книги / Применения ультразвука

Вданном опыте ферромагнитный стержень XY закрепляется

всредней точке В. На концах стержня имеются обмотки Lt и Lr Обмотка L, и конденсатор С, соединены параллельно и подклю­ чены между анодом и катодом через миллиамперметр, а обмотка /,2включена в цепь между сеткой и катодом.

Когда ток заряда/разряда конденсатора проходит через обмотку Ln стержень намагничивается. Любое изменение этоготока вызыва­ ет изменение намагниченности и, следовательно, длины стержня. В

свою очередь, это влияет на потокосцепление обмотки в цепи сет­ ки, индуцируя переменную электродвижущую силу (ЭДС), которая действует на обмотку Ln поддерживая колебания. Регулируя емкость конденсатора Сг можно варьировать частоту колебательного конту­ ра. Если частота колебательного контура соответствует собственной частоте стержня, он вследствие резонанса начинает активно вибри­ ровать и, соответственно, генерировать ультразвуковые волны. По показаниям миллиамперметра можно определить значение емкости конденсатора С;, необходимое для максимальной вибрации.

Частота ультразвуковых волн задается в виде:

(3.4)

где / —длина стержня, У - модуль Юнга, р —плотность ферромаг­ нетика.

Меняя значения / и Уферромагнитного материала, можно ва­ рьировать частоту ультразвуковой волны.

В данном методе при передаче волн магнитострикционный осциллятор необходимо возбуждать в направлении излучения. Осциллятор работает на своей собственной частоте и обеспечи­ вает высокую интенсивность звука при низких частотах порядка 100 кГц. Магнитострикционный эффект в наибольшей степени проявляется в таких металлах, как никель, железо, кобальт, и их сплавах. В последние двадцать лет проводилось много работ с керамикой, называемой ферритами, которые наделены свойс­ твом магнитострикции и иногда называются пьезомагнитными. У ферритов есть преимущество перед магнитострикционными металлами, которое проявляется в их высоком электрическом со­ противлении и чрезвычайно малых потерях на вихревые токи, что обусловливает их эффективность в качестве преобразователей. Типичная сборка магнитострикционного преобразователя для практического применения изображена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Магнитострикционный преобразователь — сборка

Эквивалентная цепь магнитострикционного преобразователя показана на рис. 3.6. Эквивалентной называется цепь, использу­ емая для определения резонансной области частот преобразова­ теля. Она может быть последовательного или параллельного типа. То же самое можно проанализировать с помощью схемы эквива­ лентной цепи преобразователя и измеряя частотно-зависимый импеданс при двух существенных резонансных частотах.

Рис. 3.6. Магнитострикционный преобразователь — эквивалентная цепь

Схема эквивалентной цепи магнитострикционного преоб­ разователя относительно сложна из-за нелинейного поведения преобразователя и наличия потерь. Цепь состоит из индуктив­ ности Le и сопротивления Re полностью нагруженного преобра­ зователя. Значения эквивалентной индуктивности Lm, емкости Сти сопротивления Rmзависят от механических свойств преоб­ разователя.

3.2.5. Электромагнитный метод

В 1967 году исследователи случайно обнаружили, что электромаг­ нитное облучение может вызывать акустический резонанс в монокристаллических дисках висмута и алюминия при температуре жидкого гелия без какого-либо контакта с образцами и при ус­ ловии сильной связи с проводимостью электронов в кристаллах. Эти результаты стали отправной точкой для ряда исследований свойств электромагнитных акустических преобразователей. В электромагнитном методе генерации ультразвука в конструкцию электродинамической модели (возбуждающая обмотка) добавля­ ют постоянный магнит.

Когда вблизи проводящей поверхности помещается проволо­ ка и через нее пропускается ток нужной ультразвуковой частоты, в области вблизи поверхности индуцируется вихревой ток, про­ никновение которого определяется глубиной скин-слоя (глуби­ ной проникновения поля):

(3.5)

где со —выбранная циклическая частота тока, р —магнитная про­ ницаемость, к$—электрическая проводимость.

Внутреннее устройство электромагнитного акустическо­ го преобразователя (ЕМАТ) и схемы его использования при ге­ нерации продольных и поперечных волн показаны на рис. 3.7. Создание волн Рэлея с помощью ЕМАТ демонстрирует рис. 3.8. Силы Лоренца посредством разнообразных взаимодействий пе­ редаются на проволочную сетку и служат в качестве источника ультразвуковых волн. Подобная структура может не только излу­ чать, но и обнаруживать волны. В магнитных и немагнитных ма­ териалах это взаимодействие различается.

Для упрощения понимания рассмотрим режим приема. В не­ магнитных материалах движение волн вызывает отсекание линий магнитного потока и таким образом индуцирует вихревой ток в них. Эти вихревые токи индуктивно взаимодействуют с токосъемной обмоткой через динамические поля Я, тем самым создавая прини­ маемое напряжение. Вмагнитных материалахдинамическое напря­ жение ультразвуковой волны, главным образом благодаря магнитострикции, вызывает изменение намагниченности, что через Я и индуктивную связь также воздействует на обмотку приемника.

