Классификация ультразвуковых преобразователей

Вопрос 11. Классификация ультразвуковых преобразователей

Достоверность ультразвуковой дефектоскопии во многом за­висит от надежной работы преобразователя — одного из главных элементов в системе неразрушающего контроля этого вида. Преоб­разователи классифицируют по ряду признаков:

По способу акустического контакта твердотельной части преобразователя (протектора, призмы) с контролируемым объек­том различают:

- контактные преобразователи, которые прижимают к поверх­ности изделия, предварительно смазанной жидкостью (маслом, глицерином и т. п.); в некоторых случаях слой жидкости заме­няют эластичным материалом (эластичным протектором);

- иммерсионные преобразователи, между поверхностью кото­рых и изделием имеется толстый слой жидкости (толщина этого слоя во много раз превышает длину волны); при этом изделие це­ликом или частично погружают в иммерсионную ванну, исполь­зуют струю воды и т. д.;

- контактно-иммерсионные преобразователи, снабженные локаль­ной иммерсионной ванной с эластичной мембраной, контактирую­щей с изделием непосредственно или через тонкий слой жидкости;

- щелевые (менисковые) преобразователи, между поверхностью которых и изделием создается зазор около длины волны ультра­звука; жидкость в зазоре удерживается силами поверхностного натяжения;

- преобразователи с сухим точечным контактом, имеющие ша­рообразную поверхность, соприкасающуюся с изделием; площадь соприкосновения  0,01 ... 0,50 мм²;

- бесконтактные преобразователи, возбуждающие акустические колебания в изделии через слой воздуха (воздушно-акустическая связь) с помощью электромагнитно-акустического и оптикотепловых эффектов; эти преобразователи не нашли широкого практи­ческого применения, так как их чувствительность в десятки тысяч раз ниже чувствительности других преобразователей.

Рекомендуемые материалы

Использование контактных преобразователей с эластичным протектором, а также щелевых, контактно-иммерсионных и бес­контактных позволяет снизить требования к параметрам шерохо­ватости   поверхности   контролируемого   изделия.

В зависимости от способа соединения преобразователей с элек­трической схемой прибора можно выделить:

- совмещенные преобразователи, которые соединяются одно­временно с генератором и усилителем прибора и служат как для излучения, так и приема ультразвука;

- раздельные преобразователи, состоящие из излучателя, соеди­ненного с генератором прибора, и приемника, соединенного с уси­лителем;

- раздельно-совмещенные преобразователи, состоящие из излу­чающего и приемного элементов, конструктивно связанных между собой, но разделенных электрическим и акустическим экранами.

По направлению акустической оси преобразователи подраз­деляют на прямые, излучающие волны нормально к поверхности изделия,   и   наклонные.

Раздельно-совмещенные преобразователи называют нормаль­ными или наклонными, в зависимости от направления их общей акустической оси, соответствующей направлению максимальной чувствительности таких преобразователей. Преобразователи с пе­ременным углом наклона позволяют изменять угол ввода лучей.

По форме акустического поля различают:

- плоские преобразователи с пьезопластиной плоской формы, форма акустического поля которых зависит от формы электродов, поляризации пьезопластины и т. п.;

- фокусирующие преобразователи, обеспечивающие сужение акустического поля в некоторой области контролируемого объекта;

- широконаправленные (веерные), излучающие пучок расходя­щихся лучей;

- фазированные решетки (мозаичные преобразователи), пред­ставляющие собой плоские преобразователи, состоящие из ряда отдельно управляемых элементов; подавая различные по фазе и амплитуде сигналы на эти элементы, можно изменять направле­ние излучения (т. е. угол ввода), добиваться фокусировки или расфокусировки, устранять боковые лепестки.

В зависимости от ширины полосы рабочих частот выделяют узкополосные и широкополосные преобразователи. К первому типу условно относят преобразователи с шириной полосы про­пускания, меньшей одной октавы, а ко второму – с шириной полосы пропускания, большей одной октавы (отношение макси­мальной частоты к минимальной больше двух). Увеличения ши­рины полосы можно достичь, использовав пьезоэлемент перемен­ной толщины, а также включив в конструкцию несколько актив­ных (т. е. из пьезоэлектрических материалов) и пассивных (непье­зоэлектрических) слоев или применив толстый пьезоэлемент, излучающий только своей поверхностью (остальная часть плас­тины служит просто волноводом). В зависимости от способа до­стижения широкополосности различают преобразователи пере­менной толщины, многослойные и толстые (апериодические) пре­образователи.

