Файл: Методическое пособие по дисциплине Физические основы ультразвукового контроля Составитель Круглов К. В. Челябинск 2012 г. 2.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.02.2024
Просмотров: 127
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
68 вариации нормальной волны Лэмба, отличающихся скоростями распространения и называемые модами. Моды первого и более высоких порядков (a
1
, a
2
, …, s
1
, s
2
,
…) возникают при вполне определенных критических значениях толщин h и частот f , которые соответствуют резонансным частотам продольных и поперечных объемных волн, причем c ph
→ c t
, n → ∞.
Нормальные волны Лэмба хорошо распространяются в пластинах, трубах, как в волноводе. Данный тип волн чувствителен к неоднородностям волновода, поэтому может применяться для диагностики труб.
Зависимость фазовой скорости лэмбовских волн от частоты отражает отличительную особенность этого вида волн – дисперсию скорости. Графическое описание этого – система дисперсионных кривых лэмбовских волн для разных значений n (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Дисперсионные кривые: скорость c
2
соответствует скорости продольной волны, c ph
– фазовая скорость лэмбовской волны, h – толщина слоя, λ
2
– длина волны, n – порядок дисперсионной кривой
69
Особенности дисперсионной зависимости:
1.
В тех точках, где
2 1
2 2
+
→
n
h
λ
+∞
→
ph
c
. Физически это означает, что вся поверхность колеблется одновременно, то есть возникает резонанс по толщине.
2.
При
+∞
→
2
λ
h
2
c
c
ph
→
. Данное явление существенно для пластин большой толщины и при работе на высокой частоте.
Лэмбовские волны с нечетным n называют симметричными модами
(обозначение s i
), волны с четным n – антисимметричными (a i
). Эти названия отражают характер движения частиц при распространении волн Лэмба.
Волны Лэмба в твердых телах
В случае твердых тел волновая картина усложняется, так как в твердых телах помимо продольных волн имеются поперечные волны. Но суть явления
(резонанс объемных волн при наклонном падении) сохраняется. Основные свойства нормальных волн – дисперсия, многомодовость – проявляются в еще большей степени (рис. 4.5).
Система дисперсионных кривых нормальных волн в твердом теле имеет моды a
0
и s
0
(рис.4.6), которые существуют при любой частоте и толщине. a
0
– изгибная волна (антисимметричная мода), s
0
– волна растяжения-сжатия
(симметричная мода). При h →0 мода s
0
имеет ограниченное значение, а мода a0 не возбуждается. При h >>0 все моды в твердом слое нормальных волн переходят в поверхностную волну Рэлея (колебания частиц совершаются только вблизи поверхности). При h →+∞ моды a
0
и s
0
переходят в две поверхностные рэлеевские волны по двум плоскостям пластины, но в одинаковой фазе. Моды первого (рис.4.7) и более высоких порядков возникают при определенных критических значениях толщины, которые соответствуют резонансным частотам продольных и поперечных волн.
70
Рис. 4.5. Вид дисперсионных кривых волн Лэмба в твердых телах: c
t
– фазовая скорость волны, f – частота колебаний, λ
2
– длина волны, a
0
, a
1
, a
2
, s
0
, s
1
– асимметричные и симметричные моды разных порядков
Рис. 4.6 Волны в пластинах нулевого порядка: а- симметричные, б – антисимметричные
71
Рис. 4.7 Волны в пластинах первого порядка: а- симметричные, б – антисимметричные
Особенности применения волн Лэмба.
1. Поскольку нормальные волны распространяются в пластине, как в волноводе на большие расстояния, их используют для контроля тонких листов, оболочек и труб. Изменение сечения волновода или появление в нем неоднородностей и дефектов будет вызывать отражение нормальных волн Лэмба.
Нарушение условий распространения волн в волноводе будут вызывать как поперечные, так и продольные дефекты.
2. Для возбуждения волн Лэмба необходимо, чтобы волновые фронты падающей или преломленной волн были как можно больше. С другой стороны, длительность импульса в импульсном режиме должна превышать время распространения волны в пластине, в противном случае интерференция волн на поверхности пластины не произойдет и стоячая волна в поперечном сечении пластины не возникнет. Наиболее эффективно применение волн Лэмба для контроля пластин толщиной 3–5 мм.
72 3. При достаточно больших толщинах пластины может произойти трансформация нормальных волн Лэмба в поверхностные волны Рэлея, что приведет к ошибкам при расшифровке результатов контроля. Эти явления следует учитывать при контроле изделий сложной формы, у которых тонкие части соединяются с толстыми.
Волны в стержнях (волны Порхгаммера)
Волны Порхгаммера – особый тип нормальных волн. Они возникают в стержнях, диаметр которых соизмерим с длиной волны. Волны Порхгаммера могут быть симметричными, антисимметричными, а также крутильными.
Рис. 2.8. Система дисперсионных кривых волн Порхгаммера
Особенности дисперсионных кривых:
1. Картина сложнее, чем для волн в пластинах:
73 а) число мод значительно увеличилось; б) появились четные моды, обусловленные наличием крутильных волн, которые не имеют аналогов среди волн в пластинах; в) критические значения, при которых фазовая скорость стремится к бесконечности, не означают целого числа полуволн, как в случае пластин, и вычисляются по более сложным формулам.
2. Если диаметр стержня мал, т.е. d → 0, то существуют только моды a
1
и s
1
, что позволяет применять волны Порхгаммера для контроля прутков и проволоки. В этом случае фазовая и групповая скорости моды s
1
стремится к значению
t
l
C
C
E
2
=
=
ρ
Для моды a
1
эти скорости близки к нулю. При этом выбирают такой тип колебаний, который легко возбуждается и обеспечивает хорошую выявляемость дефектов. Наиболее удобна мода s
1
, обладающая наименьшей дисперсией.
3. Без использования дисперсионных кривых условия возбуждения стержневых волн определяют по формуле: fd = kc t
где k – нормированный коэффициент (рекомендован ряд значений 0,83; 2,5;
3,8; 5,25…).
Выбирая меньшее значение коэффициента k , можно определить легко возбуждаемые низшие моды колебаний. Далее рассчитывают фазовую скорость: c
p
= 1.41
⋅c t
Угол падения первичной волны определяют из закона Снеллиуса.
В заключение данного раздела следует отметить, что нормальные волны
Порхгаммера, Лэмба и поверхностные волны Рэлея представляют собой результат интерференции объемных волн в ограниченных средах. Ограниченные среды, такие как пластины и стержни представляют собой своеобразные волноводы, в которых интерферирующие волны распространяются без рассеяния.
74
Тема 5. Способы возбуждения и приема УЗВ
Основные вопросы: Возбуждение и прием упругих волн. Понятие о пьезоэффекте.
Понятие о резонансе и добротности. Параметры пьезоэлементов и
пьезопреобразователей.
Устройство,
классификация
и
маркировка
пьезоэлектрических преобразователей. Бесконтактные преобразователи
Возбуждение и прием упругих волн
Возбуждение и прием ультразвуковых волн в различных материалах осуществляют путем преобразования электрических колебаний в ультразвуковые
(акустические) и обратно - акустических в электрические, с помощью электроакустических преобразователей (ЭАП),
В качестве электроакустических преобразователей могут быть использованы пьезоэлектрические, магнитострикционные, электромагнито- акустические, емкостные и лазерные преобразователи.
В настоящее время для контроля деталей подвижного состава применяют пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), работающие на основе прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта.
Применение пьезоэлектрических преобразователей объясняется их малыми габаритами, простотой и технологичностью в изготовлении, относительно низкой стоимостью и высокой чувствительностью. В основе конструкции пьезоэлектрических преобразователей используются пластины из материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами (пьезопластины).
В промышленности и на железнодорожном транспорте применяют пьезопластины, как правило, круглой или прямоугольной формы. На поверхности таких пластин методом напыления наносят тонкие слои серебра или никеля, служащие электродами. После этого пластины поляризуют под воздействием постоянного электрического напряжения из расчета 1 Кв на 1 мм толщины пластины в течение нескольких часов. В результате они приобретают пьезоэлектрические свойства.
75
Пьезоэффект
Явление возникновения электрических зарядов на поверхностях пластинки при ее деформации называют прямым пьезоэлектрическим эффектом ("пьезо" по- гречески означает "давить").
Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называют обратным пьезоэлектрическим эффектом. Если к электродам пластинки подвести электрический заряд, то размеры ее увеличатся или уменьшатся в зависимости от полярности приложенного напряжения. При изменении знака приложенного напряжения пластинка то сжимается, то растягивается в такт со знаком приложенного напряжения.
Материалы, обладающие свойством пьезоэффекта называют пьезоэлеткриками. Пьезоэлектрики относятся в группе активных диэлектрических материалов. У пьезоэлектриков значение их относительной диэлектрической проницаемости сильно зависит от механических напряжений (например, кристаллический кварц).
Явление пьезоэлектрического эффекта в кварце может быть объяснено на основе рассмотрения следующей модели (рис.5.1).
Рис.5.1. Объяснение пьезоэлектрического эффекта: а - пластина свободна; б - пластина сжата; в – пластина растянута
На рис.5.1а схематически показано строение элементарной ячейки кристалла кремния SiO
2
. «+» обозначены атомы кремния с зарядом + 4, «-»
76 группы из двух атомов кислорода с зарядом - 4. Недеформированная ячейка является электрически нейтральной. Заряд атома 1 компенсируется зарядами групп 2 и 6, расположенных от плоскости А дальше, чем атом 1.
При сжатии пластины (рис.5.1б) 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 (рис.5.1в) полярность поверхностей А и Б меняется на противоположную.
Пьезоэффект является свойством кристаллов и связан с наличием одной или многих осей. Кристалл кварца имеет форму шестигранной призмы, оканчивающейся пирамидоподобными сужениями на концах (рис.5.2).
Рис.5.2. Кристалл кварца
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.5.3). Ось у направлена перпендикулярно к каждой площадке призмы, этих осей в кристалле также три. Оси х и у перпендикулярны оси z.
77
Рис.5.3 Изготовление пластины х-среза
Пьезоэффект наблюдается лучше всего в том случае, если пластинки вырезаны в плоскости, параллельной оси z и одной из осей у и перпендикулярны оси х. Такая пластинка называется
1 2 3 4 5 6
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. В некоторых случаях изготавливают пластины у-среза, то есть такие, которые вырезаны перпендикулярно оси у и параллельно осям х и z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колебания.
Пластинки х-среза служат для возбуждения продольных, а у-среза - для возбуждения поперечных волн. Однако поперечные колебания сложно передать в объект контроля, поскольку поверхность пъезопластины будет проскальзывать относительно поверхности ОК и обычная контактная жидкость передавать поперечные колебания не может. Преобразователь с такой пъезопластиной приклеивают к поверхности ОК или используют очень вязкую контактную жидкость.
В настоящий момент в преобразователях, предназначенных для ультразвуковой дефектоскопии, чаще всего используют не кварц, а сегнетоэлектрическую пьзокерамику.
Сегнетоэлектрики – это класс активных диэлектриков, обладающие следующими свойствами:
78
- высокое значение диэлектрической проницаемости;
- наличие спонтанной поляризации отдельных областей (доменов) в ограниченной области температур;
- наличие петель гистерезиса на зависимостях «поляризация - электрическое поле», «деформация - электрическое поле»;
- рост диэлектрической проницаемости с повышением температуры;
- наличие особой температурной точки (точка Кюри) на кривой зависимости диэлектрическая проницаемость - температура, выше которой сегнетоэлектрические свойства не проявляются;
- наличие остаточной поляризации после воздействия постоянного электрического поля, обуславливающее возможность проявления пьезоэлектрического эффекта (преобразование механической энергии в электрическую или наоборот).
Как правило, в кристаллах сегнетоэлектриков, как и в кристаллах ферромагнетиков есть домены. В одном домене все диполи ориентированы одинаково и создают электрический момент домена. В неполяризованном состоянии электрические моменты различных доменов не совпадают по направлению и компенсируют друг друга, поэтому сегнетоэлектрик в целом не обладает пьезосвойствами. При воздействии внешнего электрического поля электрические моменты доменов постепенно ориентируются в направлении поля, что создает поляризацию, то есть электрические моменты всех доменов будут ориентированы одинаково. Поляризованные сегнетоэлектрики уже будут проявлять свойства пьезоэффекта, в направлении перпендикулярном направлению поляризации.
Пьезокерамические материалы, из которых изготавливают пьезопластины
ПЭП, представляют собой сегнетоэлектрические соединения или их твердые растворы, синтезированные из смеси различных оксидов, карбонатов и солей металлов.
Основу большинства современных пьезокерамических материалов составляют твердые растворы титаната - цирконата свинца (ЦТС),
79 модифицированные различными компонентами и добавками.
Выпускаются также пьезокерамические материалы и на основе титаната бария
(ТБ), титаната свинца (ТС), метаниобата свинца (МНС), титаната висмута (ТВ).
Явление резонанса и добротность
Амплитуда колебаний пьезоэлемента зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты подаваемого на него переменного напряжения и собственной частоты колебаний элемента.
Наибольшая амплитуда колебаний пьезоэлемента достигается при резонансе, то есть когда частота возбуждающего переменного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний. Собственная резонансная частота элемента зависит от его толщины и скорости упругих волн в пьезоматериале. h
2
c f
0
=
Условие возникновения явления резонанса: на толщине h должна укладываться половина длины волны ультразвука.
Вынужденные колебания пьезоэлемента можно возбудить на любой частоте. В этом случае излучаемая энергия будет меньше чем на резонансной частоте, то есть преобразователь будет работать менее эффективно. Зависимость амплитуды колебаний от частоты подаваемого переменного напряжения называется амплитудно-частотной характеристикой (рис. 5.4)
Рис. 5.4 Амплитудно-частотная характеристика пьезопластин различной толщины
80
Основными характеристиками пьезоэлементов являются частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения.
Добротность – количественная характеристика резонансных свойств пьезоэлемента, показывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте, намного ниже резонансной, при одинаковой амплитуде вынуждающей силы.
Короткое импульсное воздействие на пьезоэлемент приводит к появлению на его обкладках серии затухающих по экспоненте гармонических колебаний на собственной резонансной частоте пьезоэлемента (рис.5.5)
Рис. 5.5. Процесс ударного возбуждения пьезопреобразователя.
Причем количество периодов этих затухающих колебаний численно будет равно добротности пьезоэлемента. Пьезоэлементы, использующиеся в УЗК, имеют обычно низкую добротность от 1 до 10.
Приближенно акустическая добротность пьезопластины при контакте с протяженными средами рассчитывается по формуле:
2 0
1
a z
z z
2
Q
+
π
=
, где z
0
и z
2
– характеристические импедансы протяженных сред, контактирующих с пластиной без промежуточных слоев; z
1
- характеристические импеданс пъезоматериала
Основные параметры пьзоэлементов и пьезопреобразователей
В дефектоскопии в подавляющем большинстве случаев используют
81 пьезопластины из поляризованные по толщине. Толщина пьезопластины определяется из соображений максимальной эффективности преобразования при излучении и приеме упругих волн, которая достигается при полуволновой толщине пьезопластины:
0
f
2
c
2
/
h
=
λ
=
где λ - длина волны, С - скорость ультразвука в материале пьезоэлемента, f
0
– собственная резонансная частота пьезопластины
Поперечные размеры пьезопластины выбирают исходя из условия:
МГц мм
)
15 12
(
f
0
⋅
÷
=
α
где a – радиус пьезопластины
Свойства пьезоматериалов приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1.
Технические характеристики пьезоматериалов.
М
ат ер иал
Тип ср ез а
С
корос ть зв ук а с.
1х10 3 м/с
П
ло тно ст ь
ρ, х
10 3
, кг
/с м
3
Х
ар ак тер ист ич еск ий им пе да нс z
, МП
а⋅
с/м
Д
иэ ле кт рич ес ка я по ст оя нна я
ε
П
ье зомод ул ь,
п
К
/Н
К
оэ фф иц ие нт эл ек троме ха ни че ск ой связ и
β
Д
оп ус ти ма я тем пер ат ур а,
°С
Кварц
Х
5,74 2,65 15,2 4,5 2,31 0,0094 580
Сульфат лития
Li
2
SO
4
Y
5,46 2,06 11,2 10,3 18,3 0.38 75
Титанат бария
ТБК-3 4,7 5,3 2,5 1200
±260 190 0,29-0,35 105
±10
ЦТС-19
В
до ль на пр ав ле ния по ля риз ац ии
3,3
±0,3 7,0 23 1525
±325 200 0,35-0,45
>290
ЦТС-22 3,6-4,0 7,0 25,2-28 800
±200 200 0,20 330
±10
ЦТС-23 3,0-3,3 7,4 22,2-24,8 1050
±250 200 0,43 280
±10
ЦТБС-2 3,3 7,1 23,4 1000
±200 300 0,57 500
±15
ЦТСС-1 3,5
>7,3
>24,5 1000
±250 300 0,55 548
±15
Ниобат свинца
НБС-1 4,0
±0,3 5,6 22,5 1600
±300 42
>0,28 265
±20
Ниобат лития
7,32 4,64 34,0 30 6
0,47 150
Плотность, скорость звука в пьезоматериале и вычисляемый через них
82 характеристический импеданс Z=ρс используют в расчетах по согласованию пьезопластины со средой для достижения большей эффективности передачи энергии
Диэлектрическая постоянная ε нужна для расчета емкости пьезопластины как плоского конденсатора, которая используется при согласовании пьезопластины с дефектоскопом. Ток в колебательном контуре достигает максимального значения при резонансной частоте
LC
1 2
1
f
0
π
=
, f
0
– частота переменного синусоидального тока, L – индуктивность, С – емкость конденсатора, С=С
0
⋅ε
Пьезомодуль d – важная характеристика свойств пьезоматериала, характеризующая эффективность возбуждения волн пьезоэлементом:
P
q d
=
, где P – давление, q – величина связанных электрических зарядов, возникающих на единице площади пьезоматериала.
