Прямой раздельно-совмещенный преобразователь

Что представляет собой ультразвуковой преобразователь?

Преобразователем называется любое устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. Пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП) преобразует электрическую энергию в акустическую и наоборот. Принцип работы ПЭП основан на пьзоэлектрическом эффекте. Основными конструкционными элементами преобразователя являются: активный элемент (пьезоэлемент), демпфер и протектор.

Прямой совмещенный преобразователь

Активный элемент - пьзопластина, которая преобразует электрическую энергию зондирующего импульса, поступающего с дефектоскопа в ультразвуковую энергию.

Пьезопластины изготавливают с толщиной, равной половине длины волны λ/2 на рабочей частоте дефектоскопа.

Обычно в прямых преобразователях используются пластины в форме диска с диаметрами от 5 до 40 мм.

Демпфер предназначен для гашения свободных колебаний пьезопластины, излученных в направлении демпфера и защиты ее от механических повреждений.

Демпфер представляет собой материал с высокой плотностью. Обычно изготавливается из искусственных смол (эпоксидных) с добавками порошковых наполнителей с высокой насыпной плотностью.

Когда акустический импеданс демпфера соответствует акустическому импедансу активного элемента, преобразователь обладает высокой степенью демпфирования. Преобразователи этого типа имеют хорошую разрешающую способность, хотя и малую амплитуду сигнала. Если есть различия акустического импеданса активногоэлемента и демпфера, большая часть ультразвуковой энергии отражается в материал объекта контроля. В результате этого снижается разрешающая способность преобразователя из-за увеличения длительности сигнала, но в то же время возрастает амплитуда сигнала, что приводит к большей чувствительности.

Протектор служит для защиты рабочей поверхности пьезоэлемента от механических повреждений, он выполнен так, чтобы обеспечить прохождение наибольшей части излучаемой акустической энергии в контролируемое изделие.

У контактных преобразователей протектор должен быть выполнен из прочного противокоррозионного материала, обеспечивающего противодействие износу при использовании преобразователя на таких материалах, как сталь. У иммерсионных преобразователей, наклонных преобразователей и преобразователей с линией задержки протектор играет дополнительную роль: он служит акустическим согласующим слоем между активным элементом с высоким акустическим импедансом и водой, материалами призмы или линии задержки, которые имеют более низкий акустический импеданс. Согласующий слой имеет толщину, равную ¼ длины ультразвуковой волны (λ/4).

Наклонный совмещенный преобразователь

Наклонный совмещенный преобразователь используется для возбуждения и приема ультразвуковых волн, распространяю­щихся под углом к поверхности контролируемого изделия, отличным от 90°. При этом используется не только явление преломления, но и преобразование видов волн (так назы­ваемая трансформация волн).

В принципе наклонный преобразователь можно рассматривать как комбинацию прямого преобразователя с клинообразной линией задержки (клином, призмой). Пьезоэлемент излучает в призму про­дольные волны, которые на границе призмы с изделием отражаются, преломляются и трансформируются.

Тип волны, распространяющейся в материале изделия, и ее энергия зависят от угла падения, а также скорости звука в материале призмы и изделия. При углах падения меньше первого критического в изделии возбуждаются продольная и поперечная волны.

При угле падения, равном первому критическому, в изделии возбуждаются продольная головная волна и поперечная волна.

При углах падения в интервале между первым и вторым критическим в изделии возбуждается одна поперечная волна.

При угле падения равном второму критическому углу в изделии возбуждается поверхностная волна.

Конструкция наклонного совмещенного преобразователя показана на рисунке. Преобразователь состоит из пьезоэлемента, демпфера и призмы, которые размещаются в корпусе с разъемом для кабеля.

Конструкция наклонного совмещенного преобразователя:

1 - корпус; 2 - звукопоглотитель; 3 - призма; 4 - разъем; 5 - демпфер; 6 - пьезоэлемент

Призма является не менее важным элементом, чем пьезоэлемент или демпфер. Размеры, форму и материал призмы выбирают такими, чтобы они удовлетворяли ряду требований. Призма должна обеспечивать эффективное затухание волн, отраженных от границы раздела призма-изделие и распространяющихся в призме. В то же время призма не должна сильно ослаблять волну на пути от пьезоэлемента до изделия. Скорость звука в призме должна быть минимальной, обеспечивая тем самым высокий коэффициент преломления. Кроме того, материал призмы должен обладать хорошей износостойкостью, смачиваемостью и термостабильностью.

