анна игоревна


3. ОБОРУДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ
Структурная схема дефектоскопа
Принцип работы дефектоскопа удобно изучать, рассматривая его структурную схему. Основные блоки дефектоскопа с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) продемонстрированы на рис.33.

Рисунок 33 – Блок схема импульсного дефектоскопа
Генератор зондирующих импульсов 7 вырабатывает импульс электрических колебаний, возбуждающий ультразвуковые колебания в преобразователе 3. Отражённые от дефекта УЗ-сигналы принимает тот же (совмещённая схема) или другой (раздельная схема) преобразователь и трансформирует их в электрические импульсы, которые поступают на вход усилителя 1. Коэффициент усиления его регулируется во времени с помощью системы 4 временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Усиленный до требуемой величины сигнал поступает на вход электронно-лучевого индикатора 6 и автоматического сигнализатора дефектов (АСД) 2.
Синхронизатор 8 обеспечивает требуемую временную последовательность работы всех узлов дефектоскопа, одновременно с запуском генератора импульсов (или с некоторой задержкой) он приводит в действие генератор развёртки 9 ЭЛТ индикатора.
В современных дефектоскопов большинство функциональных узлов реализовано в виде подпрограмм микроконтроллеров в блоке цифровой обработки (БЦО).
Электроакустический тракт ультразвукового дефектоскопа
В электроакустический тракт входят пьезопреобразователь, прилегающие к нему тонкие слои и электрические колебательные контуры генератора и приёмника дефектоскопа.
На рис. 34 показана общая схема электроакустического тракта дефектоскопа. В иммерсионных и наклонных преобразователях акустической нагрузкой является иммерсионная жидкость или призма преобразователя. Акустический контакт пьезопреобразователя со средой осуществляется не непосредственно, а через промежуточные тонкие слои: протектор и слой контактной жидкости (вода, масло и т.п.).

Рисунок 34– Схема электроакустического тракта дефектоскопа:
1 – демпфер; 2 – пьезопреобразователь; 3 – промежуточный слой; 4 – изделие
Пьезопреобразователь электрически связан с генератором и колебательным контуром. В контур входят сопротивления и индуктивность ; ёмкостью контура служит сам пьезопреобразователь. Когда ПЭП работает в режиме приёма, используется тот же контур, но генератор замыкается накоротко.
При расчёте электроакустического тракта ставится задача достижения оптимального сочетания основных характеристик: чувствительности, полосы пропускания, мёртвой зоны, разрешающей способности и стабильности акустического контакта. Задача решается путём рассмотрения прохождения волн в слоистой системе.
Чувствительность при излучении определяется как отношение максимальных амплитуд излучённого акустического сигнала и электрического сигнала , т.е. как . Чувствительность при приёме определяется как отношение максимальных амплитуд электрического сигнала на входе усилителя дефектоскопа и акустического сигнала падающей на преобразователь волны , т.е. как .
Произведение определяет общую чувствительность:
.(3.1)
Чувствительность используется при вычислении общего ослабления УЗ сигнала в электроакустическом и акустическом трактах дефектоскопа:
.(3.2)
Полоса пропускания ПЭП определяется кривой зависимости чувствительности от частоты. Приближённо её можно охарактеризовать величиной, принятой в радиотехнике:
,(3.3)
где - резонансная частота, в данном случае собственная частота ненагруженного пьезоэлемента; и - частоты (меньше и больше ), на которых чувствительность уменьшается до уровня 0.7 от максимальной.
Чем шире полоса пропускания ПЭП, тем меньшее искажение претерпевают импульсы в процессе преобразования электрических колебаний в акустические и обратно.
Для достижения максимальной разрешающей способности и минимальной мёртвой зоны стремятся формировать короткие импульсы. Если ширина полосы пропускания недостаточна, импульсы растянуться, что приведёт к ухудшению разрешающей способности и увеличению мёртвой зоны. Минимально допустимое значение , однако для повышения разрешающей способности желательно увеличение до 0.4-0.5.
Стабильность акустического контакта необходимо учитывать только при расчёте режима пьезоэлемента прямого ПЭП. В других типах ПЭП между пьезоэлементом и изделием расположена протяженная среда, поэтому улучшение или ухудшение передачи ультразвука из этой среды в изделие не отражается на колебательном режиме пьезопластины.
Для прямого ПЭП, наоборот, изделие является частью нагрузки, а толщина слоя контактной жидкости определяет степень связи с этой нагрузкой. Чтобы обеспечить стабильность акустического контакта, нужно свести к минимуму влияние толщины слоя контактной жидкости на режим колебаний пьезопластины.
На рис. 35 приведены кривые изменения чувствительности ПЭП с пьезоэлементом из цирканата титана свинца (ЦТС) в зависимости от частоты при излучении в плексиглас при наличии демпфера с акустическим сопротивлением . Потери энергии на затухание в пьезоматериале и протекторе не учитывались. За единицу на рисунке принята резонансная частота полуволновой пьезопластины, совпадающая с резонансной частотой электрического контура:
.(3.4)

