Современные дефектоскопы ком­плектуют набором излучателей и прием­ников УЗ-волн - электроакустических преобразователей (ЭАП). Здесь рассмот­рены ПЭП общего назначения, нашедшие наиболее широкое применение. ПЭП об­щего назначения - это преобразователи, в технических условиях на которые не уста­новлен конкретный тип контролируемого изделия или группы изделий. Основные типы преобразователей, входящих в ком­плект практически каждого дефектоскопа, были кратко рассмотрены в разд. 1.2. Здесь более подробно будет рассмотрено их устройство, а также описан ряд других преобразователей.

Прямой совмещенный преобразо­ватель контактного типа (рис. 2.14, а) предназначен для излучения и приема продольных волн, направленных нор­мально (т. е. под прямым углом) к поверх­ности ввода ОК. Поперечные волны, на­правленные нормально к поверхности, возбудить трудно, как пояснено в разд. 1.1.2.

Пьезопластину 1 обычно изготовля­ют из ЦТС. В настоящее время часто ис­пользуют керамику ПКР (пьезокерамика типа ЦТС производства Ростовского госу­дарственного университета) и метаниобат свинца (см. разд. 1.1.2). Толщину пьезо­пластины делают равной половине длины волны. Для ЦТС на частотах 1 ... 10 МГц она составляет 0,16 ... 1,6 мм.

Пьезопластину ПЭП выполняют обычно круглой. Размеры выбирают с учетом поля излучения-приема. Увеличе­ние диаметра сужает диаграмму направ­ленности в дальней зоне, но в то же время увеличивает протяженность ближней зо­ны, где оценка размеров и местоположе­ния дефектов затрудняется наличием мак­симумов и минимумов сигнала (см. разд. 1.3.1). Целесообразно применять пластины малого размера для контроля тонких изделий и большого - для контро­ля изделий значительной толщины.

На поверхности пьезопластины мето­дами вжигания, осаждения или напыления в вакууме наносят серебряные, никелевые или медные электроды, которые системой проводников 5 соединяют с кабелем 7, а через него с дефектоскопом. Внешнюю оплетку кабеля и наружную сторону пье­зопластины соединяют с металлическим корпусом 6 преобразователя. В преобразо­вателе (или вблизи него) располагают ка­тушку индуктивности 4 для настройки на резонансную частоту.

Пьезопластину приклеивают к демп­феру 2, который повышает ее механиче­скую прочность и расширяет полосу про­пускания. Для того чтобы УЗ-колебания, отраженные от задней поверхности демп­фера, не вызывали помех, демпфер изго­товляют из звукопоглощающего материа­ла, например из эпоксидной смолы с по­
рошкообразным наполнителем из тяжело­го металла (вольфрама) в весовой пропор­ции 1/6 ... 1/12. Это приближает волновое сопротивление демпфера к рс пьезопла­стины и увеличивает широкополосность преобразователя. При контроле изделий большой толщины, когда разрешающая способность не имеет существенного зна­чения, а повышение чувствительности весьма желательно, применяют демпфер с малым волновым сопротивлением.

Если демпфер изготовлен из мате­риала с недостаточным звукопоглощени­ем, то, чтобы УЗ-колебания, отраженные от задней поверхности демпфера, не вы­зывали помех, заднюю поверхность дела­ют неровной, иногда демпферу придают коническую форму.

Протектор 3 ПЭП защищает пьезо­пластину от истирания и других повреж­дений. Он должен обладать высокой изно­соустойчивостью, обеспечивать высокую чувствительность преобразователя и ста­бильность акустического контакта его с изделием. Протектор, изготовленный из металла или керамики, хорошо удовлетво­ряет лишь первым двум из указанных ус­ловий. Протектор из материала с повы­шенным затуханием УЗ - эпоксидной смо­лы с металлическим (предпочтительно бериллиевым) наполнителем или из пла­стика (полиуретана) - повышает стабиль­ность акустического контакта, однако из­
носостойкость такого протектора ниже, чем металлокерамического. Протектор делают тонким (0,2 ... 0,5 от X), чтобы ус­корить гашение многократных отражений в нем ультразвука. В ЦНИИТмаше пред­ложен и апробирован протектор из мелкой металлической сетки.

Наклонный преобразователь (рис. 2.14, б) отличается от прямого наличием призмы 8. Пьезоэлемент 1 излучает в призму продольные волны, которые на границе призмы с изделием преломляют­ся, а частично отражаются. Не вошедшая в изделие часть УЗ-энергии попадает в ло­вушку (передняя и верхняя части призмы) и гасится в ней. Демпфер 2 расширяет по­лосу пропускания. Иногда он отсутствует, что повышает коэффициент преобразова­ния. Пьезопластине для уменьшения пути УЗ в призме часто придают не круглую, а квадратную или прямоугольную форму, ее приклеивают к призме.

