Способы возбуждения ультразвуковых колебаний

В настоящее время известно несколько способов возбуждения УЗ колебаний, применяемых в УЗ дефектоскопии. Эти способы основаны на различных физических явлениях.

Наибольшее распространение получил способ, основанный на явлении пьезоэлектрического эффекта. Как уже было замечено, в 1880 году французские учёные братья Кюри заметили, что деформация пластинки кварца вызывает появление на её гранях электрических зарядов. Если на пластинку кварца нанести электроды и с помощью проводников подсоединить их к чувствительному прибору, то окажется, что при сжатии пластинки возникает электрическое напряжение. При растяжении пластинки также получается напряжение, причём той же величины, но противоположного знака.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхностях пластинки при её деформации называют прямым пьезоэлектрическим эффектов (“пьезо” по-гречески означает “давить”).

Спустя год, основываясь на теоретических предположениях Липимана, братья Кюри обнаружили и обратное явление. Если к электродам пластинки подвести электрический заряд, то размеры её увеличатся или уменьшатся в зависимости от полярности приложенного напряжения. При изменении знака приложенного напряжения кварцевая пластинка то сжимается, то растягивается в такт со знаком приложенного напряжения. Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называют обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Явление пьезоэлектрического эффекта в кварце может быть объяснено на основе рассмотрения модели, продемонстрированной на рис.36.

а)

б)

в)

Рисунок 36 – Объяснение пьезоэлектрического эффекта:

а) пластина свободна; б) пластина сжата; в) пластина растянута

На рис.36, а схематически показано строение элементарной ячейки кристалла кремния . Через ⊕ обозначены атомы кремния с зарядом «+», а через ⊖ группы из двух атомов кислорода с зарядом «–». Ячейка недеформированная и поэтому является электрически нейтральной. Заряд атома 1 компенсируется зарядами групп 2 и 6, расположенных от плоскости А дальше, чем атом 1.

При сжатии пластины (рис.36, б) отрицательные группы 2 и 6 выдвигаются к плоскости А и на этой поверхности появляется избыточный отрицательный заряд. У поверхности Б по такой же причине возникает избыточный положительный заряд. При изменении направления деформации (рис. 36, в) полярность поверхностей А и Б меняется на противоположную.

Пьезоэффект является свойством кристаллов и связан с наличием одной или многих осей. Естественный кристалл кварца представляет собой весьма стабильный материал как с химической, так и с физической точке зрения и имеет высокую степень твёрдости. Кристалл кварца имеет форму шестигранной призмы, оканчивающейся пирамидоподобными сужениями на концах (рис.37).

Рисунок 37 – Кристалл кварца

Если провести линию, параллельную граням призмы, то эта линия определит оптическую ось кристалла (ось z). Электрическая ось определяется линией, соединяющей противоположные углы шестигранной призмы – ось x, поэтому имеется три оси x в каждом естественном кристалле кварца (рис.38). Ось y направленна перпендикулярно к каждой площадке призмы, этих осей в кристалле также три. Оси x и y перпендикулярны оси z.

Рисунок 38 – Изготовление пластины x -среза

Пьезоэффект наблюдается лучше всего в том случае, если пластинки вырезаны в плоскости, параллельной оси z и одной из осей y и перпендикулярны оси x. Такая пластинка называется x -срезом.

Если пластинку, вырезанную таким способом, деформировать в направлении оси x, то на её поверхности возникнут электрические заряды. Если пластинку поместить в переменное электрическое поле, направленной вдоль оси x, то пластина будет совершать толщинные колебания. В некоторых случаях изготавливают пластины y -среза, то есть такие, которые вырезаны перпендикулярно оси y и параллельно осям x и z. При помещении такой пластинки в переменное электрическое поле она будет совершать поперечные колебания (рис.39).

а)

б)

Рисунок 39 – Колебания пьезоэлектрической пластинки в переменном электрическом поле:

а) x -срез; б) y -срез

Пластинки x -среза служат для возбуждения продольных, а y -среза – для возбуждения поперечных волн.

Толщина пластинки определяется желаемой частотой работы преобразователя. Пьезопластина вибрирует с длиной волны равной половине её толщины, поэтому пластинки для преобразователей выполняют толщиной

, (3.6)

где λ -длина волны; -скорость ультразвука в пьезоматериале; - собственная частота колебания пластины. Как видно, чем больше частота, тем требуется пластина меньшей толщины, что увеличивает вероятность её повреждения. Из (3.6) следует, что собственная частота может быть определена как

. (3.7)

Кристаллы кварца для ПЭП использовались в основном до 1950-хх годов. Активным элементом большинства акустических преобразователей используемых сегодня является пьезоэлектрическая керамика, которая может быть нарезана множеством способов чтобы получать преобразователи для различных мод волны. Пьезоэлектрический элемент большого диаметра, используемый в низкочастотных ПЭП, показан на рис. 40.

