3.5.2. Преобразователи

Для возбуждения и приёма ультразвуковых колебаний используют ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП). Их классифицируют по способу создания акустического контакта с изделием; способу включения пьезоэлементов в электрическую схему дефектоскопа и расположению электрода относительно пьезоэлемента; по ориентации акустической оси относительно поверхности изделия; характеристикам направленности акустического поля; ширине полосы рабочих частот, числу пьезоэлементов, динамике сканирования в плоскости падения.

Преобразователь является сложным электроакустическим прибором, состоящим из следующих основных элементов: собственно преобразователя упругих колебаний в электромагнитные и наоборот, протектора (защитного донышка) или акустической задержки (призмы), демпфера, корпуса, токоподвода (рис. 3.18).

В качестве приемно-излучающего элемента в подавляющем большинстве случаев используют пластины из керамики (цирконата титаната свинца или титаната бария), обладающей пьезоэффектом, или, реже, пьезокварца Х- и У-среза с металлизированными поверхностями — электродами.

Толщину d пьезоэлектрической пластины выбирают из условия, чтобы её собственная частота соответствовала частоте возбужденных или принимаемых УЗ-колебаний, т. е. d=λ_П/2=c_П/2f₀, где λ_П и c_П — соответственно длина волны и скорости звука в материале пьезопластины.

а б в

Рис. 3.17. Конструкция основных типов УЗ-преобразователей:

а) прямой, б) наклонный, в) раздельно-совмещенный; 1 – пьезоэлемент.

Для защиты пьезопластины в прямых ПЭП от повреждения к ней с рабочей стороны приклеивают (припаивают) металлическое или керамическое донышко – протектор. В раздельно-совмещенных и наклонных ПЭП пьезопластина приклеивается к акустической задержке — призме, изготовляемой обычно из оргстекла. В последнее время все шире применяют технологию изготовления призм методом отливки из эпоксидного компаунда.

Допустимая температура пьезоэлемента на 20—50° ниже температуры аллотропического превращения для кварца, точек Кюри для пьезокерамик,

температуры размягчения для ПВДФ.

Таблица 3.2. Технические характеристики пьезоматериалов

Материал	Скорость звука, с, 103 м/с	Плотность, ρ, 103 кг/см3	Допустимая температура, С0
Кварц	5,74	2,65	570
Титан бария ТБК-3	4,7±0,2	5,3	105±10
Цирконат-титанат свинца:
ЦТС-19	3,3±0,3	7,0	Свыше 290
ЦТС-22	3,6-4,0	7,0	330±10
ЦТС-23	3,0-3,35	7,4	280±10
ЦТБС-2	3,3	7,1	500±15
ЦТБС-1	3,5	Свыше 7,3	548±15

Допустимая температура пьезоэлемента на 20—50° ниже температуры аллотропического превращения для кварца, точек Кюри для пьезокерамик, температуры размягчения для ПВДФ.

Максимальное допустимое электрическое напряжение зависит от электрической прочности пьезоматериала, определяемой напряженностью максимального электрического поля

E_m=U_m/h₁ (3.10)

Для ЦТС-19 Е_m=3000 В/мм. Однако уже при 0,3Е_m наблюдается непропорционально замедленный рост амплитуды акустического сигнала с ростом напряжения.

Из пьезоматериалов наибольшее применение получила пьезокерамика цирконат-титанат свинца (ЦТС). Кварц применяют, если необходимо обеспечить высокостабильные изменения. Метаниобат свинца имеет низкую механическую добротность и его можно применять без демпфера. Кроме того, у него очень малы радиальные колебания, являющиеся источником помех. Ниобат лития имеет высокую температуру точки Кюри (1160 °С).

Поливинидденфгорид (ПВДФ) - это эластичная полимерная пленка. Ей можно придавать практически любую форму. У нее небольшое удельное волновое сопротивление, что облегчает согласование с иммерсионной жидкостью. Радиальные колебания близки к нулю, механическая добротность очень низкая. Существуют пленки на очень высокие частоты (до 100 МГц).

