Для НК многослойных конструкций, изделий из ПКМ и других неметалличе­ских материалов применяют низкочастот­ные преобразователи, отличающиеся от используемых для контроля металлов (см. разд. 1.2.1). Это различие особенно велико для преобразователей импедансных, вело- симетрических и МСК-дефектоскопов (см. разд. 2.5.3, 2.3.5, 2.4.3.2). Преобразователи для контроля бетона описаны в разд. 4.14 , мозаичные преобразователи, используе­мые в комплекте с аппаратурой со слож­ной обработкой информации, - в разд.

4.15. Прямые (контактные и иммерсион­ные) и наклонные преобразователи с ра­бочими частотами свыше 1 МГц практи­чески не отличаются от применяемых для контроля металлов.

Здесь мы рассмотрим низкочастот­ные УЗ-преобразователи для ручного и автоматизированного контроля изделий из ПКМ и многослойных конструкций мето­дом прохождения и эхометодом. Они от­личаются пониженными (обычно не более 500 кГц) рабочими частотами и конструк­тивным исполнением. Некоторые из опи­санных далее преобразователей работают в диапазоне мегагерцевых частот и могут также применяться для контроля метал­лов.

Преобразователи со струйным кон­тактом широко применяют за рубежом в установках для автоматизированного кон­троля многослойных конструкций и изде­лий из ПКМ. Новые струйные пьезопре­образователи для контроля многослойных конструкций и изделий из ПКМ преиму­щественно методом прохождения с рабо­чей частотой 250 кГц снабжены четверть­волновыми согласующими слоями из ак­рилового пластика [425, с. 570/215]. Диа­метры излучающего и приемного пьезо­элементов - 28,6 и 19,1 мм соответствен­но. Описана система испытаний этих пре­образователей и их основные параметры.

Ряд технических решений позволил вдвое увеличить амплитуду принятого сигнала, что повысило отношение сигнал/шум.

Катящиеся преобразователи ис­пользуют для контроля ОК из материалов с большим затуханием УЗ-колебаний (ПКМ, пенопласта и т. п.) методом прохо­ждения, проверки ОК из гигроскопичных материалов, а также в установках для ме­ханизированного контроля. Преобразова­тель выполнен в виде цилиндра с наруж­ным слоем (шиной) из эластичного мате­риала и может иметь с ОК жидкостный или сухой контакт. Последний по эффек­тивности уступает жидкостному. Его при­меняют при контроле гигроскопичных материалов (например, пенопласта).

Созданы новые катящиеся преобра­зователи с рабочей частотой 250 кГц [425, с. 570/215]. Пьезоэлементы диаметром 12 мм неподвижны, колебания передаются шине из акрилового пластика через слой масла. Преобразователи прижимают к ОК с постоянной силой пневматическим уст­ройством. Новые технические решения повысили уровень сквозного сигнала на 10 дБ.

До недавнего времени катящиеся преобразователи работали на частотах не более 0,5 ... 1 МГц. Повышению частот препятствовало большое затухание УЗК в материалах их шин (полиуретан, резина и др.). Разработка новых эластичных поли­меров с малым затуханием позволила уве­личить верхнюю частотную границу ка­тящихся преобразователей до 10 МГц и более.

Одно из таких решений - применение шин из гидрофильных полимеров, подоб­ных используемым в медицине для изго­товления контактных линз [425, с. 568/406, 361]. Эти полимеры абсорби­руют до 95 % воды, оставаясь сухими на ощупь. Абсорбированная вода увеличива­ет объем и повышает гибкость материала. В гидрофильных материалах, содержащих 38, 50, 60 и 75 % воды, скорости продоль­ных УЗ-волн - около 1600 м/с, волно­вые сопротивления - 1,7 ... 2,2 МПас/м.

Повышение содержания воды уменьшает затухание, слабо зависящее от частоты в диапазоне до 18 МГц. Увеличение силы прижатия преобразователя к ОК улучшает прохождение УЗ-сигнала. Необходимое для контроля давление - 2 ... 4 Н/см2.