Рисунок 35 – Изменение чувствительности ПЭП в зависимости от частоты
Параметром семейства кривых на рис.35 является добротность
.(3.5)
Для последовательного колебательного контура физический смысл добротности – это во сколько раз напряжение на ёмкостном элементе превышает напряжение на генераторе.
При максимальная чувствительность достигается на резонансной частоте и растёт с увеличением . При увеличении добротности более 2-4 чувствительность на резонансной частоте практически не повышается и здесь образуется минимум. Это объясняется действием вторичных пьезоэффектов: когда пьезоэлемент излучает ультразвук, он в тоже время работает как генератор электрических колебаний, включённый навстречу основному генератору. В процессе приёма звука пьезоэлемент одновременно излучает обратно часть принятой энергии. При определённой добротности эти эффекты сравниваются с первичными, и дальнейшее повышение добротности электрического контура не вызывает возрастание чувствительности. На частотах, отличающихся от резонансной, максимальная чувствительность достигается при больших значениях . Это приводит к расширению частотной полосы преобразователя, а при дальнейшем повышении - даже к появлению минимума на кривой в области и двух максимумов на частотах примерно равных 0.8 и 1.2. Добротность, при которой достигается максимальное расширение полосы частот, но боковые максимумы не образуются, соответствует оптимальным условиям работы ПЭП.
Способы возбуждения ультразвуковых колебаний
В настоящее время известно несколько способов возбуждения УЗ колебаний, применяемых в УЗ дефектоскопии. Эти способы основаны на различных физических явлениях.
Наибольшее распространение получил способ, основанный на явлении пьезоэлектрического эффекта. Как уже было замечено, в 1880 году французские учёные братья Кюри заметили, что деформация пластинки кварца вызывает появление на её гранях электрических зарядов. Если на пластинку кварца нанести электроды и с помощью проводников подсоединить их к чувствительному прибору, то окажется, что при сжатии пластинки возникает электрическое напряжение. При растяжении пластинки также получается напряжение, причём той же величины, но противоположного знака.
Явление возникновения электрических зарядов на поверхностях пластинки при её деформации называют прямым пьезоэлектрическим эффектов (“пьезо” по-гречески означает “давить”).
Спустя год, основываясь на теоретических предположениях Липимана, братья Кюри обнаружили и обратное явление. Если к электродам пластинки подвести электрический заряд, то размеры её увеличатся или уменьшатся в зависимости от полярности приложенного напряжения. При изменении знака приложенного напряжения кварцевая пластинка то сжимается, то растягивается в такт со знаком приложенного напряжения. Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называют обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Явление пьезоэлектрического эффекта в кварце может быть объяснено на основе рассмотрения модели, продемонстрированной на рис.36.

а)
б)
в)
Рисунок 36 – Объяснение пьезоэлектрического эффекта:
а) пластина свободна; б) пластина сжата; в) пластина растянута
На рис.36, а схематически показано строение элементарной ячейки кристалла кремния . Через ⊕ обозначены атомы кремния с зарядом «+», а через ⊖ группы из двух атомов кислорода с зарядом «–». Ячейка недеформированная и поэтому является электрически нейтральной. Заряд атома 1 компенсируется зарядами групп 2 и 6, расположенных от плоскости А дальше, чем атом 1.
При сжатии пластины (рис.36, б) отрицательные группы 2 и 6 выдвигаются к плоскости А и на этой поверхности появляется избыточный отрицательный заряд. У поверхности Б по такой же причине возникает избыточный положительный заряд. При изменении направления деформации (рис. 36, в) полярность поверхностей А и Б меняется на противоположную.
Пьезоэффект является свойством кристаллов и связан с наличием одной или многих осей. Естественный кристалл кварца представляет собой весьма стабильный материал как с химической, так и с физической точке зрения и имеет высокую степень твёрдости. Кристалл кварца имеет форму шестигранной призмы, оканчивающейся пирамидоподобными сужениями на концах (рис.37).

Рисунок 37 – Кристалл кварца
Если провести линию, параллельную граням призмы, то эта линия определит оптическую ось кристалла (ось z). Электрическая ось определяется линией, соединяющей противоположные углы шестигранной призмы – ось x, поэтому имеется три оси x в каждом естественном кристалле кварца (рис.38). Ось y направленна перпендикулярно к каждой площадке призмы, этих осей в кристалле также три. Оси x и y перпендикулярны оси z.

