Основные понятия. Наибольшее распространение в акустических методах неразрушающего контроля и диагностики получили пьезоэлектрические преобразо­ватели. Они обратимы, т. е. используются как для излучения, так и для приема упру­гих колебаний и волн. Активным элемен­том преобразователя служит пьезоэле­мент. В общем случае преобразователь может содержать один или несколько пье­зоэлементов различной формы.

Преобразователь как самостоятель­ный функциональный узел прибора обыч­но соединяют с электронным блоком гиб­ким коаксиальным кабелем. В простейшем случае используют один пьезоэлемент, выполняемый в виде пластины из пьезо­электрического материала. Для излучения упругих волн пьезоэлемент возбуждают электрическим напряжением генератора. Электрические сигналы, появляющиеся на пьезоэлементе при приеме упругих коле­баний, подают на вход усилителя прибора.

Обычно при УЗ-контроле применяют пьезопреобразователи с пьезоэлементом в форме пластины (пьезопластины). Она имеет токопроводящие электроды на больших поверхностях. На электроды по­дают напряжение от генератора электри­ческих колебаний или снимают сигналы, подаваемые на усилитель.

Под действием электрических коле­баний генератора пластина расширяется и сжимается по толщине (рис. 1.32, а). При­ем происходит за счет обратного преобра­зования механических колебаний в элек­трические. Смещения граней пластины, показанные на рисунке, преувеличены. В действительности смещение не превос­ходит 0,0001 мм. Обычно преобразователь с такой пластиной прижимают к поверх­ности изделия через слой контактной жидкости. В результате в изделии возни­кают продольные волны, направленные под прямым углом к поверхности, поэто­му такой преобразователь называют пря­мым.

Прямой пьезоэффект состоит в по­явлении электрических зарядов при де­формации пьезоэлемента, а обратный - в его деформации под действием электриче­ского поля. Таким образом, пластина из­лучает благодаря обратному пьезоэффек­ту, а принимает - благодаря прямому.

Чтобы возбудить поперечные волны, можно заставить поверхности специально изготовленной пьезопластины колебаться в направлениях, перпендикулярных к ее толщине, т. е. совершать сдвиговые коле­бания (рис. 1.32, б). Но такие колебания трудно передать в ОК: поверхность пла­стины будет проскальзывать относительно поверхности ОК и обычная контактная жидкость передать колебания не поможет. Преобразователь с такой пластиной при­клеивают к поверхности ОК или исполь­зуют очень вязкую контактную жидкость.

В высокочастотной УЗ-дефектоско - пии применяют более удобный способ возбуждения поперечных волн. Продоль­ную волну возбуждают в промежуточной среде - призме (чаще всего из плексигласа или другой пластмассы) и направляют на поверхность ОК наклонно. Угол падения выбирают между первым и вторым крити­ческими значениями (см. разд. 1.1.4). В результате в изделии распространяется наклонная к поверхности вертикально по­ляризованная поперечная волна. Такой преобразователь называют наклонным.

Пьезоматериалы. Свойства наибо­лее часто используемых или перспектив­ных пьезоматериалов приведены в табл. 1.7. Постоянные, характеризующие работу пьезопластины, будут рассмотрены также в разд. 1.4.5.

Дадим определения указанным в табл. 1.7 свойствам и поясним область их применения.

Скорость звука (продольных волн) в направлении толщины пластины с требуется для расчета толщины h пьезо­пластины, при которой пластина обладает резонансными свойствами. Если колеба­ния в ненагруженной пластине возбудить коротким электрическим воздействием, а затем предоставить ей возможность коле­баться свободно, то колебания будут про­исходить на собственных частотах, ко­торые часто не вполне правильно назы­вают резонансными.

Низшая (основная) собственная час­тота f0 колеблющейся по толщине сво­бодной пластины соответствует полувол­новой толщине h, т. е. равной половине длины волны в ее материале:

hi = A. i/2 = ci/2/о. (1.15)

При колебаниях с частотой, большей основной собственной частоты, в пьезо­элементе могут возбудиться свободные колебания на высших гармониках, крат­ных основной частоте. При таких колеба­ниях в пьезоэлементе будут возникать одновременно зоны растяжения и зоны сжатия, а внешнее электрическое поле станет создавать во всем объеме напряже­ния одного знака. Поэтому в одних зонах оно будет усиливать, в других ослаблять колебания. Следовательно, в свободном пьезоэлементе под влиянием поля с часто­той, равной четной собственной частоте, колебания не возникают и он остается не­подвижным, как будто заторможены его обе главные грани. Собственные частоты с четными номерами называют частотами динамического торможения [141]. Таким образом, в свободном пьезоэлементе воз­буждаются только нечетные гармоники, т. е. частоты /= (2п - 1 f().

