Типы пьезоэлектрических преобразователей

Пьезоэлектрические преобразователи разделяют на типы в зависимости от следующих основных характеристик:

1) тип волны (продольная, поперечная или поверхностная);

2) тип акустического контакта (контактный ультразвук, иммерсионный ввод, или через воздух);

3) направление излучения (прямой или наклонный УЗ-луч);

4) количество пьезоэлектрических элементов (один или несколько);

5) поверхность излучения преобразователя (плоская или неплоская);

6) ширина полосы пропускания (широкополосный или узкополосный);

7) 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;