Рисунок 38 – Изготовление пластины x-среза
Пьезоэффект наблюдается лучше всего в том случае, если пластинки вырезаны в плоскости, параллельной оси z и одной из осей y и перпендикулярны оси x. Такая пластинка называется x-срезом.
Если пластинку, вырезанную таким способом, деформировать в направлении оси x, то на её поверхности возникнут электрические заряды. Если пластинку поместить в переменное электрическое поле, направленной вдоль оси x, то пластина будет совершать толщинные колебания. В некоторых случаях изготавливают пластины y-среза, то есть такие, которые вырезаны перпендикулярно оси y и параллельно осям x и z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колебания (рис.39).

а)
б)
Рисунок 39 – Колебания пьезоэлектрической пластинки в переменном электрическом поле:
а) x-срез; б) y-срез
Пластинки x-среза служат для возбуждения продольных, а y-среза – для возбуждения поперечных волн.
Толщина пластинки определяется желаемой частотой работы преобразователя. Пьезопластина вибрирует с длиной волны равной половине её толщины, поэтому пластинки для преобразователей выполняют толщиной
,(3.6)
где λ-длина волны; -скорость ультразвука в пьезоматериале; - собственная частота колебания пластины. Как видно, чем больше частота, тем требуется пластина меньшей толщины, что увеличивает вероятность её повреждения. Из (3.6) следует, что собственная частота может быть определена как
.(3.7)
Кристаллы кварца для ПЭП использовались в основном до 1950-хх годов. Активным элементом большинства акустических преобразователей используемых сегодня является пьезоэлектрическая керамика, которая может быть нарезана множеством способов чтобы получать преобразователи для различных мод волны. Пьезоэлектрический элемент большого диаметра, используемый в низкочастотных ПЭП, показан на рис. 40.

Рисунок 40 – Пьезоэлектрический преобразователь в разрезе
Когда пьезоэлектрическая керамика начала использоваться она вскоре стала основным материалом для ПЭП из-за её хороших пьезоэлектрических свойств и лёгкости изготовления в большом разнообразии форм и размеров. При низком напряжении керамические ПЭП можно использовать до температуры . Первым пьезокерамическим материалом был титанат бария , позже (1960-е) он был вытеснен цирконат-титанатом свинца (ЦТС) . Этот материал наиболее распространён в настоящее время.
Множество факторов, включающих материальную, механическую и электрическую конструкцию, а также внешние условия механического и электрического нагружения влияют на поведение преобразователя. Механическая конструкция преобразователя включает такие элементы, как поверхности излучения, демпфирование, корпус, тип коннектора (разъёма), и прочие переменные физической конструкции (рис.41). Изготовление пьезоэлектрических датчиков чрезвычайно сложная задача, если требуется, чтобы любые два однотипных датчика имели идентичные характеристики.

Рисунок 41 – Конструкция типичного прямого ПЭП
Демпфер служит для гашения свободных колебаний пьез элемента, то есть для получения коротких импульсов, а также для предупреждения механических повреждений пластин, особенно тонких. Состав и форма демпфера должны обеспечивать полное затухание и отвод колебаний, излучённых пьезопластиной в материал демпфера, без многократных отражений, В демпфер переходит часть звуковой энергии, излучаемой задней стороной пьезоэлемекта. Демпфирование тем эффективнее, чем лучше согласование акустических сопротивлений материалов пьезоэлемента и демпфера, В зависимости от требуемого демпфирования, рабочей частоты и других конкретных условий демпфер обычно изготавливают из искусственных смол (компаундов) с добавками порошка (наполнителя с высокой плотностью) для достижения требуемого акустического сопротивления. Для уменьшения многократных отражений на демлфере со стороны, противоположной пьезоэлементу, наносят канавки, делают скосы. Иногда в материал демпфера для увеличения рассеяния звука вводят пузырьки воздуха. При сильном демпфировании пьезозлемента уменьшается мощность излучаемого им акустического импульса. Применение демпфера увеличивает полосу пропускания и уменьшает чувствительность.
Протектор выполняет следующие функции:
защита пьезоэлемента или призмы от износа;
улучшение согласования пьезоэлемента с контролируемым изделием;
улучшение акустического контакта при контроле контактным способом.
Для повышения износостойкости преобразователя применяют приклеенные к пьеэоэлементу протекторы толщиной 0.1 – 0.5 мм из кварца, сапфира, бериллия, стали, смол с порошковым, ситалла, лигнофоля и д.р. Протекторы также изготавливают в виде сменных плёнок или насадок из эластичных пластмасс, чаще всего из полиуретана или из резины. В этом случае между пьеэоэлементом и сменным протектором вводят контактную жидкость.
Очень полезно применение согласующего протектора, который обеспечивает максимальное прохождение ультразвука из пьезопластины в изделие. Это достигается, когда четвертьволновый протектор (см.рис.42) изготовлен из материала с акустическим сопротивлением
,(3.8)
где и - акустические сопротивления пьезоэлемента и среды, в которую производится излучение.
Четвертьволновая толщина согласующего протектора позволяет избежать попадание ультразвуковых волн, отражённых на границе протектор-среда, обратно на пьезоэлектрический элемент.