Из (1.15) видно, что чем выше собст­венная частота, тем тоньше должна быть пластина. Например, в пластине из цирко-

ната-титаната свинца (ЦТС) скорость с, = 3,3 мм/мкс, поэтому для работы на частоте 2,5 МГц пластина должна иметь толщину hi = 3,32 • 2,5 = 0,66 мм, а на час­тоте 10 МГц - толщину 0,165 мм.

Под влиянием контактирующих с пластиной элементов эта частота немного изменяется. Частоту, которую возбуждает преобразователь, называют его рабочей частотой. Пьезоматериалы обладают анизотропией свойств, поэтому в других направлениях скорость продольных волн может отличаться от с.

Для свободной (акустически нена- груженной) пластины в формулу входит скорость при постоянной электрической индукции, а в табл. 1.7 указаны значения скоростей при постоянной напряженности электрического поля: они меньше в

д/1 + [З2 раз и соответствуют сильно на­груженной пластине (понятие "коэффици­
ент электромеханической связи" р будет определено ниже).

Плотность р! и вычисляемое через нее волновое сопротивление Z] = р]С] ис­пользуют в расчетах по согласованию пье­зопластины со средой, куда излучается УЗ. Например, акустическую доброт­ность (она определяет длительность коле­баний после возбуждения) пластины вы­числяют по приближенной формуле [27] 71 Z ]

2 z0 + z2 ’ где z0 и Z2 - волновые сопротивления сред, контактирующих с пластиной без проме­жуточных слоев. Добротность пропорцио­нальна отношению полного запаса энер­гии в колеблющейся системе к потерям энергии за период колебаний (см. разд.

1.4.1) .

Диэлектрическая проницае­мость є (точнее, относительная диэлек­трическая проницаемость) нужна для рас­чета емкости пьезопластины как плоского конденсатора:

С = s0sS/fy, (1.17)

где є0 = 8,85 • КГ12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума; S - площадь пье­зопластины. При расчете преобразовате­лей нужно использовать значение es для пластины с закрепленными гранями, счи­тая, что деформация постоянна (см. разд.

1.4.5) .

Коэффициент электромехани­ческой связи (3 - наиболее общая энер­гетическая характеристика пьезоэлектри­ка. Полная энергия W деформированного пьезоэлектрика определяется суммой W = = We + W„, где WE - энергия электрическо­го поля; W„ - энергия, запасенная в меха­нической форме. Коэффициент Р показы­вает, какая часть общей энергии пьезо­электрика преобразуется в механическую (WM) или электрическую (Wf:) форму:

Р = jwjw =JWE/W.

Значение Р зависит от материала и моды колебаний пьезопреобразователя.

Пьезоэлектрическая постоян­ная е связывает электрическое напряже­ние генератора с механическим напряже­нием в пьезоматериале. Коэффициент электромеханической связи р через е и другие величины для колебаний по тол­щине рассчитывается по формуле

р = е/д/г^ЄоЄ .

Величина р2 характеризует роль пье­зоматериала при определении чувстви­тельности совмещенного преобразователя, т. е. работающего как излучатель и как приемник. Если преобразователь раздель­ный, а излучающий и приемный элементы изготовлены из разных пьезоматериалов, то вместо р2 войдет величина

c, z, є' є0

где штрихом отмечены значения, относя­щиеся к приемнику; d и h' - пьезокон­станты, часто используемые вместо е при расчетах излучателя и приемника.

Недостатки некоторых пьезомате­риалов (например, ЦТС) - большое значе­ние є и, соответственно, большая емкость пьезопластины. Это уменьшает чувстви­тельность во время приема сигналов уси­лителем напряжения с высоким входным импедансом. Однако амплитуду сигнала можно существенно повысить применени­ем усилителя тока с низким входным им­педансом [185].

