Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) — излучатели и приемники ультразвуковой волны

Узел прибора для неразрушающего контроля акустическими методами, преобразующий электрическую энергию в акустическую и обратно, принцип работы которого основан на пьезоэлектрическом эффекте, называется пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП).

ПЭП классифицируются по следующим признакам:

• 1. По типу волны, возбуждаемой в КО, различают преобразователи продольных, сдвиговых, головных, поверхностных или других типов волн;
• 2. По углу ввода колебаний в изделие различают:
  • — прямые преобразователи, которые вводят и/или принимают колебания по нормали к поверхности КО в точке ввода;
  • — наклонные преобразователи, которые вводят и/или принимают колебания в направлениях, отличных от нормали к поверхности КО;
• 3. По способу размещения функций излучения и приема различают:
  • — совмещенные ПЭП, у которых один и тот же пьезоэлемент работает как в режиме излучения, так и в режиме приема;
  • — раздельно-совмещенные (PC) ПЭП, у которых в одном корпусе размещены два или более пьезоэлемента, одни из которых работают только в режиме излучения, а другие — только в режиме приема упругих колебаний;
• 4. По способу осуществления акустического контакта различают:
  • — контактные ПЭП, рабочая поверхность которых соприкасается с поверхностью КО или находится от нее на расстоянии меньше половины длины волны в контактной жидкости;
  • — иммерсионные ПЭП, которые работают при наличии между поверхностями преобразователя и КО слоя жидкости толщиной больше пространственной протяженности акустического импульса;
• 5. Особую группу составляют фокусирующие ПЭП, обеспечивающие фокусировку акустической энергии в определенной области пространства.

Наибольшее применение в практике контроля 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°) ПЭП, возбуждающие продольную волну, обычно называемые просто «РС ПЭП».

Для основных типов ПЭП в России принято буквенно-цифровое обозначение, которое формируется следующим образом:

• — первый знак — буква: П — преобразователь;
• — второй знак — первая цифра: 1 — контактный; 2 — иммерсионный; 3 —контактно-иммерсионный;
• — третий знак — вторая цифра: 1 — прямой; 2 — наклонный;
• — четвертый знак — третья цифра: 1 — совмещенный; 2 — раздельно-совмещенный; 3 — раздельный.

Некоторые российские фирмы вместо указанного обозначения применяют аббревиатуру, отражающую тип преобразователя и фирму-изготовителя. Далее могут быть указаны основные технические параметры — частота, угол ввода (в сталь), размер пьезоэлемента. Каждый современный преобразователь имеет индивидуальный номер.

Типовой ПЭП включает в себя следующие основные элементы (рис. 4.15):

Рис. 4.15. Схема устройства прямого (а), наклонного (б) и раздсльно-совмешенного (в) ПЭП:

I — пьезоэлемент; 2 — электроды; 3 — проводники; 4 — демпфер;

5 — протектор; 6 — корпус; 7 — индуктивность; 8 — призма; 9 — акустический экран; 10 — слой контактной жидкости; II — контролируемый объект

Пьезоэлемент. Предназначен для преобразования электрических колебаний в упругие (обратный пьезоэлектрический эффект) или упругих колебаний в электрические (прямой пьезоэлектрический эффект). Обычно толщина пьезоэлемента d = Х/2, где X — длина волны ультразвука в пьезоматериале на рабочей частоте. В настоящее время пьезоэлементы изготавливаются преимущественно из пьезокерамики. Пьезокерамика — это искусственный пьезоматериал, получаемый из исходного порошкового материала. Основными пьезоматериалами являются цирконат титаната свинца (ЦТС), титанат бария, ниобат свинца и некоторые другие. Совокупность свойств каждого из этих пьезоматериалов (удельное акустическое сопротивление, коэффициент электромеханической связи, пьезоэлектрическая постоянная, механическая прочность, допустимая рабочая температура, технологичность и др.) определяют их область применения.

Электроды. Предназначены для равномерного распределения по поверхности пластины электрического заряда, подводимого к пластине в режиме возбуждения или возникающего на пластине в режиме приема. Электроды представляют собой тонкие электропроводящие слои, нанесенные на поверхность пьезоэлемента. Толщина слоя должна быть много тоньше толщины пластины, чтобы не влиять на ее акустические свойства. Обычно электрод выполняют в виде слоя серебра толщиной несколько тысячных долей миллиметра. Для этого на поверхность наносят суспензию серебра, или химически осаждают слой никеля с золотом. Возможно также создание электродов путем напыления из паровой фазы.

Проводники. Предназначены для подведения и снятия электрического напряжения с пьезоэлемента. Проводники припаивают непосредственно к электродам легкоплавкими припоями.

