3. Излучение и прием акустических волн

Для излучения и приема акустических волн в акустическом контроле ис­пользуют преобразование электрических колебаний в механические и обратно с помощью электроакустических преобразователей (ЭАП).

3.1.Пьезоэлектрические преобразователи

В ЭАП для акустических методов контроля чаще всего используют пье­зоэлектрический эффект. Пьезоэлектричество (от греч. Piezo – давлю) – возникновение электрической поляризации некоторых диэлектриков при их механической деформации. Соответствующие преобразователи называют пье­зоэлектрическими (ПЭП). Чувствительный элемент из пьезоматериала (пьезо- элемент) обычно имеет форму пластины. На противоположные ее поверхности наносят металлические (серебряные, медные) электроды. Значительно реже применяют пьезоэлементы другой формы, поэтому здесь они не рассматрива­ются.

При подаче на электроды электрического напряжения пластина изменяет свои размеры или испытывает деформацию сдвига вследствие так называемого обратного пьезоэффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина ко­леблется в такт с этими изменениями, создавая в окружающей среде упругие колебания, при этом пластина работает как излучатель. Наоборот, если пьезопластина воспринимает импульс давления или сдвига (акустическую волну), то на электродах вследствие прямого пьезоэффекта появятся электрические заряды. В этом случае пластина работает как приемник.

Способы акустического контакта. Преимущества пьезоэлектрического способа излучения и приема перед другими, описанными далее, состоят в вы­сокой эффективности преобразования и малогабаритности преобразователей. Основной недостаток – необходимость контактной среды (обычно жидкости) для передачи акустических колебаний от преобразователя к объекту контроля и

обратно. В зависимости от толщины слоя контактной жидкости различают три способа ввода ультразвуковых колебаний (акустического контакта).

При контактном способе слой жидкости имеет толщину меньше длины волны ультразвука в ней л. Этого достигают путем плотного прижатия преоб­разователя (давление должно быть не меньше 200 Па) к объекту контроля, на поверхность которого предварительно наносят хорошо смачивающую жид­кость (масло, глицерин, воду со смачивающими добавками и др.). Нарушение жидкой прослойки или изменение ее толщины приводит к изменению качества акустического контакта и, как следствие, к снижению достоверности результа­тов контроля. При контактном ручном способе контроля для обеспечения ста­бильности контакта, как правило, производят подготовку поверхности.

Для снижения нестабильности акустического контакта применяют щеле­вой и имерсионный способы ввода колебаний. При щелевом способе конструк­ция преобразователя предусматривает поддержание постоянного слоя контакт­ной жидкости толщиной порядка л. Такой способ ввода применяют как при ручном, так и при автоматизированном ультразвуковом контроле. Шерохова­тость поверхности Rz<40 мкм.

В иммерсионном способе (от позднелат. immersio– погружение), приме­няемом преимущественно при автоматическом контроле, слой жидкости имеет толщину, значительно большую длины волны. Если используют акустические импульсы, то слой считают толстым или протяженным, если в нем не возника­ет интерференции, связанной с отражением импульсов от границ слоя.

Для обеспечения иммерсионного варианта акустического контакта объ­ект контроля целиком погружают в иммерсионную ванну. Иногда в зоне кон­троля создают локальную иммерсионную ванну либо применяют струйный контакт (через струю жидкости). Иммерсионный способ применяют при кон­троле объектов с сильно шероховатой поверхностью, но без макронеровностей.

Иногда в качестве передающей среды используют не жидкость, а тонкие слои резины или эластичной пластмассы (например, полиуретана). При кон­троле низкочастотными (до 100 кГц ) методами (например, импедансным) применяют сухой точечный контакт:

преобразователь со сферическим наконечником прижимают к поверхно­сти объекта контроля без применения контактной жидкости.

При контроле изделий из пластмассы и композитных материалов иногда применяют акустический контакт через слой воздуха: воздушно-акустическую связь. Такой способ связи не употребляют при контроле металлов из-за боль­шой разницы акустических сопротивлений и малом коэффициенте прозрачно­сти. Разница волновых сопротивлений для воздуха и пластмассы существенно меньше, поэтому доля прошедшей в объект контроля акустической энергии достаточна для выполнения контроля.

Через контактную жидкость (или газ) вводят продольную и наклонную поперечную вертикально полязированную волну. В последнем случае падаю­щая из жидкости продольная волна трансформируется в поперечную верти­кально поляризованную волну. Поперечную волну, у которой колебания частиц параллельны контактной поверхности (горизонтально поляризованную), по­добным способом не возбуждают.