Если преобразователь раздельный, то пьезопластину приемника можно сделать из материала с малым є (например, суль­фата лития, как это рекомендуется в США), а чувствительность увеличить пу­тем использования предусилителя напря­жения с очень высоким входным импе­дансом, расположенного как можно ближе к пьезоэлементу. Это исключает шунтиро­вание малой емкости пьезоэлемента суще­ственно большей емкостью кабеля и мон­тажа, что резко снижает уровень прини­маемого сигнала.

Допустимая температура - это температура, при которой может надежно работать преобразователь. В табл. 1.6 ука­зана следующая допустимая температура: на 20 ... 50° ниже температуры аллотро­пического превращения для кварца (при аллотропическом превращении кварц те­ряет пьезосвойства), точек Кюри для пье­зокерамик (выше этой точки происходит располяризация), температуры размягче­ния для ПВДФ.

Механическая добротность Q4 характеризует потери энергии в свободно колеблющейся пластине (см. разд. 1.4.1). Для получения коротких УЗ-импульсов преимущество имеют материалы с низкой механической добротностью. В преобра-

Рис. 1.33. Композиционный пьезоэлемент

зователях, предназначенных для получе­ния длительных колебаний, - наоборот.

Максимальное электрическое напряжение (7тах, которое может быть подано на пластину от генератора, зависит от электрической прочности пьезомате­риала, которая определяется напряженно­стью максимально допустимого электри­ческого поля £тах (в таблице не указано)

^тах = ^тах 1 '

Для ЦТС-19 £тах = 3000 В/мм, однако уже при 0,З. Етах наблюдается непропор­циональный, замедленный рост амплиту­ды акустического сигнала с ростом на­пряжения генератора.

Пример 1.8. Рассчитать полуволновую толщину, электрическую емкость и акустическую добротность пьезопластины из ЦТС-19 на частоту /= 2,5 МГц, диаметром 2а = 12 мм, излучающую в воду и в сталь. Демпфер с волновым сопротивле­нием z0 = 6 -106 Па с/м • Какое максимальное напряжение от генератора можно подавать на такую пластину?

Толщина пластины согласно (1.15)

hi = 3,3/(2 2,25) = 0,66 мм = 0,00066 м.

Электрическая емкость, исходя из (1.17),

С = е0етш2/й1 = в,85-КГ12 -1725л 0,006[2]/0,00066 = = 2,6 -10-9 Ф.

Акустическая добротность для воды [см. (1-16)] говорят, что пластина нагружена сильнее. Это привело к снижению добротности Максимальное напряжение генератора определяем по формуле:

итж =0,ЗЕтахА| =0,3 3 106 0,66 10‘[3] =600В.

Из пьезоматериалов наибольшее применение получил цирконат-титанат свинца. Существуют различные марки ЦТС, отличающиеся химическим соста­вом и свойствами. В табл. 1.7 даны свой­ства марки ЦТС-19 по государственному стандарту, а остальных материалов - по литературным источникам, в частности [330].

ЦТС - это синтетическая, спеченная из массы определенного химического со­става пьезокерамика. На поверхности из

Рис. 1.34. Изменение скорости продольных волн (в) и волнового сопротивления (б) от процентного содержания ЦТС в композиционном пьезоэлементе

готовленных таким образом пластин нано­сят (краской, вжиганием или напылением) металлические (обычно серебряные или никелевые) электроды. Далее пластины выдерживают длительное время под большим постоянным напряжением (поля­ризуют), чтобы материал приобрел пье­зосвойства. Если температура пьезопла­стины из ЦТС-19 поднимется > 290 °С (точка Кюри), пластина располяризуется, ее приходится поляризовать повторно.

ЦТС обладает высокими пьезосвой­ствами, но у него очень большая электри­ческая емкость. Это уменьшает чувстви­тельность в ходе приема колебаний. Се­рийно изготовленные пьезопластины ино­гда имеют неравномерные свойства по площади.

Кварц — это кристалл. Из него под определенными углами к оптическим осям вырезают пластины, способные деформи­роваться различным образом. В табл. 1.7 указаны данные для пластины Х-среза, совершающей колебания по толщине. Кварц имеет небольшой коэффициент электромеханической связи, однако обла­дает очень высокой добротностью и ста­бильностью свойств. Поэтому его приме­няют в случаях, когда надо обеспечить высокостабильные измерения с постоян­ными свойствами по всей поверхности пластины.