Рисунок 42 – Конструкция активной части ПЭП
В наклонных ПЭП, где излучение производится в плексигласовую призму, демпфирование пьезоэлемента приводит лишь к небольшому расширению полосы пропускания. Поэтому в наклонных ПЭП можно использовать пьезоэлементы без демпфера.
Для прямых ПЭП высокая стабильность акустического контакта имеет большое значение. Стабильная чувствительность получается в случае согласования между демпфером ПЭП и слоем контактной жидкости. Согласование приводит к тому, что не вошедшая в изделие УЗ волна отводится в демпфер. В результате в контактном жидком слое не возникает многократных отражений УЗ волн, интерференция которых является главной причиной нестабильности акустического контакта. Условия согласования выполняются, если ПЭП снабдить четвертьволновым протектором, а материалы демпфера и протектора подобрать такими, чтобы выполнялось условие:
,(3.9)
где , и - акустические сопротивления материалов протектора, демпфера и контактной жидкости.
Некоторые преобразователи специально производятся так, чтобы быть более эффективными приёмниками либо наоборот – более эффективными излучателями. Пьезоэлектрический преобразователь, который хорошо работает в одном из режимов, не обязательно также хорошо работает в другом.
Независимо от своих пьезоэлектрических свойств пластина способна к механическим колебаниям как система, состоящая из массы на пружине. При механическом возбуждении, например при ударе, в пластине возбуждаются не только колебания с первой собственной частотой , но и собственные колебания с более высокими частотами. Однако благодаря пьезоэффекту в излучателе электрически возбуждаются колебания с его первой собственной частотой , если к металлизированным поверхностям приложить переменное напряжение с собственной частотой пластины .
Если кратковременно возбуждённую таким способом пластину предоставить самой себе, то она будет свободно колебаться вплоть до затухания; при этом её синусоидальные колебания не будут постоянными, поскольку она постоянно теряет энергию по двум причинам – вследствие внутреннего трения и передачи энергии в форме ультразвуковым волн к опоре и прилегающему веществу. Первая причина обычно незначительна по сравнению со второй. Вследствие отвода энергии колебания демпфируются, их амплитуда уменьшается от одного колебания к следующему в раз; эта величина называется коэффициентом затухания (рис.43).

Рисунок 43 – Затухание колебания излучателя, колеблющегося по толщине
Величина затухания зависит в основном от подсоединённого вещества. Частота при затухающих колебаниях практически остаётся равной собственной частоте незатухающего колебания; только при сильном затухании заметны отклонения в частоте.
Если пьезопластина возбуждается переменным напряжением с частотой, отличной от собственной , то после переходного процесса начинаются вынужденные колебания с этой частотой и с постоянной амплитудой. При приближении частоты к резонансной амплитуда увеличивается до некоторого максимума, высота которого зависит от коэффициента затухания.
Резонансная частота возбуждает в преобразователе колебания с наибольшей амплитудой. Она в общем случае отличается от собственной частоты - частоты свободно колеблющегося демпфированного или недемпфированного преобразователя.
Резонансное превышение амплитуды характеризуется добротностью . Она определяется как отношение амплитуды колебания пластины при резонансной частоте к статическому изменению толщины:
.(3.10)
Статическое изменение толщины – это изменение толщины пьезопластины без проявления сил инерции, т.е. при медленных изменениях напряжения.
Добротность связана с коэффициентом затухания следующим отношением:
.(3.11)
От добротности зависит ширина пика резонансной кривой (см. рис.44).

а)
б)
Рисунок 44 – Резонансные кривые вынужденных колебаний излучателя, колеблющегося по толщине
На рис.44 через обозначена ширина полосы резонансного максимума (пропускания). Она измеряется на высоте от максимального значения (на резонансной частоте). Как видно чем больше добротность - тем больше амплитуда, но меньше ширина полосы пропускания (и таким образом уже спектр).
Как видно из (3.11) добротность можно определить через коэффициент затухания . Последний зависит от акустического импеданса пьезопластины и граничащих с ней материалов, обозначенных далее как 1 и 2 (см. рис.45).