Призму делают из пластмассы, на­пример из органического стекла (плекси­гласа). При контроле металлов скорость продольных волн в материале призмы должна быть меньше скорости попереч­ных волн в ОК.

Материал призмы должен достаточно хорошо пропускать УЗ-волны на рабочей частоте, но в то же время быстро гасить их в ловушке (передней и верхней частях призмы). В преобразователях на частоту > 5 МГц применяют материалы с мень­шим затуханием УЗ, чем оргстекло (на­пример, полистирол), а в преобразовате­лях на частоту < 1 МГц - с большим, так как коэффициент затухания возрастает с частотой.

Плексиглас удобен также благодаря своей хорошей смачиваемости, что обес­печивает достаточно высокое качество акустического контакта даже при работе по грубой поверхности. Однако плекси­гласу свойственна плохая устойчивость к истиранию. Для повышения износоустой­чивости преобразователя применяют дру­гие пластики, например поликапролактам.

Фирма Panametrics использует сменные призмы, на которых крепится прямой пре­образователь.

Угол наклона призмы Ро (рис. 2.15) должен обеспечить введение в ОК волн требуемого типа под нужным углом. Чаще всего в ОК вводят поперечные волны, а углы р0 выбирают между первым и вто­рым критическими. Однако, чтобы не воз­никали другие (мешающие) типы волн, углы призмы делают такими, чтобы они не доходили до критических значений. Особенно следует опасаться возбуждения поверхностной волны, так как она вызы­вает появление интенсивных ложных сиг­налов от неровностей поверхности изде­лия. В соответствии с этим и с учетом расхождения пучка лучей необходимо выполнить условие р0 + А,„/(2а)< Р5, где

Хп — длина волны в материале призмы; 2а - размер пьезопластины в плоскости падения; Ps - угол падения, при котором возбуждается поверхностная волна.

Для пары плексиглас—сталь при (Хп/2а)< 0,12 угол ро выбирают в преде­лах 28,5 ... 55°. При этом, согласно закону синусов (1.11) и рис. 1.17, в стали будут возбуждаться поперечные волны с углами ввода 35 ... 80°. Фактические значения углов преломления будут отличаться от вычисленных по закону синусов (см. рис. 1.27). В работе [324] показано, что, применяя демпфер с переменным волно­вым сопротивлением, можно предотвра­тить возбуждение поверхностной волны даже при углах ввода > 80°.

Для контроля аустенитных сварных соединений с большим затуханием и реф­ракцией поперечных волн используют продольные волны, распространяющиеся под углом к поверхности. Для их возбуж­дения угол призмы делают меньше перво­го критического (18 ... 24°). Поперечные волны, возникающие одновременно с про­дольными, создают при этом помехи.

Выбирая соответствующие углы на­клона, с помощью наклонных преобразо-

вателей возбуждают поверхностные, го­ловные волны и различные моды волн в пластинах и стержнях. Угол призмы в этих случаях предварительно рассчиты­вают по закону синусов, а затем уточняют экспериментально посредством преобра­зователей с переменным углом ввода. Это позволяет учесть отклонение скорости звука в призме и изделии от табличных значений. При конструировании обраща­ют внимание на то, чтобы отраженные от поверхности призма - изделие УЗ-про - дольные L и поперечные Т волны попада­ли в ловушку, а не на пьезопластину (см. рис. 2.15). При этом лучи пучка прибли­женно считают параллельными.

Большой ложный сигнал может воз­никнуть в результате отражения попереч­ных волн от двугранного угла А между передней и нижней гранями призмы, от­куда он может отражаться назад к пьезо­пластине. Исходя из этого, стрела преоб­разователя, т. е. расстояние от точки вы­
хода О до передней грани призмы А дела­ют больше a/cospo, чтобы луч от верх­ней части пьезопластины падал на по­верхность перед углом А. В то же время стрелу ОА желательно выполнять возмож­но меньшей, чтобы при контроле сварных соединений призма не упиралась в валик шва. (Определение понятий и способы измерения точки ввода и стрелы преобра­зователя даны в разд. 1.3.2 и 2.2.4.4.)