Поперечные колебания, имеющие такое направление смещения, практически не пройдут через слой жидкости. Строго го­воря, за счет явления вязкости поперечную горизонтально поляризованную волну можно передать через тонкий слой контактной жидкости, но при этом велики потери энергии.

Характеристики ПЭП. Пьезопластина является основным чувствитель­ным элементом ПЭП. Она электрически соединена с генератором и приемни­ком прибора, а механически – с другими элементами преобразователя: демп­фером, в который излучается (и там гасится) часть колебательной энергии; протектором – тонкой прослойкой, предохраняющей пьезопластину от внеш­них воздействий. Иногда пьезопластина механически соединена с толстой плоскопараллельной или клиновидной призмой, в которую излучается акусти­ческая волна прежде чем попасть в объект контроля.

Современные дефектоскопы комплектуют набором излучателей и прием­ников ультразвуковых волн – электроакустических преобразователей (ЭАП). Здесь рассмотрены только пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), на­шедшие наиболее широкое применение.

Прямой преобразователь контактного типа (рис. 3.1, а) предназначен для работы по совмещенной схеме. Пьезопластину 1 обычно изготовляют из пъезокерамики (как правилоцирконат-титанат-свинца (ЦТС) или твердые четырехкомпонентные системы, включающие титанат свинца и цирконат свинца (ПКР).

а – прямой, б – наклонный, в – раздельно-совмещенный

Рисунок 3.1 – Основные типы преобразователей

Толщину пьезопластины делают равной половине длины волны. Для ЦТС на частотах 1... 10 МГц она равна 0,16... 1,6 мм.

На поверхности пьезопластины методами вжигания, осаждения или на­пыления в вакууме наносят серебряные или медные электроды, которые систе­мой проводников 5 соединяют с кабелем 7, а через него–с дефектоскопом. Внешнюю оплетку кабеля и наружную сторону пьезопластины соединяют с металлическим корпусом 6 преобразователя. В преобразователе (или вблизи него) располагают катушку индуктивности 4 для настройки на резонансную, частоту. Пьезопластину приклеивают к демпферу 2, который повышает ее меха­ническую прочность и расширяет полосу пропускания. Для того чтобы ультра­звуковые колебания, отраженные от задней поверхности демпфера, не вызыва­ли помех, демпфер изготовляют из звукогасящего материала, например из эпоксидной смолы с порошкообразным наполнителем из тяжелого металла (вольфрама) в весовой пропорции 1/6 ...1/12. Это приближает волновое сопро­тивление демпфера и увеличивает широкополосность преобразователя. При контроле изделий большей толщины, когда разрешающая способность не имеет существенного значения, а повышение чувствительности весьма желательно, применяют демпфер с малым акустическим сопротивлением.

Протектор 3 ПЭП должен обладать высокой износоустойчивостью, обес­печить высокую чувствительность преобразователя и стабильность акустиче­ского контакта его с изделием. Протектор, изготовленный из металла или ке­рамики, хорошо удовлетворяет лишь первым двум из указанных условий, а из материала с повышенным затуханием ультразвука–эпоксидной смолы с металлическим (предпочтительно бериллиевым) наполнителем или из пластика (полиуретана) – повышает стабильность акустического контакта, однако износостойкость такого протектора ниже, чем металлокерамического. Протектор делают тонким (0,2 ...0,5 от ), чтобы ускорить гашение многократных отражений в нем ультразвука.

Пьезопластину ПЭП делают обычно круглой. Размеры выбирают с уче­том поля излучения-приема. Увеличение диаметра сужает диаграмму направ­ленности в дальней зоне, но в то же время увеличивает протяженность ближ­ней зоны, где оценка размеров и местоположения дефектов затрудняется нали­чием максимумов и минимумов сигнала. Целесообразно применять пластины малого размера для контроля тонких изделий и большого–для контроля изде­лий значительной толщины.

Наклонный преобразователь (рис. 3.1, б) отличается от нормального на­личием призмы 8. Пьезоэлемент излучает в призму продольные волны, которые на границе призмы с изделием преломляются, а частично – отражаются. Не вошедшая в изделие часть ультразвуковой энергии попадает в ловушку (перед­няя и верхняя части призмы) и гасится в ней. Демпфер 2 иногда совсем отсут­ствует, что повышает коэффициент преобразования. Пьезопластине для уменьшения пути ультразвука в призме часто придают не круглую, а квадрат­ную или прямоугольную форму, ее приклеивают к призме.