Рисунок 45 – Излучатель между двумя веществами 1 и 2.
Если акустический импеданс обоих материалов 1 и 2 одновременно меньше или больше акустического импеданса пластины, то коэффициент затухания можно определить из соотношения
.(3.12)
Если же выполняется условие или , то в этом случае пьезопластина колеблется только в резонансе с четвертью длины волны . И собственная частота пластины, демпфированной таким способом, составляет только половину величины, рассчитанной по выражению (3.7). Коэффициент затухания в этом случае выразиться формулой
.(3.13)
Для передачи коротких импульсов важна достаточная ширина пропускания. При эхо-методе длина импульса мешает обнаружение близко расположенного дефекта, поэтому стремятся применять более короткие импульсы.
Каждый импульс может быть представлен в виде ряда Фурье как сумма бесконечного числа неограниченных во времени синусоидальных колебаний разной частоты, фазы и амплитуды. До импульса и за ним эти колебания взаимно гасятся. Чем короче импульс (независимо от его формы), тем шире полоса частот, в которой располагаются составляющие частоты с ещё заметной амплитудой. Если при передаче в механической или электрической системе подавить некоторую часть частот, то импульс будет искажён, в частности удлинён. Действует правило, что для передачи импульса длительностью без существенного искажения достаточна ширина полосы частот , даже если эта полоса на концах характеризуется снижением амплитуды до 70% от максимальной.
Следовательно при ширине полосы частот на рис. 44, б в 0.18 МГц можно передавать сравнительно без искажений импульс продолжительностью 1/0,18=5.5 мкс.
Типы пьезоэлектрических преобразователей
Пьезоэлектрические преобразователи разделяют на типы в зависимости от следующих основных характеристик:
тип волны (продольная, поперечная или поверхностная);
тип акустического контакта (контактный ультразвук, иммерсионный ввод, или через воздух);
направление излучения (прямой или наклонный УЗ-луч);
количество пьезоэлектрических элементов (один или несколько);
поверхность излучения преобразователя (плоская или неплоская);
ширина полосы пропускания (широкополосный или узкополосный);
температуроустойчивость (возможность работы при высоких температурах).
Как было замечено, если для материала пластины используется кварц, то тип генерируемой волны определяется осью, которая является нормалью к плоскости реза.
Пьезоэлектрические преобразователи также делятся по типу акустического контакта. Контактные преобразователи излучают УЗ волны в объект через тонкий слой контактной жидкости. Иммерсионные преобразователи работают в ёмкости с жидкостью, и полностью в неё погружены (рис.46). При иммерсионном вводе имеется возможность управлять расстоянием от ПЭП до объекта контроля.
Преобразователи также могут быть подразделены на прямые и наклонные. Прямые ПЭП излучают УЗ-волну перпендикулярно поверхности ввода ультразвука, в том время как наклонные ПЭП осуществляют ввод ультразвука под определённым углом. Наклонный ПЭП, как правило, представляют собой прямой преобразователь для излучения продольной волны, который присоединён к призме, сделанной из пластика (оргстекла, полистирола, поликарбоната). Это позволяет при относительно небольших углах падения получать углы ввода до 90° Высокое затухание УЗ колебаний в материале призмы обеспечивает быстрое гашение повторных отражений в призме. Для лучшего гашения переотражений на гранях призмы делают рассеивающие ребра, приклеивают материал с близким акустическим сопротивлением, но со значительно большим затуханием.

Рисунок 46 – Установка для УЗ-контроля с иммерсионным вводом ультразвука
При переходе из призмы в изделие излучаемые пьезоэлементом продольные волны трансформируются е сдвиговые. Для того, чтобы в изделие проходили волны только одного типа, угол падения делают либо небольшим (сдвиговая волна практически не возбуждается), либо в интервале между первым и вторым критическими углами. Для пары оргстекло-сталь это условие выполняется при углах и . Призмы с малыми углами применяют обычно в раздельно-совмещённых ПЭП, а с большими - в наклонных. Кроме того, призмы с углом используют для возбуждения головной волны, а с углом - для возбуждения поверхностной волны. В некоторых случаях для получения необходимых углов ввода применяют ПЭП с переменным углом падения, в которых либо пьезопластина перемещается по поверхности полуцилиндра, либо она меняет свой наклон внутри призмы.
Важно помнить, что угол в призме не равен углу, под которым распространяется ультразвук в изделии (угол проникновения). Это напрямую следует из закона Снеллиуса. Обычно на наклонных ПЭП обозначается угол проникновения, при этом подразумевается, что материал объекта контроля – сталь (см. рис.47).

Рисунок 47 – Наклонный ПЭП
Для работы с материалами, отличающимися от стали, угол проникновения необходимо рассчитывать. Необходимо учитывать, что при вводе УЗ наклонным преобразователем в объекте могут возникать одновременно продольная и поперечная волна. Ввиду того, что скорости для поперечной и продольной волны различны, эхо-сигналы от одного и того же отражателя приходят в различное время, что может сбить столку при интерпретации полученных результатов. Чтобы этого избежать производители выполняют углы ввода, которые находятся между первым и вторым критическими углами. Таким образом, контроль наклонными ПЭП в основном осуществляется на поперечных волнах.
Использование призмы, как было сказано, также является самым простым способом генерации поверхностных волн (рис.48,а).