Расстояние от пьезопластины до нижней грани призмы также делают дос­таточно большим, чтобы лучи от нижней части пьезопластины после отражения от нижней грани призмы (в том числе транс­формированные в поперечные волны) не падали на верхнюю часть пьезопластины. Для этого нужно выполнить условие

Г„ = 00’> o[2ctg(p0 + р,)+ tgpo],

где р, - угол отражения поперечных волн. При больших углах падения, когда

Ро>90°-р, или tgp0 > ст/с1п (здесь с1п И Он - скорости продольных и попереч­ных волн в материале призмы), последнее условие выполняется автоматически, так как отраженная волна не попадает на пье­зопластину. Тогда минимальное значение гп определяется только размерами пьезопластины: гп > a tg р(|.

Раздельно-совмещенный (PC) пре­образователь (рис. 2.14, в) имеет излу­чающий и приемный пьезоэлементы 1, акустически и электрически разделенные экраном 9. В то же время они объединены конструктивно в одном корпусе 6. Благо­даря разделению электрический и акусти­ческий зондирующие импульсы и сопро­вождающие их помехи почти не попадают на приемник, но все-таки мешающая вол­на существует. В результате уменьшается (но не исчезает) минимальная глубина прозвучивання (мертвая зона) до 0,5 ... 1 вместо 5 ... 10 мм для прямых преобразо­вателей.

Пьезоэлементы РС-преобразователя обычно имеют прямоугольную или полу­круглую форму. Их располагают на приз­мах 8 из пластика (например, оргстекла) с небольшими углами наклона (0 ... 10°), при которых в изделие излучаются про­
дольные волны, а поперечные волны в ОК имеют небольшую амплитуду. Варьируя углы призм, их высоту, расстояние между ними и размеры пьезоэлементов, можно изменять положение максимума чувстви­тельности (фокуса), минимальную и мак­симальную глубины прозвучивання (см. разд. 1.3.2). Можно даже обеспечить постоянную чувствительность к дефектам при их различном расстоянии от поверх­ности в довольно широком диапазоне.

На рис. 2.14, в показан прямой РС - преобразователь. Его общая акустическая ось, проходящая посередине между оди­наковыми излучателем и приемником, направлена нормально к поверхности вво­да. Однако существуют также наклонные PC-преобразователи для поперечных и поверхностных, и головных волн.

Наклонные PC-преобразователи при­меняют в двух вариантах: тандем, когда излучатель и приемник расположены один за другим в плоскости падения, и дуэт, когда они размещены рядом. Угол 8 меж­ду проекциями акустических осей на по­верхность ввода и биссектрисой называют углом разворота.

PC-преобразователь хордового ти­па - это PC-преобразователь по варианту дуэт, предназначенный для контроля по-

перечных (кольцевых) сварных соедине­ний труб. У него углы наклона и разворота рассчитаны таким образом, чтобы акусти­ческие оси проходили в теле трубы по хордам, наклонным к оси трубы. Оси не касаются поверхностей трубы и пересека­ются в определенной точке (обычно в цен­тральной части) сварного шва (рис. 2.16). При этом преобразователь должен распо­лагаться на определенном расстоянии от сварного шва и перемещаться вдоль него. Преобразователь предложен Н. П. Алеши­ным и И. Ю. Могильнером [8] и подробно рассмотрен в [80].

Таким образом, РС-преобразователи хордового типа позволяют сформировать в рабочем сечении стенки трубы акусти­ческое поле, параметры направленности которого обеспечивают эффективную вы - являемость дефектов в наплавленном ме­талле сварного шва и относительно низ­кий уровень сигналов, отраженных от не­ровностей валиков усиления. На рис. 2.16, б приведена акустическая схема РС - преобразователя такого типа, иллюстри­рующая особенности его работы.

Угол ввода У 3-волны а и угол разво­рота центральных лучей ф, а также точки ввода А и приема В выбираются таким образом, чтобы центральные лучи диа­грамм направленности излучающего и приемного УЗ-преобразователей (AD и BD соответственно) и хорда АВ находились в одной плоскости Q, проходящей через середину сечения стенки трубы. При этом за счет раскрытия УЗ-пучка обеспечивает­ся практически равномерное озвучивание всего сечения стенки трубы (сварного со­единения по глубине).

Основные параметры хордового РС - преобразователя рассчитывают исходя из следующих соотношений:

где R - наружный радиус трубы; h - тол­щина ее стенки; 21 - длина хорды АВ; т - расстояние между хордой АВ и отражате­лем Д находящимся на оси в середине сварного шва. Преобразователи для труб различных диаметра и толщины выпуска­ются научно-производственным пред­приятием "Политест".