Чем выше величина пьезомодуля, тем больший ток будет возникать между поверхностями пьезопластины при приеме волн, и большим звуковым давлением будут обладать волны при возбуждении на пьезопластине.
Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры, называемой точкой Кюри. Выше этой температуры пьезосвойства материала пропадают.
Коэффициент электромеханической связи β - наиболее общая энергетическая характеристика пьезоэлектрика, показывающая какая часть общей энергии пьезоматериала преобразуется в механическую или электрическую форму. Значение β, зависит от типа материала и колебаний пьезопластины и определяет эффективность работы пьезопреобразователя в режимах излучения и приема упругих волн
Из пьезоматериалов наибольшее применение нашла пьезокерамика ЦТС, это обусловлено высокими значениями пьезомодуля, коэффициента
83 электромеханической связи и точки Кюри.
Технические параметры преобразователей регламентируются ГОСТ
14782-
86 "Соединения сварные, методы ультразвуковые" и ГОСТ 26266-90
"Преобразователи ультразвуковые. Общие технические требования". К основным параметрам относят следующие:
1. Коэффициент преобразования.
Вводят коэффициент преобразования при излучении и приеме
Коэффициент преобразования при излучении K
и
=P
aк
/U
и
, где Р
ак
- излученная акустическая мощность, U
и
- напряжение на излучателе. Из пьезоэлектрический свойств материала на него влияет пьезоэлектрическая постоянная е, которая связывает напряжение генератора ЗИ дефектоскопа с механическими напряжениями в пьезоматериале.
Коэффициент преобразования при приеме K
п
=U
п
/P
aк
, где U
п
- напряжение принятого сигнала. Его характеризует пьезоэлектрическая постоянная h=e/ε, где ε
- диэлектрическая проницаемость пьезоматериала.
Работу преобразователя в совмещенном режиме характеризует
коэффициент двойного преобразования К
ип
=К
и
К
п
, равный отношению электрических напряжений принятого и посланного сигналов без учета промежуточного ослабления УЗВ. Именно эта характеристика определяет чувствительность пьезопреобразователя. Она пропорциональная квадрату коэффициента электромеханической связи, который определяется произведением
eh.
Коэффициент двойного преобразования зависит не только от свойств пьезоматериала, но также и от соотношения акустических сопротивлений пьезопластины, демпфера и среды, в которую излучается УЗВ, частоты и добротности электрического колебательного контура, соединенного с пьезопластиной (добротность
R
L
f
2
Q
0
эл
π
=
, чем выше добротность, тем медленнее затухают колебания)
Зависимость коэффициента двойного преобразования преобразователя от
84 частоты называют амплитудно-частотной характеристикой, рис 5.6.
Рис.5.6. Амплитудно-частотная характеристика преобразователя.
Кривые 1, 2, 3 показывают изменение характеристики при уменьшении добротности электрического контура зондирующего генератора
Частота f
0
очень близка к рассчитанной. При малой связи с нагрузкой амплитуда эхо-импульса от отражателя достигает максимального значения на рабочей частоте f
0
. В России принят ряд стандартных рабочих частот. Наиболее употребительные рабочие частоты: 1,25 МГц, 1,8 МГц (дополнительная), 2,5 МГц,
5 МГц, 10 МГц. Допуски на соответствие частот составляют ±10% выше 1,25 МГц и ±20% до 1,25 МГц.
Полоса преобразования
∆
f
(показана на нижней кривой рис.7) - это разность частот f
2
– f
2
=
∆f, f
1
и f
2
- частоты, на которых амплитуда эхо-импульса (или коэффициента преобразования) уменьшается в 2 раза (на 6 дБ, если К
ип измеряется в децибелах). Обычно ширина полосы составляет около 30% от рабочей частоты.
Для наклонных преобразователей вводят понятия точки выхода, стрелы и угла ввода. Точка выхода - это точка пересечения оси излучения в призме и поверхности выхода. Стрела преобразователя - это расстояние от точки выхода до передней грани преобразователя. Стрела преобразователя - важный параметр, определяющий возможность контроля данным преобразователем сварных швов.
Слишком большая стрела не позволяет проконтролировать все сечение шва
85 прямым лучом. Положение точки выхода маркируется риской на боковой поверхности преобразователя. Допуск на положение точки выхода ±1 мм.
Угол ввода луча - это угол между нормалью к поверхности в точке выхода и линией, соединяющей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода, в положении преобразователя, когда амплитуда эхо-сигнала наибольшая. Из-за эффекта зависимости коэффициента прохождения от угла падения и из-за эффекта квазиискривления акустической оси угол ввода может отличаться от угла преломления, рассчитанного по закону Снеллиуса. Наилучшее совпадение этих углов получается в интервале углов падения от 30° до 50°. Причиной квазиискривления акустической оси является затухание в материале. С увеличением глубины расположения отражателя угол ввода луча уменьшается.
При малом затухании ультразвука этот эффект можно не учитывать.
Угол ввода луча может изменятся в процессе эксплуатации преобразователя за счет:
- истирания и изменения угла призмы;
- изменения скорости распространения УЗ колебаний в призме вследствие старения или изменения температуры. Угол ввода изменяется на 0,5-0,7° на каждые 10°С изменения температуры.
Для отклонения угла ввода а от номинального значения установлены допуски:
- для преобразователей с углом ввода до 60° ±1,5°;
- для преобразователей с углом ввода 60° и больше ±2°.
Важным параметром является время задержки волны в призме наклонного преобразователя. Время задержки измеряется в микросекундах и определяется как отношение длины акустической оси излучения в призме к скорости ультразвука.
Направленность поля ПЭП измеряют при изменении угла ввода по уровню -
6 дБ от максимального значения амплитуды эхо-сигнала к оценивают шириной
раскрытия диаграммы направленности. Типичные значения составляют 4°-10°, причем ширина раскрытия уменьшается с ростом произведения af
0
. Чем выше направленность, тем больше амплитуда эхо-сигнала от отражателя при прочих
86 равных условиях ,
Мертвая зона - участки вблизи поверхности ввода и донной поверхности, дефекты в которых не могут быть выявлены эхо-импульсным методом при данных параметрах контроля. Понятие мертвой зоны иллюстрирует рис.5.7.
Рис.5.7. Экран дефектоскопа с импульсами в пределах (1) и вне (2) мертвой зоны
Эхо-импульс от отражателя, расположенного в мертвой зоне вблизи поверхности ввода, попадает в область зондирующего сигнала и последующих шумовых и реверберационных сигналов. Размер мертвой зоны зависит от длительности зондирующего импульса τ
зи и длительности переходных процессов
τ
пп
, происходящих из-за недостаточного демпфирования и отражений в призме.
Размер мертвой зоны оценивается по формулам:
2
)
(
c
H
пп зи
M
τ
+
τ
=
- для прямого преобразователя
α
τ
+
τ
=
cos
2
)
(
c
H
пп зи
M
- для наклонного перобразователя
Часть мертвой зоны наклонного ПЭП приходится на призму. С увеличением угла призмы наклонного ПЭП мертвая зона уменьшается. Для уменьшения мертвой зоны нужно повышать частоту УЗВ, что дает возможность сократить длительность зондирующего импульса при том же числе периодов колебаний в импульсе.
Мертвая зона вблизи донной поверхности образуется ввиду того, что сильный донный сигнал мешает выявлению относительно слабого отражения от
87 дефекта. Размер мертвой зоны вблизи донной поверхности прямого преобразователя меньше, чем Нм в вышеприведенной формуле. Для наклонного преобразователя мертвая зона вблизи донной поверхности, как правило, не возникает.
Лучевая разрешающая способность ПЭП
∆
r
(разрешающая способность по глубине или дальности) - это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми компактными отражателями, расположенными по оси излучения.
Отражатели считаются выявленными раздельно, если глубина минимума между двумя максимумами (импульсами) составляет не менее 6 дБ (см. рис.5.8). Лучевая разрешающая способность улучшается с уменьшением длительности зондирующего импульса.
Рис.5.8. К понятию лучевой разрешающей способности ПЭП
Фронтальная разрешающая способность
∆
l - это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми точечными отражателями, расположенными перпендикулярно акустической оси
(для прямого преобразователя - лежащими на одной глубине). Фронтальная разрешающая способность зависит от глубины залегания отражателя h, длины волны λ и диаметра излучателя D:
D
h l
λ
=
∆
,
Для уменьшения ∆l нужно улучшать направленность преобразователя, которая определяется отношением λ/D.
Область рабочих температур - это интервал температур поверхности ОК, при которых ПЭП может эксплуатироваться без ущерба.
88
Классификация, устройство, и маркировка пьезоэлектрических
преобразователей.
ПЭП классифицируются по следующим признакам:
1. По типу волны, возбуждаемой в объекте контроля различают:
- преобразователи продольных волн;
- преобразователи поперечных волн;
- преобразователи поверхностных волн;
- преобразователи других типов волн.
2. По углу ввода УЗ колебаний в изделие различают:
- прямые преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания по нормали к поверхности объекта в точке ввода;
- наклонные преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания в направлениях отличных от нормали к поверхности объекта контроля;
3. По способу размещения функций излучения и приема различают:
- совмещенные ПЭП, у которых одна и та же пьезопластина работает как в режиме излучения, так и в режиме приема.
- раздельно-совмещенные, у которых имеется два пьезоэлемента, установленных в одном корпусе, один из которых работает как излучатель, другой как приемник.
4. По способу осуществления акустического контакта различают:
- контактные ПЭП – рабочая поверхность которых, при работе соприкасается с поверхностью объекта контроля или имеет расстояние до нее меньше половины длины волны в слое контактной жидкости;
- иммерсионные ПЭП - такие, которые работают при наличии между поверхностями преобразователя и объекта контроля слоя жидкости толщиной больше пространственной длительности зондирующего импульса, то есть расстояния, проходимого волной за время длительности ЗИ.
5. Особую группу составляют специализированные ПЭП. К их числу относят:
89
- фокусирующие преобразователи, обеспечивающие фокусировку акустической энергии в определенной области пространства;
- комбинированные преобразователи, объединяющие в одном корпусе два
(или более) независимо работающих пьезоэлемента;
- преобразователи с электрическим сканированием (фазированные решетки), состоящие из мозаики пьезоэлементов в виде одномерной (линейной) или двумерной решетки с шагом не более длины волны;
- преобразователи с равномерной ближней зоной, у которых отсутствует максимумы и минимумы интенсивности в ближней зоне;
- широкополосные и особоширокополосные ПЭП, работающие в широком диапазоне частот.
Наибольшее распространение в практике УЗК получили:
- прямые совмещенные преобразователи, возбуждающие продольные волны, обычно называемые просто «прямые ПЭП»;
- наклонные совмещенные преобразователи, возбуждающие поперечные волны, обычно называемые просто «наклонные ПЭП»;
- раздельно-совмещенные прямые (или с углами излучения и приема до 8°) преобразователи, возбуждающие продольную волну, обычно называемые «РС ПЭП».
Устройство ПЭП
Прямой ПЭП:
При проведении большинства ультразвуковых исследований наиболее предпочтительными являются прямые преобразователи. Устройство типового прямолучевого преобразователя представлено на рис.5.9.
Пьезоэлектрический элемент помещается в переднюю часть. Его назначение – излучение и прием ультразвуковых волн. Пъезопластина изготавливается из специальной пьезокерамики, как правило, ЦТС.
На поверхность пьезопластины нанесены слои электропроводящих материалов (как правило, серебро или никель) – электроды. Они предназначены для равномерного распределения по поверхности пластины электрического
90 заряда, подводимого к пластине в режиме излучения или возникающего на пластине в режиме приема. Толщина электродов намного меньше толщины пластины, в противном случае они будут оказывать влияние на ее акустические свойства.
Рис. 5.9. Прямой преобразователь
Непосредственно к электродам припаиваются проводники, служащие для подводки и снятия электрического напряжения с пьезоэлемента.
Сверху пьезопластины находится демпфер. Он служит для гашения свободных колебаний пьезоэлемента (после прохождения зондирующего импульса пластина колеблется по инерции), что позволяет получать более короткие импульсы. Состав и форма демпфера должны обеспечивать полное затухание и отвод колебаний, излученных пьезопластиной в материал демпфера, без многократных отражений (попадая обратно на пластину, они создают помехи). В демпфер переходит часть звуковой энергии, излученной задней стороной пьезопластины. Демпфирование тем эффективнее, чем лучше согласование акустических сопротивлений пьезокерамики и материала демпфера.
Обычно демпфер изготавливают из искусственных смол (компаундов) с добавками наполнителя высокой плотности, для достижения требуемого акустического сопротивления. Для уменьшения многократных отражений на демпфере, со стороны противоположной пластине, наносят канавки, делают
91 скосы.
Спереди пьезопластины устанавливается протектор. Его функции состоят в защите пьзоэлемента от механических повреждений и истирания, улучшении согласования пьезоэлемента с контролируемым изделием, улучшении акустического контакта при контроле контактным способом. Изготавливают протекторы чаше всего из полимеров и пластмасс, для обеспечения высокой износоустойчивости используют минералокерамику или сталь.
Все элементы ПЭП находятся в специальном корпусе, предназначенном для их защиты от повреждений и экранирования от электромагнитных помех. Корпус изготавливается из металла или пластмассы, с нанесением поверхностного слоя металла, с целью придания корпусу экранирующих свойств.
Также в конструкции ПЭП может присутствовать индуктивность (катушка), для электрического согласования резонансного контура «ПЭП-дефектоскоп». Она обеспечивает такой режим работы дефектоскопа и преобразователя, при котором достигается наибольший коэффициент преобразования электрической энергии в упругую и обратно.
Наклонный ПЭП:
Помимо прямых, широкое распространение получили наклонные ПЭП, они используются в том случае, когда невозможно прозвучить контролируемую область детали прямым лучом. Конструкция наклонного ПЭП изображена на рис. 5.10.
Рис. 5.10 Конструкция наклонного ПЭП
92
Как видно из рисунка наклонный ПЭП содержит те же конструктивные элементы, что и прямой, основным его отличием является присутствие призмы.
Призма служит для передачи упругих волн от пьезопластины к объекту контроля, также она формирует угол ввода ультразвукового луча.
Изготавливается призма обычно из оргстекла. Материал призмы должен обладать малым или умеренным затханием и стабильностью акустических свойств
(влияние температуры, срока эксплуатации). Оргстекло не полностью удовлетворяет этим требованиям из-за изменения скорости распространения УЗВ при изменении температуры и старения. Поэтому преобразователи с призмой из оргстекла нуждаются в периодической поверке. Призмы для прецизионных
(особо точных и стабильных) наклонных преобразователей изготавливают из плавленого кварца.
Пьезопластина возбуждает в призме продольные волны, но при переходе через границу раздела призма-изделие, они трансформируются в поперечные.
Угол наклона призмы (равный углу падения) выбирают, как правило, больше первого критического и меньше второго. В этом случае в обьекте контроля будет распространятся одна поперечная волна с вертикальной поляризацией. Призму с углом 27° используют для возбуждения головной волны. Для возбуждения поверхностной рэлеевской волны применяют призмы с углом 60-65°, то есть несколько больше второго критического.
Бесконтактные способы излучения и приема акустических волн
Бесконтактные методы – это методы, при реализации которых отсутствует соприкосновение преобразователя с поверхностью объекта контроля через слой контактной жидкости. Необходимость использования бесконтактных методов излучения и приема ультразвука вызвана тем, что применение жидкой контактной среды ограничивает возможности контроля. Контактный метод невозможен в случае автоматического контроля при больших скоростях перемещения контролируемых объектов. Ограничения возможностей применения контактных
93 методов также возникают при контроле объектов с шероховатой или загрязненной поверхностью, а также нагретых до высокой температуры. В подобных случаях можно использовать иммерсионный метод, однако чувствительность метода при использовании иммерсионной жидкости уменьшается в десятки раз. Уменьшение чувствительности происходит из-за двойного прохождения через границу раздела жидкость-твердое тело, кроме того, при этом необходима специальная аппаратура и обеспечение определенных условий проведения контроля. В то же время иммерсионный метод ограниченно применим в автоматических установках акустического контроля, так как при этом возникают сложности, связанные с созданием жидкой иммерсионной среды вокруг объекта контроля в условиях поточного производства.
Достоинства бесконтактных методов позволяют:
− обеспечить большие скорости контроля;
− обеспечить большие объемы контроля;
− реализовать контроль объектов с высокими температурами;
− контролировать шероховатые и загрязненные поверхности.
Воздушно-акустическая связь. Воздушно-акустическая связь реализуется при передаче ультразвуковых сигналов через слой воздуха. Схема контроля подобным методом приведена на рис. 5.11. Затухание ультразвуковых колебаний в воздухе велико, а коэффициент затухания пропорционален квадрату частоты:
δf
2
. Поэтому в таких случаях для уменьшения затухания применяют колебания низких частот f = 0,1 – 0,5 МГц.
Коэффициент прохождения через границу воздух-сталь очень мал:
D 3,8 10
−5
Вследствие этого воздушно-акустическая связь обычно используется для контроля изделий с малой толщиной. Чтобы повысить коэффициент прозрачности в промежуток между объектом контроля и датчиком в некоторых случаях вводят пенопласт. Воздушно-акустическая связь применяется на килогерцовых частотах ультразвука и только для тонких слоев металла, кратных четверти длины волны.
94
Рис. 5.11. Схема контроля с использованием воздушно-акустической связи
Указанным способом контролируют листовой прокат.
Термоакустический эффект. Для реализации термоакустического эффекта в качестве излучателей необходимо использовать специальные
(не пьезоэлектрические) преобразователи. В этом случае источником акустических колебаний является нагретый локальный участок контролируемого объекта. Из-за теплового расширения при нагреве возникают упругие смещения, распространяющиеся в виде волн. Нагрев осуществляется бесконтактно, например, электрической искрой или лучом импульсного лазера. Схема возникновения термоиндуцированных акустических колебаний приведена на рис. 5.12.
