Способы возбуждения ультразвуковых колебаний

3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Вопрос 10.  Способы возбуждения ультразвуковых колебаний

Наибольшее распространение получил способ, основанный на явлении пьезоэлектрического эффекта. В 1880 г. французские ученые братья Пьер и Жак Кюри заметили, что деформация пластинки кварца вызывает появле­ние на ее гранях электрических зарядов. Если на пластинку кварца нанести электроды и с помощью проводников подсоединить их к чувствительному прибору, то окажется, что при сжатии пластинки возникает электрическое напряжение. При растяжении пластинки также получается напряжение, причем той же величины, но противоположного знака.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхностях пластинки при ее деформации называется прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

На рис. 5.16 схематически показано строение элементарной ячейки кристалла кварца SiO2. Знаком «плюс» обозначены атомы кремния с зарядом + 4, «минус» - группы из двух атомов кислорода с зарядом - 4. Ячейка не деформиро­вана и является электрически нейтральной. Заряд атома 1 компенсируется зарядами групп 2 и 6, расположенных от плоскости А дальше, чем атом 1.

При сжатии пластины отрицательные группы 2 и 6 выдвигаются к плоскости А, и на этой поверхности появляется избыточный отрицатель­ный заряд. У поверхнос­ти Б по такой же причине возникнет избыточный по­ложительный заряд. При изменении направления деформации полярность заряда поверх­ностей А и Б меняется на противоположную.

Пьезоэффект является свойством кристаллов и связан с наличием од­ной или многих осей. Естественный кристалл кварца представляет собой весьма стабильный материал, как с химической, так и с физической точки зрения, и имеет высокую степень твердости. Кристалл кварца имеет форму шестигранной призмы, оканчивающейся пирамидоподобными сужениями на концах (рис. 5.17). Если провести линию, параллельную граням призмы, то эта линия определит оптическую ось кристалла (ось Z). Электрическая ось определяется линией, соединяющей противоположные углы шести­гранной призмы - ось х, поэтому имеется три оси х в каждом естественном кристалле кварца (рис. 5.18). Ось у направлена перпендикулярно к каждой площадке призмы, этих осей в кристалле также три. Оси х и у перпендику­лярны оси z.

Пьезоэффект наблюдается лучше всего в случае, когда пластинки выре­заны в плоскости, параллельной оси z и одной из осей у и перпендикулярны оси х. Такую пластинку называют х-срезом.  Если пластинку, вырезанную та­ким способом, деформировать в на­правлении оси х, то на ее поверхнос­ти возникнут электрические заряды. Если пластину поместить в перемен­ное электрическое поле, направленное вдоль оси Х то пластина будет совершать толщинные колебания (рис. 5.19)

В некоторых случаях изготавливают пластины Y-среза, то есть такие, которые вырезаны перпендикулярно оси Y и параллельно осям х и z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колебания (рис. 5.19). Пластинки Х-среза служат для возбуждения продольных, а Y-среза – поперечных волн.

Пластинки для преобразователей выполняют толщиной в половину длины волны в пьезоматериале.

Термоакустический эффект. Известно, что если нагреть поверхност­ный участок какого-либо тела, то другие участки этого тела приобре­тут повышенную температуру не сразу, а лишь спустя некоторое время. Неравномерное распределение температуры приводит к неравномерному тепловому расширению тела, к появлению термомеханических напряже­ний. Поскольку эти напряжения изменяются во времени, то в результате возникают акустические волны, формируемые слоем с изменяющейся тем­пературой. В этом и заключается суть термоакустического эффекта.

Нагрев может осуществляться бесконтактно (индукционный нагрев) и даже дистанционно (нагрев лучом лазера), что дает возможность для бес­контактного возбуждения акустических колебаний в объекте контроля.

Электромагнитно-акустические (ЭМА) методы возбуждения и при­ема ультразвуковых колебаний основаны на явлениях магнитострикции, магнитного и электродинамического взаимодействия.

Магнитострикцией называется явление изменения геометрических размеров ферромагнитных материалов под воздействием изменяю­щегося внешнего магнитного поля. Обратный эффект называется магнитоупругостью.

Бесконтактное возбуждение и прием ультразвуковых колебаний осуществляется за счет магнитострикционного и магнитоупругого эф­фектов, наблюдаемых непосредствен­но в контролируемом изделии. Схема ЭМА-преобразователя (ЭМАП) изображена на рис. 5.20. Магнитное взаимодействие заключается во взаимном притяжении и отталкива­нии ферромагнитного материала и проводника (катушки) с переменным электрическим током. Например, под действием постоянного магнитного поля изделие намагнитится. Катушка с переменным током будет притягиваться и отталкиваться от него в зависи­мости от направления образовавшегося в ней магнитного поля. Притяжение и отталкивание катушки будет оказывать обратное механическое воздейст­вие на изделие, что приведет к возбуждению упругих колебаний на его по­верхности. Возникающие при этом силы будут поверхностными, поскольку магнитный полюс образуется на поверхности изделия. Прием упругих коле­баний будет происходить в результате того, что поверхность изделия будет приближаться и удаляться от катушки, изменяя в ней магнитное поле, что в свою очередь приведет к возникновению электрического тока в катушке.

Электродинамическое взаимодействие состоит в возбуждении в токопроводящем материале вихревых токов, которые взаимодействуют с пос­тоянным магнитным полем и вызывают колебания «электронного газа», а это, в свою очередь, приводит к возбуждению колебаний атомов, т. е. крис­таллической решетки материала. Например, вихревые токи (рис. 5.20), ин­дуцируемые в изделии катушкой 2 с переменным током, будут направлены перпендикулярно плоскости чертежа (отмечены точками), а силы их взаи­модействия с магнитным полем - параллельно поверхности изделия. В ре­зультате в изделии возбудится поперечная волна. Поскольку вихревые токи распределены в слое конечной толщины, возникающие упругие силы будут носить объемный характер, но вследствие скин-эффекта они будут концен­трироваться в узком подповерхностном слое. Обратный эффект состоит в возбуждении вихревых токов в металле, колеблющемся в постоянном поле под действием упругих волн. Эти вихревые токи индуцируют переменный ток в катушке 2, которая в данном случае служит приемником.

Эффекты магнитострикции и магнитного взаимодействия позволяют возбуждать продольные ультразвуковые волны как в ферромагнитных ме­таллах, так и в магнитодиэлектриках. При определенной взаимной ориента­ции поля подмагничивания и переменного поля эффект магнитострикции может обеспечить возбуждение поперечных волн. Электродинамический эффект обуславливает возбуждение волн разных типов в любых токопроводящих материалах. В ферромагнитных металлах, например в железе, на­блюдаются одновременно все три эффекта, поэтому работу ЭМАП, исполь­зующих все три эффекта, рассматривают в целом. Благодаря указанным особенностям ЭМАП позволяют возбуждать в объекте контроля волны практически любых типов, в том числе и такие, которые невозможно со­здать ПЭП, например, поперечные волны SH-поляризации.

При использовании ЭМАП не требуется применение контактной жид­кости, поэтому при таком способе легче автоматизировать процесс кон­троля. Недостатками способа долгое время считались большие габариты ЭМАП и меньшая чувствительность, чем при использовании ПЭП. Однако в последние годы благодаря применению метода когерентного накопления полезного сигнала ЭМА-средства контроля практически достигли чувстви­тельности методов с использованием ПЭП. Благодаря этому и указанным ранее особенностям область применения ЭМА-метода существенно расши­рилась.