Рисунок 48 – Различные методы генерирования поверхностных волн:
а) трансформация преломлённой волны; б) медиатор; в) нормальный ввод продольной волны
Критический угол, под которым необходимо осуществить ввод продольной волны для образования поверхностной можно определить из закона Снеллиуса следующим образом:
,(3.14)
где - скорость волны Релея в образце; - угол падения продольной волны из призмы; - скорость ультразвуковой волны в призме. Из (3.14) определим необходимый угол падения:
.(3.15)
Поверхность излучения преобразователя может отличаться от плоской. Преобразователи с заданной формой поверхности излучения служат для выполнения двух основных функций: соответствие форме контролируемого образца и фокусировки ультразвуковой энергии (см. рис.49).

а)
б)
в)
Рисунок 49 – Преобразователи с заданной формой поверхности излучения:
а) ПЭП с формой поверхности соответствующей форме объекта контроля;
б) ПЭП со сферической линзой; в) ПЭП с цилиндрической линзой
На рис. 49 показано два распространённых способа фокусировки, в точке (б) и по линии (в). При фокусировке возрастает чувствительность ультразвука и разрешающая способность, однако, платой за это является меньший динамический диапазон контроля. Как и в случае любой геометрической фокусировки у точки фокуса будет конечный размер, что ограничивает разрешение и глубину проникновения звукового поля (см. рис.50).

Рисунок 50 – Сфокусированный УЗ-луч
До сих пор рассматривались пьезопреобразователи с одной пьезопластиной (совмещённые). Однако очень распространены ПЭП содержащие несколько элементов. Раздельно-совмещённые преобразователи содержат, как видно из названия, отдельные элементы для излучения и приёма, которые конструктивно выполнены в одном корпусе (рис.51).
Один пьезоэлемент является излучателем ультразвука, другой – приёмником. Эти два элемента разделены между собой перегородкой и имеют временную задержку. Для создания сфокусированного ультразвукового луча элементы располагаются под углом друг к другу. Такая конфигурация обеспечивает лучшее разрешение вблизи наружной поверхности, а также даёт возможность проведения контроля на поверхностях с высокой шероховатостью и при контроле внутренних поверхностей, подвергнутых воздействию коррозии. Кроме того, наличие пересекающегося луча обеспечивает возникновение псевдо-фокуса, который усиливает чувствительность измерений при наличии отражений на нерегулярных поверхностях, например при наличии сплошной или язвенной коррозии.

Рисунок 51 – Раздельно-совмещённый преобразователь
Множество прямых пьезоэлектрических преобразователей действующих вместе называют решёткой. Если по схемотехническим или физическим причинам преобразователи управляются с различной задержкой, то собственные волны от каждого преобразователя интерферируют в наклонную продольную волну. Такое устройство называют фазированной решёткой (см. рис.52).
Преобразователи в фазированной решётке выполняются как можно меньшего размера, чтобы их можно было рассматривать как точечный источник.
Стандартные пьезоэлектрические преобразователи работа в диапазоне температур . Преобразователи специальной конструкции с линиями температурной задержки расширяют этот диапазон до . Также доступны преобразователи с активной системой охлаждения.