Метаниобат свинца имеет низкую механическую добротность, с его помо­щью легче получать короткие импульсы. Кроме того, у него очень малы радиаль­ные колебания, вносящие помехи. Ниоба - ту лития свойственна высокая температу­ра точки Кюри (1210 °С). Оба этих материа­ла - пьезокерамика.

ПВДФ - эластичная полимерная пленка. Ей можно придать практически любую форму. Ее небольшое волновое сопротивление облегчает акустическое согласование с иммерсионной жидкостью. Радиальные колебания близки к нулю, механическая добротность очень низкая. Есть пленки на очень высокие частоты (до 100 МГц), так как их эластичность предо­храняет от разрушения, свойственного тонким пластинам из других (хрупких) материалов.

Перспективно применение компози­ционных пъезопластин. Такая пластина (рис. 1.33) представляет собой разрезан­ную на части пластину из пьезокерамики (например, ЦТС). Промежутки между элементами заливаются компаундом (эпоксидной смолой). В зависимости от процентного содержания ЦТС и эпоксид­ной смолы, согласно [116], изменяются скорость звука, волновое сопротивление материала пластины (рис. 1.34) и диэлек­трическая проницаемость.

Уменьшение волнового сопротивле­ния повышает прозрачность границы пла­стины в определенных условиях, а имен­но: позволяет лучше согласовать пьезо­пластину с материалом призмы в наклон­ных преобразователях или материалом изделия в прямых преобразователях, пред­назначенных для контроля пластических материалов. Уменьшение емкости пьезо­пластины оказывает положительное дей­ствие при приеме импульсов усилите­лями напряжения. В результате компози­ционный элемент часто обеспечивает бо­лее высокую чувствительность преобразо­вателя по сравнению с пьезоэлементом из мономатериала.

Классификация пьезоэлектриче­ских преобразователей (ПЭП) дана ниже по назначению и другим признакам.

Высоко - и низкочастотные ПЭП. Высокочастотные ПЭП рассчитаны на получение колебаний частотой > 0,5 МГц. Они обычно предназначены для формиро­вания направленных пучков УЗ-волн и возбуждают колебания с длиной волны, значительно меньшей поперечных разме­ров пьезопластины. Низкочастотные ПЭП обычно служат для работы на частотах < 0,1 МГц. Их также используют для фор­мирования направленных пучков, а в дру­гих приборах - для формирования изгиб - ных волн, возбуждения колебаний всего ОК или его части и анализа этих колебаний.

Основные типы высокочастот­ных преобразователей (рис. 1.35): а - прямые', б - наклонные', в - раздельно - совмещенные (PC). Их основные конст­руктивные элементы: 1 - пьезопластина', 2 - демпфер, к которому приклеивается неизлучающая в ОК сторона пьезопласти­ны и который способствует гашению (демпфированию) колебаний для получе­ния короткого импульса; 3 - протектор, предохраняющий пьезопластину от по­вреждений; 4 - преломляющая призма', 5, 6 - призмы РС-преобразователя; 7 - элек­троакустический экран. Более подробно назначение и конструкция преобразовате­лей рассмотрены в разд. 2.2.1.2.

Способы соединения с элек­трической схемой. Совмещенные пре­образователи, в которых пьезоэлемент соединен одновременно с генератором и усилителем прибора, служат как для из­лучения, так и для приема УЗ. В раздель­ных преобразователях излучают и прини­
мают УЗ разные элементы, соединенные один с генератором, а другой с усилите­лем прибора.

Раздельные ПЭП предназначены для контроля теневым или эхо-методом с из­лучателем и приемником, размещенные в разных корпусах. РС-преобразователи состоят из излучающего и приемного эле­ментов, объединенных в одном корпусе, но разделенных электрическим и акусти­ческим экранами (рис. 1.35, в).

Направление излучения. Прямые преобразователи излучают под прямым углом, а наклонные - наклонно к поверх­ности ввода ОК. Иногда угол наклона де­лают переменным.