Для обозначения преобразователей принята буквенно-цифро­вая система, отражающая большинство перечисленных призна­ков. Первая буква П означает «Преобразователь». Далее следует группа цифр, первая из которых означает способ контакта, на которой преобразователь рассчитан (1 — контактный, 2 — иммер­сионный, 3 —контактно-иммерсионный); вторая – направление акустической оси (1 —для прямых преобразователей, 2 —для наклонных); третья – режим работы (1 – совмещенный, 2 — раздельный, 3 — раздельно-совмещенный). На следующей по­зиции ставится буква Ф для фокусирующих преобразователей или буква Н для неплоских преобразователей; для плоских буква не ставится. Далее после дефиса следует группа цифр, указываю­щих частоту преобразователя в мегагерцах (с точностью 0,05 МГц). Затем для наклонных преобразователей после дефиса указы­вается угол призмы из органического стекла в градусах (если призма изготовлена из другого материала, проводится соответ­ствующий пересчет на органическое стекло); для прямых преоб­разователей эти цифры не указываются.

Для преобразователей специального назначения после ука­занных цифр применяют условное обозначение дополнительных характеристик, например, Т120 — максимальная температура контролируемого объекта 120 °С; КН — керамическая защита, нормальное исполнение корпуса; К36 —керамическая защита, диаметр пьезоэлемента 36 мм; М — малогабаритное исполнение корпуса; ММ — миниатюрное исполнение корпуса; НЗ —кор­пус нормальный, заливное изготовление призмы, и т. д.

В серийно выпускаемых ультразвуковых дефектоскопах для излучения и приема ультразвука чаще всего используют пьезопластины, обладающие пьезоэлектрическим эффектом. Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов на обкладках пьезопласткны в результате ее деформации. Обратный пьезоэффект заключается в деформации пьезопластины под дей­ствием приложенного электрического поля. Обычно используют деформации растяжения – сжатия пластины по толщине. Обрат­ный пьезоэффект, вызывающий такую деформацию, применяют для излучения продольных волн, а прямой пьезоэффект, связан­ный с деформацией по толщине, - для приема этих волн. Для возбуждения и приема поперечных волн используют деформацию сдвига по толщине. В этом случае для передачи деформации от пластины к изделию используют густые смазочные материалы, так как через жидкотекучие вещества поперечные волны практи­чески не проходят. В качестве такой передающей среды исполь­зуют нетвердеющие эпоксидные смолы.

Таблица 9.1

 Полиамид обеспечивает улучшенное акустическое согласование преобразователя и контролируемого изделия, в том числе при шероховатой и криволинейной поверхности КИ. Кварцевое стекло обеспечивает высокую температурную стабильность времени задержки УЗ в призме и повышенную износостойкость преобразователя.

Вопрос 12. Прямые совмещенные преобразователи.

Выбор ПЭП опреде­ляется конфигурацией изделия, условиями доступа для прове­дения контроля, наиболее вероятным местоположением, типом и ориентацией дефектов, наличием ложных сигналов и т. д. Про­мышленностью выпускаются ПЭП различных типов, описать конструктивные особенности которых не представляется возмож­ным. В связи с этим ограничимся рассмотрением конструкций наиболее распространенных серийных преобразователей. Прямые преобразователи предназначены для возбуждения и приема продольных волн под прямым углом к поверхности изде­лия, находящейся в контакте с преобразователем. Основной эле­мент преобразователя – пьезоэлемент. Применяют, как правило, пьезоэлементы из керамики – цирконат-титаната свинца (ЦТС) или титаната бария. В преобразователях зарубежных фирм чаще используют кварц Х- и Y-среза. Применение кварца, обладаю­щего сравнительно низкой чувствительностью, объясняется его высокой стабильностью и равномерностью излучения всех элементов пьезопластины.

Рис. 9.1 а) преобразователь без акустической задержки; б)  с акустической задержкой.

На рис. 9.1 цифрами обозначены следующие элементы: 1 – пьезоэлемент; 2 – протектор; 3 – демпфер; 4 – заливочная масса; 5 – корпус; 6 – твердая задержка.