Рисунок 52– Фазированная решётка для контроля угла распространения УЗ-волны
Преобразователи с линией задержки имеют съёмную поверхностную мембрану и различные варианты насадок, которые позволяют использовать один и тот же преобразователь для различных задач контроля. Основная функция линии задержки – обеспечить время задержки между сгенерированной и приходящей на преобразователь УЗ волной. Это позволяет полностью излучить УЗ волну до её приёма при контроле около поверхностной зоны. Такие преобразователи используются при высокоточном измерении толщины тонких материалов и обнаружения расслоений в композитных материалах. Кроме того, такие преобразователи используются для измерений при высоких температурах, поскольку используемые насадки обеспечивают необходимую теплловую защиту.
Наибольшее применение в практике УЗ контроля получили:
прямые совмещенные преобразователи, возбуждающие продольные волны, обычно называемые просто – прямые ПЭП;
наклонные совмещенные преобразователи, возбуждающие поперечные волны, обычно называемые просто - наклонные ПЭП;
раздельно - совмещенные прямые (или с углами излучения и приёма до 8°) преобразователи, возбуждающие продольную волну обычно называемые просто - РС ПЭП;
Параметры, характеризующие преобразователи
Рабочая частота f - это частота, при которой амплитуда эхо-импульса от опорного отражателя достигает максимального значения. В качестве опорного отражателя используют вогнутую цилиндрическую поверхность стандартного образца СО-3 или К1, К2, СВ1).
Полоса пропускания , где f1, и f2 - частоты, при которых амплитуда эхо-импульса от опорного отражателя уменьшается на 6дБ по сравнению с максимумом.
Протяжённость ближней зоны r0 - это такое расстояние от ПЭП, на котором маленький отражатель даёт максимальный эхо-импульс. Указанные в справочниках численные значения ближней зоны относятся к определённому материалу, обычно к стали типа 20.
Путь в призме (предварительный пробег) - это длина отрезка, измеренная от средней точки пьезоэлемента до точки выхода УЗ луча. Прямые ПЭП с жёстким протектором имеют, как правило, маленький предварительный пробег, так что это можно не принимать во внимание при выборе ПЭП. Наличие мягкого протектора вносит ощутимую задержку, имеющую значение лишь при точном измерении толщины или глубины залегания дефекта. Раздельно-совмещённые ПЭП обычно имеют небольшие призмы из оргстекла, пробег УЗ колебаний в этих призмах необходимо учитывать при настройке глубиномера. Наибольший путь в призме имеют наклонные ПЭП. Длина пути, измеренная от средней точки пьезоэлемента до точки выхода УЗ луча, указывается в справочниках Крауткремера величиной lv, с. Индекс “с” дает величину скорости УЗ колебаний (продольной волны) в материале призмы. Например: lv, 2540 = 20 мм, означает, что ультразвук проходит в призме расстояние 20 мм со скоростью 2540 м/сек.
Фокусное расстояние F заменяет для прямых фокусирующих и раздельно-совмещённых ПЭП значение протяжённости ближней зоны. Величина F показывает расстояние между поверхностью изделия и точкой, в которой звуковой пучок имеет минимальный диаметр. Маленький дефект даёт наибольшее эхо, если он лежит в фокусе звукового пучка.
Глубина фокуса FTn указывает область на акустической оси перед фокусом и после него, в которой амплитуда эхо от маленьких отражателей изменяется не более, чем на n дБ (например, n =6дБ) по сравнению с амплитудой в фокусе. Глубина фокуса может быть определена из соответствующей АРД-диаграммы.
Ширина Фокуса (FBn) и длина Фокуса (FLn). Маленький сферический отражатель даёт максимальный эхо-сигнал, если он находится в фокусе. Если эту сферу смещать из фокуса перпендикулярно направлению акустической оси ПЭП, то эхо-сигнал будет уменьшаться. Расстояние от акустической оси в точке фокуса, измеренное в плоскости падения луча, на котором эхо-импульс уменьшается на n дБ, называется шириной FB фокуса (рис.53). У прямых ПЭП фокус находится в конце ближней зоны. Так как прямые ПЭП создают, как правило, звуковой пучок с круговой диаграммой направленности, то характеристики FB достаточно для описания протяжённости фокуса и в поперечном направлении.
Для наклонных ПЭП длиной фокуса FLn называют расстояние от акустичесхой оси в точке фокуса, измеренное в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Для наклонных ПЭП вследствие преломления может оказаться значительным различие в ширине фокуса выше и ниже акустической оси. Тогда ширину FBn выше акустической оси дают со знаком "+"а, ниже - со знаком

Рисунок 53 – К определению ширины FB и длины FL фокуса
Для раздельно-совмещённых ПЭП ширина фокуса показывает протяжённость фокуса перпендикулярно акустическому экрану и акустической оси. Длина фокуса показывает его протяженность в направлении акустического экрана перпендикулярно акустической оси.
Эффективный диаметр пьезоэлемента Dэф. Определяет акустически действующую площадь пьеэоэлемента ПЭП. Он меньше, чем геометрический диаметр D0 пьезоэлемента, так как пьезоэлемент из-за приклеивания или прижатия демпфирован, и поэтому колебания не происходят равномерно по всей поверхности. Амплитуда колебаний падает к краю пьезоэлемента. Эффективный диаметр пьезоэлемента может быть рассчитан из формулы для длины ближней зоны:
.
Приближённо можно считать .
Направленность поля ПЭП. Для прямого луча этот вопрос рассматривался ранее. В случае наклонного ПЭП диаграмма направленности не симметрична. Кроме того, направленность ухудшается с увеличением угла призмы (угла ввода), уменьшением геометрических размеров ПЭП и частоты колебаний.
По мере ухудшения направленности возрастает также влияние прозрачности границы призма-металл на ширину и форму основного лепестка диаграммы.
В справочниках приводят данные о ширине диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Угол ввода луча - это угол между нормалью к поверхности, на которой установлен преобразователь, и линией, соединяющей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода, при установке преобразователя в положение, при котором амплитуда эхо-сигнала наибольшая. Фактический угол ввода, определенный таким образом, отличается от угла наклона к акустической оси, вычисленного по формулам Снеллиуса. Для материалов с высоким затуханием это отклонение следует учитывать.
Прослойка контактирующей среды не оказывает влияния на геометрию распространения УЗ луча в контролируемом материале, если плоскость призмы, через которую выходит УЗ луч, параллельна поверхности материала.
В процессе контроля возможны изменения угла ввода луча в металл, вызванные изменениями:
угла призмы, вследствие ее истирания;
положения призмы, приводящего к непараллельности её рабочей плоскости и поверхности материала;
скорости распространения УЗ колебаний вследствие понижения или повышения температуры призмы ПЭП и металла.
Для снижения влияния различных факторов, вызывающих изменение угла ввода луча в металл, на достоверность контроля целесообразно:
осуществлять сканирование наклонным ПЭП без особого нажима на него с целью уменьшения истирания призмы;
очищать поверхность, по которой будет перемещаться ПЭП, от брызг металла, грязи и пыли так, чтобы высота отдельных бугорков, отстоящих друг от друга на расстоянии более длины призмы, не превышала среднюю геометрическую величину неровностей поверхности более, чем на 0.2 мм;
измерять угол ввода луча в металл при температуре, при которой ведётся контроль или вводить поправку на возможное температурное изменение угла ввода луча. Обычно углы ввода, указанные в справочниках, относятся к определённой температуре.
Угловое отклонение луча от оси корпуса . Параллельное смешение луча от оси корпуса (z). Центральный луч звукового пучка может незначительно отклоняться от оси корпуса ПЭП из-за допуска на изготовление и неоднородности материала преобразователя. В некоторых случаях это важно учитывать. Отклонения могут оцениваться в виде углового (а) и параллельного (б) смещения центрального луча или его проекции на поверхность контроля (рис.54).