Рис. 5.12. Термоакустический эффект: 1 – нагретая область; 2 – область механических напряжений; 3 – распространение акустической волны с плоским, а затем со сферическим фронтом; δ
θ
– толщина прогреваемого слоя
95
Для реализации термоакустического эффекта используют следующие способы бесконтактного нагрева.
1. Электроискровой нагрев
Осуществляется за счет электрического разряда через воздушный зазор.
Эффективность такого способа возбуждения и передачи акустических колебаний невысока. Амплитуда механических напряжений, достигаемая электроискровым разрядом, меньше, чем при использовании пьезоэлектрического преобразователя в 104 раз.
2. Лазерный нагрев
Амплитуда механических напряжений при лазерном нагреве превышает напряжения, достигаемые с использованием пьезоэлектрических преобразователей в 10 3
– 10 4
раз. Коэффициент отражения лазерного излучения от поверхности металла обычно имеет значение около R = 0.8. Основная проблема при использовании лазерного нагрева состоит в малой длительности лазерного импульса τ
и
1…10 нс. Вследствие этого происходит уширение спектра импульса, что предъявляет дополнительные требования к полосе пропускания усилителя. Указанную проблему решают путем использования специальных модуляторов лазерного излучения.
3. Нагрев с помощью пучка электронов
Нагрев осуществляется электронными пушками с длительностью импульса
τ 10 нс и плотностью электронов 10 13
см
−2
. Энергия электронов составляет 300 кэВ. Управление этим процессом осуществляется легче, чем в случае лазерного нагрева. Главный его недостаток – сложность и большие габариты установок, повышенные требования к технике безопасности. В качестве источников электронов используют сегнетоэлектрики, которые испускают электроны высоких энергий при нагреве.
Термоакустический эффект необратим, т. е. используется только для излучения, поэтому бесконтактный прием акустических сигналов осуществляется на основе других принципов, например, с помощью лазерного интерферометра
96
(рис. 5.13). Условие интерференции заключается в равенстве разности хода лучей в плечах интерферометра нечетному числу четвертей длин волн света. В этом случае реализуется линейная зависимость между амплитудой лазерного излучения A
ОПТ
и акустического колебания A
АКУСТ
в объекте контроля. На рис.
5.13 используются следующие обозначения: а – акустическое поле внутри объекта
(импульсный режим). ФЭУ – фотоэлектронный умножитель. Зондирующий луч лазера падает на объект контроля, отражается от него и попадает на фотоприемник. Опорный луч через систему зеркал попадает в эту же точку. В
ФЭУ происходит интерференция эталонного луча 2 и зондирующего 1. Диапазон используемых частот фотоприемника – от 50 кГц до 10 МГц. Недостаток метода состоит в том, что при использовании в качестве приемника ФЭУ, точность метода падает, т. к. собственные шумы ФЭУ эквивалентны весьма большому смещению поверхности изделия 5 ⋅10
−12
м. Чувствительность этого метода оказывается на два порядка ниже, чем у контактного пьезоэлектрического способа.
Рис. 5.13. Прием УЗ с помощью лазерного интерферометра
Эффект электрического поля
В этом случае используется электростатическое взаимодействие пластины- электрода с объектом контроля. Генератор переменного напряжения периодически заряжает пластину и создает электрическое поле в зазоре между пластиной и ОК. При этом силы электростатического взаимодействия возбуждают продольную упругую волну в изделии. Между пластиной и объектом
97 контроля может быть помещен слой диэлектрика. Амплитуда упругих механических напряжений в данном случае в 10 3
раз меньше напряжений, возникающих при пьезоэлектрическом методе. Преимущество эффекта электрического поля состоит в возможности бесконтактного ввода и приема акустических колебаний в широком диапазоне частот. Эффект используется для контроля проводящих изделий, зазор h нужно поддерживать минимальным, обычно он составляет десятые доли миллиметра.
Схема излучения УЗ на основе эффекта электрического поля приведена на рис. 5.14.
Рис. 5.14. Эффект электрического поля при излучении УЗ
Эффекты электромагнитного поля
Под эффектами магнитного поля здесь понимаются следующие магнитные явления:
• намагничивание;
• магнитострикция (изменение размеров под действием внешнего магнитного поля);
• магнитодинамический эффект (эффект вихревых токов).
На эффекте вихревых токов основано электромагнитно-акустическое преобразование (ЭМАП). Схемы электромагнитно-акустического преобразования в поперечные и продольные волны приведены на рис. 5.15, 5.16.
98
Рис. 5.15. Схема электромагнитно-акустического преобразователя для поперечных волн: 1 – постоянный магнит; 2 – высокочастотная катушка; 3 – силовые линии магнитного поля; Г – генератор с частотой 10 МГц; Bn – нормальная составляющая магнитного поля; Fл – сила Лоренца. Направление тока меняется с частотой 1 МГц
Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки. При изменении направления магнитного поля, вектор силы Fл разворачивается.
Катушка возбуждает в материале вихревые токи – токи Фуко.
Рис. 5.16. Схема электромагнитно-акустического преобразования для продольных волн
99
От кольцевого излучателя идет плоская волна поперечного типа со скоростью c t
Смещение точек упругой среды происходит по касательной к поверхности – возбуждаются поперечные акустические волны. Возникновение кольцевого излучения обеспечивает высокую направленность поля излучения.
Можно регистрировать далекие дефекты. При этом высока и фронтальная разрешающая способность.
В режиме приема акустические колебания вызывают изменения напряженности электрического поля (если изначально электрическое поле отсутствовало). Изменение колебательной скорости проводника в магнитном поле обеспечивает получение сигнала. Такой преобразователь может использоваться на прием и излучение колебаний.
Излучателем и приемником ультразвука является сама поверхность металла, расположенная в области высокочастотной катушки. Этим способом можно бесконтактно возбудить поперечную волну. Изменяя электрические параметры катушки и сдвиг фаз в обмотках, можно управлять направлением распространения волны.
Использование продольных и поперечных волн позволяет получить дополнительную информацию не только о дефектах типа несплошностей, но и о микроструктуре, характере и величине остаточных напряжений в металле.
Достоинства ЭМАП:
1) стабильный акустический контакт при высокой скорости перемещения контролируемого объекта относительно преобразователя;
2) широкополосность при генерации и приеме коротких импульсов;
3) возможность контролирования объектов, нагретых до высоких температур;
4) возможность приема и излучения поперечных волн перпендикулярно к поверхности. Эта особенность обеспечивает более высокую точность измерения геометрических размеров изделий;
5) возможность управления углом ввода, что обеспечивает возможность бесконтактного возбуждения поверхностных волн Релея и волн Лэмба;
Области применения ЭМАП:
100 1) толщинометрия;
2) дефектоскопия.
Отсутствие промежуточных слоев и работа с поперечными волнами обеспечивают высокую точность измерений. Использование ЭМАП позволяет автоматизировать процесс контроля. Метод обеспечивает эффективный контроль изделий на высоких скоростях, при этом колебания воздушного зазора не влияют на амплитуду сигнала. Поэтому целесообразно его применение в металлургическом, например трубопрокатном, производстве.
Недостатки ЭМАП. Несмотря на все положительные стороны ЭМАП, он все же обладает недостатками:
1) можно контролировать только электропроводящие материалы;
2) габаритные размеры электромагнита достаточно большие;
3) пониженный коэффициент двойного преобразования. Причина этого –
пониженный коэффициент электромеханической связи. Необходимо возбуждать акустические и электрические импульсы колебаний достаточной мощности. По сравнению с пьезопреобразователями, коэффициент преобразования меньше в
10 3
–10 4
раз;
4) метод работает стабильно, если зазор между преобразователем и объектом контроля не более 5 мм.
101
1 2 3 4 5 6
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. В некоторых случаях изготавливают пластины у-среза, то есть такие, которые вырезаны перпендикулярно оси у и параллельно осям х и z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колебания.
Пластинки х-среза служат для возбуждения продольных, а у-среза - для возбуждения поперечных волн. Однако поперечные колебания сложно передать в объект контроля, поскольку поверхность пъезопластины будет проскальзывать относительно поверхности ОК и обычная контактная жидкость передавать поперечные колебания не может. Преобразователь с такой пъезопластиной приклеивают к поверхности ОК или используют очень вязкую контактную жидкость.
В настоящий момент в преобразователях, предназначенных для ультразвуковой дефектоскопии, чаще всего используют не кварц, а сегнетоэлектрическую пьзокерамику.
Сегнетоэлектрики – это класс активных диэлектриков, обладающие следующими свойствами:
78
- высокое значение диэлектрической проницаемости;
- наличие спонтанной поляризации отдельных областей (доменов) в ограниченной области температур;
- наличие петель гистерезиса на зависимостях «поляризация - электрическое поле», «деформация - электрическое поле»;
- рост диэлектрической проницаемости с повышением температуры;
- наличие особой температурной точки (точка Кюри) на кривой зависимости диэлектрическая проницаемость - температура, выше которой сегнетоэлектрические свойства не проявляются;
- наличие остаточной поляризации после воздействия постоянного электрического поля, обуславливающее возможность проявления пьезоэлектрического эффекта (преобразование механической энергии в электрическую или наоборот).
Как правило, в кристаллах сегнетоэлектриков, как и в кристаллах ферромагнетиков есть домены. В одном домене все диполи ориентированы одинаково и создают электрический момент домена. В неполяризованном состоянии электрические моменты различных доменов не совпадают по направлению и компенсируют друг друга, поэтому сегнетоэлектрик в целом не обладает пьезосвойствами. При воздействии внешнего электрического поля электрические моменты доменов постепенно ориентируются в направлении поля, что создает поляризацию, то есть электрические моменты всех доменов будут ориентированы одинаково. Поляризованные сегнетоэлектрики уже будут проявлять свойства пьезоэффекта, в направлении перпендикулярном направлению поляризации.
Пьезокерамические материалы, из которых изготавливают пьезопластины
ПЭП, представляют собой сегнетоэлектрические соединения или их твердые растворы, синтезированные из смеси различных оксидов, карбонатов и солей металлов.
Основу большинства современных пьезокерамических материалов составляют твердые растворы титаната - цирконата свинца (ЦТС),
79 модифицированные различными компонентами и добавками.
Выпускаются также пьезокерамические материалы и на основе титаната бария
(ТБ), титаната свинца (ТС), метаниобата свинца (МНС), титаната висмута (ТВ).
Явление резонанса и добротность
Амплитуда колебаний пьезоэлемента зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты подаваемого на него переменного напряжения и собственной частоты колебаний элемента.
Наибольшая амплитуда колебаний пьезоэлемента достигается при резонансе, то есть когда частота возбуждающего переменного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний. Собственная резонансная частота элемента зависит от его толщины и скорости упругих волн в пьезоматериале. h
2
c f
0
=
Условие возникновения явления резонанса: на толщине h должна укладываться половина длины волны ультразвука.
Вынужденные колебания пьезоэлемента можно возбудить на любой частоте. В этом случае излучаемая энергия будет меньше чем на резонансной частоте, то есть преобразователь будет работать менее эффективно. Зависимость амплитуды колебаний от частоты подаваемого переменного напряжения называется амплитудно-частотной характеристикой (рис. 5.4)
Рис. 5.4 Амплитудно-частотная характеристика пьезопластин различной толщины
80
Основными характеристиками пьезоэлементов являются частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения.
Добротность – количественная характеристика резонансных свойств пьезоэлемента, показывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте, намного ниже резонансной, при одинаковой амплитуде вынуждающей силы.
Короткое импульсное воздействие на пьезоэлемент приводит к появлению на его обкладках серии затухающих по экспоненте гармонических колебаний на собственной резонансной частоте пьезоэлемента (рис.5.5)
Рис. 5.5. Процесс ударного возбуждения пьезопреобразователя.
Причем количество периодов этих затухающих колебаний численно будет равно добротности пьезоэлемента. Пьезоэлементы, использующиеся в УЗК, имеют обычно низкую добротность от 1 до 10.
Приближенно акустическая добротность пьезопластины при контакте с протяженными средами рассчитывается по формуле:
2 0
1
a z
z z
2
Q
+
π
=
, где z
0
и z
2
– характеристические импедансы протяженных сред, контактирующих с пластиной без промежуточных слоев; z
1
- характеристические импеданс пъезоматериала
Основные параметры пьзоэлементов и пьезопреобразователей
В дефектоскопии в подавляющем большинстве случаев используют
81 пьезопластины из поляризованные по толщине. Толщина пьезопластины определяется из соображений максимальной эффективности преобразования при излучении и приеме упругих волн, которая достигается при полуволновой толщине пьезопластины:
0
f
2
c
2
/
h
=
λ
=
где λ - длина волны, С - скорость ультразвука в материале пьезоэлемента, f
0
– собственная резонансная частота пьезопластины
Поперечные размеры пьезопластины выбирают исходя из условия:
МГц мм
)
15 12
(
f
0
⋅
÷
=
α
где a – радиус пьезопластины
Свойства пьезоматериалов приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1.
Технические характеристики пьезоматериалов.
М
ат ер иал
Тип ср ез а
С
корос ть зв ук а с.
1х10 3 м/с
П
ло тно ст ь
ρ, х
10 3
, кг
/с м
3
Х
ар ак тер ист ич еск ий им пе да нс z
, МП
а⋅
с/м
Д
иэ ле кт рич ес ка я по ст оя нна я
ε
П
ье зомод ул ь,
п
К
/Н
К
оэ фф иц ие нт эл ек троме ха ни че ск ой связ и
β
Д
оп ус ти ма я тем пер ат ур а,
°С
Кварц
Х
5,74 2,65 15,2 4,5 2,31 0,0094 580
Сульфат лития
Li
2
SO
4
Y
5,46 2,06 11,2 10,3 18,3 0.38 75
Титанат бария
ТБК-3 4,7 5,3 2,5 1200
±260 190 0,29-0,35 105
±10
ЦТС-19
В
до ль на пр ав ле ния по ля риз ац ии
3,3
±0,3 7,0 23 1525
±325 200 0,35-0,45
>290
ЦТС-22 3,6-4,0 7,0 25,2-28 800
±200 200 0,20 330
±10
ЦТС-23 3,0-3,3 7,4 22,2-24,8 1050
±250 200 0,43 280
±10
ЦТБС-2 3,3 7,1 23,4 1000
±200 300 0,57 500
±15
ЦТСС-1 3,5
>7,3
>24,5 1000
±250 300 0,55 548
±15
Ниобат свинца
НБС-1 4,0
±0,3 5,6 22,5 1600
±300 42
>0,28 265
±20
Ниобат лития
7,32 4,64 34,0 30 6
0,47 150
Плотность, скорость звука в пьезоматериале и вычисляемый через них
82 характеристический импеданс Z=ρс используют в расчетах по согласованию пьезопластины со средой для достижения большей эффективности передачи энергии
Диэлектрическая постоянная ε нужна для расчета емкости пьезопластины как плоского конденсатора, которая используется при согласовании пьезопластины с дефектоскопом. Ток в колебательном контуре достигает максимального значения при резонансной частоте
LC
1 2
1
f
0
π
=
, f
0
– частота переменного синусоидального тока, L – индуктивность, С – емкость конденсатора, С=С
0
⋅ε
Пьезомодуль d – важная характеристика свойств пьезоматериала, характеризующая эффективность возбуждения волн пьезоэлементом:
P
q d
=
, где P – давление, q – величина связанных электрических зарядов, возникающих на единице площади пьезоматериала.
Чем выше величина пьезомодуля, тем больший ток будет возникать между поверхностями пьезопластины при приеме волн, и большим звуковым давлением будут обладать волны при возбуждении на пьезопластине.
Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры, называемой точкой Кюри. Выше этой температуры пьезосвойства материала пропадают.
Коэффициент электромеханической связи β - наиболее общая энергетическая характеристика пьезоэлектрика, показывающая какая часть общей энергии пьезоматериала преобразуется в механическую или электрическую форму. Значение β, зависит от типа материала и колебаний пьезопластины и определяет эффективность работы пьезопреобразователя в режимах излучения и приема упругих волн
Из пьезоматериалов наибольшее применение нашла пьезокерамика ЦТС, это обусловлено высокими значениями пьезомодуля, коэффициента
83 электромеханической связи и точки Кюри.
Технические параметры преобразователей регламентируются ГОСТ
14782-
86 "Соединения сварные, методы ультразвуковые" и ГОСТ 26266-90
"Преобразователи ультразвуковые. Общие технические требования". К основным параметрам относят следующие:
1. Коэффициент преобразования.
Вводят коэффициент преобразования при излучении и приеме
Коэффициент преобразования при излучении K
и
=P
aк
/U
и
, где Р
ак
- излученная акустическая мощность, U
и
- напряжение на излучателе. Из пьезоэлектрический свойств материала на него влияет пьезоэлектрическая постоянная е, которая связывает напряжение генератора ЗИ дефектоскопа с механическими напряжениями в пьезоматериале.
Коэффициент преобразования при приеме K
п
=U
п
/P
aк
, где U
п
- напряжение принятого сигнала. Его характеризует пьезоэлектрическая постоянная h=e/ε, где ε
- диэлектрическая проницаемость пьезоматериала.
Работу преобразователя в совмещенном режиме характеризует
коэффициент двойного преобразования К
ип
=К
и
К
п
, равный отношению электрических напряжений принятого и посланного сигналов без учета промежуточного ослабления УЗВ. Именно эта характеристика определяет чувствительность пьезопреобразователя. Она пропорциональная квадрату коэффициента электромеханической связи, который определяется произведением
eh.
