В практике ультразвуковой дефектоскопии металлов применяют УЗК частотой от 0,5—0,8 до 10,0 МГц. Для получения ультразвука таких частот применяют пьезоэлектрические, магнитострикциоииые, электромагнитно-акустические (ЭМА) и другие преобразователи. Наибольшее распространение по­лучили пьезоэлектрические преоб­разователи, в которых активным элементом являются пьезоэлемеи - ты, изготовленные из монокристал­ла кварца или пьезокерамических материалов — титаната бария, цирконат титаиата свинца (ЦТС)

И др. (ГОСТ 13927—74). На по­верхности пьезоэлементов наносят тонкие слои серебра, служащие электродами. При подведении к электродам переменного электри­ческого напряжения пьезоэлемент совершает вынужденные механиче­ские колебания (растягивается и сжимается) с частотой электриче­ского напряжения (обратный пье­зоэффект). При воздействии на пьезоэлемеит упругих механических колебаний на его электродах возникает переменное электрическое напряжение с частотой воздействующих механических колебаний (прямой пьезоэффект) (рис. 23).

Амплитуда колебаний пьезоэлемента зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты переменного напряжения и соб­ственной частоты колебаний элемента. Наибольшая амплитуда ко­лебаний пьезоэлемента будет при резонансе, когда собственная час­тота его колебаний совпадает с частотой возбуждающего перемен­ного напряжения. Собственная частота f элемента зависит от его толщины b и скорости упругих воли с:

f = c/2b. (12)

Подавая иа пьезоэлемент переменное напряжение с частотой, от­личной от собственной частоты колебаний, можно получить вынуж­денные колебания пьезоэлемента с любой частотой. Однако в этом случае излучаемая энергия будет меньше, чем на резонансной час­тоте.

Основными характеристиками пьезоэлементов являются: частот­ный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. При одночастотном излучении основными характеристиками пьезо­
элемента являются рабочая частота и частотная полоса. Для резо­нансных пьезоэлементов рабочей частотой является собственная час­тота /о, а ширина частотной полосы Д/ определяется ее добротно­стью Q.

Добротность—'Количественная характеристика резонансных

свойств пьезоэлемента, показывающая, во сколько раз амплитуда вы­нужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынуж­денных колебаний на частоте намного ниже резонансной при одина­ковой амплитуде вынуждающей силы. Добротность определяется поглощением звука, т. е. внутренними потерями в веществе данной колебательной системы и излучением звука в окружающую среду, на которое также расходуется энергия колебательной системы (внеш­ние потери).

Добротность и ширина резонансной полосы связаны соотноше­нием

<3 = /о/(/2 — /х) ,

где Q — добротность; f0 — резонансная частота пьезоэлемента; /і— частота ниже /о, при которой амплитуда колебаний падает до 0,5 от амплитуды при f0; /г — частота выше /о, при которой амплитуда па­дает до 0,5 от амплитуды при /0; /г—/і = Д/— ширина резонансной полосы пропускания.

Пьезоэлементы, используемые в ультразвуковой дефектоскопии,' имеют обычно низкую добротность—в пределах от 1 до 10 [8].

Мощность звука — это энергия, передаваемая звуковой волной через поверхность в единицу времени. Среднее значение мощности звука, отнесенное к единице площади, называют средней удельной мощностью или интенсивностью звука. Для гармонической бегущей волны средняя удельная мощность звука W равна

w = Po у2 = Ро/2рс,

где ро и Vo — амплитуды звукового давления и колебательной ско­рости частиц среды; р — плотность; с — скорость звука в среде.

Мощность звука измеряется в ваттах, а интенсивность — в ват­тах на 1 см2 или на 1 м2. Интенсивность звука достигает 10 Вт/см2.

Направленность излучения преобразователя — это способность его излучать звуковые волны в одних направлениях в большей сте­пени, чем в других. Направленность преобразователя описывают ха­рактеристикой направленности — отношением интенсивности, созда­ваемой данным излучателем в направлении максимального излуче­ния, к интенсивности ненаправленного излучателя той же мощности на том же расстоянии. Характеристику направленности представля - . ют обычно в полярной системе координат.

Пьезоакустические преобразователи характеризуются также чув­ствительностью, коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность — отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на расстоянии 1 м от преобразова­теля к электрическому напряжению на нем или протекающему в нем току. Чем выше звуковое давление и ниже электрическое напряже­ние, тем выше чувствительность преобразователя, Коэффициент по­лезного действия характеризует эффективность преобразователей и определяется отношением полезно использованной энергии к суммар­ному количеству энергии, полученному пьезопреобразователем. К. п.д. пьезопреобразователей составляет 40—70 %.

Под акустическим импедансом понимают полное сопротивление преобразователя, представляющее собой отношение амплитуд звуко­вого давления к колебательной скорости. От акустического импеданса зависят мощность изучения, к. п.д. и другие характеристики. В уль­тразвуковой дефектоскопии пользуются также понятием удельного акустического сопротивления, выражающегося отношением звукового давления к колебательной скорости в данной точке. Для плоской волны удельное акустическое сопротивление равно волновому сопро­тивлению среды, определяющей условия отражения и преломления звука на границе двух сред.

Если пьезоэлемент приложить к контролируемой детали, то в ней будут возбуждаться и распространяться упругие волны. В за­висимости от режима работы генератора переменного электрического напряжения их можно излучать непрерывно или в виде импульсов.

Устройство различных преобразователей (искателей, искательных головок) рассмотрено в гл. V.