Рисунок 40 – Пьезоэлектрический преобразователь в разрезе

Когда пьезоэлектрическая керамика начала использоваться она вскоре стала основным материалом для ПЭП из-за её хороших пьезоэлектрических свойств и лёгкости изготовления в большом разнообразии форм и размеров. При низком напряжении керамические ПЭП можно использовать до температуры . Первым пьезокерамическим материалом был титанат бария , позже (1960-е) он был вытеснен цирконат-титанатом свинца (ЦТС) . Этот материал наиболее распространён в настоящее время.

Множество факторов, включающих материальную, механическую и электрическую конструкцию, а также внешние условия механического и электрического нагружения влияют на поведение преобразователя. Механическая конструкция преобразователя включает такие элементы, как поверхности излучения, демпфирование, корпус, тип коннектора (разъёма), и прочие переменные физической конструкции (рис.41). Изготовление пьезоэлектрических датчиков чрезвычайно сложная задача, если требуется, чтобы любые два однотипных датчика имели идентичные характеристики.

Рисунок 41 – Конструкция типичного прямого ПЭП

Демпфер служит для гашения свободных колебаний пьез элемента, то есть для получения коротких импульсов, а также для предупреждения механических повреждений пластин, особенно тонких. Состав и форма демпфера должны обеспечивать полное затухание и отвод колебаний, излучённых пьезопластиной в материал демпфера, без многократных отражений, В демпфер переходит часть звуковой энергии, излучаемой задней стороной пьезоэлемекта. Демпфирование тем эффективнее, чем лучше согласование акустических сопротивлений материалов пьезоэлемента и демпфера, В зависимости от требуемого демпфирования, рабочей частоты и других конкретных условий демпфер обычно изготавливают из искусственных смол (компаундов) с добавками порошка (наполнителя с высокой плотностью) для достижения требуемого акустического сопротивления. Для уменьшения многократных отражений на демлфере со стороны, противоположной пьезоэлементу, наносят канавки, делают скосы. Иногда в материал демпфера для увеличения рассеяния звука вводят пузырьки воздуха. При сильном демпфировании пьезозлемента уменьшается мощность излучаемого им акустического импульса. Применение демпфера увеличивает полосу пропускания и уменьшает чувствительность.

Протектор выполняет следующие функции:

· защита пьезоэлемента или призмы от износа;

· улучшение согласования пьезоэлемента с контролируемым изделием;

· улучшение акустического контакта при контроле контактным способом.

Для повышения износостойкости преобразователя применяют приклеенные к пьеэоэлементу протекторы толщиной 0.1 – 0.5 мм из кварца, сапфира, бериллия, стали, смол с порошковым, ситалла, лигнофоля и д.р. Протекторы также изготавливают в виде сменных плёнок или насадок из эластичных пластмасс, чаще всего из полиуретана или из резины. В этом случае между пьеэоэлементом и сменным протектором вводят контактную жидкость.

Очень полезно применение согласующего протектора, который обеспечивает максимальное прохождение ультразвука из пьезопластины в изделие. Это достигается, когда четвертьволновый протектор (см.рис.42) изготовлен из материала с акустическим сопротивлением

, (3.8)

где и - акустические сопротивления пьезоэлемента и среды, в которую производится излучение.

Четвертьволновая толщина согласующего протектора позволяет избежать попадание ультразвуковых волн, отражённых на границе протектор-среда, обратно на пьезоэлектрический элемент.

Рисунок 42 – Конструкция активной части ПЭП

В наклонных ПЭП, где излучение производится в плексигласовую призму, демпфирование пьезоэлемента приводит лишь к небольшому расширению полосы пропускания. Поэтому в наклонных ПЭП можно использовать пьезоэлементы без демпфера.

Для прямых ПЭП высокая стабильность акустического контакта имеет большое значение. Стабильная чувствительность получается в случае согласования между демпфером ПЭП и слоем контактной жидкости. Согласование приводит к тому, что не вошедшая в изделие УЗ волна отводится в демпфер. В результате в контактном жидком слое не возникает многократных отражений УЗ волн, интерференция которых является главной причиной нестабильности акустического контакта. Условия согласования выполняются, если ПЭП снабдить четвертьволновым протектором, а материалы демпфера и протектора подобрать такими, чтобы выполнялось условие:

, (3.9)

где , и - акустические сопротивления материалов протектора, демпфера и контактной жидкости.