Коэффициент двойного преобразования зависит не только от свойств пьезоматериала, но также и от соотношения акустических сопротивлений пьезопластины, демпфера и среды, в которую излучается УЗВ, частоты и добротности электрического колебательного контура, соединенного с пьезопластиной (добротность
R
L
f
2
Q
0
эл
π
=
, чем выше добротность, тем медленнее затухают колебания)
Зависимость коэффициента двойного преобразования преобразователя от
84 частоты называют амплитудно-частотной характеристикой, рис 5.6.
Рис.5.6. Амплитудно-частотная характеристика преобразователя.
Кривые 1, 2, 3 показывают изменение характеристики при уменьшении добротности электрического контура зондирующего генератора
Частота f
0
очень близка к рассчитанной. При малой связи с нагрузкой амплитуда эхо-импульса от отражателя достигает максимального значения на рабочей частоте f
0
. В России принят ряд стандартных рабочих частот. Наиболее употребительные рабочие частоты: 1,25 МГц, 1,8 МГц (дополнительная), 2,5 МГц,
5 МГц, 10 МГц. Допуски на соответствие частот составляют ±10% выше 1,25 МГц и ±20% до 1,25 МГц.
Полоса преобразования
∆
f
(показана на нижней кривой рис.7) - это разность частот f
2
– f
2
=
∆f, f
1
и f
2
- частоты, на которых амплитуда эхо-импульса (или коэффициента преобразования) уменьшается в 2 раза (на 6 дБ, если К
ип измеряется в децибелах). Обычно ширина полосы составляет около 30% от рабочей частоты.
Для наклонных преобразователей вводят понятия точки выхода, стрелы и угла ввода. Точка выхода - это точка пересечения оси излучения в призме и поверхности выхода. Стрела преобразователя - это расстояние от точки выхода до передней грани преобразователя. Стрела преобразователя - важный параметр, определяющий возможность контроля данным преобразователем сварных швов.
Слишком большая стрела не позволяет проконтролировать все сечение шва
85 прямым лучом. Положение точки выхода маркируется риской на боковой поверхности преобразователя. Допуск на положение точки выхода ±1 мм.
Угол ввода луча - это угол между нормалью к поверхности в точке выхода и линией, соединяющей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода, в положении преобразователя, когда амплитуда эхо-сигнала наибольшая. Из-за эффекта зависимости коэффициента прохождения от угла падения и из-за эффекта квазиискривления акустической оси угол ввода может отличаться от угла преломления, рассчитанного по закону Снеллиуса. Наилучшее совпадение этих углов получается в интервале углов падения от 30° до 50°. Причиной квазиискривления акустической оси является затухание в материале. С увеличением глубины расположения отражателя угол ввода луча уменьшается.
При малом затухании ультразвука этот эффект можно не учитывать.
Угол ввода луча может изменятся в процессе эксплуатации преобразователя за счет:
- истирания и изменения угла призмы;
- изменения скорости распространения УЗ колебаний в призме вследствие старения или изменения температуры. Угол ввода изменяется на 0,5-0,7° на каждые 10°С изменения температуры.
Для отклонения угла ввода а от номинального значения установлены допуски:
- для преобразователей с углом ввода до 60° ±1,5°;
- для преобразователей с углом ввода 60° и больше ±2°.
Важным параметром является время задержки волны в призме наклонного преобразователя. Время задержки измеряется в микросекундах и определяется как отношение длины акустической оси излучения в призме к скорости ультразвука.
Направленность поля ПЭП измеряют при изменении угла ввода по уровню -
6 дБ от максимального значения амплитуды эхо-сигнала к оценивают шириной
раскрытия диаграммы направленности. Типичные значения составляют 4°-10°, причем ширина раскрытия уменьшается с ростом произведения af
0
. Чем выше направленность, тем больше амплитуда эхо-сигнала от отражателя при прочих
86 равных условиях ,
Мертвая зона - участки вблизи поверхности ввода и донной поверхности, дефекты в которых не могут быть выявлены эхо-импульсным методом при данных параметрах контроля. Понятие мертвой зоны иллюстрирует рис.5.7.
Рис.5.7. Экран дефектоскопа с импульсами в пределах (1) и вне (2) мертвой зоны
Эхо-импульс от отражателя, расположенного в мертвой зоне вблизи поверхности ввода, попадает в область зондирующего сигнала и последующих шумовых и реверберационных сигналов. Размер мертвой зоны зависит от длительности зондирующего импульса τ
зи и длительности переходных процессов
τ
пп
, происходящих из-за недостаточного демпфирования и отражений в призме.
Размер мертвой зоны оценивается по формулам:
2
)
(
c
H
пп зи
M
τ
+
τ
=
- для прямого преобразователя
α
τ
+
τ
=
cos
2
)
(
c
H
пп зи
M
- для наклонного перобразователя
Часть мертвой зоны наклонного ПЭП приходится на призму. С увеличением угла призмы наклонного ПЭП мертвая зона уменьшается. Для уменьшения мертвой зоны нужно повышать частоту УЗВ, что дает возможность сократить длительность зондирующего импульса при том же числе периодов колебаний в импульсе.
Мертвая зона вблизи донной поверхности образуется ввиду того, что сильный донный сигнал мешает выявлению относительно слабого отражения от
87 дефекта. Размер мертвой зоны вблизи донной поверхности прямого преобразователя меньше, чем Нм в вышеприведенной формуле. Для наклонного преобразователя мертвая зона вблизи донной поверхности, как правило, не возникает.
Лучевая разрешающая способность ПЭП
∆
r
(разрешающая способность по глубине или дальности) - это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми компактными отражателями, расположенными по оси излучения.
Отражатели считаются выявленными раздельно, если глубина минимума между двумя максимумами (импульсами) составляет не менее 6 дБ (см. рис.5.8). Лучевая разрешающая способность улучшается с уменьшением длительности зондирующего импульса.
Рис.5.8. К понятию лучевой разрешающей способности ПЭП
Фронтальная разрешающая способность
∆
l - это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми точечными отражателями, расположенными перпендикулярно акустической оси
(для прямого преобразователя - лежащими на одной глубине). Фронтальная разрешающая способность зависит от глубины залегания отражателя h, длины волны λ и диаметра излучателя D:
D
h l
λ
=
∆
,
Для уменьшения ∆l нужно улучшать направленность преобразователя, которая определяется отношением λ/D.
Область рабочих температур - это интервал температур поверхности ОК, при которых ПЭП может эксплуатироваться без ущерба.
88
Классификация, устройство, и маркировка пьезоэлектрических
преобразователей.
ПЭП классифицируются по следующим признакам:
1. По типу волны, возбуждаемой в объекте контроля различают:
- преобразователи продольных волн;
- преобразователи поперечных волн;
- преобразователи поверхностных волн;
- преобразователи других типов волн.
2. По углу ввода УЗ колебаний в изделие различают:
- прямые преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания по нормали к поверхности объекта в точке ввода;
- наклонные преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания в направлениях отличных от нормали к поверхности объекта контроля;
3. По способу размещения функций излучения и приема различают:
- совмещенные ПЭП, у которых одна и та же пьезопластина работает как в режиме излучения, так и в режиме приема.
- раздельно-совмещенные, у которых имеется два пьезоэлемента, установленных в одном корпусе, один из которых работает как излучатель, другой как приемник.
4. По способу осуществления акустического контакта различают:
- контактные ПЭП – рабочая поверхность которых, при работе соприкасается с поверхностью объекта контроля или имеет расстояние до нее меньше половины длины волны в слое контактной жидкости;
- иммерсионные ПЭП - такие, которые работают при наличии между поверхностями преобразователя и объекта контроля слоя жидкости толщиной больше пространственной длительности зондирующего импульса, то есть расстояния, проходимого волной за время длительности ЗИ.
5. Особую группу составляют специализированные ПЭП. К их числу относят:
89
- фокусирующие преобразователи, обеспечивающие фокусировку акустической энергии в определенной области пространства;
- комбинированные преобразователи, объединяющие в одном корпусе два
(или более) независимо работающих пьезоэлемента;
- преобразователи с электрическим сканированием (фазированные решетки), состоящие из мозаики пьезоэлементов в виде одномерной (линейной) или двумерной решетки с шагом не более длины волны;
- преобразователи с равномерной ближней зоной, у которых отсутствует максимумы и минимумы интенсивности в ближней зоне;
- широкополосные и особоширокополосные ПЭП, работающие в широком диапазоне частот.
Наибольшее распространение в практике УЗК получили:
- прямые совмещенные преобразователи, возбуждающие продольные волны, обычно называемые просто «прямые ПЭП»;
- наклонные совмещенные преобразователи, возбуждающие поперечные волны, обычно называемые просто «наклонные ПЭП»;
- раздельно-совмещенные прямые (или с углами излучения и приема до 8°) преобразователи, возбуждающие продольную волну, обычно называемые «РС ПЭП».
Устройство ПЭП
Прямой ПЭП:
При проведении большинства ультразвуковых исследований наиболее предпочтительными являются прямые преобразователи. Устройство типового прямолучевого преобразователя представлено на рис.5.9.
Пьезоэлектрический элемент помещается в переднюю часть. Его назначение – излучение и прием ультразвуковых волн. Пъезопластина изготавливается из специальной пьезокерамики, как правило, ЦТС.
На поверхность пьезопластины нанесены слои электропроводящих материалов (как правило, серебро или никель) – электроды. Они предназначены для равномерного распределения по поверхности пластины электрического
90 заряда, подводимого к пластине в режиме излучения или возникающего на пластине в режиме приема. Толщина электродов намного меньше толщины пластины, в противном случае они будут оказывать влияние на ее акустические свойства.
Рис. 5.9. Прямой преобразователь
Непосредственно к электродам припаиваются проводники, служащие для подводки и снятия электрического напряжения с пьезоэлемента.
Сверху пьезопластины находится демпфер. Он служит для гашения свободных колебаний пьезоэлемента (после прохождения зондирующего импульса пластина колеблется по инерции), что позволяет получать более короткие импульсы. Состав и форма демпфера должны обеспечивать полное затухание и отвод колебаний, излученных пьезопластиной в материал демпфера, без многократных отражений (попадая обратно на пластину, они создают помехи). В демпфер переходит часть звуковой энергии, излученной задней стороной пьезопластины. Демпфирование тем эффективнее, чем лучше согласование акустических сопротивлений пьезокерамики и материала демпфера.
Обычно демпфер изготавливают из искусственных смол (компаундов) с добавками наполнителя высокой плотности, для достижения требуемого акустического сопротивления. Для уменьшения многократных отражений на демпфере, со стороны противоположной пластине, наносят канавки, делают
91 скосы.
Спереди пьезопластины устанавливается протектор. Его функции состоят в защите пьзоэлемента от механических повреждений и истирания, улучшении согласования пьезоэлемента с контролируемым изделием, улучшении акустического контакта при контроле контактным способом. Изготавливают протекторы чаше всего из полимеров и пластмасс, для обеспечения высокой износоустойчивости используют минералокерамику или сталь.
Все элементы ПЭП находятся в специальном корпусе, предназначенном для их защиты от повреждений и экранирования от электромагнитных помех. Корпус изготавливается из металла или пластмассы, с нанесением поверхностного слоя металла, с целью придания корпусу экранирующих свойств.
Также в конструкции ПЭП может присутствовать индуктивность (катушка), для электрического согласования резонансного контура «ПЭП-дефектоскоп». Она обеспечивает такой режим работы дефектоскопа и преобразователя, при котором достигается наибольший коэффициент преобразования электрической энергии в упругую и обратно.
Наклонный ПЭП:
Помимо прямых, широкое распространение получили наклонные ПЭП, они используются в том случае, когда невозможно прозвучить контролируемую область детали прямым лучом. Конструкция наклонного ПЭП изображена на рис. 5.10.
Рис. 5.10 Конструкция наклонного ПЭП
92
Как видно из рисунка наклонный ПЭП содержит те же конструктивные элементы, что и прямой, основным его отличием является присутствие призмы.
Призма служит для передачи упругих волн от пьезопластины к объекту контроля, также она формирует угол ввода ультразвукового луча.
Изготавливается призма обычно из оргстекла. Материал призмы должен обладать малым или умеренным затханием и стабильностью акустических свойств
(влияние температуры, срока эксплуатации). Оргстекло не полностью удовлетворяет этим требованиям из-за изменения скорости распространения УЗВ при изменении температуры и старения. Поэтому преобразователи с призмой из оргстекла нуждаются в периодической поверке. Призмы для прецизионных
(особо точных и стабильных) наклонных преобразователей изготавливают из плавленого кварца.
Пьезопластина возбуждает в призме продольные волны, но при переходе через границу раздела призма-изделие, они трансформируются в поперечные.
Угол наклона призмы (равный углу падения) выбирают, как правило, больше первого критического и меньше второго. В этом случае в обьекте контроля будет распространятся одна поперечная волна с вертикальной поляризацией. Призму с углом 27° используют для возбуждения головной волны. Для возбуждения поверхностной рэлеевской волны применяют призмы с углом 60-65°, то есть несколько больше второго критического.
Бесконтактные способы излучения и приема акустических волн
Бесконтактные методы – это методы, при реализации которых отсутствует соприкосновение преобразователя с поверхностью объекта контроля через слой контактной жидкости. Необходимость использования бесконтактных методов излучения и приема ультразвука вызвана тем, что применение жидкой контактной среды ограничивает возможности контроля. Контактный метод невозможен в случае автоматического контроля при больших скоростях перемещения контролируемых объектов. Ограничения возможностей применения контактных
93 методов также возникают при контроле объектов с шероховатой или загрязненной поверхностью, а также нагретых до высокой температуры. В подобных случаях можно использовать иммерсионный метод, однако чувствительность метода при использовании иммерсионной жидкости уменьшается в десятки раз. Уменьшение чувствительности происходит из-за двойного прохождения через границу раздела жидкость-твердое тело, кроме того, при этом необходима специальная аппаратура и обеспечение определенных условий проведения контроля. В то же время иммерсионный метод ограниченно применим в автоматических установках акустического контроля, так как при этом возникают сложности, связанные с созданием жидкой иммерсионной среды вокруг объекта контроля в условиях поточного производства.
Достоинства бесконтактных методов позволяют:
− обеспечить большие скорости контроля;
− обеспечить большие объемы контроля;
− реализовать контроль объектов с высокими температурами;
− контролировать шероховатые и загрязненные поверхности.
Воздушно-акустическая связь. Воздушно-акустическая связь реализуется при передаче ультразвуковых сигналов через слой воздуха. Схема контроля подобным методом приведена на рис. 5.11. Затухание ультразвуковых колебаний в воздухе велико, а коэффициент затухания пропорционален квадрату частоты:
δf
2
. Поэтому в таких случаях для уменьшения затухания применяют колебания низких частот f = 0,1 – 0,5 МГц.
Коэффициент прохождения через границу воздух-сталь очень мал:
D 3,8 10
−5
Вследствие этого воздушно-акустическая связь обычно используется для контроля изделий с малой толщиной. Чтобы повысить коэффициент прозрачности в промежуток между объектом контроля и датчиком в некоторых случаях вводят пенопласт. Воздушно-акустическая связь применяется на килогерцовых частотах ультразвука и только для тонких слоев металла, кратных четверти длины волны.
94
Рис. 5.11. Схема контроля с использованием воздушно-акустической связи
Указанным способом контролируют листовой прокат.
Термоакустический эффект. Для реализации термоакустического эффекта в качестве излучателей необходимо использовать специальные
(не пьезоэлектрические) преобразователи. В этом случае источником акустических колебаний является нагретый локальный участок контролируемого объекта. Из-за теплового расширения при нагреве возникают упругие смещения, распространяющиеся в виде волн. Нагрев осуществляется бесконтактно, например, электрической искрой или лучом импульсного лазера. Схема возникновения термоиндуцированных акустических колебаний приведена на рис. 5.12.
Рис. 5.12. Термоакустический эффект: 1 – нагретая область; 2 – область механических напряжений; 3 – распространение акустической волны с плоским, а затем со сферическим фронтом; δ
θ
– толщина прогреваемого слоя
95
Для реализации термоакустического эффекта используют следующие способы бесконтактного нагрева.
1. Электроискровой нагрев
Осуществляется за счет электрического разряда через воздушный зазор.
Эффективность такого способа возбуждения и передачи акустических колебаний невысока. Амплитуда механических напряжений, достигаемая электроискровым разрядом, меньше, чем при использовании пьезоэлектрического преобразователя в 104 раз.
2. Лазерный нагрев
Амплитуда механических напряжений при лазерном нагреве превышает напряжения, достигаемые с использованием пьезоэлектрических преобразователей в 10 3
– 10 4
раз. Коэффициент отражения лазерного излучения от поверхности металла обычно имеет значение около R = 0.8. Основная проблема при использовании лазерного нагрева состоит в малой длительности лазерного импульса τ
и
1…10 нс. Вследствие этого происходит уширение спектра импульса, что предъявляет дополнительные требования к полосе пропускания усилителя. Указанную проблему решают путем использования специальных модуляторов лазерного излучения.
3. Нагрев с помощью пучка электронов
Нагрев осуществляется электронными пушками с длительностью импульса
τ 10 нс и плотностью электронов 10 13
см
−2
. Энергия электронов составляет 300 кэВ. Управление этим процессом осуществляется легче, чем в случае лазерного нагрева. Главный его недостаток – сложность и большие габариты установок, повышенные требования к технике безопасности. В качестве источников электронов используют сегнетоэлектрики, которые испускают электроны высоких энергий при нагреве.
Термоакустический эффект необратим, т. е. используется только для излучения, поэтому бесконтактный прием акустических сигналов осуществляется на основе других принципов, например, с помощью лазерного интерферометра
96
(рис. 5.13). Условие интерференции заключается в равенстве разности хода лучей в плечах интерферометра нечетному числу четвертей длин волн света. В этом случае реализуется линейная зависимость между амплитудой лазерного излучения A
ОПТ
и акустического колебания A
АКУСТ
в объекте контроля. На рис.