Демпфер. Служит для гашения свободных колебаний пьезоэлемента с целью получения коротких импульсов, а также для предупреждения механических повреждений пластин, особенно тонких. Состав и форма демпфера должны обеспечивать полное затухание и отвод колебаний, излученных пьезопластиной в материал демпфера, без многократных отражений. Демпфирование тем эффективнее, чем лучше согласование акустических сопротивлений материалов пьезоэлемента и демпфера. В зависимости от требуемого демпфирования, рабочей частоты и других конкретных условий демпфер обычно изготавливают из искусственных смол (компаундов) с добавками порошка (наполнителя с высокой плотностью) для достижения требуемого акустического сопротивления. Для уменьшения многократных отражений на демпфере со стороны, противоположной пьезоэлементу, наносят канавки, делают скосы. Иногда в материал демпфера для увеличения рассеяния звука вводят пузырьки воздуха. При демпфировании пьезоэлемента уменьшается мощность излучаемого им акустического импульса.

Протектор. Выполняет следующие функции:

• — защита пьезоэлемента или призмы от износа;
• — улучшение согласования пьезоэлемента с контролируемым изделием;
• — улучшение акустического контакта при контроле контактным способом.

Для повышения износостойкости ПЭП применяют приклеенные к пьезоэлементу протекторы толщиной 0,1—0,5 мм из кварца, сапфира, бериллия, стали, смол с порошковым наполнителем (например, корундовым или бериллиевым порошком), ситалла, лигнофоля и др. Протекторы также изготавливают в виде сменных пленок или насадок из эластичных пластмасс, чаще всего из полиуретана, или из резины. В этом случае между пьезоэлементом и сменным протектором вводят контактную жидкость.

Корпус. Предназначен для:

• — защиты элементов ПЭП от механических повреждений и воздействия наружной среды;
• — экранирования пьезоэлемента и проводников от электромагнитных помех;
• — компоновки элементов ПЭП в форму, удобную для эксплуатации.

Корпус обычно изготавливают из металла или из пластмассы.

Пластмассовый корпус металлизируют для создания экранирующих свойств.

Катушка (электрическое согласование). Обычно катушку резонансного контура генератора размещают внутри ПЭП. Она обеспечивает такой режим работы дефектоскопа и преобразователя, при котором достигается наибольший коэффициент преобразования электрической энергии в упругую и обратно.

Призма. Служит для создания необходимого типа волны и требуемого угла ввода колебаний в изделие. Обычно призму изготавливают из материала с небольшой скоростью распространения звука (оргстекла, полистирола, поликарбоната), что позволяет при относительно небольших углах падения получать углы ввода до 90°. Высокое затухание колебаний в материале призмы обеспечивает быстрое гашение повторных отражений (реверберации) в призме. Для лучшего гашения переотражений на гранях призмы делают рассеивающие ребра, приклеивают материал с близким акустическим сопротивлением, но со значительно большим затуханием.

При переходе из призмы в изделие излучаемые пьезоэлементом продольные волны трансформируются в сдвиговые. Для того чтобы в изделии формировались волны только одного типа, угол падения делают либо небольшим (сдвиговая волна практически не возбуждается), либо в интервале между первым и вторым критическими углами (отсутствует продольная волна). Для пары оргстекло—сталь это условие выполняется при р = 28—55°.

Акустический экран. Предназначен для акустической и электрической изоляции излучающей и приемной частей PC ПЭП. Акустический экран выполняют из пробки или пенопласта. Он должен обеспечивать возможно большее затухание звука. Кроме того, в районе пьезоэлементов этот слой должен иметь электроизолирующую прослойку, чтобы избежать электрического взаимодействия между излучателем и приемником. В идеальном случае звук должен доходить от излучателя к приемнику только через изделие. На практике не удается избежать небольшого прямого перехода звука между излучателем и приемником.

Для соединения ПЭП с электронным блоком дефектоскопа применяют гибкий экранированный кабель с волновым сопротивлением около 75 Ом.

Точкой выхода преобразователя называется точка пересечения акустической оси преобразователя с его рабочей поверхностью. Отклонение точки выхода от положения, указанного на преобразователе, не должно превышать ± 1 мм.

Стрелой наклонного dПЭП называется расстояние от точки выхода до его передней грани.

Мертвая зона. При контроле эхо-импульсным методом на вход приемно-усилительного тракта кроме эхо-сигналов от дефектов поступает импульс от генератора импульсов возбуждения. Если дефект расположен в зоне под поверхностью так, что эхо-сигнал от него возвращается раньше, чем окончилось излучение генератора, то дефект обнаружен не будет. Мертвой зоной называется подповерхностная область изделия со стороны установки ПЭП, в которой дефекты заданного размера не могут быть выявлены данной испытательной системой (дефектоскоп и ПЭП).

Размер мертвой зоны М при контроле прямым и наклонным ПЭП зависит от:

• — длительности т_я электрического импульса, поступающего на пьезоэлемент от генератора импульсов возбуждения;
• — конструкции и характеристик ПЭП: степень демпфирования пьезоэлемента влияет на длительность т_и его свободных колебаний после окончания воздействия элекгрического импульса.

Зная значение т_и можно произвести оценку мертвой зоны для прямого ПЭП:

где с₍ — скорость продольной волны в контролируемом изделии.

