книги / Применения ультразвука

в форме тонких пленок (9—30 микронов). Из-за ограничения тол­ щины общая эффективность и качество (добротность Q) преобразо­ вателя РКЛРснижаются. Второй фактор связан сдиэлектрическими потерями, которые приводят к значительному уровню шума (Уайт идр. 1981). Эффективность наиболее распространенных пьезоэлек­ трических материалов в качестве передатчиков и приемников, а также их устойчивость к температурам приводятся в табл. 3.7.

Табл. 3.7. Сравнение характерных особенностей наиболее распространенных пьезоэлектрических материалов

Если исходить из условия независимости передатчиков и при­ емников, то PZT и метаниобат свинца потенциально являются

(3.21)

Аналогично минимальная проводимость и максимальный им­ педанс — это характеристические параметры параллельного резо­ нанса, частота которого задается в виде:

(3.22)

Если преобразователь нагружен, импеданс на частоте f уменьшается, а на частоте^ увеличивается.

В различных областях применяются следующие виды пре­ образователей:

1)прямолучевой (прямой);

2)двухкристальный (раздельно-совмещенный);

3)с наклоном луча (наклонный);

4)с механической фокусировкой;

5)с электронной фокусировкой с использованием задержек (многоэлементный);

6)емкостного типа.

Рассмотрим устройство первых двух видов преобразователей более подробно, а остальных —вкратце.

3.7.2. Прямолучевой преобразователь

При проведении большинства исследований свойств материалов наиболее предпочтительными являются прямолучевые преобразо­ ватели, схематично представленные на рис. 3.14. Устройство ти­ пичного ультразвукового одноэлементного преобразователя при­ водится на рис. 3.15. Пьезоэлектрический элемент, помещается в переднюю часть. Сзади него находится материал подложки, а спе­ реди —износоустойчивая фронтальная пластина. Она предназна­ чена для того, чтобы не допускать прямого контакта кристалла с внешним материалом. Хотя непосредственный контакт преобразу­ ющего элемента с материалом был бы эффективен с акустической точки зрения, соприкосновение может причинять ущерб хрупкому пьезоэлементу. Поэтому назначение фронтальной пластины заклю­ чается в том, чтобы защищать элемент от износа и повреждений.

Материал подложки (демпфера), как правило, имеет высокую плотность. Этот поглощающий материал используется для конт­

3.7.4. Преобразователь с наклоном луча

Геометрия различных механических структур часто требует, что­ бы ультразвуковая волна проникала в тестируемый материал под углом, отличным от 90‘. Вподобных ситуацияхчасто используется преобразователь с наклоном луча (наклонный), который предна­ значен для того, чтобы направлять ультразвуковой луч в материал под нужным углом. Рис. 3.18 дает его схематичное представление.

> Преобразователь

Рис. 3.18. Преобразователь с наклоном луча - схематическое представление

Подобный преобразователь можно сконструировать, установив обычный прямолучевой преобразователь на клин из люцита таким образом, чтобы ультразвуковая энергия попадала на поверхность материала под заданным углом, а генерация волн происходила меж­ ду первым и вторым критическими углами. Так создают наклонные преобразователи волн сдвига (поперечных волн). В некоторых си­ туациях, например при исследовании сварных швов в изделиях из аустенитной нержавеющей стали, следует отдавать предпочтение наклонным преобразователям продольных волн. В таких случаях люцитовый клин устанавливается так, чтобыгенерировать продоль­ ные волны под нужным углом в тестируемом материале. Помимо этого, в корпус преобразователя помещаются соответствующие приспособления, которые позволяют задерживать продольную вол­ ну, чтобы избежать ненужной интерференции. Часто возникает не­ обходимость тестировать характеристики поверхностного слоя ма­ териалов. Для этой цели чаще всего используются преобразователи волн Рэлея. В данном типе преобразователей угол падения регули­ руется с помощью люцитового клина, что позволяет генерировать рэлеевские волны на поверхности материала. Для расчета углов па­ дения и преломления используется закон Снеллиуса.