Наклонные совмещенные преобразователи

Вопрос 13. Наклонные совмещенные преобразователи.

Прямым нормаль­ным преобразователем в изделие вводят только продольные волны; возбуждение же и одновременный наклонный ввод не столько продольных, сколько волн других типов осуществляют наклон­ным преобразователем. Это обеспечивается благодаря тому, что в отличие от прямого наклонный преобразователь имеет призму (линию задержки), на которую под определенным углом приклеи­вают пьезоэлемент. Пьезоэлемент излучает в призму продольные волны, которые на границе призмы с изделием преломляются, трансформируются и частично отражаются в призму.

Рис. 9.4

 Вероятность возбуждения волны того или иного типа и ее энергия зависят от угла наклона . Для возбуждения продольной волны в изделии угол  выбирают меньше первого критического на 4 ... 10°. Преобразователи с для системы плексиглас — сталь успешно применяют при контроле аустенитных сварных швов. При  в изделии возбуждается продольная головная волна, которая успешно используется для обнаружения подпо­верхностных дефектов в сварных швах. При  в контроли­руемом изделии возникают поверхностная и головная поперечные волны, позволяющие уверенно выявлять поверхностные и подповерхностные дефекты. При в изделии воз­буждается только поперечная волна. Для уменьшения влияния неоднородных волн, возникающих при критических углах, вы­бирают углы призмы, которые на 3 ... 4° больше первого крити­ческого и меньше второго критического, т. е.  . Например, для системы плексиглас—сталь , а углы наклона серийных ПЭП лежат в интервале 30 ... 55°.

Одним из важных элементов, определяющих эксплуатацион­ные характеристики наклонных преобразователей является призма. При разработке этих ПЭП размеры, форму и материал призмы надо выбирать таким образом, чтобы она имела наилуч­шую реверберационно-шумовую характеристику и по возмож­ности удовлетворяла следующим требованиям: обеспечивала эффективное затухание колебаний, переотраженных от границы раздела призма — изделие и распространяющихся в призме, и в то же время не сильно ослабляла ультразвуковые волны на коротком участке пути от пьезоэлемента до изделия. Скорость звука в материале призмы по возможности должна быть минимальной, так как чем меньше скорость продольных волн в материале призмы, тем выше коэффициент преломления (транс­формации)  и меньше вероятность образования поверхностной волны при прозвучивании нижней части шва прямым лучом. Призмы с малой скоростью звука обеспечивают более поздний приход полезного сигнала по сравнению с реверберационными помехами. Кроме того, малая скорость звука увеличивает путь, по которому акустические помехи попадают на пьезоэлемент.

Наряду с отмеченными требованиями материал призм должен обладать хорошей износостойкостью, смачиваемостью и значи­тельным  пределом  термостабильиости.

Всем перечисленным требованиям не может удовлетворять какой-то один материал, поэтому в зависимости от конкретных условий предпочтение отдают тому или другому материалу. В эхо-импульсной дефектоскопии на частотах 2 ... 8 МГц наибо­лее распространены материалы на основе акрильных пластмасс (оргстекло, полистирол, полиамид и т, п.). Благодаря хорошей смачиваемости этих материалов ПЭП обладают достаточно высо­кой стабильностью акустического контакта. Кроме того, мате­риалы этой группы легко поддаются механической обработке и весьма  доступны.

В лекции "3.5. Другие картографические произведения" также много полезной информации.

Используют также полимерные материалы — капролон, по­ликарбонат, которые в отличие от оргстекла обладают более вы­сокой износостойкостью (в 3 ... 7 раз), термостабильностью и низким водопоглощением. Вследствие более высокого (в 3 ... 4 раза) коэффициента затухания ультразвука в этих материалах ПЭП имеют более благоприятную реверберационно-шумовую характеристику. Однако адгезия этих материалов по отношению к пьезокерамике и смачиваемость контактными жидкостями зна­чительно  хуже,   чем  оргстекла.

При выборе материала, формы и размера пьезоэлемента на­клонных ПЭП руководствуются теми же соображениями, что и для прямых ПЭП.

Демпфер в наклонных ПЭП либо совсем отсутствует, либо его изготовляют с малым акустическим сопротивлением. Обычно в качестве демпфера используют тот же компаунд, которым при­клеивают  пьезопластину  к  призме.

Реверберационно-шумовая характеристика наклонного ПЭП в значительной мере зависит от конструкции призмы и ее гео­метрических размеров, прежде всего стрелы  и высоты  призмы. Для уменьшения влияния реверберанионных помех, которые возникают от падающей на нижнюю грань под углом  продоль­ной волны, необходимо, чтобы стрела ПЭП — расстояние от точки выхода до передней грани призмы . Это соот­ношение выполняется в том случае, когда крайний луч от верх­ней части пьезопластины не падает на переднюю грань призмы или на двугранный угол, а лучи пучка считаются параллельными. Если это условие не соблюдается, луч значительной интенсивности отражается назад, к пьезопластине, создавая значительные шумы в ПЭП. В призме должна гаситься и отраженная поперечная волна, распространяющаяся под углом . Это требование выполняется при условии, если нижний луч поперечной волны не попадает на верхнюю часть пьезопластины. Минимальная высота призмы, при которой удовлетворяется данное требование, . Поскольку при углах в призме отраженная поперечная волна обладает крайне малой энергией, вместо  следует брать . При  отраженная поперечная волна не попадает на пьезопластину и минимальное значение  определяется только размером пла­стины: .

Боковые лепестки диаграммы направленности также создают дополнительные шумы в ПЭП. Учесть их влияние расчетным путем достаточно сложно. ПЭП на частоту 5 МГц и выше обла­дают значительно более благоприятной РШХ, чем ПЭП на ча­стоту 1,25 и 2,5 МГц, благодаря большему затуханию УЗ-колебаний   внутри   призмы.

Для улучшения РШХ наклонных ПЭП призму делают ребри­стой или придают ей сложную форму, предусматривают специаль­ные ловушки, изготовленные из материала с большим коэффи­циентом затухания, но с тем же импедансом, что и материал призмы. Для повышения износостойкости ПЭП и улучшения качества акустического контакта, особенно при контроле изделия с грубо-обработанной поверхностью, применяют либо скользящий эла­стичный протектор в виде непрерывной ленты из маслостойкой резины или полиуретана, либо в виде приклеенной пластины из ситалла или лигнофоля (прессованной древесины).