Тип излучаемых и принимае­мых волн. Высокочастотные прямые преобразователи излучают, как правило, продольные волны, наклонные - все типы волн в зависимости от угла наклона: попе­речные, продольные (редко), рэлеевские, головные (для последних обычно приме­
няют PC-преобразователи), нормальные волны в пластинах и стержнях.

Наклонный преобразователь с углом призмы между первым и вторым критиче­скими значениями излучает в основном вертикально поляризованную поперечную волну. Если считать, что продольная вол­на в призме плоская, то в ОК должна воз­будиться поперечная волна с вертикаль­ной поляризацией, поскольку в падающей продольной волне в плоскости падения колебания происходят только в этой плос­кости. Однако волна в призме - не иде­ально плоская, в ней наблюдается расхож­дение лучей. В результате в ОК кроме по­перечной наблюдается также продольная волна, тем более интенсивная, чем угол призмы ближе к первому критическому.

В расходящемся пучке лучей, па­дающем на границу призма - ОК, лучи, не лежащие в плоскости падения акустиче­ской оси, преломляются и трансформиру­ются в своих плоскостях. Последние не совпадают с плоскостью падения акусти­ческой оси, и колебания, происходящие в них, будут иметь горизонтальную состав­ляющую по отношению к плоскости аку­стической оси. Таким образом, в попереч­ной волне, излучаемой наклонным преоб­разователем, будет также содержаться горизонтальная составляющая. Экспери­ментальные измерения показали, что в естественно поляризованном поле на­клонного преобразователя доля горизон­тальной составляющей как минимум в 30 раз меньше вертикально поляризованной составляющей.

Низкочастотные ПЭП, применяе­мые для контроля эхометодом и методом прохождения, отличаются от высокочас­тотных в основном большими размерами и толщинами пьезоэлементов. Последние часто используют в пакетах из нескольких пьезопластин, электрически соединенных параллельно. Это повышает эффектив­ность излучения, так как при тех же тол­щине излучателя и величине напряжения на нем напряженность электрического

поля в пьезоэлементах увеличивается.

Для дефектоскопии бетона и оценки его прочностных свойств в России разра­ботаны оригинальные широкополосные ПЭП с сухим точечным контактом (см. разд. 4.2). Они могут работать с исполь­зованием как продольных, так и попереч­ных волн. Коммутация типа волн выпол­няется электронным путем. Эти ПЭП ис­пользуются и самостоятельно (например, для нахождения всех трех упругих посто­янных по измеренным скоростям распро­странения продольных и поперечных волн), и в качестве элементов так назы­ваемой антенной решетки (композиции из чувствительных элементов) при нераз­рушающем контроле бетона эхометодом и методом прохождения.

Преобразователи низкочастотных акустических дефектоскопов, использую­щих изгибные колебания, существенно отличаются от высокочастотных ПЭП (см. разд. 2.4; 2.5 и 4.1). Они обычно имеют с ОК сухой точечный контакт, через кото­рый продольные колебания преобразуют­ся в изгибные колебания ОК. Контактные наконечники преобразователей имеют сферические рабочие поверхности с ра­диусами кривизны 5 ... 30 мм и выполня­ются из твердых, износостойких материа­лов (например, корунда, корундовой ке­рамики).

В импедансных дефектоскопах (см. разд. 2.5) используют совмещенные и РС - преобразователи. Взаимодействующие с ОК рабочие элементы преобразователей называют вибраторами. Последние пред­ставляют собой составные колебательные системы из пьезопластин и пассивных элементов (волноводов, накладок), при­дающих вибраторам нужную собст­венную частоту.

Совмещенный преобразователь им- педансного дефектоскопа содержит один вибратор, излучающий и приемный пьезо­элементы которого разделены волново­дом. При этом совмещенность понимается в том смысле, что вибратор имеет одну зону контакта с ОК. В РС-преобразо-

вателях, как и в высокочастотных ПЭП, функции излучения и приема разделены, причем излучающий и приемный вибра­торы электрически и акустически изоли­рованы друг от друга.

В некоторых преобразователях пье­зоэлементы выполняют в виде длинных брусков с электродами на боковых гранях. Небольшая толщина этих пьезоэлементов по сравнению с их длиной позволяет соз­давать в пьезоэлектрике достаточно боль­шую напряженность поля. Такие пьезо­элементы совершают продольные колеба­ния по длине (поперечный пьезоэффект).