Некоторые преобразователи специально производятся так, чтобы быть более эффективными приёмниками либо наоборот – более эффективными излучателями. Пьезоэлектрический преобразователь, который хорошо работает в одном из режимов, не обязательно также хорошо работает в другом.

Независимо от своих пьезоэлектрических свойств пластина способна к механическим колебаниям как система, состоящая из массы на пружине. При механическом возбуждении, например при ударе, в пластине возбуждаются не только колебания с первой собственной частотой , но и собственные колебания с более высокими частотами. Однако благодаря пьезоэффекту в излучателе электрически возбуждаются колебания с его первой собственной частотой , если к металлизированным поверхностям приложить переменное напряжение с собственной частотой пластины .

Если кратковременно возбуждённую таким способом пластину предоставить самой себе, то она будет свободно колебаться вплоть до затухания; при этом её синусоидальные колебания не будут постоянными, поскольку она постоянно теряет энергию по двум причинам – вследствие внутреннего трения и передачи энергии в форме ультразвуковым волн к опоре и прилегающему веществу. Первая причина обычно незначительна по сравнению со второй. Вследствие отвода энергии колебания демпфируются, их амплитуда уменьшается от одного колебания к следующему в раз; эта величина называется коэффициентом затухания (рис.43).

Рисунок 43 – Затухание колебания излучателя, колеблющегося по толщине

Величина затухания зависит в основном от подсоединённого вещества. Частота при затухающих колебаниях практически остаётся равной собственной частоте незатухающего колебания; только при сильном затухании заметны отклонения в частоте.

Если пьезопластина возбуждается переменным напряжением с частотой, отличной от собственной , то после переходного процесса начинаются вынужденные колебания с этой частотой и с постоянной амплитудой. При приближении частоты к резонансной амплитуда увеличивается до некоторого максимума, высота которого зависит от коэффициента затухания.

Резонансная частота возбуждает в преобразователе колебания с наибольшей амплитудой. Она в общем случае отличается от собственной частоты - частоты свободно колеблющегося демпфированного или недемпфированного преобразователя.

Резонансное превышение амплитуды характеризуется добротностью . Она определяется как отношение амплитуды колебания пластины при резонансной частоте к статическому изменению толщины:

. (3.10)

Статическое изменение толщины – это изменение толщины пьезопластины без проявления сил инерции, т.е. при медленных изменениях напряжения.

Добротность связана с коэффициентом затухания следующим отношением:

. (3.11)

От добротности зависит ширина пика резонансной кривой (см. рис.44).

а)

б)

Рисунок 44 – Резонансные кривые вынужденных колебаний излучателя, колеблющегося по толщине

На рис.44 через обозначена ширина полосы резонансного максимума (пропускания). Она измеряется на высоте от максимального значения (на резонансной частоте). Как видно чем больше добротность - тем больше амплитуда, но меньше ширина полосы пропускания (и таким образом уже спектр).

Как видно из (3.11) добротность можно определить через коэффициент затухания . Последний зависит от акустического импеданса пьезопластины и граничащих с ней материалов, обозначенных далее как 1 и 2 (см. рис.45).

Рисунок 45 – Излучатель между двумя веществами 1 и 2.

Если акустический импеданс обоих материалов 1 и 2 одновременно меньше или больше акустического импеданса пластины, то коэффициент затухания можно определить из соотношения

. (3.12)

Если же выполняется условие или , то в этом случае пьезопластина колеблется только в резонансе с четвертью длины волны . И собственная частота пластины, демпфированной таким способом, составляет только половину величины, рассчитанной по выражению (3.7). Коэффициент затухания в этом случае выразиться формулой

. (3.13)

Для передачи коротких импульсов важна достаточная ширина пропускания. При эхо-методе длина импульса мешает обнаружение близко расположенного дефекта, поэтому стремятся применять более короткие импульсы.

Каждый импульс может быть представлен в виде ряда Фурье как сумма бесконечного числа неограниченных во времени синусоидальных колебаний разной частоты, фазы и амплитуды. До импульса и за ним эти колебания взаимно гасятся. Чем короче импульс (независимо от его формы), тем шире полоса частот, в которой располагаются составляющие частоты с ещё заметной амплитудой. Если при передаче в механической или электрической системе подавить некоторую часть частот, то импульс будет искажён, в частности удлинён. Действует правило, что для передачи импульса длительностью без существенного искажения достаточна ширина полосы частот , даже если эта полоса на концах характеризуется снижением амплитуды до 70% от максимальной.

Следовательно при ширине полосы частот на рис. 44, б в 0.18 МГц можно передавать сравнительно без искажений импульс продолжительностью 1/0, 18=5.5 мкс.