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 FT n 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 (FB n) и длина Фокуса (FL n). 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 D _эф. 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.