Высокочастотные звуковые волны, используемые для обнаружения дефектов и определения толщины в приложениях ультразвукового неразрушающего контроля, генерируются и принимаются небольшими зондами, называемыми ультразвуковыми преобразователями. Преобразователи являются отправной точкой для любой ультразвуковой испытательной установки, и они бывают самых разнообразных частот, размеров и типов корпусов для удовлетворения потребностей инспекции, начиная от дефектоскопии в огромных многотонных стальных поковках и заканчивая измерением толщины тонких бумажных покрытий.
Датчик обычно определяется как любое устройство, которое преобразует одну форму энергии в другую. Предмет этой статьи - ультразвуковые преобразователи, используемые для толщинометрии и традиционного обнаружения дефектов. Зонды с фазированной решеткой, которые используют несколько элементов для генерации управляемых звуковых пучков, описаны подробно.
Преобразователи преобразуют импульс электрической энергии от измерительного прибора в механическую энергию в форме звуковых волн, которые проходят через испытательный образец. Звуковые волны, отражающиеся от испытательного образца, в свою очередь преобразуются преобразователем в импульс электрической энергии, который может обрабатываться и отображаться испытательным прибором. По сути, преобразователь действует как ультразвуковой динамик и микрофон, генерируя и получая импульсы звуковых волн на частотах, значительно превышающих диапазон человеческого слуха.
Как правило, активный элемент датчика неразрушающего контроля представляет собой тонкий диск, квадрат или прямоугольник из пьезоэлектрической керамики или композита, который преобразует электрическую энергию в механическую энергию и наоборот. Этот элемент иногда неофициально называют кристаллом, потому что в первые годы ультразвукового неразрушающего контроля элементы были сделаны из кристаллов кварца; однако керамика, такая как метаниобат свинца и титанат свинца-циркония, уже давно используется в большинстве преобразователей. В последние годы наблюдается все большее использование композитных элементов, в которых традиционный твердый керамический диск или пластина заменяется микрообработанным элементом, в котором крошечные цилиндры из пьезоэлектрической керамики встроены в эпоксидную матрицу. Композитные элементы могут обеспечить увеличенную пропускную способность и улучшенную чувствительность во многих приложениях для обнаружения дефектов.
Типичная одноэлементная и двухэлементная конструкция преобразователя.
Когда он возбуждается электрическим импульсом, этот пьезоэлектрический элемент генерирует звуковые волны, а когда он вибрирует, возвращая эхо-сигнал, он генерирует напряжение. Активный элемент защищен от повреждений с помощью изнашиваемой пластины или акустической линзы и поддерживается блоком демпфирующего материала, который успокаивает преобразователь после генерации звукового импульса. Этот ультразвуковой узел монтируется в корпус с соответствующими электрическими соединениями. Все основные контактные, угловые, задерживающие и иммерсионные преобразователи используют эту базовую конструкцию. Датчики с фазированной решеткой, используемые в приложениях обработки изображений, просто объединяют несколько отдельных элементов преобразователя в одну сборку. Двухэлементные преобразователи, обычно используемые в коррозионных исследованиях, отличаются тем, что они имеют отдельные передающие и приемные элементы, разделенные звуковым барьером, без подложки и встроенную линию задержки для управления и сопряжения звуковой энергии, а не изнашиваемой пластины или линзы. На рисунке 1 показана типичная конструкция датчика.
Хотя основная концепция проста, преобразователи представляют собой точные устройства, которые требуют особого внимания при проектировании, выборе материалов и производстве, чтобы обеспечить оптимальную и стабильную производительность. Преобразователи, обычно используемые в обычном ультразвуковом неразрушающем контроле, делятся на пять основных категорий в зависимости от их конструкции и предполагаемого использования.