5.13 используются следующие обозначения: а – акустическое поле внутри объекта
(импульсный режим). ФЭУ – фотоэлектронный умножитель. Зондирующий луч лазера падает на объект контроля, отражается от него и попадает на фотоприемник. Опорный луч через систему зеркал попадает в эту же точку. В
ФЭУ происходит интерференция эталонного луча 2 и зондирующего 1. Диапазон используемых частот фотоприемника – от 50 кГц до 10 МГц. Недостаток метода состоит в том, что при использовании в качестве приемника ФЭУ, точность метода падает, т. к. собственные шумы ФЭУ эквивалентны весьма большому смещению поверхности изделия 5 ⋅10
−12
м. Чувствительность этого метода оказывается на два порядка ниже, чем у контактного пьезоэлектрического способа.
Рис. 5.13. Прием УЗ с помощью лазерного интерферометра
Эффект электрического поля
В этом случае используется электростатическое взаимодействие пластины- электрода с объектом контроля. Генератор переменного напряжения периодически заряжает пластину и создает электрическое поле в зазоре между пластиной и ОК. При этом силы электростатического взаимодействия возбуждают продольную упругую волну в изделии. Между пластиной и объектом
97 контроля может быть помещен слой диэлектрика. Амплитуда упругих механических напряжений в данном случае в 10 3
раз меньше напряжений, возникающих при пьезоэлектрическом методе. Преимущество эффекта электрического поля состоит в возможности бесконтактного ввода и приема акустических колебаний в широком диапазоне частот. Эффект используется для контроля проводящих изделий, зазор h нужно поддерживать минимальным, обычно он составляет десятые доли миллиметра.
Схема излучения УЗ на основе эффекта электрического поля приведена на рис. 5.14.
Рис. 5.14. Эффект электрического поля при излучении УЗ
Эффекты электромагнитного поля
Под эффектами магнитного поля здесь понимаются следующие магнитные явления:
• намагничивание;
• магнитострикция (изменение размеров под действием внешнего магнитного поля);
• магнитодинамический эффект (эффект вихревых токов).
На эффекте вихревых токов основано электромагнитно-акустическое преобразование (ЭМАП). Схемы электромагнитно-акустического преобразования в поперечные и продольные волны приведены на рис. 5.15, 5.16.
98
Рис. 5.15. Схема электромагнитно-акустического преобразователя для поперечных волн: 1 – постоянный магнит; 2 – высокочастотная катушка; 3 – силовые линии магнитного поля; Г – генератор с частотой 10 МГц; Bn – нормальная составляющая магнитного поля; Fл – сила Лоренца. Направление тока меняется с частотой 1 МГц
Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки. При изменении направления магнитного поля, вектор силы Fл разворачивается.
Катушка возбуждает в материале вихревые токи – токи Фуко.
Рис. 5.16. Схема электромагнитно-акустического преобразования для продольных волн
99
От кольцевого излучателя идет плоская волна поперечного типа со скоростью c t
Смещение точек упругой среды происходит по касательной к поверхности – возбуждаются поперечные акустические волны. Возникновение кольцевого излучения обеспечивает высокую направленность поля излучения.
Можно регистрировать далекие дефекты. При этом высока и фронтальная разрешающая способность.
В режиме приема акустические колебания вызывают изменения напряженности электрического поля (если изначально электрическое поле отсутствовало). Изменение колебательной скорости проводника в магнитном поле обеспечивает получение сигнала. Такой преобразователь может использоваться на прием и излучение колебаний.
Излучателем и приемником ультразвука является сама поверхность металла, расположенная в области высокочастотной катушки. Этим способом можно бесконтактно возбудить поперечную волну. Изменяя электрические параметры катушки и сдвиг фаз в обмотках, можно управлять направлением распространения волны.
Использование продольных и поперечных волн позволяет получить дополнительную информацию не только о дефектах типа несплошностей, но и о микроструктуре, характере и величине остаточных напряжений в металле.
Достоинства ЭМАП:
1) стабильный акустический контакт при высокой скорости перемещения контролируемого объекта относительно преобразователя;
2) широкополосность при генерации и приеме коротких импульсов;
3) возможность контролирования объектов, нагретых до высоких температур;
4) возможность приема и излучения поперечных волн перпендикулярно к поверхности. Эта особенность обеспечивает более высокую точность измерения геометрических размеров изделий;
5) возможность управления углом ввода, что обеспечивает возможность бесконтактного возбуждения поверхностных волн Релея и волн Лэмба;
Области применения ЭМАП:
100 1) толщинометрия;
2) дефектоскопия.
Отсутствие промежуточных слоев и работа с поперечными волнами обеспечивают высокую точность измерений. Использование ЭМАП позволяет автоматизировать процесс контроля. Метод обеспечивает эффективный контроль изделий на высоких скоростях, при этом колебания воздушного зазора не влияют на амплитуду сигнала. Поэтому целесообразно его применение в металлургическом, например трубопрокатном, производстве.
Недостатки ЭМАП. Несмотря на все положительные стороны ЭМАП, он все же обладает недостатками:
1) можно контролировать только электропроводящие материалы;
2) габаритные размеры электромагнита достаточно большие;
3) пониженный коэффициент двойного преобразования. Причина этого –
пониженный коэффициент электромеханической связи. Необходимо возбуждать акустические и электрические импульсы колебаний достаточной мощности. По сравнению с пьезопреобразователями, коэффициент преобразования меньше в
10 3
–10 4
раз;
4) метод работает стабильно, если зазор между преобразователем и объектом контроля не более 5 мм.
101
1 2 3 4 5 6
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. В некоторых случаях изготавливают пластины у-среза, то есть такие, которые вырезаны перпендикулярно оси у и параллельно осям х и z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колебания.
Пластинки х-среза служат для возбуждения продольных, а у-среза - для возбуждения поперечных волн. Однако поперечные колебания сложно передать в объект контроля, поскольку поверхность пъезопластины будет проскальзывать относительно поверхности ОК и обычная контактная жидкость передавать поперечные колебания не может. Преобразователь с такой пъезопластиной приклеивают к поверхности ОК или используют очень вязкую контактную жидкость.
В настоящий момент в преобразователях, предназначенных для ультразвуковой дефектоскопии, чаще всего используют не кварц, а сегнетоэлектрическую пьзокерамику.
Сегнетоэлектрики – это класс активных диэлектриков, обладающие следующими свойствами:
78
- высокое значение диэлектрической проницаемости;
- наличие спонтанной поляризации отдельных областей (доменов) в ограниченной области температур;
- наличие петель гистерезиса на зависимостях «поляризация - электрическое поле», «деформация - электрическое поле»;
- рост диэлектрической проницаемости с повышением температуры;
- наличие особой температурной точки (точка Кюри) на кривой зависимости диэлектрическая проницаемость - температура, выше которой сегнетоэлектрические свойства не проявляются;
- наличие остаточной поляризации после воздействия постоянного электрического поля, обуславливающее возможность проявления пьезоэлектрического эффекта (преобразование механической энергии в электрическую или наоборот).
Как правило, в кристаллах сегнетоэлектриков, как и в кристаллах ферромагнетиков есть домены. В одном домене все диполи ориентированы одинаково и создают электрический момент домена. В неполяризованном состоянии электрические моменты различных доменов не совпадают по направлению и компенсируют друг друга, поэтому сегнетоэлектрик в целом не обладает пьезосвойствами. При воздействии внешнего электрического поля электрические моменты доменов постепенно ориентируются в направлении поля, что создает поляризацию, то есть электрические моменты всех доменов будут ориентированы одинаково. Поляризованные сегнетоэлектрики уже будут проявлять свойства пьезоэффекта, в направлении перпендикулярном направлению поляризации.
Пьезокерамические материалы, из которых изготавливают пьезопластины
ПЭП, представляют собой сегнетоэлектрические соединения или их твердые растворы, синтезированные из смеси различных оксидов, карбонатов и солей металлов.
Основу большинства современных пьезокерамических материалов составляют твердые растворы титаната - цирконата свинца (ЦТС),
79 модифицированные различными компонентами и добавками.
Выпускаются также пьезокерамические материалы и на основе титаната бария
(ТБ), титаната свинца (ТС), метаниобата свинца (МНС), титаната висмута (ТВ).
Явление резонанса и добротность
Амплитуда колебаний пьезоэлемента зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты подаваемого на него переменного напряжения и собственной частоты колебаний элемента.
Наибольшая амплитуда колебаний пьезоэлемента достигается при резонансе, то есть когда частота возбуждающего переменного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний. Собственная резонансная частота элемента зависит от его толщины и скорости упругих волн в пьезоматериале. h
2
c f
0
=
Условие возникновения явления резонанса: на толщине h должна укладываться половина длины волны ультразвука.
Вынужденные колебания пьезоэлемента можно возбудить на любой частоте. В этом случае излучаемая энергия будет меньше чем на резонансной частоте, то есть преобразователь будет работать менее эффективно. Зависимость амплитуды колебаний от частоты подаваемого переменного напряжения называется амплитудно-частотной характеристикой (рис. 5.4)
Рис. 5.4 Амплитудно-частотная характеристика пьезопластин различной толщины
80
Основными характеристиками пьезоэлементов являются частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения.
Добротность – количественная характеристика резонансных свойств пьезоэлемента, показывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте, намного ниже резонансной, при одинаковой амплитуде вынуждающей силы.
Короткое импульсное воздействие на пьезоэлемент приводит к появлению на его обкладках серии затухающих по экспоненте гармонических колебаний на собственной резонансной частоте пьезоэлемента (рис.5.5)
Рис. 5.5. Процесс ударного возбуждения пьезопреобразователя.
Причем количество периодов этих затухающих колебаний численно будет равно добротности пьезоэлемента. Пьезоэлементы, использующиеся в УЗК, имеют обычно низкую добротность от 1 до 10.
Приближенно акустическая добротность пьезопластины при контакте с протяженными средами рассчитывается по формуле:
2 0
1
a z
z z
2
Q
+
π
=
, где z
0
и z
2
– характеристические импедансы протяженных сред, контактирующих с пластиной без промежуточных слоев; z
1
- характеристические импеданс пъезоматериала
Основные параметры пьзоэлементов и пьезопреобразователей
В дефектоскопии в подавляющем большинстве случаев используют
81 пьезопластины из поляризованные по толщине. Толщина пьезопластины определяется из соображений максимальной эффективности преобразования при излучении и приеме упругих волн, которая достигается при полуволновой толщине пьезопластины:
0
f
2
c
2
/
h
=
λ
=
где λ - длина волны, С - скорость ультразвука в материале пьезоэлемента, f
0
– собственная резонансная частота пьезопластины
Поперечные размеры пьезопластины выбирают исходя из условия:
МГц мм
)
15 12
(
f
0
⋅
÷
=
α
где a – радиус пьезопластины
Свойства пьезоматериалов приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1.
Технические характеристики пьезоматериалов.
М
ат ер иал
Тип ср ез а
С
корос ть зв ук а с.
1х10 3 м/с
П
ло тно ст ь
ρ, х
10 3
, кг
/с м
3
Х
ар ак тер ист ич еск ий им пе да нс z
, МП
а⋅
с/м
Д
иэ ле кт рич ес ка я по ст оя нна я
ε
П
ье зомод ул ь,
п
К
/Н
К
оэ фф иц ие нт эл ек троме ха ни че ск ой связ и
β
Д
оп ус ти ма я тем пер ат ур а,
°С
Кварц
Х
5,74 2,65 15,2 4,5 2,31 0,0094 580
Сульфат лития
Li
2
SO
4
Y
5,46 2,06 11,2 10,3 18,3 0.38 75
Титанат бария
ТБК-3 4,7 5,3 2,5 1200
±260 190 0,29-0,35 105
±10
ЦТС-19
В
до ль на пр ав ле ния по ля риз ац ии
3,3
±0,3 7,0 23 1525
±325 200 0,35-0,45
>290
ЦТС-22 3,6-4,0 7,0 25,2-28 800
±200 200 0,20 330
±10
ЦТС-23 3,0-3,3 7,4 22,2-24,8 1050
±250 200 0,43 280
±10
ЦТБС-2 3,3 7,1 23,4 1000
±200 300 0,57 500
±15
ЦТСС-1 3,5
>7,3
>24,5 1000
±250 300 0,55 548
±15
Ниобат свинца
НБС-1 4,0
±0,3 5,6 22,5 1600
±300 42
>0,28 265
±20
Ниобат лития
7,32 4,64 34,0 30 6
0,47 150
Плотность, скорость звука в пьезоматериале и вычисляемый через них
82 характеристический импеданс Z=ρс используют в расчетах по согласованию пьезопластины со средой для достижения большей эффективности передачи энергии
Диэлектрическая постоянная ε нужна для расчета емкости пьезопластины как плоского конденсатора, которая используется при согласовании пьезопластины с дефектоскопом. Ток в колебательном контуре достигает максимального значения при резонансной частоте
LC
1 2
1
f
0
π
=
, f
0
– частота переменного синусоидального тока, L – индуктивность, С – емкость конденсатора, С=С
0
⋅ε
Пьезомодуль d – важная характеристика свойств пьезоматериала, характеризующая эффективность возбуждения волн пьезоэлементом:
P
q d
=
, где P – давление, q – величина связанных электрических зарядов, возникающих на единице площади пьезоматериала.
Чем выше величина пьезомодуля, тем больший ток будет возникать между поверхностями пьезопластины при приеме волн, и большим звуковым давлением будут обладать волны при возбуждении на пьезопластине.
Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры, называемой точкой Кюри. Выше этой температуры пьезосвойства материала пропадают.
Коэффициент электромеханической связи β - наиболее общая энергетическая характеристика пьезоэлектрика, показывающая какая часть общей энергии пьезоматериала преобразуется в механическую или электрическую форму. Значение β, зависит от типа материала и колебаний пьезопластины и определяет эффективность работы пьезопреобразователя в режимах излучения и приема упругих волн
Из пьезоматериалов наибольшее применение нашла пьезокерамика ЦТС, это обусловлено высокими значениями пьезомодуля, коэффициента
83 электромеханической связи и точки Кюри.
Технические параметры преобразователей регламентируются ГОСТ
14782-
86 "Соединения сварные, методы ультразвуковые" и ГОСТ 26266-90
"Преобразователи ультразвуковые. Общие технические требования". К основным параметрам относят следующие:
1. Коэффициент преобразования.
Вводят коэффициент преобразования при излучении и приеме
Коэффициент преобразования при излучении K
и
=P
aк
/U
и
, где Р
ак
- излученная акустическая мощность, U
и
- напряжение на излучателе. Из пьезоэлектрический свойств материала на него влияет пьезоэлектрическая постоянная е, которая связывает напряжение генератора ЗИ дефектоскопа с механическими напряжениями в пьезоматериале.
Коэффициент преобразования при приеме K
п
=U
п
/P
aк
, где U
п
- напряжение принятого сигнала. Его характеризует пьезоэлектрическая постоянная h=e/ε, где ε
- диэлектрическая проницаемость пьезоматериала.
Работу преобразователя в совмещенном режиме характеризует
коэффициент двойного преобразования К
ип
=К
и
К
п
, равный отношению электрических напряжений принятого и посланного сигналов без учета промежуточного ослабления УЗВ. Именно эта характеристика определяет чувствительность пьезопреобразователя. Она пропорциональная квадрату коэффициента электромеханической связи, который определяется произведением
eh.
Коэффициент двойного преобразования зависит не только от свойств пьезоматериала, но также и от соотношения акустических сопротивлений пьезопластины, демпфера и среды, в которую излучается УЗВ, частоты и добротности электрического колебательного контура, соединенного с пьезопластиной (добротность
R
L
f
2
Q
0
эл
π
=
, чем выше добротность, тем медленнее затухают колебания)
Зависимость коэффициента двойного преобразования преобразователя от
84 частоты называют амплитудно-частотной характеристикой, рис 5.6.
Рис.5.6. Амплитудно-частотная характеристика преобразователя.
Кривые 1, 2, 3 показывают изменение характеристики при уменьшении добротности электрического контура зондирующего генератора
Частота f
0
очень близка к рассчитанной. При малой связи с нагрузкой амплитуда эхо-импульса от отражателя достигает максимального значения на рабочей частоте f
0
. В России принят ряд стандартных рабочих частот. Наиболее употребительные рабочие частоты: 1,25 МГц, 1,8 МГц (дополнительная), 2,5 МГц,
5 МГц, 10 МГц. Допуски на соответствие частот составляют ±10% выше 1,25 МГц и ±20% до 1,25 МГц.
Полоса преобразования
∆
f
(показана на нижней кривой рис.7) - это разность частот f
2
– f
2
=
∆f, f
1
и f
2
- частоты, на которых амплитуда эхо-импульса (или коэффициента преобразования) уменьшается в 2 раза (на 6 дБ, если К
ип измеряется в децибелах). Обычно ширина полосы составляет около 30% от рабочей частоты.
Для наклонных преобразователей вводят понятия точки выхода, стрелы и угла ввода. Точка выхода - это точка пересечения оси излучения в призме и поверхности выхода. Стрела преобразователя - это расстояние от точки выхода до передней грани преобразователя. Стрела преобразователя - важный параметр, определяющий возможность контроля данным преобразователем сварных швов.
Слишком большая стрела не позволяет проконтролировать все сечение шва
85 прямым лучом. Положение точки выхода маркируется риской на боковой поверхности преобразователя. Допуск на положение точки выхода ±1 мм.
Угол ввода луча - это угол между нормалью к поверхности в точке выхода и линией, соединяющей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода, в положении преобразователя, когда амплитуда эхо-сигнала наибольшая. Из-за эффекта зависимости коэффициента прохождения от угла падения и из-за эффекта квазиискривления акустической оси угол ввода может отличаться от угла преломления, рассчитанного по закону Снеллиуса. Наилучшее совпадение этих углов получается в интервале углов падения от 30° до 50°. Причиной квазиискривления акустической оси является затухание в материале. С увеличением глубины расположения отражателя угол ввода луча уменьшается.