Призму делают чаще всего из органического стекла (плексигласа). Этот материал достаточно хорошо пропускает ультразвуковые волны, но в то же время быстро гасит их в ловушке. В высокочастотных преобразователях при­меняют, материалы с меньшим затуханием ультразвука (полистирол), а в низ­кочастотных–с большим, так как коэффициент затухания возрастает с часто­той.

Угол наклона призмы (рис. 3.2) должен обеспечить введение в объект контроля воли требуемого типа под нужным углом. Чаще всего вводят попе­речные волны, а углы выбирают между первым и вторым критическими. Одна­ко, чтобы не возникали другие (мешающие) типы волн, углы призмы делают такими, чтобы они на 2...3° не доходили до критических значений.

Рисунок 3.2 – К конструированию призмы наклонного преобразователя; поперечные волны показаны штриховыми линиями

Для контроля аустенитных сварных соединений с большим затуханием и рефракцией поперечных волн применяют продольные волны, распространяю­щиеся под углом к поверхности. Для их возбуждения угол призмы делают меньше первого критического. Поперечные волны, возникающие одновремен­но спродольными, создают при этом помехи. Выбирая соответствующие углы наклона, возбуждают поверхностные, головные волны и различные моды волн в пластинах и стержнях.

При конструировании призмы преобразователей, предназначенных для работы по совмещенной схеме, обращают внимание на то, чтобы не возникало ложных сигналов в результате отражения от элементов призмы. Пучок волн при этом считают параллельным, так как отражатели находятся в ближней зоне пьезопластаны.

Раздельно-совмещенный (PC) преобразователь (рис. 3.1, в) имеет излу­чающий и приемный пьезоэлементы, которые разделены акустически и элек­трически экраном 9. В то же время они объединены конструктивно в одном корпусе 6. Благодаря разделению электрический и акустический зондирующие импульсы и сопровождающие их помехи практически не попадают на прием­ник. В результате уменьшается минимальная глубина прозвучивания (мертвая зона).

Пьезоэлементы 1 PC-преобразователей обычно имеют прямоугольную или полукруглую форму. Их располагают на призмах из оргстекла 8 с неболь­шими углами наклона (0 ...10°), при которых в изделие излучаются продольные волны, а поперечные имеют небольшую амплитуду. Варьируя углы призм, их высоту, расстояние между ними и размеры пьезоэлементов, можно изменять положение максимума чувствительности (фокуса), минимальную и максималь­ную глубину прозвучивания. Возможно даже обеспечить постоянную чувстви­тельность к дефектам при их различном расстоянии от поверхности.

На рис. 3.1, в показан прямой раздельно-совмещенный преобразователь. Его общая акустическая ось, проходящая посередине между одинаковыми из­лучателем и приемником, направлена нормально к поверхности.

Наклонные PC-преобразователи применяют в двух вариантах (рис. 3.3): тандем, когда из­лучатель и приемник расположены один за другим в плоскости падения, и дуэт, когда они расположены рядом. Угол 6 между проекциями акустических осей на поверхность ввода и биссектрисой называют углом разворота

Для возбуждения и приема головных волн используют только РС- преобразователи, так как в противном случае большой уровень шумов полно­стью маскирует полезный сигнал. Чаще применяют вариант дуэт, имеющий бо­лее высокую чувствительность к дефектам.

РРисунок 3.3 – Наклонные PC преобразователи типа тандем (а) и дуэт (б)

Иммерсионный преобразователь для контроля изделия, погруженного в иммерсионную ванну, отличается от прямого тем, что имеет повышенное волновое сопротивление демпфера. Протектор изготовляют обычно из эпок­сидной смолы толщиной в четверть длины волны. Он обеспечивает просветле­ние границы пьезоэлемент– иммерсионная жидкость и гидроизоляцию пьезопластины. Вариантами иммерсионного преобразователя являются струйный (с контактом через струю жидкости) и с локальной иммерсионной ванной.

Другие типы преобразователей укажем, чтобы дать их определения и области применения. Широкозахватные ПЭП имеют сильно вытянутую прямо­угольную пьезопластину; они позволяют контролировать широкую полосу из­делия за один проход. Широкополосные ПЭП работают в полосе частот боль­ше одной октавы. Фокусирующие ПЭП дают концентрацию ультразвуковой энергии в небольшой зоне – фокусе.Веерные ПЭП излучают расходящийся в широком диапазоне углов пучок лучей для выявления разноориентированных плоскостных дефектов.

Щелевые ПЭП предназначены для контроля изделий через слой контактной жидкости небольшой толщины, причем зазор обеспечи­вает конструкция преобразователя. ПЭП с переменным углом позволяют изме­нять угол ввода.