Форма ультразвукового пучка. Диаграмма направленности

D – диаметр пьезопластины

а – радиус пьезопластины

Lбл – длина ближней зоны (зона Френеля)

Lд – длина дальней зона (зона Фраунгофера)

Φр – угол расхождения

Если размеры излучателя меньше длины волны, то от него распространяются сферические волны и излучение будет ненаправленным.

Если размеры пьезопластины существенно больше длины волны, то ультразвуковые колебания в однородном металле будут распространяться в виде направленного пучка. Вблизи от излучателя на участке, называемом ближней зоной ультразвуковая волна распространяется почти без расхождения в сторону и имеет цилиндрическую форму.

Протяженность ближней зоны:

L_бл = a² / λ = a² f / C

Ближняя зона увеличивается с увеличением радиуса пластины а и частоты f.

В дальней зоне или зоне Фраунгофера начинается постепенное расхождение волны и пучок приобретает форму усеченного конуса. Угол расхождения φр зависит от соотношения длины волны и радиуса излучателя:

Sin φ_р = 0,61λ / a = 0,61C / a f

Угол расхождения уменьшается с увеличением произведения аf. Распределение энергии в поперечном сечении конуса неравномерно, максимальная интенсивность излучения сосредоточена на оси пучка, минимальная - на периферии конуса.

Диаграмма направленности – это зависимость распределения интенсивности ультразвукового пучка от угла расхождения φр, представленная в полярных координатах.

Диаграмма направленности не зависит от расстояния до излучателя.

Центральная часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда поля уменьшается от единицы до нуля, называется основным лепестком. В пределах основного лепестка сосредоточено около 85% энергии поля излучателя. Вне основного лепестка диаграмма направленности имеет вид боковых лепестков

Шириной диаграммы напрвленности называют расхождение ультразвукового луча от осевого направления, при котором интенсивность ультразвука снижается до 0,61 от максимального значения.

В большинстве случаев стараются иметь более узкую диаграмму направленности для лучшего выявления, а также более точного определения координат и формы дефектов.

Диаграмма направленности ультразвукового пучка тем уже, чем больше произведение радиуса излучателя на частоту излученных колебаний или уменьшение длины волны.

3.2.4 Излучатели и приемники ультразвуковых колебаний. Классификация пьезоэлектрических преобразователей.

Излучение ультразвуковых волн и приём отраженных сигналов в ультразвуковой дефектоскопии производится с помощью специальных устройств, называемых пьезоэлектрическими преобразователями.(ПЭП)

ПЭП для приборов неразрушающего контроля классифицируются по ряду признаков:

1) по способу акустического контакта с контролируемым объектом( контактные, иммерсионные, контактно-иммерсионные, щелевые, с сухим точечным контактом, бесконтактные)

2) по способу соединения преобразователей с электрической схемой прибора :

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

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

- раздельно-совмещенные преобразователи, состоящие из излучающегои приемного элементов, находящимися в одном корпусе, но разделенных экранами.

3) по направлению ультразвуковой волны:

- прямые (нормальные), излучающие волны нормально к поверхности изделия.

- наклонные, излучающие волны под углом к поверхности изделия

Устройство нормальных ПЭП

1 – донышко (протектор)

2 – пьезопластина

3 – демпфер

4 – провод токопроводящий

5 – корпус

ПЭП представляет собой металлический корпус, в котором располагаются:

1) Протектор преобразователя – это слой звукопроводящего материала, расположенный между пьезоэлементом преобразователя и контролируемым изделием, и служит для защиты пьезопластины от повреждения. Изготавливается из полиуретана, фторопласта, керамики, стали.

2) Пьезопластина служит для преобразования электрических сигналов в ультразвуковые и наоборот. δ = λ/2 на противоположной поверхности пьезопластины крепятся серебряные электроды.

3) Демпфер крепится к пьезопластине со стороны, противоположной протектору. Изготавливается из материала с большим поглощением ультразвука, обычно из искусственных смол с добавлением порошка высокой плотности. Для уменьшения многократных отражений на демпфер, со стороны противоположной пьезопластине наносят канавки или делают скосы.

4) Токоподводящие провода необходимы для соединения преобразователя с дефектоскопом.

5) Корпус служит для крепления всех элементов ПЭП.

Устройство наклонных ПЭП

n – стрела искателя ( расстояние от точки выхода луча до передней грани призмы)

1 – пьезопластина

2 – наклонная призма

3 – демпфер

4 – токоподводящие провода

Наклонные ПЭП предназначены для контроля сварных соединений , изделий и материалов, когда нет возможности контролировать нормальными ПЭП, т.е. форма шва не позволяет контролировать нормальными ПЭП.

Наклонная призма изготавливается из оргстекла, поликарбоната, капролона, которые имеют повышенную износостойкость.

При наклонных ПЭП ультразвуковая волна вводится под каким-то углом в зависимости от сочетания материалов. Призма изготавливается под разными углами и стандартом предусматривается для сочетания оргстекло – сталь:

Угол призмы выбирается между первым и вторым критическими углами. Размеры и форма призмы выбираются такими, чтобы отраженные сигналы от границы раздела не возвращались на пьезопластину, а гасились в призме ловушке.

Для гашения многократных отражений в призме предусмотрены зоны небольших отверстий или ребра на гранях.

С понижением частоты габариты наклонных ПЭП существенно увеличиваются. Это необходимо для сохранения высокой направленности излучения и гашения в ловушке призмы отраженной от границы раздела ультразвуковой энергии.

ПЭПы , предназначенные для работы на частотах порядка 5МГц имеют небольшие размеры. Это необходимо с целью сокращения пути ультразвука в призме, так как высокочастотные колебания очень сильно поглощаются плексигласом.

Устройство раздельно-совмещенных ПЭП

В раздельно-совмещенном преобразователе пьезоэлементы включены по раздельно-совмещенной схеме, но объеденены в одном корпусе. Раздельно-совмещенные ПЭП могут быть прямыми и наклонными. Прямые ПЭП применяют при контроле проката, тавровых соединений и стыков со снятым усилением шва.

. ПЭП состоит из двух пьезоэлементов (1) приклеенных к наклонным призмам (2) и разделенных между собой экраном (3). Экраны могут быть из меди, фольги или кожи. С противоположной стороы пьезопластины расположен демпфер (6), токоподводящие провода (4) и корпус (5)

Раздельно-совмещенные ПЭП обеспечивают ввод в металл продольной волны под углом 5⁰-10⁰ к плоскости,перпендикулярной поверхности ввода луча.