При малом затухании ультразвука этот эффект можно не учитывать.
Угол ввода луча может изменятся в процессе эксплуатации преобразователя за счет:
- истирания и изменения угла призмы;
- изменения скорости распространения УЗ колебаний в призме вследствие старения или изменения температуры. Угол ввода изменяется на 0,5-0,7° на каждые 10°С изменения температуры.
Для отклонения угла ввода а от номинального значения установлены допуски:
- для преобразователей с углом ввода до 60° ±1,5°;
- для преобразователей с углом ввода 60° и больше ±2°.
Важным параметром является время задержки волны в призме наклонного преобразователя. Время задержки измеряется в микросекундах и определяется как отношение длины акустической оси излучения в призме к скорости ультразвука.
Направленность поля ПЭП измеряют при изменении угла ввода по уровню -
6 дБ от максимального значения амплитуды эхо-сигнала к оценивают шириной
раскрытия диаграммы направленности. Типичные значения составляют 4°-10°, причем ширина раскрытия уменьшается с ростом произведения af
0
. Чем выше направленность, тем больше амплитуда эхо-сигнала от отражателя при прочих
86 равных условиях ,
Мертвая зона - участки вблизи поверхности ввода и донной поверхности, дефекты в которых не могут быть выявлены эхо-импульсным методом при данных параметрах контроля. Понятие мертвой зоны иллюстрирует рис.5.7.
Рис.5.7. Экран дефектоскопа с импульсами в пределах (1) и вне (2) мертвой зоны
Эхо-импульс от отражателя, расположенного в мертвой зоне вблизи поверхности ввода, попадает в область зондирующего сигнала и последующих шумовых и реверберационных сигналов. Размер мертвой зоны зависит от длительности зондирующего импульса τ
зи и длительности переходных процессов
τ
пп
, происходящих из-за недостаточного демпфирования и отражений в призме.
Размер мертвой зоны оценивается по формулам:
2
)
(
c
H
пп зи
M
τ
+
τ
=
- для прямого преобразователя
α
τ
+
τ
=
cos
2
)
(
c
H
пп зи
M
- для наклонного перобразователя
Часть мертвой зоны наклонного ПЭП приходится на призму. С увеличением угла призмы наклонного ПЭП мертвая зона уменьшается. Для уменьшения мертвой зоны нужно повышать частоту УЗВ, что дает возможность сократить длительность зондирующего импульса при том же числе периодов колебаний в импульсе.
Мертвая зона вблизи донной поверхности образуется ввиду того, что сильный донный сигнал мешает выявлению относительно слабого отражения от
87 дефекта. Размер мертвой зоны вблизи донной поверхности прямого преобразователя меньше, чем Нм в вышеприведенной формуле. Для наклонного преобразователя мертвая зона вблизи донной поверхности, как правило, не возникает.
Лучевая разрешающая способность ПЭП
∆
r
(разрешающая способность по глубине или дальности) - это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми компактными отражателями, расположенными по оси излучения.
Отражатели считаются выявленными раздельно, если глубина минимума между двумя максимумами (импульсами) составляет не менее 6 дБ (см. рис.5.8). Лучевая разрешающая способность улучшается с уменьшением длительности зондирующего импульса.
Рис.5.8. К понятию лучевой разрешающей способности ПЭП
Фронтальная разрешающая способность
∆
l - это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми точечными отражателями, расположенными перпендикулярно акустической оси
(для прямого преобразователя - лежащими на одной глубине). Фронтальная разрешающая способность зависит от глубины залегания отражателя h, длины волны λ и диаметра излучателя D:
D
h l
λ
=
∆
,
Для уменьшения ∆l нужно улучшать направленность преобразователя, которая определяется отношением λ/D.
Область рабочих температур - это интервал температур поверхности ОК, при которых ПЭП может эксплуатироваться без ущерба.
88
Классификация, устройство, и маркировка пьезоэлектрических
преобразователей.
ПЭП классифицируются по следующим признакам:
1. По типу волны, возбуждаемой в объекте контроля различают:
- преобразователи продольных волн;
- преобразователи поперечных волн;
- преобразователи поверхностных волн;
- преобразователи других типов волн.
2. По углу ввода УЗ колебаний в изделие различают:
- прямые преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания по нормали к поверхности объекта в точке ввода;
- наклонные преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания в направлениях отличных от нормали к поверхности объекта контроля;
3. По способу размещения функций излучения и приема различают:
- совмещенные ПЭП, у которых одна и та же пьезопластина работает как в режиме излучения, так и в режиме приема.
- раздельно-совмещенные, у которых имеется два пьезоэлемента, установленных в одном корпусе, один из которых работает как излучатель, другой как приемник.
4. По способу осуществления акустического контакта различают:
- контактные ПЭП – рабочая поверхность которых, при работе соприкасается с поверхностью объекта контроля или имеет расстояние до нее меньше половины длины волны в слое контактной жидкости;
- иммерсионные ПЭП - такие, которые работают при наличии между поверхностями преобразователя и объекта контроля слоя жидкости толщиной больше пространственной длительности зондирующего импульса, то есть расстояния, проходимого волной за время длительности ЗИ.
5. Особую группу составляют специализированные ПЭП. К их числу относят:
89
- фокусирующие преобразователи, обеспечивающие фокусировку акустической энергии в определенной области пространства;
- комбинированные преобразователи, объединяющие в одном корпусе два
(или более) независимо работающих пьезоэлемента;
- преобразователи с электрическим сканированием (фазированные решетки), состоящие из мозаики пьезоэлементов в виде одномерной (линейной) или двумерной решетки с шагом не более длины волны;
- преобразователи с равномерной ближней зоной, у которых отсутствует максимумы и минимумы интенсивности в ближней зоне;
- широкополосные и особоширокополосные ПЭП, работающие в широком диапазоне частот.
Наибольшее распространение в практике УЗК получили:
- прямые совмещенные преобразователи, возбуждающие продольные волны, обычно называемые просто «прямые ПЭП»;
- наклонные совмещенные преобразователи, возбуждающие поперечные волны, обычно называемые просто «наклонные ПЭП»;
- раздельно-совмещенные прямые (или с углами излучения и приема до 8°) преобразователи, возбуждающие продольную волну, обычно называемые «РС ПЭП».
Устройство ПЭП
Прямой ПЭП:
При проведении большинства ультразвуковых исследований наиболее предпочтительными являются прямые преобразователи. Устройство типового прямолучевого преобразователя представлено на рис.5.9.
Пьезоэлектрический элемент помещается в переднюю часть. Его назначение – излучение и прием ультразвуковых волн. Пъезопластина изготавливается из специальной пьезокерамики, как правило, ЦТС.
На поверхность пьезопластины нанесены слои электропроводящих материалов (как правило, серебро или никель) – электроды. Они предназначены для равномерного распределения по поверхности пластины электрического
90 заряда, подводимого к пластине в режиме излучения или возникающего на пластине в режиме приема. Толщина электродов намного меньше толщины пластины, в противном случае они будут оказывать влияние на ее акустические свойства.
Рис. 5.9. Прямой преобразователь
Непосредственно к электродам припаиваются проводники, служащие для подводки и снятия электрического напряжения с пьезоэлемента.
Сверху пьезопластины находится демпфер. Он служит для гашения свободных колебаний пьезоэлемента (после прохождения зондирующего импульса пластина колеблется по инерции), что позволяет получать более короткие импульсы. Состав и форма демпфера должны обеспечивать полное затухание и отвод колебаний, излученных пьезопластиной в материал демпфера, без многократных отражений (попадая обратно на пластину, они создают помехи). В демпфер переходит часть звуковой энергии, излученной задней стороной пьезопластины. Демпфирование тем эффективнее, чем лучше согласование акустических сопротивлений пьезокерамики и материала демпфера.
Обычно демпфер изготавливают из искусственных смол (компаундов) с добавками наполнителя высокой плотности, для достижения требуемого акустического сопротивления. Для уменьшения многократных отражений на демпфере, со стороны противоположной пластине, наносят канавки, делают
91 скосы.
Спереди пьезопластины устанавливается протектор. Его функции состоят в защите пьзоэлемента от механических повреждений и истирания, улучшении согласования пьезоэлемента с контролируемым изделием, улучшении акустического контакта при контроле контактным способом. Изготавливают протекторы чаше всего из полимеров и пластмасс, для обеспечения высокой износоустойчивости используют минералокерамику или сталь.
Все элементы ПЭП находятся в специальном корпусе, предназначенном для их защиты от повреждений и экранирования от электромагнитных помех. Корпус изготавливается из металла или пластмассы, с нанесением поверхностного слоя металла, с целью придания корпусу экранирующих свойств.
Также в конструкции ПЭП может присутствовать индуктивность (катушка), для электрического согласования резонансного контура «ПЭП-дефектоскоп». Она обеспечивает такой режим работы дефектоскопа и преобразователя, при котором достигается наибольший коэффициент преобразования электрической энергии в упругую и обратно.
Наклонный ПЭП:
Помимо прямых, широкое распространение получили наклонные ПЭП, они используются в том случае, когда невозможно прозвучить контролируемую область детали прямым лучом. Конструкция наклонного ПЭП изображена на рис. 5.10.
Рис. 5.10 Конструкция наклонного ПЭП
92
Как видно из рисунка наклонный ПЭП содержит те же конструктивные элементы, что и прямой, основным его отличием является присутствие призмы.
Призма служит для передачи упругих волн от пьезопластины к объекту контроля, также она формирует угол ввода ультразвукового луча.
Изготавливается призма обычно из оргстекла. Материал призмы должен обладать малым или умеренным затханием и стабильностью акустических свойств
(влияние температуры, срока эксплуатации). Оргстекло не полностью удовлетворяет этим требованиям из-за изменения скорости распространения УЗВ при изменении температуры и старения. Поэтому преобразователи с призмой из оргстекла нуждаются в периодической поверке. Призмы для прецизионных
(особо точных и стабильных) наклонных преобразователей изготавливают из плавленого кварца.
Пьезопластина возбуждает в призме продольные волны, но при переходе через границу раздела призма-изделие, они трансформируются в поперечные.
Угол наклона призмы (равный углу падения) выбирают, как правило, больше первого критического и меньше второго. В этом случае в обьекте контроля будет распространятся одна поперечная волна с вертикальной поляризацией. Призму с углом 27° используют для возбуждения головной волны. Для возбуждения поверхностной рэлеевской волны применяют призмы с углом 60-65°, то есть несколько больше второго критического.
Бесконтактные способы излучения и приема акустических волн
Бесконтактные методы – это методы, при реализации которых отсутствует соприкосновение преобразователя с поверхностью объекта контроля через слой контактной жидкости. Необходимость использования бесконтактных методов излучения и приема ультразвука вызвана тем, что применение жидкой контактной среды ограничивает возможности контроля. Контактный метод невозможен в случае автоматического контроля при больших скоростях перемещения контролируемых объектов. Ограничения возможностей применения контактных
93 методов также возникают при контроле объектов с шероховатой или загрязненной поверхностью, а также нагретых до высокой температуры. В подобных случаях можно использовать иммерсионный метод, однако чувствительность метода при использовании иммерсионной жидкости уменьшается в десятки раз. Уменьшение чувствительности происходит из-за двойного прохождения через границу раздела жидкость-твердое тело, кроме того, при этом необходима специальная аппаратура и обеспечение определенных условий проведения контроля. В то же время иммерсионный метод ограниченно применим в автоматических установках акустического контроля, так как при этом возникают сложности, связанные с созданием жидкой иммерсионной среды вокруг объекта контроля в условиях поточного производства.
Достоинства бесконтактных методов позволяют:
− обеспечить большие скорости контроля;
− обеспечить большие объемы контроля;
− реализовать контроль объектов с высокими температурами;
− контролировать шероховатые и загрязненные поверхности.
Воздушно-акустическая связь. Воздушно-акустическая связь реализуется при передаче ультразвуковых сигналов через слой воздуха. Схема контроля подобным методом приведена на рис. 5.11. Затухание ультразвуковых колебаний в воздухе велико, а коэффициент затухания пропорционален квадрату частоты:
δf
2
. Поэтому в таких случаях для уменьшения затухания применяют колебания низких частот f = 0,1 – 0,5 МГц.
Коэффициент прохождения через границу воздух-сталь очень мал:
D 3,8 10
−5
Вследствие этого воздушно-акустическая связь обычно используется для контроля изделий с малой толщиной. Чтобы повысить коэффициент прозрачности в промежуток между объектом контроля и датчиком в некоторых случаях вводят пенопласт. Воздушно-акустическая связь применяется на килогерцовых частотах ультразвука и только для тонких слоев металла, кратных четверти длины волны.
94
Рис. 5.11. Схема контроля с использованием воздушно-акустической связи
Указанным способом контролируют листовой прокат.
Термоакустический эффект. Для реализации термоакустического эффекта в качестве излучателей необходимо использовать специальные
(не пьезоэлектрические) преобразователи. В этом случае источником акустических колебаний является нагретый локальный участок контролируемого объекта. Из-за теплового расширения при нагреве возникают упругие смещения, распространяющиеся в виде волн. Нагрев осуществляется бесконтактно, например, электрической искрой или лучом импульсного лазера. Схема возникновения термоиндуцированных акустических колебаний приведена на рис. 5.12.
Рис. 5.12. Термоакустический эффект: 1 – нагретая область; 2 – область механических напряжений; 3 – распространение акустической волны с плоским, а затем со сферическим фронтом; δ
θ
– толщина прогреваемого слоя
95
Для реализации термоакустического эффекта используют следующие способы бесконтактного нагрева.
1. Электроискровой нагрев
Осуществляется за счет электрического разряда через воздушный зазор.
Эффективность такого способа возбуждения и передачи акустических колебаний невысока. Амплитуда механических напряжений, достигаемая электроискровым разрядом, меньше, чем при использовании пьезоэлектрического преобразователя в 104 раз.
2. Лазерный нагрев
Амплитуда механических напряжений при лазерном нагреве превышает напряжения, достигаемые с использованием пьезоэлектрических преобразователей в 10 3
– 10 4
раз. Коэффициент отражения лазерного излучения от поверхности металла обычно имеет значение около R = 0.8. Основная проблема при использовании лазерного нагрева состоит в малой длительности лазерного импульса τ
и
1…10 нс. Вследствие этого происходит уширение спектра импульса, что предъявляет дополнительные требования к полосе пропускания усилителя. Указанную проблему решают путем использования специальных модуляторов лазерного излучения.
3. Нагрев с помощью пучка электронов
Нагрев осуществляется электронными пушками с длительностью импульса
τ 10 нс и плотностью электронов 10 13
см
−2
. Энергия электронов составляет 300 кэВ. Управление этим процессом осуществляется легче, чем в случае лазерного нагрева. Главный его недостаток – сложность и большие габариты установок, повышенные требования к технике безопасности. В качестве источников электронов используют сегнетоэлектрики, которые испускают электроны высоких энергий при нагреве.
Термоакустический эффект необратим, т. е. используется только для излучения, поэтому бесконтактный прием акустических сигналов осуществляется на основе других принципов, например, с помощью лазерного интерферометра
96
(рис. 5.13). Условие интерференции заключается в равенстве разности хода лучей в плечах интерферометра нечетному числу четвертей длин волн света. В этом случае реализуется линейная зависимость между амплитудой лазерного излучения A
ОПТ
и акустического колебания A
АКУСТ
в объекте контроля. На рис.
5.13 используются следующие обозначения: а – акустическое поле внутри объекта
(импульсный режим). ФЭУ – фотоэлектронный умножитель. Зондирующий луч лазера падает на объект контроля, отражается от него и попадает на фотоприемник. Опорный луч через систему зеркал попадает в эту же точку. В
ФЭУ происходит интерференция эталонного луча 2 и зондирующего 1. Диапазон используемых частот фотоприемника – от 50 кГц до 10 МГц. Недостаток метода состоит в том, что при использовании в качестве приемника ФЭУ, точность метода падает, т. к. собственные шумы ФЭУ эквивалентны весьма большому смещению поверхности изделия 5 ⋅10
−12
м. Чувствительность этого метода оказывается на два порядка ниже, чем у контактного пьезоэлектрического способа.
Рис. 5.13. Прием УЗ с помощью лазерного интерферометра
Эффект электрического поля
В этом случае используется электростатическое взаимодействие пластины- электрода с объектом контроля. Генератор переменного напряжения периодически заряжает пластину и создает электрическое поле в зазоре между пластиной и ОК. При этом силы электростатического взаимодействия возбуждают продольную упругую волну в изделии. Между пластиной и объектом
97 контроля может быть помещен слой диэлектрика. Амплитуда упругих механических напряжений в данном случае в 10 3
раз меньше напряжений, возникающих при пьезоэлектрическом методе. Преимущество эффекта электрического поля состоит в возможности бесконтактного ввода и приема акустических колебаний в широком диапазоне частот. Эффект используется для контроля проводящих изделий, зазор h нужно поддерживать минимальным, обычно он составляет десятые доли миллиметра.
Схема излучения УЗ на основе эффекта электрического поля приведена на рис. 5.14.
Рис. 5.14. Эффект электрического поля при излучении УЗ
Эффекты электромагнитного поля
Под эффектами магнитного поля здесь понимаются следующие магнитные явления:
• намагничивание;
• магнитострикция (изменение размеров под действием внешнего магнитного поля);
• магнитодинамический эффект (эффект вихревых токов).
На эффекте вихревых токов основано электромагнитно-акустическое преобразование (ЭМАП). Схемы электромагнитно-акустического преобразования в поперечные и продольные волны приведены на рис. 5.15, 5.16.
