – разъем, 5 – корпус, 6 – протектор, 7 – призма, 8 – контролируемый объект, 9 – электроакустический экран, n – стрела преобразователя (для наклонных), l – путь УЗ луча в призме

Пьезоэлемент (1) служит для преобразования электрических колебаний в акустические при возбуждении ультразвука и (или) обратно при его приеме. У прямого ПЭП (и в некоторых конструкциях раздельно-совмещенных (РС)) ПЭП он отделен от контролируемого изделия (8) протектором (6), который служит для защиты пьзоэлемента от истирания и механических повреждений. В наклонных и некоторых конструкциях РС ПЭП роль протектора выполняет призма (7), которая одновременно задает угол падения, то есть определяет угол ввода ультразвука в изделие. Пьезоэлемент соединен с разъемом (4) подводящими проводами (3). Демпфер (2) служит для создания коротких импульсов. Кроме того, вместе с заливной массой он придает преобразователю дополнительную механическую прочность. Все элементы ПЭП обычно помещаются в корпус (5).

Путь УЗ луча в призме это расстояние от центра пьезоэлемента до точки выхода луча.

Прямые ПЭП служат для ввода в изделие продольных волн, а наклонные как продольных (при углах призмы до первого критического), но чаще поперечных или поверхностных волн. В комбинированных ПЭП имеется более двух пьезоэлементов с различными углами ввода УЗ.

Маркируется пьезопреобразователь буквой П и набором цифр, например П 121-2,5-50. При этом первая цифра показывает способ ввода ультразвука в изделие и может быть: 1– контактный, 2 – иммерсионный, 3 – контактно-иммерсионный, 4 – бесконтактный. Вторая цифра относится к конструкции ПЭП и может быть: 1 – прямой, 2 – наклонный, 3 – комбинированный. Третья цифра показывает способ подключения ПЭП к дефектоскопу и может быть: 1 – совмещенная схема, 2 – раздельно-совмещенная, 3 – раздельная. Далее следует значение рабочей частоты в мегагерцах, угол ввода (для прямых может не указываться) и дополнительная информация изготовителя об особенностях конструкции, применяемых материалах, номере модели. На любом ПЭП обязательно указывается заводской номер.

1.5. Нормальное падение уз на границу раздела двух сред. Коэффициенты отражения и прозрачности

При нормальном падении ультразвуковой волны на границу раздела двух сред часть энергии волны отражается от поверхности раздела, а другая часть проходит сквозь нее (рис. 1.7). Распределение энергии отраженной и прошедшей волн зависят от механических характеристик граничащих материалов: скоростей волны и плотностей сред. В формулы обычно входит их произведение  = С, которое называют удельным акустическим

Величина коэффициентов R и D не зависит от направления сопротивлением этих материалов.

Сталь Сталь Медь

Воздух Вода Сталь

Рис.1.7. Нормальное падение продольной ультразвуковой волны на границу раздела сред с различными характеристиками

Интенсивность отраженной волны _отр определяется коэффициентом отражения R:

R=_отр /_пад, или _отр =R _пад , (1.7)

где _пад – интенсивность падающей волны.

Коэффициент отражения зависит от характеристик сред:

R=(₁С₁–₂С₂ / ₁С₁+₂С₂)² . (1.8)

Аналогично, интенсивность прошедшей волны _прош тоже является долей интенсивности падающей волны и величину этой доли можно определить с помощью коэффициента D – коэффициента прозрачности (прохождения).

D =_прош /_пад или _прош = D _пад . (1.9)

При этом R+ D=1 или R+ D=100% .

(туда или обратно) распространения ультразвука.

Как видно из (1.8), чем больше разница между акустическими сопротивлениями сред, тем больше коэффициент отражения R и меньше, соответственно, коэффициент прозрачности D.

Например, граница сталь-воздух имеет большую разницу удельных акустических сопротивлений (_СТАЛИ = 45, _ВОЗД = 0,00075) и, как следствие, коэффициент отражения R практически равен 1 (отражается 100% энергии волны), а коэффициент прозрачности соответственно будет равен нулю: D  0. Поэтому при падении ультразвуковой волны из стали или другого материала на границу с воздухом волна не сможет пройти сквозь нее, а будет полностью отражаться. Для прохождения ультразвуковых колебаний из пьезопреобразователя в контролируемое изделие и обратно необходимо между ними обязательно вводить жидкостную прослойку, которая вытесняет воздух и т. о. исчезает граница воздух-материал.

С другой стороны, свойство ультразвуковых волн отражаться от границ сред с различными акустическими характеристиками используется для обнаружения дефектов типа нарушение сплошности: поры, трещины, заполненные газом (R = 1) или шлаковые и другие включения (0  R  1). Таким образом, пора, заполненная воздухом, будет давать больший эхо-сигнал, чем пора, заполненная шлаком.

Коэффициент прозрачности для границы раздела сталь–вода D  0,12 (Z_ВОДЫ = 1,5), а для границы раздела медь–сталь (Z_МЕДИ = 42) коэффициент прозрачности будет 0,9997 (рис. 1.7). На рис. 1.7 для границы раздела медь–сталь коэффициент прозрачности будет максимальным.