2.2. Конструктивные особенности преобразователей

Основные акустические параметры наклонных преоб­разователей — ширина диаграммы направленности, раз­решающая способность (по оси пучка), чувствитель­ность— определяются их конструкцией, а именно: раз­мерами и конфигурацией, углом ввода, акустическими константами призмы и степенью демпфирования.

Преобразователь состоит из следующих основных элементов: пьезопластины, демпфера, призмы, протекто­ра и корпуса.

Пьезопластина — является основным элементом ПЭП. Ее изготавливают из пьезоэлектрических материа­лов: кварца, цирконата-титаната свинца (ЦТС), титаната бария и др. Пьезопластина обычно имеет толщину, рав­ную половине длины волны УЗК в пьезоматериале на рабочей частоте. На противоположных поверхностях пластины располагаются металлические (обычно сереб­ряные) электроды для приложения электрического поля. От формы электродов зависят работающие участки пьезопластин. Во избежание пробоя по краям пластины часто оставляют неметаллизированную полоску.

Оптимальным размером пьезопластины считается такой, при котором обеспечивается максимум амплитуды отраженного сигнала при минимальном уровне ложных сигналов и акустических шумов в преобразователе.

При выборе диаметра пьезоэлемента необходимо учи­тывать следующее. Увеличение диаметра пьезоэлемента приводит к повышению абсолютной чувствительности преобразователя и сужению его диаграммы направлен­ности. Более высокая направленность ПЭП повышает точность оценки координат дефектов и их условных раз­меров, улучшает фронтальную разрешающую способность и снижает уровень помех от различных структурных неоднородностей. Однако с увеличением размеров пьезоэлемента возрастает протяженность ближней зоны, кото­рая характеризуется неравномерной чувствительностью по глубине и сечению УЗ-пучка, а следовательно, пони­женной вероятностью обнаружения дефектов и неодно­значностью оценки их величины. Кроме того, чем больше диаметр пьезоэлемента, тем больше стрела преобразова­теля и площадь его контактной поверхности, что снижает достоверность и воспроизводимость результатов контроля. Излучатель, имеющий небольшие размеры, не обеспечивает достаточной мощности генерируемых колебаний и не дает нужной точности при определении координат дефектов из-за широкой диаграммы направленности.

Для каждой частоты УЗК имеется оптимальный раз­мер излучателя. Размеры пьезопластины рекомендуется выбирать в области аf=12—15 мм*МГц, где а — радиус пьезопластины. При этом пьезопластина обычно имеет толщину, равную половине длины волны УЗК в пьезоматериале на рабочей частоте.

При выборе диаметра пьезоэлемента необходимо стремиться к тому, чтобы пьезопластина и дефект нахо­дились в дальней зоне относительно друг друга. Это особо следует учитывать при контроле сварных соедине­ний малых толщин.

Демпфер служит для гашения свободных колеба­ний пьезопластины, т.е. для получения коротких УЗ-импульсов, а также для предупреждения механических по­вреждений пьезопластин, особенно тонких. Материал демпфера и его форма должны обеспечивать достаточно сильное затухание УЗК без многократных отражений. В некоторых ПЭП (например, наклонных) демпфер час­то отсутствует.

Степень демпфирования пьезоэлемента существенно влияет на форму и длительность зондирующего импуль­са и, следовательно, разрешающую способность преобра­зователя. Преобразователи со слабым демпфированием имеют невысокую разрешающую способность, но зато применяются в тех случаях, когда нужна высокая чув­ствительность. Сильно демпфированные преобразователи применяют там, где основную роль играет высокая раз­решающая способность, например при обнаружении под­поверхностных дефектов или при толщинометрии. Но чувствительность у них значительно ниже, чем у слабо демпфированных. Эти преобразователи можно рекомендовать для контроля сварных швов малых толщин.

В зависимости от требуемого демпфирования, рабо­чей частоты и других конкретных условий демпфер обыч­но изготавливают из искусственных смол (чаще всего эпоксидных и акрильных) или компаундов с добав­ками порошка (наполнителя) с высокой плотностью (карбиды титана, вольфрама и свинца). Свойства демп­фера, особенно его затухание, сильно зависят от связую­щего компонента. При изготовлении демпферов широко применяются силикон, полиуретан, каучук, сырая резина.

Для уменьшения многократных отражений на демп­фере со стороны, противоположной пластине, делают ско­сы, наносят канавки, добавляют пузырьки воздуха,

С увеличением акустического сопротивления демпфе­ра уменьшается чувствительность ПЭП, но повышается разрешающая способность и сокращается мертвая зона.