Рисунок 54 - Угловое отклонение (а) и параллельное смещение (б) акустического луча относительно оси корпуса
Точкой выхода ПЭП называют точку пересечения акустической оси преобразователя с его рабочей поверхностью.
Стрелой наклонного ПЭП называют расстояние от точки выхода до его передней грани (рис.55).

Рисунок 55 – Стрела наклонного преобразователя
Износостойкостью называется относительная величина для характеристики сопротивляемости контактной поверхности ПЭП против нагрузок трением. Износостойкость указывается в мм на километр пути ПЭП. Износ существенно зависит от чистоты поверхности контроля, силы прижатия, контактной жидкости и температуры поверхности. Износостойкость устанавливается после нормировочных испытаний, особенно жёстких в сравнении с практикой. При износе, не превышающем максимально допустимый, контактная область ПЭП может быть восстановлена путём приклеивания пластинчатой накладки.
Прочность на давление в точке. В практике контроля может случиться так, что ПЭП своей контактной поверхностью надавливает на сферическую неровность поверхности образца и разрушается. Величина давления, приведённая в технических данных, указывает силу, при которой под точечной нагрузкой наступает разрушение ПЭП.
Область рабочих температур (Та), область кратковременных температур (Тз). Область рабочих температур охватывает температуры поверхности образца, при которых ПЭП может эксплуатироваться без ущерба. Если ПЭП приведён в контакт с горячей поверхностью на 3 секунды и сразу после этого хорошо охлаждён, то контроль может производиться при более высоких температурах. Технические данные указывают диапазон температур, так как допустимые температуры зависят от вида контактной жидкости и от толщины изделия. Нижняя граница области даётся для сухой связи (установка ПЭП без контактной смазки), верхняя - для очень хорошего контакта
Для эффективной передачи ультразвука от пьезоэлектрического преобразователя в образец необходимо использовать контактную жидкость. Большой акустический импеданс между воздухом и излучающей поверхностью преобразователя является непреодолимым барьером для ультразвуковой волны. Обеспечить стабильный контакт при ультразвуковом контроле – это непростая задача. Наипростейшее решение – использовать иммерсионный ввод ультразвука. В этом случае преобразователь и испытуемый образец помещаются в бак с водой или маслом. Когда иммерсионный ввод технологически непрактичен, используют контактные преобразователи с сухим или жидким контактным материалом для ввода ультразвука. В качестве сухого контактного материала применяют тонкий латекс. В качестве контактной жидкости применяют воду, масло, специальные гели, солидол, ПВА.
Специальные высоковязкие материалы применяют для генерирования поперечных волн под прямым углом. Качество передачи сигнала и качество его приёма зависят от толщины контактного слоя; более тонкий слой контактного вещества обычно улучшает эффективность. Большинство коммерческих контактных веществ для ввода поперечных волн загрязняют поверхность и трудно удаляются. Поэтом многие используют мёд для ввода поперечных волн в объект контроля.
Существуют преобразователи, которые являются промежуточным звеном между контактным и иммерсионным ультразвуком. При этом под излучающую поверхность ультразвука непрерывно подаётся вода (рис.56).

Рисунок 56 – Преобразователь с непрерывной подачей воды для обеспечения стабильного акустического контакта
Тип ПЭП определяют сочетанием перечисленных выше признаков. Каждому типу ПЭП соответствует условное обозначение, структура которого приведена ниже.

Приложенные файлы

  • docx 14667402
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий