Основные параметры пьезопреобразователей

Технические параметры преобразователей регламентируются ГОСТ 14782-86 «Соединения сварные, методы ультразвуковые» и ГОСТ 26266-90 «Преобразователь ультразвуковые. Общие технические требования». К основным параметрам относятся следующие:

Коэффициент преобразования.

Вводят коэффициент преобразования при излучении

К_и=Р_ак/U_u,

где Р – излученная акустическая мощность; U_u – напряжение на излучателе, коэффициент преобразования при приеме

К_п= U_n /Р_ак ,

где U_n – напряжение принятого сигнала. Работу преобразователя в совмещенном режиме характеризует коэффициент двойного преобразования:

К_uu= K_uK_n . (2.25)

Зависимость коэффициента преобразования от частоты называют
амплитудно-частотной характеристикой, ее типичный вид показан на рис. 2.18. Частота fo очень близка к частоте, рассчитанной по формуле (2.1). При малой связи с нагрузкой амплитуда эхо-импульса от отражателя достигает максимального значения на рабочей частоте fo. В России принят ряд стандартных рабочих частот. Наиболее употребительные рабочие частоты: 1,25, 1,8 (дополнительная), 2,5, 5, 10 МГц. Частоты преобразователей зарубежного производства могут не совпадать с этим рядом. В таком случае используется зарубежный преобразователь с ближайшей более высокой частотой, чем указано в документации на УЗК. Допуски на соответствие частот составляют ±10 %, выше 1,25 МГц и ±20 % – до 1,25 МГц.

Полоса преобразования (рис. 2.18) – это разность частот: f₂ –f₁= ,
где f₁ и f₂ – частоты, на которых амплитуда эхо-импульса (или коэффициента преобразования) уменьшается в 2 раза (на 6 дБ, если К_ии измеряется в децибелах). Обычно ширина полосы составляет около 30 % от рабочей частоты.

Для наклонных преобразователей вводят понятия «точка выхода», «стрела преобразователя» и «угол ввода». Точка выхода – это точка пересечения оси излучения в призме и поверхности выхода. Стрела преобразователя – это расстояние от точки выхода до передней грани преобразователя. Стрела преобразователя – важный параметр, определяющий возможность контроля данным преобразователем сварных швов. Слишком большая стрела не позволяет проконтролировать всю нижнюю половину сечения шва прямым лучом. Положение точки выхода маркируется риской на боковой поверхности преобразователя. Допуск на положение точки выхода ±1 мм.

Угол ввода луча – это угол между нормалью к поверхности в точке выхода и линией, соединяющей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода, в положении преобразователя, когда амплитуда эхо-сигнала наибольшая. В силу эффекта зависимости коэффициента прохождения от угла падения и эффекта квазиискривления акустической оси угол ввода может отличаться от угла преломления, рассчитанного по закону Снеллиуса. Наилучшее совпадение этих углов получается в интервале углов падения от 30° до 50°. Причиной квазиискривления акустической оси является затухание в материале. С увеличением глубины расположения отражателя угол ввода луча уменьшается. При малом затухании ультразвука этот эффект можно не учитывать.

Угол ввода луча может изменяться в процессе эксплуатации преобразователя:

– за счет истирания и изменения угла призмы;

– изменения скорости распространения УЗ колебаний в призме вследствие старения или изменения температуры. Угол ввода изменяется на
0,5°–0,7° на каждые 10 °С изменения температуры.

Для отклонения угла ввода от номинального значения установлены допуски:

– для преобразователей с углом ввода до 60° – ±1,5°;

– преобразователей с углом ввода 60° и больше – ±2°.

Важным параметром является время задержки волны в призме наклонного преобразователя или в акустической задержке. Время задержки измеряется в микросекундах и определяется как отношение длины акустической оси излучения в призме или акустической задержки к скорости ультразвука.

Направленность поля ПЭП измеряют при изменении угла ввода по уровню -6 дБ от максимального значения амплитуды эхо-сигнала и оценивают шириной раскрытия диаграммы направлен­нос­ти. Типичные значения составляют
4–10°, причем ширина раскрытия уменьшается с ростом произведения af_o. Чем выше направленность, тем больше амплитуда эхо-сигнала от отражателя при прочих равных условиях.

Мертвая зона – участки вблизи поверхности ввода и донной поверхности, дефекты в которых не могут быть выявлены эхо-импульсным методом при данных параметрах контроля. Понятие мертвой зоны иллюстрирует рис. 2.19.

Эхо-импульс от отражателя, расположенного в мертвой зоне вблизи поверхности ввода, попадает в область зондирующего сигнала и последующих шумовых и реверберационных сигналов. Размер мертвой зоны зависит от длительности зондирующего импульса и длительности переходных процессов , происходящих вследствие недостаточного демпфирования и отражений в призме. Размер мертвой зоны оценивается по следующим формулам:

– прямой преобразователь; (2.26)

– наклонный преобразователь. (2.27)

Часть мертвой зоны наклонного ПЭП приходится на призму. С увеличением угла призмы наклонного ПЭП мертвая зона уменьшается. Для уменьшения мертвой зоны нужно повышать частоту УЗВ, это дает возможность сократить длительность зондирующего импульса при том же числе периодов колебаний в импульсе.

Мертвая зона вблизи донной поверхности образуется в связи с тем, что сильный донный сигнал мешает выявлению относительно слабого отражения от дефекта. Размер мертвой зоны вблизи донной поверхности прямого преобразователя меньше, чем Н_м в формуле (2.26). Для наклонного преобразователя мертвая зона вблизи донной поверхности, как правило, не возникает.

Лучевая разрешающая способность ПЭП (разрешающая способность по глубине или дальности) – это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми компактными отражателями, расположенными по оси излучения. Отражатели считаются выявленными раздельно, если глубина минимума между двумя максимумами (импульсами) составляет не менее 6 дБ (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Лучевая разрешающая способность ПЭП

Лучевая разрешающая способность улучшается с уменьшением длительности зондирующего импульса .

Фронтальная разрешающая способность – это минимальное расстояние между двумя раздельно выявляемыми точечными отражателями, расположенными перпендикулярно акустической оси (для прямого преобразователя – лежащими на одной глубине). Фронтальная разрешающая способность зависит от глубины залегания отражателя h, длины волны и диаметра излучателя D:

. (2.28)

Для уменьшения нужно улучшать направленность преобразователя, которая определяется отношением /D.

Область рабочих температур – это интервал температур поверхности ОК, при которых ПЭП может эксплуатироваться без ущерба.

Стандартные ПЭП имеют условные обозначения следующей структуры (табл. 2.6).

Таблица 2.6