Разработан катящийся преобразова­тель со среднедемпфированным фокуси­рующим пьезоэлементом на частоту 5 МГц. Толщина его шины из гидрофиль­ного материала 13 мм, ее внешний диа­метр 67 мм. В образце из оргстекла преоб­разователь выявляет плоскодонное отвер­стие диаметром 2 мм на глубине 2 мм. Он также показал хорошие реультаты при контроле коррозии между стальными листами.

В другой конструкции катящегося преобразователя с сухим контактом шина изготовлена из "новой резины" с малым коэффициентом затухания, близким к та­ковому для оргстекла [403]. Преобразова­тели работают на частоте до 10 МГц. Ши­на 1 имеет форму тора, зажатого между боковыми стенками 2 (рис. 4.1). Пьезо­элемент 3 расположен на неподвижной оси 4, вокруг которой вращается корпус преобразователя. УЗ-колебания пьезоэле­мента передаются шине через заполняю­щую преобразователь жидкость (воду) 5. Близость волновых сопротивлений "новой резины" и воды уменьшает отражения внутри преобразователя. Эластичность "новой резины" обеспечивает хороший акустический контакт с сухой поверхно­стью ОК. Преобразователи прижимают к ОК пружинами с силой около 15 Н. Такие преобразователи используют, например, в автоматизированной установке для кон­троля эхометодом клеевых соединений металлических листов и заполнения зазо­ров герметиком (см. разд. 4.7). Рассмот­ренные высокочастотные катящиеся пре­образователи пригодны и для контроля изделий из металлов.

Преобразователи с воздушной свя­зью (см. разд. 1.2.4) все более широко при-

применяют для контроля ОК из неметал­лических материалов, особенно гигроско­пичных, не допускающих контакта с жидкостями. Обычно их рабочие частоты не превышают 0,5 ... 1 МГц, так как более высокие частоты в воздухе быстро зату­хают. Применяют пьезоэлектрические преобразователи с продольными и (реже) изгибными колебаниями, а также преобра­зователи конденсаторного типа.

Новые преобразователи с воздушной связью на частоты 100 и 250 кГц разрабо­таны для контроля ОК из ПКМ и сотовых панелей с тонкими обшивками из ПКМ методом прохождения [425, с. 570/215]. Они работают при нормальном падении УЗ-пучка на поверхность ОК. Однако ряд изделий целесообразнее контролировать при углах ввода, больших первого крити­ческого угла, когда в ОК возбуждается только поперечная волна. На выходе из ОК она вновь трансформируется в регист­рируемую приемным преобразователем
продольную волну. Наклон исключает возникновение стоячих волн в промежутке преобразователь - ОК. Угол наклона пре­образователей устанавливают по макси­муму амплитуды сигнала.

Преобразователи на частоту 100 кГц имеют пьезоэлементы из керамики ЦТС. Протяженность их ближней зоны в возду­хе 18 мм. Преобразователи на частоту 250 кГц снабжены композитными пьезо­элементами и четвертьволновыми согла­сующими слоями. Их ближняя зона - 29 мм.

В связи с большими потерями на гра­ницах раздела с воздухом важно получить возможно большую амплитуду зонди­рующего сигнала. Для этого преобразова­тели обычно возбуждают радиоимпульса­ми с прямоугольной огибающей. Так, воз­буждение преобразователя таким радио­импульсом длительностью 5 периодов и напряжением 1000 В увеличивает ампли­туду сквозного сигнала на 45,9 дБ по сравнению с возбуждением ударным им­пульсом с напряжением 900 В.

Уменьшение апертуры улучшает фронтальную разрешающую способность преобразователя и уменьшает краевой эффект, но снижает амплитуду сигнала. Кроме преобразователей небольших раз­меров, для уменьшения апертуры исполь­зуют сужающиеся рупоры разных форм. Наиболее эффективен рупор экспоненци­альной формы, узкий конец которого об­ращен к ОК.

При контроле методом прохождения сотовых панелей и ОК из углепластиков преобразователями с воздушной связью с частотой 100 кГц чувствительность близка к достижимой при использовании струй­ного контакта и частоты 1 МГц. Так, в углепластике выявляли дефекты диамет­ром 6,4 мм. В сотовой панели с обшивкой и сотовым блоком из алюминиевого спла­ва при наклонном падении УЗ-пучка (ра­бота поперечной волной) обнаруживали дефект соединения обшивки с заполните­лем диаметром 9,5 мм.

