Властивості ультразвукових хвиль, п’єзоелектричні перетворювачі

Ультразвукові хвилі мають наступні властивості:

1. Згасання ультразвукових коливань, проявляється поглинанням і розсіюванням;

2. Відображення ультразвукових коливань (при нормальному падінні хвиль);

3. Заломлення ультразвукових коливань (при похилому падінні хвиль);

4. Трансформація ультразвукових коливань.

Загасання ультразвукових коливань. У міру віддалення від випромінювача амплітуда коливань частинок поступово зменшується. Це обумовлено геометричним розбіжністю променів, що призводить до збільшення ширини ультразвукового пучка, а також втратами в металі рейки, приводять до поступового загасання коливань при їх поширенні.

Поглинання - перехід акустичної енергії хвилі в теплову енергію за рахунок внутрішнього тертя між частинками речовини контрольованого вироби.

Розсіювання - зміна напрямку поширення частини енергії акустичної хвилі внаслідок неоднорідності матеріалу вироби.

В вуглецевої сталі загасання ультразвуку невелика, тому ультразвукові коливання з частотою 2,5 МГц поширюються в ній на довжину до 5 метрів.

Відображення ультразвукових коливань. Якщо на шляху поширення ультразвукової хвилі зустрічається середа з іншими акустичними властивостями, то одна частина енергії проходить у другу середу, а інша частина - відбивається в першу, повертається в зворотному напрямку. Розподіл енергії між відбитої і пройшла хвилями, визначається співвідношенням їх акустичних властивостей.

На відображенні пружних хвиль від несплошностей, заснована Виявлення дефектів при відлуння - методі, тому що за своїми акустичними властивостями несплошності (тріщини, пори, шлакові включення і ін.) відрізняються від основного матеріалу.

Переломлення і трансформація ультразвукових коливань. При похилому падінні поздовжньої хвилі з твердого середовища 1 в тверду середу 2, на кордоні цих двох середовищ відбувається: відображення, заломлення і трансформація (розщеплення) хвилі.

Якщо поздовжня пружна хвиля з певною швидкістю потрапляє на кордон розділу цих двох твердих середовищ під кутом, відмінним від прямого, то відображена і пройшла хвиля переломлюються і трансформуються на поздовжні і поперечні хвилі, що поширюються в першій і другій середовищах під різними кутами.

На практиці для забезпечення падіння поздовжніх хвиль під кутом використовують похилі п'єзоелектричні перетворювачі.

П'єзоелектричні перетворювачі. Види і принципи роботи

П'єзоелектричні перетворювачі призначені для збудження і прийому ультразвукових хвиль (коливань) частотою від 1 до 5 МГц. П'єзоелектричні перетворювачі виготовляють по ГОСТ 26266 - 84. В технічній літературі і нормативно - технічної документації п'єзоелектричні перетворювачі можуть позначатися абревіатурою ПЕП.

В даний час використовують п'єзоелектричні перетворювачі трьох видів:

1. Поєднані - складаються з одного п'єзоелемента, який в один момент часу виконує роль джерела, а в наступний момент часу - роль приймача ультразвуку;

2. Окремо - суміщені - складаються з двох п'єзоелементів (один - джерело, а інший - приймач ультразвука) розташованих в одному корпусі і розділених захисним акустичним екраном;

3. Роздільні - п'єзоелемент в перетворювачі виконує роль тільки джерела або тільки приймача ультразвуку.

Принцип роботи п'єзоелектричних перетворювачів

Для виготовлення перетворювачів (вставок резонаторів) рейкових дефектоскопів найчастіше використовують п'єзоелементи у вигляді пластини, виготовлені з монокристалів цирконата - титанату свинцю марки ЦТС-19 або ЦТС-22. На плоскі поверхні п'єзоелементів наносять тонкі шари срібла, службовці електродами і проводять електричну напругу.

Таким чином, виявляється можливим за допомогою п'єзоелемента перетворити електричні коливання в ультразвукові (зворотний п'єзоефект) і, навпаки, ультразвукові коливання в електричні (прямий п'єзоефект).

Найбільший ефект перетворення досягається тоді, коли власна резонансна частота пьезоелемента відповідає частоті прикладається електричної напруги або частоті впливають УЗ коливань.

Маркування п'єзоелектричних перетворювачів

Загальна маркування п'єзоелектричних перетворювачів зазвичай складається з букви П і наступних трьох цифр, що вказуються без пробілів.

Буква П позначає - перетворювач п'єзоелектричний; Перша цифра після букви П позначає спосіб введення ультразвуку: 1-контактний; 2-іммерсійний; 3-контактно - іммерсійний; 4-безконтактний.

Друга цифра вказує розташування п'єзопластини в перетворювачі: 1 - прямий; 2 - похилий; 3 - комбінований.

Третя цифра вказує принцип дії п'єзопластини: 1 - суміщений; 2 - окремо - суміщений; 3 - роздільний.

Приклад маркування: П121 - 2,5 - 50 - контактний похилий суміщений перетворювач з номінальною частотою ультразвуку 2,5 МГц і кутом нахилу пьезоелемента 50 0.