98
Рис. 5.15. Схема электромагнитно-акустического преобразователя для поперечных волн: 1 – постоянный магнит; 2 – высокочастотная катушка; 3 – силовые линии магнитного поля; Г – генератор с частотой 10 МГц; Bn – нормальная составляющая магнитного поля; Fл – сила Лоренца. Направление тока меняется с частотой 1 МГц
Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки. При изменении направления магнитного поля, вектор силы Fл разворачивается.
Катушка возбуждает в материале вихревые токи – токи Фуко.
Рис. 5.16. Схема электромагнитно-акустического преобразования для продольных волн
99
От кольцевого излучателя идет плоская волна поперечного типа со скоростью c t
Смещение точек упругой среды происходит по касательной к поверхности – возбуждаются поперечные акустические волны. Возникновение кольцевого излучения обеспечивает высокую направленность поля излучения.
Можно регистрировать далекие дефекты. При этом высока и фронтальная разрешающая способность.
В режиме приема акустические колебания вызывают изменения напряженности электрического поля (если изначально электрическое поле отсутствовало). Изменение колебательной скорости проводника в магнитном поле обеспечивает получение сигнала. Такой преобразователь может использоваться на прием и излучение колебаний.
Излучателем и приемником ультразвука является сама поверхность металла, расположенная в области высокочастотной катушки. Этим способом можно бесконтактно возбудить поперечную волну. Изменяя электрические параметры катушки и сдвиг фаз в обмотках, можно управлять направлением распространения волны.
Использование продольных и поперечных волн позволяет получить дополнительную информацию не только о дефектах типа несплошностей, но и о микроструктуре, характере и величине остаточных напряжений в металле.
Достоинства ЭМАП:
1) стабильный акустический контакт при высокой скорости перемещения контролируемого объекта относительно преобразователя;
2) широкополосность при генерации и приеме коротких импульсов;
3) возможность контролирования объектов, нагретых до высоких температур;
4) возможность приема и излучения поперечных волн перпендикулярно к поверхности. Эта особенность обеспечивает более высокую точность измерения геометрических размеров изделий;
5) возможность управления углом ввода, что обеспечивает возможность бесконтактного возбуждения поверхностных волн Релея и волн Лэмба;
Области применения ЭМАП:
100 1) толщинометрия;
2) дефектоскопия.
Отсутствие промежуточных слоев и работа с поперечными волнами обеспечивают высокую точность измерений. Использование ЭМАП позволяет автоматизировать процесс контроля. Метод обеспечивает эффективный контроль изделий на высоких скоростях, при этом колебания воздушного зазора не влияют на амплитуду сигнала. Поэтому целесообразно его применение в металлургическом, например трубопрокатном, производстве.
Недостатки ЭМАП. Несмотря на все положительные стороны ЭМАП, он все же обладает недостатками:
1) можно контролировать только электропроводящие материалы;
2) габаритные размеры электромагнита достаточно большие;
3) пониженный коэффициент двойного преобразования. Причина этого –
пониженный коэффициент электромеханической связи. Необходимо возбуждать акустические и электрические импульсы колебаний достаточной мощности. По сравнению с пьезопреобразователями, коэффициент преобразования меньше в
10 3
–10 4
раз;
4) метод работает стабильно, если зазор между преобразователем и объектом контроля не более 5 мм.
101
1 2 3 4 5 6
78
- высокое значение диэлектрической проницаемости;
- наличие спонтанной поляризации отдельных областей (доменов) в ограниченной области температур;
- наличие петель гистерезиса на зависимостях «поляризация - электрическое поле», «деформация - электрическое поле»;
- рост диэлектрической проницаемости с повышением температуры;
- наличие особой температурной точки (точка Кюри) на кривой зависимости диэлектрическая проницаемость - температура, выше которой сегнетоэлектрические свойства не проявляются;
- наличие остаточной поляризации после воздействия постоянного электрического поля, обуславливающее возможность проявления пьезоэлектрического эффекта (преобразование механической энергии в электрическую или наоборот).
Как правило, в кристаллах сегнетоэлектриков, как и в кристаллах ферромагнетиков есть домены. В одном домене все диполи ориентированы одинаково и создают электрический момент домена. В неполяризованном состоянии электрические моменты различных доменов не совпадают по направлению и компенсируют друг друга, поэтому сегнетоэлектрик в целом не обладает пьезосвойствами. При воздействии внешнего электрического поля электрические моменты доменов постепенно ориентируются в направлении поля, что создает поляризацию, то есть электрические моменты всех доменов будут ориентированы одинаково. Поляризованные сегнетоэлектрики уже будут проявлять свойства пьезоэффекта, в направлении перпендикулярном направлению поляризации.
Пьезокерамические материалы, из которых изготавливают пьезопластины
ПЭП, представляют собой сегнетоэлектрические соединения или их твердые растворы, синтезированные из смеси различных оксидов, карбонатов и солей металлов.
Основу большинства современных пьезокерамических материалов составляют твердые растворы титаната - цирконата свинца (ЦТС),
79 модифицированные различными компонентами и добавками.
Выпускаются также пьезокерамические материалы и на основе титаната бария
(ТБ), титаната свинца (ТС), метаниобата свинца (МНС), титаната висмута (ТВ).
Явление резонанса и добротность
Амплитуда колебаний пьезоэлемента зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты подаваемого на него переменного напряжения и собственной частоты колебаний элемента.
Наибольшая амплитуда колебаний пьезоэлемента достигается при резонансе, то есть когда частота возбуждающего переменного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний. Собственная резонансная частота элемента зависит от его толщины и скорости упругих волн в пьезоматериале. h
2
c f
0
=
Условие возникновения явления резонанса: на толщине h должна укладываться половина длины волны ультразвука.
Вынужденные колебания пьезоэлемента можно возбудить на любой частоте. В этом случае излучаемая энергия будет меньше чем на резонансной частоте, то есть преобразователь будет работать менее эффективно. Зависимость амплитуды колебаний от частоты подаваемого переменного напряжения называется амплитудно-частотной характеристикой (рис. 5.4)
Рис. 5.4 Амплитудно-частотная характеристика пьезопластин различной толщины
80
Основными характеристиками пьезоэлементов являются частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения.
Добротность – количественная характеристика резонансных свойств пьезоэлемента, показывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте, намного ниже резонансной, при одинаковой амплитуде вынуждающей силы.
Короткое импульсное воздействие на пьезоэлемент приводит к появлению на его обкладках серии затухающих по экспоненте гармонических колебаний на собственной резонансной частоте пьезоэлемента (рис.5.5)
Рис. 5.5. Процесс ударного возбуждения пьезопреобразователя.
Причем количество периодов этих затухающих колебаний численно будет равно добротности пьезоэлемента. Пьезоэлементы, использующиеся в УЗК, имеют обычно низкую добротность от 1 до 10.
Приближенно акустическая добротность пьезопластины при контакте с протяженными средами рассчитывается по формуле:
2 0
1
a z
z z
2
Q
+
π
=
, где z
0
и z
2
– характеристические импедансы протяженных сред, контактирующих с пластиной без промежуточных слоев; z
1
- характеристические импеданс пъезоматериала
Основные параметры пьзоэлементов и пьезопреобразователей
В дефектоскопии в подавляющем большинстве случаев используют
81 пьезопластины из поляризованные по толщине. Толщина пьезопластины определяется из соображений максимальной эффективности преобразования при излучении и приеме упругих волн, которая достигается при полуволновой толщине пьезопластины:
0
f
2
c
2
/
h
=
λ
=
где λ - длина волны, С - скорость ультразвука в материале пьезоэлемента, f
0
– собственная резонансная частота пьезопластины
Поперечные размеры пьезопластины выбирают исходя из условия:
МГц мм
)
15 12
(
f
0
⋅
÷
=
α
где a – радиус пьезопластины
Свойства пьезоматериалов приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1.
Технические характеристики пьезоматериалов.
М
ат ер иал
Тип ср ез а
С
корос ть зв ук а с.
1х10 3 м/с
П
ло тно ст ь
ρ, х
10 3
, кг
/с м
3
Х
ар ак тер ист ич еск ий им пе да нс z
, МП
а⋅
с/м
Д
иэ ле кт рич ес ка я по ст оя нна я
ε
П
ье зомод ул ь,
п
К
/Н
К
оэ фф иц ие нт эл ек троме ха ни че ск ой связ и
β
Д
оп ус ти ма я тем пер ат ур а,
°С
Кварц
Х
5,74 2,65 15,2 4,5 2,31 0,0094 580
Сульфат лития
Li
2
SO
4
Y
5,46 2,06 11,2 10,3 18,3 0.38 75
Титанат бария
ТБК-3 4,7 5,3 2,5 1200
±260 190 0,29-0,35 105
±10
ЦТС-19
В
до ль на пр ав ле ния по ля риз ац ии
3,3
±0,3 7,0 23 1525
±325 200 0,35-0,45
>290
ЦТС-22 3,6-4,0 7,0 25,2-28 800
±200 200 0,20 330
±10
ЦТС-23 3,0-3,3 7,4 22,2-24,8 1050
±250 200 0,43 280
±10
ЦТБС-2 3,3 7,1 23,4 1000
±200 300 0,57 500
±15
ЦТСС-1 3,5
>7,3
>24,5 1000
±250 300 0,55 548
±15
Ниобат свинца
НБС-1 4,0
±0,3 5,6 22,5 1600
±300 42
>0,28 265
±20
Ниобат лития
7,32 4,64 34,0 30 6
0,47 150
Плотность, скорость звука в пьезоматериале и вычисляемый через них
82 характеристический импеданс Z=ρс используют в расчетах по согласованию пьезопластины со средой для достижения большей эффективности передачи энергии
Диэлектрическая постоянная ε нужна для расчета емкости пьезопластины как плоского конденсатора, которая используется при согласовании пьезопластины с дефектоскопом. Ток в колебательном контуре достигает максимального значения при резонансной частоте
LC
1 2
1
f
0
π
=
, f
0
– частота переменного синусоидального тока, L – индуктивность, С – емкость конденсатора, С=С
0
⋅ε
Пьезомодуль d – важная характеристика свойств пьезоматериала, характеризующая эффективность возбуждения волн пьезоэлементом:
P
q d
=
, где P – давление, q – величина связанных электрических зарядов, возникающих на единице площади пьезоматериала.
Чем выше величина пьезомодуля, тем больший ток будет возникать между поверхностями пьезопластины при приеме волн, и большим звуковым давлением будут обладать волны при возбуждении на пьезопластине.
Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры, называемой точкой Кюри. Выше этой температуры пьезосвойства материала пропадают.
Коэффициент электромеханической связи β - наиболее общая энергетическая характеристика пьезоэлектрика, показывающая какая часть общей энергии пьезоматериала преобразуется в механическую или электрическую форму. Значение β, зависит от типа материала и колебаний пьезопластины и определяет эффективность работы пьезопреобразователя в режимах излучения и приема упругих волн
Из пьезоматериалов наибольшее применение нашла пьезокерамика ЦТС, это обусловлено высокими значениями пьезомодуля, коэффициента
83 электромеханической связи и точки Кюри.
Технические параметры преобразователей регламентируются ГОСТ
14782-
86 "Соединения сварные, методы ультразвуковые" и ГОСТ 26266-90
"Преобразователи ультразвуковые. Общие технические требования". К основным параметрам относят следующие:
1. Коэффициент преобразования.
Вводят коэффициент преобразования при излучении и приеме
Коэффициент преобразования при излучении K
и
=P
aк
/U
и
, где Р
ак
- излученная акустическая мощность, U
и
- напряжение на излучателе. Из пьезоэлектрический свойств материала на него влияет пьезоэлектрическая постоянная е, которая связывает напряжение генератора ЗИ дефектоскопа с механическими напряжениями в пьезоматериале.
Коэффициент преобразования при приеме K
п
=U
п
/P
aк
, где U
п
- напряжение принятого сигнала. Его характеризует пьезоэлектрическая постоянная h=e/ε, где ε
- диэлектрическая проницаемость пьезоматериала.
Работу преобразователя в совмещенном режиме характеризует
коэффициент двойного преобразования К
ип
=К
и
К
п
, равный отношению электрических напряжений принятого и посланного сигналов без учета промежуточного ослабления УЗВ. Именно эта характеристика определяет чувствительность пьезопреобразователя. Она пропорциональная квадрату коэффициента электромеханической связи, который определяется произведением
eh.
Коэффициент двойного преобразования зависит не только от свойств пьезоматериала, но также и от соотношения акустических сопротивлений пьезопластины, демпфера и среды, в которую излучается УЗВ, частоты и добротности электрического колебательного контура, соединенного с пьезопластиной (добротность
R
L
f
2
Q
0
эл
π
=
, чем выше добротность, тем медленнее затухают колебания)
Зависимость коэффициента двойного преобразования преобразователя от
84 частоты называют амплитудно-частотной характеристикой, рис 5.6.
Рис.5.6. Амплитудно-частотная характеристика преобразователя.
Кривые 1, 2, 3 показывают изменение характеристики при уменьшении добротности электрического контура зондирующего генератора
Частота f
0
очень близка к рассчитанной. При малой связи с нагрузкой амплитуда эхо-импульса от отражателя достигает максимального значения на рабочей частоте f
0
. В России принят ряд стандартных рабочих частот. Наиболее употребительные рабочие частоты: 1,25 МГц, 1,8 МГц (дополнительная), 2,5 МГц,
5 МГц, 10 МГц. Допуски на соответствие частот составляют ±10% выше 1,25 МГц и ±20% до 1,25 МГц.
Полоса преобразования
∆
f
(показана на нижней кривой рис.7) - это разность частот f
2
– f
2
=
∆f, f
1
и f
2
- частоты, на которых амплитуда эхо-импульса (или коэффициента преобразования) уменьшается в 2 раза (на 6 дБ, если К
ип измеряется в децибелах). Обычно ширина полосы составляет около 30% от рабочей частоты.
Для наклонных преобразователей вводят понятия точки выхода, стрелы и угла ввода. Точка выхода - это точка пересечения оси излучения в призме и поверхности выхода. Стрела преобразователя - это расстояние от точки выхода до передней грани преобразователя. Стрела преобразователя - важный параметр, определяющий возможность контроля данным преобразователем сварных швов.
Слишком большая стрела не позволяет проконтролировать все сечение шва
85 прямым лучом. Положение точки выхода маркируется риской на боковой поверхности преобразователя. Допуск на положение точки выхода ±1 мм.
Угол ввода луча - это угол между нормалью к поверхности в точке выхода и линией, соединяющей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода, в положении преобразователя, когда амплитуда эхо-сигнала наибольшая. Из-за эффекта зависимости коэффициента прохождения от угла падения и из-за эффекта квазиискривления акустической оси угол ввода может отличаться от угла преломления, рассчитанного по закону Снеллиуса. Наилучшее совпадение этих углов получается в интервале углов падения от 30° до 50°. Причиной квазиискривления акустической оси является затухание в материале. С увеличением глубины расположения отражателя угол ввода луча уменьшается.
При малом затухании ультразвука этот эффект можно не учитывать.
Угол ввода луча может изменятся в процессе эксплуатации преобразователя за счет:
- истирания и изменения угла призмы;
- изменения скорости распространения УЗ колебаний в призме вследствие старения или изменения температуры. Угол ввода изменяется на 0,5-0,7° на каждые 10°С изменения температуры.
Для отклонения угла ввода а от номинального значения установлены допуски:
- для преобразователей с углом ввода до 60° ±1,5°;
- для преобразователей с углом ввода 60° и больше ±2°.
Важным параметром является время задержки волны в призме наклонного преобразователя. Время задержки измеряется в микросекундах и определяется как отношение длины акустической оси излучения в призме к скорости ультразвука.
Направленность поля ПЭП измеряют при изменении угла ввода по уровню -
6 дБ от максимального значения амплитуды эхо-сигнала к оценивают шириной
раскрытия диаграммы направленности. Типичные значения составляют 4°-10°, причем ширина раскрытия уменьшается с ростом произведения af
0
. Чем выше направленность, тем больше амплитуда эхо-сигнала от отражателя при прочих
86 равных условиях ,
Мертвая зона - участки вблизи поверхности ввода и донной поверхности, дефекты в которых не могут быть выявлены эхо-импульсным методом при данных параметрах контроля. Понятие мертвой зоны иллюстрирует рис.5.7.
Рис.5.7. Экран дефектоскопа с импульсами в пределах (1) и вне (2) мертвой зоны
Эхо-импульс от отражателя, расположенного в мертвой зоне вблизи поверхности ввода, попадает в область зондирующего сигнала и последующих шумовых и реверберационных сигналов. Размер мертвой зоны зависит от длительности зондирующего импульса τ
зи и длительности переходных процессов
τ
пп
, происходящих из-за недостаточного демпфирования и отражений в призме.
Размер мертвой зоны оценивается по формулам:
2
)
(
c
H
пп зи
M
τ
+
τ
=
- для прямого преобразователя
α
τ
+
τ
=
cos
2
)
(
c
H
пп зи
M
- для наклонного перобразователя
Часть мертвой зоны наклонного ПЭП приходится на призму. С увеличением угла призмы наклонного ПЭП мертвая зона уменьшается. Для уменьшения мертвой зоны нужно повышать частоту УЗВ, что дает возможность сократить длительность зондирующего импульса при том же числе периодов колебаний в импульсе.
Мертвая зона вблизи донной поверхности образуется ввиду того, что сильный донный сигнал мешает выявлению относительно слабого отражения от
87 дефекта. Размер мертвой зоны вблизи донной поверхности прямого преобразователя меньше, чем Нм в вышеприведенной формуле. Для наклонного преобразователя мертвая зона вблизи донной поверхности, как правило, не возникает.
Лучевая разрешающая способность ПЭП
∆
r
(разрешающая способность по глубине или дальности) - это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми компактными отражателями, расположенными по оси излучения.
Отражатели считаются выявленными раздельно, если глубина минимума между двумя максимумами (импульсами) составляет не менее 6 дБ (см. рис.5.8). Лучевая разрешающая способность улучшается с уменьшением длительности зондирующего импульса.