Для частот от 2 до 8 МГц чаще всего используют материалы на основе акрильных пластмасс (оргстекло, полистирол). Благодаря хорошей смачиваемости эти материалы обеспечивают достаточно стабильный акустический контакт. Иногда используют капролон и поликарбонат, которые отличаются от оргстекла более высокой износостойкостью и термостабильностью. Однако ад­гезия этих материалов и смачиваемость контактными жидкос­тями значительно хуже, чем у оргстекла.

Особой конструктивной проблемой для наклонных преобра­зователей является устранение мешающих отражений, возникающих под влиянием волны, отраженной от границы раздела преобразователь — изделие. Эта волна может пре­терпевать многократные отражения от элементов конструкции преобразователя (так называемая реверберация), которые попадают на пьезоэлемент. Так как в совмещенном пре­образователе один и тот же пьезоэлемент используется для излучения и приема акустической волны, реверберационные отражения, следующие сразу за зондирующим импульсом, затрудняют обнаружение отражателей, лежащих в изделии вблизи поверхности ввода УЗК.

Реверберационная характеристика наклонного совмещенного преобразователя в значительной мере зависит от материала и конструкции призмы и прежде всего от стрелы призмы - расстояния от точки выхода центрального луча (акустической оси пьезоэлемента) до передней грани призмы. Стрела должна быть такой, чтобы крайний луч от края пластины не падал на переднюю грань призмы или двугранный угол между передней гранью и основанием призмы. В призме должна гаситься и возникшая на границе раздела отраженная поперечная волна. Это требование выполняется при условии, что поперечная волна, вызванная лучом от нижнего края пластины, не попадает на пьезоэлемент.

Для уменьшения реверберации поверхности призмы, на которые падают отраженные волны, покрывают веществом, которое мало отражает, но сильно поглощает звуковую волну. В дополнение к этому можно рассеять часть энергии отра­женных волн путем нанесения на отражающие поверхности рифления клинообразной формы.

Прямой раздельно-совмещенный преобразователь

Конструкция прямого раздельно-совмещенного преобразователя:

1 - электрический экран, 2 - акустический экран; 3 - приемник; 4,8 – призма

5 - заливочная масса; 6 - излучатель; 7 - корпус

Прямой раздельно-совмещенный преобразователь (РС-преобразователь), в отличие от прямого совмещенного, может использоваться для обнаружения в изделии отражателей, которые лежат вблизи границы раздела преобразователь-изделие. Это достигается тем, что излучение волны произ­водится одним пьезоэлементом, а прием - другим, поэтому излучаемый импульс не "заглушает" приемник. Конструкция РС - преобразователя приведена на рисунке.

Излучающий и приемный пьезоэлемент, которые обычно имеют форму полукруга или прямоугольника, наклеиваются на призмы (линии задержки), которые разделены между собой акустическим и электрическим экранами, и заливаются демпфирующим материалом. Акустический экран выполняется из пенополистирола, а электрический - из медной фольги. В идеальном случае звуковая волна попадает на приемный элемент только через материал изделия. На практике не удается избежать прямого прохождения некоторой части акустической энергии от излучателя к приемнику (прямой сигнал), которая ограничивает разрешающую способность в подповерхностном слое. У хороших преобразователей разность амплитуд эхо-сигнала от донной поверхности и прямого сигнала достигает 40÷60 дБ.

Характер звукового поля РС-преобразователей зависит от угла скоса грани призмы, на которую наклеивается пьезоэлемент. Если этот угол равен нулю, то зона макси­мальной чувствительности (область пересечения основных лепестков диаграммы направленности пьезоэлементов) будет удалена на наибольшее расстояние. С увеличением угла скоса зона максимальной чувствительности приближается к поверхности контролируемого изделия. Область оптимальных значений углов призмы составляет 4÷10°. При угле призмы более 10° увеличиваются акустические помехи, источником которых являются поверхностные волны, распространяющиеся от излучателя к приемнику. Поэтому на практике используют РС-преобразователи с углом призмы, не превышающим 12°.