Для наклонных ПЭП мертвая зона уменьшается с увеличением угла призмы. Уменьшению мертвой зоны наклонного ПЭП способствует также:

• — увеличение частоты колебаний и размеров призмы. У прямых ПЭП мертвая зона также уменьшается с увеличением частоты из-за сокращения времени т_и;
• — изменению акустических характеристик контролируемого материала: очевидно, что если в формуле (4.25) будет меняться скорость с (для разных материалов), то изменится и протяженность мертвой зоны;
• — изменению чувствительности, при которой производят контроль.

При работе наклонными ПЭП мертвую зону принято характеризовать минимальной глубиной расположения цилиндрического отражателя, эхоимпульс от которого можно отличить от зондирующего импульса и эхоимпульсов, вызванных переотражениями в призме. В качестве отражателя используются цилиндрические отверстия диаметром 2,0 мм на глубинах 3,0 и 8,0 мм в стандартном образце СО-2. Однако такой метод не определяет фактическую мертвую зону, существующую при контроле с заданной чувствительностью. Поэтому мертвую зону следует оценивать по минимальной глубине, на которой выявляются отражатели конкретного типа и заданного размера, выполненные в образце из контролируемого материала.

Рис. 4.16. Схема, поясняющая формирование мертвой зоны в контролируемом образце (а) и расположение импульсов на экране дефектоскопа (6):

ЗИ— зондирующий импульс; ДИ — донный импульс; ЭИ— импульс от дефекта (невидим); УЗВ — ультразвуковая волна

Разрешающая способность при контроле эхо-методом определяется минимальным расстоянием между двумя одинаковыми отражателями, на котором они регистрируются раздельно (рис. 4.17). Разрешающая способность определяется минимальным расстоянием Т между двумя раздельно выявляемыми дефектами, расположенными в направлении хода луча вдоль акустической оси ПЭП. Величина Т зависит от длительности т_и излучаемого импульса и частоты/ Обычно Т — (1,5—2,0)Х.

Рис. 4.17. К определению разрешающей способности Г :

а — структура импульсов на экране дефектоскопа; б — контролируемый

объект с дефектами; 3И — зондирующий импульс; ДИ — донный импульс;

ЭИ — импульсы от дефектов

Износостойкостью ПЭП называется относительная величина для характеристики сопротивляемости контактной поверхности нагрузкам трением. Износостойкость указывается в миллиметрах на километр пути ПЭП. Износ существенно зависит от чистоты поверхности контроля, силы прижатия, контактной жидкости и температуры поверхности. Износостойкость устанавливается после нормировочных испытаний, особенно жестких, в сравнении с практикой.

Прочность (Р) при давлении в точке. В практике контроля может случиться так, что ПЭП своей контактной поверхностью надавливает на сферическую неровность поверхности образца и разрушается. Величина Р указывает силу, при которой под точечной нагрузкой наступает разрушение ПЭП.

Толщину S пьезоэлектрической пластины ПЭП выбирают такой, чтобы собственная частота колебаний пластины^ соответствовала частоте возбуждаемых или принимаемых ультразвуковых колебаний.

где к₀ — физическая константа пьезоматериала (например, для титаната бария к₀ = 2,5 МГцмм, а для цирконата-титаната свинца к₀ = 1,88 МГц мм).

Чтобы излучаемую искателем волну ввести в контролируемое изделие, между искателем и изделием создают акустический контакт. Акустический контакт обычно обеспечивают заполнением пространства между излучающей плоскостью искателя и поверхностью изделия минеральными маслами, солидолом, техническим глицерином, водой, спиртом и т. п.

В искателе любого типа пьезоэлектрический преобразователь излучает продольную волну. В связи с этим при установке прямого искателя на поверхность любой среды в последней распространяется продольная волна. При введении ультразвуковой волны с помощью наклонной искательной головки в контролируемом объекте могут быть возбуждены как продольная, так и поперечная волна.

Ультразвуковые волны от искателя излучаются в контролируемый объект непрерывно или в виде импульсов заданной длительности т. Длительность импульсов, применяемых в дефектоскопии сварных соединений, составляет несколько микросекунд. Импульсы ультразвуковых колебаний, излучаемые в контролируемый объект, принято называть зондирующими импульсами. Импульсы посылаются в КО один за другим через определенные промежутки времени, называемые паузами, или интервалами (рис. 4.18). Периодом импульсов называется время, проходящее от начала действия одного импульса до начала следующего импульса. Период Т равен сумме длительностей импульса т и паузы.

Рис. 4.18. Схема импульсов ультразвуковых колебаний, возбуждаемых в контролируемом объекте:

а — прямоугольные; б — экспоненциальные

При импульсном методе наиболее часто используют искательные головки совмещенного типа, выполняющие функции излучателя и приемника ультразвука поочередно. Чтобы отраженные импульсы не попали на пьезоэлемент, когда он работает как излучатель, длительность импульса (в микросекундах) выбирают такой, чтобы она в 2—3 раза была меньше длительности паузы.