Широкозахватные ПЭП имеют сильно вытянутую прямоугольную пьезо­пластину; они позволяют контролировать широкую полосу изделия типа тонкого листа за один проход.

Широкополосные ПЭП работают в полосе частот больше одной октавы (т. е. /шах//mm ^2). Принципы ИХ КОНСТруирО - вания рассмотрены в разд. 1.2.3. Отметим, что большой широкополосности преобра­зователя вместе с прибором можно до­биться, не применяя специализированных преобразователей, а путем компенсации дефектоскопом уменьшения чувствитель­ности при отклонении от рабочей частоты преобразователя, на которой достигается максимум чувствительности.

Фокусирующие ПЭП дают концен­трацию УЗ-энергии в небольшой зоне - фокусе. Принципы их конструирования рассмотрены в разд. 1.3.3.

Веерные ПЭП излучают расходя­щийся в широком диапазоне углов пучок лучей для выявления различно ориентиро­ванных плоскостных дефектов. Они име­ют либо искривленную пьезопластину, излучающую выпуклой стороной, либо несколько узких плоских пьезопластин, расположенных по цилиндрически ис­кривленной поверхности.

Преобразователь с переменным уг­лом позволяет изменять угол ввода. Его применяют для определения оптимальных условий возбуждения поверхностных волн, волн в пластинах и стержнях, когда требуется плавная регулировка угла на­клона преобразователя. Эти преобразова­тели используют также при эксперимен­тальных исследованиях. На рис. 2.17 пока­заны возможные конструкции таких ПЭП.

В преобразователе на рис. 2.17, а имеются два круговых клина из пластика, на верхнем из которых укреплена пьезо­пластина. Клинья вращаются относитель­но друг друга. В результате суммарный угол изменяется от нуля до суммарного значения углов обоих клиньев. При вра­щении изменяется плоскость падения УЗ - лучей, что требует корректировки поло­жения преобразователя на поверхности изделия. Кроме того, недостатком такого преобразователя является наличие помех от многократных отражений в клиньях.

В преобразователе на рис. 2.17, б пье­зопластина укреплена на пластиковом по­луцилиндре, который вращается в блоке из того же материала. В этом случае плос­кость падения лучей сохраняется, однако изменяются точка ввода акустической оси и путь УЗ в преломляющей призме.

В преобразователе на рис. 2.17, в пье­зопластина с пластиковой прокладкой пе­ремещается по цилиндрической поверхно­сти из того же материала. В таком преоб­разователе точка ввода и путь УЗ в пре­ломляющей призме остаются постоянны­ми, что важно при выборе оптимального утла наклона. Преобразователь может ра­ботать в совмещенном режиме. Недостат­ком его является большой путь УЗ в приз­ме, что значительно ослабляет чувстви­тельность, особенно на высоких частотах. Для устранения этого недостатка призму выполняют в виде локальной жидкостной ванны.

Наклонно-прямой (НП) преобразо­ватель. В. Е. Белым (ЦНИИТмаш) разра­ботан преобразователь [26], который дает возможность прозвучивания как наклон­
ными поперечными, так и прямыми про­дольными волнами (рис. 2.18). Преобра­зователь не имеет демпфера, одна сторона пьезопластины приклеивается к призме, а другая делается свободной. Обычно чув­ствительность наклонного преобразовате­ля настраивают по отражению от плоско­донного отверстия (вариант 2) по плоско­сти, перпендикулярной к акустической оси (вариант 1), а также по другим специ­ально изготовляемым отражателям.

Преимущества прямого преобразова­теля - возможность настройки по донному сигналу, не делая специальных отражате­лей. НП-преобразователь позволяет на­страивать чувствительность по донному сигналу ОК с использованием продольных волн (вариант 3) и после ее корректировки вести контроль в варианте наклонного преобразователя с учетом реальной чувст­вительности пьезопластины.

Преобразователи для возбуждения волн Рэлея обычно имеют конструкцию наклонного преобразователя с углом призмы, обеспечивающим трансформа­цию падающей продольной волны в рэле - евскую. Нежелательна чрезмерно увели­ченная передняя часть призмы, так как это вызывает гашение ею поверхностных волн.

В материале призмы возникают свои рэлеевские волны [232]. С учетом этого для достижения максимальной амплитуды волн Рэлея в ОК размер призмы должен быть таким, чтобы ее переднее ребро про­ецировалось на пьезопластину. Особенно высокая чувствительность достигается при контроле эхометодом с помощью РС - преобразователей типа дуэт (см. разд. 3.3.1.6.5).