Эффект электрического поля

В этом случае используется электростатическое взаимодействие пластины-электрода с объектом контроля (рис. 5.20). 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 контроля может быть помещен слой диэлектрика. Амплитуда упругих механических напряжений в данном случае в 10³ 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.

Рис. 5.20. 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) (рис. 5.21,5.22).

Рис. 5.21. Схема электромагнитно-акустического преобразователя для поперечных волн:

1 — постоянный магнит; 2 — высокочастотная катушка; 3 — силовые линии магнитного поля; Г — генератор с частотой 10 МГц; F_n- сила Лоренца;/?, — нормальная составляющая магнитного поля.

Направление тока меняется с частотой 1 МГц.

Рис. 5.22. Схема электромагнитно-акустического преобразования для продольных волн.

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки. При изменении направления магнитного поля, вектор силы Р_л разворачивается. Катушка возбуждает в материале вихревые токи — токи Фуко.

От кольцевого излучателя идет плоская волна поперечного типа со скоростью с,. Сила Лоренца (усредненная) составляет.

Из уравнения (5.2) видно, что смешение 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)

где v — колебательная скорость (меняется в данном методе по периодическому закону).

Изменение колебательной скорости проводника в магнитном поле обеспечивает получение сигнала. Такой преобразователь может использоваться на прием и излучение колебаний.

Подробный анализ позволяет получить выражение для поперечной напряженности электрического поля над объектом.

где Я — амплитуда переменного магнитного поля;

рс, — импеданс.

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.

Продольная составляющая электрического поля определяется по выражению где В, — касательная составляющая магнитной индукции;

|1 — магнитная проницаемость контролируемого материала.

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 ЭМ АП:

• 1) стабильный акустический контакт при высокой скорости перемещения контролируемого объекта относительно преобразователя;
• 2) широкополосность при генерации и приеме коротких импульсов;
• 3) возможность контролировать объекты, нагретые 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 управлять углом ввода, что обеспечивает возможность бесконтактного возбуждения поверхностных волн Рэлея и волн Лэмба.

Области применения ЭМАГТ:

• • толщинометрия;
• • 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.

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 10³—10⁴ раз;
• 4) метод работает стабильно, если зазор между преобразователем и объектом контроля не более 5 мм.

Контрольные вопросы

• 1. Что такое электроакустический преобразователь? Перечислите основные типы преобразователей.
• 2. Охарактеризуйте физику явления пьезоэлектрического эффекта. Уравнениями какого вида он описывается?
• 3. По какому признаку и на какие группы делятся пьезоматериалы? Приведите примеры.
• 4. Какие типы преобразователей различают в зависимости от способа акустического контакта с изделием? Перечислите основные различия между ними.
• 5. Запишите формулу для добротности ультразвукового преобразователя. Поясните все обозначения.
• 6. Для чего нужно обеспечить максимальную ширину полосы частот преобразователя? Какими способами это можно осуществить?