- •Содержание
- •Глава 2. Использование ультразвуковых преобразователей
- •Контрольные вопросы
- •Введение
- •Глава 1. Физические основы ультразвуковых колебаний.
- •1.1. Природа и получение ультразвуковых колебаний
- •1.2. Свойства ультразвука
- •1.3. Методы ультразвуковой дефектоскопии
- •1.4.Применение ультразвука
- •Глава 2. Использование ультразвуковые преобразователи.
- •2.1.Исторический обзор
- •2.2. Классификация преобразователей
- •2.3. Конструктивные особенности преобразователей
- •2.4.Выбор акустических параметров при проектировании ультразвуковых устройств
- •2.5.Резонансная частота и чувствительность преобразователя
- •2.6. Специальные преобразователи и контактные среды
- •2.7. Электромагнитные ультразвуковые преобразователи
- •2.8. Пьезоэлектрические преобразователи
- •2.9. Термин “Пьезоактивность”
- •2.11. Область применения пьезоэлектрических преобразователей
2.7. Электромагнитные ультразвуковые преобразователи
Создание контактной связи ультразвуковых колебаний с объектом контроля через жидкую среду является одним из главных факторов, сдерживающих широкое применение УЗ-контроля в производстве. Поэтому в настоящее время ведутся исследования по разработке бесконтактных способов возбуждения и приема ультразвуковых колебаний. Наибольшие успехи достигнуты при возбуждении и приеме ультразвуковых колебаний в металлах с помощью электромагнитного поля. Разработаны специальные электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМА), принцип действия которых основан на превращении электромагнитных колебаний в акустические непосредственно поверхностью металла, находящегося в зоне преобразователя.
С помощью ЭМА-преобразователей возможно также бесконтактное возбуждение рассмотренных выше волн Лэмба, Рэлея и горизонтально поляризованных поперечных (SH) волн, применение которых перспективно при контроле тонких листов и тонкостенных конструкций.
ЭМА-преобразователи позволяют достаточно просто осуществить фокусировку ультразвуковых колебаний. В ряде случаев такая фокусировка получается естественным путем за счет кривизны поверхности изделия, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания. Фокусировку можно осуществить также путем смещенного по фазе управления сегментными приемно-излучающими преобразователями. К недостаткам ЭМА-преобразователей относятся их более низкий (на два-три порядка) коэффициент механической связи по сравнению с пьезопреобразователями и небольшие (1—5 мм) рабочие зазоры между ЭМА-преобразователем и поверхностью контролируемого изделия. Поэтому для получения необходимой чувствительности аппаратуры ультразвукового контроля с ЭМА-преобразователями мощность зондирующих импульсов, поступающих на ЭМА-преобразователь, должна быть существенно больше, чем при использовании пьезопреобразова-телей. Как показали исследования, удовлетворительная чувствительность аппаратуры с ЭМА-преобразова-телями при рабочих зазорах до 5 мм получается при индукции постоянного магнитного поля в зазоре 0,7—1,0 Тл.
ЭМА-преобразователи перспективны для автоматизированного ультразвукового контроля качества металлопродукции в технологическом потоке производства, в том числе и при высокой температуре.
2.8. Пьезоэлектрические преобразователи
Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля.
Пироэлектрики представляют собой особую разновидность пьезоэлектрических кристаллов и отличаются от собственно пьезоэлектриков тем, что их ячейка имеет одно или несколько взаимно неуравновешенных полярных направлений. Благодаря этому указанная кристаллов поляризуется при всестороннем гидростатитепловом расширении, откуда и происходит название «пироэлектрики». Типичным представителем пироэлектриков является турмалин.
Сегнетоэлектрики входят в группу пироэлектрических кристаллов. Характерным отличием сегнетоэлектриков является то, что их кристалл разбит на домены, в пределах которых существует упорядоченная структура и свое полярное направление. Однако полярные направления доменов ориентированы по-разному. Такое строение подобно строению ферромагнетиков, поэтому сегнетоэлек-трические материалы называют также ферроэлектрическими. Сегнетоэлектрикам присуща нелинейная зависимость плотности поляризованных зарядов от внешних воздействий (механические напряжения, температура и т. д.) и гистерезис.
Сегнетоэлектрические пьезокерамики представляют собой продукт отжига спрессованной смеси, состоящей из мелкораздробленного сегнетоэлектрического кристалла с присадками. Пьезоэлектрические свойства они приобретают после поляризации в сильном электрическом поле, направление которого и определяет полярный вектор пьезокерамики (направление поляризации в пьезокерамике обычно обозначают осью Z). В настоящее время сырьем для производства пьезокерамики наряду с титанатом бария с точкой Кюри +120° С служат титанат свинца РЬТi3 с точкой Кюри около +500 °С и цирконат свинца PbZrO3 с точкой Кюри примерно +230 °С. Наилучшие результаты получаются при использовании смесей этих материалов — так называемых цирконато-титанатов свинца (керамики типа ЦТС), которые получили сейчас самое широкое распространение, так как, обладая такой же чувствительностью, как и ВаТiO3, они обеспечивают работу преобразователя в температурном диапазоне до 200—250 °С.