Конечное множество элементов (проволок и магнитов), из которых состоит ЕМАТ, может быть организовано в различные комбинации, тем самым создавая разнообразные ультразвуковые модели. Как правило, стандартные ЕМАТ, применяющиеся на практике, генерируют один из пяти типов волн:

1)радиально поляризованные поперечные волны, распро­ страняющиеся перпендикулярно поверхности образца;

2)продольные волны, распространяющиеся перпендикуляр­ но поверхности;

3)плоскополяризованные поперечные волны, распространя­ ющиеся перпендикулярно поверхности;

4)продольные или вертикально поляризованные поперечные волны, распространяющиеся под косым углом, волны Рэлея или направленные волны в пластинах (волны Лэмба);

5)горизонтально поляризованные сдвиговые горизонтальные 5Я-волны, распространяющиеся под косыми углами, или SH-

моды волн в пластинах.

За последние тридцать лет в этой области произошел значи­ тельный прогресс. Так, с помощью ЕМАТ было эффективно ре­ шено множество проблем, связанных с обследованиями различ­ ных объектов. Наряду с применением ЕМАТ в неразрушающих испытаниях стоит упомянуть обследование движущихся высоко­ температурных объектов, а также анизотропных сварных швов.

3.2.6. Пьезоэлектрический метод

Вданном методе, когда грани кристалла, например, кварца, турмали­ на, сегнетовой соли подвергаются сжатию (сдавливанию), скручива­ нию или сгибанию, на противоположных гранях возникает разность потенциалов. Величина разности потенциалов в кристалле пропор­ циональна степени деформации. Данный эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект дейс­ твует и в обратном направлении. То есть если на одну пару граней кристалла подается переменное напряжение (ас), возникают механи­ ческие сжатия и растяжения и кристалл начинает совершать колеба­ ния. Когда частота подаваемого переменного напряжения совпадает с частотой собственных колебаний кристалла, последний начинает резонировать и, следовательно, генерировать ультразвуковые волны. Принципы пьезоэлектричества, пьезоэлектрические кристаллы и преобразователи подробно рассматриваются в разделе 3.3.

р

С

А

LT HT

В

Рис. 3.9. Пьезоэлектрический осциллятор

Пьезоэлектрический осциллятор

Цепь пьезоэлектрического осциллятора (рис. 3.9) исполь­ зуется для генерации как продольных, так и поперечных волн. Кристалл кварца помещается между двумя металлическими плас­ тинами А и В, которые подсоединены к катушке Lr Катушки Lt, L2и L3связаны индуктивно. Катушка Ь2включена в цепь анода, в то время как L t и конденсатор С; образуют колебательный кон­ тур, включенный между сеткой и катодом. Когда цепь замыкает­ ся, осциллятор начинает колебаться с частотой, равной частоте колебательного контура (1/2JW(X;C;)).

Частоту колебаний можно контролировать с помощью пере­ менного конденсатора Сг Благодаря действию трансформатора, во вторичной обмотке L3 индуцируется ЭДС, которая заставляет кристалл кварца вибрировать. Регулируя емкость конденсатора С, можно перейти в режим резонанса и заставить вибрирующий кристалл излучать продольные ультразвуковые волны в окружаю­ щую среду (воздух).

Частота ультразвуковой волны:

(3.6)

где / —длина кристалла кварца, Y —модуль Юнга, р —плотность материала, P = 1, 2, 3 и т.д. соответствуют частоте основного тона, первого, второго и т.д. обертонов.

Скорость продольной волны получим из модуля упругости L, воспользовавшись соотношением:

(3.7)

Вышеприведенные формулы показывают, что амплитуды тер­ мического напряжения и деформации объема пропорциональны падающей лазерной энергии и не зависят от площади облучаемой области А. Однако в реальных ситуациях в твердых телах может возникнуть высокая теплопроводность, что приведет к значи­ тельному повышению температуры вне зоны облучения. Рис. 3.10 иллюстрирует типичную лазерную систему генерации и обнару­ жения ультразвука.

Рис. ЗЛО. Лазерная генерация и обнаружение

3.2.8. Ультразвук очень высоких частот (> ГГц)

Генерацию гиперзвука (ультразвуковых волн с частотой больше ГГц) можно осуществить несколькими различными способами. Одной из таких возможностей является создание акустической волны с частотой от 50 до 1000 ГГц с помощью преобразователя на основе сверхпроводимости, путем туннельного перехода. В отли­ чие от акустических волн мегагерцовых частот, длина волн свыше 1 ГГц составляет всего лишь порядка 10 000 ангстремов и меньше. Следовательно, дифракционные потери вследствие расхождения луча в высокочастотном режиме незначительны.

Как было сказано во введении, пьезоэлектрический эффект представляет собой наиболее важный принцип, нашедший при­ менение во многих областях. Преобразователи, основанные на принципе пьезоэлектричества, широко используются для ге­ нерации и обнаружения волн. Учитывая все вышесказанное, в следующих разделах мы предлагаем вашему вниманию под­ робное исследование пьезоэлектрического эффекта, а также материалов, используемых в различных физических аспектах и играющих важную роль в создании пьезоэлектрических преоб­ разователей PZT.