Преобразователи с воздушной связью иногда применяют совместно с катящими-

4.2. Характеристики и области применения преобразователей с воздушной связью

ся, причем последние используют для из­лучения. Это не только увеличивает ам­плитуду сквозного сигнала, но и устраняет помехи, обусловленные прохождением сигнала по воздуху в обход ОК. Так, при контроле одного из образцов методом прохождения преобразователями с воз­душной связью с частотой 100 кГц дефект не выявлялся. При повышении частоты до 250 кГц сквозной сигнал через образец не проходил. Однако дефект был обнаружен, когда для излучения использовали катя­щийся преобразователь на 250 кГц, а для приема - преобразователь с воздушной связью на ту же частоту.

Возможности и области применения преобразователей с воздушной связью представлены в табл. 4.2 [425, с. 566/507]. Эти преобразователи применяют в основ­ном для контроля ОК из ПКМ методом прохождения, иногда - для обнаружения дефектов клеевых соединений тонких ме­таллических листов.

Преобразователи с воздушной связью применяют также для измерения скорости распространения УЗ-волн, например, при исследовании упругих постоянных гигро­скопичных материалов. Однако высокая добротность таких преобразователей и возбуждение их длинными радиоимпуль­сами, необходимые для повышения ам­плитуды сквозного сигнала, увеличивают длительность нарастания переднего фрон­та импульса. Это снижает точность изме­рения скорости Для ее повышения ис­пользуют демпфированные преобразова­тели, возбуждаемые короткими импульса­ми. Происходящее при этом снижение амплитуды компенсируют увеличением напряжения возбуждения до 1200 и даже до 4000 В.

Мощные газоструйные излучатели ультразвука. НК некоторых изделий из полимерных материалов требует приме­нения бесконтактных излучающих преоб­разователей существенно большей мощ­ности, чем та, которую обеспечивают рас­смотренные выше. Пример - контроль ОК из полимерных материалов с толщиной стенки до 1 м методом прохождения. Для решения этой задачи в АОО "Алтай" раз­работаны газоструйные излучатели УЗ нес-

кольких типов, работающие от сети сжа­того воздуха [387, 388]. Из трех рассмот­ренных авторами конструктивных схем лучшим оказался параметрический излу­чатель, основанный на нелинейном взаи­модействии УЗ-колебаний с воздухом. В результате нелинейного взаимодействия двух интенсивных акустических полей с частотами f и f2 возникают комбинацион­ные частоты mf ± nf2, где тип - целые числа.

Выбором значений f и f2 добиваются равномерного распределения комбинаци­онных частот и получения заданной АЧХ.

Параметрический излучатель (рис.

4.2) содержит задающий (левая часть) и модулирующий (правая часть) генерато­ры. Подбором расстояний между резона­торами 2, 4 и соплами /, 3 добиваются необходимых частот излучения. Направ­ляющая система в виде эллиптических рефлекторов 5, 6 формирует область не­линейного взаимодействия и направлен­ность излучения. При частотах задающего и модулирующего генераторов f = 15 кГц и/2 = 18,75 кГц (А/’= 3,75 кГц) полоса из­лучаемых частот составляет 14Аf = = 52,5 кГц

Отметим, что газоструйные излуча­тели применяются в дефектоскопии впер­
вые. Они работают в диапазоне частот до 50 ... 60 кГц и позволяют получать в воз­духе колебания с интенсивностью до 5 Вт/см2, что превышает значения интен­сивности для других известных преобра­зователей. При этом отпадает необходи­мость акустического согласования излуча­теля со средой. Применение подобных излучателей ограничено бесконтактным методом прохождения, так как получение коротких импульсов, необходимых для работы эхометодом, затруднительно.

Лазерные преобразователи. Кроме описанных, для УЗ-контроля ОК рассмат - ренных выше типов применяют бескон­тактные лазерные излучатели и приемни­ки упругих колебаний (см. разд. 1.2.4 и

4.3.2) .