С нерабочей стороны пьезопластины приклеивают демпфер из материала с большим акустическим сопротивлением и коэффициентом затухания (например, взвесь ферровольфрама или сурика в эпоксидной смоле). Демпфер способствует гашению свободных колебаний пьезопластины и уменьшению длительности зондирующего импульса. В наклонных и раздельно-совмещенных преобразователях демпфер обычно выполняется из пробки или асбеста и служит только для звукоизоляции от других деталей преобразователя.

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 соотношения скоростей звука в призме и изделии.

В раздельно-совмещенных прямых ПЭП призмы выбираются с углом 5 – 10° и служат акустическими задержками, что позволяет минимизировать мертвую зону. 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.

В связи с многообразием задач контроля в практике используются преобразователи, формирующие поле заданной конфигурации: веерные и широкозахватные — формирующие широкий пучок лучей, фокусирующие.

Выбор ПЭП определяется конструкцией сварного соединения, наиболее вероятным местоположением и ориентацией дефекта, наличием ложных сигналов и т. п. Поэтому промышленностью выпускаются различные типы ПЭП.

Расчет оптимальных параметров ПЭП должен производиться из условий достижения максимальной чувствительности дефектоскопа, наличия монотонной крутовозрастающей зависимости амплитуды эхо-сигнала от площади дефекта, высокой направленности, обеспечивающей возможность разрешения двух близко залегающих отражателей, и уменьшения уровня помех, минимальных размеров «мертвой зоны» и уровня реверберационных шумов в призме, стабильности акустического контакта.

При разработке наклонных ПЭП размеры, форму и материал призмы надо выбирать таким образом, чтобы они имели наилучшую реверберационно-шумовую характеристику (РШХ) и по возможности удовлетворяли следующим основным требованиям: обеспечивали эффективное затухание колебаний, переотраженных от границы раздела призма — изделие внутрь призмы, и незначительно ослабляли пучок при прямом прохождении. Кроме того, материал призмы должен обладать хорошей износостойкостью и смачиваемостью, значительным пределом термостабильности.

Наибольшее распространение для изготовления призм нашли материалы на основе акрильных смол (оргстекло, полистирол и т. п.). Однако в последнее время все более широкое распространение находит технология отливки призм из эпоксидных компаундов.

Для улучшения РШХ призму делают ребристой или придают ей сложную форму, предусматривают специальные ловушки, изготовленные из материала с большим затуханием, но имеющим тот же импеданс, что и материал призмы. Важным источником реверберационных шумов являются колебания, отраженные от рабочей поверхности. Для избежания этого оптимизируют высоту размещения пьезоэлемента в призме и величину стрелы.

При выборе размеров пьезоэлемента надо руководствоваться следующими соображениями. Увеличение поперечных размеров сужает характеристику направленности и повышает чувствительность в дальней зоне, однако увеличивает протяженность ближней зоны, характеризующейся неравномерной чувствительностью по глубине и сечению пучка и, следовательно, пониженной вероятностью обнаружения дефектов. Кроме того, увеличение размеров пьезоэлемента влечет за собой увеличение стрелы ПЭП и площади контактной поверхности, что снижает достоверность и воспроизводимость результатов контроля.

В то же время пьезоэлемент малых размеров не обеспечивает необходимой мощности излучения, имеет недостаточную разрешающую способность и точность определения координат дефектов из-за широкой диаграммы направленности.

При выборе размеров пьезоэлемента наряду с изложенными соображениями необходимо учитывать, что при работе в ближней зоне снижается вероятность обнаружения дефектов и поэтому надо стремиться к тому, чтобы пьезоэлемент и дефект находились в их дальних зонах.

Рабочая частота ПЭП определяется толщиной соединения и коэффициентом затухания в материале. Стали строительных конструкций обладают незначительным уровнем структурных помех, а коэффициент затухания у них невелик и лежит в пределах 0,01-0,075 см^-1. Практически установлено, что для соединений толщиной 4-15 мм оптимальный диапазон рабочих частот составляет 4 - 5 МГц, для соединений толщиной 15 - 40 мм - 2,5 МГц, для соединений толщиной 40-100 мм - 1,5-2 МГц. Эти значения в каждом конкретном случае могут уточняться в зависимости от состояния поверхности изделия, требуемого уровня чувствительности и т.п. Для обеспечения воспроизводимых результатов контроля, выполненного разной аппаратурой, необходимо, чтобы отклонение рабочей частоты от номинального значения не превышало 10 – 15 %.