Для эффективного возбуждения пьезопластины необходимо, чтобы собственная частота  толщинных колебаний пьезоэлемента совпадала с частотой электрических колебаний , т. е.  . Это условие обеспечивается, когда толщина пьезопластины , где  и  - соответственно длина волны и скорость звука в материале пьезопластины, а соотношение . Пьезопластина, параметры которой удовлетворяют этим требованиям, обеспечивает максимальную амплитуду излучен­ного импульса при прочих равных условиях. В серийных преобра­зователях, работающих на частоте 2,5 МГц и выше, выполняются оба условия, тогда как в преобразователях с более низкой часто­той выполняется только первое условие. Например, в преобразо­вателях на частоту 0,2 МГц , и для выполнения условия  необходимы пьезоэлементы диаметром 150 мм. По­этому для обеспечения второго условия низкочастотные преобра­зователи часто выполняют в виде пакетов, склеенных из несколь­ких пьезопластин, электрически соединенных между собой па­раллельно. При этом суммарная толщина пакета h должна удовлетворять условию  . Число пла­стин в пакете выбирают с учетом конкретного типа электриче­ского генератора. Например, в режиме излучения увеличение числа пластин (при заданной частоте  это эквивалентно умень­шению их толщины) ведет к повышению напряженности электри­ческого поля в каждой из них. Однако при этом увеличивается общая емкость преобразователя, растет нагрузка на электри­ческий генератор и, как результат, падает возбуждающее напря­жение. При одном и том же значении чувствительность много­слойных преобразователей значительно ниже, чем однослойных. Конструкция многослойных преобразователей достаточно сложна, так как к каждой пластине необходимо подвести электрическое напряжение, для чего между ними помещают фольгу, к которой припаивают подводящие провода.

При соблюдении требований к размерам пьезоэлемента можно получить максимальный электрический сигнал на обкладках пластины. Наряду с этим выбор формы и размера (площади) пьезоэлемента обусловлен необходимостью формирования опреде­ленного акустического поля по глубине и сечению.

Рис. 9.2

В серийных ПЭП применяют пьезоэлементы круглой и пря­моугольной формы. Более предпочтительно применение прямо­угольных пьезопластин, которые при одних и тех же линейных размерах имеют большую площадь и обеспечивают формирование более узкой диаграммы направленности.

При выборе поперечных размеров пьезоэлемента следует учи­тывать, что увеличение поперечных размеров сужает характерис­тику направленности и повышает чувствительность в дальней зоне, одновременно увеличивая протяженность ближней зоны, характеризующейся неравномерностью чувствительности по глу­бине и сечению пучка и, следовательно,  пониженной вероятностью обнаружения дефектов. Кроме того, увеличение размеров пьезоэлемента влечет за собой увеличение площади контактной поверхности, что снижает достоверность и воспроизводимость результатов контроля. В то же время пьезоэлемент малых раз­меров, не обеспечивая требуемой мощности излучения, обладает недостаточной разрешающей способностью и пониженной точ­ностью определения координат дефектов вследствие широкой диа­граммы направленности. Согласно данным исследователей при пересчете на поперечные волны оптимальные размеры пьезопластин составляют .

Наряду с изложенными соображениями при выборе размера пьезоэлемента необходимо также иметь в виду, что при работе в ближней зоне снижается вероятность обнаружения дефектов и точность оценки их размеров; поэтому надо стремиться к тому, чтобы пьезоэлемент находился в дальней зоне по отношению к де­фекту. Данное требование выполняется при соблюдении следую­щих условий:

где  — расстояние между дефектом и пьезоэлементом. Для преобразователей с задержкой

,

где — расстояние от точки ввода до центра дефекта в металле. Для прямого ПЭП , а для наклонного и раздельно-совмещенного

где  путь ультразвука в призме.

Для приложения электрического поля на противоположных поверхностях пьезоэлемента располагают металлические (обычно серебряные и никелевые) электроды. Во избежание пробоя по краям пластины часто оставляют неметаллизированную полоску. Соотношение между размерами площадей поверхности пьезопластины, покрытых электродами и свободных от них, суще­ственно влияет на добротность пьезоэлемента и характеристики акустического поля. Регулируя размер электродов пьезоэлемента, можно в довольно широких пределах изменять характеристики акустического поля в изделии. Диаграмму направленности ПЭП можно значительно сужать, используя электроды, секциониро­ванные кольцеобразными проточками. В зависимости от диаметра и резонансной частоты пьезопластины число электродов должно быть от 3 до 7, а их ширина с рабочей стороны пьезоэлемента в 2,5—3,5 раза меньше, чем нерабочей. Ширина проточки на не­рабочей стороне должна быть минимально возможной. Электри­ческие соединения секционирования электродов целесообразно выполнять последовательно для уменьшения суммарной емкости пьезоэлемента и увеличения излучающей площади пьезоэлемента без   перегрузки   генератора.

