3.2.2 Пьезоэлектрические материалы и их характеристики
В ультразвуковой дефектоскопии применяются следующие пьезоэлектрические материалы:
естественные – кварц, турмалин, сигнетовая соль
искусственные – титанат бария, ЦТС ( цирконат титанат свинца )
Кварц обладает высокой стабильностью в работе( постоянный пьезоэффект), и влагостойкостью. Точка Кюри (температрура, при которой материал теряет пьезоэлектрические свойства) 5700С. Он устойчив к высоким температурам и плавится при температуре t = 14700С. Кварц широко не используется, так как пьезоэлектрические свойства возникают при высоком напряжении, приблизительно 1000 В и высока стоимость его изготовления. Кварц хрупкий и не выдерживает больших механических нагрузок.
Титанат бария обладает пьезоэлектрическими свойствами примерно в сто раз выше, чем у кварца. К пластинам прикладывается напряжение приблизительно 100В. У титаната бария высокая механическая прочность и высокая хрупкость. Пластину из титаната бария изготавливают путем прессования с последующим спеканием притемпературе 15000С, затем поляризуют в масле, нагревая до температуры 120-1500С, помещают в электрическое поле и выдерживают в течении 1-2 часов. Точка Кюри 1000С
ЦТС – это синтетическая, спеченная из массы определенного химического состава пьезокерамика. На поверхности изготовленных таким образом пластин наносят (краской, вжиганием или напылением) металлические (серебряные, никелевые) электроды. Далее пластины выдерживают длительное время под большим постоянным напряжением (поляризуют), чтобы материал приобрел пьезосвойства. В последнее время является наиболее часто применимым для изготовления пьезопластин. Пластины имеют высокую чувствительность и работают более стабильно. Механически прочные, но хрупкие. Точка Кюри 3000С
3.2.3 Форма ультразвукового пучка. Диаграмма направленности
D – диаметр пьезопластины
а – радиус пьезопластины
Lбл – длина ближней зоны (зона Френеля)
Lд – длина дальней зона (зона Фраунгофера)
Φр – угол расхождения
Если размеры излучателя меньше длины волны, то от него распространяются сферические волны и излучение будет ненаправленным.
Если размеры пьезопластины существенно больше длины волны, то ультразвуковые колебания в однородном металле будут распространяться в виде направленного пучка. Вблизи от излучателя на участке, называемом ближней зоной ультразвуковая волна распространяется почти без расхождения в сторону и имеет цилиндрическую форму.
Протяженность ближней зоны:
Lбл = a2 / λ = a2 f / C
Ближняя зона увеличивается с увеличением радиуса пластины а и частоты f.
В дальней зоне или зоне Фраунгофера начинается постепенное расхождение волны и пучок приобретает форму усеченного конуса. Угол расхождения φр зависит от соотношения длины волны и радиуса излучателя:
Sin φр = 0,61λ / a = 0,61C / a f
Угол расхождения уменьшается с увеличением произведения аf. Распределение энергии в поперечном сечении конуса неравномерно, максимальная интенсивность излучения сосредоточена на оси пучка, минимальная - на периферии конуса.
Диаграмма направленности – это зависимость распределения интенсивности ультразвукового пучка от угла расхождения φр, представленная в полярных координатах.
Диаграмма направленности не зависит от расстояния до излучателя.
Центральная часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда поля уменьшается от единицы до нуля, называется основным лепестком. В пределах основного лепестка сосредоточено около 85% энергии поля излучателя. Вне основного лепестка диаграмма направленности имеет вид боковых лепестков
Шириной диаграммы напрвленности называют расхождение ультразвукового луча от осевого направления, при котором интенсивность ультразвука снижается до 0,61 от максимального значения.
В большинстве случаев стараются иметь более узкую диаграмму направленности для лучшего выявления, а также более точного определения координат и формы дефектов.
Диаграмма направленности ультразвукового пучка тем уже, чем больше произведение радиуса излучателя на частоту излученных колебаний или уменьшение длины волны.