Источники возбуждения ультразвуковых волн

^ Для возбуждения ультразвуковых волн исполь­зуют электроакустические преобразователи: пьезоэлектрические,

магнитострикционные и др. В акустических дефектоскопах при­меняют пьезоэлектрические преобразователи из пьезокерамиче­ских материалов — цирконата титаната свинца ЦТС-19 и тнта-

ната бария ТБ-1 (ГОСТ 13927—68). Действие их основано на пьезоэлектрическом эффекте, который заключается в том, что при сжатии и растяжении преобразователей на их поверхностях воз­никают электрические заряды (рис. 6.2), знак которых опреде­ляется видом деформации (сжатие или растяжение), а вели­чина— приложенной силой. I Пьезоэффект обратим; если прило­жить к поверхностям преобразователя переменное электрическое напряжение, то преобразователь будет совершать механические колебания (сжиматься и растягиваться) с частотой приложенного напряжения. Таким образом, пьезоэлектрический преобразователь позволяет преобразовывать электрические колебания в ультра­звуковые и, наоборот, ультразвуковые в электрические.

Пьезопреобразователи изготовляют в форме пластины, цилиндра и т. д. На обе их поверхности наносят тонкий слой серебра. Эксплуатационный интервал температур для пластин из ТБ-1 составляет от —60 до +60°С, а для пластин из ЦТС-19 — от —60 до +250°С. При нагреве титаната бария ТБ-1 свыше 60°С, а цирконата титаната свинца ЦТС-19 свыше 250°С они начинают терять свои пьезоэлектрические свойства.

Наибольшую мощность УЗК пьезопластина излучает при резонансе, т. е. когда частота ее собственных механических коле­баний совпадает с частотой возбуждающего напряжения:

г __ спр

2d, ■

где Сцр — скорость продольных ультразвуковых волн в материале пьезопластины; d — толщина пьезопластины.

Чем больше толщина пьсзопластпны, тем меньше ее резонан­сная частота. Пластина из ЦТС-19 толщиной 0,7—0,75 мм имеет fpe3 = 2,5 МГц. Пластина из ТБ-1 колеблется с этой частотой в резонансном режиме при толщине 1 мм.

Если излучающую ньсзопластпну приложить к поверхности детали, то УЗ К будут возбуждаться в материале детали и рас­пространяться в нем. В зависимости от режима работы генера­тора электрического напряжения УЗК можно излучать в контро­лируемую деталь непрерывно или в виде высокочастотных импульсов заданной длительности. Импульсы УЗК, излучаемые в материал детали, называют зондирующи м и импульсам и.

Пьезопластина после прекращения действия на нее напряже­ния продолжает совершать затухающие механические колебания. Для ускорения затухания этих колебаний пьезопластину демпфи­руют. В качестве демпфера, к которому приклеивают или поджи­мают пластину, используют материалы, сильно поглощающие УЗК (эпоксидную смолу с наполнителем, асбест, резину и т. д.). Такое демпфирование позволяет уменьшить длительность зонди­рующего импульса и приблизить его к длительности импульса электрического напряжения.

Для ввода ультразвуковых волн в материал контролируемых деталей и приема отраженных эхо-сигналов, а также для предо­хранения пьсзопластины от повреждений п износа ее вместе с демпфером помещают в устройства, называемые искателями (или искательными головками).

Для возбуждения в детали воли различного типа используют свойства отражения, преломления и трансформации УЗК на гра­нице раздела двух сред.

Если продольная волна падает на деталь по нормали к ее поверхности (рис. 6.3, а), то часть энергии УЗК проходит в ме­талл и распространяется в нем также в направлении нормали, а часть отражается, При этом проходящая и отраженная волны имеют тот же тип, что и падающая, т. е. являются продольными. Доля отраженной энергии тем больше, чем больше разница аку­стических сопротивлений контактирующих материалов — пьезопла — стипы и контролируемой детали. При наличии между пьезопла­стиной и поверхностью детали воздушного зазора (из-за шерохо­ватости поверхностей или перекоса искателя) от зазора отра­зится обратно в тело искателя вся энергия УЗК, так как удель­ные акустические сопротивления этих сред значительно отли­чаются одно от другого. Для улучшения акустического контакта на поверхность детали в месте установки искателя наносят тон­кий слой минерального масла (контактная смазка), которое заполняет впадины шероховатостей поверхности, устраняя тем самым воздушный зазор. Таким путем удается ввести в металл около 10—12% падающей на него энергии УЗК-

Если продольная волна, излучаемая пьезопластиной, падает под углом р к поверхности детали (для чего между пьезопласти­

ной и деталью располагают призму из органического стекла с углом наклона {З), то на границе раздела призма — деталь проис­ходят три процесса: отражение, преломление и трансформация УЗК, т. е. растепление падающей продольной волны на две отра-

женные (поперечную Si и продольную Lt) и две преломленные (поперечную S2 и продольную L2), распространяющиеся соответ­ственно под углами отражения ps, рх и преломления as> <xl (рис. 6.3,6). Углы яг, и а* обычно называют углами ввода УЗК* Углы падения, отражения и ввода УЗК связаны с их скоро­стями соотношениями синусов;

sin р sin 1% sin sin as ВІГІ

Спр, С[іоп, Спр2 Сиопг Спр!

где С * £ПОПі и Cnpj, сп0Пі — скорости продольной и поперечной

волн в материалах призмы 1 и детали 2. Из соотношения синусов следует, ЧТО р = pL. Т. е. угол падения равен углу отражения продольной волны.

При увеличении угла падения р наступает момент, когда пре­ломленная продольная волна L2 скользит вдоль поверхности

детали, а внутри материала распространяется только поперечная волна S2 (я/, =90°, рис. 6,3, в). Такой угол р называют первым к р и тическ н м у г л о м (р ). При некотором значении утла падения р> Зк|)і (рис. 6.3, г) вдоль поверхности детали скользит только поперечная волна S2 (as = 90°). Такой угол р называют вторым критическим углом (Р,.,,г). Если р > р|фг, то в деталь УЗК, не проникают.

При конструировании искателей угол падения выбирают та­ким, чтобы в контролируемом материале распространялся преи­мущественно один тип волны (варианты а, в я г на рис. 6.3).

Амплитуда поверхностной волны сильно зависит от угла паде­ния. Оптимальное значение р = рп0ц, при котором возбуждаются поверхностные волны максимальной амплитуды, определяют из равенства:

sin Рпов = .

спов

Например, для материала лопаток турбин этот угол рПов = 65°.

При падении волны под некоторым углом — Зцорм к поверхности листа (к стенке кожуха камеры сгорания или цилиндра, трубо­провода и др.) в материале возбуждаются симметричная и асимметричная нормальные волны. Для материала, например, кожуха (Ст. 20 толщиной 2 мм) угол р„0рм = 59°. Практически ряорм определяют экспериментально или по графикам зависимости скорости нормальных волн от их частоты и толщины детали.