Конструкция преобразователей. 
Акустические измерения

Прямой преобразователь.

Прямой совмещенный преобразователь предназначен для генерации и приема продольных волн в импульсном режиме. Наибольшее распространение совмещенные преобразователи получили в качестве датчика эхоимпульсных ультразвуковых дефектоскопов. Типовая схема такого преобразователя представлена на рис. 5.3.

/ — протектор; 2 — пьезоэлемент; 3 — электрод; 4 — демпфер; 5 — контактная жидкость; 6 — объект контроля Пьезоэлемент изготавливают, учитывая условие резонанса h = Х/2. Размеры в поперечных направлениях выбирают такими, чтобы интервалы времени пробега продольных УЗ-волн по толщине и длине пьезоэлемента значительно различались. Поперечные размеры пьезоэлемента должны быть во много раз больше его толщины.

Важную роль в обеспечении нормальной работы пьезоэлемента играют металлические электроды, которые наносятся не на всю поверхность, чтобы избежать пробоя по краям. В качестве материала электродов в основном используют серебро и никель. При прочих равных условиях соотношение между размерами площадей поверхности пьезопластины, покрытых электродами и свободных от них, оказывает существенное влияние на добротность пьезоэлемента и характеристики акустического поля. Регулируя размер электродов, можно в довольно широких пределах менять характеристики акустического поля в изделии.

Протектор предназначен для защиты пьезоэлемента от механических повреждений, от коррозии и для обеспечения акустического контакта. Толщина протектора обычно выбирается четвертьволновой для обеспечения качественного акустического контакта. Для протекторов выбирают материалы, характеризующиеся высокой износостойкостью, малым затуханием УЗК и высокой скоростью звука.

Демпфер защищает пьезоэлемент от механических повреждений и гасит паразитные колебания. Демпфер изготавливают из материала с большим поглощением ультразвука, чтобы отраженная от верхней грани волна не возвращалась к пьезоэлементу и не вызывала помех. Рекомендуется, чтобы демпфер обеспечивал затухание паразитных сигналов не менее 60—80 дБ.

Между пьезоэлементом и ОК обычно располагается несколько тонких промежуточных слоев. Сюда, в частности, входит электрод 3, подводящий электрическое напряжение к пьезопластине, протектор /, защищающий пьезопластину от механических повреждений, и прослойка контактной жидкости между протектором и изделием (см. рис. 5.3).

Добротность является важной характеристикой преобразователей любого типа, т. к. она характеризует резонансные свойства колебательной системы. Добротность определяется как.

где f₀ — резонансная частота системы; А/ — полоса частот на заданном уровне (например, на уровне 0,7 или 0,5 от амплитуды на резонансной частоте).

Полоса частот определяет фронтальную разрешающую способность. Лучевая разрешающая способность зависит от длительности УЗ-импульса. Общая добротность системы определяется по величинам акустической Q_AK и электрической Q-ЭЛ добротности и связана с ними соотношением.

Управлять акустической добротностью можно только на стадии изготовления за счет изменения конструктивных особенностей преобразователя. На электрическую добротность влияют параметры электрической цепи, поэтому ее можно изменять путем настройки электроакустического тракта прибора. Добротность связана с АЧХ, точнее, с полосой пропускания А/ (рис. 5.4). Чем выше добротность, тем более узкой будет полоса пропускания частот.

Повышение добротности увеличивает амплитуду колебаний пьезоэлемента и, следовательно, повышает чувствительность прибора. Однако увеличение длительности колебаний пьезопластины весьма нежелательно при импульсном режиме работы, т. к. это мешает раздельной регистрации двух быстро следующих друг за другом импульсов. При большой добротности колебания пьезопластины долго не затухают, а фронт импульсов размывается, что существенно ухудшает лучевую разрешающую способность дефектоскопа.