Призма изготовляется обычно из износостойкого материала с небольшой скоростью ультразвука (оргстекло, полистирол, поликарбонат, деклон, капролон и др.), что позволяет при относительно небольших углах падения получать углы преломлениядо 90°. Размер приз­мы зависит главным образом от размера и формы пьезопластины.

При разработке и изготовлении преобразователей размеры, форму и материал призмы выбирают таким образом, чтобы они по возможности удовлетворяли сле­дующим основным требованиям: обеспечивали достаточное гашение УЗК, возникающих при отражении волн на границе раздела призма — изделие, при этом незначи­тельно ослабляли УЗК в самой призме. Кроме того, ма­териал призмы должен обладать износостойкостью и смачиваемостью, а в ряде случаев и термостабильностью.

Для устранения шумов в наклонном преобразователе нужно выбирать стрелу преобразователя (расстояние от точки выхода УЗК до передней грани призмы) та­кой, чтобы крайний луч от верхней части пьезопластины не падал на переднюю грань призмы или на двугранный угол. Если это условие не соблюдается, то луч значитель­ной интенсивности отражается назад к пьезопластине, создавая при этом шумы в преобразователе. Максималь­ная стрела преобразователя, при которой шумы будут незначительными, должна быть .

В призме должны гаситься также и поперечные вол­ны, которые возникают при отражении продольной вол­ны от границы раздела призма — изделие. Это условие выполняется, если нижний луч поперечной волны не по­падает на верхнюю часть пьезопластины.

Высокое затухание ультразвука в призме обеспечива­ет быстрое гашение многократных отражений. Для улуч­шения гашения УЗК призму делают ребристой или при­дают ей сложную форму. В некоторых преобразователях для гашения УЗК ставят специальные ловушки, которые изготавливают из материала, сильно поглощающего УЗ-колебания.

Преобразователи на частоту 5 МГц и выше благодаря большему затуханию УЗК в призме обладают значитель­но меньшим уровнем собственных шумов, чем преобра­зователи на частоту 1,8 и 2,5 МГц. Вследствие этого преобразователи на 5 МГц получаются малогабаритными.

Важное значение для постоянства параметров преобразователя имеет выбор материала призмы. Длитель­ное воздействие воды и других жидкостей может изме­нить акустические характеристики призмы. Это может быть вызвано как изменением акустических свойств ма­териала призмы, так и ее разбуханием или короблением. На рис. 2.3 показано изменение скорости ультразвука в

Рис. 2.3. Относительное изменение скорости ультразвука в образцах из полимеров при выдержке в воде:

/ — поликарбонат; 2 — деклон; 3 — капролон; 4 — оргстекло; 5 — поли-амид-12; 6 — полиамидоимид.

различных полимерных материалах в зависимости от времени их пребывания в воде и масле.

Из рис. 2.1 следует, что для преобразователей автома­тизированных установок, рассчитанных на длительную непрерывную работу, в качестве материала призмы луч­ше всего подходят полиамидоимид и поликарбонат. Несколько худшие, но все же достаточно стабильные свой­ства имеет также оргстекло.

В PC-преобразователях конструкция призмы должна удовлетворять дополнительным требованиям. Например, в PC-преобразователях толщиномеров важно, чтобы вре­мя прохождения УЗК сквозь призму не зависело от тем­пературы, поэтому се изготавливают иногда из плавлен­ного кварца, имеющего малый коэффициент линейного расширения.

Протектор защищает пьезоэлемент от изнашива­ния и воздействия контактной жидкости, улучшает акус­тический контакт при контроле контактным способом. Для повышения износостойкости преобразователя к пьезопластине приклеивают протекторы толщиной 0,1 — 0,5 мм из кварца, бериллия, стали, смол с порошковым наполнителем (например, порошком из компаунда или бериллия) и т. п. Протекторы также изготавливают в виде сменных пленок из эластичных пластмасс, например из полиуретана. В этом случае между пьезопластиной и протектором вводят контактную жидкость (масло).

Корпус преобразователя обеспечивает прочность конструкции, а также экранирование пьезоэлемента и выводов от электронных помех (для этого корпус из пластмассы металлизируют).

Электрические контакты паяют легкоплавкими при­поями, особенно на пьезокерамических пластинах, во избежание потери поляризации.

Преобразователь с дефектоскопом соединяют макси­мально гибким кабелем. Применяют микрофонный или коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.