С целью гашения свободных колебаний пьезопластины, умень­шения длительности зондирующего импульса и расширения по­лосы пропускания с ее нерабочей стороны приклеивают демпфер. Для обеспечения указанных условий материал демпфера должен обладать акустическим сопротивлением, близким к волновому сопротивлению пьезопластины, и большим коэффициентом за­тухания. Выполнить одновременно оба требования достаточно сложно. Например, если демпфер изготовлять из латуни или бронзы, акустическое сопротивление которых примерно такое же, как пьезокерамики, не удается эффективно гасить сигналы, излученные в сторону демпфера, Пьезопреобразователи с такими демпферами наиболее оптимально использовать в режиме приема, в частности при приеме сигналов акустической эмиссии.

Чаще всего демпферы изготовляют из композиционных мате­риалов, состоящих из связующего элемента и рассеивателей. В качестве первых используют компаунды или эпоксидные смолы типа ЭД-5, ЭД-б, а в качестве вторых – порошки тяжелых ме­таллов и их оксидов, а также измельченные кварц, карбид ти­тана, вольфрама или свинца. В серийных прямых ПЭП исполь­зуют демпферы, полученные горячим прессованием порошка вольфрама и связующего пенопласта, в качестве клеящей массы служат эпоксидные клеи. Эти демпферы обладают достаточно вы­соким коэффициентом затухания (до 420 м^-1) и большим акусти­ческим сопротивлением (до 15• 10⁶ Па с/м). Вследствие высокой электрической проводимости таких демпферов и электрического контакта между ними и пьезоэлементом при приклеивании к по­следнему исключается необходимость пайки контакта к нерабо­чей поверхности пьезопластины.

В качестве пластификатора широко применяют также сили­кон, полиуретан, каучук, сырую резину. Демпферы с такими компонентами обладают гораздо более, высоким коэффициентом затухания, чем эпоксидные смолы, при одном и том же коли­честве рассеивателей (порошков). Для оптимального демпфирова­ния необходимо, чтобы акустическое сопротивление демпфера по высоте изменялось по экспоненте, причем максимальное зна­чение должно быть со стороны пьезоэлемента. Этого можно до­стичь вибрационной обработкой массы компаунд — наполни­тель, при которой тяжелые частицы наполнителя (порошка) опускаются к поверхности, которая в дальнейшем приклеивается к пьезопластине. Экспериментально установлено, что для поверх­ности, прилегающей к пьезо пластине, соотношение масс между Компаундом и наполнителем должно составлять 1 : 10 ... 1 : 12; при этом максимальное значение =(6 ... 8) 10⁶ Пас/м. С целью более эффективного гашения многократных отражений демпфер выполняют в виде конуса либо срезают его тыльную поверхность под определенным углом к поверхности пьезопластины.

Для защиты пьезопластины от истирания и повреждения к ней с рабочей стороны приклеивают или припаивают протектор. Помимо высокой износостойкости протектор должен обеспечи­вать наилучшее прохождение ультразвука через границу пьезоэлемент — контролируемое изделие и высокую стабильность аку­стического контакта. С целью обеспечения последнего условия толщина протектора должна быть равна , а его характеристи­ческий импеданс выбирают из условия , где  — характеристические импедансы демпфера и контактной жидкости соответственно.

В качестве материала протектора в прямых совмещенных преобразователях используют минералокерамику (бериллий, твердые износостойкие сплавы и др.). Протекторы из этих мате­риалов обладают высокой износостойкостью, но не обеспечивают стабильности акустического контакта при контроле изделий с различной шероховатостью поверхности. Так, при  = 0,63 ... 320 мкм амплитуда отраженного от дна сигнала может изменяться на 20 дБ. В связи с этим широко применяют полимерные пленки из эластичного материала, например полиуретана. Такой про­тектор, обладая большим коэффициентом поглощения ультра­звука, обеспечивает хорошее гашение многократных отражений. Он может легко деформироваться и в определенной мере облегать неровности поверхности изделия, что также благоприятствует стабильности акустического контакта. Колебания амплитуды не превышают 5 дБ. На практике толщину таких протекторов вы­бирают равной 0,2 ... 1,0 мм. Так как акустические сопротивле­ния полиуретана и пьезоэлемента сильно различаются, между ними помещают согласующие слои, улучшающие прохождение ультразвуком этой границы. Эти слои в серийных ПЭП выпол­няют из эпоксидной смолы с вольфрамовым наполнителем, на­носимой непосредственно на пьезоэлемент.

При контроле изделий сложной конфигурации, с грубообработанной или горячей поверхностью применяют ПЭП с жидкими и твердыми линиями задержки. В первом случае ПЭП называют иммерсионными, в которых в отличие от прямых контактных применяют демпфер с повышенным характеристическим импе­дансом с целью уменьшения добротности ПЭП. Характеристи­ческий импеданс материала пьезопластины в 15 ... 20 раз больше, чем жидкости (воды), поэтому происходит интенсивное отражение ультразвука на границе пьезопластина — жидкость. Для улуч­шения акустического согласования пьезопластины с жидкостью аналогично контактному ПЭП применяют четвертьволновой согла­сующий протектор из эпоксидной смолы, обеспечивающий гидро­изоляцию пьезопластины. Для проведения иммерсионного кон­троля изделие обычно погружают в ванну с жидкостью, а ПЭП располагают на сравнительно большом расстоянии от объекта контроля. Преимущества иммерсионного метода, обе­спечивающего стабильный акустический контакт и возможность контроля из­делия с грубообработайной поверхностью, заставляют искать конструктивные решения в тех случаях, когда погружение всего изделия в ванну затруднительно. В связи с этим предложены кон­струкции локально-иммерсионных ПЭП, в которых при устране­нии громоздкой иммерсионной ванны это преимущество сохра­няется. К ним относят прежде всего менисковые ПЭП и ПЭП с эластичной мембраной.

"27 Металлургия тугоплавких Ме" - тут тоже много полезного для Вас.

Рис. 9.3

Создание менискового контакта наиболее эффективно, когда пьезоэлемент имеет небольшой раз­мер (6 ... 8 мм). В этом случае при слабом давлении жидкости на открытой поверхности образуется выпуклый мениск и благодаря силам поверхностного натяжения жидкость почти не вытекает, даже если преобразователь поднят над изделием; при прижатии к изделию резкого изменения расхода жидкости не наблюдается. Для преобразователей с большим пьезоэлементом разработаны ванны с тонкой эластичной мембраной, препятствующей вытека­нию жидкости и довольно хорошо облегающей неровности по­верхности. Мембрану изготовляют из маслостойкой резины или полиуретана, характеристический импеданс которых близок к импедансу воды. Благодаря этому эхо-сигнал от поверхности мембрана — жидкость практически не наблюдается. Соотношение между высотой и шириной локальной ванны таких ПЭП выби­рают из условия отсутствия боковых отражений.

Применение твердых задержек позволяет прово­дить УЗ-контроль изделий с температурой до 1200 °С. Для кон­троля изделий с температурой до 500 °С при непрерывном контакте изделия с ПЭП в течение 10 ... 15 с в качестве задержек целесооб­разно использовать теплостойкие пластмассы, плавленый кварц или специальное стекло, обладающие низкой теплопроводностью, а в качестве контактирующей среды — силиконовые смазочные материалы- Пьезопластину можно изготовлять из пьезокварца или ЦТС специального сорта. При необходимости контроля изде­лий с температурой до 1200 ºС и длительном его проведении при­меняют задержки из латуни или бронзы с водоохлаждаемыми ру­башками и расплавы солей в качестве контактной жидкости.

Значительное различие акустических импедансов материала за­держки и контактной жидкости вызывает интенсивное отражение ультразвука от торца задержки и резкое уменьшение (более чем в 100 раз) интенсивности прошедшего сигнала.

Отраженные от торца импульсы также сильно затрудняют расшифровку принятых сигналов. С этих позиций более эффек­тивны задержки из пластиков, кварца и стекла, имеющие мень­ший характеристический импеданс и нашедшие гораздо более ши­рокое применение в промышленности по сравнению с металли­ческими. При контроле листового проката применяют специаль­ные преобразователи с водоохлаждаемыми рубашками, обеспе­чивающие ввод и вывод УЗ-колебаний в объект контроля без специальных контактных сред за счет создания сильного давле­ния на поверхность. Под действием давления окалина разру­шается, и ПЭП через вращающуюся цилиндрическую задержку контактирует с нагретой поверхностью контролируемого листа.