Ручной УЗК. Продукции
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
41 поперечных волн по сравнению с продольной незначительна, поэтому в дальнейшем будем рассматривать преобразователи с колебаниями только по толщине без других изменений формы. Эффективность пьезоэлектрического вещества характеризу- ется коэффициентом преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. Коэффициентом преобразования при приеме называют отношение амплитуды возбуждаемых на электродах электрических сигналов к амплитуде акустических колебаний падающей волны. Этот коэффициент обратно пропорционален диэлектрической проницаемости пьезокерамики, из которой сделана пластина, т. к. она (проницаемость) определяет электрическую емкость пластины. Коэффициентом преобразования при излучении называют отношение амплитуды возбуждаемых акустических колебаний к амплитуде возбуждающего электрического напряжения. Важным параметром является коэффициент двойного преобразования, который характеризует данный пьезоэлектри- ческий материал. Этот коэффициент еще называют коэффициентом электромеханической связи. Он определяется отношением амплитуды электрических напряжений на приемнике к амплитуде напряжений на излучателе без учета потерь ультразвука при распространении между излучателем и приемником. Например, для титаната бария коэффициент двойного преобразования составляет 0,11, т.е на приемнике нельзя получить напряжение, составляющее более 11 % от напряжения на излучателе. Пьезоэлектрические материалы. Для возбуждения и приема ультразвука в практике контроля чаще всего применяют пьезоэлектрическую керамику: титанат бария, цирконат-титанат свинца (ЦТС), титанат свинца, метаниобат свинца и ниобат бария и натрия. Пьезоэлектрические монокристаллы, например кварц, сульфат лития, ниобат лития, оксид цинка, йодная кислота применяются в ультразвуковом контроле только в редких случаях. Кварц, старейший пьезоэлектрический материал, из- за низкого коэффициента связи в настоящее время Практи- чески не применяется. Сульфат и ниобат лития в некоторых 4 2 специальных случаях имеют преимущество перед керамикой. Керамики ЦТС и титанат бария являются наилучшим материалом для излучателей, т.к. имеют наибольший коэффициент электромеханической связи. Метаниобат свинца имеет низкую механическую добротность (Q=15), поэтому для многих целей контроля эта керамика может применяться без дополнительного демпфирования, что, в свою очередь, повышает чувствительность приемника. Еще одним важным преимуществом метаниобата свинца, а также сульфата лития, является малый коэффициент связи для колебаний в плоскости пластины по сравнению с коэффициен- том связи для колебаний по толщине. Поэтому в этих материалах радиальные колебания затухают довольно быстро, что позволяет возбуждать очень короткие импульсы. С учетом вышесказанного, метаниобат свинца является наиболее предпочтительным материалом для эхо-импульсного контроля. Недостатком метаниобата свинца является низкая скорость звука, поэтому пластины из этой керамики, предназначенные для работы на высокой частоте, должны быть очень тонкими и, соответственно, будут хрупкими. Сульфат лития растворим в воде, поэтому при его использова- нии необходимо принимать специальные меры по его защите. Ниобат лития имеет самую высокую точку Кюри (1210 град.), поэтому его можно использовать при контроле в условиях высоких температур. Титанат бария имеет самую низкую точку Кюри. Сульфат и ниобат лития имеют диэлектрическую проницае- мость, которая на порядок ниже, чем у пьезокерамики. Это обеспечивает хорошее электрическое согласование на высоких частотах и больших площадях излучателя, т. к. емкость преобразователя будет в этом случае наименьшей. Как следует из вышесказанного, не может быть оптимального пьезоэлектрического материала вообще, каждый из материа- лов имеет свои преимущества и недостатки. Излучение и прием акустических волн пьезоэлектрической пластиной. Если в пластине возбудить колебания кратковременным воздействием, то частицы обеих поверхностей начнут колебаться одновременно по направлению, например, наружу, а затем внутрь, тогда как частицы в средней плоскости 43остаются в состоянии покоя. Такая картина соответствует так называемой стоячей волне, которая может быть представлена в виде двух движущихся навстречу друг другу одинаковых волн. Поэтому колебания по толщине пластины могут быть описаны следующим образом. Плоская волна проходит через пластину перпендикулярно поверхности, отражается от нее, движется навстречу самой себе и после отражения от второй поверхности совмещается сама с собой. Таким образом, через пластину постоянно движутся две противоположно направленные волны. Толщина пластины h, при которой может происходить описанный выше процесс, определяется по формуле: 2 . X С h = — = 2f0 г  де С - скорость продольной волны в материале пластины;- частота свободно колеблющейся пластины (собст- венная частота): Если возбужденную при таких условиях пластину предоста- вить самой себе, то она будет свободно колебаться в течение некоторого времени. Амплитуда колебаний будет уменьшаться вследствие потерь энергии из-за внутреннего трения и передачи в прилегающее вещество. Первая причина обычно бывает незначительной по сравнению со второй, которая собственно и является основным назначением излучающего преобразователя. Вследствие потери энергии амплитуда каждого последующего колебания отличается от амплитуды предыдущего на величину, которая определяется коэффи- циентом затухания 5, зависящим в основном от характеристик прилегающего вещества. Частота затухающих колебаний практически остается равной собственной частоте. Если пьезопластина возбуждается переменным напряжением, то после окончания переходного процесса пластина будет совершать вынужденные колебания постоянной амплитуды на частоте возбуждения. Амплитуда вынужденных колебаний 44 для пластины данной толщины зависит от частоты приложен- ных колебаний. Если частоту возбуждения изменять в определенном диапазоне, то на некоторой частоте амплитуда колебаний будет максимальной. Эта частота, на которой пьезопластина совершает вынужденные колебания с наибольшей амплитудой, называется резонансной f Таким образом, собственная частота fo характеризует свободные колебания пластины, а резонансная частота fp - вынужденные. В общем случае резонансная частота отличается от собственной частоты. Частоту вынужденных колебаний называют рабочей частотой. Отношение амплитуды колебаний на резонансной частоте к амплитуде статического изменения толщины (на частоте, равной нулю) называется коэффициентом добротности или добротностью и обозначается буквой Q. Добротность связана с коэффициентом затухания 5 следующим соотношением: 7  1 _ 711пб " 2.3031g5 Ч   тобы получить волну с возможно более высоким звуковымдавлением, необходимо возбуждать пластину на рабочей частоте, равной резонансной, при минимальном демпфи- ровании. Под демпфированием понимают ослабление (заглушение) механических колебаний путем поглощения части энергии колеблющейся системы. Однако на практике колебания приходится довольно сильно демпфировать с целью расширения резонансного пика. Такое расширение необходимо для передачи коротких акустических импульсов, которые обеспечивают лучшее разрешение, т.е. обнаружение близко расположенных отражателей. Если определять ширину полосы частоты В на уровне 70% максимального значения амплитуды колебаний, то при среднем демпфировании (добротность превышает - 10) можно воспользоваться приближенным выражением: Следует отметить, что увеличение демпфирования приводит к уменьшению амплитуды колебаний, т.е. к уменьшению чувствительности контроля. |