Рис.5.8. К понятию лучевой разрешающей способности ПЭП
Фронтальная разрешающая способность
∆
l - это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми точечными отражателями, расположенными перпендикулярно акустической оси
(для прямого преобразователя - лежащими на одной глубине). Фронтальная разрешающая способность зависит от глубины залегания отражателя h, длины волны λ и диаметра излучателя D:
D
h l
λ
=
∆
,
Для уменьшения ∆l нужно улучшать направленность преобразователя, которая определяется отношением λ/D.
Область рабочих температур - это интервал температур поверхности ОК, при которых ПЭП может эксплуатироваться без ущерба.
88
Классификация, устройство, и маркировка пьезоэлектрических
преобразователей.
ПЭП классифицируются по следующим признакам:
1. По типу волны, возбуждаемой в объекте контроля различают:
- преобразователи продольных волн;
- преобразователи поперечных волн;
- преобразователи поверхностных волн;
- преобразователи других типов волн.
2. По углу ввода УЗ колебаний в изделие различают:
- прямые преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания по нормали к поверхности объекта в точке ввода;
- наклонные преобразователи, которые вводят и (или) принимают УЗ колебания в направлениях отличных от нормали к поверхности объекта контроля;
3. По способу размещения функций излучения и приема различают:
- совмещенные ПЭП, у которых одна и та же пьезопластина работает как в режиме излучения, так и в режиме приема.
- раздельно-совмещенные, у которых имеется два пьезоэлемента, установленных в одном корпусе, один из которых работает как излучатель, другой как приемник.
4. По способу осуществления акустического контакта различают:
- контактные ПЭП – рабочая поверхность которых, при работе соприкасается с поверхностью объекта контроля или имеет расстояние до нее меньше половины длины волны в слое контактной жидкости;
- иммерсионные ПЭП - такие, которые работают при наличии между поверхностями преобразователя и объекта контроля слоя жидкости толщиной больше пространственной длительности зондирующего импульса, то есть расстояния, проходимого волной за время длительности ЗИ.
5. Особую группу составляют специализированные ПЭП. К их числу относят:
89
- фокусирующие преобразователи, обеспечивающие фокусировку акустической энергии в определенной области пространства;
- комбинированные преобразователи, объединяющие в одном корпусе два
(или более) независимо работающих пьезоэлемента;
- преобразователи с электрическим сканированием (фазированные решетки), состоящие из мозаики пьезоэлементов в виде одномерной (линейной) или двумерной решетки с шагом не более длины волны;
- преобразователи с равномерной ближней зоной, у которых отсутствует максимумы и минимумы интенсивности в ближней зоне;
- широкополосные и особоширокополосные ПЭП, работающие в широком диапазоне частот.
Наибольшее распространение в практике УЗК получили:
- прямые совмещенные преобразователи, возбуждающие продольные волны, обычно называемые просто «прямые ПЭП»;
- наклонные совмещенные преобразователи, возбуждающие поперечные волны, обычно называемые просто «наклонные ПЭП»;
- раздельно-совмещенные прямые (или с углами излучения и приема до 8°) преобразователи, возбуждающие продольную волну, обычно называемые «РС ПЭП».
Устройство ПЭП
Прямой ПЭП:
При проведении большинства ультразвуковых исследований наиболее предпочтительными являются прямые преобразователи. Устройство типового прямолучевого преобразователя представлено на рис.5.9.
Пьезоэлектрический элемент помещается в переднюю часть. Его назначение – излучение и прием ультразвуковых волн. Пъезопластина изготавливается из специальной пьезокерамики, как правило, ЦТС.
На поверхность пьезопластины нанесены слои электропроводящих материалов (как правило, серебро или никель) – электроды. Они предназначены для равномерного распределения по поверхности пластины электрического
90 заряда, подводимого к пластине в режиме излучения или возникающего на пластине в режиме приема. Толщина электродов намного меньше толщины пластины, в противном случае они будут оказывать влияние на ее акустические свойства.
Рис. 5.9. Прямой преобразователь
Непосредственно к электродам припаиваются проводники, служащие для подводки и снятия электрического напряжения с пьезоэлемента.
Сверху пьезопластины находится демпфер. Он служит для гашения свободных колебаний пьезоэлемента (после прохождения зондирующего импульса пластина колеблется по инерции), что позволяет получать более короткие импульсы. Состав и форма демпфера должны обеспечивать полное затухание и отвод колебаний, излученных пьезопластиной в материал демпфера, без многократных отражений (попадая обратно на пластину, они создают помехи). В демпфер переходит часть звуковой энергии, излученной задней стороной пьезопластины. Демпфирование тем эффективнее, чем лучше согласование акустических сопротивлений пьезокерамики и материала демпфера.
Обычно демпфер изготавливают из искусственных смол (компаундов) с добавками наполнителя высокой плотности, для достижения требуемого акустического сопротивления. Для уменьшения многократных отражений на демпфере, со стороны противоположной пластине, наносят канавки, делают
91 скосы.
Спереди пьезопластины устанавливается протектор. Его функции состоят в защите пьзоэлемента от механических повреждений и истирания, улучшении согласования пьезоэлемента с контролируемым изделием, улучшении акустического контакта при контроле контактным способом. Изготавливают протекторы чаше всего из полимеров и пластмасс, для обеспечения высокой износоустойчивости используют минералокерамику или сталь.
Все элементы ПЭП находятся в специальном корпусе, предназначенном для их защиты от повреждений и экранирования от электромагнитных помех. Корпус изготавливается из металла или пластмассы, с нанесением поверхностного слоя металла, с целью придания корпусу экранирующих свойств.
Также в конструкции ПЭП может присутствовать индуктивность (катушка), для электрического согласования резонансного контура «ПЭП-дефектоскоп». Она обеспечивает такой режим работы дефектоскопа и преобразователя, при котором достигается наибольший коэффициент преобразования электрической энергии в упругую и обратно.
Наклонный ПЭП:
Помимо прямых, широкое распространение получили наклонные ПЭП, они используются в том случае, когда невозможно прозвучить контролируемую область детали прямым лучом. Конструкция наклонного ПЭП изображена на рис. 5.10.
Рис. 5.10 Конструкция наклонного ПЭП
92
Как видно из рисунка наклонный ПЭП содержит те же конструктивные элементы, что и прямой, основным его отличием является присутствие призмы.
Призма служит для передачи упругих волн от пьезопластины к объекту контроля, также она формирует угол ввода ультразвукового луча.
Изготавливается призма обычно из оргстекла. Материал призмы должен обладать малым или умеренным затханием и стабильностью акустических свойств
(влияние температуры, срока эксплуатации). Оргстекло не полностью удовлетворяет этим требованиям из-за изменения скорости распространения УЗВ при изменении температуры и старения. Поэтому преобразователи с призмой из оргстекла нуждаются в периодической поверке. Призмы для прецизионных
(особо точных и стабильных) наклонных преобразователей изготавливают из плавленого кварца.
Пьезопластина возбуждает в призме продольные волны, но при переходе через границу раздела призма-изделие, они трансформируются в поперечные.
Угол наклона призмы (равный углу падения) выбирают, как правило, больше первого критического и меньше второго. В этом случае в обьекте контроля будет распространятся одна поперечная волна с вертикальной поляризацией. Призму с углом 27° используют для возбуждения головной волны. Для возбуждения поверхностной рэлеевской волны применяют призмы с углом 60-65°, то есть несколько больше второго критического.
Бесконтактные способы излучения и приема акустических волн
Бесконтактные методы – это методы, при реализации которых отсутствует соприкосновение преобразователя с поверхностью объекта контроля через слой контактной жидкости. Необходимость использования бесконтактных методов излучения и приема ультразвука вызвана тем, что применение жидкой контактной среды ограничивает возможности контроля. Контактный метод невозможен в случае автоматического контроля при больших скоростях перемещения контролируемых объектов. Ограничения возможностей применения контактных
93 методов также возникают при контроле объектов с шероховатой или загрязненной поверхностью, а также нагретых до высокой температуры. В подобных случаях можно использовать иммерсионный метод, однако чувствительность метода при использовании иммерсионной жидкости уменьшается в десятки раз. Уменьшение чувствительности происходит из-за двойного прохождения через границу раздела жидкость-твердое тело, кроме того, при этом необходима специальная аппаратура и обеспечение определенных условий проведения контроля. В то же время иммерсионный метод ограниченно применим в автоматических установках акустического контроля, так как при этом возникают сложности, связанные с созданием жидкой иммерсионной среды вокруг объекта контроля в условиях поточного производства.
Достоинства бесконтактных методов позволяют:
− обеспечить большие скорости контроля;
− обеспечить большие объемы контроля;
− реализовать контроль объектов с высокими температурами;
− контролировать шероховатые и загрязненные поверхности.
Воздушно-акустическая связь. Воздушно-акустическая связь реализуется при передаче ультразвуковых сигналов через слой воздуха. Схема контроля подобным методом приведена на рис. 5.11. Затухание ультразвуковых колебаний в воздухе велико, а коэффициент затухания пропорционален квадрату частоты:
δf
2
. Поэтому в таких случаях для уменьшения затухания применяют колебания низких частот f = 0,1 – 0,5 МГц.
Коэффициент прохождения через границу воздух-сталь очень мал:
D 3,8 10
−5
Вследствие этого воздушно-акустическая связь обычно используется для контроля изделий с малой толщиной. Чтобы повысить коэффициент прозрачности в промежуток между объектом контроля и датчиком в некоторых случаях вводят пенопласт. Воздушно-акустическая связь применяется на килогерцовых частотах ультразвука и только для тонких слоев металла, кратных четверти длины волны.
94
Рис. 5.11. Схема контроля с использованием воздушно-акустической связи
Указанным способом контролируют листовой прокат.
Термоакустический эффект. Для реализации термоакустического эффекта в качестве излучателей необходимо использовать специальные
(не пьезоэлектрические) преобразователи. В этом случае источником акустических колебаний является нагретый локальный участок контролируемого объекта. Из-за теплового расширения при нагреве возникают упругие смещения, распространяющиеся в виде волн. Нагрев осуществляется бесконтактно, например, электрической искрой или лучом импульсного лазера. Схема возникновения термоиндуцированных акустических колебаний приведена на рис. 5.12.
Рис. 5.12. Термоакустический эффект: 1 – нагретая область; 2 – область механических напряжений; 3 – распространение акустической волны с плоским, а затем со сферическим фронтом; δ
θ
– толщина прогреваемого слоя
95
Для реализации термоакустического эффекта используют следующие способы бесконтактного нагрева.
1. Электроискровой нагрев
Осуществляется за счет электрического разряда через воздушный зазор.
Эффективность такого способа возбуждения и передачи акустических колебаний невысока. Амплитуда механических напряжений, достигаемая электроискровым разрядом, меньше, чем при использовании пьезоэлектрического преобразователя в 104 раз.
2. Лазерный нагрев
Амплитуда механических напряжений при лазерном нагреве превышает напряжения, достигаемые с использованием пьезоэлектрических преобразователей в 10 3
– 10 4
раз. Коэффициент отражения лазерного излучения от поверхности металла обычно имеет значение около R = 0.8. Основная проблема при использовании лазерного нагрева состоит в малой длительности лазерного импульса τ
и
1…10 нс. Вследствие этого происходит уширение спектра импульса, что предъявляет дополнительные требования к полосе пропускания усилителя. Указанную проблему решают путем использования специальных модуляторов лазерного излучения.
3. Нагрев с помощью пучка электронов
Нагрев осуществляется электронными пушками с длительностью импульса
τ 10 нс и плотностью электронов 10 13
см
−2
. Энергия электронов составляет 300 кэВ. Управление этим процессом осуществляется легче, чем в случае лазерного нагрева. Главный его недостаток – сложность и большие габариты установок, повышенные требования к технике безопасности. В качестве источников электронов используют сегнетоэлектрики, которые испускают электроны высоких энергий при нагреве.
Термоакустический эффект необратим, т. е. используется только для излучения, поэтому бесконтактный прием акустических сигналов осуществляется на основе других принципов, например, с помощью лазерного интерферометра
96
(рис. 5.13). Условие интерференции заключается в равенстве разности хода лучей в плечах интерферометра нечетному числу четвертей длин волн света. В этом случае реализуется линейная зависимость между амплитудой лазерного излучения A
ОПТ
и акустического колебания A
АКУСТ
в объекте контроля. На рис.
5.13 используются следующие обозначения: а – акустическое поле внутри объекта
(импульсный режим). ФЭУ – фотоэлектронный умножитель. Зондирующий луч лазера падает на объект контроля, отражается от него и попадает на фотоприемник. Опорный луч через систему зеркал попадает в эту же точку. В
ФЭУ происходит интерференция эталонного луча 2 и зондирующего 1. Диапазон используемых частот фотоприемника – от 50 кГц до 10 МГц. Недостаток метода состоит в том, что при использовании в качестве приемника ФЭУ, точность метода падает, т. к. собственные шумы ФЭУ эквивалентны весьма большому смещению поверхности изделия 5 ⋅10
−12
м. Чувствительность этого метода оказывается на два порядка ниже, чем у контактного пьезоэлектрического способа.
Рис. 5.13. Прием УЗ с помощью лазерного интерферометра
Эффект электрического поля
В этом случае используется электростатическое взаимодействие пластины- электрода с объектом контроля. Генератор переменного напряжения периодически заряжает пластину и создает электрическое поле в зазоре между пластиной и ОК. При этом силы электростатического взаимодействия возбуждают продольную упругую волну в изделии. Между пластиной и объектом
97 контроля может быть помещен слой диэлектрика. Амплитуда упругих механических напряжений в данном случае в 10 3
раз меньше напряжений, возникающих при пьезоэлектрическом методе. Преимущество эффекта электрического поля состоит в возможности бесконтактного ввода и приема акустических колебаний в широком диапазоне частот. Эффект используется для контроля проводящих изделий, зазор h нужно поддерживать минимальным, обычно он составляет десятые доли миллиметра.
Схема излучения УЗ на основе эффекта электрического поля приведена на рис. 5.14.
Рис. 5.14. Эффект электрического поля при излучении УЗ
Эффекты электромагнитного поля
Под эффектами магнитного поля здесь понимаются следующие магнитные явления:
• намагничивание;
• магнитострикция (изменение размеров под действием внешнего магнитного поля);
• магнитодинамический эффект (эффект вихревых токов).
На эффекте вихревых токов основано электромагнитно-акустическое преобразование (ЭМАП). Схемы электромагнитно-акустического преобразования в поперечные и продольные волны приведены на рис. 5.15, 5.16.
98
Рис. 5.15. Схема электромагнитно-акустического преобразователя для поперечных волн: 1 – постоянный магнит; 2 – высокочастотная катушка; 3 – силовые линии магнитного поля; Г – генератор с частотой 10 МГц; Bn – нормальная составляющая магнитного поля; Fл – сила Лоренца. Направление тока меняется с частотой 1 МГц
Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки. При изменении направления магнитного поля, вектор силы Fл разворачивается.
Катушка возбуждает в материале вихревые токи – токи Фуко.
Рис. 5.16. Схема электромагнитно-акустического преобразования для продольных волн
99
От кольцевого излучателя идет плоская волна поперечного типа со скоростью c t
Смещение точек упругой среды происходит по касательной к поверхности – возбуждаются поперечные акустические волны. Возникновение кольцевого излучения обеспечивает высокую направленность поля излучения.
Можно регистрировать далекие дефекты. При этом высока и фронтальная разрешающая способность.
В режиме приема акустические колебания вызывают изменения напряженности электрического поля (если изначально электрическое поле отсутствовало). Изменение колебательной скорости проводника в магнитном поле обеспечивает получение сигнала. Такой преобразователь может использоваться на прием и излучение колебаний.
Излучателем и приемником ультразвука является сама поверхность металла, расположенная в области высокочастотной катушки. Этим способом можно бесконтактно возбудить поперечную волну. Изменяя электрические параметры катушки и сдвиг фаз в обмотках, можно управлять направлением распространения волны.
Использование продольных и поперечных волн позволяет получить дополнительную информацию не только о дефектах типа несплошностей, но и о микроструктуре, характере и величине остаточных напряжений в металле.
Достоинства ЭМАП:
1) стабильный акустический контакт при высокой скорости перемещения контролируемого объекта относительно преобразователя;
2) широкополосность при генерации и приеме коротких импульсов;
3) возможность контролирования объектов, нагретых до высоких температур;
4) возможность приема и излучения поперечных волн перпендикулярно к поверхности. Эта особенность обеспечивает более высокую точность измерения геометрических размеров изделий;
5) возможность управления углом ввода, что обеспечивает возможность бесконтактного возбуждения поверхностных волн Релея и волн Лэмба;
Области применения ЭМАП:
100 1) толщинометрия;
2) дефектоскопия.
Отсутствие промежуточных слоев и работа с поперечными волнами обеспечивают высокую точность измерений. Использование ЭМАП позволяет автоматизировать процесс контроля. Метод обеспечивает эффективный контроль изделий на высоких скоростях, при этом колебания воздушного зазора не влияют на амплитуду сигнала. Поэтому целесообразно его применение в металлургическом, например трубопрокатном, производстве.
Недостатки ЭМАП. Несмотря на все положительные стороны ЭМАП, он все же обладает недостатками:
1) можно контролировать только электропроводящие материалы;
2) габаритные размеры электромагнита достаточно большие;
3) пониженный коэффициент двойного преобразования. Причина этого –
пониженный коэффициент электромеханической связи. Необходимо возбуждать акустические и электрические импульсы колебаний достаточной мощности. По сравнению с пьезопреобразователями, коэффициент преобразования меньше в
10 3
–10 4
раз;
4) метод работает стабильно, если зазор между преобразователем и объектом контроля не более 5 мм.
101
1 2 3 4 5 6